ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА Российский патент 2013 года по МПК F04D33/00 H01L23/467 H05K7/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к охлаждающему устройству, использующему пульсирующую текучую среду для охлаждения объекта, содержащему: преобразователь, содержащий мембрану, выполненную с возможностью генерирования волн давления с рабочей частотой f_w; и полость, заключающую первую сторону мембраны, при этом полость содержит, по меньшей мере, одно отверстие, выполненное с возможностью испускания пульсирующего потока текучей среды за вычетом потерь к объекту, причем отверстие сообщается со второй стороной мембраны.

Настоящее изобретение также относится к электронному устройству и осветительному устройству, содержащему такое охлаждающее устройство.

Уровень техники

Необходимость в охлаждении увеличилась в различных областях применения из-за более высоких плотностей тепловых потоков, исходящих от вновь созданных электронных устройств, которые стали, например, более компактными и/или более мощными, чем обычные устройства. Примеры таких усовершенствованных устройств включают, например: более мощные полупроводниковые источники света, например, лазеры или светодиоды, высокочастотные силовые устройства и микропроцессоры с более высокими рабочими характеристиками, дисководы для жестких дисков, оптических дисков, подобных CDR, DVD и Blue ray, и устройства с большой площадью, например, плоские телевизионные приемники и светильники.

В качестве альтернативы охлаждению вентиляторами в заявке на патент США 2006/0237171 описано устройство, генерирующее струю, содержащее вибрирующий элемент и корпус, имеющий сопло и первую камеру, вмещающую газ. Устройство, генерирующее струю, выпускает газ через сопло в результате привода вибрирующего элемента, таким образом обеспечивая охлаждение теплоотвода. Корпус может также содержать вторую камеру, также имеющую сопло. В этом случае, когда воздух выпускают из сопел, генерируется звук, независимо от того, связано ли сопло с первой камерой или со второй камерой. Так как звуковые волны, генерируемые у сопел, имеют противоположные фазы, звуковые волны ослабляют друг друга. Этим обеспечивают дополнительное снижение шума. Желательно, чтобы объемы первой и второй камер были одинаковыми. Это приводит к тому, что количества выпускаемого воздуха являются одинаковыми, и таким образом дополнительно снижается шум.

Однако недостатком ранее предложенных систем, например, описанных в заявке на патент США 2006/0237171, является то, что для них требуются дозвуковые частоты или механическая симметрия для достижения удовлетворительного снижения шума. Это ограничивает диапазон применения, как это часто свойственно механическим устройствам.

Раскрытие изобретения

С учетом изложенного выше, задачей изобретения является решение проблем или, по меньшей мере, уменьшение влияния проблем, рассмотренных выше. В частности, задачей является расширение диапазона применения этих охлаждающих устройств путем создания способа уменьшения уровня звука в пульсирующей охлаждающей системе также для систем, где механическая симметрия не практична с точки зрения поддержания низкой стоимости.

Согласно одному аспекту изобретения предложено охлаждающее устройство, использующее пульсирующую текучую среду для охлаждения объекта, содержащее: преобразователь, имеющий мембрану, выполненную с возможностью генерирования волн давления с рабочей частотой f_w; и полость, заключающую первую сторону мембраны и имеющую, по меньшей мере, одно отверстие, выполненное с возможностью испускания пульсирующего потока текучей среды за вычетом потерь к объекту, при этом отверстие сообщается со второй стороной мембраны. Полость является достаточно маленькой для предотвращения действия текучей среды в полости как пружины в резонирующей системе масса-пружина в рабочем диапазоне. Это является предпочтительным, так как объемная скорость u₁ мембраны по существу равна объемной скорости около отверстия. Кроме того, объемная скорость u₁ около отверстия по существу равна объемной скорости u₁' около второй стороны мембраны, за исключением знака минус. Таким образом, при рабочей частоте пульсирующая текучая среда за вычетом потерь может быть в большой степени подавлена благодаря противофазе волнами давления со второй стороны мембраны, вызывая в результате близкую к нулю объемную скорость в дальней области. Таким образом обеспечивается низкий уровень звука при низкой стоимости и без необходимости обеспечения механической симметрии.

В качестве «преобразователя» здесь используется устройство, способное преобразовывать входной сигнал в соответствующее волновое давление на выходе посредством приведения в действие мембраны. Этот входной сигнал может быть электрическим, магнитным или механическим. Например, в качестве преобразователя можно использовать электродинамический громкоговоритель соответствующего размера. Под рабочей частотой понимается частота сигнала, подаваемого к преобразователю. Кроме того, понятие «мембрана» включает любой тип гибкой или жесткой мембраны, диафрагмы, поршня и т.д. Например, можно использовать мембрану громкоговорителя.

Охлаждающее устройство согласно настоящему изобретению можно использовать для охлаждения большого ряда разнообразных объектов. В качестве текучей среды можно использовать воздух или любую другую газообразную текучую среду.

Изобретение основано на идее, заключающейся в том, что если объем полости достаточно маленький, то текучую среду в нем можно рассматривать как по существу несжимаемую, которая не ведет себя как пружина в резонирующей системе масса-пружина. Примером такой резонирующей системы, охватываемой изобретением, является резонатор Гельмгольца. Так как текучая среда является по существу несжимаемой, объемная скорость около отверстия и около задней стороны преобразователя по существу одинаковы (помимо знака). Таким образом, при рабочей частоте пульсирующая текучая среда за вычетом потерь может быть в большой степени подавлена благодаря противофазе волнами давления со второй стороны мембраны, вызывая в результате близкую к нулю объемную скорость в дальней зоне. Таким образом обеспечивается низкий уровень звука при низкой стоимости и без необходимости обеспечения механической симметрии.

Отверстие может быть соединено с полостью каналом, что обеспечивает большую свободу при проектировании, так как канал может быть сформирован таким образом, чтобы направлять поток текучей среды в требуемое место и в требуемом направлении. Для предотвращения того, чтобы канал действовал как трансмиссионная линия, канал предпочтительно должен иметь длину L_p, меньшую λ/20, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая f = f_w.

Частота Гельмгольца f_H полости в сочетании с любым каналом предпочтительно больше рабочей частоты f_w, а более предпочтительно f_H > 4f_w.

Рабочая частота предпочтительно такая, что скорость текучей среды и перемещение текучей среды через отверстие имеют локальные максимальные значения, и обычно это происходит вблизи зоны резонансной частоты устройства, т.е. частоты, соответствующей локальному максимальному значению полного электрического сопротивления на входе устройства (преобразователя в сочетании с полостью, отверстием и любыми каналами). Обычно выбирают наименьшую такую частоту. Рабочая частота f_w предпочтительно меньше 1,2f₁, где f₁ - первый низкий резонансный пик кривой полного сопротивления, а более предпочтительно f_w = f₁.

Рабочая частота f_w предпочтительно меньше 60 Гц, а еще более предпочтительно - меньше 30 Гц.

Кроме того, обеспечивают, чтобы полное электрическое сопротивление устройства при частоте f₁ было предпочтительно в 1,5-5,0 раз больше, а наиболее предпочтительно - приблизительно в два раз больше, полного сопротивления преобразователя по постоянному току (ПТ). Было установлено, что это соотношение между полным сопротивлением при ведущей частоте и полным сопротивлением по постоянному току обеспечивает особенно благоприятный результат.

Площадь мембраны S₁ предпочтительно больше площади отверстия S_p, т.е. S₁/S_p>1, или более предпочтительно S₁/Sp>>1. Это приводит к тому, что объемная скорость с обеих сторон остается одинаковой, тогда как скорость около отверстия увеличивается для ускорения вихреобразования. Другими словами, этим обеспечивают достижение низкого значения f₁, тогда как f_s может быть относительно высокой, что является обычным для маленьких громкоговорителей. В устройстве может формироваться струя, несмотря на умеренный ход, в соответствии с критерием формирования струи: T_{величин хода} > r_pS_p/S₁, где:

T_{величин хода} - величина хода преобразователя;

r_p - радиус отверстия;

S_p - площадь отверстия;

S₁ - площадь мембраны.

Так как длина струи приблизительно в 10 раз больше диаметра отверстия, то предпочтительное расстояние между отверстием и охлаждаемым объектом равно 2-10 диаметрам отверстия.

Охлаждающее устройство согласно настоящему изобретению может также быть с успехом включено в состав электронного устройства, содержащего электронную схему, или в осветительное устройство.

Другие задачи, отличительные особенности и преимущества станут очевидными после ознакомления с последующими подробным описанием изобретения, зависимыми пунктами формулы изобретения, а также чертежами.

Краткое описание чертежей

Указанная выше задача, а также дополнительные задачи, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с последующим иллюстративным, но не ограничивающим объем изобретения, подробным описанием предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены аналогичные элементы и на которых:

Фиг.1 представляет собой охлаждающее устройство согласно первому варианту осуществления изобретения;

Фиг.2 представляет собой полное электрическое сопротивление системы;

Фиг.3 представляет собой уровень звукового давления (УЗД) в системе;

Фиг.4 представляет собой охлаждающее устройство согласно второму варианту осуществления изобретения;

Фиг.5 представляет собой охлаждающее устройство согласно третьему варианту осуществления изобретения;

Фиг.6 представляет собой охлаждающее устройство согласно четвертому варианту осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Охлаждающее устройство 1 на фиг.1 содержит преобразователь 2, имеющий мембрану, выполненную с возможностью генерирования волн давления с рабочей частотой f_w. Преобразователь 2 здесь показан в виде громкоговорителя, но он не ограничен таким применением. Наоборот, может быть использован любой преобразователь, подходящий для генерирования волн давления. Полость 4 расположена спереди преобразователя 2, и в ней, таким образом, заключена первая сторона мембраны преобразователя. Текучей средой в полости 4 здесь является воздух. Полость 4 сообщена с внешней окружающей средой посредством отверстия 5. Кроме того, отверстие сообщено с задней стороной преобразователя (т.е. со стороной мембраны, обращенной в направлении от полости). Отверстие 5 соединено с полостью 4 каналом 6, имеющим одинаковые форму и размер по всей его длине, выполненным в виде цилиндрической трубки 6. Однако канал может иметь различные формы. Например, канал может иметь прямоугольное поперечное сечение. Также поперечное сечение можно варьировать как по форме, так и/или по размеру вдоль протяженности канала.

Для предотвращения того, чтобы трубка 6 действовала как трансмиссионная линия, ее длина (L_p) должна быть меньше λ/20, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая f=f_w. Кроме того, для исключения резонанса Гельмгольца размеры полости 4 и связанной с ней трубки 6 выбирают таким образом, чтобы частота Гельмгольца (f_H) полости 4 вместе с трубкой 6 превышала в четыре раза рабочую частоту f_w преобразователя 2. Если пренебречь концевыми эффектами, то недемпфированная частота Гельмгольца может быть выражена как:

, где

S_p - площадь поперечного сечения трубки;

L_p - длина трубки;

V₁ - объем полости;

С₀ - скорость звука в газе.

Устройство обычно выполняют таким образом, чтобы первый низкий резонансный пик кривой полного сопротивления f₁, совпадал с рабочей частотой f_w преобразователя, т.е.

, где

f_s - резонансная частота громкоговорителя без объема полости и трубки;

ρ_О - плотность воздуха;

S₁ - площадь мембраны преобразователя;

m₁ - подвижная масса громкоговорителя;

L_p - длина трубки;

S_p - площадь поперечного сечения трубки.

Согласно приведенному в качестве примера варианту осуществления использовали следующие параметры:

параметры громкоговорителя:

R_E = 5,6 Ω (сопротивление постоянному току);

R_M = 0,56 Нс/м (механическое сопротивление подвески громкоговорителя);

BI = 5,5 Н/А (коэффициент электромеханической связи двигателя);

S₁ = 0,00126 м² (площадь излучающей поверхности громкоговорителя);

D₁ = 0,04 м (эффективный диаметр громкоговорителя);

f_s = 84 Гц (свободная резонансная частота громкоговорителя);

m₁ = 0,0044 кг (подвижная масса громкоговорителя);

Другие параметры:

V₁ = 5 см³ (объем полости);

L_p = 15 см (длина трубки);

S_p = 0,00001964 м² (внутренняя площадь трубки);

D_p = 5 мм (внутренний диаметр трубки);

R_p = 0,00021 Нс/м (механическое сопротивление трубки).

На фиг.2 показано полное электрическое сопротивление системы как функции частоты для приведенного в качестве примера варианта осуществления изобретения. Первый пик f₁ имеет место при частоте 40 Гц, а при частоте 250 Гц - частота Гельмгольца. Полное электрическое сопротивление при частоте f₁ предпочтительно равно двойной величине полного сопротивления звуковой катушки, работающей на постоянном токе.

Устройство работает следующим образом: с помощью преобразователя 2 приводят в действие мембрану с рабочей частотой f_w. Посредством мембраны генерируют волны давления в полости 4, в результате чего получают пульсирующий поток текучей среды за вычетом потерь около отверстия 5, который можно использовать для охлаждения объекта, например, электрической схемы или интегрированной схемы. Другими примерами могут быть: охлаждение горячих точек силовых устройств, например, светодиодных (СД) ламп и охлаждение СД светильников больших площадей или ламп подсветки в плоских телевизионных приемниках.

Объемная скорость u₁ потока текучей среды за вычетом потерь около отверстия 5 по существу равна объемной скорости u₁' около задней стороны громкоговорителя 2, за исключением знака минус. Под задней стороной громкоговорителя здесь понимают сторону мембраны, обращенную в направлении от полости. Отверстие 5 сообщено с задней стороной громкоговорителя. Таким образом, при рабочей частоте пульсирующая текучая среда за вычетом потерь в значительной степени подавляется благодаря противофазе волн давления около задней стороны громкоговорителя, в результате чего получают близкую к нулю объемную скорость в дальней зоне. Результатом является пониженный уровень звука.

На фиг.3 приведен пример уровня звукового давления (УЗД) и системы. Сплошной линей показано полное значение УЗД (около отверстия + около задней стороны), которое является суммой толстой пунктирной линии (представляющей УЗД около задней стороны) и тонкой пунктирной линии (представляющей УЗД около отверстия). Так как УЗД около задней стороны и УЗД около отверстия по существу, по меньшей мере, в рабочем диапазоне, имеют сходную величину, но противоположную фазу, они по существу подавляют друг друга.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.4. Здесь пять плоских стенок образуют прямоугольную полость 4, у которой одна сторона оставлена открытой. Открытая сторона здесь представляет отверстие 5 полости. С помощью преобразователя приводят в действие мембрану 8, встроенную в одну из стенок, как это показано на фиг.4. В альтернативном варианте осуществления мембрана 8 может быть расположена в любой из других стенок. Кроме того, в альтернативном варианте осуществления, более одной стороны прямоугольной полости может быть оставлено открытой.

Согласно другому варианту осуществления канал 6 может иметь большую ширину около отверстия 5, чем около полости 4, в результате чего получается воронкообразный канал, как это показано на фиг.5. Площадь поперечного сечения воронкообразного канала можно варьировать вдоль его длины, но предпочтительно площадь поперечного сечения является постоянной в любом месте канала, таким образом, что отверстие получается узким в одном направлении и относительно более широким в другом направлении. Этим обеспечивается охлаждение более широкой зоны, в то же время поддерживая высокую скорость и, таким образом, обеспечивая эффективное охлаждение.

Согласно еще одному варианту осуществления полость содержит множество отверстий. Каждое отверстие может быть соединено с полостью посредством трубки 6, как это показано в качестве примера на фиг.6. Отверстия могут быть ориентированы по существу в одинаковом направлении или в различных направлениях для одновременного охлаждения нескольких объектов. Кроме того, отверстия могут быть расположены по существу в одной плоскости или в различных плоскостях.

Следует понимать, что чертежи, относящиеся к вариантам осуществления, описанным выше, являются просто иллюстративными. Так показанные соотношения могут не совсем точно отражать соотношения в реальном варианте применения. Например, площадь мембраны громкоговорителя может быть больше по сравнению с площадью поперечного сечения трубки, показанной на чертежах, чтобы она отвечала критерию формирования струи в реальном варианте применения.

Изобретение описано выше со ссылками на несколько вариантов осуществления. Однако специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в равной степени возможны и другие варианты осуществления, отличающиеся от раскрытых выше, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Например, следует отметить, что принцип не ограничен использованием какой-либо конкретной текучей среды, даже несмотря на то, что настоящее описание главным образом основано на устройстве, действующем в воздухе, т.е. на устройстве, в котором генерируют колебания воздушных потоков. Кроме того, хотя полость в показанных примерах расположена спереди преобразователя, направление преобразователя не имеет существенного значения, и оно может быть изменено на противоположное. Кроме того, формы полости и каналов приведены просто в качестве примеров, и могут быть выполнены произвольно. Например, даже несмотря на то, что каналы в приведенных в качестве примеров вариантах осуществления изобретения являются по существу прямолинейными, трубки могут также быть по существу спиральными или иметь некоторые другие конфигурации, например, в виде лабиринта, где канал может быть более компактным, чем прямолинейная трубка, благодаря чему может быть обеспечено создание охлаждающего устройства, занимающего меньшее пространство. Описанные варианты осуществления могут быть также скомбинированы.

Охлаждающее устройство 1, использующее пульсирующую текучую среду для охлаждения объекта, содержащее: преобразователь 2, имеющий мембрану, выполненную с возможностью генерирования волн давления с рабочей частотой f_w, и полость 4, заключающую первую сторону мембраны. Полость 4 имеет по меньшей мере одно отверстие 5, выполненное с возможностью испускания пульсирующего потока текучей среды за вычетом потерь к указанному объекту, при этом отверстие 5 сообщается со второй стороной мембраны. Полость 4 является достаточно маленькой для предотвращения действия текучей среды в упомянутой полости 4 как пружины в резонирующей системе масса-пружина в рабочем диапазоне. Это является преимуществом, так как объемная скорость u₁ около отверстия но существу равна объемной скорости u₁' около второй стороны мембраны, за исключением знака минус. Таким образом, при рабочей частоте пульсирующая текучая среда за вычетом потерь может быть в значительной степени подавлена благодаря противофазе волн давления со второй стороны мембраны, вызывая в результате близкую к нулю объемную скорость в дальней области. Таким образом, обеспечивается низкий уровень звука при низкой стоимости и без необходимости обеспечения механической симметрии. 2 н.з.п., 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Охлаждающее устройство, использующее пульсирующую текучую среду для охлаждения объекта, содержащее преобразователь, имеющий мембрану, выполненную с возможностью генерирования волн давления с рабочей частотой (f_w); и полость, заключающую первую сторону мембраны и имеющую, по меньшей мере, одно отверстие, выполненное с возможностью испускания пульсирующего потока текучей среды за вычетом потерь к указанному объекту и сообщающееся со второй стороной мембраны, при этом полость является достаточно маленькой для предотвращения действия текучей среды в полости как пружины в резонирующей системе масса-пружина в рабочем диапазоне так, что объемная скорость (u₁) около отверстия по существу равна объемной скорости (u₁') около второй стороны мембраны.

2. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, одно отверстие соединено с полостью посредством канала, имеющего длину (L_p), меньшую λ/20, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая f=f_w.

3. Устройство по п.1, в котором частота (f_Н) Гельмгольца полости вместе с каналом больше рабочей частоты (f_w).

4. Устройство по п.1, в котором рабочая частота (f_w) меньше 1,2f₁, где f₁ - первый низкий резонансный пик кривой полного сопротивления.

5. Устройство по п.1, в котором рабочая частота (f_w) ниже 60 Гц.

6. Устройство по п.1, в котором полное электрическое сопротивление системы при f₁ приблизительно в два раза больше полного сопротивления преобразователя по постоянному току.

7. Устройство по п.1, в котором площадь мембраны (S₁) больше площади отверстия (S_p).

8. Устройство по п.1, в котором частота (f_Н) Гельмгольца полости вместе с каналом, по меньшей мере, в четыре раза больше рабочей частоты (f_w).

9. Устройство по п.1, в котором рабочая частота (f_w) по существу равна первому низкому резонансному пику кривой полного сопротивления.

10. Электронное устройство, содержащее электронную схему и охлаждающее устройство по п.1 для охлаждения указанной схемы.