專利名稱：利用分布式合成噴流致動器進行熱管理的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及熱管理技術(shù)，尤其涉及利用分布式噴流致動器來冷卻發(fā)熱體或元件的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
冷卻發(fā)熱體是許多不同技術(shù)領(lǐng)域中所關(guān)注的問題。尤其是在微處理器中，伴有收縮熱預(yù)算(thermal budget)的散熱等級的升高造成了對于超越傳統(tǒng)熱管理技術(shù)的新冷卻辦法的需求。此外，對于用在小型手持設(shè)備，比如便攜式數(shù)字助理(PDA’s)、移動電話、便攜式CD播放器以及類似的消費產(chǎn)品中的有效熱管理策略的需求大大地增加。確實，熱管理是單芯片和多芯片模塊中目前達到最新技術(shù)發(fā)展水平的集成電路的設(shè)計及封裝技術(shù)的主要挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)上，冷卻大型微電子設(shè)備的需求已經(jīng)通過使用強制對流空氣冷卻技術(shù)而得到滿足。在有或沒有散熱器的情況下都能執(zhí)行強制對流。并且傳統(tǒng)上采用風(fēng)扇來提供全面冷卻或局部冷卻。
風(fēng)扇能夠提供充裕的體積流速，但風(fēng)扇的使用有幾個明顯的缺點。對于以給定的體積流速除熱來說，風(fēng)扇的效率較低。此外，使用風(fēng)扇來全面或局部冷卻熱環(huán)境常常會導(dǎo)致以磁為基礎(chǔ)的風(fēng)扇馬達產(chǎn)生電磁干擾和噪音。使用風(fēng)扇還需要相對大量的運動部分，以便能夠冷卻熱體或微電子元件。由此或由于其他原因，風(fēng)扇在長期可靠性方面可能有局限。
移動電器引入了空間限制這一額外的復(fù)雜化因素，這可能會難以利用風(fēng)扇來實現(xiàn)預(yù)期效果，同時熱管理需求增大導(dǎo)致必須使用更大的風(fēng)扇驅(qū)動更高的流速。由于在某些情況下功率耗散需求導(dǎo)致必須把風(fēng)扇直接置于散熱器之上，所以流動結(jié)構(gòu)交互作用所引起的相關(guān)噪音等級已經(jīng)成為了額外的關(guān)注點。
在一些情況下，如在類似便攜式數(shù)字助理(“PDAs”)、蜂窩電話等手持設(shè)備中，對于熱管理的需求已經(jīng)通過采用使產(chǎn)生的熱通過熱散布器分散到手持設(shè)備外殼的策略來得到滿足。因此，所生成的熱通過設(shè)備的外殼或表面經(jīng)過自然對流而散失了。
盡管這些方法很普遍，但它們具有某些缺陷，這些缺陷將隨著產(chǎn)生更多熱量的新產(chǎn)品的開發(fā)而加劇。采用熱散布策略的困難只是在于它經(jīng)常不能有效除去足夠的熱量。此外，所散失的熱量會導(dǎo)致手持設(shè)備殼體溫度升高，這從消費者使用人機工程學(xué)的觀點來看是不理想的。
在努力改善現(xiàn)有冷卻技術(shù)的一些限制的過程中，已經(jīng)研究在熱管理中使用合成或“零凈質(zhì)量流量(zero-net-mass-flux)”噴流致動器。例如，美國專利No.6123145討論了使用合成噴流致動器來進行冷卻。因此，將美國專利No.6123145作為參考全部合并進來，就像完全在此陳述一樣。與傳統(tǒng)噴流不同，合成噴流致動器不需要向系統(tǒng)增加質(zhì)量，因此提供了一種有效指引氣流橫過熱表面的緊湊方式。由于噴射流完全從外圍流體中產(chǎn)生，因此它們能夠便利地形成整體而不需要復(fù)雜的管件。
作為使用合成噴流致動器的熱管理技術(shù)開發(fā)的另一個例子，Glezer和Mahalingam開發(fā)出了用于通路冷卻的裝置和方法。該裝置和方法在美國專利No.6588497中有所說明，因此將其作為參考全部合并進來，就像完全在此陳述一樣。
盡管前述美國專利中所述的技術(shù)解決了行業(yè)中的一些限制，但仍然存在對于改善前述技術(shù)的、不斷增長的需求。例如，需要更有效、更充分或更緊湊的合成噴流致動器。理想的是，獲得更緊湊的冷卻裝置。另一方面，也需要使冷卻流分布到熱環(huán)境的遠處部分。
因此，本行業(yè)中存在迄今為止尚未滿足的、希望解決前述不足的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了一種在各種環(huán)境中進行熱管理的裝置。更確切地說，本實施例包括通過在分布式冷卻裝置中使用合成噴流致動器來冷卻區(qū)域或設(shè)備的裝置。
簡要地說，除了其他方面以外，該裝置的一個實施例的結(jié)構(gòu)能夠通過用于熱管理的一種裝置來實現(xiàn)，該裝置包括合成噴流致動器和通路。本實施例的通路通常包括近側(cè)端和遠側(cè)端，近側(cè)端鄰近合成噴流致動器。合成噴流致動器的工作優(yōu)選使得在通路的遠側(cè)端形成合成噴射流。當(dāng)然，也可以在通路的近側(cè)端處形成合成噴射流。
盡管不是必需的，本實施例或其他實施例的合成噴流致動器可包括外殼，該外殼限定了內(nèi)室并具有形成在外殼壁中的至少一個孔口。本實施例的合成噴流致動器還優(yōu)選地包括用于改變內(nèi)室容積的裝置，其中容積改變裝置優(yōu)選地鄰近外殼設(shè)置。在一些實施例中，用于改變?nèi)莘e的裝置實際上可組成合成噴流致動器外殼的一部分。例如，一些實施例的容積改變裝置包括形成了合成噴流致動器外殼的一部分的柔性隔膜。
在一些實施例中，通路由連接到合成噴流致動器外殼壁的外表面的一個或多個管道構(gòu)成。在這些實施例中，管道通常包圍合成噴流致動器孔口的至少一部分。
基于以下附圖和詳細說明，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，本發(fā)明的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。所有這些附加的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點都包括在本說明書以內(nèi)，不超出本發(fā)明的范圍，且由附隨的權(quán)利要求來保護。


參考以下附圖可以更好地理解本發(fā)明的許多方面。附圖中的組成部分并非必須按照一定比例繪制，而是應(yīng)將重點放在清楚地圖示說明本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記在多個附圖中始終表示相對應(yīng)的部分。
圖1A是具有控制系統(tǒng)的零凈質(zhì)量流量(zero net mass flux)合成噴流致動器的第一實施例的示意性橫截面?zhèn)纫晥D。
圖1B是圖1A所示合成噴流致動器的示意性橫截面?zhèn)纫晥D，示出了當(dāng)控制系統(tǒng)致使隔膜朝著孔口向內(nèi)移動時形成的噴流。
圖1C是圖1A所示合成噴流致動器的示意性橫截面?zhèn)纫晥D，示出了當(dāng)控制系統(tǒng)致使隔膜離開孔口向外移動時形成的噴流。
圖2是合成噴流致動器的第二實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖3是圖2所示的合成噴流致動器的第二實施例的底視圖。
圖4A是分布式冷卻裝置的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖4B是用于把流體流引向熱環(huán)境的不同區(qū)域的分布式冷卻裝置的橫截面頂視圖。
圖5A是用于圖4A所示分布式冷卻裝置中的管道在從周圍取出流體時的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖5B是用于圖4A所示分布式冷卻裝置中的管道在管道出口端產(chǎn)生合成噴射流時的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖6是多致動器型分布式冷卻裝置的三維視圖。
圖7是圖6所示多致動器型分布式冷卻裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，集中在多致動器型分布式冷卻裝置的一個“增壓間”。
圖8是圖6所示多致動器型分布式冷卻裝置的橫截面?zhèn)纫晥D，集中在裝置的一個“增壓間”，其中致動器已經(jīng)安裝在“增壓間”內(nèi)。
圖9是圖6所示多致動器型分布式冷卻裝置的三維切開視圖。
圖10是圖6所示多致動器型分布式冷卻裝置的切開示意性后視圖。
圖11A是實施到冷卻系統(tǒng)中的圖6所示多致動器型分布式冷卻裝置的側(cè)視圖。
圖11B是實施到冷卻系統(tǒng)中的圖6所示多致動器型分布式冷卻裝置的前視圖。
圖12A是現(xiàn)有技術(shù)的冷卻系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖12B是圖12A所示冷卻系統(tǒng)的側(cè)視圖，其中圖6所示多致動器型分布式冷卻裝置已經(jīng)安裝到該冷卻系統(tǒng)中。
具體實施例方式
I.合成噴流致動器A.典型的合成噴流致動器的基本設(shè)計圖1A表示合成噴流致動器10的一個例子，包括確定和包圍了內(nèi)室14的外殼11。外殼11和內(nèi)室14實質(zhì)上可以采取任何幾何構(gòu)形，但為了便于討論和理解，以橫截面形式表示在圖1A中的外殼11具有硬的側(cè)壁12、硬的前壁13、和后隔膜18，該后隔膜能夠變形到一定程度以允許膈膜18相對于內(nèi)室14向內(nèi)和向外運動。前壁13具有可以是任何形狀的孔口16?？卓谂c后隔膜18完全相對，并使內(nèi)室14連接到具有外圍流體39的外部環(huán)境。
可通過任何適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)24來控制柔性隔膜18運動。例如，隔膜18可設(shè)有金屬層，金屬電極可鄰近金屬層，但與金屬層分開設(shè)置，以便隔膜18能通過施加在電極與金屬層之間的電偏壓而被驅(qū)動產(chǎn)生移動。此外，能通過任何適當(dāng)?shù)难b置控制電偏壓的產(chǎn)生，例如但不限于計算機、邏輯處理器或信號發(fā)生器?？刂葡到y(tǒng)24能使得隔膜18周期性地運動或調(diào)整成時間諧波運動，并迫使流體流入和流出孔口16。
現(xiàn)在將參考圖1B和1C說明示例的合成噴流致動器10的工作。圖1B表示當(dāng)隔膜18受控如箭頭26所示地向室14內(nèi)部運動時的合成噴流致動器10。室14的容積減小而流體通過孔口16噴射出來。當(dāng)流體通過孔口16流出室14時，流體流在銳利的孔口邊緣30處分開并形成渦流層32，該渦流層卷成漩渦34并開始在由箭頭36指示的方向上移離孔口邊緣30。
圖1C表示當(dāng)隔膜18受控如箭頭38所示地相對于室14向外運動時的合成噴流致動器10。室14的容積增大且外圍流體39涌入室14中，如箭頭組40所示。隔膜18由控制系統(tǒng)24控制，從而當(dāng)隔膜18離開室14時，漩渦34已經(jīng)離開了孔口邊緣30，從而不會受到引入室14內(nèi)的外圍流體39的影響。與此同時，漩渦34強烈地卷吸從遠離于孔口16之處引來的外圍流體，從而合成了外圍流體39的噴射流。
B.具有混合壓電致動器的合成噴流致動器如上所述，第一實施例的合成噴流致動器10的隔膜18包括電致動器，所述電致動器由以特定激發(fā)頻率驅(qū)動的金屬電極和金屬層組成。該電激勵使得合成噴流致動器10的隔膜18振動，從而改變合成噴流致動器10的室14的內(nèi)部容積。
可選地，如圖2所示，合成噴流致動器40可以包括確定了室45的外殼47。該室的容積可通過使柔性隔膜42以時間諧波運動方式移動而被改變，該運動是由壓電致動器41激勵隔膜42而引起的。圖2是具有外殼47的合成噴流致動器40的切開側(cè)視圖，該外殼由比較剛硬的圓頂壁43、比較剛硬的圓筒形側(cè)壁44以及形成了致動器40的底壁的柔性隔膜42確定。如圖所示，側(cè)壁使頂壁43連接到隔膜42。優(yōu)選地，側(cè)壁44和頂壁43由單件硬材料制成，比如塑料等。當(dāng)然，也可以由金屬材料或其他具有適當(dāng)硬材料來構(gòu)造壁43，44。此外，形成合成噴流致動器40的材料不必是剛性的。材料可以具有一些柔性。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員基于特定的實施方式將很容易找出適于合成噴流致動器40的恰當(dāng)材料。
如上所述，頂壁43、柔性隔膜42和側(cè)壁44形成了合成噴流致動器40的外殼47并確定了具有容積的室45。本實施例40的外殼47具有圓筒形。該種構(gòu)形不是必需的，且所選擇的特定構(gòu)形是為了使人理解這一點即合成噴流致動器40可以采取幾乎任何整體形狀。
在合成噴流致動器40的本實施例中，孔口46形成在側(cè)壁44的一部分中?？卓?6可射流地連接室45和外圍流體48。孔口46的具體大小和形狀對于本實施例40并不重要。作為舉例，孔口46可以是圓形開口或者是側(cè)壁44中的水平或垂直槽。
圖3是合成噴流致動器40的第二實施例的平面圖，更確切地表示了壓電致動器41和柔性隔膜42。換句話說，圖3能想象成從下側(cè)或致動器40的“底部”看合成噴流致動器40。如可從圖中看到的那樣，隔膜42連接在側(cè)壁44上。優(yōu)選地，隔膜42通過適合于用來構(gòu)造隔膜42和側(cè)壁44的材料的粘合劑而被連接到側(cè)壁44上?？蛇x地，隔膜42可通過其他連接機構(gòu)或設(shè)備連接到側(cè)壁44上。連接方法對于本實施例40不重要。不過，優(yōu)選的是所選擇的連接方法能使側(cè)壁44與隔膜42之間密封。
隔膜42優(yōu)選地由彈性體或聚合物材料構(gòu)成。在本實施例中彈性體或聚合物隔膜42不是必需的；不過，由這些材料構(gòu)成的隔膜是優(yōu)選的。傳統(tǒng)上，壓電致動器由與壓電片連接的金屬隔膜構(gòu)成。不過，在某些實施方式中有利的是，利用聚合(類似塑料)或彈性(類似橡膠)材料構(gòu)成壓電致動器的隔膜?？蛇x地，聚合或彈性隔膜可與金屬隔膜結(jié)合起來使用以形成混合隔膜。
彈性體或聚合物可由許多特定材料構(gòu)成，比如聚異戊二烯、聚異丁烯、聚丁二烯和/或聚氨酯。對于本實施例40，由于彈性體或聚合物材料具有被拉伸后仍能彈回到其初始形狀而不發(fā)生永久變形的能力，所以選擇它來構(gòu)造隔膜42。
這種修改的致動器結(jié)構(gòu)至少有兩個優(yōu)點。第一，使用彈性體或聚合物隔膜一般能降低致動器的自然共振頻率，使得其更優(yōu)地以低頻(例如，＜200Hz)使用。這使得致動器的工作聲音比較小。第二，與趨向于在壓電材料以及通常用來把壓電材料貼到金屬上的粘合劑中產(chǎn)生更大應(yīng)力的金屬隔膜相比，這種結(jié)構(gòu)一般具有優(yōu)良的可靠性。
如上所述，壓電致動器41連接到彈性體或聚合物隔膜42上。壓電致動器41優(yōu)選地通過合適的粘合劑安裝到隔膜42上。壓電致動器41由電導(dǎo)線49提供電能。電導(dǎo)線49不僅向壓電致動器41提供電能，還控制致動器41的工作。確切地說，導(dǎo)線49把壓電致動器與電源及控制系統(tǒng)50連接起來，該控制系統(tǒng)優(yōu)選地與合成噴流致動器40的外殼47分離。當(dāng)然，在某些實施例中，電源及控制系統(tǒng)50可以安裝在合成噴流致動器40的外殼47上，或者甚至可以安裝在外殼47內(nèi)。
電源及控制系統(tǒng)使壓電致動器41振動。壓電致動器41的振動使得隔膜42以時間諧波運動的形式振動。壓電致動器41優(yōu)選地以隔膜42的諧振頻率振動。當(dāng)然，可以通過使壓電致動器以不同頻率工作而控制隔膜的振動幅度和頻率。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將很容易調(diào)整壓電致動器41的振動，以便產(chǎn)生所希望的隔膜42的振動頻率和幅度。
如上有關(guān)第一實施例10所述，第二實施例40中的隔膜42的振動導(dǎo)致在致動器40的孔口46處形成流體的合成噴射流52。當(dāng)隔膜42相對于室45向內(nèi)運動時，室45的容積減小而流體通過孔口46射出。當(dāng)流體通過孔口46從室45內(nèi)射出時，在孔口邊緣處分流并形成渦流層，渦流層卷成漩渦并離開孔口46。這些漩渦卷吸外圍流體48并利用該流體形成合成噴射流52。
類似于第一示例的合成噴流致動器10的工作，當(dāng)隔膜42相對于室45向外運動時，室45的容積增大。容積的增大導(dǎo)致在孔口46處形成壓力梯度，從而外圍流體48涌入室45中。然后，當(dāng)隔膜42振回室45內(nèi)時，室45中的流體被排出，形成如上所述的合成噴射流52。
III.分布式冷卻裝置A.第一例單致動器裝置如上所述的合成噴流致動器10、40可以用在許多不同的實施例中。不過，合成噴流致動器10、40的一個特殊修改對于被稱為是分布式冷卻應(yīng)用是優(yōu)選的。分布式冷卻應(yīng)用是可要求單合成噴流致動器向多個位置提供冷卻合成噴射流的情況?？蛇x地，分布式冷卻應(yīng)用可要求合成噴流致動器向離致動器所在位置稍有些遠的單個位置提供冷卻流體流。盡管不是限制性的例子，但這兩個例子是常見的分布式冷卻應(yīng)用。
圖4A表示分布式冷卻合成噴流致動器60的一個實施例。為了便于說明，分布式冷卻合成噴流致動器60的實施例已被設(shè)計成第二實施例40的改進形式。這樣，分布式冷卻合成噴流致動器60包括確定了內(nèi)室45的外殼47。外殼47和室45可采用任何幾何構(gòu)形，但為了便于討論和理解，以橫截面形式表示在圖4A中的外殼47具有硬的側(cè)壁44、硬的頂壁43和隔膜42，該隔膜能夠變形到一定程度以允許隔膜42相對于室45向內(nèi)和向外運動。側(cè)壁44的一部分形成了孔口46。如上所述，孔口46可具有任何幾何形狀。
如以上實施例40，分布式冷卻合成噴流致動器60也包括通過電導(dǎo)線39連接到隔膜42上的壓電致動器47的電源及控制系統(tǒng)50。如上所述，電源及控制系統(tǒng)50可以遠離致動器60，或者例如可以連接到外殼47上或置于外殼47內(nèi)。
示例性的分布式冷卻裝置60還包括通路或管道61。管道61的橫截面形狀可以與孔口46的橫截面形狀相似。不過，管道61的橫截面形狀也可以完全不同于孔口46的形狀。例如，使用不同橫截面形狀能夠更有效地引導(dǎo)從管道61射出的任何流體。管道61優(yōu)選地由包圍內(nèi)部區(qū)域63的硬殼62形成。管道61還包括近側(cè)端或連接端64和遠側(cè)端或開口端65。管道61優(yōu)選地由塑料構(gòu)成從而管道61會比較硬但仍然很輕?？蛇x地，管道61可由能夠形成一種形狀并保持該形狀的柔性材料構(gòu)成。在圖4A中，管道61形成為基本呈蛇形。管道61的形狀對于本發(fā)明的原理并不重要，所表示的特定形狀僅僅是為了圖解說明本實施例60的原理而選出的。
如圖所示，管道61優(yōu)選地連接到合成噴流致動器60的側(cè)壁44上，從而致動器孔口以可流體連通的方式連接到管道61的內(nèi)部區(qū)域63。在優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，管道61的內(nèi)徑等于或大于孔口46的直徑。這樣，孔口46不會直接與外圍環(huán)境48相通，或者換句話說，管道61完全蓋住孔口46。盡管管道61優(yōu)選地“連接”到側(cè)壁44上，但應(yīng)該了解，外殼47和管道61可以由單件材料制成。
如以下更詳細地闡述的那樣，在操作過程中，渦流形成在管道出口端65的邊緣處。這些渦流卷起來并離開管道61的出口65。這些渦流吸卷外圍流體而在管道61的出口65處形成射流52。實際上，使用管道61能夠使射流52從管道61射出來，離開致動器本身?；旧?，如果不存在管道61，那么原本要從合成噴流致動器孔口46射出的流體的合成噴流將改為從管道61的出口端65射出。本實施例60的該特征使得冷卻系統(tǒng)的設(shè)計者能夠把合成噴流致動器40定位在任何方便的位置處，且仍能通過簡單地把管道61指向想要的位置而將流體流52引到比較遠的位置。
例如，致動器40可定位在離將要被冷卻的區(qū)域有一定距離的位置處，諸如在居中的位置處。管道61可以成形為通過散熱器的散熱翼片指引流體流。合成噴流致動器不在散熱器附近的事實一般會使通過散熱器的散熱翼片的流體流增大。實際上，如果致動器定位在散熱翼片通路的入口處，那么經(jīng)過散熱翼片通路的流體流會由于致動器外殼的存在而被阻止。利用分布式冷卻這就不成為問題。
如上所述，管道61可以是預(yù)成形的或柔性的。如果是柔性的，那么設(shè)計者可以放置裝置40然后使管道61成形為理想的形狀。這對于改型應(yīng)用很有益處。不過，在大多數(shù)常見的實施例中，管道61會比較硬，從而可以在安裝之前精細地調(diào)整整個冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。
如上所述，管道61的形狀或尺寸對于本實施例60并不重要。不過，管道61的長度和/或形狀會影響分布式冷卻合成噴流致動器60的性能。為了更好地說明這一點，應(yīng)借助于分布式冷卻裝置60的操作。
分布式冷卻裝置60中的合成噴流致動器40的操作類似于上述第二實施例中合成噴流致動器的操作。具體地說，壓電致動器41以適當(dāng)?shù)念l率，優(yōu)選地以隔膜42的諧振頻率發(fā)生振動。該振動導(dǎo)致隔膜42以時間諧波運動的方式振動。當(dāng)隔膜42相對于內(nèi)室45向內(nèi)運動時，室45的容積減小，室45中的壓力增大，在孔口46處形成壓力梯度，流體從合成噴流致動器40的孔口46射出。由于在孔口46處沒有外圍流體引入，因此實際上流出孔口46的流體通常發(fā)生脈動，一般反映出由壓電致動器41驅(qū)動的隔膜42的頻率。該流體脈沖進入連接在孔口46的管道61的內(nèi)部區(qū)域63中。當(dāng)隔膜42相對于室45向外運動時，流體從管道內(nèi)部63引入合成噴流致動器室45中。然后，當(dāng)隔膜42繼續(xù)其時間諧波振動并回到室45中時，流體再次從室45射入管道內(nèi)部63中。
圖5A和5B表示分布式冷卻裝置60的合成噴流致動器40的操作過程中管道61的內(nèi)部63范圍內(nèi)的流體相互作用。當(dāng)流體從合成噴流致動器室45進入管道61的內(nèi)部63時，進入的流體充當(dāng)“虛擬活塞”66。進入管道61內(nèi)部63的流體66的脈沖壓縮管道內(nèi)部63中的流體，從而導(dǎo)致流體67從管道61的出口端65排出。當(dāng)隔膜42從合成噴流致動器室45向外運動時，“虛擬活塞”66從管道61的內(nèi)部63向外移動，從管道內(nèi)部63把流體抽入室45內(nèi)，從而降低了管道61中的壓力。管道61中的這種低壓在管道出口端65處形成了壓力梯度，從而從周圍48把流體吸入管道61。管道連接端64處的流體再一次充當(dāng)“虛擬活塞”66，以時間諧波振動的方式操作。
管道61的中間部分68充當(dāng)由管道61的壁62限定的另一個合成噴流致動器“室”69。合成噴流致動器40的孔口46處的流體限定該“室”69，并充當(dāng)對應(yīng)于該虛擬合成噴流致動器“室”69的虛擬活塞66。離開和進入孔口46的、充當(dāng)活塞66的流體形成了從管道61的出口端65射出的流體流67。射出管道61的流體67在管道61的出口65處形成了渦流。這些渦流卷起來并離開管道出口65。當(dāng)渦流形成并離開時，這些渦流卷吸著外圍流體48以便在管道61的出口65處形成合成噴射流67。
根據(jù)管道61的長度，可以確切地調(diào)整合成噴流致動器40的隔膜42的操作，以在管道61中形成虛擬合成噴流致動器。從以上討論明顯可知，且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會了解到，優(yōu)選地，應(yīng)當(dāng)調(diào)整隔膜42的操作，以使從合成噴流致動器40的孔口46射出的空氣脈沖66的頻率是以管道61的諧振頻率射出的。實際上，管道61起到赫爾姆霍茲(Helmholtz)型諧振器的作用并能以類似方式工作。管道61的連接端64充當(dāng)?shù)湫偷腍elmholtz諧振器的封閉端，而且還向諧振器提供激勵力。
如果管道61的尺寸是已知的，那么本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠計算管道61的諧振頻率。然后，可以算出隔膜42振動的頻率和幅度，以使從合成噴流致動器40孔口46射出的脈沖66以諧振頻率激勵管道61。當(dāng)然，這都能由適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)50自動控制。
在分布式冷卻合成噴流致動器的另一個示例性結(jié)構(gòu)70中，合成噴流致動器40被構(gòu)造成驅(qū)動許多管道。這種結(jié)構(gòu)如圖4B所示。圖4B是分布式冷卻合成噴流致動器的切開頂視圖。如圖所示，致動器70的合成噴流致動器外殼47優(yōu)選地有多個孔口46a，46b，46c，46d，46e，46f。在外殼47的外部連接有許多管道61a，61b，61c，61d，61e，61f，從而這些管道61a，61b，61c，61d，61e，61f對應(yīng)于每一個孔口46a，46b，46c，46d，46e，46f。管道61a，61b，61c，61d，61e，61f都可以構(gòu)造成把流體流引向相同的區(qū)域，或者在優(yōu)選的應(yīng)用中，這樣形成管道以把合成噴射流52a，52b，52c，52d，52e，52f引向分離的熱區(qū)域或目標(biāo)71a，71b，71c，71d，71e。
在分布式冷卻裝置的另一個實施例中，理想的是，用現(xiàn)有的方法把合成噴流致動器模塊連接到另一表面上。例如，如果分布式冷卻裝置將使用在改型的應(yīng)用中，那么可能不是已有的連接方法。在這種情況下，理想的是，把合成噴流致動器40的頂壁43構(gòu)造成容易粘附到表面上。合成噴流致動器40可以被“貼”到表面上。這能通過使用雙面膠帶、兩面都有粘合劑的泡沫塑料等等來實現(xiàn)。
B.第二例多致動器裝置在分布式冷卻裝置的一些實施方式中，理想的是產(chǎn)生多個合成噴射流。如上所述，單合成噴流致動器40可以驅(qū)動多個管道，從而產(chǎn)生流體的多個分布式噴射流。當(dāng)然，這不是多合成噴流分布式冷卻裝置的僅有的可能實施方式。另一個實施例可包括驅(qū)動多個管道的多個合成噴流致動器，從而發(fā)射出多個合成噴射流。該實施例的管道可以指向不同的區(qū)域、不同的散熱器通路或者都指向相同的位置。
多致動器型分布式冷卻裝置80的實施例如圖6所示。該裝置80一般包括多個管道81，由基本上呈矩形的立方外殼82形成。外殼82有兩個形成在外殼82內(nèi)的“增壓間”83，從而這兩個增壓間83從外殼82的頂面84下降。這兩個增壓間83與外殼82的側(cè)壁85、86分隔開，且優(yōu)選地不自始至終地到達外殼82的底面87。
多致動器型分布式冷卻裝置80的橫截面?zhèn)纫晥D如圖7所示。所示外殼82的一個增壓間83由裝置82的底面87、前壁88和后壁89限定。前壁88和后壁89的每一個都形成一對上平臺91，92和一對下平臺93，94。這些平臺91，92，93，94優(yōu)選地由與壁88，89相同的材料制成，而不僅僅是粘附到壁88，89上。當(dāng)然，這不是多致動器型分布式冷卻裝置80的必要特征。此外，頂壁95(如圖8所示)可以安裝在裝置80上以密封增壓間83。
圖8表示有兩個致動器96，97置于增壓間83之內(nèi)且頂壁95安裝在增壓間83上方以后的圖7所示的裝置。如圖所示，第一致動器96被支撐在上平臺91，92上且第二致動器97被支撐在下平臺93，94上。這兩個致動器96，97優(yōu)選地包括柔性隔膜98、99，壓電致動器101、102安裝到柔性隔膜98、99上。優(yōu)選的致動器96，97是以上關(guān)于實施例40所述的彈性體或聚合物致動器。參見圖2。對于這里所述的裝置80也可以使用其他致動器。不過，彈性體/聚合物致動器由于其簡單的外形設(shè)計、強力的致動以及低廉的成本而成為優(yōu)選。
通過電導(dǎo)線(未示出)向致動器96，97提供電能和控制。這些導(dǎo)線通常通過切開外殼82的上下側(cè)壁85，86的四個小溝道103a，103b，103c(在圖6中僅示出三個)進入外殼82內(nèi)。實際上，可以預(yù)見整個控制電路(未示出)可設(shè)置在這些溝道103a，103b，103c中。然后，優(yōu)選地僅有電能供應(yīng)到這些溝道103a，103b，103c和它們包含的控制硬件中。
致動器96，97優(yōu)選地緊固到裝置外殼82中的平臺91，92，93，94上。這優(yōu)選地通過使用一種類型的粘合劑來實現(xiàn)。由于隔膜98，99的材料優(yōu)選的是彈性體或聚合物，而外殼82的優(yōu)選材料是塑料，因此本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會很容易選擇適當(dāng)?shù)恼澈蟿┗蚱渌B接機構(gòu)。
一旦致動器96，97緊固在裝置外殼82的內(nèi)部，則裝置增壓間83實質(zhì)上被分成三個部分。致動器96，97的設(shè)置形成了三個分離的室，從而形成三個分離但又相關(guān)的合成噴流致動器。第一或底室105由外殼底壁87、外殼前壁88、外殼后壁89和第二致動器97限定。第二室106由第一致動器96、前壁88、后壁89和第二致動器97限定。第三或頂室107由第一致動器96、前壁88、后壁89和頂壁95限定。
回想以上分布式冷卻裝置60的實施例具有從室45指向單個管道61的單個孔口46(圖4A)。不過，在本實施例80中，每一個室105，106，107有一個或多個孔口108。在實施例80中，每一個室105，106，107有兩個形成到裝置外殼82的前壁88內(nèi)的孔口。每一個孔口還以可流體連通的方式連接到由外殼82的前壁88形成的一個管道81。當(dāng)然，不必每一個室105，106，107都有兩個孔口108和管道81。如果有多于或少于兩個孔口108和管道81，或者如果對于每一個室105，106，107有不同數(shù)量的孔口和管道，本實施例80也可以工作。
管道81優(yōu)選地在基本上同一水平面內(nèi)連接到外殼82，如圖6所示。為此，圖7和圖8看似僅表示了一個管道81(和一個孔口108)，該管道在接近外殼前壁88的中點處連接到外殼82。管道81包括連接端109，連接到外殼前壁88，以及包括流體出口端110，所述流體出口端以可流體連通的方式使管道內(nèi)部111連通到外圍流體112。
由于管道81優(yōu)選地都在同一水平面內(nèi)連接到外殼82上，且室105，106，107不在同一水平面內(nèi)，因此，優(yōu)選地使用成形通道113將每一個室105，106，107以可流體連通的方式連接到由特定的合成噴流致動器所服務(wù)的孔口108和管道81。
這些具有端口的通道113表示在圖9的切開剖面圖中。此外，圖10表示這三個室105，106，107和每一個室105，106，107所服務(wù)的孔口108a-f的切開圖。作為舉例，圖10中，第一室105有兩個孔口108e，108f；第二室106有兩個孔口108c，108d；而第三室107有兩個孔口108a，108b。如從圖9和圖10可見，外殼82中的三個室105，106，107的橫截面不必是矩形，也可以是奇特的形狀從而把流體引到由每一個室105，106，107所服務(wù)的不同管道81。
當(dāng)然，在可選實施例中，管道81不必在相同的水平面內(nèi)連接到外殼82上。例如，由每一個室105，106，107提供服務(wù)的管道81可以直接連接到室105，106，107。然后，室105，106，107可以這樣構(gòu)造，使得它們有基本呈矩形的橫截面。
現(xiàn)在將說明示例性的多致動器型分布式冷卻裝置80的工作，同時具體討論一個“增壓間”83。應(yīng)該了解的是，其他“增壓間”83的工作是相似的。工作時，由控制系統(tǒng)(未示出)致使兩個隔膜96，97按時間諧波運動方式發(fā)生振動，其中該控制系統(tǒng)控制每一個隔膜98，99上的每一個壓電致動器101，102。隔膜98，99優(yōu)選地這樣致動使得兩個隔膜98，99彼此異相地振動。
由于兩個致動器96，97彼此相向運動，所以第二室106的容積減小，而頂室107和底室105的容積增大。因此，第二室106推動流體從室106進入連接到該室106的管道81內(nèi)部111中?；貞浥c以上單致動器實施例60有關(guān)的討論，該使流體進入管道內(nèi)部111的推動過程起到類似于流體的“虛擬活塞”的作用。參見以上用于闡述該過程的有關(guān)圖5A和5B的描述。該虛擬活塞進入管道81內(nèi)部111，壓縮管道內(nèi)部111的流體，從而使得在連接到該第二室106的管道81出口端110處形成流體的合成噴射流115。
頂室107和底室105承受反作用。具體地說，由于兩個隔膜98，99彼此相向運動，所以頂室和底室107，105把流體從連接到這些室107，105的管道81內(nèi)部111引入。這使得流體的“虛擬活塞”進入頂室和底室107，105，從而使連接到這些室107，105的管道81的出口端110從外圍112引入流體。
當(dāng)隔膜98，99遠離彼此地振動時，第二室的容積增大，而流體從外圍112被引入連接到該室106的管道81中。當(dāng)然，頂室和底室107，105的容積也類似地減小。這使得在連接到這兩個室107，105的管道81出口端110處形成流體的合成噴射流115。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會了解的那樣，多致動器型分布式冷卻裝置80的工作原理與上述基本的分布式冷卻裝置60非常相似。例如，該實施例80的管道81以上述關(guān)于單致動器型分布式冷卻裝置60的方式充當(dāng)Helmholtz諧振器。
多致動器型分布式冷卻裝置80的一個常見實施方式如圖11A和11B所示。當(dāng)然，根據(jù)系統(tǒng)的熱管理需求和裝置80的結(jié)構(gòu)，對于裝置80而言許多其他實施方式也是可能的。該實施方式120不限制裝置80的實施范圍。提出的示例性實施方式僅僅是為了更好地描述本實施例80的特征。
示例性實施方式120涉及使用擠壓的散熱器121，以便從熱的目標(biāo)122把熱量傳走。多致動器型分布式冷卻裝置80這樣設(shè)置使得裝置80中的每一個管道81與通過散熱器121的一系列散熱翼片124形成的一系列通路123排列成行，從而噴射流125流經(jīng)散熱翼片124之間的通路123。該噴射流125又夾帶著第二冷卻氣流126，該氣流被強制進入散熱器121的通路123。
在該冷卻模塊80的另一用途中，利用管道81的合成噴流陣列來減少通過風(fēng)扇驅(qū)動流127冷卻的散熱器121中的支流130。圖12A表示沒有合成噴流致動器80的情況。在該實施例中，風(fēng)扇128通過散熱片121的散熱翼片124之間的通路123吸引流體流127。不過，由于散熱片121的通路123所產(chǎn)生的壓降，大部分氣流130繞過散熱片121。這是許多應(yīng)用中，比如葉片服務(wù)器(blade server)、電信架(telecom racks)等，常遇到的問題，其中元件板之間的間隔很窄，且存在大的風(fēng)扇組以試圖驅(qū)動大量氣流通過安裝在熱元件上的散熱片。
在該實施方式中，如圖12B所示，合成噴流致動器這樣設(shè)置使得致動器80的管道81將它們的流體流115排空到散熱片121的通路123中。應(yīng)該指出的是，由于裝置80的分布式特性，致動器能設(shè)置在散熱片121的平面下方，從而防止被流體流干擾。當(dāng)致動器80開始工作時，切向的合成噴流115被引向散熱片121的左邊緣附近。風(fēng)扇128持續(xù)工作。低壓高動量的合成噴流導(dǎo)致產(chǎn)生氣流130的有效夾帶流131，該氣流130先前是從散熱片121旁邊經(jīng)過的。
應(yīng)強調(diào)的是，本發(fā)明的上述實施例，尤其是任何“優(yōu)選”實施例僅僅是可能的實施方式的例子，僅僅為了清楚地理解本發(fā)明的原理而陳述?？梢詫Ρ景l(fā)明的上述實施例進行許多變更和修改而不會在實質(zhì)上脫離本發(fā)明的精神和原理。所有這些修改和變更將包括在本說明書和本發(fā)明以及由以下權(quán)利要求所保護的范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于熱管理的裝置，包括外殼，該外殼確定了內(nèi)室并具有在所述外殼的壁中的孔口；容積改變裝置，該裝置鄰近所述外殼，所述容積改變裝置用于改變所述內(nèi)室的容積；以及管道，該管道連接到所述外殼的所述壁的外表面，所述管道包圍所述孔口的至少一部分。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，還包括用于控制所述容積改變裝置的操作的控制系統(tǒng)，其中所述容積改變裝置的所述操作將氣體從所述管道內(nèi)部引入所述室內(nèi)，而且迫使氣體離開所述室并進入所述管道內(nèi)部。
3.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述容積改變裝置包括形成了所述外殼的一部分的柔性隔膜。
4.權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述容積改變裝置還包括粘附到所述柔性隔膜的壓電致動器。
5.權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述柔性隔膜包括彈性體材料。
6.權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述柔性隔膜包括聚合物材料。
7.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述管道包括連接端和開口端，所述連接端連接到所述外殼，且所述容積改變裝置的操作在所述管道的所述開口端處產(chǎn)生合成噴射流。
8.權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述管道在遠離所述外殼的位置處產(chǎn)生所述合成噴射流。
9.權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述管道的大小這樣設(shè)定使得由于所述容積改變裝置的操作而在所述管道內(nèi)部產(chǎn)生Helmholtz型諧振。
10.權(quán)利要求7所述的裝置，還包括具有散熱翼片的散熱片，其中所述管道的所述開口端鄰近所述散熱片設(shè)置，從而所述合成噴射流經(jīng)過相鄰的散熱翼片之間。
11.權(quán)利要求10所述的裝置，還包括風(fēng)扇，所述風(fēng)扇設(shè)置在所述散熱片的一端，從而所述合成噴射流幫助所述風(fēng)扇減少由于散熱翼片的壓降造成的支流。
12.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述內(nèi)室包括第一子室；鄰近所述第一子室的第二子室；和鄰近所述第二子室的第三子室。
13.權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述第一子室和所述第二子室由第一公共壁形成，所述第一公共壁包含在所述外殼的所述內(nèi)室內(nèi)，且所述第一公共壁包括第一柔性隔膜。
14.權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述第二子室和所述第三子室由第二公共壁形成，所述第二公共壁包含在所述外殼的所述內(nèi)室以內(nèi)，且所述第二公共壁包括第二柔性隔膜。
15.權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述孔口還包括每一個所述子室中的至少一個開口。
16.權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述管道包括鄰近每一個所述至少一個開口的管，所述每一個管包圍所述每一個開口的至少一部分。
17.權(quán)利要求16所述的裝置，還包括連接到所述第一柔性隔膜的第一壓電元件；和連接到所述第二柔性隔膜的第二壓電元件。
18.權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述第一和第二柔性隔膜包括彈性體材料。
19.權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述第一和第二柔性隔膜包括聚合物材料。
20.一種用于冷卻的裝置，包括合成噴流致動器；和通路，該通路具有近側(cè)端和遠側(cè)端，所述近側(cè)端鄰近所述合成噴流致動器，其中所述合成噴流致動器致使形成合成噴射流。
21.權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述合成噴射流形成在所述通路的所述遠側(cè)端處。
22.權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述合成噴射流形成在所述通路的所述近側(cè)端處。
23.權(quán)利要求20所述的裝置，還包括用于控制所述合成噴流致動器操作的控制系統(tǒng)。
24.權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述合成噴流致動器包括外殼，該外殼確定了內(nèi)室并具有在所述外殼的壁中的孔口；容積改變裝置，該裝置鄰近所述外殼。
25.權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述容積改變裝置包括形成了所述外殼的一部分的柔性隔膜。
26.權(quán)利要求25所述的裝置，其中所述容積改變裝置還包括粘附到所述柔性隔膜的壓電致動器。
27.權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述柔性隔膜包括彈性體材料。
28.權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述柔性隔膜包括聚合物材料。
29.權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述通路的大小這樣設(shè)定使得由于所述容積改變裝置的操作而在所述通路內(nèi)部產(chǎn)生Helmholtz型諧振。
30.權(quán)利要求29所述的裝置，其中所述通路包括管道。
31.權(quán)利要求29所述的裝置，還包括具有散熱翼片的散熱片，其中所述通路的所述遠側(cè)端鄰近所述散熱片設(shè)置，從而所述合成噴射流經(jīng)過相鄰的散熱翼片之間。
32.權(quán)利要求31所述的裝置，還包括風(fēng)扇，所述風(fēng)扇設(shè)置在所述散熱片的一端，從而所述合成噴射流幫助所述風(fēng)扇減少由于所述散熱翼片的壓降形成的支流。
33.權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述通路包括一部分散熱片。
34.權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述合成噴流致動器包括第一合成噴流致動器，所述裝置還包括鄰近所述第一合成噴流致動器的第二合成噴流致動器；和鄰近所述第二合成噴流致動器的第三合成噴流致動器。
35.權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述合成噴流致動器由公共的外殼形成，且所述第一合成噴流致動器和所述第二合成噴流致動器由第一公共壁形成，所述第二合成噴流致動器和所述第三合成噴流致動器由第二公共壁形成。
36.權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述通路包括第一管道，所述裝置還包括具有近側(cè)端和遠側(cè)端的第二管道，所述近側(cè)端鄰近所述第二合成噴流致動器；和具有近側(cè)端和遠側(cè)端的第三管道，所述近側(cè)端鄰近所述第三合成噴流致動器。
37.權(quán)利要求36所述的裝置，其中所述第一公共壁包括第一柔性隔膜，所述第二公共壁包括第二柔性隔膜。
38.權(quán)利要求37所述的裝置，還包括連接到所述第一柔性隔膜的第一壓電元件；和連接到所述第二柔性隔膜的第二壓電元件。
39.權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述第一和第二柔性隔膜包括彈性體材料。
40.權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述第一和第二柔性隔膜包括聚合物材料。
全文摘要
一種裝置的一個實施例包括一種用于熱管理的裝置。更確切地說，一個實施例包括合成噴流致動器(60)和管道(61)。盡管不是必需的，合成噴流致動器(60)通常包括外殼(47)，該外殼確定了內(nèi)室(45)并具有形成在外殼(47)的壁(44)中的孔口(46)。合成噴流致動器(60)通常還包括形成了外殼(47)的一部分的柔性隔膜(42)。該實施例的管道(60)通常包括近側(cè)端(64)和遠側(cè)端(65)，近側(cè)端(64)鄰近合成噴流致動器(60)設(shè)置。在該實施例中，合成噴流致動器(60)的操作使得在管道(61)的遠側(cè)端(65)處形成合成噴射流(52)。
文檔編號F04B17/00GK1846060SQ200480025633
公開日2006年10月11日 申請日期2004年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者阿瑞·格萊澤, 拉加文喬恩·馬哈林格姆 申請人:喬治亞技術(shù)研究公司