(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の壁と第２の壁との間に少なくとも部分的に配置される平面本体に付着された圧電素子、及びベースプレートを備える空気を動かすためのデバイスであって、前記第１の壁、前記第２の壁及び前記ベースプレートが前記平面本体の自由でかつ可動な端部を取り囲む部分的に閉じた空洞を形成し、
前記平面本体が、前記第１の壁と前記第２の壁との間で、前記ベースプレートに平行に、前記自由でかつ可動な端部を振動させ、それによって、交流電流を前記圧電素子に印加することに応答して、空気流を発生させ、
前記ベースプレートはさらに、前記平面本体の前記自由でかつ可動な端部に近接して位置し、かつ前記部分的に閉じた空洞から前記デバイスの外への空気流を生じさせるように構成される開口を備える、空気を動かすためのデバイス。
【請求項２】
前記第１の壁および前記第２の壁は、前記自由でかつ可動な端部に近接した場所での前記第１の壁と前記第２の壁との間の分離距離が、前記自由でかつ可動な端部と前記圧電素子との間の中間的な場所での前記第１の壁と前記第２の壁との間の分離距離よりも大きくなる可変分離距離だけ互いに分離される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記空洞は、第１の方向での前記デバイスの外から前記空洞への空気の流入のための第１の開放エリアおよび前記第１の方向と異なる第２の方向での前記デバイスの外から前記空洞への空気の流入のための第２の開放エリアを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ベースプレートでの前記開口は、前記空洞の前記第１の開放エリアおよび前記第２の開放エリアよりも小さい面積を有する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
ヒートシンクおよび請求項１に記載の空気を動かすためのデバイスを備える冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に冷却技法を対象にする。
【背景技術】
【０００２】
この項は、本開示のより良い理解を容易にするのに役立つこともある態様を紹介する。それに応じて、この項の記述は、この観点から読むべきであり、従来技術にあるまたは従来技術にないものについての自認と理解すべきでない。
【０００３】
圧電デバイスは、良く知られている。典型的には、圧電デバイスは、圧力などの機械的応力がそれに印加されると電荷を蓄積する性質を有する固体材料の本体を備える。逆に、そのような圧電体は、それに印加される電流に応答して機械的運動を示す。圧電特性を示す材料のいくつかの例は、一部の結晶またはセラミックである。圧電デバイスの１つの実施態様は、ピエゾファン（ｐｉｅｚｏｆａｎ）である。ピエゾファンは典型的には圧電素子で作られており、それは、平面の典型的には薄い本体（ときにはブレード（ｂｌａｄｅ）またはカンチレバー（ｃｎａｔｉｌｅｖｅｒ）と呼ばれる）の一端に物理的に付着され、例えば接着され、本体のもう一方の端部は、自由でかつ可動である。交流電流が圧電素子に印加されると、圧電素子は振動運動を示し、平面本体の反対端が動くようにする。もし交流電流の周波数が平面本体の共振周波数に等しいならば、平面本体は、増幅された振動運動をその自由端に生じさせる。平面本体の自由端の振動は、従来の手動式ファンと同様の原理で空気流を生じさせる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示のいくつかの実施形態は、第１の壁と第２の壁との間に少なくとも部分的に配置される平面本体に付着された圧電素子を備える空気を動かすためのデバイスを特徴とし、平面本体は、交流電流を前記圧電素子に印加することに応答して、前記壁の間の可動端で振動して空気流を発生させるように構成され、デバイスはさらに、第１の壁、第２の壁およびベースプレート（ｂａｓｅ  ｐｌａｔｅ）が、平面本体の可動端を取り囲む部分的に閉じた空洞を形成するようなベースプレートを備え、前記ベースプレートはさらに、平面本体の前記可動端に近接して位置しかつ前記部分的に閉じた空洞からデバイスの外への空気流を可能にするように構成される開口を備える。
【０００５】
いくつかの具体的実施形態によると、前記第１の壁および前記第２の壁は、可動端に近接した場所での第１の壁と第２の壁との間の分離距離が、可動端と圧電素子との間の中間的な場所での第１の壁と第２の壁との間の分離距離よりも大きいような可変分離距離だけ互いに分離される。
【０００６】
いくつかの具体的実施形態によると、空洞は、第１の方向でのデバイスの外から空洞への空気の入口のための第１の開放エリアおよび第１の方向と異なる第２の方向でのデバイスの外から空洞への空気の入口のための第２の開放エリアを有する。
【０００７】
いくつかの具体的実施形態によると、ベースプレートでの開口は、空洞の第１の開放エリアおよび第２の開放エリアよりも小さい面積を有する。
【０００８】
本開示のいくつかの実施形態は、ヒートシンク（ｈｅａｔ  ｓｉｎｋ）および空気を動かすためのデバイスを備える冷却システムを特徴とし、前記デバイスは、第１の壁と第２の壁との間に少なくとも部分的に配置される平面本体に付着された圧電素子を備え、平面本体は、交流電流を前記圧電素子に印加することに応答して、前記壁の間の可動端で振動して空気流を発生させるように構成され、デバイスはさらに、第１の壁、第２の壁およびベースプレートが、平面本体の可動端を取り囲む部分的に閉じた空洞を形成するようなベースプレートを備え、前記ベースプレートはさらに、平面本体の前記可動端に近接して位置しかつ前記部分的に閉じた空洞からデバイスの外への前記空気流の伝導を可能にするように構成される開口を備える。
【０００９】
本開示のより完全な理解のために、添付の図面と併用される次の説明への言及が、今から行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ブレードのいくつかの振動位置でのピエゾファンの例示的部分斜視図である。
【図２】実施形態によるデバイスの例示的概略上面図である。
【図３】図２のデバイスの例示的概略部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
電子デバイスの生産における傾向は、ますます多くなるデータ量を処理するデバイスを実現しながら、それらデバイスのサイズを低減することに向かっている。より多くのデータ量を処理することは典型的には、より高いレベルの発熱を伴い、それは、より強力で、より効率的な冷却機構を必要とすることになる。
【００１２】
電子部品内の熱負荷を放散させるための１つの典型的なオプションは、自然対流および放射熱伝達を組み合わせる受動的ヒートシンクの使用である。部品熱負荷が増加するにつれて、これらのヒートシンクのサイズ、即ち重量は、典型的には部品温度をそれらのしきい値（即ち、特定のデバイスが正常に動作する温度の最高値）より下に保つために増加させる必要があることになる。しかしながら、ヒートシンクのサイズを増加させることは、デバイスの全体的なサイズおよび重量の増加を引き起こすことになり、それは一般的には、現代のデバイスにとって望ましくない。したがって、受動的冷却システムは、現代の電子デバイスでの使用のためのそれらの適合性に関して物理的限界を伴う。
【００１３】
能動的冷却システム、例えば回転ファンの使用は、受動的冷却システムと比較して、一般的には電子部品からより多くの熱量を除去することができる別の既知の解決策を構成する。しかしながら、そのような能動的冷却システムは、一般的には比較的短い寿命（典型的には約５〜７年）を有し、したがって低い信頼性に悩まされる。
【００１４】
上で述べられたように、将来の電子工学製品は、より小さい製品体積と相まってより高い性能および機能性を必要とすることもある。
【００１５】
本開示の実施形態は、能動的冷却を提供するための、本明細書ではまたピエゾファンとも呼ばれる、空気を動かすためのデバイスを特徴とする。
【００１６】
受動的ヒートシンクと一緒にピエゾファンを使用することを対象にするいくつかの解決策は、既知である。そのような既知のデバイスは、典型的にはブレードの自由端が位置する側と反対側のデバイスの後側からデバイス中へ空気を吸い込むか、またはそれらは、ブレードの自由端の上方の領域から空気を吸い込むかのいずれかである。いくつかの既知のデバイスは、これらの２つの構成の組合せを使用する。これらの構成のいずれによっても、空気は、ブレードの自由端に近接したその前側から、ブレードの振動面（以下でさらに規定される）に対して平行方向にデバイスから出る。そのような既知のデバイスは、本明細書では貫流（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｆｌｏｗ）デバイスと呼ばれる。
【００１７】
しかしながら、時として、デバイスの前端部と異なる領域からデバイスの外へ空気の流れを向けることが必要となることもある。そのような場合の一例は、複数の熱負荷が垂直配置で取り付けられる（すなわち、１つの負荷が別の負荷の上方に垂直に取り付けられる）ときである。そのような状況では、しばしば下側熱負荷によって発生する熱は、上側熱負荷まで上向きに移動し、それによって上側熱負荷を取り囲む領域の温度を上昇させることもある。もし従来の貫流ピエゾファンが、下側熱負荷から熱を除去するための空気流を発生させるために使用されるならば、貫流ピエゾファンの動作は、下側熱負荷から上側熱負荷へのより強い熱伝達をさえ引き起こし、上側熱負荷への追加の加熱を引き起こすことになる、または少なくとも上側熱負荷の効率的な冷却を損なうことになる。この状況は、明らかに望ましくない。
【００１８】
本開示の実施形態は、ブレードの振動面からある角度をなす方向でデバイスの外へ空気の流れを発生させるように構成される空気を動かすためのデバイスを特徴とする。空気の流れのそのような方向は、本明細書では迂回流（ｄｉｖｅｒｔｅｄ−ｆｌｏｗ）方向と呼ばれ、迂回流方向で動作するように構成されるデバイスは、本明細書では迂回流デバイスと呼ばれる。
【００１９】
図１は、デバイスのブレードが３つの振動位置で示される状態のピエゾファンの例示的部分斜視図である。図１は、ピエゾファンの関連する部分だけが議論の簡潔さのために示されている簡略化した図であり、実際のピエゾファンは、図で示されない他の要素および部分を有してもよいことに留意すべきである。
【００２０】
図１のピエゾファン１は、ブレード１２の一端に物理的に付着される圧電素子１１を備える。ブレードのもう一方の（即ち、圧電素子に付着される端部と反対側の）端部は、自由でかつ可動である。上ですでに述べられたように、交流電流を圧電素子１１に印加することによって、ブレード１２は振動運動を経験し、それに起因して平面本体の反対側の端部は、前後（振動）運動を示す。図１では、ブレード１２は３つの位置で示され、１つの位置１２−ｉは、その初期または静止位置とまた考えられてもよいブレード１２の中心位置であってもよく、別の位置１２−ａは、ブレードが片方の側まで完全にたわんだときのブレードの位置と考えられてもよく、なお別の位置１２−ｂは、ブレードが振動するときにブレードが別の側まで完全にたわんだときのブレードの位置と考えられてもよい。
【００２１】
ブレードの本体上の任意に選択される点Ａを考えると、ブレードが振動するとき、点Ａは、例えば位置１２−ａから１２−ｉへ、次いで１２−ｂへの曲線運動を経験することが図１から分かる。この曲線運動は、図１で参照記号Ｃによって表される。曲線Ｃは、平面Ｐを規定すると考えられてもよい。当業者には明らかなように、他の点がブレード１２上に選択されてもよく、そのような点の運動は、点Ａに関して規定された平面Ｐと異なってもよいそれぞれの平面を規定してもよい。しかしながら、当業者なら気付くことになるように、すべてのそのような規定された平面は、互いに平行であることになる。したがって、本明細書では用語ブレードの振動面は、ブレードが振動するときにブレード上の点の運動によって規定される平面を指すと理解されてもよい。当業者には明らかなように、ブレードは無数の点を備えるので、無数のそのような平面があってもよいが、しかしながら、すべてのそのような平面は、互いに平行であり、各平面は、ブレード上の点の振動の結果であるので、そのような平面のそれぞれは、ブレードの振動面と呼ばれてもよい。
【００２２】
図２および図３を今から同時に参照すると、いくつかの実施形態による空気を動かすためのデバイスの例示的概略上面図および部分斜視図がそれぞれ提供される。
【００２３】
ここで再び、図２および図３は、デバイスの関連部分だけが議論の簡潔さのために示されている簡略化した図であり、実際のデバイスは、図で示されない他の要素および部分を有してもよい。
【００２４】
空気を動かすためのデバイス１は、ブレード１２の第１の端部１２１に物理的に付着される圧電素子１１を備える。圧電素子およびブレードは、図３では示されない。ブレードの第２の（即ち、第１の端部と反対側の）端部１２２は、自由でかつ可動である。ブレードは、平面の好ましくは薄い本体であってもよい。上ですでに述べられたように、交流電流を圧電素子１１に印加することによって、ブレード１２は振動運動を経験し、それに起因してブレードの自由端１２２は振動運動を示す。振動運動は、図２で両矢印ＯＳによって表される。
【００２５】
デバイス１は、参照番号１３によって全体的に表される筺体内に収容されてもよい。筺体１３は、任意の都合の良い形状およびサイズを有してもよい。ブレード１２がそれに付着された状態の圧電素子１１は、支持機構１４（図３では示されない）上に取り付けられてもよく、それは、筺体１３内で任意の便利な構造を有してもよい。
【００２６】
デバイスは、さらにベースプレート１７を備える。ベースプレート１７は、筺体１３の不可欠な部分であってもよく、またはそれは、筺体１３に付着された本体であってもよい。ベースプレート１７は、開口１８を備える。
【００２７】
デバイス１はさらに、第１の壁１５および第２の壁１６を備える。図２で示されるように、ブレード１２は、第１の壁１５と第２の壁１６との間に位置する。ブレード１２の本体は、好ましくは完全に第１の壁と第２の壁との間に位置してもよい（しかしながら、これは、必須ではなく、デバイスがなお、空気の所望の動きを発生させることができる限り、ブレード１２は、側壁１５および１６によって規定される境界をある程度超えてもよい）。
【００２８】
このように、ブレード１２は、第１の壁１５と第２の壁１６との間で振動するように作られてもよい。
【００２９】
第１の壁１５および第２の壁１６は、少なくともそれらのそれぞれの本体に沿ったある場所で、可変分離距離だけ互いに分離して位置してもよい。図２では、第１の壁１５と第２の壁１６との間の第１の分離距離Ｄ１は、圧電素子１１に近接した場所で示され、第２の分離距離Ｄ２は、可動端１２２と圧電素子１１との間の中間的な場所で示され、第３の分離距離Ｄ３は、可動端１２２に近接した場所で示される。
【００３０】
いくつかの実施形態では、可動端１２２に近接した場所での第３の分離距離（例えば、Ｄ３）は、可動端１２２と圧電素子１１との間の中間的な場所での第２の分離距離（例えば、Ｄ２）よりも大きい。同様に、第２の分離距離Ｄ２は、圧電素子１１に近接した場所での第１の分離距離（例えば、Ｄ１）よりも大きくてもよい。
【００３１】
動作時には、圧電素子１１に印加される交流電流に応答して、圧電素子は振動する。振動は、ブレードの可動端１２２で振幅が最大になることもある。上ですでに述べられたように、可動端１２２の近くでのブレード１２の振動は、空気流を発生させることができる。
【００３２】
しかしながら、空気がデバイスの前端部（前端部は、ブレードの可動端により近い端部である）から外へ振動面に平行な方向に流れる、既知のデバイスに反して、この場合、空気は、デバイスの開口１８から外へ流れるようにされ、それによって振動面に対してある角度を有する方向でデバイス１から出る（迂回流）。
【００３３】
ブレード１２の振動面に対して空気の流れの上記の迂回した方向は、デバイスの具体的構造に起因して得られることもある。実際、第１の壁１５および第２の壁１６ならびにベースプレート１７は、部分的に閉じた空洞１９を形成する。さらに、空洞１９は開放エリアを有し、それから空気が、デバイスの外側から空洞１９中に吸い込まれてもよい。これらの開放エリアは、したがって第１の壁１５、第２の壁１６、およびベースプレート１７によって囲まれない空洞１９のエリアである（また開口１８も排除する）。図３の例では、第１の開放エリア１９１は、ブレード（図２）を振動させるために作られる領域の上方のエリアとして示され、第２の開放エリア１９２は、デバイス１の前部のエリアとして示される（前部は、ブレード１２の可動端に近接したデバイス１の端部である）。
【００３４】
動作時には、ブレード１２の振動は、ブレード１２の可動端１２２の各半分の振動で渦２１、２２を発生させる。これらの渦２１、２２は、高い速度で動き、高い速度で回転する空気のパケット（ｐａｃｋｅｔ）を有する。ブレード１２を取り囲む空洞１９の構造は、渦２１、２２を開口１８中へ向けて集束させるのに寄与し、それによって渦を高速度空気のジェット（ｊｅｔ）中に送り込む。
【００３５】
当業者には知られているように、渦の発生は、圧力の低減を引き起こし、それは、渦が遠ざかるとき、渦があった領域中により多くの空気が吸い込まれる原因となる。本開示によると、空気は、開口１９１もしくは１９２または両方を通って空洞中に吸い込まれる。
【００３６】
図３の例では、デバイスの外側から空洞への空気の流入の第１の方向は、矢印Ｅ１によって示され、前記流入は、第１の開放エリア１９１を通っており、同様に、デバイスの外側から空洞への空気の流入の第２の方向は、矢印Ｅ２によって示され、前記流入は、第２の開放エリア１９２を通っている。さらに、空洞１９（それ故にデバイス１）からの空気の流出の方向は、矢印Ｏによって示される。図３で示される例で、Ｐは、ブレード１２の振動面であると仮定すると、デバイス１から外への空気の流れの方向、矢印Ｏは、平面Ｐに平行でなく、むしろそれは、前記平面Ｐに関してある角度を有することが、明確に観察できる。図３の例では、平面Ｐは、水平位置にあると示され、一方矢印Ｏは、垂直方向で下方を指している。しかしながらこれは例示的なだけであり、平面Ｐに平行でない空気の流出の他の方向が想定されてもよい。
【００３７】
第１の壁１５および第２の壁１６の形状はまた、空気を空洞１９中に吸い込み、空洞内部の空気が前記空洞１９から外へ流れることを強制する動作に寄与することもできることに留意すべきである。例えば、図２を参照すると、第３の分離距離Ｄ３が、第２の分離距離Ｄ２よりも大きいとき、分離距離のそのような差は、可動端１２２の振動のすぐ近くで流入空気を「捕捉し」、したがって入口開放エリア（１９１および１９２）と出口開口１８との間で増加した圧力差を生じさせることに寄与する。さらに、中間的な場所での、すなわち可動端と圧電素子との間でのより狭い分離、例えば分離距離Ｄ２はまた、流入空気がデバイスの後側（圧電素子１１が位置する側）の方へ流れないようにするという効果に寄与することもできる。
【００３８】
好ましくは、ベースプレート１７での開口１８は、空洞１９の第１の開放エリア１９１および第２の開放エリア１９２のどちらよりも小さい面積を有する。これは、第１の開放エリアおよび第２の開放エリアから空洞中への外部空気の流れを確実にするのに有用なこともあり、それは、開口１８を通って空洞１９中への外部空気の不要な流入を実質的に回避することができる可能性が高い。開口１８のより小さい出口面積はまた、開放エリア１９１および１９２から入った空洞１９を通る空気流の加速を提供することもでき、それによって開口１８での高速度ジェットをもたらす。さらに、より狭い開口は、空気移動デバイスの圧力上昇能力に寄与することができ、それは、空気に高抵抗フィン付き／ヒートシンク構造体を通ることを強制するのに有益なこともある。
【００３９】
本明細書で提案されるような空気を動かすためのデバイスは、ヒートシンクを備える冷却システムに組み込まれてもよい。加えて、そのような冷却システムは、受動的または能動的熱除去機構をすでにその中に設置されていてもよく、加えて本明細書で提案されるような空気を動かすためのデバイスを組み込んでもよい。
【００４０】
本明細書で提案される解決策は、隣接熱負荷からの熱伝達速度の著しい増加を可能にし、一方同時に必要とする熱伝達表面積がより小さくてもよく、それによって所与の熱負荷を除去するためのヒートシンク体積および重量要件を低減するので、既知の解決策よりも優れた重要な利点を有する。さらに、そのことは、従来のファンと比較してより高い信頼性を可能にする。これは、本明細書で提案されるようなデバイスは可動部分を有するが、滑り接触がないまたは無視できるほどに小さく、したがって摩擦に起因する摩耗が無視できるほどであるまたは非常に少ないからである。加えて、提案されるデバイスは、潤滑を必要としない。従来のモータ（例えば、ファン）は、潤滑を必要とし、潤滑が乾いてなくなると、モータは故障する傾向がある。この問題は、本発明によって提案されるデバイスでは回避される。またデバイス内で蓄積される熱も非常に少なく、昇温は故障メカニズムを加速する傾向があるが、それは、ここで提案されるデバイスの場合には回避されるまたは最小化されることになる。提案される機構はまた、従来の機構と比較してほこり蓄積の影響もより受けにくい。さらに、ピエゾファンは、製造するための費用効率がより高く、消費する電力が著しく少ない（約２５ｍＷ）。
【００４１】
提案されるデバイスの別の重要な利点は、それが、すでに市場で入手可能であるまたは稼働のために設置されている製品の既存の機能に追加されてもよいということである。実際、本明細書で開示されるようなデバイスは、従来の受動的ヒートシンクの既存の部品に容易に追加導入されてもよい。例えば垂直に設置された受動的ヒートシンクでは、本明細書で開示されるような複数の空気移動デバイスは、各デバイスから出て来る空気のジェットが流れに対抗する浮力を防止し、よって周囲への熱伝達の増加をもたらすために、ある角度でヒートシンク外面に衝突するように向けられて取り付けられてもよい。そのような性能の改善は、製品の体積の増加なしに容易に得ることができる。
【００４２】
本明細書で提案されるような空気を動かすためのデバイスの別の利点は、それが、例えば内部の天井に対して水平の向きに製品を取り付けることを可能にするということである。水平取付けは、既知の解決策では、重大な熱的問題を引き起こすこともある。既存の自然対流ヒートシンクは、一般的には実質的に水平に取り付けられるとき、十分に機能することができない（自然対流ヒートシンクは、一般的にはそれらが十分に働くためには垂直に取り付けられる必要がある）。本明細書で提案されるデバイスを既存の製品にほとんど変更を必要とせずに追加導入することは、したがって水平ヒートシンクを通る空気流の増加をもたらし、熱的問題を軽減する。この文脈では、垂直方向は、重力ベクトルに平行な方向を指すと理解すべきであり、水平方向は、垂直方向に対して直角である。
【００４３】
この出願に係る技術分野における当業者は、他のさらなる追加、削除、置換および変更が、述べられた実施形態に行われてもよいことを認識するであろう。
【００４４】
特許請求の範囲で列挙されるような構造のリストは、包括的でなく、当業者は、均等な構造が本開示の範囲から逸脱することなく列挙される構造の代わりに用いられてもよいと理解することに留意すべきである。
【００４５】
さらに、本開示の様々な実施形態は、そのような組合せが、互換性がありかつ／または相補的である限り、組み合わされてもよい。
【図１】
0006420257.tif 000002
【図２】
0006420257.tif 000003
【図３】
0006420257.tif 000004