TWI651610B - 用於溫度相依之功率產生及功率消耗電氣裝置之加強對流冷卻之系統及方法 - Google Patents

用於溫度相依之功率產生及功率消耗電氣裝置之加強對流冷卻之系統及方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種用於冷卻一溫度相依功率裝置之冷卻系統，其包含一主動冷卻裝置及一控制器，該控制器產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該主動冷卻裝置以選擇性地啟動該裝置。該控制器自感測器接收關於該冷卻裝置功率消耗及功率設備之經量測操作參數之一輸入，若該裝置係一功率產生裝置，則該輸入包含該功率裝置輸出功率，或若該裝置係一功率消耗裝置，則該輸入包含該功率裝置輸入功率。該控制器基於該冷卻裝置功率消耗及該經量測功率裝置輸入或輸出功率產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該冷卻裝置，以使得該主動冷卻裝置選擇性地冷卻該熱量產生功率裝置。可藉由控制由該冷卻裝置提供之對流冷卻的量而最大化/最小化一淨系統功率輸出或總系統功率輸入。

Description

用於溫度相依之功率產生及功率消耗電氣裝置之加強對流冷卻之系統及方法
本發明之實施例大體上係關於一種溫度相依功率產生及功率消耗裝置，且更特定言之，係關於一種用於對此等裝置提供控制冷卻以最大化此等裝置之一功率輸出或最小化此等裝置之一功率消耗之系統及方法。
眾所周知，某些溫度相依功率產生及功率消耗電氣裝置之有效冷卻係關於此等裝置之操作及執行之一必要組成部分，這係因為有效冷卻可延長此等裝置之壽命且可導致用於此等裝置之執行效率增加。例如，關於此等溫度相依電氣裝置之操作，裝置之適當冷卻可最大化功率產生裝置之一功率輸出或最小化功率消耗裝置之一功率消耗。
效能可由適當的溫度控制來予以最大化之一溫度相依功率產生裝置之一實例係一太陽能光伏打(PV)面板。PV面板係將光子形式的能量轉換為電子形式的電力之基於半導體的能量轉換裝置。已知一太陽能PV面板之效能隨著溫度增加而降級且一太陽能PV面板之效率係面板溫度之一線性函數，亦即，由PV面板吸收且轉換為DC電力之太陽能輻射的量係溫度相依，其中轉換為DC電力之輻射分率係PV面板 之效率。PV面板之溫度相依效率可能不確定，這係因為典型的太陽能PV面板在將入射太陽能輻射轉換為電力時具有大約10%至20%的效率，其中由太陽能PV面板吸收且未被轉換為電力之剩餘能量可用以加熱裝置。此能量因此必須自PV面板移除以維持一所要效率，否則其將保留在裝置中而導致溫度增加。
效能可由適當的溫度控制來予以最大化之溫度相依功率消耗裝置之一實例係電信設備中採用的積體電路(IC)或處理裝置。在此等裝置中，應可瞭解，裝置之散熱及溫度控制與功率消耗以及裝置的可靠性高度相關。作為一實例，已知基於CMOS的FPGA(通常用於電信設備中)中之洩漏電流隨溫度增加，這係因為洩漏功率與溫度之間存在一正回饋迴路。
在解決溫度相依功率產生及功率消耗裝置中之溫度控制的問題時，可採用使用被動冷卻或主動冷卻之冷卻系統以對裝置提供冷卻。使用被動冷卻方法之先前技術冷卻系統之前已使用附接至該裝置之一自然對流冷卻散熱器(例如，一PV面板背側上之散熱器)。然而，雖然此被動對流冷卻可對裝置之操作溫度提供一定的控制，但是此等被動冷卻系統在其等可提供的冷卻位準方面有所限制，因此亦固有地限制溫度相依功率產生及/或功率消耗裝置之效能。使用主動冷卻方法之先前技術冷卻系統之前已使用(例如)諸如提供加壓空氣對流之一風扇之機構或其中諸如水或基於水的流體之一液體循環以自電氣裝置消除熱量之一主動液體冷卻裝置。然而，現有主動冷卻方法的成本可能較高、易於出現故障(歸因於可能出現故障/磨損之旋轉部分、軸承或油脂)或消耗其等自身的大量功率，使得主動冷卻裝置之優勢被最小化。
因此，需要一種用於對溫度相依功率產生及功率消耗裝置提供冷卻之簡易系統及方法，其中該系統及方法提供控制冷卻以最大化此 等裝置之一功率輸出或最小化此等裝置之一功率消耗。將進一步期望此一系統及方法以一有效方式提供此冷卻，使得冷卻系統消耗少量的功率且防止故障，以提供不昂貴又可靠的冷卻。
根據本發明之一態樣，一種冷卻系統包含一低功率主動冷卻裝置及一控制器，其電耦合至該主動冷卻裝置，該控制器經組態以產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該主動冷卻裝置以選擇性地啟動該主動冷卻裝置。該冷卻系統亦包含複數個感測器，其等經組態以量測該主動冷卻裝置之功率消耗並量測與由該主動冷卻裝置冷卻之一熱量產生電氣裝置之操作相關聯之一或多個操作參數，該熱量產生電氣裝置包括一溫度相依功率產生裝置及一溫度相依功率消耗裝置之一者。該冷卻系統之該控制器經進一步組態以自該複數個感測器接收該主動冷卻裝置之該功率消耗及該一或多次經量測操作參數之一輸入，若該熱量產生電氣裝置係一功率產生裝置，則該輸入包含一裝置輸出功率，或若該熱量產生電氣裝置係一功率消耗裝置，則該輸入包含一裝置輸入功率。該冷卻系統之該控制器經進一步組態以基於該主動冷卻裝置之該功率消耗及該等經量測操作參數之該所接收輸入產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該主動冷卻裝置，以使得該主動冷卻裝置選擇性地冷卻該熱量產生電氣裝置。在產生該驅動信號並將該驅動信號傳輸至該主動冷卻裝置時，該控制器控制由該主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量以在該裝置係一功率產生裝置時最大化一淨系統功率輸出或在該裝置係一功率消耗裝置時最小化一總系統功率輸入，其中該淨系統功率輸出之該最大化包括最大化由該功率產生裝置產生之該功率減去由該主動冷卻裝置消耗之該功率定義之一淨功率，且其中該總系統功率輸入之該最小化包括最小化憑藉由該功率消耗裝置消耗之該功率加上由該主動冷卻裝置消耗之該功率定義之一總功率。
根據本發明之另一態樣，一種冷卻一溫度相依功率產生裝置之方法包含提供一主動冷卻裝置，其經組態以產生提供對流冷卻用於一功率產生裝置之一冷卻流體流，該功率產生裝置包括一溫度相依功率產生裝置，其中由該溫度相依功率產生裝置產生之一功率位準部分取決於該裝置之一操作溫度。該方法亦包含將一控制器可操作地連接至該主動冷卻裝置，該控制器經組態以控制提供給該主動冷卻裝置之一功率供應以選擇性地提供該對流冷卻用於該裝置及將由該功率產生裝置產生之該輸出功率之一電流量測及一電壓量測之至少一者提供給該控制器，該輸出功率之該電流量測及該電壓量測之該至少一者係由一或多個感測器量測。該方法進一步包含將由該主動冷卻裝置在冷卻該功率產生裝置時消耗之功率之一量測提供給該控制器及基於提供給該主動冷卻裝置之該功率量測及基於提供給該控制器之該電流量測及該電壓量測之該至少一者經由該控制器控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應。在控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應時，該控制器控制由該主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量，以使得該功率產生裝置在最大化一淨系統功率時之一溫度下操作，該淨系統功率被定義為由該功率產生裝置產生之該功率減去由該主動冷卻裝置消耗之該功率。
根據本發明之又另一態樣，一種冷卻一溫度相依功率消耗裝置之方法包含提供一低功率主動冷卻裝置，其經組態以產生提供對流冷卻用於一功率消耗裝置之一冷卻流體流，該功率消耗裝置包括一溫度相依功率消耗裝置，其中由該溫度相依功率消耗裝置消耗之一功率位準部分取決於該裝置之一操作溫度。。該方法亦包含將一控制器可操作地連接至該主動冷卻裝置，該控制器經組態以控制提供給該主動冷卻裝置之一功率供應以控制該冷卻噴流之產生以選擇性地提供該對流冷卻用於該裝置；及回應於該功率消耗裝置之一功率需求將提供給該功率消耗裝置之該輸入功率之一電流量測及一電壓量測之至少一者提 供給該控制器，該輸入功率之該電流量測及該電壓量測之該至少一者係由一或多個感測器量測。。該方法進一步包含將由該主動冷卻裝置在冷卻該功率消耗裝置時消耗之功率之一量測提供給該控制器及基於提供給該主動冷卻裝置之該功率量測及基於提供給該控制器之該電流量測及該電壓量測之該至少一者經由該控制器控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應。在控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應時，該控制器控制由該主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量，以使得該功率消耗裝置在最小化一總系統功率時之一溫度下操作，該總系統功率被定義為由該功率消耗裝置消耗之該功率加上由該主動冷卻裝置消耗之該功率。
自下列細節描述及圖式將可明白各種其他特徵及優點。
10‧‧‧合成噴嘴總成
12‧‧‧合成噴嘴
14‧‧‧安裝裝置/安裝支架
16‧‧‧外殼/主體
18‧‧‧電路驅動器
20‧‧‧內部腔室/腔
22‧‧‧氣體/流體
24‧‧‧第一板
26‧‧‧第二板
28‧‧‧間隔元件
30‧‧‧孔口
32‧‧‧外部環境/外部體積
34‧‧‧壓電原動致動器
36‧‧‧壓電原動致動器
38‧‧‧第一複合結構/撓性隔膜
40‧‧‧第二複合結構/撓性隔膜
42‧‧‧控制器/控制單元/控制系統
44‧‧‧箭頭
46‧‧‧流體/氣體
48‧‧‧箭頭組
50‧‧‧箭頭
52‧‧‧箭頭組
54‧‧‧裝置
60‧‧‧控制方案
62‧‧‧合成噴嘴/雙重冷卻噴嘴
64‧‧‧溫度相依功率產生裝置
66‧‧‧電流感測器
68‧‧‧電壓感測器
70‧‧‧即時淨系統功率輸出
72‧‧‧溫度感測器
74‧‧‧溫度感測器
76‧‧‧感測器
78‧‧‧冷卻排程
80‧‧‧控制器
82‧‧‧電池組
84‧‧‧回饋迴路
86‧‧‧冷卻系統
90‧‧‧控制方案
92‧‧‧溫度相依功率消耗裝置
94‧‧‧電源
96‧‧‧電流感測器
98‧‧‧電壓感測器
100‧‧‧功率輸入
102‧‧‧裝置操作溫度/感測器
104‧‧‧周圍溫度/感測器
106‧‧‧輸入
108‧‧‧回饋迴路
110‧‧‧冷卻系統
圖式繪示目前預期用於實行本發明之實施例。
在該等圖式中：圖1係搭配本發明之實施例使用之一合成噴嘴總成之一透視圖。
圖2係圖1之合成噴嘴之一部分之一截面。
圖3係圖2之合成噴嘴之一截面，其描繪控制系統造成隔膜向內行進朝向孔口時的噴嘴。
圖4係圖2之合成噴嘴致動器之一截面，其描繪控制系統使得隔膜向外行進遠離孔口時的噴嘴。
圖5係用於控制用於對根據本發明之一實施例之一溫度相依功率產生電氣裝置提供冷卻之一或多個合成噴嘴之操作之一控制方案之一示意圖。
圖6係用於控制用於對根據本發明之一實施例之一溫度相依功率消耗電氣裝置提供冷卻之一或多個合成噴嘴之操作之一控制方案之一示意圖。
本發明之實施例係關於一種用於溫度相依功率產生或功率消耗電氣裝置之加強對流冷卻之系統及方法。提供加強對流冷卻之一冷卻系統係經由一控制方案而操作，該控制方案改變由冷卻系統提供之對流冷卻的量以最大化功率產生電氣裝置之淨系統功率輸出或最小化功率消耗電氣裝置之總系統功率消耗。在改變溫度相依功率產生/功率消耗電氣裝置之操作條件期間，經由所實施的控制方案選擇性地控制由冷卻系統提供之對流冷卻。
根據本發明之實施例，一種用於溫度相依功率產生或功率消耗電氣裝置之加強對流冷卻之冷卻系統包含低功率主動冷卻裝置以提供對流冷卻。低功率主動冷卻裝置可呈現多種形式，諸如(例如)風扇或鼓風機，但是在本發明之一例示性實施例中，低功率主動冷卻裝置呈現提供對流冷卻之合成噴嘴致動器或總成之形式。合成噴嘴致動器係產生合成流體噴流以影響一表面上方之該流體流動之一技術。一典型的合成噴嘴致動器包括界定一內部腔室之一外殼。外殼之一壁中存在一孔口。致動器進一步包含外殼中或外殼周圍之一機構，該機構用於週期性地改變內部腔室內之體積使得產生一流動且該流動在一外部環境中自外殼之孔口射出。此流動可包含流體漩渦。體積改變機構之實例可包含(例如)定位於噴嘴外殼中之一活塞，在活塞或作為外殼之一壁之一撓性隔膜往復運動期間將流體移入或移出孔口。撓性隔膜通常由一壓電致動器或其他適當的構件而致動。
圖1中繪示可搭配本發明之實施例使用之一合成噴嘴總成10之一例示性實施例，其中圖1中展示之特定合成噴嘴總成10被建構為一雙重冷卻噴嘴(DCJ)，其包含使得外殼之相對撓性隔膜壁撓曲以改變外殼之內部腔室內之體積以產生一流動且使該流動自外殼之孔口射出之兩個壓電致動器(或其他合適的致動器)。如圖1中所示，合成噴嘴總 成10包含一合成噴嘴12(圖2中繪示其之一截面)及一安裝裝置14。在一實施例中，安裝裝置14係在一或多個位置處附接至合成噴嘴12之一外殼或主體16之一u型支架。一電路驅動器18可位於外部或附接至安裝裝置14。替代地，電路驅動器18可經定位遠離合成噴嘴總成10。
現在一起參考圖1及圖2，合成噴嘴12之外殼16界定且部分圍封其中具有一氣體或流體22之一內部腔室或腔20。雖然外殼16及內部腔室20可實際上呈現根據本發明之各個實施例之任何幾何組態，但是為了論述及理解之目的，外殼16在圖2中之截面中展示為包含一第一板24及一第二板26，其等藉由定位在其等之間之一間隔元件28維持一分隔開關係。在一實施例中，間隔元件28使第一板24與第二板26之間維持大約1mm之一間距。一或多個孔口30形成在第一板24及第二板26與間隔元件28之側壁之間以將內部腔室20放置成與一周圍外部環境32流體連通。在一替代實施例中，間隔元件28包含其中形成一或多個孔口30之一正面(未展示)。
根據各個實施例，第一板24及第二板26可由一金屬、塑膠、玻璃及/或陶瓷形成。同樣地，間隔元件28可由一金屬、塑膠、玻璃及/或陶瓷形成。合適的金屬包含諸如鎳、鋁、銅及鉬或合金(諸如不鏽鋼、黃銅、青銅等等)之材料。合適的聚合物及塑膠包含諸如聚烯烴、聚碳酸酯、熱固物、環氧樹脂、胺基甲酸酯、丙烯酸、聚矽氧、聚醯亞胺及具光阻能力的材料及其他彈性塑膠之熱塑性塑膠。合適的陶瓷包含(例如)鈦酸鹽(諸如鈦酸鑭、鈦酸鉍及鋯鈦酸鉛)及鉬酸鹽。此外，合成噴嘴12之各個其他組件亦可由金屬形成。
致動器34、36耦合至各自第一板24及第二板26以形成第一複合結構或撓性隔膜38及第二複合結構或撓性隔膜40，其等由驅動器18經由一控制器或控制單元42控制。如圖1中所示，在一實施例中，控制器42電耦合至驅動器18，驅動器18直接耦合至合成噴嘴12之安裝支架 14。在一替代性實施例中，控制器42整合至經定位遠離合成噴嘴12之一驅動器18中。例如，每一撓性隔膜38、40可裝備有一金屬層，且一金屬電極可安置在金屬層附近使得隔膜38、40可經由強加於電極與金屬層之間之一電偏壓而移動。此外，控制器42可經組態以藉由任何合適的裝置(諸如(例如)一電腦、邏輯處理器或信號產生器)產生電偏壓。
在一實施例中，致動器34、36係壓電原動(piezomotive)裝置，其等可藉由施加使得壓電原動裝置快速擴張及收縮之一諧波交流電壓而致動。在操作期間，控制器42(結合驅動器18)產生一驅動信號，該驅動信號使得將一電荷傳輸至壓電致動器34、36，壓電致動器34、36回應於該電荷而經受機械應力及/或應變。壓電原動致動器34、36之應力/應變使得各自第一板24及第二板26撓曲而使得達成一時諧運動或週期運動。如關於圖3及圖4詳細地描述，內部腔室20中之所得體積改變造成內部腔室20與外部體積32之間的氣體或其他流體互換。
根據本發明之各個實施例，壓電原動致動器34、36可為單壓電晶片或雙壓電晶片裝置。在一單壓電晶片實施例中，壓電原動致動器34、36可耦合至由包含金屬、塑膠、玻璃或陶瓷之材料形成之板24、26。在一雙壓電晶片實施例中，一或兩個壓電原動致動器34、36可為耦合至由壓電材料形成之板24、26之雙壓電晶片致動器。在一替代實施例中，雙壓電晶片可包含單個致動器34、36，且板24、26係第二致動器。
合成噴嘴12之組件可黏合在一起或以其他方式使用黏合劑、焊料等等彼此附接。在一實施例中，採用一熱固性黏合劑或一導電黏合劑以將致動器34、36接合至第一板24及第二板26，以形成第一複合結構38及第二複合結構40。在一導電黏合劑之情況下，一黏合劑可填充有一導電填充劑(諸如銀、金等等)以將引線(未展示)附接至合成噴嘴 12。合適的黏合劑可具有肖氏A硬度100或更小之範圍中之一硬度，且可包含(作為實例)聚矽氧、聚胺基甲酸酯、熱塑性橡膠等等，使得可達成120度或更高之一操作溫度。
在本發明之一實施例中，致動器34、36可包含除壓電原動裝置以外的裝置，諸如液壓、氣動、磁性、靜電及超音波材料。因此，在此等實施例中，控制系統42經組態以依對應方式啟動各自致動器34、36。例如，若使用靜電材料，則控制系統42可經組態以將一快速交流靜電電壓提供至致動器34、36，以啟動及撓曲各自第一板24及第二板26。
參考圖3及圖4描述合成噴嘴12之操作。首先參考圖3，繪示在致動器34、36經控制以使得第一板24及第二板26相對於內部腔室20向外移動時之合成噴嘴12，如由箭頭44所繪示。當第一板24及第二板26向外撓曲時，內部腔室20之內部體積增加，且周圍流體或氣體46衝入至內部腔室20中，如箭頭組48所繪示。致動器34、36由控制器42控制使得在第一板24及第二板26自內部腔室20向外移動時，渦旋已自孔口30之邊緣移除且因此不受被汲取至內部腔室20中之周圍流體46影響。同時，藉由對自遠離孔口30大的距離處汲取之周圍流體46產生強力挾帶之渦旋而合成周圍流體46之一噴流。
圖4描繪在致動器34、36經控制使得第一板24及第二板26向內撓曲至內部腔室20中時之合成噴嘴12，如由箭頭50所繪示。內部腔室20之內部體積降低，且流體22作為一冷卻噴流以箭頭組52指示之方向朝向待冷卻之一裝置54透過孔口30噴出，待冷卻之裝置54係(例如)一溫度相依功率產生裝置或一溫度相依功率消耗裝置。當流體22透過孔口30離開內部腔室20時，該流動在孔口30之尖銳邊緣處分離且產生捲成漩渦之漩渦層並開始移動遠離孔口30之邊緣。
雖然將圖1至圖4之合成噴嘴展示且描述為其中具有一單個孔 口，但是亦可預想到，本發明之實施例可包含多個孔口合成噴嘴致動器。此外，雖然將圖1至圖4之合成噴嘴致動器展示且描述為具有包含於第一板及第二板之各者上之一致動器元件，但是亦可預想到，本發明之實施例可僅包含定位於該等板之一者上之一單個致動器元件。此外，亦可預想到，可以一圓形、矩形或替代地成形組態而非以如本文中繪示之一正方形組態提供合成噴嘴板。
現在參考圖5及圖6，展示根據本發明之實施例之用於控制用於對包含一溫度相依功率產生裝置(圖5)及一溫度相依功率消耗裝置(圖6)之熱量產生電氣裝置提供冷卻之一或多個低功率主動冷卻裝置之操作之控制方案之示意圖。根據本發明之實施例，控制方案可經實施以控制由多個主動冷卻裝置之任一者(諸如(例如)風扇或鼓風機)提供之對流冷卻，但是在本發明之一例示性實施例中，控制方案控制合成噴嘴(諸如圖1至圖4中展示之合成噴嘴12)之操作。合成噴嘴之實施方案-及其經由指定控制方案進行之控制，使得能夠藉由最大化溫度相依功率產生裝置之一功率輸出或最小化由溫度相依功率消耗裝置消耗之功率改良電氣裝置之效能。合成噴嘴機械地穩固且可以最小功率需求操作以提供用於電氣裝置之加強冷卻及有效熱管理。
首先參考圖5，展示用於對一溫度相依功率產生裝置64提供冷卻之一或多個合成噴嘴62之操作之一控制方案60。溫度相依功率產生裝置64可呈現多種類型的裝置之任一者之形式，包含(但不限於)例如光伏打(PV)面板或模組、電池組、功率變換器或其他功率電子器件。
如圖5中所示，一合成噴嘴62經提供用於冷卻功率產生裝置64，其中合成噴嘴62安裝在功率產生裝置64上或位於其附近使得自合成噴嘴62噴出之流體漩渦流至功率產生裝置64上/流過功率產生裝置64以對功率產生裝置64提供對流冷卻。雖然僅展示一單個合成噴嘴62，但是應可瞭解，可提供用於冷卻該功率產生裝置64之多個合成噴嘴。根 據本發明之一例示性實施例，合成噴嘴62經建構如同圖1至圖4中展示之合成噴嘴12，即，建構為一DCJ，且包含使得外殼之相對撓性隔膜壁撓曲以改變外殼之內部腔室內之體積以產生一流動且使該流動自外殼之孔口射出之兩個壓電致動器(或其他合適的致動器)。然而，應可瞭解，經提供用於冷卻功率產生裝置64之合成噴嘴62可具有一不同構造，諸如(例如)僅具有使得噴嘴外殼之一壁撓曲之一單個壓電致動器。
一或多個感測器可操作地連接至功率產生裝置64，該一或多個感測器經提供用於量測/監控與裝置之操作相關聯之操作參數。至少，功率產生裝置64之一輸出功率係由連接至裝置64之輸出70之電流感測器66及/或電壓感測器68量測/監控。作為一實例，可使用一並聯電阻器或一DC電流感測器使用磁場自功率產生裝置64進行一DC電流輸出。根據本發明之一例示性實施例，在功率轉移至合成噴嘴62之後記錄電壓及電流量測，以量測來自裝置64之「淨系統功率輸出」，其被定義為由裝置64產生之DC功率減去由合成噴嘴62消耗之功率。
功率產生裝置64在其內操作及/或可能影響裝置之操作之其他操作參數亦可由適當的感測器(大體上在72、74、76處加以指示)量測及/或經提供作為一輸入參數。此等操作參數將基於由合成噴嘴62冷卻之功率產生裝置64之類型及可用參數/資料之類型而改變，但是可包含(例如)與任何溫度相依功率產生裝置64之操作相關聯之更廣義的參數，諸如裝置在其內操作之周圍溫度(由溫度感測器72獲取)及裝置操作溫度(由溫度感測器74獲取)，及/或與一特定裝置操作(例如，一光伏打(PV)模組之操作)相關聯之更特定的參數，諸如太陽能輻照或風速(如可由指示為76之一般的「感測器」獲取)。此外，如78處指示，基於歷史資料之一冷卻排程可提供作為一輸入。
如圖5中進一步所示，一控制器80可操作地連接至合成噴嘴62以 控制其(等)操作。控制器80可具有多種架構之任一者，包含(例如)：一單輸入單輸出(SISO)控制器；一比例積分微分(PID)控制器；或一多輸入單輸出(MISO)控制器。控制器80之確切架構可至少部分基於可用於自相關聯之感測器(諸如感測器66、68、72、74、76)輸入至控制器80之可量測參數之數目而判定。無關於特定架構，控制器80用以控制供應給合成噴嘴62之功率(即，控制一驅動信號之產生/一驅動信號至合成噴嘴62之傳輸)以改變自噴嘴62噴出之流體漩渦的量/量值及/或自噴嘴62排出流體漩渦之頻率。應可瞭解，可採用一單個控制器80以控制合成噴嘴62之操作或可採用多個控制器以控制多個合成噴嘴62之操作。根據本發明之一實施例，可由功率產生裝置64之功率輸出之一分率供電給控制器80及合成噴嘴62。替代地或作為一備用電源，可提供一電池組82以供電給控制器80及合成噴嘴62。
在操作中，控制器80實施控制方案60以控制由合成噴嘴62提供用於溫度相依功率產生裝置64之冷卻的量以最大化溫度相依功率產生裝置64之一淨系統功率輸出，其中控制器80自相關聯之感測器66、68、72、74、76接收輸入以規定控制方案60。至少，控制器80操作以接收來自功率產生裝置64之如由電流感測器66及/或電壓感測器68量測之輸出功率(減去提供給合成噴嘴62/控制器80之任何功率)之一量測及由合成噴嘴62在產生一冷卻流時消耗之功率之一量測。亦對控制器80採取功率產生裝置64在其內操作及/或可能影響裝置之操作之其他可用操作參數之量測並將該等量測輸入至控制器80，該等操作參數諸如如圖5中所示由感測器72、74獲取之周圍溫度及裝置操作溫度。
在功率產生裝置64之操作期間，輸入量測被饋送至控制器80中以判定操作合成噴嘴62時之適當功率位準以最大化來自功率產生裝置64之功率輸出。更具體言之，控制器80判定操作合成噴嘴62時之適當功率位準以最大化淨系統功率輸出(即，由功率產生裝置64產生之功 率減去由合成噴嘴62消耗之功率)。控制器80產生驅動信號以基於所接收的輸入來操作合成噴嘴62，其中合成噴嘴62接著回應於所產生驅動信號在一經判定功率位準下操作以對功率產生裝置64提供冷卻。控制器80具有一回饋迴路(整體以84指示)使得其可監控來自功率產生裝置64之即時淨系統功率輸出70，其中供應給合成噴嘴62之功率基於操作條件及淨功率輸出70而調整/控制且最大化功率產生裝置64之淨功率輸出。因此，例如，由於來自功率產生裝置64之輸出功率70開始隨著操作溫度增加而降級，量測/監控功率之降低且將其輸入至控制器80，這用以(經由一經修改驅動信號)增加供應給合成噴嘴62之功率以降低操作溫度且因此最大化功率產生裝置64之淨功率輸出。
合成噴嘴62、控制器80及感測器66、68、72、74、76之陣列共同地形成一冷卻系統86，其經提供用於冷卻溫度相依功率產生裝置64以最大化其之一淨功率輸出。冷卻系統86經由感測器66、68、72、74、76獲取與溫度相依功率產生裝置64之操作有關之資料、將該資料(連同其他可能的非感測器相關輸入)提供/輸入至控制器80，且控制合成噴嘴62之操作以對裝置64提供控制對流冷卻以最大化藉此產生之功率。
現在參考圖6，展示用於對一溫度相依功率消耗裝置92提供冷卻之一或多個合成噴嘴62之操作之一控制方案90。溫度相依功率消耗裝置92可呈現多種類型的裝置之任一者之形式，包含(但不限於)例如半導體裝置、積體電路、中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)或電信裝置。
如圖6中所示，一合成噴嘴62經提供用於冷卻功率消耗裝置92，其中合成噴嘴62安裝在功率消耗裝置92上或位於其附近使得自合成噴嘴62噴出之流體漩渦流至功率消耗裝置92上/流過功率消耗裝置92以對功率消耗裝置92提供對流冷卻。雖然僅展示一單個合成噴嘴62，但 是應可瞭解，可提供用於功率消耗裝置92之多個合成噴嘴。根據本發明之一例示性實施例，合成噴嘴62經建構如同圖1至圖4中展示之合成噴嘴12，即，建構為一DCJ，且包含使得外殼之相對撓性隔膜壁撓曲以改變外殼之內部腔室內之體積以產生一流動且使該流動自外殼之孔口射出之兩個壓電致動器(或其他合適的致動器)。然而，應可瞭解，經提供用於冷卻功率消耗裝置92之合成噴嘴62可具有一不同構造，諸如(例如)僅具有使得噴嘴外殼之一壁撓曲之一單個壓電致動器。
一或多個感測器可操作地連接至功率消耗裝置92，該一或多個感測器經提供用於量測/監控裝置92之操作。至少，(例如，自一電源94)提供給功率消耗裝置92以滿足裝置92之一功率需求之功率加上提供給合成噴嘴62用於提供冷卻之功率係由連接至裝置92之功率輸入100之電流感測器96及/或電壓感測器98量測/監控。功率消耗裝置92在其內操作及/或可能影響裝置之操作之其他操作參數亦可由適當的感測器量測及/或經提供作為輸入(整體以102、104、106指示)。此等操作參數將基於由合成噴嘴62冷卻之功率消耗裝置92之類型及可用參數/資料之類型而改變，但是可包含(例如)裝置在其內操作之周圍溫度(由感測器104獲取)及裝置操作溫度(由感測器102獲取)或基於歷史資料之一冷卻排程(提供作為一輸入106)。
如圖6中進一步所示，一控制器80可操作地連接至合成噴嘴62以控制其(其等)操作。控制器80用以(經由一驅動信號之產生/傳輸)控制供應給合成噴嘴62之功率以改變自噴嘴62噴出之流體漩渦的量/量值及/或自噴嘴62排出流體漩渦之頻率。藉由控制由合成噴嘴62提供用於溫度相依功率消耗裝置92之對流冷卻的量，功率消耗裝置92操作時之溫度經選擇性控制以最小化由溫度相依功率消耗裝置92消耗之功率。控制器80自相關聯之感測器96、98、102、104接收一或多個輸入(及其他潛在輸入，例如106)以制定控制方案90。至少，控制器80操 作以對由該裝置消耗之總功率(亦即，被定義為由裝置92消耗之DC功率加上由合成噴嘴62消耗之功率之「總輸入功率」)採取一量測。亦對控制器80採取功率消耗裝置92在其內操作及/或可能影響裝置92之操作之其他可用操作參數之量測並將該等量測輸入至控制器80，該等操作參數諸如如圖6中所示之周圍溫度104及裝置操作溫度102。
在功率消耗裝置92之操作期間，操作參數之輸入量測被饋送至控制器80中以判定操作合成噴嘴62時之適當功率位準以最小化總系統功率(即，由功率消耗裝置92消耗之功率加上由合成噴嘴62消耗之功率)，其中合成噴嘴62接著在一經判定功率位準下操作以對功率消耗裝置92提供冷卻。控制器80具有一回饋迴路(整體以108指示)，使得其可監控提供給功率消耗裝置92及合成噴嘴62之即時功率以滿足其之一功率需求，其中供應給合成噴嘴62之功率基於操作條件及所消耗的功率而調整/控制且最小化由功率消耗裝置92消耗之功率。因此，例如，由於功率消耗裝置92消耗之功率開始隨著操作溫度增加而增加，量測/監控所消耗功率之增加且將其輸入至控制器80，這用以增加供應給合成噴嘴62之功率以降低操作溫度以最小化功率消耗且最大化功率消耗裝置92之效率。
合成噴嘴62、控制器80及感測器96、98、102、104之陣列共同地形成一冷卻系統110，其經提供用於冷卻溫度相依功率消耗裝置92以藉此最小化一總功率消耗。冷卻系統110經由感測器96、98、102、104獲取與溫度相依功率消耗裝置92之操作有關之資料、將該資料(連同其他可能的非感測器相關輸入)提供/輸入至控制器80，且控制合成噴嘴62之操作以對裝置92提供控制對流冷卻以最小化功率消耗。
有利的是，本發明之實施例因此提供一種冷卻系統及用於其操作之控制方案，該冷卻系統對溫度相依功率產生電氣裝置及/或溫度相依功率消耗電氣裝置提供加強對流冷卻。該冷卻系統係經由該控制 方案操作以在改變溫度相依功率產生/功率消耗電氣裝置之操作條件期間選擇性地改變由該冷卻系統提供之對流冷卻的量以最大化功率產生電氣裝置之功率輸出或最小化功率消耗電氣裝置之功率消耗。此暗示不僅改良效能，而且見效熱降級並改良可靠性。冷卻系統中之合成噴嘴以一有效方式提供對流冷卻，使得冷卻系統消耗少量的功率且防止故障，以提供不昂貴又可靠的冷卻。
用於所揭示方法及設備之一技術貢獻係，其提供一種用於最大化溫度相依功率產生電氣裝置之淨系統功率輸出及/或最小化溫度相依功率消耗電氣裝置之總系統功率消耗之控制器實施技術。
因此，根據本發明之一實施例，一種冷卻系統包含一低功率主動冷卻裝置及一控制器，其電耦合至該主動冷卻裝置，該控制器經組態以產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該主動冷卻裝置以選擇性地啟動該主動冷卻裝置。該冷卻系統亦包含複數個感測器，其等經組態以量測該主動冷卻裝置之功率消耗並量測與由該主動冷卻裝置冷卻之一熱量產生電氣裝置之操作相關聯之一或多個操作參數，該熱量產生電氣裝置包括一溫度相依功率產生裝置及一溫度相依功率消耗裝置之一者。該冷卻系統之該控制器經進一步組態以自該複數個感測器接收該主動冷卻裝置之該功率消耗及該一或多次經量測操作參數之一輸入，若該熱量產生電氣裝置係一功率產生裝置，則該輸入包含一裝置輸出功率，或若該熱量產生電氣裝置係一功率消耗裝置，則該輸入包含一裝置輸入功率。該冷卻系統之該控制器經進一步組態以基於該主動冷卻裝置之該功率消耗及該等經量測操作參數之該所接收輸入產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該主動冷卻裝置，以使得該主動冷卻裝置選擇性地冷卻該熱量產生電氣裝置。在產生該驅動信號並將該驅動信號傳輸至該主動冷卻裝置時，該控制器控制由該主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量以在該裝置係一功率產生裝置時最大化一淨系統 功率輸出或在該裝置係一功率消耗裝置時最小化一總系統功率輸入，其中該淨系統功率輸出之該最大化包括最大化由該功率產生裝置產生之該功率減去由該主動冷卻裝置消耗之該功率定義之一淨功率，且其中該總系統功率輸入之該最小化包括最小化憑藉由該功率消耗裝置消耗之該功率加上由該主動冷卻裝置消耗之該功率定義之一總功率。
根據本發明之另一實施例，一種冷卻一溫度相依功率產生裝置之方法包含提供一主動冷卻裝置，其經組態以產生提供對流冷卻用於一功率產生裝置之一冷卻流體流，該功率產生裝置包括一溫度相依功率產生裝置，其中由該溫度相依功率產生裝置產生之一功率位準部分取決於該裝置之一操作溫度。該方法亦包含將一控制器可操作地連接至該主動冷卻裝置，該控制器經組態以控制提供給該主動冷卻裝置之一功率供應以選擇性地提供該對流冷卻用於該裝置及將由該功率產生裝置產生之該輸出功率之一電流量測及一電壓量測之至少一者提供給該控制器，該輸出功率之該電流量測及該電壓量測之該至少一者係由一或多個感測器量測。該方法進一步包含將由該主動冷卻裝置在冷卻該功率產生裝置時消耗之功率之一量測提供給該控制器及基於提供給該主動冷卻裝置之該功率量測及基於提供給該控制器之該電流量測及該電壓量測之該至少一者經由該控制器控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應。在控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應時，該控制器控制由該主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量，以使得該功率產生裝置在最大化一淨系統功率時之一溫度下操作，該淨系統功率被定義為由該功率產生裝置產生之該功率減去由該主動冷卻裝置消耗之該功率。
根據本發明之又另一實施例，一種冷卻一溫度相依功率消耗裝置之方法包含提供一低功率主動冷卻裝置，其經組態以產生提供對流冷卻用於一功率消耗裝置之一冷卻流體流，該功率消耗裝置包括一溫 度相依功率消耗裝置，其中由該溫度相依功率消耗裝置消耗之一功率位準部分取決於該裝置之一操作溫度。該方法亦包含將一控制器可操作地連接至該主動冷卻裝置，該控制器經組態以控制提供給該主動冷卻裝置之一功率供應以控制該冷卻噴流之產生以選擇性地提供該對流冷卻用於該裝置；及回應於該功率消耗裝置之一功率需求將提供給該功率消耗裝置之該輸入功率之一電流量測及一電壓量測之至少一者提供給該控制器，該輸入功率之該電流量測及該電壓量測之該至少一者係由一或多個感測器量測。該方法進一步包含將由該主動冷卻裝置在冷卻該功率消耗裝置時消耗之功率之一量測提供給該控制器及基於提供給該主動冷卻裝置之該功率量測及基於提供給該控制器之該電流量測及該電壓量測之該至少一者經由該控制器控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應。在控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應時，該控制器控制由該主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量，以使得該功率消耗裝置在最小化一總系統功率時之一溫度下操作，該總系統功率被定義為由該功率消耗裝置消耗之該功率加上由該主動冷卻裝置消耗之該功率。
此書面描述使用實例來揭示本發明(包含最佳模式)，且亦使得熟習此項技術者能夠實踐本發明，包含製造及使用任何裝置或系統及執行任何併入方法。本發明之專利範疇係藉由申請專利範圍所界定，且可包含熟習此項技術者想到之其他實例。若此等其他實例具有相同於申請專利範圍之字面語言之結構元件，或若此等其他實例包含與申請專利範圍之字面語言無實質差異之等效結構元件，則此等其他實例意欲涵蓋於申請專利範圍之範疇內。

Claims (15)

  1. 一種冷卻系統，其包括：一低功率主動冷卻裝置；一控制器，其電耦合至該低功率主動冷卻裝置，該控制器經組態以產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該低功率主動冷卻裝置以選擇性地啟動(active)該低功率主動冷卻裝置；及複數個感測器，其等經組態以量測該低功率主動冷卻裝置之功率消耗並量測與一熱量產生電氣裝置(heat producing electrical device)之操作相關聯之一或多個操作參數，該熱量產生電氣裝置係由該低功率主動冷卻裝置冷卻，該熱量產生電氣裝置包括一溫度相依功率產生裝置及一溫度相依功率消耗裝置之一者；其中該控制器經進一步組態以：自該複數個感測器接收該低功率主動冷卻裝置之該功率消耗及該一或多個經量測操作參數之一輸入，若該熱量產生電氣裝置係一功率產生裝置，則該輸入包含一裝置輸出功率，或若該熱量產生電氣裝置係一功率消耗裝置，則該輸入包含一裝置輸入功率，其中由該功率產生裝置產生之功率係溫度相依，使得由其產生之一功率位準相依於該裝置之一操作溫度，及由該功率消耗裝置消耗之功率係溫度相依，使得由其消耗之一功率位準相依於該裝置之一操作溫度；及基於該低功率主動冷卻裝置之該功率消耗及該等經量測操作參數之該所接收的輸入而產生的一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該低功率主動冷卻裝置，以使得該低功率主動冷卻裝置選擇性地冷卻該熱量產生電氣裝置；其中在產生該驅動信號並將該驅動信號傳輸至該低功率主動 冷卻裝置時，該控制器控制由該低功率主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量以在該裝置係一功率產生裝置時最大化一淨(net)系統功率輸出，或在該裝置係一功率消耗裝置時最小化一總系統功率輸入，其中該淨系統功率輸出之該最大化包括最大化由該功率產生裝置產生之功率減去由該低功率主動冷卻裝置消耗之功率所定義之一淨功率，且其中該總系統功率輸入之該最小化包括最小化由該功率消耗裝置消耗以滿足該功率消耗裝置之一功率需求之功率加上由該低功率主動冷卻裝置消耗之功率所定義之一總功率。
  2. 如請求項1之冷卻系統，其中該低功率主動冷卻裝置包括一合成噴嘴，其包含：圍封一腔室之一主體，該主體具有形成於其中之一孔口；及一致動器元件，其耦合至該主體之一表面以選擇性地造成該表面移位。
  3. 如請求項2之冷卻系統，其中該合成噴嘴包括一雙重冷卻噴嘴，其包含：一第一致動器元件，其耦合至該主體之一第一表面以選擇性地造成該第一表面移位；及一第二致動器元件，其耦合至該主體之一第二表面以選擇性地造成該第二表面移位，該第二表面經配置平行於該第一表面；其中該控制器經組態以產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該雙重冷卻噴嘴，其使得該第一致動器元件及該第二致動器元件選擇性地造成該第一表面及該第二表面移位以選擇性地產生自該主體之該孔口射出之一連串流體漩渦。
  4. 如請求項1至3中任一項之冷卻系統，其中該控制器經進一步組 態以：經由一回饋迴路自該複數個感測器接收該裝置輸出功率或該裝置輸入功率之複數個輸入；及基於該複數個輸入反覆調整所產生並傳輸至該低功率主動冷卻裝置之該驅動信號，以反覆調整由該低功率主動冷卻裝置提供給該熱量產生電氣裝置之該對流冷卻的量且使得該熱量產生電氣裝置在該裝置係一功率產生裝置時在最大化該淨系統功率輸出時之該溫度下操作或在該裝置係一功率消耗裝置時在最小化該總系統功率輸入時之該溫度下操作。
  5. 如請求項1至3中任一項之冷卻系統，其中自該複數個感測器之該輸入進一步包括該熱量產生電氣裝置之一操作溫度及該熱量產生電氣裝置於其中操作之一周圍溫度之至少一者。
  6. 如請求項1至3中任一項之冷卻系統，其中該控制器包括以下項之一者：一單輸入-單輸出(SISO)控制器或一比例積分微分(PID)控制器，其經組態以基於該低功率主動冷卻裝置之一單個經量測操作參數之該輸入產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該低功率主動冷卻裝置，若該熱量產生電氣裝置係一功率產生裝置，則該單個經量測操作參數係該淨系統輸出功率，或若該熱量產生電氣裝置係一功率消耗裝置，則該單個經量測操作參數係該總系統輸入功率；或一多輸入-單輸出(MISO)控制器，其經組態以基於該低功率主動冷卻裝置之複數個經量測操作參數之該輸入產生一驅動信號並將該驅動信號傳輸至該低功率主動冷卻裝置。
  7. 如請求項1至3中任一項之冷卻系統，其中當該熱量產生電氣裝置係一功率產生裝置時，該裝置包括一光伏打(PV)模組、一電池 組、一功率變換器或功率電子器件之一者。
  8. 如請求項1至3中任一項之冷卻系統，其中當該熱量產生電氣裝置係一功率消耗裝置時，該裝置包括以下項之一者：一半導體裝置、一積體電路、一中央處理單元(CPU)、一圖形處理單元(GPU)、一發光二極體(LED)或一電信裝置。
  9. 一種冷卻一溫度相依功率產生裝置之方法，其包括：提供一主動冷卻裝置，其經組態以產生一冷卻流體流，該一冷卻流體流提供用於一功率產生裝置之對流冷卻，該功率產生裝置包括一溫度相依功率產生裝置，其中由該溫度相依功率產生裝置產生之一功率位準部分相依於該裝置之一操作溫度；將一控制器可操作地連接至該主動冷卻裝置，該控制器經組態以控制提供給該主動冷卻裝置之一功率供應，俾使選擇性地提供用於該裝置之該對流冷卻；將由該功率產生裝置產生之該輸出功率之一電流量測及一電壓量測之至少一者提供給該控制器，該輸出功率之該電流量測及該電壓量測之該至少一者係由一或多個感測器量測；將由該主動冷卻裝置在冷卻該功率產生裝置時消耗之功率之一量測提供給該控制器；及基於提供給該主動冷卻裝置之該功率量測及基於提供給該控制器之該電流量測及該電壓量測之該至少一者，經由該控制器，控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應；其中在控制提供給該主動冷卻裝置之該功率供應時，該控制器控制由該主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量，以使得該功率產生裝置在最大化一淨系統功率時之一溫度下操作，該淨系統功率被定義為由該功率產生裝置產生之功率減去由該主動冷卻裝置消耗之功率。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包括：經由一回饋迴路將由該功率產生裝置產生之該輸出功率及由該主動冷卻裝置消耗之該功率之該複數次量測提供給該控制器；及基於該複數次量測經由該控制器反覆調整提供給該主動冷卻裝置之該功率供應，以反覆調整由該主動冷卻裝置提供給該功率產生裝置之該對流冷卻的量。
  11. 如請求項9或10之方法，其中該控制器包括一單輸入-單輸出(SISO)控制器及一比例積分微分(PID)控制器之一者。
  12. 如請求項9或10之方法，其進一步包括將經由一或多個額外感測器量測之至少一額外操作參數提供給該控制器，該至少一額外操作參數包括該功率產生裝置在其內操作之一參數或影響該功率產生裝置之操作之一操作參數。
  13. 一種冷卻一溫度相依功率消耗裝置之方法，其包括：提供一低功率主動冷卻裝置，其經組態以產生一冷卻流體流，該一冷卻流體流提供用於一功率消耗裝置之對流冷卻，該功率消耗裝置包括一溫度相依功率消耗裝置，其中由該溫度相依功率消耗裝置消耗之一功率位準部分相依於該裝置之一操作溫度；將一控制器可操作地連接至該低功率主動冷卻裝置，該控制器經組態以控制提供給該低功率主動冷卻裝置之一功率供應以控制冷卻噴流(jet)之產生，以選擇性地提供用於該裝置之該對流冷卻；回應於該功率消耗裝置之一功率需求，將提供給該功率消耗裝置之該輸入功率之一電流量測及一電壓量測之至少一者提供給該控制器，該輸入功率之該電流量測及該電壓量測之該至少 一者係由一或多個感測器量測；將由該低功率主動冷卻裝置在冷卻該功率消耗裝置時消耗之功率之一量測提供給該控制器；及基於提供給該低功率主動冷卻裝置之該功率量測及基於提供給該控制器之該電流量測及該電壓量測之該至少一者，經由該控制器，控制提供給該低功率主動冷卻裝置之該功率供應；其中在控制提供給該低功率主動冷卻裝置之該功率供應時，該控制器控制由該低功率主動冷卻裝置提供之對流冷卻的量，以使得該功率消耗裝置在最小化一總系統功率以滿足該功率消耗裝置之一功率需求時之一溫度下操作，該總系統功率被定義為由該功率消耗裝置消耗以滿足該功率消耗裝置之該功率需求之功率加上由該低功率主動冷卻裝置消耗之功率。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括：經由一回饋迴路將提供給該功率消耗裝置之該輸入功率及由該低功率主動冷卻裝置消耗之該功率之複數次量測提供給該控制器；及基於該複數次量測經由該控制器反覆調整提供給該低功率主動冷卻裝置之該功率供應，以反覆調整由該低功率主動冷卻裝置提供給該功率消耗裝置之該對流冷卻的量。
  15. 如請求項13或14之方法，其進一步包括將經由一或多個額外感測器量測之至少一額外操作參數提供給該控制器，該至少一額外操作參數包括該功率消耗裝置在其內操作之一參數或影響該功率消耗裝置之操作之一操作參數。
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