專利名稱：低噪聲冷卻設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將脈動流體用于冷卻物體的冷卻設(shè)備，該設(shè)備包括換能器，具有 適合于在工作頻率(fw)生成壓力波的隔膜；以及腔，包圍隔膜的第一側(cè)，該腔具有適合于朝 向物體發(fā)射脈動凈輸出流體流的至少一個開口，其中開口與隔膜的第二側(cè)連通。本發(fā)明還涉及一種包括這樣的冷卻設(shè)備的電子設(shè)備和照明設(shè)備。
背景技術(shù)：
由于新開發(fā)的例如比傳統(tǒng)設(shè)備更緊湊和/或更高功率的電子設(shè)備產(chǎn)生更高熱通 量密度而在各種應(yīng)用已經(jīng)越來越多地需要冷卻。這樣的改進(jìn)設(shè)備的例子例如包括更高功 率的半導(dǎo)體光源，比如激光器或者發(fā)光二極管、RF功率設(shè)備和更高性能的微處理器、硬盤驅(qū) 動、光學(xué)驅(qū)動如⑶R、DVD和藍(lán)光驅(qū)動以及大面積設(shè)備如平板TV和光源。作為風(fēng)扇冷卻的一種替代，文獻(xiàn)US 2006/0237171公開一種包括振動構(gòu)件和殼的 噴射生成設(shè)備，該殼具有噴嘴和容納氣體的第一室。該噴射生成設(shè)備由于驅(qū)動振動構(gòu)件而 通過噴嘴排放氣體，由此實現(xiàn)散熱器的冷卻。殼也可以包括也具有噴嘴的第二室。在這一 情況下，當(dāng)從噴嘴排放空氣時，獨立于與第一室關(guān)聯(lián)的噴嘴和與第二室關(guān)聯(lián)的噴嘴而生成 聲音。由于在噴嘴生成的聲波具有相反相位，所以聲波相互削弱。這使得有可能進(jìn)一步減 少噪聲。希望第一和第二室的體積相同。這使排放的空氣量相同，從而進(jìn)一步減少噪聲。然而，例如如在US 2006/0237171中公開的，先前提出的系統(tǒng)的一個弊端在于它 們要求亞音頻或者機(jī)械對稱性以實現(xiàn)令人滿意的降噪。這限制了應(yīng)用范圍，因為經(jīng)常存在 固有機(jī)械特性。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)明的目的在于解決或者至少減少上文討論的問題。具體而言，目的 在于通過提供一種用于減少脈動冷卻系統(tǒng)中的聲級的方式來擴(kuò)展針對這些冷卻設(shè)備以及 針對其中在維持低成本之時機(jī)械對稱性并不實際的系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種將脈動流體用于冷卻物體的冷卻設(shè)備，該設(shè)備 包括換能器，具有適合于在工作頻率(fw)生成壓力波的隔膜；以及腔，包圍隔膜的第一 側(cè)，該腔具有適合于朝向?qū)ο蟀l(fā)射脈動凈輸出流體流的至少一個開口，其中開口與隔膜的 第二側(cè)連通。腔充分地小以在工作范圍中防止腔中的流體充當(dāng)諧振質(zhì)量彈簧系統(tǒng)中的彈 簧。這之所以有利是因為隔膜的體積速度(U1)實質(zhì)上等于在開口的體積速度。另外，除了 負(fù)號之外，在開口的體積速度(U1)實質(zhì)上等于在隔膜的第二側(cè)的體積速度(u/)。因此，在 工作頻率，可以由于在隔膜的第二側(cè)上的壓力波反相而大量抵消脈動凈輸出流體從而獲得 接近零的遠(yuǎn)場體積速度。因此低成本實現(xiàn)低聲級而無需機(jī)械對稱性?！皳Q能器”在這里是能夠通過激勵隔膜將輸入信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)壓力波輸出的設(shè)備。 該輸入信號可以是電、磁或者機(jī)械的。例如，適當(dāng)尺度的電動揚(yáng)聲器可以用作換能器。工作 頻率是指向換能器饋送的信號的頻率。另外，“隔膜”在這里包括任一類柔性或者剛性隔膜、振動膜、活塞等。作為例子，可以使用揚(yáng)聲器隔膜。根據(jù)本發(fā)明的冷卻設(shè)備可以用于冷卻大量各種物體。流體可以是空氣或者任何其 他氣態(tài)流體。本發(fā)明基于以下思想通過讓腔的體積充分地小，其中的流體可以視為實質(zhì)上不 可壓縮并且被防止充當(dāng)諧振質(zhì)量彈簧系統(tǒng)中的彈簧。本發(fā)明防止的這樣的諧振系統(tǒng)的例子 為赫爾姆霍茨諧振器。由于流體實質(zhì)上不可壓縮，所以在開口和換能器后部的體積速度將 實質(zhì)上相等(除了符號之外)。由此，在工作頻率，可以由于在隔膜的第二側(cè)上的壓力波反 相而大量抵消脈動凈輸出流體從而獲得接近零的遠(yuǎn)場體積速度。因此低成本實現(xiàn)低聲級而 無需機(jī)械對稱性。開口可以經(jīng)由通道連接到腔，從而允許更多設(shè)計自由度，因為通道可以被形成為 朝向所需位置并且在所需方向上引導(dǎo)流體流。為了防止通道充當(dāng)傳輸線，通道優(yōu)選地具有 少于λ/20的長度(Lp)，其中λ為流體中與f = fw對應(yīng)的波長。腔與任何通道組合的赫爾姆霍茨頻率fH優(yōu)選地大于工作頻率fw，并且更優(yōu)選為fH > 4 · fw。工作頻率優(yōu)選地使得經(jīng)過開口的流體速度和流體位移具有局部最大值，并且這通 常出現(xiàn)在設(shè)備的諧振頻率(即與設(shè)備(與腔、開口和任何通道組合的換能器)的電輸入阻 抗的局部最大值對應(yīng)的頻率)附近。通常選擇最低的這樣的頻率。工作頻率(fw)優(yōu)選地 少于1. 2 · ，其中為阻抗曲線中的第一低諧振峰值，并且更優(yōu)選為fw = f\。工作頻率(fw)優(yōu)選地低于60Hz，并且更優(yōu)選為低于30Hz。另外，設(shè)備在的電阻抗優(yōu)選地設(shè)計成比換能器的DC阻抗大1. 5-5倍并且最優(yōu) 選為約兩倍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在驅(qū)動頻率阻抗與DC阻抗之間的這一關(guān)系獲得尤為有利的結(jié)果。隔膜的面積S1優(yōu)選地大于開口的面積Sp，即S1ZiSp > 1，或者更優(yōu)選為S1ZiSp >> 1。這使得在兩側(cè)上的體積速度保持相等，而在開口的速度增加以便促進(jìn)渦流。換而言之， 它實現(xiàn)達(dá)到低而fs可以相對高，小型揚(yáng)聲器通常情況如此。通過該布置，盡管有適度偏 離仍然可以形成噴射，因為噴射形成標(biāo)準(zhǔn)為Tffg> rp · S1ZS1，其中Tffg是換能器的行程，1^是開口的半徑，Sp是開口的面積，并且S1是隔膜的面積。由于噴射長度為開口直徑的約10倍，所以在開口與冷卻的物體之間的優(yōu)選距離 為開口直徑的2至10倍。根據(jù)本發(fā)明的冷卻設(shè)備還可以有利地包含于包括電子電路的電子設(shè)備中或者照 明設(shè)備中。根據(jù)下文具體公開內(nèi)容、根據(jù)所附從屬權(quán)利要求以及根據(jù)附圖將清楚其他目的、 特征和優(yōu)點。


將參照相同參考標(biāo)號將用于相似單元的附圖，通過對本發(fā)明優(yōu)選實施例的下文示 例而非限制的具體描述更好地理解本發(fā)明的上述以及附加目的、特征和優(yōu)點，附圖中
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的冷卻設(shè)備。圖2圖示了系統(tǒng)電阻抗。圖3圖示了用于系統(tǒng)的聲壓級(SPL)。圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的冷卻設(shè)備。圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的冷卻設(shè)備。圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的冷卻設(shè)備。
具體實施例方式圖1中的冷卻設(shè)備包括換能器2，該換能器具有適合于在工作頻率(fw)生成壓力 波的隔膜。換能器2在這里圖示為揚(yáng)聲器但不限于此。反言之，可以使用能夠生成壓力波的 任何換能器。腔4布置于換能器2之前，由此包圍換能器隔膜的第一側(cè)。腔4中的流體在 這里為空氣。腔4通過開口 5與腔以外的環(huán)境連通。另外，開口與換能器的后部連通(即 隔膜的背離腔的一側(cè))。開口 5經(jīng)由通道6連接到腔4，該通道隨著它的整個延伸具有均勻 形狀和尺寸，這里形式為圓柱管6。然而，通道可以是各種形狀。例如，通道可以具有矩形橫 截面。橫截面也可以沿著通道的延伸變化形狀和/或尺寸。為了防止管6充當(dāng)傳輸線，其長度(Lp)少于λ/20，其中λ為流體中與f = fw對 應(yīng)的波長。另外，為了避免赫爾姆霍茨諧振，選擇腔4和關(guān)聯(lián)管6的尺度使得腔4與管6 — 起的赫爾姆霍茨頻率fH超過換能器2的工作頻率fw的四倍。如果不考慮末端效應(yīng)，則無阻 尼赫爾姆霍茨頻率可以表達(dá)為 Sp是管的橫截面積，Lp是管的長度，V1是腔的體積，并且C。是氣體中的聲速。通常設(shè)計設(shè)備使得阻抗曲線中的第一低諧振峰值與換能器的工作頻率fw重合， 即 其中fs是揚(yáng)聲器在無腔和管的體積時的諧振頻率，P。是空氣密度，S1是換能器隔膜的面積，Hi1是揚(yáng)聲器的運動質(zhì)量，Lp是管的長度，并且Sp是管的橫截面積。根據(jù)一個示例實施例，使用以下參數(shù)揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)
Re = 5. 6 Ω (DC 電阻)Rm = 0. 56Ns/m (揚(yáng)聲器懸置的機(jī)械阻力)BI 5.5N/A (電機(jī)力因數(shù))S1 = 0. 00126m2 (揚(yáng)聲器的輻射表面)D1 = 0. 04m (揚(yáng)聲器的有效直徑)fs = 84Hz (揚(yáng)聲器的自由諧振頻率)Hi1 = 0. 0044kg (揚(yáng)聲器的運動質(zhì)量)其他數(shù)據(jù)V1 = 5cm3 (腔體積)Lp= 15cm (管長度)Sp = 0. 00001964m2 (內(nèi)管面積)Dp = 5mm (內(nèi)管直徑)Rp = 0. 00021Ns/m(管的機(jī)械阻力)在圖2中，針對示例實施例根據(jù)頻率圖示系統(tǒng)電阻抗。在40Hz的第一峰值為 而在250Hz為赫爾姆霍茨頻率。在的電阻抗優(yōu)選地等于在DC的音圈阻抗的兩倍。在操作中，換能器2在工作頻率fw激勵隔膜。隔膜在腔4中生成壓力波從而在開 口 5產(chǎn)生可以用來冷卻物體如例如電子電路或者集成電路的脈動凈輸出流體流。其他例子 將是功率設(shè)備如發(fā)光二極管(LED)燈的熱點冷卻和LED光源或者平板TV中的背光的大面 積冷卻。除了負(fù)號之外，凈輸出流體流在開口 5的體積速度U1實質(zhì)上等于在揚(yáng)聲器2的后 部的體積速度u/。揚(yáng)聲器的后部在這里是指隔膜的背離腔的一側(cè)。開口 5與揚(yáng)聲器的后 部連通。因此，在工作頻率，由于在揚(yáng)聲器后部的壓力波反相而大量抵消脈動凈輸出流體從 而獲得接近零的遠(yuǎn)場體積速度。因此減少聲級。在圖3中圖示了系統(tǒng)的聲壓級(SPL)和阻抗例子。實線是作為粗虛線(為后部 SPL)和細(xì)虛線(為開口 SPL)之和的總計SPL(開口 +后部)。由于后部SPL和開口 SPL至 少在工作范圍中基本上為相似量值、但是相反相位，所以它們基本上相互抵消。在圖4中圖示了本發(fā)明的另一實施例。這里，五個平面壁形成矩形腔4而留下一 側(cè)開放。開放側(cè)在這里形成腔的開口 5。換能器激勵如圖4中所示壁之一中布置的隔膜8。 隔膜8可以代之以布置于任何其他壁中。另外，在一個替代實施例中，可以留下矩形腔的多 側(cè)開放。根據(jù)另一實施例，通道6在開口 5比它在腔4更寬，從而導(dǎo)致如圖5中所示漏斗形 通道。漏斗形通道的橫截面的面積可以沿著它的延伸而變化，但是優(yōu)選地，橫截面積在通道 的任何點相同，從而開口在一個尺度上狹窄而在另一尺度上相對寬。這實現(xiàn)冷卻更寬面積 而又維持高速度并且因此維持高效冷卻。根據(jù)又一實施例，腔具有多個開口。各開口可以如圖6中所示經(jīng)由管6連接到腔。 開口可以在實質(zhì)上相同方向上或者在不同方向上導(dǎo)向以便同時冷卻若干物體。另外，開口 可以在基本上相同平面中或者在不同平面中。認(rèn)識到涉及上述實施例的附圖僅為示例。因此，所示比例可能并未準(zhǔn)確地反映實 際應(yīng)用中的比例。例如，揚(yáng)聲器隔膜的面積可能與管的橫截面的面積相比必須大于圖中所示面積以滿足實際應(yīng)用中的噴射形成標(biāo)準(zhǔn)。 上文已經(jīng)參照少數(shù)實施例描述本發(fā)明。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的那樣， 除了上文公開的實施例之外的實施例在如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)同樣可能。例 如，注意本原理不限于任何具體流體，即使本說明書主要已經(jīng)基于空氣中操作的設(shè)備，即生 成振蕩空氣流的設(shè)備。另外，雖然所示例子中的腔已經(jīng)布置于換能器之前，但是換能器的方 向無關(guān)緊要并且可以相反。另外，腔和通道的形狀僅為舉例，并且可以采用任意形狀。例 如，即使示例實施例的通道實質(zhì)上是直的，但是管也可以基本上為卷形，或者具有比直管更 復(fù)雜的其他布置，比如迷宮，從而實現(xiàn)節(jié)省空間的冷卻設(shè)備。也可以組合所述實施例。
權(quán)利要求
一種將脈動流體用于冷卻物體的冷卻設(shè)備(1)，包括-換能器(2)，具有適合于在工作頻率(fw)生成壓力波的隔膜，以及-腔(4)，包圍所述隔膜的第一側(cè)，所述腔(4)具有適合于朝向所述物體發(fā)射脈動凈輸出流體流的至少一個開口(5)，其中所述開口(5)與所述隔膜的第二側(cè)連通，其特征在于-所述腔(4)充分地小以在工作范圍中防止所述腔(4)中的流體充當(dāng)諧振質(zhì)量彈簧系統(tǒng)中的彈簧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻設(shè)備，其中所述至少一個開口(5)經(jīng)由通道(6)連接到 所述腔(4)，所述通道(6)具有少于λ/20的長度(Lp)，其中λ為所述流體中與f = fw對 應(yīng)的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的冷卻設(shè)備，其中所述腔(4)與任何通道(6)組合的赫 爾姆霍茨頻率(fH)大于所述工作頻率(fw)，并且更優(yōu)選為fH > 4 · fw。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備，其中所述工作頻率(fw)少于1.2· \，其中 f為阻抗曲線中的第一低諧振峰值，并且更優(yōu)選為fw = f”
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備，其中所述工作頻率(fw)低于60Hz，并且更 優(yōu)選為低于30Hz。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備，其中在的系統(tǒng)電阻抗設(shè)計成比所述換能 器的DC阻抗大1. 5-5倍并且最優(yōu)選為約兩倍。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備，其中所述隔膜的面積(S1)大于所述開口的 面積(Sp)，并且更優(yōu)選為S1ZiSp >>1。
8.一種電子設(shè)備，包括電子電路和用于冷卻所述電路的根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的 冷卻設(shè)備。
9.一種照明設(shè)備，包括用于冷卻熱點的根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的冷卻設(shè)備。
全文摘要
一種將脈動流體用于冷卻物體的冷卻設(shè)備(1)，包括換能器(2)，具有適合于在工作頻率(fw)生成壓力波的隔膜；以及腔(4)，包圍隔膜的第一側(cè)。腔(4)具有適合于朝向物體發(fā)射脈動凈輸出流體流的至少一個開口(5)，其中開口(5)與隔膜的第二側(cè)連通。腔(4)充分地小以在工作范圍中防止腔(4)中的流體充當(dāng)諧振質(zhì)量彈簧系統(tǒng)中的彈簧。這之所以有利是因為在開口的體積速度(u1)除了負(fù)號之外實質(zhì)上等于在隔膜的第二側(cè)的體積速度(u1’)。因此，在工作頻率，可以由于在隔膜的第二側(cè)上的壓力波反相而大量抵消脈動凈輸出流體從而獲得接近零的遠(yuǎn)場體積速度。因此低成本實現(xiàn)低聲級而無需機(jī)械對稱性。
文檔編號F04F7/00GK101889145SQ200880119535
公開日2010年11月17日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者C·J·M·拉桑斯, J·A·M·涅宇溫迪杰克, O·奧宇維爾特杰斯, R·M·阿特斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司