IT8048612A1 - Dispositivo a stato solido per il pompaggio di liquidi o gas, in particolare per la ventilazione di apparecchiature elettroniche. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE a corredo di una domanda di brevetto per invenzione avente per titolo "Dispositivo a stato solido per il pompaggio,di liquidi o gas, in particolare, per la ventilazione di apparecchiature elettroniche".

RIASSUNTO

Oggetto dell invenzione ? un dispositivo di pompaggio, per gas o liquidi avente un alloggiamento ed un organo propulsore resiliente sostanzialmente piano montato sull?alloggiamento per essere libero di muoversi perpendicolarmente al piano dello organo propulsore. Un mezzo per azionare l?organo propulsore e che agisce almeno su un punto di tale organo propulsore opera in modo da far propagare una onda di flessione progressiva lungo l'organo propulsore nel piano di tale organo propulsore per il pompaggio del gas o del liquido . Nella preferita, orma di realizzazione dell'invenzione, lorgano propulsore ? costituito da una paletta allungata e viene azionato da un elemento di flessione piezoelettrico mobile in avanti d indietro sotto l'azione di un alimentatore di energia in corrente alternata con

trollato. Prefer?bilmerte, l?aletta o diaframma ? contenuta in un canale o condotto in modo tale che di movimento di ondulazione della paletta contro le pareti del condotto agisca come un mezzo valvolare.

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE Le apparecchiature elettroniche sono abitualmente raffreddate impiegando ventilatori o ventole girevoli che fanno circolare l'aria attraverso lo intero alloggiamento per mantenere una temperatura di funzionamento costante. Il mantenimento della temperatura in stato stazionario dei componenti elettronici ? importante non soltanto per impedire il surriscaldamento, ma anche per assicurare un funzionamento affidabille.

La maggior parte delle apparecchiature elettroniche ora contengono soltanto componenti elettronici a stato solido, per esempio transistori miniaturizzati e circuiti integrati e non utilizzano pi? tubi a vuoto ed altri componenti che producono una quantit? di calore generalmente grande. La entit? del raffreddamento richiesto per mantenere stabili temperature di funzionamento ? stata pertanto sostanzialmente ridotta. Inoltre, le esigenze di raffreddamento sono state localizzate poich? soltanto diversi p?ccolissimi componenti tipicamente montati su pannelli di circuiti stampat richiedono in pratica il raffreddamento. Perci? il raffreddamento dell'intera custodia non ? richiesto. Nonostante ci? anche se questa soluzione ? dispendiosa, le apparecchiature elettroniche hanno continuato ad essere raffreddate in questa maniera, poich? n? i ventilatori g?revoli ne altri dispositivi di raffreddamento sono stati convenientemente miniaturizzati ed i ventilatori girevoli, che sono stati sostanzialmente perfezi?nati nel corso degli anni continuano ad offrire il pi? affidabile ed efficace metodo di raffreddamen-. In confronto , tuttavia, quando usati in apparec chiatura elettroniche a stato solido, i ventilatori rotanti o ventole si manifestano come l'unico componente mobile pi? grande, rumoroso e di minore durata del complesso e come il componente che pi? severamente limita le specificazioni di tolleranza ambientali.

Un' altra forma di ventilatore che utilizza il principio di una paletta vibrante, ? stata pr?posta nel passato. Il brevetto austriaco No. 167983 di Anderle ed ilbrevetto statunitense No. 4.063.826 di Riepe, rappresentano esempi tipici di tali progettazioni.In ciascuno di questi brevetti, una paletta flessibile ? montata fermamente sull'estremit? di entrata di un condotto di ventilatore e viene azionata magneticamente da lato a lato nel condotto per far propagare un movimento ad onda progressiva lungo la paletta ed in questo modo pompare aria liquido. Teoricamente, per effetto delle poche parti, mobili, i ventilatori di questo tipo sono suscettibili di miniaturuizzazione come considerazione di ordine pratico, tuttavia, essi sono generalmente cos inefficienti e che sono pi? idonei alla produzione di calore che a generare un movimento di aria di raffreddamento, con il risultato che nessuno di essi ha potuto essere significativamente diffuso in commerci?

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

la presente invenzione consiste in un rivoluzionario ventilatore a stato solido del tipo a paletta a movimento ondulatorio che ? estremamente, efficiente, economico da produrre e progettato per una lunga durata utile.

In modo pi? specifico, la presente invenzione consiste in un dispositivo di pompaggio che pu? essere usato per pompare gas o liquidi avente un alloggiamento ed una paletta o organo propulsore allungato montato sull 'alloggiamento e libero di muoversi lateralmente. Un elemento di flessione piezoelettrico

o cos? detto "bilaminato" ? montato in una estremit? di un alloggiamento e, sull'altra sua estremit?, supporta la paletta per applicare una forza motrice sinusoidale alla paletta per far propagare una onda d flessione progressiva lungo la paletta ed in questo modo per pompare il gas o il liquido. Come cos? montata , l'intera lunghezza diuna paletta ? libera di muoversi lateralmente quando viene azionata in avanti ed indietro dall'elemento piezoelettrico. Preferibilmente, la paletta ? contenuta in un ca nale o condotto di pompaggio previsto nell'alloggiamento e viene azionata in relazione di quadratura in modo tale che lo stesso movimento della paletta fornisca una azione valvolare di entrata e di uscita.

Il bilaminato piezoelettrico ? costituito da una piastrina che consiste di due strati di materiale ceramico piezoelettrico polarizzati in direzioni opposte che, sui loro lati contrapposti sono separati da uno strato conduttore e che sulle loro facce esterne sono circondati da strati conduttori. I due strati conduttori esterni sono collegati come elettrodi ad alimentatore dicorrente alternata controllato. Poich? gli strati piezoelettrici pre -sentano polarit? opposta, la tensione applicata alla piastrina del bilaminato provoca la flessione dello elemento. In accordo con ci? , la tensione alternativa attraverso l 'elemento piezoelettrico azioner? la paletta in avanti ed indietro nel punto di collegamento.

Quando azionata in un punto, il materiale della paletta, la resilienza, la rastremazione e la larghezza sono parametri scelti preferibilmente in modo da sintonizzare l'organo propulsore sulla frequenza di oscillazione della disposizione, motrice per comportare un funzionamento stabile ed efficiente. Alternativamente, la paletta pu? essere sezionata in due o pi? punti nel qual caso queste considerazioni diventano meno critiche e si pu? ottenere un elevato rendimento anche ad altra frequenza diversa dalla frequenza di risonanza.

Il ventilatore opera senza alcun sostanziale attrito meccanico permettendo cos? una elevata velocit? di funzionamento, un rendimento conseguentemente elevato in relazione alla grandezza, una durata di funzionamento virtualmente illimitata e la possibilit? di miniaturizzazione con la produzione ancora di un significativo flusso di aria per raffreddare componenti in miniatura. Nella sua forma miniaturizzata, il dispositivo pu? essere montato direttamente su pannelli di circuiti stampati, lungo i singoli componenti che richiedono il raffreddamento e, grazie al suo elevato rendimento, fornir? un sufficiente flusso di aria di raffreddamento.

Il ventilatore preferibilmente ? costruito con una coppia di palette in contro oscillazione in canali di pompaggio in parallelo, in modo tale che esso sia dinamicamente bilanciato e privo di vibrazioni. L'efficienza del pompaggio del dispositivo pu? essere migliorata impiegando aperture di entrata del tipo Venturi lungo la met? di uscita del condotto per aumentare il flusso di aria attraverso i condotti

BREVE DESCRIZE DEI DISEGNI

Per una migliore comprensione dell'invenzione si pu? fare riferimento alla seguente descrizione dettagliata delle preferite forme di realizzazione, da prendere insieme ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 rappresenta una vista illustrativa di un ventilatore a stato solido comprenden te una coppia di palette azionate da elementi piezo elettrici in conformit? all'invenzione;

la figura 2 rappresenta una vista in sezi ne longitudinale di un elemento di azionamento a bilaminato piezoelettrico da usare con il ventilatore della figura 1 le figure 3a, 3b, 3c, 3d, 3e e 3f sono rappresentazioni schematiche prima della paletta a riposo e quindi del movimento di pompaggio della paletta, in relazione di fase in quadratura, in vari punti del ciclo di oscillazione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE PREFERITE FORME DI REALIZZAZIONE

Con riferimento alla figura 1, un ventilatore a stato solido secondo la presente invenzioni comprende un alloggiamento 10, le pareti esterne 12 ed un divisorio interno 14 che form a una coppia di canali di aria.16 fra le piastre di copertura di fondo 17a e di sommit? 17b. Il ventilatore ? rappresentato con la piastra di copertura di sommit? 17b sollevata per maggiore chiarezza. Una coppia di palette resilienti 18 sono montate nei canali 16 per trascinare l'aria attraverso il dispositivo. Le pa-j lette 18 sono generalmente rastremate dalle loro estremit? di entrata 24 verso le estremit? di uscita 22 e presentano le porzioni a frusta. 0 nelle loro estremit? di uscita 22 per migliorare la capacit? di pompaggio di uscita dell'aria. Le porzioni a frusta 20 sono preferibilmente realizzate in Mylar.

Un bilaminato piezoelettrico 28 viene fis

sato in una estremit? 40 per esempio per mezzo di un supporto in materiale plastico e di viti 41 , a ciascuna delle pareti 12 dell'alloggiamento e nella altra estremit? 42 mediante cementazione oppure un qualsiasi altro mezzo conveniente ad un punto su ciascuna paletta 18 per supportare la paletta nel canale 10, in maniera tale che, in seguito al movimento laterale dei bilaminati, le palette 18 siano libere di subire una deflessione laterale simultanea. Questa disposizione di montaggio permette il libero movimento laterale della paletta 18 per l'intera lunghezza con corrispondente movimento laterale della estremit? 42 dell?elemento piezoelettrico 28

Un elemento piezoelettrico conveniente per l'uso nella presente invenzione ? disponibile sul mercato per fornitura della Gulton Industries, Inc., Piezo Products Division, Metuchen, N.J., con la denominazione "Piezo Ceramic Bendar Element", No. G1195 Ciascuna piastrina a bilaminato 28 (figura 2) presenta due strati di materiale ceramico piezoelettri co 29 separati da uno strato di materiale conduttore 30, per esempio ottone. Gli strati esterni 32 e 34 sono di argento e sono collegati ai conduttori 36 e 38 di un alimentatore di corrente alternata controllato 39., I due strati 29 di materiale cera

ico sono polarizzati in direzioni opposte in modo tale che la corrente attraverso il bilaminato induca un movimento di flessione nella piastrina. Poich? la piastrina 28 del bilaminato ? fissata sull 'alloggiamento nel punto 41 , una corrent alternata controllata pertanto provoca il fatto che l 'estremit? libera 42 dell 'elemento piezoelettrico 28 si muova in avanti ed indietro alla frequenza della corrente. Il movimento di flessione dei bilaminati 28, a sua volta, aziona le palette 18 in avanti ed indietro nel punto di collegamento 42 con frequenza controllata.

Anche se non illustrato nella figura 1 , collegamenti dagli elementi piezoelettrici 28 al-'alimentator edi energia 39 sono convenientemente effettuati nell?estremit? 40, al disotto del supporto 4.1 .

Quando azionata in avanti ed indietro, la paletta 18 rappresenta un braccio sottoposto a carichi combinati di flessione e di taglio che variano cos? rapidament che gli effetti inerziali pred omina -no per far propagare un ' onda di flessione progressi va lungo la paletta o organo propulsore dalla estre mit? di entrata del condotto verso l'estremit? di uscita del condotto. Tipicamente viene applicala un corrente che oscilla nell'intervallo fra 60 e 400 Hz. La pi? efficiente azione di pompaggio si ottiene quando la forza motrice viene applicata in quadratura, vale a dire in modo da produrre un ritardo di fase di 90? fra le posizioni relative della paletta in prossimit? dell?estremit? di entrata del condotto ed in prossimit? dell'estremit? di uscita, come lustrato schematicamente nelle figure 3a-3f. La forza motrice (F) viene applicata in un singolo punto e con una frequenza scelta dipendente per esempio dal materiale della paletta, dalla rastremazione e dalla resilienza eperci? dalla frequenza di risonan za della paletta, in modo ale che la paletta subisca sia uno spostamento laterale sia una flessione nel punto della forza applicata. La forza motrice F sulla paletta produce le successive forme ella paletta rappresentate nelle figure 3a?3f e le dire zioni di movimento dell'aria (A) indicate dalle frecce come descritto in seguitoon riferimento alla figura 3a, con la paletta 18a riposo, una forza laterale iniziale F vie ne applicata (dall'elemento piezoelettrico) alla paletta nel punto 42. Successivamente la porzioneposteriore della paletta 18 si muove verso la parete 16a del condotto, con l'estremit? anteriore della paletta in ritardo (figura 3b) per effetto della 1 inerzia. Il movimento laterale della paletta 18 nel punto 42 non soltanto spinge l'aria nel condotto verso l'estremit? di uscita ma aspira anche l?aria dall'estremit? di entrata

Quando la porzione posteriore (in 42) della paletta 18 raggiunge la parete 16a del condotto (figura 3b) la forza F applicata al bilaminato vieinvertita (figura 3c) per spostare la porzione posteriore della paletta verso l'altra parete 16b (figura 3d). L'estremit? anteriore, della paletta, tuttavia, continua ad essere in ritardodi 90? del ciclo di oscillazione. Quando il punto azionato 14 della paletta raggiunge l'altra parete 16b, la forza E viene ancora invertita (figura 3e) per spostare la paletta verso l'indietro, ancora l'estremit? anteriore della paletta raggiunge la pareto 16b del condotto con ritardo di 90? nel ciclo di oscillazione (figura 3f). Il movimento della paletta continua ad aspirare aria nel ventilatore ed espelle l'aria una volta che esso si trovi nel condotto. Un ottimo rendimento di pompaggio si ottiene quando la frequenza di risonanza della paletta coincide oppure ? prossima alla fre? quenza di azionamento del complesso del bilaminato piezoelettrico 28, poich? ci? ma tiene una relazione di quadratura fra la porzione in anticipo {posteri?re) ? la porzione in ritardo (estremit? anteriore) della paletta 18 e fornisce una azione valvolare di entrata adi uscita, come illustrato nelle figuro 3b-3f.

La paletta pu? essere azionata in un mezzo libero oppure in un condotto, per esempio 16. In quest?ultima forma di realizzazione, il condotto 16 presenta una larghezza, tale che le estremit? 14 e 22 delle palette 18 tocchino oppure quasi tocchino le pareti del condotto, durante il movimento laterale in avanti e indietro, il contatto a valle essendo in ritardo rispetto, al punto di contatto a monte di 90? del ciclo di oscillazione. Cosi, i due punti di contatto avranno una relazione di quadratura uno rispetto all'altro cosi che le punte della paletta svolgono le funzioni di valvole di entrata e di uscita. Si vedano, le figure 3b-3f. L'uscita dell'aria viene anche perfezionata se le sfinestrature di aria Venturi 6 sono fornite nelle pareti dei condotti nella met? di uscita del dispositivo di ventilazione.

Nella forma di realizzazione della figura 1, il dispositivo di ventilazione ontiene due palette in contro-oscillazione 18 per operare con uno sfasamento reciproco di 180?. Il movimento complementare in avanti ed indietro delle due palette 18 fornisce un bilanciamento dinamico ed impedisce la vibrazione del dispositivo.

Come esempio dell'efficienza del funzionamento della presente invenzione, una forma miniaturizzata del dispositivo di ventilazione costruito in conformit? alla figura 1, avente una lunghezza complessiva di circa 1,75 pollici, una larghezza di 0,75 pollici ed una altezza di 0,5 pollici (1 pollice equivale a 2,54 cm) ed operante con una frequenza di 60 Hz per mezzo dei bilaminati piezoelettrici, produce una sufficiente uscita di aria ed una sufficiente pressione di uscita per essere capace di spegnere un accendino a prova di vento di tipo Zippo. Perci?, il dispositivo ? molto efficiente e nelle prove, di funzionemento ? risultato molto stabile con un rendimento cosi alto che gli aumenti di temperatura dei bilaminati, sono risultati virtualmente impercettibili.

La preferita forma di realizzazione precedentemente descritta rappresenta una forma dell'invenzione. Varianti e modificazioni di questa forma di realizzazione, senza allontanarsi dai principi inventivi in essa descritti, saranno evidenti a colaro che sono esperti nel ramo. Per esempio, al posto dell'azionamento piezoelettrico, la paletta pu? essere azionata meccanicamente, elettromeccanicamente, induttivamente o elettrostaticamente. La paletta pu? anche essere azionata in due o pi? punti nel senso della sua lunghezza, nel qual caso la frequenza di risonanza e la frequenza di azionamento diventano inferiori di un fattore nella determinazione del rendimento. Tutte queste modificazioni e varianti sono da comprendere nell' ambito, dell invenzione come definito nelle seguenti rivendicazioni.

RIVENDICAIONI

1. Dispositivo di pompaggio per gar o liquidi comprendente un alloggiamento, un organo di pr?pulsione resiliente sostanzialmente piano montato su detto alloggiamento per essere libero di muoversi perpendicolarmente a detto piano, nmezzo di azionamento che agisce su detto organo, propulsore, almeno in un punto per azionare detto organo propulsore insenso perpendicolare adetto piano per far propagare una onda di flessione progressiva, ungo detto, organo pr?pulsore perpompare detto gas o liquida.

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui detto organo propulsore ? una paletta allungata e detto mezzo di azionamento ? idoneo a far propagare un'onda di flessione pr?gressiva lungo detto organo propulsore in senso longitudinale da una estremit? verso l'estremit?-opposta.

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, comprendente un mezzo di azionamento piezoelettrico collegato fra detto alloggiamento e un punto di detto organo propulsore per muovere detto organo propulsore in senso perpendicolare a detto piano quando una ensione viene applicata attraverso il mezzo di azionamento piezoelettrico ed un mezzo di alimentazione di energia in corrente, alternata controllato collegato a detto mezzo di azionamento piezoelettrico per muovere detto mezzo di azionamento in avanti e ?ndietro perpendicolarmente addetto piano.

4. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1, 2 o 3, in cui detto alloggiamento presenta pareti di contenimento che formano un canale o condotto e detto organo propulsore ? disposto in detto canale o condotto

5. Dspositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto, alloggiamento presenta pareti di contenimento che formano un canale o condotto, detto organo propulsore ? disposto in detto canale a condotta e detto mezzo di azionamento ? idoneo ad agire su detto organo propulsore in modo tale che detto organo pr?pulsore entri in contatto con dette pareti del condotto durante il movimento in avanti e indietro, l'estre? mit? a valle della paletta essendo in contatto con la parete approssimativamente 90? del ciclo di oscillazione dopo l'estremit? a monte della paletta, in modo ale che il contatto a monte serva per stabilire una azione valvolare di entrata ed il contatta a valle serve per stabilire una azione valvolare di uscita.

6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, ulteriomente comprendente un secondo organo propulsore montato in un secondo canale o condotto di pompaggio in detto alloggiamento per essere libero di muoversi perpendicolarmente a detto piano e in opposizione all'altro organo propulsore, un secondo mezzo di azionamento che agisce su detto secondo organo propulsore almeno in un punto per azionare detto organo propulsore perpendicolarmente a detto piano per far propagare un' onda di flessione progressiva lungo detto organo propulsore in detto piano per pompare detto gas o liquido, in cui detto secondo mezzo di zionamento ? fasato di 180? rispetto al mezzo di azionamento di detto altro organo propulsore in modo tale che detti organi propulsori oscillino con contro-oscillazioni per realizzare un bilanciamento dinamico e ridurre le vibrazioni di detto dispositivo.

7 . Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui dette pareti del condotto presentano aperture di entrata di tipo Venturi per l 'aria o il liqui do lungo la met di uscita di detto dispositivo per aumentare la capacit? di pompaggio di detto dispositivo.

8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detto organo propulsore ? essenzialmente ri

gido dal punto di azionamento a detta altra, estremit? e rastremato da detto punto di azionamento, a det ta altra estremit? per oscillare in modo flessibile a partire dal punto di azionamento