專利名稱：冷卻器件和包括這種冷卻器件的電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷卻器件，這種冷卻器件包括一種適合于以驅(qū)動 頻率產(chǎn)生壓力波的換能器和管，這種管具有第一端部和第二端部，該 笫一端部適合于從該換能器接收這種壓力波，且該笫二端部適合于產(chǎn) 生朝向物體的脈動凈輸出流。本發(fā)明還涉及一種包括這種冷卻器件的電子器件。
技術(shù)背景傳統(tǒng)上借助于通過自然對流或強制對流的空氣冷卻來實現(xiàn)電子部 件和系統(tǒng)的冷卻，這種自然對流或強制對流沿著通常設(shè)在電子包、散 熱件或固定裝置之外的區(qū)域。不過，出于新近開發(fā)的電子器件所產(chǎn)生的較高熱通量密度的原因， 近來在各種用途中對冷卻的需求一直在增加，與傳統(tǒng)的器件相比，新 近開發(fā)的這些電子器件如更加緊湊和/或功率更大。這些經(jīng)過改進的器件的示例包括如較大功率的半導(dǎo)體光源、RF功率器件和性能更高的微 處理器、硬盤驅(qū)動器、光驅(qū)動器和大面積器件，較大功率的半導(dǎo)體光 源如激光器或發(fā)光二極管，光驅(qū)動器如CDR、 DVD和藍光驅(qū)動器，大 面積器件如平板電視和照明器。就自然對流而言，冷卻能力一方面由于導(dǎo)致較小可用面積的小型 化和重量限制的原因而日益受到限制，另一方面受到導(dǎo)致過多的下游 局部加熱的增加功率散逸面積(平板電視、光板)的日益限制。這種問題的明顯而普遍實施的解決方案是使用風(fēng)扇。雖然風(fēng)扇在 緊湊性、噪聲和效率方面在持續(xù)得到提高，但仍由于風(fēng)扇的或多或少 的固有特性而遇到各種各樣的問題，如尺寸、噪聲、成本、預(yù)期工作 壽命、至物體的最小距離和受限的設(shè)計自由度。WO 2005/008348公開了用于冷卻目的的一種合成噴射致動器和管 作為通過風(fēng)扇冷卻的替代。這種管連接到諧振腔，且在這種管的遠端 產(chǎn)生噴射流，這種噴射流可用于將物體冷卻。這種腔體和這種管形成 亥姆霍茲(Helmholtz)諧振器，即二階系統(tǒng)，在這種二階系統(tǒng)中，這種腔體中的空氣起到彈簧的作用，而在這種管中的空氣起到質(zhì)量的作 用。這類系統(tǒng)的缺陷在于，對于合理尺寸的腔體體積而言，管的截面 積與管的長度之間的比率應(yīng)小，以獲得低諧振頻率，不過，為了獲得高的聲輸出和合理的品質(zhì)因數(shù)(Q)，這種管的截面積應(yīng)大。 發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷和其它缺陷，本發(fā)明的總體目的在于 提供一種改進的冷卻器件。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種更加通用的冷卻器件。根據(jù)本發(fā)明，通過冷卻器件來實現(xiàn)這些和其它目的，這種冷卻器 件包括適合于以驅(qū)動頻率產(chǎn)生壓力波的換能器和管，這種管具有第一 端部和第二端部，該第一端部適合于從該換能器接收這些壓力波，且 該第二端部適合于產(chǎn)生朝向物體的脈動凈輸出流，其中，這種管是具 有大于X/10的長度的管諧振器，其中，k是這些壓力波的波長。在此處，"換能器"是能夠?qū)⑤斎胄盘栟D(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力波輸出 的器件。輸入信號可以是電氣信號、磁信號或機械信號。適當(dāng)?shù)膿Q能 器的示例包括各種類型的膜片、活塞、壓電結(jié)構(gòu)等。適當(dāng)標定的電動 揚聲器尤其可用作換能器。在亥姆霍茲諧振器中，管的長度比波長短，與亥姆霍茲諧振器相 比，根據(jù)本發(fā)明的管諧振器的長度大于k/10，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這種長度已 足夠地長以避免亥姆霍茲諧振。相反，這種管起到傳輸線的作用，這 種傳輸線將速度增益加到這種脈動流?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)管長度大于V8的較好 效果以及管長度大于k/5的更好效果?？梢钥闯觯@種管中的速度增益與sin(27TL/k)+cos(2;TL/k)成反比。 這就表明這種增益在sin(27iL/人)-l即在L-(2n+l) 時最大。在這種管的長度等于(2n+l)人/4的特定情形中，在這種管諧振器中 產(chǎn)生駐波，這種駐波導(dǎo)致特別有利的速度增益。根據(jù)本發(fā)明的冷卻器件可用于通過各種液體或氣態(tài)流體的定向外 流冷卻多種物體。不過，這種冷卻器件特別適用于諸如電子電路這樣 的物體的氣冷。通過對這種管諧振器標定以產(chǎn)生穿過在這種諧振器的第二端部的開口的中心部分的脈動凈流體外流來實現(xiàn)以這種外流的方向的非常有效的冷卻。這一點尤其正確，因為根據(jù)本發(fā)明的源自冷卻器件的輸出 的流體脈動流破壞了覆蓋將要被非常有效地冷卻的物體的邊界層。將這種器件理想地設(shè)計成使錐體偏移對于在這種管的第二端部的某種聲壓水平(SPL)最小。這就產(chǎn)生不太昂貴的揚聲器，如這種換能 器的更簡單的懸留和/或工作壽命的提高。優(yōu)選將這種換能器設(shè)計成在該驅(qū)動頻率具有這樣的阻抗，這種阻 抗比這種換能器的DC阻抗大1.5至2.5倍，且最優(yōu)選比這種換能器的 DC阻抗大兩倍。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動頻率阻抗與DC阻抗之間的關(guān)系產(chǎn)生 特別有利的結(jié)果。在這種情況下，重要的設(shè)計參數(shù)是耦合系數(shù)(force factor)(別)，在本發(fā)明中，對這種耦合系數(shù)進行選擇，以獲得前面 所提及的驅(qū)動頻率阻抗?？蓪⑦@種管諧振器的第一端部布置成直接從這種換能器接收這種 壓力波。這就產(chǎn)生緊湊的設(shè)計。這種設(shè)計的要求是管直徑基本上對應(yīng) 于這種換能器膜片的直徑?；蛘撸瑸榱藢χ睆椒矫娴娜魏尾町愡M行處理，可將腔體體積布置 在這種換能器與這種管之間。這種腔體不應(yīng)與亥姆霍茲諧振器的腔體 混淆。正如前面所說明的那樣，這種管諧振器足夠地長以避免亥姆霍 茲諧振。有利的是，這種驅(qū)動頻率可基本上與這種系統(tǒng)的反諧振頻率一致， 即這種換能器與這種管和這種換能器與這種管之間的任何腔體結(jié)合。 這種反諧振頻率是這樣的頻率，這種系統(tǒng)的阻抗曲線為這種頻率達到 局部最小值。這種驅(qū)動頻率的這種選擇會產(chǎn)生最佳的輸出速度。這種外流還可基本上是湍流。通過對這種開端結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)貥硕ê?相應(yīng)地對這種換能器的調(diào)諧，可在輸出實現(xiàn)這種湍流外流。這樣就獲 得更加有效的冷卻。特別地，優(yōu)選這種標定和調(diào)諧使在該第二端部形 成的渦流形成行進離開該開口的足夠距離，這種渦流形成以這種距離 在這種換能器的前向沖程期間形成，以避免在后向沖程期間將這種渦 流形成吸回到這種開端結(jié)構(gòu)中?？蓪@種開端諧振器進行有利地標定，以使這種外流以這樣的頻 率脈動，對于這種頻率來講，最低可聽水平相對較高。這種"最低可 聽水平"是人類能夠聽到的最低聲壓水平。最低可聽水平取決于最小值約為4kHz的頻率。尤其是對于低頻率 來講，這種最低可聽水平相對較高。因此，優(yōu)選對這種開端諧振器標 定以在低于200Hz的頻率諧振，且更優(yōu)選在低于lOOHz的頻率諧振。而且，可有利地將這種換能器設(shè)置成以水平生成壓力波，在這種 水平時，這種外流的壓力水平低于這種最低可聽水平。這樣就可將這 種冷卻器件構(gòu)造成以聽不到的方式運行。根據(jù)本發(fā)明的一種替代實施例，這種管諧振器可在其第二端部具 有多個開口 ?？苫旧弦韵嗤较蚧虿煌较?qū)⑦@些開口定向以同時 將幾個物體冷卻。而且，這些開口可基本上在相同的平面中或不同的 平面中。這種管可呈如圓柱形并具有長度、半徑和兩個端部。管的聲音諧 振頻率易于計算且圓柱形管的制造特別簡單。根據(jù)一個實施例，這種管可基本上是直的，這樣就獲得特別大的 頻率選擇放大，換言之，獲得高聲音品質(zhì)因數(shù)(Q)。這種管還可具有伸長的開口，這種開口至少部分地沿著這種管的 長度延伸，以至少部分地穿過這種伸長的開口發(fā)射這種冷卻外流。當(dāng)然，可在這種管中形成不同形狀的幾個開口。通過這種伸長的開口的形成，這種冷卻流體流可適合于要冷卻的 物體。根據(jù)另一個實施例，這種管可基本上呈線圏狀。通過將這種管形 成為比直管更緊湊的線圈或其它布置，如迷宮環(huán)，可實現(xiàn)節(jié)約空間的 冷卻器件。而且，除了出于旋渦鏈(train of vortices)的原因而在這種管的端 部形成的噴射之外，可引入夾帶環(huán)境空氣的第二流，以增加冷卻效果。 可從距這種開口的某種距離的位置抽出這種第二流。特別是在要進行 冷卻的物體處于受限隔室內(nèi)時，從不同位置將空氣抽出是有利的。根 據(jù)一個實施例，可布置第二管，該第二管與這種管諧振器同軸并具有 在適當(dāng)位置的開口，以允許將周圍的冷空氣吸入。根據(jù)本發(fā)明的冷卻器件還可有利地包括包括電子電路的電子器件。


將參考附圖對本發(fā)明的這些和其它方面進行更詳細的描述，這些 附圖示出了本發(fā)明的目前所優(yōu)選的實施例。圖la是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的冷卻器件的示意性平面圖。 圖lb是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的冷卻器件的示意性平面圖。 圖2是圖la和圖lb中的管諧振器的透視圖。 圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的冷卻器件的優(yōu)選操作范圍的視圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的冷卻器件的示意性透視圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的冷卻器件的示意性透視圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的冷卻器件的示意性透視圖。 圖7是圖lb中的冷卻器件的一種變化形式的示意性平面圖。
具體實施方式
圖la和lb示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個實施例的一種冷卻器件。示范性的冷卻器件1由換能器2形成并且呈揚聲器膜片和管諧振 器3的形式。將這種管3的第一端部4布置成從換能器2接收壓力波。 通過選擇適當(dāng)?shù)某叽绔@得穿過管3的第二端部7的開口 6的脈動凈流 體外流5，在此情形中，這些尺寸是管3的截面S和長度L。穿過這種 流體外流5將物體8冷卻，物體8如以外流5的方向的電路或集成電路。這種管具有大于k/10的長度L,從而產(chǎn)生速度中的增益并避免這 種管起到亥姆霍茲諧振器的頸部的作用。最優(yōu)選長度L基本上等于人/4 的奇數(shù)倍，即(2n + l)V4，式中，n-O， 1, 2…這種管長度會在這種 管中產(chǎn)生駐波，這種駐波提供特別有效的速度增益。優(yōu)選這種管具有導(dǎo)致高增益的高品質(zhì)因數(shù)Q,即輸入速度與輸出 速度之比。獲得這種效果的措施之一是具有光滑的管壁。根據(jù)一種優(yōu)選實施例，無穿過這種管3的總凈流。相反，由于噴 射的拖曳，在開口 6的周緣將流體的量吸入這種管3內(nèi)，這種量對應(yīng) 于在中心部分外流噴出的量，如圖la中的彎箭頭9所示。不過，如在物體8位于受限空間內(nèi)的情況下，可有利地從某種其 它位置吸入空氣，在這種空間內(nèi)會將空氣加熱。出于這種目的，這種 器件可設(shè)有從該位置通向這種管3的開口 6的另外的通道。圖7示出 了這種設(shè)計一種示例。在此示例中，與管3同心布置另一種管61,這種管61的一個端部接近于開口 6，且另一個端部63離開開口 6。在運 行時，將第二流體流62吸入這種管內(nèi)，從而允許將更冷的空氣引入熱 點中。在示于圖la中的實施例中，將腔體體積V0設(shè)在換能器2之后并 將腔體體積V1設(shè)在換能器2與管諧振器3之間。在圖lb的實施例中， 僅存在腔體體積V1。并不要求腔體體積VI實施本發(fā)明，但可有利地 對換能器2和管3的不同直徑進行補償。這種換能器的方向并不重要， 而且可以反轉(zhuǎn)。圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的冷卻器件1的示意性透視圖。 已將相同的附圖標記用于對應(yīng)于圖la和圖lb中的元件的元件，但不 應(yīng)視為對前面的這些視圖進行限制。在圖2中，管諧振器3具有圓柱形或圓形截面且以揚聲器膜片的 形式通過換能器2并附到這種管的第一端部4。應(yīng)注意，這絕不在任何 意義上對本發(fā)明的范圍進行限制，并且同樣可應(yīng)用于包括其它類型的 開端諧振器的冷卻器件、截面和具有沿著其延伸部分的變化截面的開 端諧振器，其它類型的開端諧振器如具有不同形狀的管，如矩形。而 且，還可用能夠生成壓力波的其它任何裝置的形式提供這種換能器。 這些裝置包括如壓電換能器、機械運動活塞等。此外，這種換能器不 必如附圖所示的那樣緊緊地附到這種開端諧振器，而是還可與這種開 端諧振器物理分離，只要與這種換能器有關(guān)布置這種開端諧振器，以 使由這種換能器所生成的壓力波耦合到這種開端諧振器的第一端部中。在許多用途中，冷卻器件的重要特征在于這種冷卻器件保持不被 使用者注意到。因此，優(yōu)選將這種冷卻器件設(shè)計成既緊湊又靜音。參看示出了相同響度圖表(loudness chart)的圖3，在圖3中將根 據(jù)本發(fā)明的冷卻器件的優(yōu)選的工作區(qū)域示為陰影區(qū)20。優(yōu)選的工作區(qū) 域20低于這種最低可聽水平，且使用者聽不到被設(shè)計/標定成在區(qū)域 20內(nèi)運行的冷卻器件。應(yīng)注意，根據(jù)本發(fā)明的冷卻器件可完全超過這 種優(yōu)選的區(qū)域的限制，而仍或多或少不被使用者注意到。圖3的圖表 中的最終選擇的工作點取決于諸如尺寸限制、所要求的冷卻功率和通 過這種系統(tǒng)的其它部分的聲音發(fā)射水平這樣的因數(shù)，這種冷卻器件在 這種系統(tǒng)中實現(xiàn)。在圖4中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的冷卻器件 30，冷卻器件30不同于圖2中的冷卻器件1，因為在位于管33的第二 端部32的三個開口 31a至31c產(chǎn)生冷卻器件30中的冷卻外流。因此，可用相同的冷卻器件30冷卻幾個物體。在圖5中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的冷卻器件 40，冷卻器件40不同于圖2中的冷卻器件1，因為穿過伸長的開口 41a 至41c以及在位于管43的第二端部42的開口發(fā)生冷卻外流。該實施例特別適用于延長物體的冷卻。在圖6中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的冷卻器件 50，冷卻器件50不同于圖2中的冷卻器件1，因為在冷卻器件50中將 管51巻成線團狀。這種布置慮及了在所希望的工作區(qū)域20內(nèi)對管51 的標定，而將親了親機50的尺寸保持得盡可能緊湊。本領(lǐng)域中熟練的技術(shù)人員會認識到本發(fā)明絕不限制到這些優(yōu)選實 施例。例如，可以用各種方式將這種換能器連接到這種管，且這種管 不必具有圓形截面。
權(quán)利要求
1.一種利用脈動流體冷卻物體(8)的冷卻器件，所述冷卻器件包括換能器(2)，所述換能器(2)適合于以驅(qū)動頻率產(chǎn)生壓力波，管(3)，所述管(3)具有第一端部(4)和第二端部(7)，所述第一端部(4)適合于從所述換能器接收所述壓力波，且所述第二端部(7)適合于產(chǎn)生朝向所述物體的脈動凈輸出流，其特征在于所述管是具有大于λ/10的長度(L)的管諧振器(3)，其中，λ是所述壓力波的波長。
2. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于所述管諧振器具有大 于X/8的長度(L)，且優(yōu)選大于人/5。
3. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于所述管諧振器具有基 本上等于(2n + 1 )人/4的長度(L)，式中，n = 0， 1， 2...且X是所述 壓力波的波長。
4. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于所述換能器設(shè)計成具 有在所述驅(qū)動頻率的阻抗，所述阻抗比所述換能器的DC阻抗大1.5至 2.5倍。
5. 如權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于所述換能器設(shè)計成在 所述驅(qū)動頻率處具有這樣的阻抗，所述阻抗比所述換能器的DC阻抗大 2倍。
6. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述管諧振器(3)的所述第一端部(4)布置成直接從所述換能器(2) 接收所述壓力波。
7. 如權(quán)利要求1至5中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 將腔體體積(vi)布置在所述換能器與所述管諧振器之間。
8. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述驅(qū)動頻率基本上與以下系統(tǒng)的反諧振頻率一致，所述系統(tǒng)包括所 述換能器(2)、所述管諧振器(3)和所述換能器(2)與所述管諧振 器(3)之間的任何腔體體積(VI)
9. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述管諧振器(3)適合于減少穿過所述開口的總凈流。
10. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于所述驅(qū)動頻率選擇為使所述凈輸出流基本上是湍流。
11. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述第二端部(7)具有多個開口。
12. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述管基本上是直的。
13. 如權(quán)利要求1至U中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述管基本上呈線圈形狀。
14. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述管具有伸長的開口 ，所述伸長的開口至少部分地沿著所述管的長 度延伸，以至少部分地穿過所述伸長的開口發(fā)射所述輸出流。
15. 如前面的權(quán)利要求中的任一項所述的冷卻器件，其特征在于 所述的冷卻器件包括通道(61),所述通道(61)用于從距所述諧振 器的所述第二端部(7)某種距離的位置引入流體的第二流(62)。
16. —種電子器件，所述電子器件包括電子電路和根據(jù)前面的權(quán) 利要求中的任一項所述的用于冷卻所述電路冷卻器件。
全文摘要
一種利用脈動流體冷卻物體(8)的冷卻器件，這種冷卻器件包括適合于以驅(qū)動頻率產(chǎn)生壓力波的換能器(2)和管(3)，這種管(3)具有第一端部和第二端部(7)，該第一端部適合于從這種換能器接收這些壓力波，且該第二端部(7)適合于產(chǎn)生朝向該物體(8)的脈動凈輸出流。在亥姆霍茲諧振器中，管的長度比波長短，與亥姆霍茲諧振器相比，根據(jù)本發(fā)明的管的長度(L)大于λ/10，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這種長度已足夠地長以避免亥姆霍茲諧振。相反，這種管起到傳輸線的作用，這種傳輸線將速度增益加到這種脈動流。
文檔編號F04D33/00GK101405508SQ200780009981
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者C·J·M·拉桑塞, R·M·阿茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司