低噪声冷却设备
技术领域
本发明涉及一种将脉动流体用于冷却物体的冷却设备，该设备包括：换能器，具有适合于在工作频率(fw)生成压力波的隔膜；以及腔，包围隔膜的第一侧，该腔具有适合于朝向物体发射脉动净输出流体流的至少一个开口，其中开口与隔膜的第二侧连通。
本发明还涉及一种包括这样的冷却设备的电子设备和照明设备。
背景技术
由于新开发的例如比传统设备更紧凑和/或更高功率的电子设备产生更高热通量密度而在各种应用已经越来越多地需要冷却。这样的改进设备的例子例如包括更高功率的半导体光源，比如激光器或者发光二极管、RF功率设备和更高性能的微处理器、硬盘驱动、光学驱动如CDR、DVD和蓝光驱动以及大面积设备如平板TV和光源。
作为风扇冷却的一种替代，文献US 2006/0237171公开一种包括振动构件和壳的喷射生成设备，该壳具有喷嘴和容纳气体的第一室。该喷射生成设备由于驱动振动构件而通过喷嘴排放气体，由此实现散热器的冷却。壳也可以包括也具有喷嘴的第二室。在这一情况下，当从喷嘴排放空气时，独立于与第一室关联的喷嘴和与第二室关联的喷嘴而生成声音。由于在喷嘴生成的声波具有相反相位，所以声波相互削弱。这使得有可能进一步减少噪声。希望第一和第二室的体积相同。这使排放的空气量相同，从而进一步减少噪声。
然而，例如如在US 2006/0237171中公开的，先前提出的系统的一个弊端在于它们要求亚音频或者机械对称性以实现令人满意的降噪。这限制了应用范围，因为经常存在固有机械特性。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的在于解决或者至少减少上文讨论的问题。具体而言，目的在于通过提供一种用于减少脉动冷却系统中的声级的方式来扩展针对这些冷却设备以及针对其中在维持低成本之时机械对称性并不实际的系统的应用范围。
根据本发明的一个方面，提供一种将脉动流体用于冷却物体的冷却设备，该设备包括：换能器，具有适合于在工作频率(fw)生成压力波的隔膜；以及腔，包围隔膜的第一侧，该腔具有适合于朝向对象发射脉动净输出流体流的至少一个开口，其中开口与隔膜的第二侧连通。腔充分地小以在工作范围中防止腔中的流体充当谐振质量弹簧系统中的弹簧。这之所以有利是因为隔膜的体积速度(u1)实质上等于在开口的体积速度。另外，除了负号之外，在开口的体积速度(u1)实质上等于在隔膜的第二侧的体积速度(u1’)。因此，在工作频率，可以由于在隔膜的第二侧上的压力波反相而大量抵消脉动净输出流体从而获得接近零的远场体积速度。因此低成本实现低声级而无需机械对称性。
“换能器”在这里是能够通过激励隔膜将输入信号转换成对应压力波输出的设备。该输入信号可以是电、磁或者机械的。例如，适当尺度的电动扬声器可以用作换能器。工作频率是指向换能器馈送的信号的频率。另外，“隔膜”在这里包括任一类柔性或者刚性隔膜、振动膜、活塞等。作为例子，可以使用扬声器隔膜。
根据本发明的冷却设备可以用于冷却大量各种物体。流体可以是空气或者任何其他气态流体。
本发明基于以下思想：通过让腔的体积充分地小，其中的流体可以视为实质上不可压缩并且被防止充当谐振质量弹簧系统中的弹簧。本发明防止的这样的谐振系统的例子为赫尔姆霍茨谐振器。由于流体实质上不可压缩，所以在开口和换能器后部的体积速度将实质上相等(除了符号之外)。由此，在工作频率，可以由于在隔膜的第二侧上的压力波反相而大量抵消脉动净输出流体从而获得接近零的远场体积速度。因此低成本实现低声级而无需机械对称性。
开口可以经由通道连接到腔，从而允许更多设计自由度，因为通道可以被形成为朝向所需位置并且在所需方向上引导流体流。为了防止通道充当传输线，通道优选地具有少于λ/20的长度(Lp)，其中λ为流体中与f＝fw对应的波长。
腔与任何通道组合的赫尔姆霍茨频率fH优选地大于工作频率fw，并且更优选为fH＞4·fw。
工作频率优选地使得经过开口的流体速度和流体位移具有局部最大值，并且这通常出现在设备的谐振频率(即与设备(与腔、开口和任何通道组合的换能器)的电输入阻抗的局部最大值对应的频率)附近。通常选择最低的这样的频率。工作频率(fw)优选地少于1.2·f1，其中f1为阻抗曲线中的第一低谐振峰值，并且更优选为fw＝f1。
工作频率(fw)优选地低于60Hz，并且更优选为低于30Hz。
另外，设备在f1的电阻抗优选地设计成比换能器的DC阻抗大1.5-5倍并且最优选为约两倍。已经发现在驱动频率阻抗与DC阻抗之间的这一关系获得尤为有利的结果。
隔膜的面积S1优选地大于开口的面积Sp，即S1/Sp＞1，或者更优选为S1/Sp＞＞1。这使得在两侧上的体积速度保持相等，而在开口的速度增加以便促进涡流。换而言之，它实现达到低f1而fs可以相对高，小型扬声器通常情况如此。通过该布置，尽管有适度偏离仍然可以形成喷射，因为喷射形成标准为：T行程＞rp·Sp/S1，其中：
T行程是换能器的行程，
rp是开口的半径，
Sp是开口的面积，并且
S1是隔膜的面积。
由于喷射长度为开口直径的约10倍，所以在开口与冷却的物体之间的优选距离为开口直径的2至10倍。
根据本发明的冷却设备还可以有利地包含于包括电子电路的电子设备中或者照明设备中。
根据下文具体公开内容、根据所附从属权利要求以及根据附图将清楚其他目的、特征和优点。
附图说明
将参照相同参考标号将用于相似单元的附图，通过对本发明优选实施例的下文示例而非限制的具体描述更好地理解本发明的上述以及附加目的、特征和优点，附图中：
图1图示了根据本发明第一实施例的冷却设备。
图2图示了系统电阻抗。
图3图示了用于系统的声压级(SPL)。
图4图示了根据本发明第二实施例的冷却设备。
图5图示了根据本发明第三实施例的冷却设备。
图6图示了根据本发明第四实施例的冷却设备。
具体实施方式
图1中的冷却设备包括换能器2，该换能器具有适合于在工作频率(fw)生成压力波的隔膜。换能器2在这里图示为扬声器但不限于此。反言之，可以使用能够生成压力波的任何换能器。腔4布置于换能器2之前，由此包围换能器隔膜的第一侧。腔4中的流体在这里为空气。腔4通过开口5与腔以外的环境连通。另外，开口与换能器的后部连通(即隔膜的背离腔的一侧)。开口5经由通道6连接到腔4，该通道随着它的整个延伸具有均匀形状和尺寸，这里形式为圆柱管6。然而，通道可以是各种形状。例如，通道可以具有矩形横截面。横截面也可以沿着通道的延伸变化形状和/或尺寸。
为了防止管6充当传输线，其长度(Lp)少于λ/20，其中λ为流体中与f＝fw对应的波长。另外，为了避免赫尔姆霍茨谐振，选择腔4和关联管6的尺度使得腔4与管6一起的赫尔姆霍茨频率fH超过换能器2的工作频率fw的四倍。如果不考虑末端效应，则无阻尼赫尔姆霍茨频率可以表达为：
fH≈c02πSpLpV1,]]>其中：
Sp是管的横截面积，
Lp是管的长度，
V1是腔的体积，并且
c0是气体中的声速。
通常设计设备使得阻抗曲线中的第一低谐振峰值f1与换能器的工作频率fw重合，即：
fw=f1≈fs1+S12Sp2·ρ0LpSpm1]]>
其中：
fs是扬声器在无腔和管的体积时的谐振频率，
ρ0是空气密度，
S1是换能器隔膜的面积，
m1是扬声器的运动质量，
Lp是管的长度，并且
Sp是管的横截面积。
根据一个示例实施例，使用以下参数：
扬声器数据：
RE＝5.6Ω(DC电阻)
RM＝0.56Ns/m(扬声器悬置的机械阻力)
BI 5.5N/A(电机力因数)
S1＝0.00126m2(扬声器的辐射表面)
D1＝0.04m(扬声器的有效直径)
fs＝84Hz(扬声器的自由谐振频率)
m1＝0.0044kg(扬声器的运动质量)
其他数据：
V1＝5cm3(腔体积)
Lp＝15cm(管长度)
Sp＝0.00001964m2(内管面积)
Dp＝5mm(内管直径)
Rp＝0.00021Ns/m(管的机械阻力)
在图2中，针对示例实施例根据频率图示系统电阻抗。在40Hz的第一峰值为f1，而在250Hz为赫尔姆霍茨频率。在f1的电阻抗优选地等于在DC的音圈阻抗的两倍。
在操作中，换能器2在工作频率fw激励隔膜。隔膜在腔4中生成压力波从而在开口5产生可以用来冷却物体如例如电子电路或者集成电路的脉动净输出流体流。其他例子将是功率设备如发光二极管(LED)灯的热点冷却和LED光源或者平板TV中的背光的大面积冷却。
除了负号之外，净输出流体流在开口5的体积速度u1实质上等于在扬声器2的后部的体积速度u1’。扬声器的后部在这里是指隔膜的背离腔的一侧。开口5与扬声器的后部连通。因此，在工作频率，由于在扬声器后部的压力波反相而大量抵消脉动净输出流体从而获得接近零的远场体积速度。因此减少声级。
在图3中图示了系统的声压级(SPL)和阻抗例子。实线是作为粗虚线(为后部SPL)和细虚线(为开口SPL)之和的总计SPL(开口+后部)。由于后部SPL和开口SPL至少在工作范围中基本上为相似量值、但是相反相位，所以它们基本上相互抵消。
在图4中图示了本发明的另一实施例。这里，五个平面壁形成矩形腔4而留下一侧开放。开放侧在这里形成腔的开口5。换能器激励如图4中所示壁之一中布置的隔膜8。隔膜8可以代之以布置于任何其他壁中。另外，在一个替代实施例中，可以留下矩形腔的多侧开放。
根据另一实施例，通道6在开口5比它在腔4更宽，从而导致如图5中所示漏斗形通道。漏斗形通道的横截面的面积可以沿着它的延伸而变化，但是优选地，横截面积在通道的任何点相同，从而开口在一个尺度上狭窄而在另一尺度上相对宽。这实现冷却更宽面积而又维持高速度并且因此维持高效冷却。
根据又一实施例，腔具有多个开口。各开口可以如图6中所示经由管6连接到腔。开口可以在实质上相同方向上或者在不同方向上导向以便同时冷却若干物体。另外，开口可以在基本上相同平面中或者在不同平面中。
认识到涉及上述实施例的附图仅为示例。因此，所示比例可能并未准确地反映实际应用中的比例。例如，扬声器隔膜的面积可能与管的横截面的面积相比必须大于图中所示面积以满足实际应用中的喷射形成标准。
上文已经参照少数实施例描述本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，除了上文公开的实施例之外的实施例在如所附权利要求限定的本发明范围内同样可能。例如，注意本原理不限于任何具体流体，即使本说明书主要已经基于空气中操作的设备，即生成振荡空气流的设备。另外，虽然所示例子中的腔已经布置于换能器之前，但是换能器的方向无关紧要并且可以相反。另外，腔和通道的形状仅为举例，并且可以采用任意形状。例如，即使示例实施例的通道实质上是直的，但是管也可以基本上为卷形，或者具有比直管更复杂的其他布置，比如迷宫，从而实现节省空间的冷却设备。也可以组合所述实施例。