專利名稱：用于冷卻物體的方法、設備及系統的制作方法
用于冷卻物體的方法、設備及系統
背景技術：
本文公開的主題一般涉及冷卻物體，并且更具體而言，涉及使用熱聲 (thermoacoustic)驅動式散熱裝置(heat sink)來冷卻物體。高性能微處理器的使用在諸如計算機的商用電子設備中已經變得更普遍了。由于大量熱能的產生的原因，這種微處理器可需要高的熱消散。至少一些已知的微處理器能夠消散約100瓦/平方厘米(W/cm2)。至少一些已知的商用電子設備使用風扇驅動式強制通風散熱裝置冷卻來支持這種消散需要。但是，風扇驅動式冷卻常常具有相對短的平均故障間隔時間值(MTBF)，例如約三年。此外，已知風扇驅動式冷卻增加了與這些微處理器一起使用的電路板組件的顆粒污染。由于比商用電子設備更嚴格的工業可靠性要求的原因，至少一些已知的工業電子設備無法利用高性能微處理器技術的發展。例如，至少一些已知的工業電子設備需要至少二十年的MTBF值。此外，工業操作環境限制可不同于應用于商用電子設備的那些。例如， 至少一些已知的工業電子設備需要環境空氣低于約60°C。因而，存在可用來冷卻工業電子設備中的高性能微處理器的少數選擇。因此，期望的是提供一種用以冷卻諸如高性能微處理器的物體、其中不存在運動部件的裝置，以有利于更高的可靠性。發明簡述在一方面，一種用于冷卻物體的方法包括將冷卻裝置聯接到物體上，其中，冷卻裝置包括至少一個熱聲引擎(thermoacoustic engine)和多個氣體二極管(gas diode)； 利用熱聲引擎產生聲功率；引導流體的聲振蕩通過氣體二極管；以及將由物體產生的熱量傳遞到流體，以有利于從物體中移走熱量。在另一方面，熱聲驅動式冷卻裝置包括構造成吸收由熱源產生的熱量且使用吸收到的熱量產生聲功率的至少一個熱聲引擎。該裝置還包括限定在所述熱聲驅動式冷卻裝置內的流體入口和限定在所述熱聲驅動式冷卻裝置內的流體出口。多個氣體二極管構造成使用聲功率來引導冷卻流體通過熱聲驅動式冷卻裝置，從而使得吸收到的熱量從熱聲引擎傳遞到流體，以有利于從物體中移走吸收到的熱量。在另一方面，冷卻系統包括熱聲驅動式冷卻裝置，熱聲驅動式冷卻裝置包括構造成吸收由熱源產生的熱量且使用吸收到的熱量來產生聲功率的至少一個熱聲引擎。多個氣體二極管構造成使用聲功率來引導冷卻流體通過熱聲驅動式冷卻裝置，從而使得吸收到的熱量從熱聲引擎傳遞到流體，以有利于從物體中帶走吸收到的熱量。冷卻系統還包括聯接到熱聲驅動式冷卻裝置的散熱裝置，該散熱裝置構造成吸收從物體中移除的熱量，并且在流體離開所述熱聲驅動式冷卻裝置時將該熱量傳遞到流體。附圖簡述
圖1是用于冷卻熱源的示例性冷卻系統的透視圖；圖2是圖1中所示的冷卻系統的第二個透視圖；圖3是示出了在圖1中所示的冷卻系統內的空氣流和熱量傳遞的簡明結構圖4是示例性冷卻系統的第二個實施例的透視圖；以及圖5是示出了用于使用圖1和2中所示的冷卻系統來冷卻物體的示例性方法的流程圖。
具體實施例方式如本文所用，用語“熱聲引擎”指的是使用熱量來在一疊板中產生溫度梯度的原動機型熱聲裝置。溫度梯度在聯接到堆疊上的諧振器內引起聲音的產生。更具體而言，根據工作流體和堆疊中的各個板之間的熱交互來產生聲音。如本文所用，用語“流體”指的是能夠流入熱聲引擎中且與堆疊相互作用以產生聲音的流體，例如空氣。如本文所用，用語“熱源”指的是待使用例如本文描述的冷卻系統來被冷卻的物體。熱源的實例包括但不限于僅包括微處理器和/或集成電路。將理解到，也可使用本文描述的冷卻系統來冷卻備選熱源。如本文所用，用語“氣體二極管”指的是不對稱的設備，該不對稱的設備形成為以便以低的逆向流率相對于另一個相反的方向在一個方向上引導流體流。如本文所述，氣體二極管能夠將振蕩流體流至少部分地轉換成穩定的流體流。圖1是用于冷卻熱源(未顯示)的示例性冷卻系統100的透視圖。圖2是系統100 的另一個透視圖。圖3是示出了系統100內的空氣流和熱量傳遞的系統100的簡明結構圖。 在示例性實施例中，系統100包括熱聲驅動式冷卻裝置102。裝置102包括第一端104、與第一端106相對的第二端106、第一側108、與第一側108相對的第二側110、頂表面112及底表面114。長度L限定在第一端104和第二端106之間。寬度W限定在第一側108和第二側110之間。裝置102可由例如金屬材料制成，以有利于將熱量從熱源傳遞到裝置102。 在備選實施例中，裝置102可由任何適當的材料制成。在示例性實施例中，通過將系統100 聯接到包括待冷卻的物體的工業電子設備和/或商用電子設備(未顯示)的零件(item) 的電源(power supply)(未顯示)上的電纜來利用功率對裝置102進行電加熱。在備選實施例中，裝置102定位成與熱源直接接觸，使得由熱源產生的熱量直接傳遞到裝置102。在另一個備選實施例中，裝置102定位成與諸如銅的導熱材料接觸，該導熱材料將由熱源產生的熱量傳遞到裝置102。在示例性實施例中，第一端104和第二端106限定諧振器，例如半波諧振器116。 因此，長度L可為波長的幾分之一(sub-multiple)。第一側108限定流體入口 118，該流體入口 118使得諸如空氣的流體能夠進入半波諧振器116。在備選實施例中，可使用其它流體。在示例性實施例中，第二側110限定流體出口 120，流體出口 120使得流體能夠離開半波諧振器116。第一軸線122限定在裝置102的入口 118和出口 120之間，如圖2中所示。 第二軸線IM垂直于第一軸線122，并且限定在第一端104和第二端106之間。此外，在示例性實施例中，熱聲驅動式冷卻裝置102包括至少一個熱聲引擎126。 熱聲引擎1 包括在第一端104處定位在第一側108和第二側110之間的第一堆疊128。 類似地，熱聲引擎126包括在第二端106處定位在第一側108和第二側110之間的第二堆疊130。各個堆疊1 和130包括第一熱交換器132(或熱端)和第二熱交換器134(或冷端)。熱聲驅動式冷卻裝置102的備選實施例可包括一個堆疊或者不止兩個堆疊。此外，備選實施例可包括在各個堆疊中的不止兩個熱交換器。多個通道136延伸通過各個堆疊1 和130以及對應的第一熱交換器132和第二熱交換器134。第一熱交換器132是各個堆疊 128和130的熱側，并且通過將系統100聯接到包括待冷卻的物體的工業電子設備和/或商用電子設備(未顯示)的零件的電源(未顯示)上的電纜(未顯示)利用功率對第一熱交換器132進行電加熱。來自第一熱交換器132的熱量通過通道136傳播到第二熱交換器 134，第二熱交換器134是各個堆疊加1 和130的冷側。第二冷交換器134將熱流傳導到運動通過熱聲驅動式冷卻裝置102的流體，并且部分地提高運動流體的溫度。系統100還包括多個氣體二極管138。在示例性實施例中，氣體二極管138布置成橋式整流器(rectifier)構造，如圖3中所示。各個氣體二極管138由連續的不對稱翼型件140之間的空間限定，如圖2中所示。各個翼型件140包括第一端142和第二端144，并且定向成與第二軸線1 平行。此外，各個翼型件140在翼型件第一端142和翼型件第二端 144之間限定翼型件軸線146，從而使得翼型件軸線146與第二軸線IM平行。第一組氣體二極管148(在圖1中顯示)定位在第一側108和隔板150(在圖1中顯示)之間，隔板150 沿著第二軸線1 對齊。第二組氣體二極管152定位在隔板150和第二側110之間。裝置 102的備選實施例可包括更多組或更少組氣體二極管。在示例性實施例中，第一組氣體二極管148定向成使得各個翼型件140的第一端142相對于第一軸線122定位在第二端144的內側。因而，通過入口 118進入裝置102的流體(例如空氣)被引導朝向第一堆疊1 和/ 或第二堆疊130向外離開第一軸線122。在沿著第一軸線122的內部區域IM和由第一組 148的各個翼型件140的第二端144限定的外部區域156之間的壓力梯度在流體上產生通道效應(channeling effect)，該通道效應強制流體離開內部區域巧4流向外部區域156。 相反，第二組氣體二極管152定向成使得各個翼型件140的第二端144相對于第一軸線122 定位在第一端142的內側。在由第二組152的各個翼型件140的第一端142限定的外部區域156和沿著第一軸線122的內部區域IM之間的壓力梯度強制流體離開外部區域156流向內部區域154。在示例性實施例中，散熱裝置158聯接到待冷卻的物體上(未顯示)。散熱裝置 158包括多個板160。各個板160定向成與第一軸線122平行。當流體離開出口 120時，熱能從散熱裝置158傳遞到離開的流體。熱聲驅動式冷卻裝置102的發出的可聽聲音在一些實施例中可為不期望的。因而，裝置102可大小設置成規定工作流體的振蕩的頻率，從而在高于或低于人類聽覺的范圍的頻率處操作裝置102。備選地，可將消聲結構(未顯示)添加到入口 118和/或出口 120，以削弱發出的聲音。在操作期間，熱聲驅動式冷卻裝置102使用來自一個或多個熱源的外部電加熱來提高第一熱交換器132的溫度，從而促使熱能流入熱聲引擎126的第一熱交換器132中。 當第一熱交換器132達到高于第二熱交換器134的臨界溫度提升(critical temperature elevation)時，熱聲引擎1 將開始在流體中產生聲振蕩。這些聲振蕩將開始使冷的環境流體運動通過熱聲驅動式冷卻裝置102。更具體而言，聲振蕩使冷的環境流體運動通過入口 118，通過定向成橋式整流器構造的多個氣體二極管138，以及通過出口 120。然后，流體流動跨過散熱裝置158，在散熱裝置158中，冷的運動環境流體從溫度更高的散熱裝置158中吸收熱能，并且從散熱裝置158中帶走該熱能。
圖4是用于冷卻熱源(未顯示)的第二個示例性冷卻系統200的透視圖。更具體而言，系統200是自供動力的冷卻系統。系統200包括如上所述的熱聲驅動式冷卻裝置102， 以及散熱裝置202。散熱裝置202包括第一端204、與第一端204相對的第二端206、第一側 208，以及與第一側208相對的第二側210。長度Lhs限定在第一端204和第二端206之間。 寬度Whs限定在第一側208和第二側210之間。第一端204大小設置成接收熱聲驅動式冷卻裝置102的第一端104，而第二端206大小設置成接收熱聲驅動式冷卻裝置102的第二端 106。在操作期間，熱聲驅動式冷卻裝置102如以上描述的那樣起作用，以驅動流體，只是代替如上所述那樣使用外部電加熱來提高第一熱交換器132的溫度，散熱裝置202成形成接觸各個堆疊1 和130的第一熱交換器132，從而使得散熱裝置202的升高的溫度提高各個第一熱交換器132的溫度。因而，產生反饋回路，其中，在待冷卻的物體產生熱能時，物體的溫度將升高，而且熱能將流入散熱裝置202中。然后，當散熱裝置溫度升高時，熱能將流入熱聲引擎126的各個第一熱交換器132中。當各個第一熱交換器132達到高于各個第二熱交換器134的臨界溫度提升時，熱聲引擎1 將開始在流體中產生聲振蕩。這些聲振蕩將開始使冷的環境流體運動通過熱聲驅動式冷卻裝置102，并且跨過散熱裝置202，在散熱裝置202中，冷的運動環境流體從溫度更高的散熱裝置202中吸收熱能，并且開始降低散熱裝置202的溫度，從而減小所產生的聲能。減小聲能繼而減少了流體流，這會降低從散熱裝置202中移除的熱量。散熱裝置202的溫度開始再次升高。這種反饋循環持續，直到從物體傳導到熱聲驅動式冷卻裝置102中的熱能和由流出熱聲驅動式冷卻裝置102的環境流體吸收到的熱能的變化之間達到平衡，即兩者相匹配。圖5是示出了用于使用如以上參照圖1-3所述的冷卻系統100或如以上參照圖4 所述的冷卻系統200來冷卻物體(例如熱源)的示例性方法300的流程圖。例如參照圖 1-3，在示例性實施例中，系統100聯接302到待冷卻的物體上。在示例性實施例中，通過將系統100聯接到包括待冷卻的物體的工業電子設備和/或商用電子設備(未顯示)的零件的電源(未顯示)上的電纜(未顯示)利用功率對裝置102進行電加熱。在備選實施例中， 裝置102以直接接觸的方式與物體聯接，使得由物體產生的熱量直接傳遞到裝置102。在另一個備選實施例中，裝置102以接觸的方式與導熱材料(例如銅)聯接，導熱材料將由物體產生的熱量傳遞到裝置102。在示例性實施例中，通過入口 118將流體引導304到裝置102中。當熱量傳遞到裝置102時，流體的聲振蕩由第一堆疊1 和/或第二堆疊130產生306。聲振蕩在裝置 102內諧振，建立振幅，并且導致在裝置102內的流體在第一端104和第二端106之間來回進行較大的振蕩運動。然后將流體引導308通過定位成橋式整流器構造的多個氣體二極管138。更具體而言，流體被引導朝向第一堆疊1 和/或第二堆疊130向外離開第一軸線122通過第一組氣體二極管148。在內部區域巧4和外部區域156之間的壓力梯度產生通道效應，該通道效應強制流體離開內部區域1 流向外部區域156。然后流體被引導朝向第一軸線122 離開第一堆疊1 和/或第二堆疊130通過第二組氣體二極管152，并且因此被引導朝向出口 120。在外部區域156和內部區域IM之間的壓力梯度強制流體離開外部區域156流向內部區域154。通過以這種方式引導流體通過裝置102，流體的振蕩被整流(rectify)成穩定的流體流。當正被引導通過氣體二極管138時，熱量被傳遞310到流體，以有利于從裝置102中移走熱量。當流體通過出口 120離開裝置102時，流體被引導312跨過散熱裝置 158，從而使得熱能從散熱裝置158傳遞到流體，以有利于物體的附加的冷卻。上述方法、系統及設備有利于在不使用運動部件的情況下冷卻物體。在不使用運動部件的情況下冷卻物體有利于獲得更高的平均故障間隔時間，并且因此與自然對流相比有利于獲得改進的冷卻作用，但是具有同等的可靠性，這使得能夠使用功率更高的微處理器、集成電路及待在工業產品中使用的其它電子構件。以上對用于冷卻物體的方法、系統及設備的示例性實施例進行了詳細描述。方法、 系統及設備不限于本文描述的具體實施例，而是相反，方法的步驟和/或系統和/或設備的構件可獨立地并且與本文描述的其它步驟和/或構件分開來使用。另外，所描述的方法步驟和/或系統或設備構件同樣可限定在其它方法、系統和/或設備中，或者與它們結合起來使用，并且不限于僅用本文描述的方法、系統和設備來實踐。如本文所用，以單數敘述且以詞語“一個”或“一種”開頭的元件或步驟應當理解為不排除多個所述元件或步驟，除非明確敘述了這種排除。另外，對一個上述實施例的參照不意在理解為排除也結合了所敘述的特征的另外的實施例的存在。雖然已經根據各種具體實施例對本文公開的主題進行了描述，但是本領域技術人員將認識到，可利用在權利要求的精神和范圍內的修改來實踐上述實施例。
權利要求
1.一種用于使用聯接到物體上的冷卻裝置來冷卻所述物體的方法，所述冷卻裝置包括至少一個熱聲引擎和多個氣體二極管，所述方法包括利用所述至少一個熱聲引擎產生聲功率； 引導流體的聲振蕩通過所述多個氣體二極管；以及將由所述物體產生的熱量傳遞到所述流體，以有利于從所述物體中移走熱量。
2.根據權利要求1所述的用于冷卻物體的方法，其特征在于，利用所述至少一個熱聲引擎產生聲功率包括使用由熱源產生的熱量來產生所述流體的聲振蕩。
3.根據權利要求1所述的用于冷卻物體的方法，其特征在于，所述多個氣體二極管布置成橋式整流器構造，并且其中，引導流體的聲振蕩通過所述多個氣體二極管包括通過入口將流體引導到所述冷卻裝置中，引導所述流體通過所述橋式整流器，以及通過出口將所述流體引導出所述冷卻裝置。
4.根據權利要求2所述的用于冷卻物體的方法，其特征在于，所述至少一個熱聲引擎包括具有熱端和冷端的至少一個堆疊，并且其中，將由所述物體產生的熱量傳遞到所述流體包括利用所述熱端來吸收由所述物體產生的熱量；以及使用被引導通過所述多個氣體二極管的所述流體來冷卻所述冷端。
5.根據權利要求4所述的用于冷卻物體的方法，其特征在于，所述方法還包括當所述流體離開所述出口時，引導所述流體通過聯接到所述冷卻裝置上的散熱裝置；以及將熱量從所述散熱裝置傳遞到所述流體。
6.一種熱聲驅動式冷卻裝置，包括至少一個熱聲引擎，其構造成吸收由熱源產生的熱量，以及使用吸收到的熱量來產生聲功率；限定在所述熱聲驅動式冷卻裝置內的流體入口；多個氣體二極管，其構造成使用所述聲功率來引導冷卻流體通過所述熱聲驅動式冷卻裝置，從而使得吸收到的熱量從所述至少一個熱聲引擎傳遞到所述流體，以有利于從物體中移走吸收到的熱量；以及限定在所述熱聲驅動式冷卻裝置內的流體出口。
7.根據權利要求6所述的熱聲驅動式冷卻裝置，其特征在于，所述至少一個熱聲引擎包括堆疊，所述堆疊包括第一熱交換器和相對的第二熱交換器，所述第一熱交換器構造成吸收由所述熱源產生的熱量，而所述第二熱交換器構造成在所述流體被引導通過所述熱聲驅動式冷卻裝置時由所述流體冷卻。
8.根據權利要求6所述的熱聲驅動式冷卻裝置，其特征在于，所述至少一個熱聲引擎包括在所述熱聲驅動式冷卻裝置的第一端處的第一熱聲引擎，以及在所述熱聲驅動式冷卻裝置的與所述第一端相對的第二端處的第二熱聲引擎，從而使得所述第一熱聲引擎和所述第二熱聲引擎限定半波諧振器。
9.根據權利要求8所述的熱聲驅動式冷卻裝置，其特征在于，所述流體入口限定在所述半波諧振器的第一零聲壓節點處，而所述流體出口限定在所述半波諧振器的第二零聲壓節點處。
10.根據權利要求7所述的熱聲驅動式冷卻裝置，其特征在于，軸線限定在所述流體入口和所述流體出口之間，所述多個氣體二極管包括相對于所述流體入口定位的第一組氣體二極管，所述第一組氣體二極管構造成將所述流體引導離開所述軸線朝向所述至少一個熱聲引擎的第二熱交換器；以及相對于所述流體出口定位的第二組氣體二極管，所述第二組氣體二極管構造成將所述流體從所述至少一個熱聲引擎的第二熱交換器引導朝向所述軸線。
11.根據權利要求6所述的熱聲驅動式冷卻裝置，其特征在于，所述熱聲驅動式冷卻裝置還包括相對于所述流體入口和所述流體出口中的至少一個定位的至少一個消聲結構。
12.根據權利要求6所述的熱聲驅動式冷卻裝置，其特征在于，所述多個二極管布置成橋式整流器。
13.根據權利要求7所述的熱聲驅動式冷卻裝置，其特征在于，當所述流體離開所述熱聲驅動式冷卻裝置時，所述流體出口弓丨導所述流體通過外部散熱裝置，其中，所述流體從所述外部散熱裝置中吸收熱量。
14.一種冷卻系統，包括熱聲驅動式冷卻裝置，包括至少一個熱聲引擎，其構造成吸收由熱源產生的熱量，以及使用吸收到的熱量來產生聲功率；和多個氣體二極管，其構造成使用所述聲功率來引導冷卻流體通過所述熱聲驅動式冷卻裝置，從而使得吸收到的熱量從所述至少一個熱聲引擎傳遞到所述流體，以有利于從所述物體中移走吸收到的熱量；以及聯接到所述熱聲驅動式冷卻裝置上的散熱裝置，所述散熱裝置構造成吸收從所述物體中移除的熱量，以及在所述流體離開所述熱聲驅動式冷卻裝置時，將熱量傳遞到所述流體。
15.根據權利要求14所述的冷卻系統，其特征在于，所述至少一個熱聲引擎包括堆疊， 所述堆疊包括第一熱交換器和相對的第二熱交換器，所述第一熱交換器構造成吸收由所述熱源產生的熱量，而所述第二熱交換器構造成在所述流體被引導通過所述熱聲驅動式冷卻裝置時由所述流體冷卻。
16.根據權利要求14所述的冷卻系統，其特征在于，所述至少一個熱聲引擎包括在所述熱聲驅動式冷卻裝置的第一端處的第一熱聲引擎，以及在所述熱聲驅動式冷卻裝置的與所述第一端相對的第二端處的第二熱聲引擎。
17.根據權利要求16所述的冷卻系統，其特征在于，所述第一熱聲引擎和所述第二熱聲引擎限定半波諧振器。
18.根據權利要求16所述的冷卻系統，其特征在于，軸線限定在所述熱聲驅動式冷卻裝置的流體入口和流體出口之間，所述多個氣體二極管包括相對于所述流體入口定位的第一組氣體二極管，所述第一組氣體二極管構造成引導所述流體離開所述軸線朝向所述至少一個熱聲引擎的第二熱交換器；以及相對于所述流體出口定位的第二組氣體二極管，所述第二組氣體二極管構造成將所述流體從所述至少一個熱聲引擎的第二熱交換器引導朝向所述軸線。
19.根據權利要求18所述的冷卻系統，其特征在于，所述熱聲驅動式冷卻裝置還包括相對于所述流體入口和所述流體出口中的至少一個定位的至少一個消聲結構。
20.根據權利要求17所述的冷卻系統，其特征在于，流體入口限定在所述半波諧振器的第一零聲壓節點處，而流體出口限定在所述半波諧振器的第二零聲壓節點處。
全文摘要
一種用于冷卻物體的方法包括將冷卻裝置聯接到物體上，其中，該冷卻裝置包括至少一個熱聲引擎和多個氣體二極管；利用熱聲引擎產生聲功率；引導流體的聲振蕩通過氣體二極管；以及將由物體產生的熱量傳遞到流體，以有利于從物體中移走熱量。
文檔編號F25B9/14GK102159833SQ200980117798
公開日2011年8月17日 申請日期2009年4月8日 優先權日2008年5月13日
發明者E·瑟瑙 申請人:通用電氣智能平臺有限公司