CN1330859A - 增加传热的装置 - Google Patents

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Abstract

在本发明涉及获得一种增加从物体(3;73;103)传热的装置的问题。通过装置(1;71;101)解决了该问题,装置(1;71;101)包括一个或几个用于产生物体(3;73;103)周围空气的空气运动的振动膜片(21,25;81;121,125)还有,该装置包括影响空气运动的机构(31,33;87;129,131),因此它造成物体(3;73;103)周围空气连续的交换。周围空气连续的交换意味着物体(3;73;103)总是被相对冷的空气所包围,从而使物体(3;73;103)到周围空气的传热有效。

Description

增加传热的装置
本发明涉及增加从物体传热的装置的技术领域。
技术设备常常包括需要冷却的电子仪器(或其他物体)，一方面防止该电子仪器和其他邻近设备过热，另一方面防止与该技术设备接触的人员被烫伤。
冷却电子仪器的一个方法是给电子仪器安装有良好热接触的散热片，散热片有相对较大的传热表面，热量传热表面传到四周(如周围的空气)。散热片通常是用有相对良好导热性的材料制成，通常包括热耗散器如冷却突缘或类似物，以便增加传热表面积。
但是散热片一般需要相对较大的空间，对不能占有很大空间这样的技术设备来说当然这是缺点。
但是有几种方法增加从散热片的传热从而可以减小散热片的尺寸。
一种增加传热的方法是使用风扇或类似的设施以便在散热片周围的空气中产生空气运动。但是风扇有产生干扰噪音的缺点。风扇还有需要维修的缺点，例如由于在风扇轴承中的润滑剂变得陈旧因而在一定的时间间隔内必须更换。风扇还有另一个缺点就是它们占有相对较大的空间。
另一种增加从散热片传热的方法是使用亚音频发生器以便在散热片周围的空气中产生空气运动。由Svenska StatensByggforskningsr
Figure A9981430500041
d出版的报告中(Bengt Petersson，1989，“Infraljuds inverkan P  Vrmeverg
Figure A9981430500043
ngstalet”R15：1989，Statens Byggforskningsr d，Stockholm，ISBN 91-540-4979-2)(瑞典文)，指出就增加传热而言，使用亚音频发生器与使用风扇一样有可能获得相当高的效率。但是亚音频发生器有一个缺点是，如果散热片的尺寸类似于或小于由亚音频发生器产生的空气运动的质点位移，它的工作是有效的。而质点位移的大小通常是1cm(厘米)数量级和更小。因为散热片通常需要相当大，这种增加传热的方法并没有在实践中得到广泛的应用。
本发明归类于提供增加从物体传热量的装置的问题。
简单来说，用一个装置解决了上述的问题，该装置包括一个或几个在物体周围空气中产生空气运动的振动膜片。还有该装置包括影响空气运动的机构，从而使物体周围的空气形成连续的交换。由于周围空气连续的交换使得该物体总是被相对冷的空气包围，从而使从该物体到周围空气的传热很有效。
因此本发明的目的是提供一种增加从物体传热的装置。
按照下面的说明可以更加详细地解决上述的问题。影响空气运动的机构包括一个或几个喷嘴，其流动阻力取决于流动的方面。喷嘴造成通过喷嘴的净的空气流动，因此安装的该装置利用净的空气流动，获得物体周围空气的连续交换。例如该物体是散热片，利用它来冷却电子仪器或其他东西。另一个例子是该物体包括要冷却的电子仪器或其他东西。
除了解决上述问题之外，本发明的优点是装置相当安静，从而不会干扰周围环境，特别是如果安装的振动片是以在亚音频范围内的频率振动。其他的优点是，振动片占有很小的空间，不包括任何需要经常维修的部件，如轴承或类似物。
现在将参考附图和藉助优选的实施方案更详尽地描述本发明。
图1表示作为按照本发明的一个例子，增加从散热片传热的第一装置的剖面图。
图2表示作为按照本发明的一个例子，喷嘴的剖面图，喷嘴的流动阻力取决于流动的方向。
图3表示作为按照本发明的一个例子，安装在框架上的振动膜片的剖面图。
图4表示作为按照本发明的一个例子，增加从散热片传热的第二装置的剖面图。
图5表示作为按照本发明的一个例子，增加从散热片传热的第三装置的剖面图。
图6表示作为按照本发明的一个例子，振动膜片和框架的另一种形式的剖面图。
图7表示作为按照本发明的一个例子，另一种形式的振动膜片和框架的剖面图。
图1表示作为按照本发明的一个例子，增加从散热片3到散热片3周围的空气传热的第一装置剖面图。
图1的散热片3包括有良好导热性的基板5，在基板上安装要冷却的电子仪器9。词语“电子仪器这里包括所有种类的电子设备，如电子组件，电子线路，无线电设备，微波设备等。散热片还包括预先确定数目的冷却突缘7形式的热量耗散器，它安装在基板5上与电子仪器9相反的一侧。当然，本发明并不局限于仅有这类散热片3，相反对先有技术熟悉的人们可以根据环境和个人自身需要用另一种方式安装。散热片3安装在机壳11的空间内，在图1表示的例子中机壳由片金属制成。本发明并不只局限于这种材料，相反对先有技术熟悉的人们可以按照环境和自身需要为机壳11选择另一种合适的材料，如塑料或其他材料。机壳11包括第一壁13和在第一壁13相对侧的第二壁15。机壳11还包括上部17和下部19。另外机壳11还包括与第一和第二壁13和15以及上部17和下部19一起，封闭安装散热片3的空间的各壁(未示出)。
在图1表示的例子中，机壳11的取向使第一和第二壁13和15基本垂直，但是当然本发明并不只局限于机壳11的这种取向。这里词语“机壳“也包括柜、箱、容器，罐，瓶和其他装置，用它们可以获得与图1中机壳相同的功能。
第一装置1还包括安装在第一框架23上的第一振动片21和安装在第二框架29的第二振动片25。第一和第二振动片21和25以及第一和第二框架23和29安装在机壳11内的空间，从而使振动片21和25面对散热片3的冷却突缘7。安装的两个振动片以反相方式振动从而抵消振颤。
第一和第二振动片21和25在散热片3周围的空气中产生空气运动。一般，由振动片21和25产生的空气运动将相应于波动的流动速度(没有任何实际的平均速度)，因此散热片3将总是主要地被相同的空气所包围。但是第一装置1包括影响空气运动的机构，从而引起散热片3周围空气的连续交换。因此，第一装置1包括通过机壳11上部17安装的第一组喷嘴31，从而使机壳11内的空气与机壳11外侧空气连通。第一组喷嘴31直接安装在散热片3的上方。这样布置第一组喷嘴31使得喷嘴流入机壳11的流动阻力大于相反方向的流动阻力。第一装置1还包括安装在机壳11下部19上的第二组喷嘴33，从而使机壳11内的空气与机壳11外侧空气连通。第二组喷嘴直接安装在散热片3的下方。这样布置第二组喷嘴33使喷嘴流出机壳11的流动阻力高于相反方向的流动阻力。因此有通过第二组喷嘴33到机壳11的净空气流入量35，相应地有通过第一组喷嘴31从机壳11流出的净空气流出量37。这样产生从下部19到上部17通过机壳11的空气流39，这意味着散热片3周围的空气有连续的交换。散热片3周围空气连续的交换造成周围空气总是相对冷的，因此热量以有效的方式从散热片3传给周围的空气。在图1表示的例子中第一和第二组喷嘴31和33两者都有4个喷嘴，但当本发明并不只局限于这个数目。
由振动片21和25的尺寸(面积)和振动片21和25的振动幅度和频率决定有多强的空气流39通过机壳11(因此也决定从散热片3的传热增加多大)。对先有技术熟悉的人们有可能根据环境情况，如空间大小的要求和增加从散热片3传热的要求，以合适的方式选择振动片21和25的尺寸和振动片振动的幅度和频率。
图2更加详细地表示通过机壳11上部安装的一个喷嘴31的剖面图。在机壳11下部的喷嘴33其结构与图2中喷嘴31的结构相同。在图2中喷嘴31包括在机壳11内侧上的第一开口41和在机壳11外侧上的第二开口43。第一开口41大于第二开口43，并有圆的边缘45，而第二开口43有关的边缘47。在图2中喷嘴31的流动阻力当空气通过第二开口43流入和通过第一开口41流出时大于空气在相反方向的流动。为了使喷嘴31具有主要取决于流动的方向的流动阻力，选择第二开口43的面积Ad和第一开口41与第二开口43之间的距离1时要考虑振动片21和25的总的表面积Am和振动片21和25的振动幅度a，使得
Figure A9981430500071
，式中N指的是喷嘴31和33的总数(在图1中N＝8)。按照本发明，特别建议第一和第二开口41和43的直径尺寸与第一和第二开口41和43之间的距离在1cm的数量级或更小。
但是本发明并不局限于在图2中表示的喷嘴，相反，也可使用另外其他类型的流动阻力取决于流动方向的喷嘴。另一种替代办法是在机壳11的壁中装设孔，使孔的形状与图2中喷嘴31的形状相符，或者与任何其他类型的流动阻力取决于流动方向的喷嘴形状相一致。但是在本描述中，这样的具有相同功能的孔，沟道或其他开口都包括在喷嘴的概念内。
图3更加详细地表示第一振动片21和第一框架23的剖面图；第二振动片25和第二框架29构成的方式与第一振动片21和第一框架23相同。例如第一振动片21是由复合材料，钢，陶瓷或塑料(夹层)制成。第一振动片21用弹性的基本无阻尼的和气密的连接49安装在第一框架23上。例如连接49由弹簧钢，复合材料(如碳纤维加强的环氧树脂)或无气孔的陶瓷(如热解的氮化硼)制成。第一振动片21，连接49和第一框架23这样安装，它们一起封闭起空腔50。驱动装置51安装在空腔50中，使第一振动片21产生振动。驱动装置51包括活塞53，活塞的一端与第一振动片21连接。还有线圈55安装在活塞53上，这样安装线圈55和活塞53，使其通过永久磁铁57。在空腔50中还安装供给线圈55交变电压V(t)的装置(未示出)。交变电压V(t)产生通过线圈55的电流，从而使交变的力作用在线圈55和永久磁铁57之间。在线圈55和永久磁铁57之间的力作用到活塞53上，它依次驱动第一振动片21。安装的孔61穿过第一框架。第一软管22(在图1中也可见)用其第一端安装在孔61附近。安装的第一软管22的第二端穿过机壳11的第二壁15。空腔50内的空气通过第一软管22与机壳11外侧的空气连通。这使第一振动片21的驱动更加容易。
如图1中所示，第二软管26以与第一软管相同的方式安装在第二框架29和机壳的第二壁15之间。
当然本发明并不只局限于在图3中表示的这类驱动装置；相反对先有技术熟悉的人们按照环境情况有可能选择某些其他类型的驱动装置。另一种是永久磁铁57被某些其他类型的磁场发生装置所代替，如通有电流的线圈。另一种替代方法是活塞53由永久磁铁组成，活塞穿过产生交变磁场的线圈安装，交变磁场产生交变的力作用到活塞53。还有一种替代方法是使用所谓的静电驱动装置。安装的静电驱动装置是利用在电荷之间的作用力。例如在这样的替代方案中第一振动片21构成第一电极，固定的第二电极基本平行于第一振动片21安装。通过在电极之间供给交变电压，得到在电极之间的交变作用力，从而使第一振动片产生振动。
在图3表示的例子中，给第一振动片21配上交变电压V(t)使其以它的固有频率振动，从而使驱动第一振动片21的功率消耗最小。第一振动片21的固有频率主要由第一振动片的质量和连接49的弹簧刚变决定，这对先有技术熟悉的人来说是众所周知的。但是本发明并不局限于这样驱动第一振动片21，使其以它的固有频率振动；相反，熟悉先有技术的人根据环境可以用另一种方式驱动第一振动片21。第一振动片21基本上是硬的。在这个上下文中“基本上是硬的“意味着在第一振动片21振动的频率下第一振动片21比连接49硬。
本发明并不局限于在图3的例子中表示的这类振动片。另一种是，可以使用常规的扬声器膜片，韧性的振动片或任何其他类型的振动片。
按照本发明建议安装的第一和第二振动片21和25在亚音频范围的频率振动，即在人耳听不到的频率，通常约30Hz频率(人与人不同)和以下。特别建议振动片21和25两个都以20-30Hz间隔内的频率振动，一方面它使驱动很安静，另一方面它产生散热片3周围的空气相对有效的交换。使用亚音频频率的优点是这样不干扰环境。但是本发明并不局限于亚音频范围，即使安装的第一和第二振动片21和25以可听到的声频(＞30Hz)振动，它们将造成比例如风扇小得多的噪音。
图4表示作为按照本发明的一个例子，增加从散热片73传热的第二装置71的剖面图。
图4中的散热片73以与图1中散热片3相同的方式，包括带有许多冷却突缘77的基板75。要冷却的电子仪器79安装在基板75上并与基板75有良好的热接触。第二装置71包括振动膜片81，它用弹性的，无阻尼的和气密的连接83安装在框架85。第二装置71还包括驱动振动片81的驱动装置(未示出)。振动片81的第一侧朝向散热片73的冷却突缘77。散热片73是直接安装在振动片81的前面。框架85朝振动片81的第二侧是开口的，从而振动片81的第二侧是朝向离开散热片73。振动片81基本上是硬的。安装的喷嘴87穿过振动片81，从而使振动片81第一侧的空气与振动片81第二侧的空气相连通。图4中喷嘴87的结构与图2中喷嘴31的结构相同，但是另一种是，以另一种方式构成喷嘴87。安装的喷嘴87当空气从振动片81的第一侧流向振动片81的第二侧时，其流动阻力比相反方向的空气流动阻力要大。当振动片81振动时，存在从振动片81的第二侧到振动片81第一侧的净空气流89。由喷嘴引起的净空气流89进而造成沿着散热片73主要围绕冷却突缘77的空气流91。沿着散热片73的空气流91造成散热片73周围空气的连续交换。散热片73周围空气的连续交换造成包围散热片73的空气总是相对冷一些，因此热量被有效地从散热片73传到周围空气。还有通过框架85安装的屏障93，用于引导由喷嘴81产生的净空气流89以有效的方式流向散热片73。安装的屏障93还防止已经被散热片73加热的空气回流到振动片81的第二侧。
在图4表示的例子中通过振动片81只安装一个喷嘴87。当然本发明并不局限于这个，相反通过振动片81也可安装更多的喷嘴。另一种是喷嘴87转到相反的方向，因而与图4的例子比较空气流产生在相反的方向。
图5表示作为按照本发明的一个例子，增加从散热片103传热的第三装置101的剖面图。
第三装置101包括有第一壁113和与第一壁113相对的第二壁115的机壳111。还有机壳包括上部117和下部119和其他的壁(没有示出)，其他壁与第一和第二壁113和115以及上部117和下部119一起封闭一个空间。
在机壳111的空间内，安装第一和第二振动膜片121和125。第一振动片121安装在第一框架123上，以相同的方式第二振动片125安装在第二框架127上。第三装置101的第一和第二振动片121和125以及第一和第二框架123和127以与第一装置1的第一和第二振动片21和25以及第一和第二框架23和29相同的方式构成。第一软管122安装在第一框架123和第二壁115之间，从而使由第一振动片121和第一框架123组成的空腔(在图5中没有表示)中的空气与机壳111外侧的空气连通。以相同的方式将第二软管126安装在第二框架127和第二壁115之间。
穿过第一壁113安装第一组喷嘴129，使机壳111内的空气与机壳111外的空气连通。这样安装第一组喷嘴129使喷嘴当空气流入机壳111时有比相反方向气流更大的流动阻力。穿过机壳111的下部119安装第二组喷嘴131，从而使机壳111内的空气与机壳111外的空气连通。这样安装第二组喷嘴131使喷嘴当空气流出机壳111时有比相反方向的气流更大的流动阻力。第一和第二组喷嘴129和131的设计与图2中喷嘴31的设计相同，但是另一方面喷嘴129和131可用另一种方式构成。在图5表示的例子中，第一组喷嘴129有8个喷嘴，第二组喷嘴131有5个喷嘴，但是当然本发明并不只局限于这些数目。
图5中的散热片103与图1中的散热片3一样包括基板105，在其上安装许多冷却突缘107。还有要冷却的电子仪器109安装在基板105上，并与基板105有良好的热接触。散热片103安装在机壳111外侧第一壁113附近，邻近第一组喷嘴129，从而使冷却突缘107朝向第一组喷嘴129。通过第二组喷嘴有进入机壳111的净空气流133，以相同的方式通过第一组喷嘴129有流出机壳111的净空气流135。通过第一组喷嘴129流出的净空气流135造成沿着散热片103主要围绕冷却突缘107的空气流137。空气流137造成散热片103周围空气连续的交换，从而使散热片103到周围空气的传热得到显著改善。
在第三装置101的另一个方案中喷嘴129和131变成相反的方向，从而与图5表示的例子相比空气流发生在相反的方向
用图5中的实施方案的优点是散热片103安装在机壳111外边。如果振动片121和125由于任何原因停止振动，例如由于电气故障影响到驱动振动片的驱动装置(没有示出)，散热片仍能有点效率地传热到周围空气，因此电子仪器109将不会有立即达到过热的风险。当然图4的实施方案也有相同的优点。
图3中第一振动片21和第一框架23的形式造成第一振动片基本相当于单响的单极，这意味着第一振动片21产生相当强的声压场。图6表示作为按照本发明的一个例子，第一振动片21和第一框架23的另一种形式的剖面图。在图6中第一框架23朝向第一振动片21的背侧是完全开口。
在图6中第一振动片21和第一框架23的形式造成第一振动片21基本相当于音响的偶极。在图6表示的例子中由第一振动片21产生的声压场因此比单极(图3)产生的声压场弱，特别是在第一振动片21的远场距离处。远场距离指的是与第一振动片21的距离为r，对该距离式kr＞＞1成立，式中k指的是波数。以相同的方式近场距离指的是与第一振动片21的距离为r，对该距离式kr＜＜1成立。对在10和40Hz(赫兹)之间的频率，远场距离近似为5米和更大，近场距离近似为1米和更小。在图6表示的例子中配上框架23的深度d从而获得尽可能大的声压水平。因而图6中在第一振动片21的近场距离声压水平足够高从而有效地增加从散热片3的传热。同时，在远场距离声压水平相当低，因此避免对周围环境的任何干扰影响。
图7表示作为按照本发明的一个例子，第一振动片21和第一框架23还有另一种形式的剖面图。在图7表示的例子中安装的第一振动片21和第一框架23组成亥姆霍兹(Helmholtz)共振腔。通过框架23装设孔59，从而使空腔50中的空气与空腔50外的空气连通，贴近孔59装设管子60。由管子60中空气的质量和空腔50的容积决定亥姆霍兹共振腔的共振频率，这对熟悉先有技术的人来说是已知的。在图7表示的例子中，相对第一振动片21的振动频率调谐亥姆霍兹共振腔的共振频率，这意味着第一振动片21的驱动需要较小的功率。
对有兴趣读到更多关于在图6和7中各例子的声学特性的读者，这里是参考J.Liljencrantz，“Elektroakustik”，P.5-16，KTH，Trita-Tm 1993，ISSN 0 280-9850。
本发明并不局限于增加从散热片的传热，相反，也可以用本发明增加从另一个物体，如电子仪器的传热。
本发明可以使用在所有的技术应用场合，在那里需要增加从任何其他物体的散热片的传热，如冷却电子仪器或其他装置。本发明对下列的技术应用是特别合适的，在那里技术设备必须不占有太多的空间和/或技术设备必须长时间工作而无需维修。例如本发明特别可以应用于冷却无线电基地站的电子设备。

Claims (20)

1.用于增加从物体(3；73；103)传热的一种装置，所述装置包括：
至少一个振动膜片(21，25；81；121，125)用于在该物体(3；73；103)周围空气中产生空气运动，其特征在于该装置包括影响空气运动的机构从而使空气运动造成该物体(3；73；103)周围空气连续的交换。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
影响空气运动的机构包括至少一个喷嘴(31，33；87；129；131)，喷嘴对不同的流向有不同的流动阻力。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于影响空气运动的机构包括：
机壳(11；111)，具有安装至少一个振动片(21，25；121，125)的空间；
至少第一喷嘴(31；129)，使机壳(11；111)内的空气与机壳外空气连通，因此第一喷嘴对流入机壳的空气流比对相反方向的空气流有更大的流动阻力；和安装至少第二喷嘴(33；131)使机壳(11；111)内的空气与机壳外的空气连通，因此第二喷嘴对流出机壳的空气流比对相反方向的空气流有更大的流动阻力。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：
物体(3)放在机壳(11)内。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：
物体(3)基本上安装在第一和第二喷嘴(31，33)之间。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于：
物体(103)安装在机壳(111)外。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：
物体(103)安装在第一或者第二喷嘴(129，131)附近。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于：
至少一个振动片(81)基本上是硬的；和
至少一个喷嘴(87)通过硬的振动片(81)安装，从而使在硬振动片第一侧的空气通过喷嘴与硬振动片第二侧的空气连通。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：
物体(73)安装在振动片(81)的第一侧上。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：
安装的装置用于在振动片(81)的第二侧自由供应空气。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：
该装置包括防止被物体(73)加热的空气回流到振动片(81)第二侧的机构(93)。
12.如权利要求1-11项中任何一项所述的装置，其特征在于：
该装置包括至少一个第一和一个第二振动片(21，25；121，125)，安装的振动片互相以不同相振动以便减小振颤。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：
安装的第一和第二振动片(21，25；121，125)基本上以反相振动。
14.如权利要求1-13项中任何一项所述的装置，其特征在于：
安装的至少一个振动片(21，25；81；121，125)以基本等于或小于30Hz的频率振动。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：
安装的至少一个振动片(21，25；81；121，125)以在20到30Hz间隔之间的频率振动。
16.如权利要求1-15项中任何一项所述的装置，其特征在于：
安装的至少一个振动片(21，25；81；121，125)以它的固有频率振动。
17.如权利要求1-16项中任何一项所述的装置，其特征在于：
该物体是散热片。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于：
要冷却的装置(9；79；109)与散热片有热连接。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于：
装置(9；79；109)包括电子仪器(9；79；109)。
20.如权利要求1-16项中任何一项所述的装置，其特征在于：
该物体包括电子仪器。
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