CN101568732B - 具有频率控制的脉动流体冷却 - Google Patents

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Abstract

一种脉动流体冷却设备，其包括：用于生成脉动流体流的换能器(1)和用于将脉动流引向待冷却对象(4)的流体引导结构(3)。设备进一步包括：用于检测换能器外部的至少一个变量的传感器(7)、用于提供指示该变量的反馈信号的反馈路径(6)、以及布置成接收反馈信号并基于所述反馈生成频率控制信号、从而控制换能器工作频率的控制电路(5)。通过向控制电路提供关于对象处条件的信息，可以基于实际的性能控制频率。可以根据测量到的变量优化性能。例如，如果反馈信号包括关于对象的温度变化的信息，控制电路可以布置用于选择导致最优冷却的工作频率。

Description

具有频率控制的脉动流体冷却
技术领域
本发明涉及脉动流体冷却，即，这样的冷却：其中换能器诱导振荡，以产生能够引向待冷却对象的脉动流体流。它可能有利于在其共振频率处或至少接近其共振频率处驱动***，以便获得高流体速度。
背景技术
由于源于例如比传统设备更紧凑的和/或更高功率的最新研发电子设备的更高热流量密度，对于冷却的需要已经在各种应用中增加。这种改进的设备的实例包括：例如更高功率的半导体光源(比如，激光器或发光二极管)、RF功率设备以及更高性能的微处理器、硬盘驱动器、光驱动器(如，CDR、DVD和蓝光驱动器)、以及大面积设备(比如，平板电视和光源)。
作为通过风机冷却的可替代方案，文献WO2005/008348公开了一种用于冷却目的的合成射流激励器和管。管连接到共振腔，且在管的远端产生脉动射流，并且该脉动射流可以用来冷却对象。腔和管形成亥姆霍兹(Helmholtz)共振器，即，二阶***，其中在腔中的空气充当弹簧，而管中的空气充当质量(mass)。
由N.Beratlis等人在Optimization of synthetic jet coolingfor microelectronics application，19th SMITHERM San Jose，2003中给出了另一个实例。这里，公开了一种具有两个振动膜的合成射流，其中每一振动膜与相同的孔通信。
已经发现，对于冷却，这种脉动流体流(典型地为空气流)比如典型地用在传统冷却***(例如，冷却风机)中的层流更有效。共振冷却***进一步需要更少的空间，并且生成更少的噪声。
为了获得最大效率，这种脉动冷却***优选地以特定工作频率(例如，***的共振频率或***振频率)驱动。现有技术的冷却设备缺乏用于确保这种高效驱动的令人满意的装置。
更一般地说，传统脉动冷却设备缺乏基于冷却设备的条件和性能来适应和控制换能器的工作频率的能力。
发明内容
因此，本发明的目的是使脉动冷却设备的工作频率能够适应冷却***的条件和性能。
根据第一发明构思，这个或者其它目的可以通过脉动流体冷却设备来实现，该脉动流体冷却设备包括：用于生成脉动流体流的换能器、用于将脉动流引向待冷却对象的流体引导结构、用于检测表示对象条件的至少一个变量的传感器、用于提供指示该变量的反馈信号的反馈路径、以及布置成接收反馈信号并基于所述反馈生成频率控制信号、从而控制换能器的工作频率的控制电路。因此基于外部反馈路径来执行对工作频率的控制，该反馈路径可以提供来自待冷却对象的信息。这种信息可以包括但不限于：对象的温度变化、对象附近的流体流量、对象附近的流体速度、等等。
因此，频率控制将使工作频率能够适应冷却设备的性能。例如，这种频率控制可以用来确保令人满意的冷却效率。
通过向控制电路提供关于对象处条件的信息，可以基于实际性能来控制频率。可以根据测量到的变量来优化性能。例如，如果反馈信号包括关于对象的温度变化的信息，控制电路可以布置用于选择导致最优冷却的工作频率。
根据第二发明构思，脉动流体冷却设备包括：用于生成脉动流体流的换能器，用于将脉动流引向待冷却对象的流体引导结构，用于将指示横跨换能器的电压相位的第一信号和指示通过换能器的电流相位的第二信号相结合以生成相位差信号的组合单元、以及用于根据该相位差信号控制换能器的频率的控制电路。
在这种情况下，工作频率是设备(即，换能器和引导结构)的共振频率或***振频率，并且控制单元布置用于确保该工作频率。
在文献WO 2005/027569中公开了用于确保共振频率驱动的这种电路，但是没有提出将该电路用在脉动流体冷却设备中。因此该组合本身是新颖的。
在第一发明构思的背景下，根据WO2005/027569的控制***由来自传感器的外部反馈来补偿，由此实现基于与外部反馈(比如，温度)相结合的共振频率控制来调整控制策略。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施例的附图，更详细地描述本发明的这个和其他方面。
图1是根据本发明实施例的脉动流体冷却设备的示意图。
图2是图1中的控制器的第一可替代方案的框图。
图3是根据本发明的脉动流体冷却设备的示意图。
图4是图1中的控制器的第二可替代方案的框图。
具体实施方式
图1示出根据本发明实施例的脉动流体冷却***的实施例。***包括：布置在外壳2中的换能器1和在这里以从腔伸出的管为形式的流体引导结构3。在运行中，换能器产生脉动流体流，其由流体引导结构引向待冷却对象4，比如，集成电路。
***进一步包括控制单元5，其适于控制换能器的频率，以便优化冷却过程。反馈路径6适于为控制单元提供反馈信号。反馈信号代表冷却设备外部的变量，并且可以有利地与对象4的物理量相关。反馈信号可以由传感器7生成。
在图示的实例中，反馈信号涉及对象的温度，并且传感器7设计用于生成指示温度的信号。
根据一个实施例，传感器布置用于检测流过以I C为形式的对象4的电流。通过在受到恒定电压差的位置处执行测量，检测到的电流将指示IC的温度。
根据另一个实施例，传感器是更传统的温度变送器(transmitter)，其提供与传感器所经受的温度成比例的电压。
图2中示出控制单元5的实例。单元5包括：处理单元11、压控振荡器(VCO)12、和运算放大器13。处理单元11连接到反馈路径6，并且接收反馈信号，例如来自传感器7的温度指示。基于该反馈，处理单元11确定适合于实现理想冷却性能的频率，并且向VCO12提供对应于该频率的电压。VCO12以所要求的频率振荡，并且其输出提供给运算放大器13，该运算放大器13又连接到换能器1。
处理单元11中的处理依赖于所提供的反馈，还有理想性能的反馈。根据一个实例，处理单元11适于监控与所施加的频率有关的对象4的温度变化。根据该关系，可以选择绝对的和局部的最小值，即，对象4的温度最小时对应的频率。这对应于当前最有效的冷却频率。注意到，这种反馈确保了在动态处理中(即，在最优冷却频率应当随着时间变化的情况下)也保持最优频率。根据另一个实例，反馈信号涉及在对象4附近的网络流体流量。随后处理单元可以调整频率，以确保最大的网络流量，这典型地将确保令人满意的冷却。
图3示出本发明的不同的实施例。这里，换能器1布置成以等于设备的共振频率或***振频率的工作频率来控制。这些工作频率的特性在于，它们将导致横跨换能器的电压与流过换能器的电流同相。因此，频率控制可以基于该关系。
图3中的控制电路包括：压控振荡器(VCO)12，其经运算放大器13连接到换能器。该控制电路进一步包括：连接在换能器线圈与地之间的电阻器23。因此横跨电阻器的电压VR将与通过线圈的电流同相。该电压VR连接到也具有来自VCO12的驱动电压VVCO的组合单元24(例如倍增器)。组合单元24的输出连接到控制单元25，该控制单元又控制VCO12。
来自组合单元24的输出代表电压VR和VVCO之间的相位差。控制单元25基于相位差向VCO 12提供控制信号，以便控制VCO12，从而生成共振(或***振)频率。在WO2005/027569中描述了这种控制的细节，该文献通过引用合并与此。
如图4所示，图2和3的控制方案可以相结合。因此，所得到的控制将图2所示的外部反馈控制与图4所示的相位差控制相结合。图4中的大多数元件对应于图2和3中的元件，并且因此已经给出了相同的参考标记，并仅仅按照它们的功能来描述。
在这里，控制单元31适于接收两个反馈信号；一个外部的，来自传感器7，一个内部的，来自组合单元24。恰如图3所示，控制单元31适于基于来自组合单元24的相位差信号执行频率控制。然而，目标相位差不需要为零，如图3所示。代替地，目标相位差由控制单元基于外部反馈来确定，从而使得冷却处理最优化，如上参照图2所概述。
本领域的技术人员意识到，本发明绝不限于上述优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和改变是可能的。例如，可以使用各种其他类型的传感器来提供合适的反馈。此外，可以研发多种控制方案以便基于可用的反馈来优化和改进冷却性能。

Claims (8)

1.一种脉动流体冷却设备，其包括：用于生成脉动流体流的换能器（1）和用于将脉动流引向待冷却对象（4）的流体引导结构（3），其特征在于：
传感器（7），其用于检测换能器外部的至少一个变量，
反馈路径（6），其用于提供指示该变量的反馈信号，以及
控制电路（5），其布置成接收反馈信号并基于所述反馈信号生成频率控制信号，从而控制换能器使之以等于所述设备的共振频率或***振频率的工作频率进行工作。
2.根据权利要求1的冷却设备，其中，所述变量涉及待冷却对象（4）处的条件。
3.根据权利要求2的冷却设备，其中，所述变量涉及对象的温度变化、对象附近的流体流量、以及对象附近的流体速度之一。
4.根据前述权利要求中任意一项的冷却设备，其中，控制电路（5）包括压控振荡器（12）。
5.根据前述权利要求1-3中任意一项的冷却设备，其中，控制电路（5）包括：
组合单元（24），其用于将指示横跨换能器（1）的电压相位的第一信号与指示通过换能器的电流相位的第二信号相结合，以便生成相位差信号，以及
控制单元（31），其用于基于该相位差信号生成所述频率控制信号。
6.一种用于通过生成脉动流体流并且将所述流体流引向对象（4）来冷却所述对象（4）的方法，所述方法的特征在于：
检测换能器外部的至少一个变量，
提供指示该变量的反馈信号，以及
基于所述反馈信号生成频率控制信号，以及
使用所述控制信号来控制换能器使之以等于脉动流体冷却设备的共振频率或***振频率的工作频率进行工作。
7.根据权利要求6的方法，所述变量涉及待冷却对象（4）处的条件。
8.根据权利要求7的方法，所述变量涉及对象的温度变化、对象附近的流体流量、以及对象附近的流体速度之一。
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