CN106574638B - 空气冷却系统和气流发生器 - Google Patents

Abstract

一种利用合成射流或气流发生器(20,120,220)以及多个气流发生器的空气冷却系统(10,110,210)，其，它们利用压电装置(26,126,226)冷却发热元件(12,112,212)。压电装置(26,126,226)的致动导致一个或更多柔性结构(22,24,122,124,221)的运动，从而增大一个或更多空腔(28,30,32,128,228,230,232)的体积，从而吸入空气，且然后减小一个或更多空腔(28,30,32,128,228,230,232)的体积，从而将吸入的空气推出。

Description

空气冷却系统和气流发生器

背景技术

当代的高功耗电子器件产生热量，其需要热学管理来将电子器件保持在设计的工作温度范围。必须将热量从电子装置去除来改善可靠性并且防止电子器件的过早失效。可使用冷却技术来最小化热点。

发明内容

一方面，本发明的一个实施例涉及具有发热元件(heat-emitting element)的空气冷却系统，发热元件具有内部或外部的至少其中一个，压电合成射流具有相对且隔开的柔性板，在它们之间限定空腔，其中压电合成射流或者位于发热元件的内部，这里柔性板位于内部内，或者在发热元件外部周围，这里发热元件的至少一部分伸入该空腔。

另一方面，本发明的一个实施例涉及与具有至少第一表面和第二表面的对象一起使用的气流发生器，该气流发生器具有柔性结构，柔性结构具有第一侧面，在这里第一柔性结构的第一侧面的第一部分与对象的第一表面的一部分隔开，从而在它们之间限定第一空腔，并且第一柔性结构的第一侧面的第二部分与对象的第二表面的一部分隔开，从而在它们之间限定第二空腔，至少一个压电装置位于柔性结构上，其中该至少一个压电装置的致动导致该柔性结构的移动，从而增大第一空腔或第二空腔的至少其中一个的体积以吸入空气，且然后减小第一空腔或第二空腔的体积，以将吸入的空气推出，使得该对象被气流发生器所产生的气流冷却。

在又另一个方面，本发明的一个实施例涉及用于冷却具有至少第一表面和第二表面的对象的气流发生器，其具有第一柔性结构、第二柔性结构和压电装置，第一柔性结构具有与对象的第一表面的一部分隔开的第一表面，从而限定第一空腔，第二柔性结构具有与对象的第二表面的一部分隔开的第一表面，从而限定第二空腔，压电装置位于第一柔性结构和第二柔性结构的每一个上，其中压电装置的致动导致第一柔性结构和第二柔性结构的运动，从而增大第一和第二空腔的体积来吸入空气，且然后减小第一和第二空腔的体积，以推出吸入的空气。

附图说明

在附图中：

图1A-1C是根据第一实施例的空气冷却系统的示意性视图；

图2A-2C是根据第二实施例的备选空气冷却系统的示意性视图；

图3是根据本发明的另一个实施例具有备选气流发生器的空气冷却系统的透视图；

图4A是图3的气流发生器的柔性结构的侧视图；

图4B是图3的空气冷却系统的俯视图；以及

图5A和5B是图示了图3的气流发生器的操作的示意性视图。

具体实施方式

图1A图示了具有发热元件12的空气冷却系统10，发热元件12具有限定第一表面16和第二表面18的外部14。发热元件12可包括热发生元件或热交换元件。在图示的示例中，发热元件12已经图示为呈散热器的鳍片形式的热交换元件。虽然发热元件12已经图示为具有外部14的鳍片，但是将会理解的是空气冷却系统10可结合任何适当的具有外部的发热元件。

气流发生器20，其图示为压电合成射流，或者也包括在空气冷却系统10中并且包括相对且隔开的柔性结构22,24，在它们之间限定了空腔28。在图示示例中，柔性结构22,24已经图示为柔性板22,24。柔性结构22,24可由包括铝、铜、不锈钢等任何合适的柔性材料形成。柔性结构22,24彼此隔开并且沿着它们的主面以大致面对的关系设置。气流发生器20图示为位于发热元件12的外部14周围，使得发热元件12的至少一部分伸入空腔28。更具体地，第一柔性结构22与发热元件12的第一表面16的一部分隔开，以限定第一空腔30，且第二柔性结构24与发热元件12的第二表面18的一部分隔开，以限定第二空腔32。

例如为压电晶体的压电装置26可位于柔性结构22,24的每一个上。在图示示例中，压电装置26位于每个柔性结构22,24的中心处，虽然这不一定如此。虽然压电装置26可以定位在别的地方，但是将每个压电装置定位在其相应的柔性结构的中心处被认为增加了柔性结构的偏转。压电装置26可以通过连接(未示出)可操作地联接到合适的动力源上。另外，虽然仅单个压电装置26被图示在每个柔性结构上，但是将会理解的是可将多个压电装置定位在一个或两个柔性结构上。

在运行期间，压电装置26的致动导致柔性结构22,24的运动，从而增大空腔28的体积，以吸入空气，并且之后减小空腔28的体积，以推出吸入的空气。更具体地，当向压电装置26施加电压时，导致柔性结构22,24弯曲，使得它们如图1B中所示凸出。如图所示，柔性结构22,24沿彼此相反的方向偏转。此同步偏转增加了第一空腔30和第二空腔32的体积，导致降低的分压，这又导致空气如箭头40所示进入空腔28。当施加相反极性的电压时，柔性结构22,24如图1C中所示沿相反的方向弯曲(即，凹入而不是凸出)。此动作减小了空腔28的体积，并导致空气如由箭头42所示被排出。虽然优选的是柔性结构22,24经过中性位置(图1A)来排出更大体积的空气，但将会理解的是，柔性结构22,24朝中性位置返回的任何运动都将推出一些空气。压电装置26连接到可控制的电源(未示出)上，使得具有期望大小和频率的交流电压可以应用在压电装置26上。柔性结构22,24的运动产生可用来冷却发热元件的空气流。

在上述示例中，第一空腔30和第二空腔32都同时吸入空气并将吸入的空气推出。因为发热元件12在空腔28内并分隔该空腔28，所以也设想柔性结构22,24可被致动使得它们不沿相反的方向移动，以及仅单个柔性结构需要被凸出地移动以增大空腔28的体积。作为进一步的非限制性示例，压电装置26在柔性结构22上的致动可导致柔性结构22的运动，从而增大第一空腔30的体积，而同时压电装置26在柔性结构22上的致动可导致柔性结构24的运动，从而减小第二空腔32的体积。然后，可沿相反的方向移动柔性结构22,24，使得第一空腔30的体积被减小并且第二空腔32的体积被增大。压电装置26的致动对于柔性结构22,24也可以不是同时的。这样交替的操作依然可提供冷却发热元件12的气流的产生。

作为进一步的非限制示例，图2A-2C图示了根据本发明的第二实施例的备选空气冷却系统110。空气冷却系统110类似于之前描述的空气冷却系统10，并且因而，相似的部分将用相似的标号增加100来指示，对此应理解的是空气冷却系统10的相似部分的描述应用于空气冷却系统110，除非另外指出。

一个差异是空气冷却系统110包括具有内部115的发热元件112。虽然发热元件112已经图示为包括限定内部115的两个鳍片，但是应该理解的是空气冷却系统110可结合具有内部115的任何适当的发热元件112。另一个差异是气流发生器120虽然具有相对并隔开的柔性结构122,124并在它们之间限定空腔128，但气流发生器120相反是位于发热元件112的内部115内。气流发生器120的操作类似于之前描述的气流发生器的操作，使得压电装置的致动导致柔性结构122,124的运动，从而增加空腔128的体积以吸入空气，且然后减小空腔128的体积以推出吸入的空气。

在以上实施例中，气流发生器可以以任何适当的方式围绕发热元件或在发热元件内安装。作为非限制性示例，可使用多个支架用于将一个或两个柔性结构安装到发热元件上或发热元件附近的结构上。

作为进一步的非限制示例，图3图示了根据本发明的第三实施例的备选空气冷却系统210。空气冷却系统210类似于之前描述的空气冷却系统10，并且因而，相似的部分将用相似的标号增加200来指示，对此应理解的是空气冷却系统10的相似部分的描述应用于空气冷却系统210，除非另外指出。

一个差异是气流发生器220包括单个柔性结构221。在图示的示例中，柔性结构221图示为卷绕在发热元件212周围，使得其包围发热元件212，虽然这不一定如此。柔性结构221包括具有第一部分222和第二部分224的第一侧223。柔性结构221的第一部分222与发热元件212的第一表面216的一部分隔开，从而在它们之间限定第一空腔230。柔性结构221的第二部分224与发热元件212的第二表面218的一部分隔开，从而在它们之间限定第二空腔232。单个柔性结构221可被认为是可操作地联接的两个柔性板，并且包围发热元件212的至少一部分；然而，这样的柔性板被整体地形成从而形成了单个柔性结构221。

至少一个压电装置226可位于气流发生器220的柔性结构221上。此外，可将多个压电装置226定位在柔性结构221上。在图3的图示示例中，两个压电装置226定位在柔性结构221上。在图4A中，两个附加的压电装置226图示为被包括在柔性结构221的其中一个部分上，以协助图示如何可包括多个压电装置226。将会理解的是可在包括单个压电装置的柔性结构221上包括任何数量的压电装置226。如果包括了多个压电装置226，它们可配置成被同时致动。回到该示例性实施例，在图4B中示出了其俯视图，其中一个压电装置226位于第一空腔230附近，而另一个压电装置226位于第二空腔232附近。

图5A和5B是图示了气流发生器220的示例性操作的示意性视图。在这样的操作期间，多个压电装置226的致动导致柔性结构221的移动，从而增大第一空腔230和第二空腔232两者的体积，以将空气吸入到空腔230,232中，且然后减小第一空腔230和第二空腔232的体积，以将吸入的空气推出，使得发热元件212被气流发生器220所产生的气流冷却。设想了多个压电装置226可以不被同时致动，或者空腔230,232可以在不同时间被扩大和减小。

将会理解的是上述气流发生器可以以任何合适的方式相对于发热元件定向，使得气流发生器可以产生协助冷却发热元件的空气流。气流发生器可以与需要用于热量耗散的热学管理的任何装置一起使用，诸如由于热敏感性需要一致温度分布的电子部件。例如，气流发生器可与空运、船上以及陆基电子器件一起使用。

以上描述的实施例提供了各种益处，包括这样的气流发生器解决了冷却具有高功耗、具有局部热点的电子装置或者需要一致温度分布的电子部件的热学管理问题。上述气流发生器容易制造，具有低电耗(electrical draw)，重量轻，并且增加了部件可靠性。上述实施例与没有此类凹陷的气流发生器相比在板之间捕获了更大体积的空气。在板之间捕获的更大体积的空气导致从气流发生器离开的更大体积的气流。

对于尚未描述的程度，各种实施例的不同特征和结构可按需要彼此结合来使用。一些特征可能没有在全部实施例中说明，但是如果希望的话可以实施。因此，不同实施例的各种特征可按希望进行混合并匹配以形成新的实施例，不管新的实施例是否被明确描述。本文描述的特征的全部组合和排列都被此公开所覆盖。

此书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，以使得任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并使用所述装置或系统以及执行呈现的任何所结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等同结构元件，则它们旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种空气冷却系统，包括：

发热元件，其具有内部或外部的至少其中一个；以及

压电气流发生器，其具有相对并隔开的柔性板，所述柔性板在它们之间限定空腔，并且所述压电气流发生器具有安装在所述柔性板的第一个上的至少一个第一压电装置和安装在所述柔性板的第二个上的至少一个第二压电装置，

其中，所述压电气流发生器定位在所述发热元件的所述内部内，且在此所述柔性板沿着它们的主面以大致面对的关系位于所述内部内用于限定所述空腔，所述空腔在面对的所述柔性板之间具有敞开的上端部和敞开的底端部；或者其中，所述压电气流发生器定位在所述发热元件的所述外部周围，且在此所述发热元件的至少一部分伸入所述空腔，所述空腔在所述柔性板和所述发热元件之间具有敞开的上端部和敞开的底端部，且

其中所述至少一个第一压电装置和至少一个第二压电装置的致动导致所述隔开的柔性板的运动，从而增大所述空腔的体积，在所述上端部和所述底端部处吸入空气，且随后减小所述空腔的体积，在所述上端部和所述底端部处推出空气。

2.如权利要求1所述的空气冷却系统，其特征在于，所述发热元件还包括热发生元件或热交换元件。

3.如权利要求2所述的空气冷却系统，其特征在于，所述热交换元件包括散热器的鳍片。

4.如权利要求3所述的空气冷却系统，其特征在于，所述压电气流发生器的所述柔性板可操作地联接并包围所述鳍片的至少一部分。

5.如权利要求4所述的空气冷却系统，其特征在于，所述柔性板是整体形成的。

6.如权利要求1所述的空气冷却系统，其特征在于，所述至少一个第一压电装置进一步包括多个压电装置，其定位在所述柔性板的第一个上。

7.一种与具有至少第一外表面和第二外表面的对象一起使用的气流发生器，所述气流发生器包括：

柔性结构，其具有第一侧，所述柔性结构的所述第一侧的第一部分与所述对象的所述第一外表面的一部分隔开，以在它们之间限定第一空腔，所述第一空腔在所述柔性结构的第一侧的第一部分和所述对象的第一外表面之间具有第一敞开上端部和第一敞开底端部，并且所述柔性结构的所述第一侧的第二部分与所述对象的所述第二外表面的一部分隔开，以在它们之间限定第二空腔，所述第二空腔在所述柔性结构的第一侧的第二部分和所述对象的第二外表面之间具有第二敞开上端部和第二敞开底端部，并且所述柔性结构的第一部分和所述柔性结构的第二部分由单一的柔性结构所限定；以及

位于所述柔性结构上的至少一个压电装置；

其中，所述至少一个压电装置的致动导致所述柔性结构的运动，从而增大所述第一空腔或所述第二空腔的至少其中一个的体积，以便从所述第一敞开上端部、所述第二敞开上端部、所述第一敞开底端部和所述第二敞开底端部吸入空气，且随后减小所述第一空腔或所述第二空腔的体积，以将吸入的空气通过所述第一敞开上端部、所述第二敞开上端部、所述第一敞开底端部和所述第二敞开底端部推出，使得所述对象被所述气流发生器所产生的气流冷却。

8.如权利要求7所述的气流发生器，其特征在于，多个压电装置定位在所述柔性结构上。

9.如权利要求8所述的气流发生器，其特征在于，所述多个压电装置的至少其中一个位于所述第一空腔附近，并且所述多个压电装置的至少另一个位于所述第二空腔附近。

10.如权利要求8所述的气流发生器，其特征在于，所述多个压电装置的致动导致所述柔性结构的运动，从而增大所述第一空腔和所述第二空腔两者的体积，以便吸入空气，且随后减小所述第一空腔和所述第二空腔的体积，以将吸入的空气推出，使得所述对象被所述气流发生器所产生的气流冷却。

11.如权利要求8所述的气流发生器，其特征在于，所述多个压电装置配置成被同时致动。

12.如权利要求7所述的气流发生器，其特征在于，所述柔性结构包围所述对象的至少一部分。

13.一种用于冷却具有至少第一平坦表面和相对的第二平坦表面的对象的气流发生器，包括：

第一柔性结构，其具有与所述对象的所述第一平坦表面隔开且面对所述第一平坦表面的第一平坦表面，以便限定第一空腔，所述第一空腔具有第一敞开上端部和第一敞开底端部；

第二柔性结构，其具有与所述对象的所述第二平坦表面隔开且面对所述第二平坦表面的第一平坦表面，以便限定第二空腔，所述第二空腔具有第二敞开上端部和第二敞开底端部；以及

安装于所述第一柔性结构上的至少一个第一压电装置和安装于所述第二柔性结构上的至少一个第二压电装置；

其中，所述至少一个第一压电装置和至少一个第二压电装置的同时致动导致所述第一柔性结构和所述第二柔性结构的运动，以增大所述第一和第二空腔的体积，从而通过所述第一敞开上端部、所述第二敞开上端部、所述第一敞开底端部和所述第二敞开底端部吸入空气，且然后减小所述第一和第二空腔的体积，以通过所述第一敞开上端部、所述第二敞开上端部、所述第一敞开底端部和所述第二敞开底端部推出被吸入的空气。

14.如权利要求13所述的气流发生器，其特征在于，所述至少一个第一压电装置包括多个压电装置，其位于所述第一柔性结构上。

15.如权利要求13所述的气流发生器，其特征在于，所述第一柔性结构或所述第二柔性结构的至少其中一个是板。

16.如权利要求13所述的气流发生器，其特征在于，所述至少一个第一压电装置位于所述第一柔性结构的中心处。

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