ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА
COOLING DEVICE WITH LOW NOISE LEVEL

Область техники, к которой относится изобретение
w
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; 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.
w
1
1
1
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; 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 u мембраны по существу равна объемной скорости около отверстия. Кроме того, объемная скорость u около отверстия по существу равна объемной скорости u' 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.
p
w
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, меньшую λ/20, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая f = f.
H
w
H
w
Частота Гельмгольца f полости в сочетании с любым каналом предпочтительно больше рабочей частоты f, а более предпочтительно f > 4f.
w
1
1
w
1
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 предпочтительно меньше 1,2f, где f - первый низкий резонансный пик кривой полного сопротивления, а более предпочтительно f = f.
w
Рабочая частота f предпочтительно меньше 60 Гц, а еще более предпочтительно - меньше 30 Гц.
1
Кроме того, обеспечивают, чтобы полное электрическое сопротивление устройства при частоте f 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.
1
p
1
p
1
1
s
величин хода
p
p
1
Площадь мембраны S предпочтительно больше площади отверстия S, т.е. S/S>1, или более предпочтительно S/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 f, тогда как f 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 > rS/S, где:
величин хода
T - величина хода преобразователя;
p
r - радиус отверстия;
p
S - площадь отверстия;
1
S - 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
w
Охлаждающее устройство 1 на фиг.1 содержит преобразователь 2, имеющий мембрану, выполненную с возможностью генерирования волн давления с рабочей частотой f. 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.
p
w
H
w
Для предотвращения того, чтобы трубка 6 действовала как трансмиссионная линия, ее длина (L) должна быть меньше λ/20, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая f=f. Кроме того, для исключения резонанса Гельмгольца размеры полости 4 и связанной с ней трубки 6 выбирают таким образом, чтобы частота Гельмгольца (f) полости 4 вместе с трубкой 6 превышала в четыре раза рабочую частоту f преобразователя 2. Если пренебречь концевыми эффектами, то недемпфированная частота Гельмгольца может быть выражена как:
, где
p
S - площадь поперечного сечения трубки;
p
L - длина трубки;
1
V - объем полости;
0
С - скорость звука в газе.
1
w
Устройство обычно выполняют таким образом, чтобы первый низкий резонансный пик кривой полного сопротивления f, совпадал с рабочей частотой f преобразователя, т.е.
, где
s
f - резонансная частота громкоговорителя без объема полости и трубки;
О
ρ - плотность воздуха;
1
S - площадь мембраны преобразователя;
1
m - подвижная масса громкоговорителя;
p
L - длина трубки;
p
S - площадь поперечного сечения трубки.
Согласно приведенному в качестве примера варианту осуществления использовали следующие параметры:
параметры громкоговорителя:
E
R = 5,6 Ω (сопротивление постоянному току);
M
R = 0,56 Нс/м (механическое сопротивление подвески громкоговорителя);
BI = 5,5 Н/А (коэффициент электромеханической связи двигателя);
1
2
S = 0,00126 м (площадь излучающей поверхности громкоговорителя);
1
D = 0,04 м (эффективный диаметр громкоговорителя);
s
f = 84 Гц (свободная резонансная частота громкоговорителя);
1
m = 0,0044 кг (подвижная масса громкоговорителя);
Другие параметры:
1
3
V = 5 см (объем полости);
p
L = 15 см (длина трубки);
p
2
S = 0,00001964 м (внутренняя площадь трубки);
p
D = 5 мм (внутренний диаметр трубки);
p
R = 0,00021 Нс/м (механическое сопротивление трубки).
1
1
На фиг.2 показано полное электрическое сопротивление системы как функции частоты для приведенного в качестве примера варианта осуществления изобретения. Первый пик fимеет место при частоте 40 Гц, а при частоте 250 Гц - частота Гельмгольца. Полное электрическое сопротивление при частоте f предпочтительно равно двойной величине полного сопротивления звуковой катушки, работающей на постоянном токе.
w
Устройство работает следующим образом: с помощью преобразователя 2 приводят в действие мембрану с рабочей частотой f. 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.
1
1
Объемная скорость u потока текучей среды за вычетом потерь около отверстия 5 по существу равна объемной скорости u' 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.