(57)【要約】  動作周波数において圧力波を生成するのに適している膜を持っている少なくとも１つのトランスデューサ１を有する冷却装置であって、第１のキャビティ及び第２のキャビティ３、４であって、前記トランスデューサが前記第１のキャビティと前記第２のキャビティとの間に配されており、この結果、前記膜が前記キャビティ間の流体密封を形成している、前記第１のキャビティ及び前記第２のキャビティを有しており、各キャビティは脈動している正味出力の流体の流れを発するのに適している少なくとも１つの開口７、８を有しており、前記キャビティ及び開口は、前記動作周波数において、前記キャビティの第１のものの前記開口によって発される第１の調波流体の流れが前記キャビティの第２のものの前記開口によって発される第２の調波流体の流れと反位相であるように、形成されており、この結果、前記開口からの調波流体の流れの和が本質的に零であることを特徴とする冷却装置である。この設計によれば、前記動作周波数における音声再生は、前記放出口の逆位相のために大部分相殺され、この結果、ゼロ各キャビティ遠方界ボリューム速度を生じる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作周波数において圧力波を生成するのに適している膜を持っている少なくとも１つのトランスデューサを有する冷却装置であって、
第１のキャビティ及び第２のキャビティであって、前記トランスデューサが前記第１のキャビティと前記第２キャビティとの間に配されており、この結果、前記膜が前記キャビティ間の流体密封を形成している、前記第１のキャビティ及び前記第２のキャビティを有しており、
各キャビティは、脈動している正味出力の流体の流れを発する少なくとも１つの開口を有しており、
前記キャビティ及び開口は、前記動作周波数において、前記キャビティの第１のものの前記開口によって発される第１の調波流体の流れが前記キャビティの第２のものの前記開口によって発される第２の調波流体の流れと反位相であるように、形成されており、この結果、前記開口からの調波流体の流れの和が本質的に零である、
ことを特徴とする、冷却装置。
【請求項２】
各キャビティが２つ以上の開口を有している、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
２つのトランスデューサが、前記キャビティ間の対向する位置に配されている、請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
λを前記動作周波数に対応する前記流体内の波長として、如何なる２つの開口間の距離ｄも、０．２λ未満である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記動作周波数は、前記第１の調波流体の流れ及び前記第２の調波流体の流れの速度が前記動作周波数において極大を有するように、選択されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記キャビティは、本質的に等しいボリュームを有している、請求項１乃至５の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記開口は本質的に等しい断面積を有している、請求項１乃至６の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記開口は、チャネルを介して、それぞれのキャビティに接続されている、請求項１乃至７の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記チャネルは本質的に等しい長さを有している、請求項８に記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記チャネルは本質的に等しい断面を有している、請求項８に記載の冷却装置。
【請求項１１】
前記第１のキャビティの少なくとも１つの開口を接続しているチャネルが、前記第２のキャビティを通って延在しており、この結果、前記少なくとも１つの開口は、前記装置の、前記第２のキャビティの前記開口と同じ側に位置されている、請求項８乃至１０の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項１２】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して実現されている、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項１３】
前記トランスデューサが、シリコン基板をエッチングすることによって形成されている、請求項１２に記載の冷却装置。
【請求項１４】
前記装置の前記開口は、改良された冷却を達成するために協働するように配されている、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の冷却装置を２つ有する冷却装置。
【請求項１５】
λを前記動作周波数に対応する前記流体内における波長として、前記第１の装置の前記開口と前記第２の装置の前記開口との間の平均距離は、０．２のλ未満である、請求項１４に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈動冷却システム（pulsating cooling system）、即ち冷却されるべき対象に向かって指向されることができる脈動流体ストリーム（pulsating fluid stream）を生成する振動をトランスデューサが誘発する冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高い流体速度を得るために、当該システムを、当該システムの共振周波数又は少なくともこれに近い周波数において駆動するのが有利であり得る。冷却の必要性は、例えば、従来の装置よりも小型の及び／又は高い出力の新しく開発された電子装置から生じているより高い熱流束密度により、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、高出力半導体光源（例えば、レーザ又は発光ダイオード）、ＲＦ電源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、光学ドライブ（例えば、ＣＤＲ、ＤＶＤ及びブルーレイドライブ）、及び広域装置（例えば、フラットテレビ及び照明器具）を含む。
【０００３】
ファンによる冷却に代わるものとして、文献 国際特許出願公開第２００５／００８３４８号パンフレットは、冷却目的のための合成ジェットアクチュエータ及び管を開示している。前記管は共振キャビティに接続されており、脈動ジェットストリームが前記管の末端において生成され、対象を冷却するのに使用されることができる。前記キャビティ及び前記管は、ヘルムホルツ共振器を形成しており、即ち前記キャビティ内の空気がばねとして振る舞う一方で、前記管内の空気は質量として振る舞う、二次システムを形成している。
【０００４】
他の例は、N. Beratlisらの"Optimization of synthetic jet cooling for microelectronics applications"（第１９回  ＳＥＭＩＴＨＥＲＭ サンホセ、２００３年）によって与えられている。この文献には、同じオリフィスによって各々連通している２枚の隔膜を持つ合成ジェットが、開示されている。
【０００５】
この種類の脈動流体ストリーム（典型的には気流）は、従来の冷却システム（例えば冷却ファン）において典型的に使用されているような層流よりも、冷却に関して効率的であることが分かっている。この共振冷却システムは、更に、必要とする空間が少なく、生成する雑音も小さい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、例えば、国際特許出願公開第２００５／００８３４８号パンフレットにおいて開示されているような、これまでに提案されているシステムにおいて、振動気流の周波数に関連する特定のレベルの音声再生が、残存している。
【０００７】
本発明の目的は、脈動冷却システムにおける雑音のレベルを更に低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、この目的及び他の目的は、２つのキャビティと、膜が前記キャビティ間の流体密封を形成するように、前記２つのキャビティ間に配されているトランスデューサとを有している冷却装置であって、各キャビティは脈動している正味出力の流体の流れを発する少なくとも１つの開口を有している、冷却装置において、動作周波数において前記キャビティの第１のものの前記開口によって発される第１の調波流体の流れ（harmonic fluid flow）が前記キャビティの第２のものの前記開口によって発される第２の調波流体の流れと反位相であるように、前記キャビティ及び開口が形成されており、この結果、前記開口からの調波流体の流れの和が本質的に零である、冷却装置によって達成される。
【０００９】
２つのキャビティ間に配されている前記トランスデューサは、双極子、即ち反位相における２つの音源として振る舞う。本発明は、これらの２つの源からの音の調波部分が相殺するという着想に基づくものである。非調波部分は、冷却効果を支配している部分を表しており、コヒーレントに加わらず、従って、相殺しない。
【００１０】
この設計によれば、改良された冷却効果が、振動気流によって達成されると同時に、前記動作周波数における音声再生が、ゼロ遠方界ボリューム速度（zero far-field volume velocity）の近くにおいて生じる放出口の逆位相のために大部分相殺される。従って、本発明による前記冷却システムは、従来技術の「合成ジェット」冷却装置よりも著しく小さい音声再生を有する。
【００１１】
本発明による冷却装置は、空気だけでなく、様々な液体又はガス状の流体の指向された流出によって、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。しかしながら、当該装置は、電子回路のような対象を空冷するのに特に便利である。
【００１２】
各キャビティは、１つの開口をのみ有していても良く、又は２つ以上の開口を有していても良い。しかしながら、全ての開口からの調波の寄与の和が本質的に零であることが重要である。
【００１３】
２つ以上のトランスデューサが、前記キャビティ間に配されることもできる。例えば、２つの、対向して、位置されていると共に、逆の位相において動作しているトランスデューサは、大きい気流を生じる。「対向して位置される」ことによって、１つのトランスデューサからの圧力波が１つのキャビティに指向される一方で、他のトランスデューサの圧力波が前記他のキャビティに指向されるという状況が意図されている。
【００１４】
「トランスデューサ」とは、ここでは、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。前記入力信号は、電気的なもの、磁気的なもの又は機械的なものであっても良い。好適なトランスデューサの例は、様々な種類の膜、ピストン、圧電構造体等を含む。特に、最適に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。
【００１５】
前記開口間の距離は、動作周波数における波長と比較して短くなければならない。互いからの距離ｄにおいて強さＡを有する２つの源（例えば２つの開口）に関して、これらの源からの距離ｒにおける圧力ｐは、
【数１】
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であり、ここで、ｋは波数（ω／ｃ）であり、θは観測角度である。この圧力を小さく保つために、好適な実施例によれば、距離ｄは、０.２λ未満であり、より好ましくは０.１λ未満である。
【００１６】
前記動作周波数に対する絶対的な要件は、ない。しかしながら、前記動作周波数は、好ましくは、前記開口を通る空気の速度と空気の変位とが極大を有するように、選択され、
典型的には、この極大は、当該装置の共振周波数の近傍において生じ、即ち当該装置（前記キャビティ及び開口との組み合わせにおけるトランスデューサ）の電気入力インピーダンスの極大に対応する周波数において生じる。典型的には最も低いこのような周波数が、選択される。
【００１７】
代替的には、前記動作周波数は、前記トランスデューサの円錐変位（cone excursion）がこの動作周波数で極小を有するように、選択されることができる。典型的には、この極小は、前記装置の反共振周波数、即ち前記装置の電気入力インピーダンスの極小に対応する周波数において発生する。
【００１８】
空気の速度が本質的に等しい大きさであり、かつ、逆位相であることを保証する１つの仕方は、全ての気流に対して等しい状況を提供することである。例えば、前記キャビティは、等しいボリュームを有するように形成されることができ、前記開口は、等しい断面域を有するように形成されることができる。しかしながら、このことは、要件ではなく、気流の相殺は、異なる大きさのキャビティ及び／又は開口によっても達成されることができる。
【００１９】
一実施例によれば、前記開口は、チャネル（又はパイプ）を介して、それぞれのキャビティに接続されている。このことは、前記チャネルが、幾つかの気流を前記同じ場所に向けて、所望の方向によって指向するように形成されることができるので、設計の更なる自由を可能にする。上述と同じ理由のために、前記チャネルは、等しい長さ及び断面積を有するように形成されることができる。
【００２０】
一実施例によれば、このようなチャネルは、管状共振器として更に振る舞うために、十分に長い。代替的な実施例によれば、前記チャネルの長さは、この代わりに、前記キャビティが従来のヘルムホルツ共振器として振る舞うことを可能にするように十分に短い。
【００２１】
第１の前記キャビティの少なくとも１つの開口を接続しているチャネルは、第２の前記キャビティを通って延在することができ、この結果、この開口は、前記装置の、前記第２のキャビティの開口と同じ側に位置される。前記キャビティが本質的に平面の延長部を有しており、互いに重なって（即ち互いに重なっている２枚の円板のように）配されている場合、このような設計は、全ての前記開口を当該装置の上部又は底部側に位置させることを可能にする。
【００２２】
本発明による２つ以上の装置が、複数の２つの開口を備える冷却装置を形成するために、組み合わされることもできる。この場合、第１の装置の開口と第２の装置の開口との間の平均距離は、各装置の前記２つの開口間の距離と同じ前記要件の影響を受け、従って、好ましくは０．２λ未満であるべきであり、より好ましくは０．１λ未満であるべきである。
【００２３】
この設計によれば、４つ（以上）の放出口が、前記動作周波数における波長に関連して、互いに近接して配される。このことは、前記冷却装置の動作中における雑音の更なる低減を生じる。このことは、２つの（ミラーリングされているが、同一の）トランスデューサの存在のため、部分的には幾何学的配置のより完全な対称性によるものであり、部分的には、２つの同一のスピーカによって生成される非直線歪のより良好な補償によるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施例による冷却システムを示している。
【図２ａ】電気入力インピーダンスの周波数応答の例を示している。
【図２ｂ】空気の速度の周波数応答の例を示している。
【図２ｃ】空気の変位の周波数応答の例を示している。
【図２ｄ】円錐変位の周波数応答の例を示している。
【図３】本発明の第２実施例による冷却システムを示している。
【図４】本発明の第３実施例による冷却システムを示している。
【図５】本発明の第３実施例の変形による冷却システムを示している。
【図６】本発明の第３実施例の他の変形による冷却システムを示している。
【図７】本発明の第４実施例による冷却システムを示している。
【図８】本発明の第５実施例による冷却システムを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のこのこと及び他の見地は、本発明の現在好適な実施例を示している添付図面を参照して、以下で、更に詳細に記載される。
【００２６】
図１における冷却システムは、エンクロージャ２内に配されているトランスデューサ１を有している。トランスデューサ１は、前記エンクロージャを、ボリュームＶ１及びＶ２をそれぞれ有する２つのキャビティ３、４に分割するように配されている。各キャビティは、それぞれ、２本の通路、ここでは長さＬｐ１及びＬｐ２並びに断面域Ｓｐ１及びＳｐ２をそれぞれ有しているパイプ５、６を介して周囲雰囲気に接続されている。パイプ５、６は、互いからの距離ｄに位置されている放出口７及び８を有する。これらの開口は丸い形状を有して示されているが、本発明はこの形状に限定されるものではない。逆に、前記開口は、如何なる形状も有し得て、所望の態様において気流に影響を与えるように先細りにされても良い。
【００２７】
ボリュームＶ１及びＶ２とパイプ５、６の形状とは、使用中、前記トランスデューサが、圧力波双極子として振る舞い、実質的に等しく逆位相である前記放出口を介して前記キャビティ内に存在する流体の脈動の流れを生じるように、選択される。従って、前記トランスデューサを動作周波数において駆動する場合、２つの流体の流れが互いに反作用し、これにより前記双極子から漏出している如何なる圧力波（即ち妨害音）も抑制する。
【００２８】
この原理は、何らかの特定の流体に限定されるものではないが、本明細書の記載は、空気中で動作する装置、即ち振動気流を生成する装置に基づいて記載されることに留意されたい。
【００２９】
示されている例によれば、このことは、Ｖ１及びＶ２、Ｌｐ１及びＬｐ２並びにＳｐ１及びＳｐ２がそれぞれ同じ値を有するようにすることによって保証される。
【００３０】
λを前記動作周波数に対応する空気中の波長として、距離ｄを前記波長と比較して短く（例えば０．１λ未満に）保つことにより、前記双極子から放射される空気圧は非常に小さいものに保持される。
【００３１】
（図１からの）ボリュームＶ１及びＶ２とパイプ５、６の形状とは、各放出口７、８を介した空気の速度ｖ１及びｖ２が、一致している極大を有しており、逆位相である特定の周波数が存在するように、選択されることができる。次いで、最大の空気の速度及びこれによる冷却効果を保証するために、動作周波数が、この周波数と一致するように選択されることができる。しばしば、これらの極大値は、周波数スケールにおける最も左側の電気入力インピーダンスのピークと一致する。これは、当該装置の共振周波数に対応している。
【００３２】
例示している実施例によれば、装置は、前記以下の特性を有することができる：
移動質量                ＝  ０．５７ｇ
共振周波数              ＝  ３７０Ｈｚ
Ｂｌファクタ            ＝   ２．５７Ｎ／Ａ
有効直径                ＝  ２４ｍｍ
直流抵抗                ＝  ６．６３Ω
ボリューム：   Ｖ１      ＝   ３．７７ｃｍ３
Ｖ２      ＝   ３．６５ｃｍ３
ポートサイズ： Ｌｐ１     ＝  Ｌｐ２  ＝  ８ｃｍ
Ｓｐ１     ＝  Ｓｐ２  ＝  π・（０．００２５）２ｍ２
電気入力：     ２．８３Ｖ（公称１ワット）
【００３３】
この装置に関して、図２ａ乃至２ｄは、それぞれ、電気入力インピーダンスの周波数応答、空気の速度ｖ１及びｖ２、放出口７及び８における空気の粒子の変位、並びにトランスデューサの円錐変位を示している。この示されている場合において、ｖ１及びｖ２曲線の極大が、当該システムの第１共振周波数（当該入力インピーダンスの第１の極大）と一致することは、明らかである。なお、明確さの理由のため、ボリュームＶ１及びＶ２はわずかに異なって選択されており、この結果、図２における曲線は完全に一致していないことに留意されたい。
【００３４】
他の実施例が、図３に示されており、管５及び６は、設置面積を最小化し、距離ｄを最小化するように、湾曲されている。このユニットは、構成要素１１のような２つの螺旋体から成り、これらの間に中央プレート１２を挟むと共に、これらの上側及び下側において、エンドプレート１３によって閉じられている。トランスデューサ１の膜１４は、中央プレート１２の中央に配されている。各螺旋体の最も奥の空間１５は、図１におけるボリュームＶ１及びＶ２に対応している。
【００３５】
更に他の実施例が、図４に表されており、２つのキャビティ２１、２２は、互いに重なって配されており、膜２３を有する中央プレートによって分離されている。示されている例において、前記キャビティを前記周囲空気に接続しているパイプはなく、２つの孔、即ちエンドプレート２６、２７における非常に短い管２４、２５のみが前記キャビティを前記周囲空気に接続している。使用中、音響波は、反位相において孔２４、２５から放射され、この結果、非常に適度な騒音レベルにおける組合せを生じる。
【００３６】
孔２４、２５は、前記キャビティの対向する側に配されなくても良い。図５に示されているように、これらは、各キャビティの側部に位置されることもできる。
示されている例において、孔２４ａ−ｄ及び２５ａ―ｄは、ペアでそれぞれのキャビティに位置されている。孔の分布は、矢印Ａによって図５において示されている、得られる冷却ジェットの所望の配向に依存する。
【００３７】
図４の装置の他の変形において、両方のキャビティ２１、２２からの空気が、エンドプレート２６の一方の孔を通って指向されることができる。図６に示されているように、このことは、上方のキャビティ２１から、下方のキャビティ２２を介して底部のエンドプレート２６の孔２８に通じているチャネル２７を設けることによって達成されることができる。底部のプレート２６の他の孔２９は、下方のキャビティ２２に通じている。各キャビティからの同様の通路を設けるために、孔２９も、チャネル３０を介して下方のキャビティ２２に通じており、チャネル３０は、チャネル２７と長さ及び断面積が同様のものである。
【００３８】
一般的な説明として、各キャビティからのチャネルの数は、等しくてはならないことに留意されたい。例えば、図５及び６における実施例において、前記キャビティの一方からの孔が、前記キャビティの他方からの孔よりも多くても良い。しかしながら、１つのキャビティからの全体的な空気の流れが、他方のキャビティからの空気の流れと比較して、等しい大きさであり、かつ、逆位相であることが重要である。
【００３９】
図７は、本発明の更なる実施例を示している。この場合、２つのキャビティ３１、３２は２つの対向して配されているトランスデューサ３４、３５を支持している壁３３によって分離されており、トランスデューサ３４、３５は反位相において動作される。この設計による有利な点は、前記トランスデューサによってもたらされる幾何学的配置における如何なる違いも補償されることにある（例えば、前記トランスデューサがキャビティ４内のより多くのボリュームを消費している、図１を参照）。図７に戻ると、この実施例も、それぞれの前記キャビティに通じている２本のチャネル３７、３８に分割されている１つのパイプ３６を特徴としている。
【００４０】
更に他の実施例によれば、図８に示されているように、上述した実施例のうちの１つによる２つの装置（ここでは、図３における実施例による装置４１、４２）が、組合せて使用される。前記２つの装置は、２つのトランスデューサ１と、４つの開口７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂとを備える冷却システムを形成している。全ての４つの前記開口は、上述したように、好ましくは接近して、最も好ましくは０．２λ未満の距離Ｄ内で配されなければならない。更に、前記距離が十分に小さい限り、前記様々な開口からの気流の方向は、重要ではない。従って、前記開口は、図８における例のように、平行で同一平面内にある必要はないが、逆に、多くの他の構成において配されることができると理解されなければならない。この例におけるように、２つの装置４１及び４２が同一である必要はないことにも留意すべきである。逆に、如何なる２つの双極子装置も、有利に組み合わされることができる。
【００４１】
当業者であれば、本発明が上述の好適な実施例に限定されるものではないと理解する。逆に、多くの変更及び変形が、添付請求項の範囲内で可能である。例えば、トランスデューサの数は、更に増加されることができ、開口及びチャネルの位置及び形状は、用途に依存して変化されることができる。
【００４２】
更に、前記トランスデューサはマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術において実施化されることができ、即ち非常に小さいスケールにおいて実現されることができる。
更に詳細には、このような小さいスケールにおいて、トランスデューサ、キャビティ、開口及び何らかのチャネルを含む冷却装置全体が、例えば、エッチング技術を使用してシリコン内に完全に実施化されることもできる。このような装置は、冷却されるべきＩＣ（例えばマイクロプロセッサ）と一緒に有利に集積されることができる。冷却されるべき対象と同じスケールにおける冷却装置による冷却を提供することにより、当該冷却は、より効率的にされることができる。もちろん、シリコン装置は、シリコン基板に接続されている付加的なチャネルと組み合わされることができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010511142.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2010511142.tif 000015
2010511142.tif 000016
2010511142.tif 000017