JP5643651B2 - 低ノイズ冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象の冷却のための脈動流体を使用している冷却装置であって、動作周波数（ｆ_ｗ）において圧力波を生成するのに適応化されている膜を有するトランスデューサと、前記膜の第１の側を囲んでいるキャビティであって、前記対象に向かって脈動正味出力流体の流れを発するのに適応化されている少なくとも１つの開口を有するキャビティにおいて、前記開口は前記膜の第２の側と連通している、キャビティとを有する冷却装置に関する。

本発明は、更に、このような冷却装置を有する電子装置及び照明装置に関する。

冷却の必要性は、新しく開発された電子装置（例えば、従来の装置よりも小型の及び／又は高い出力である）から生じるより高い熱流束密度のために、様々な用途において増大している。このような改良された装置の例は、例えば、レーザ又は発光ダイオードのような、より高度な出力半導体光源、ＲＦ出力装置及び高性能マイクロプロセッサ、ハードディスク装置、ＣＤＲ、ＤＶＤ及びブルーレイドライブのような光学ドライバ、並びに大面積装置（例えばフラットテレビ及び照明器具）を含む。

ファンによる冷却に代わるものとして、文献 米国特許第２００６／０２３７１７１号は、ノズルとガスを含んでいる第１チャンバとを有する振動部材及びハウジングを有するジェット生成装置を開示している。前記ジェット生成装置は、前記振動部材の駆動の結果として前記ノズルを通して前記ガスを放出し、これによりヒートシンクの冷却を可能にしている。前記ハウジングは、更に、ノズルも有している第２チャンバを有していても良い。この場合において、空気が前記ノズルから排出されるとき、音は、前記第１チャンバに関連付けられている前記ノズルと前記第２チャンバに関連付けられている前記ノズルとから独立に生成される。前記ノズルにおいて生成される音波が、逆の位相を有するので、前記音波は互いに弱め合う。このことは、ノイズを更に低減させることを可能にする。前記１及び第２チャンバの体積が同じことであることが、望ましい。このことは、排出される空気の量を同一にし、この結果、ノイズが更に低減される。

しかしながら、例えば、米国特許第２００６／０２３７１７１号に開示されているような、既に提案されているシステムに関する不利な点は、これらが、満足なノイズ減少を達成するためにサブソニック周波数又は機械式対称性が必要としていることにある。このことは、しばしば、固有の機構が存在するので、用途の範囲を制限する。

上述を考慮して、本発明の目的は、上述の問題を解決する又は少なくとも低減することにある。特に、目的は、機械式対称性が実用的であると共に、低い費用を維持するシステムのための脈動冷却システムにおける音レベルを低減する仕方を提供することによって、これらの冷却装置のための用途の範囲を拡張することにある。

本発明の見地によれば、対象を冷却する脈動流体を使用している冷却装置であって、動作周波数（ｆ_ｗ）において圧力波を生成するように適応化されている膜を有するトランスデューサと、前記膜の第１の側を囲んでいるキャビティであって、前記対象に向かって脈動正味出力流体の流れを発するように適応化されている少なくとも１つの開口を有する前記キャビティにおいて、前記開口は前記膜の第２の側と連通している、キャビティとを有する冷却装置を提供することにある。前記キャビティは、前記キャビティ内の流体が、動作範囲における共振質量−ばね系におけるばねとして振る舞うのを防止するために、十分に小さい。このことは、前記膜の体積速度（ｕ_１）が前記開口における体積速度に本質的に等しいので、有利である。更に、前記開口における体積速度（ｕ_１）は、負の符号は別として、前記膜の前記第２の側における体積速度（ｕ_１´）に実質的に等しい。従って、前記動作周波数において、前記脈動正味出力流体は、結果としてゼロ遠方場体積速度（zero far-field volume velocity）に近いものをもたらす前記膜の前記第２の側における前記圧力波に関する逆位相のために、大部分において相殺されることができる。従って、低い音レベルが、機械式対称性を必要とすることなく、低い費用において達成される。

ここで、「トランスデューサ」とは、膜を駆動することによって入力信号を対応する圧力波出力に変換することができる装置である。この入力信号は、電気的なもの、磁気なもの、又は機械的なものであっても良い。例えば、適切な寸法を決められた電気力学的なスピーカが、トランスデューサとして使用されることもできる。前記動作周波数とは、前記トランスデューサに供給される信号の周波数をいう。更に、「膜」とは、ここで、柔軟な又は堅い膜、隔膜、ピストン等の如何なる種類も含んでいる。一例として、スピーカ膜が使用されることができる。

本発明による冷却装置は、多種多様な対象を冷却するのに使用されることができる。前記流体は、空気又は他の何らかのガス状の流体であっても良い。

本発明は、十分に小さい前記キャビティの体積を有することによって、この中の前記流体が、実質的に非圧縮性とみなされ、共振質量―ばね系のばねとして振る舞うのを防止されることができるという思想に基づいている。本発明によって防止されるこのような共振システムの例は、ヘルムホルツ共振器である。前記流体が実質的に非圧縮性であるので、前記開口及び前記トランスデューサの後方における体積速度は、（符号は別として）実質的に等しい。これにより、前記動作周波数において、前記脈動正味出力流体は、結果としてゼロ遠方場体積速度に近いものをもたらす前記膜の前記第２の側における前記圧力波に関する逆位相のために、大部分において相殺されることができる。従って、より低い音レベルが、機械式対称性を必要とすることなく、低い費用において達成される。

前記開口は、チャネルを介して前記キャビティに接続されることができ、前記チャネルが所望の場所及び所望の方向に向かって前記流体の流れを指向するように形成されることができるので、より多くの設計の自由を許容する。前記チャネルが伝送ラインとして振る舞うのを防止するために、前記チャネルは、好ましくは、λ／２０よりも短い長さ（Ｌ_ｐ）を有し、ここで、λは、ｆ＝ｆ_ｗに対応する流体における波長である。

何らかのチャネルと組み合わされた前記キャビティのヘルムホルツ周波数ｆ_Ｈは、好ましくは、動作周波数ｆ_ｗよりも長く、より好ましくは、ｆ_Ｈ＞４・ｆ_ｗである。

前記動作周波数は、好ましくは、前記開口を通る前記流体速度及び流体変位が、局所的な最大値を有するようなものであり、典型的には、このことは、当該装置の共振周波数、即ち前記装置（前記キャビティ、開口及び何らかのチャネルと組み合わされた前記トランスデューサ）の電気的な入力インピーダンスの局所的な最大値に対応する周波数の近くにおいて発生する。典型的には、最も低いこのような周波数が、選択される。動作周波数（ｆ_ｗ）は、好ましくは１．２・ｆ_１よりも小さく、ｆ_１は、インピーダンス曲線における第１の低い共振ピークであり、より好ましくはｆ_ｗ＝ｆ_１である。

動作周波数（ｆ_ｗ）は、好ましくは、６０Ｈｚよりも低く、更に好ましくは、３０Ｈｚよりも低い。

更に、ｆ_１における当該装置の電気的なインピーダンスは、前記トランスデューサの直流インピーダンスよりも、好ましくは、１．５―５倍大きく、最も好ましくは約２倍大きく設計される。駆動周波数インピーダンスと直流インピーダンスとの間のこの関係は、特に有利な結果をもたらすために見出された。

膜の面積（Ｓ_１）は、好ましくは、前記開口の面積Ｓ_ｐよりも大きく、即ちＳ_１／Ｓ_ｐ＞１であり、又はより好ましくはＳ_１／Ｓ_ｐ＞＞１である。このことは、結果として、両側における前記体積速度が等しいままであるのに対して、前記開口における速度は、渦の離脱（vortex shedding）を促進するように増大する。即ち、このことは、低いｆ_１への到達を可能にする一方で、ｆ_ｓは、小さいスピーカによくあることであるように、比較的高いものであることができる。この配置によって、前記ジェット形成の基準は、
Ｔ_{ｓｔｒｏｋｅ}＞ｒ_ｐ・Ｓ_ｐ／Ｓ_１、ここで、
Ｔ_{ｓｔｒｏｋｅ}は、前記トランスデューサのストローク、
ｒ_ｐは、前記開口の半径、
Ｓ_ｐは、前記開口の面積、及び
Ｓ_１は、前記膜の面積、
を読み込むので、ジェットは、少なめの変位にもかかわらず、生じることができる。

前記ジェットの長さは、前記開口の直径の約１０倍であるので、開口と冷却される対象との間の好ましい距離は、前記開口の直径の２〜１０倍である。

本発明による冷却装置は、更に、有利には、電子回路を含む電子装置内又は照明装置内に含まれていても良い。

他の目的、フィーチャ及び有利な点は、以下の詳細な開示、添付請求項及び添付図面から明らかになるであろう。

本発明の第１実施例による冷却装置を示している。 当該システムの電気的なインピーダンスを示している。 当該システムに関する音圧レベル（ＳＰＬ）を示している。 本発明の第２実施例による冷却装置を示している。 本発明の第３実施例による冷却装置を示している。 本発明の第４実施例による冷却装置を示している。

本発明の上述の及び更なる目的、特徴及び有利な点は、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例に関する以下の限定的ではない説明的な詳細な記載によって、より良好に理解されることができるであろう。前記添付図面において、同一の符号は、類似の要素に使用されている。

図１における冷却装置１は、動作周波数（ｆ_ｗ）において圧力波を生成するように適応化されている膜を有するトランスデューサ２を有している。トランスデューサ２は、ここでは、スピーカとして示されているが、スピーカに限定されるものではない。逆に、圧力波を生成することができる如何なるトランスデューサも、使用されることができる。キャビティ４は、トランスデューサ２の前に配されており、これにより前記トランスデューサの膜の第１の側を囲んでいる。キャビティ４内の流体は、ここでは、空気である。キャビティ４は、開口５を通して前記キャビティの外側の環境と連通している。更に、前記開口は、前記トランスデューサの後方（即ち前記膜の前記キャビティから外方の側）と連通している。開口５は、チャネル６を介してキャビティ４に接続されており、自身の延在部の全体にわたって均一な形状及び大きさを有しており、ここでは、円筒形のチューブ６の形態である。しかしながら、前記チャネルは、様々な形状におけるものであっても良い。例えば、前記チャネルは、長方形の断面を有しても良い。更に、前記断面は、前記チャネルの延在部に沿って、形状及び／又は大きさが変化していても良い。

チューブ６が伝送ラインとして振る舞うのを防止するために、前記チューブの長さ（Ｌ_ｐ）は、λ／２０よりも短く、ここで、λは、ｆ＝ｆ_ｗに対応する前記流体の波長である。更に、ヘルムホルツ共振を回避するために、キャビティ４及び関連するチューブ６の寸法は、チューブ６及びキャビティ４のヘルムホルツ周波数ｆ_Ｈが、トランスデューサ２の動作周波数ｆ_ｗの４倍を超えるように、選択される。端部の効果が無視される場合、非減衰ヘルムホルツ周波数は、

として表現されることができ、ここで、
Ｓ_ｐは、前記チューブの断面積であり、
Ｌ_ｐは、前記チューブの長さであり、
Ｖ_１は、前記キャビティの体積であり、
ｃ_０は、前記ガスの音速である。

当該装置は、典型的には、このインピーダンス曲線における第１の低い共振ピーク（ｆ_１）がトランスデューサの動作周波数（ｆ_ｗ）に一致するように、即ち

であるように設計され、ここで、
ｆ_ｓは、前記キャビティ及び前記チューブの体積を有さない前記スピーカの共振周波数であり、
ρ₀は、空気の密度であり、
Ｓ_１は、前記トランスデューサの膜の面積であり、
ｍ_１は、前記スピーカの移動質量であり、
Ｌ_ｐは、前記チューブの長さであり、
Ｓ_ｐは、前記チューブの断面積である。

例示的な実施例によれば、以下のパラメータが、使用される：
スピーカのデータ：
Ｒ_Ｅ＝５．６（直流抵抗）
Ｒ_Ｍ＝０．５６Ｎｓ／ｍ（スピーカサスペンションの機械的抵抗）
ＢＩ ５．５Ｎ／Ａ（モータ力因子）
Ｓ_１＝０．００１２６ｍ^２（スピーカの放射表面）
Ｄ_１＝０．０４ｍ（スピーカの有効直径）
ｆ_ｓ＝８４Ｈｚ（スピーカの自由共振周波数）
ｍ_１＝０．００４４ｋｇ（スピーカの移動質量）
他のデータ：
Ｖ_１＝５ｃｍ^３（キャビティ体積）
Ｌ_ｐ＝１５ｃｍ（チューブ長）
Ｓ_ｐ＝０．００００１９６４ｍ^２（内部のチューブ面積）
Ｄ_ｐ＝５ｍｍ（内部のチューブ直径）
ｒ_ｐ＝０．０００２１Ｎｓ／ｍ（チューブの機械的抵抗）

図２において、当該システムの電気的インピーダンスが、例示的な実施例のための周波数の関数として示されている。４０Ｈｚにおける最初のピークはｆ_１であり、２５０Ｈｚにおけるピークは、ヘルムホルツ周波数である。ｆ_１における電気的インピーダンスは、好ましくは、直流における音声コイルインピーダンスの電気的インピーダンスの２倍に等しい。

動作において、トランスデューサ２は、動作周波数ｆ_ｗにおいて膜に作用している。前記膜は、キャビティ４内に圧力波を生成し、この結果、開口５における脈動正味出力流体の流れを生じ、例えば、電気回路又は集積回路のような、対象を冷却するのに使用されることができる。他の例は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプのような出力装置の過熱点冷却、及びＬＥＤ照明器具又はフラットテレビ内のバックライトの広域冷却であり得る。

開口５における前記正味出力流体の流れの体積速度ｕ_１は、負の符号を別として、スピーカ２の後方における体積速度ｕ_１´に本質的に等しい。前記スピーカの後方とは、ここで、前記膜の前記キャビティから外方の側をいう。開口５は、前記スピーカの後方と連通している。従って、前記動作周波数において、脈動正味出力流体は、前記スピーカの後方における前記圧力波に関する逆位相により大部分において相殺され、この結果、ゼロ遠方場体積速度に近いものをもたらす。この結果は、低減された音レベルである。

音圧レベル（ＳＰＬ）及び当該システムのインピーダンスの例は、図３に示されている。実線は、全体のＳＰＬ（開口＋後方）であり、太い点線（後方ＳＰＬ）と細い点線（開口ＳＰＬである）との合計である。後方ＳＰＬ及び開口ＳＰＬは、少なくとも動作範囲において、実質的に同様の大きさであるが逆位相であるので、実質的に互いに相殺し合う。

本発明の他の実施例が、図４に示されている。５つの平らな壁は、一方の側尾を開いたままにしている長方形のキャビティ４を形成する。ここで、前記開口の側は、前記キャビティの開口５を形成している。トランスデューサは、図４に示されているように、前記壁のうちの１つに配されている膜８を駆動する。膜８は、代替的に、他の壁のいずれかに配されることもできる。更に、代替的な実施例において、前記長方形のキャビティの２つ以上の側部は、開いたままにされることができる。

他の実施例によれば、チャネル６は、開口５において、自身がキャビティ４におけるものよりも広く、この結果、図５に示されているような漏斗形のチャネルを与える。前記漏斗形のチャネルの断面積は、自身の延長部に沿って変化しても良いが、好ましくは、この断面積は、前記チャネルの如何なる点においても同じであり、この結果、前記開口は、１つの寸法において狭く、他の寸法において比較的広い。このことは、より広い面積の冷却を可能にすると共に、高い速度を維持し、従って、効率的な冷却を可能にする。

更に他の実施例によれば、前記キャビティは、複数の開口を有している。各開口は、図６に例示されているようなチューブ６を介して前記キャビティに接続されても良い。前記開口は、幾つかの対象を同時に冷却するために、本質的に同じ方向に又は異なる方向に、指向されていても良い。更に、前記開口は、実質的に同じ平面内に又は異なる平面内にあっても良い。

上述した実施例に関連する図は、単に例示的なものであると認識されている。従って、示されている部分は、現実の用途における部分を正確に反映していなくても良い。例えば、前記スピーカの膜の面積は、現実の用途におけるジェットの形成基準を満たすための前記図によって示されているものよりも、前記チューブの断面積と比較して大きくなければならないこともある。

本発明は、２、３の実施例に関して上述された。しかしながら、当業者であれば容易に認識できるように、上述で開示された実施例以外の実施例が、添付請求項によって規定されている本発明の範囲内で同様に可能である。例えば、この原理は、本明細書の記載が、主に、空気中において動作される装置、即ち共振空気流を生成する装置に基づいているものであるとはいえ、何らかの特定の流体に限られていないことに注意されたい。更に、示されている例におけるキャビティは、前記トランスデューサの前に配されているが、前記トランスデューサの方向は、あまり重要ではなく、反転されても良い。更に、前記キャビティ及びチャネルの前記形状は、単に例示的なものであり、任意の形状を取り得る。例えば、例示的な実施例のチャネルは本質的に直線状であるが、前記チューブは、実質的にコイル形であっても良く、迷路のような、幾つかの他の配置を有していても良く、直線状のチューブより更に小型であっても良く、省スペースの冷却装置が実現されることを可能にする。更に、上述された実施例は、組み合わせられても良い。

Claims (6)

1. 対象を冷却するために脈動流体を使用する冷却装置であって、
   動作周波数ｆ_ｗにおいて圧力波を生成する膜をもつトランスデューサと、
   前記膜の第１の側を囲むキャビティであって、前記キャビティは、前記対象に向かって脈動正味出力流体フローを発する少なくとも１つの開口をもつ、キャビティとを有し、
   前記少なくとも１つの開口は、チャネルを介して前記キャビティに接続されており、前記チャネルは、λをｆ＝ｆ _ｗ に対応する前記流体の波長として、λ／２０よりも短い長さＬ _ｐ を有しており、
   前記開口は、前記膜の第２の側とガス状流体連通しており、
   前記キャビティ及び前記チャネルの寸法は、前記キャビティ及び前記チャネルのヘルムホルツ周波数ｆ _Ｈ が前記トランスデューサの前記動作周波数ｆ _ｗ の４倍を超えるように選択される、冷却装置。
2. 前記ヘルムホルツ周波数ｆ _Ｈ は、
   

   

   として表され、ここで、
   Ｓ _ｐ は、前記開口の面積であり、
   Ｖ _１ は、前記キャビティの体積であり、
   ｃ _０ は、前記ガス状流体の音速である、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記動作周波数ｆ_ｗは、６０Ｈｚよりも低い、請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記膜の面積Ｓ_１は、前記開口の面積Ｓ_ｐよりも大きい、請求項１乃至３の何れか一項に記載の冷却装置。
5. 電子回路と、前記電子回路の冷却のための請求項１乃至４の何れか一項に記載の冷却装置とを有する、電子装置。
6. 過熱点を冷却する請求項１乃至４の何れか一項に記載の冷却装置を有する、照明装置。

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