Результат интеллектуальной деятельности: ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА

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.