专利名称：用于嵌入式环境的热学管理系统及其制作方法
技术领域：
本发明 一般涉及热学管理系统，更特别涉及用于嵌入式环境的热学管理 系统。
背景技术：
具有嵌入式电子系统的环境，以下称为嵌入式环境或加热环境，对于热 学管理带来了挑战。这种系统产生废热作为其正常工作的一部分，必须除去 这些热量，以使嵌入式电子件正常工作并保持可靠性。鉴于空间有限，所以 设计冷却嵌入式电子件的热学管理系统是一项严峻的挑战。嵌入式电子系统的示例包括单片机、可编程逻辑控制器(PLC)、操作员接口计算机、便携 式计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、个人袖珍计算机以及其他电 子设备，对于热学管理系统来说，只有有限的可用空间。已经知道，使用被 动冷却式散热器或者强制空气冷却作为热学管理系统，协助从电子部件带走 热量。此外，还知道将电子部件产生的热量传递给安装电子部件的印刷电路 板，从而让热量从较小的区域向较大的区域迁移。发明内容本发明包括涉及加热环境所用热学管理系统的实施方式，所述热学管理 系统包括普里莫喷射器(pleumo-jet )。普里莫喷射器包括至少一个限定腔体 的壁，位于所述至少一个壁上的至少一种活性材料；和位于所述至少一个壁 上并包围所述腔体的柔顺材料。柔顺材料具有至少一个开口，以便于所述腔 体和所述加热环境之间的流体连通。本发明包括涉及普里莫喷射器的实施方式，该普里莫喷射器包括第一挠 性结构、第二挠性结构、位于第一和第二挠性结构至少其中一方之上的至少 一种活性材料；和位于所述第一和第二挠性结构之间并限定腔体的柔顺材 料。柔顺材料包括至少一个开口，以便于所述腔体和所述环境之间的流体连 通。本发明包括涉及用于加热环境的冷却系统的实施方式。所述冷却系统包括基底，其具有一个自由端和一个锚定端；位于所述基底上的至少一个压电 设备；向所述至少一个压电设备提供电流的电路。本发明包括涉及制作普里莫喷射器的方法的实施方式。所述方法包括提 供一对挠性结构，至少其中一个结构连接有活性材料；将柔顺材料连接到所 述一对挠性结构之间，所述弹性材料具有至少一个开口；和将电触点添加到 所述一对挠性结构上。从以下本发明优选实施方式的详细说明中，将更容易理解本发明的所述 优势和其他优势以及特征，所述优选实施方式参照附图给出。
图l是采用根据本发明的实施方式构造的普里莫喷射器的热学管理系统 的截面侧一见图；图2是示出普里莫喷射器处于不同位置的图1所示热学管理系统的截面 侧视图；图3是根据本发明实施方式构造的热学管理系统的顶视图； 图4是沿着线IV-IV切开的图3所示热学管理系统的截面侧视图； 图5是根据本发明实施方式构造的普里莫喷射器的顶视图； 图6是根据本发明实施方式构造的普里莫喷射器的顶视图； 图7是图6所示普里莫喷射器的侧视图；管理系统的示意图；图9是示出压电驱动的挠性冷却设备处于不同位置的图8所示热学管理系统的示意图；图IO示出了根据本发明实施方式形成普里莫喷射器的过程步骤。
具体实施方式
参照图1和2，示出的热学管理系统10包括以截面图示出并置于印刷电 路板组件(PCA) 30附近的普里莫喷射器(pleumo-jet) 12, PCA30具有多 个需要冷却的电子部件32a-d。虽然参照本发明实施方式描述了 PCA30,但 是应该理解热学管理系统10可以用于任何适当的嵌入式环境并且参照PCA630进行描述仅仅是为了便于说明。PCA 30可以用于任何数目的小型电子设 备中的加热环境中，诸如例如单片机、可编程逻辑控制器(PLC)、便携计 算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、个人袖珍计算机等等。普里莫喷 射器12的尺寸确定为适合其用途，并且一般为细观尺度(meso-scale)或微 观尺度(micro-scale )。普里莫喷射器12定位成使得环境空气的脉沖流体流从设备12产生，并 导向需要冷却的电子部件32a-d。如图所示，在图1中，环境空气流体流， 或者其他流体流沿着A方向导向需要冷却的电子部件32b。可以选择的是， 普里莫喷射器12可以定位成沿着B方向朝着需要冷却的电子部件32b引导 环境空气流体流(图2)。普里莫喷射器12包括第一结构或壁14和第二结构或壁16。壁14、 16 由挠性材料诸如例如金属、箔片、塑料或聚合物复合材料形成。柔顺材料18 定位在一对壁14、 16之间，并且壁14、 16与柔顺材料18相结合来限定腔 体20。至少一个开口 22在腔体20和设备12外部环境之间提供通道。虽然 描述了一对相对的壁14、 16，但是应该理解，不同于两个壁， 一个壁(巻绕 成柱状)连同柔顺材料18也可以形成普里莫喷射器，诸如普里莫喷射器12。定位在至少其中一个壁14、 16上的是活性材料诸如例如压电材料。如 图所示，活性材料24和26分别定位在壁14、 16上。适当的活性材料是能 利用电刺激产生应力的材料。适当活性材料的示例包括压电材料、磁致伸缩 材料(线圈磁场彼此吸引/排斥)、形状记忆合金以及马达失衡(质量失衡的 马达产生振动)。在压电材料子集内，适当活性材料包括双压电晶体配置， 此时两个压电层异相激励，产生弯折；雷电配置，此时一个压电层设置在预 应力不锈钢基片上；蜂鸣元件配置，此时一个压电层设置在黄铜基片上；和 MFC配置，此时位于挠性电路上的压电纤维复合物结合到基片。活性材料24、 26可以包含陶瓷材料。电路(在图8中示意性描述)连 接到普里莫喷射器12,向活性材料24、 26之一或两者提供电流。电流可以 是正弦波、方波、三角波或者任何其他适当波形，并且应该理解，电流并不 限于任何具体的波形。具体来说，发现低谐振电流诸如例如正弦波可以用来 提供更为安静的普里莫喷射器12。图3和4示出了根据本发明另一种实施方式的热学管理系统110。热学 管理系统110包括普里莫喷射器系统111，该普里莫喷射器系统具有多个叠置的普里莫喷射器。如图所示，普里莫喷射器系统111包括叠置的普里莫喷射器112a、 112b和112c。普里莫喷射器112c位于基板129上，利用一个或 多个支撑件127支撑在位置上。普里莫喷射器112a、 112b和112c具有类似 于普里莫喷射器12 (图1、 2)的结构，任选的不同之处在于所述开口。具 体来说，每个普里莫喷射器112a、 112b和112c包括限定腔体120的挠性壁 和柔性材料，并且每个挠性壁具有一种或多种活性材料(未示出)。普里莫 喷射器112a、 112b和112c之间的支撑件必须提供足够的空间，以容纳每个 普里莫喷射器的挠性壁之一或两者上的活性材料。每个普里莫喷射器112a、 112b和112c可以包括从腔体120穿过柔顺材 料延伸的单一开口 122。普里莫喷射器系统111可以布置地让每个普里莫喷 射器112a、 112b和112c的每个单一开口 122位于相同方向(图4)。可以选 择的是，每个单一开口 122可以定位成向着不同于其他单一开口 122的方向 引导环境空气(图3)。对于任意两个相邻的开口 122来说，开口 122之间的 间隔可以介于零度(0。)到小于90度(90°)之间。在一种实施方式中，相 邻开口 122隔开的范围介于约5°到约45°之间。普里莫喷射器112a、 112b和112c被翅片128包围，所述翅片支撑在基 板129上。翅片128协助增大热传输的表面积，以冷却电子部件32a-d。与 前述普里莫喷射器12—样，普里莫喷射器112a、 112b和112c采用活性材 料例如压电材料(未示出)，形成环境空气流。简单地说，来自电路(在图8 中示出)的电流被活性材料接收，并转化成机械能。电流可以呈现正弦波、 方波、三角波或任何其他适当波形。电流的电压水平可以介于1和150伏特 之间，但是并不限于此。电流的频率可以介于2和300赫兹之间，用于要求 噪声较低的实施方式；和介于300赫兹和l5千赫之间，用于不要求噪声水 平4交J氐的实施方式。活性材料在挠性壁上产生应力，使它们向内弯曲，导致腔体体积改变， 并且环境空气流入腔体120,然后流出，从而经由开口 122将腔体120内的 环境空气喷出。普里莫喷射器系统的另一种可选实施方式在图5中示出。具体来说，普 里莫喷射器系统211示为包括支撑普里莫喷射器212的基板229。普里莫喷 射器212具有多个开口 222,每个开口沿着不同的径向向外延伸。活性材料 224示为位于普里莫喷射器212挠性壁的表面上。对于任意两个相邻的开口222来说，开口 222之间的间隔可以介于0。以上到小于90。之间。在一种实 施方式中，相邻开口 222的间隔可以介于约5。到约45。之间。
图6和7示出了普里莫喷射器312。普里莫喷射器312包括第一挠性壁 或结构314、第二挠性壁或结构316以及位于挠性壁314、 316之间的柔顺材 料318。壁314和316为矩形，并且连同柔性材料318—起形成腔体(未示 出)。开口 322通过柔性材料318从腔体延伸到环境中。活性材料324位于 壁314上，任选的活性材料326可以位于壁316上。活性材料可以利用电路 (未示出)提供的电流激励，在壁314 (和316)上产生应力，将环境空气 吸入所述腔体并将该腔体内的环境空气排出到周围加热的环境中。
图8和9示出了热学管理系统的另一种实施方式。热学管理系统410示 为包括与包含需要冷却的电子部件32a-d的PCA 30成工作关系的压电风扇 设备412。压电风扇设备412包括一个自由端和一个固定到支撑构件420的 固定端。压电风扇设备包括基底414和活性材料416。活性材料416可以采 用例如压电材;阡。
电路418连接到压电风扇设备412。通过压电风扇设备412流过电流， 经由活性材料416传送电荷。通过在基底414上产生应力，活性材料416将 电能转化为机械能，使其围绕固定端旋转。根据压电风扇设备412相对于需 要冷却的电子部件32a-d的位置，使得环境空气流沿C方向(图8)或D方 向(图9 )行进。
接着，具体参照图10,将论述形成根据本发明实施方式的普里莫喷射器 的过程。在步骤500，提供一对挠性结构。挠性结构可以是金属，或者它们 可以是非金属，诸如塑料或聚合物复合材料。挠性结构的示例包括挠性壁14、 16 (图2)和挠性壁314、 316 (图6、 7)。挠性结构之一或两者要求其上附 着可以被电刺激所激励的活性材料。适当的活性材料示例包括材料24、 26 (图1 )和材料324、 326 (图6、 7)。
在步骤505,柔顺材料连接到挠性结构之间。柔顺材料可以是柔顺材料 18 (图1、 2)或者柔顺材料318 (图6、 7)。设置柔顺材料的方式要在挠性 结构之间限定腔体。 一种设置柔顺材料的过程是以液体或半液体形式在其中 一个挠性壁上分散柔顺材料，将另一种导电结构置于柔顺材料上，允许柔顺 材料干燥。液体硅基材料可能适合于该过程。其他设置柔顺材料的过程是从 预制柔顺材料板材切割柔顺材料，并将切下的柔顺材料预制板材结合到挠性结构上。预制硅基材料板材可能适合该过程。
在步骤510，为挠性结构设置电触点。电路将连接到所述电触点。 虽然仅针对有限的实施方式详细说明了本发明，但是应该容易理解，本
发明并不限于所公开的实施方式。相反，本发明可以改动，从而包含任何数
目的变体、改动、替换或以上未说明的同等布置。此外，虽然i兌明了本发明
各种实施方式，但是应该理解，发明的一些方面可以仅包括其中一些实施方 式。因此，本发明并不应该认为受到前述内容的限制，而是仅由附带的权利 要求书来限定。
认为新颖并要求美国Letters Patent保护的是
权利要求
1. 一种用于加热环境的热学管理系统，包括普里莫喷射器，其包括至少一个限定腔体的壁；位于所述至少一个壁上的至少一种活性材料；和位于所述至少一个壁内并包围所述腔体的柔顺材料，所述柔顺材料具有至少一个开口，以便于所述腔体和所述加热环境之间的流体连通。
2. 如权利要求1所述的热学管理系统，其特征在于，所述柔顺材料包 括弹性材料。
3. 如权利要求1所述的热学管理系统，包括向所述普里莫喷射器提供 电;危的电i 各。
4. 如权利要求3所述的热学管理系统，其特征在于，所述电流是呈现 较低谐振的电流。
5. 如权利要求4所述的热学管理系统，其特征在于，所述电流包括正 弦波。
6. 如权利要求1所述的热学管理系统，其特征在于，所述加热环境包 括单片机、可编程逻辑控制器(PLC)、操作员接口计算机、便携式计算机、 移动电话、个人数字助理(PDA)、个人袖珍计算机。
7. 如权利要求1所述的热学管理系统，其特征在于，所述加热环境包 括至少一个加热体。
8. 如权利要求7所述的热学管理系统，其特征在于，所述至少一个开口定位成将环境流体直接喷射到所述至少一个加热体上。
9. 如权利要求8所述的热学管理系统，其特征在于，所述至少一个开 口与所述至少一个加热体的上表面成一定角度。
10. 如权利要求1所述的热学管理系统，其特征在于，所述弹性材料包 括便于所述腔体和所述加热环境之间流体连通的多个开口 。
11. 如权利要求10所述的热学管理系统，其特征在于，所述至少一个 壁具有圆形轮廓。
12. 如权利要求10所述的热学管理系统，其特征在于，所述至少一个壁具有矩形轮廓。
13. 如权利要求1所述的热学管理系统，包括 基板，所述普里莫喷射器定位在该基板上；和 包围所述普里莫喷射器的多个翅片。
14. 如权利要求13所述的热学管理系统，包括位于所述基板上的多 个叠置的普里莫喷射器。
15. 如权利要求1所述的热学管理系统，其特征在于，所述普里莫喷射 器包括夹持所述弹性材料的一对壁，每个壁具有所述至少一个压电设备。
16. —种普里莫喷射器，包括 第一挠性机构； 第二挠性结构；位于第 一和第二挠性结构至少其中 一方之上的至少一种活性材料；和 位于所述第一和第二挠性结构之间并限定腔体的柔顺材料，所述柔顺材 料包括至少一个开口 ，以便于所述腔体和环境之间的流体连通。
17. 如权利要求16所述的普里莫喷射器，包括向所述至少一种活性材 料提供电流的电路。
18. 如权利要求16所述的普里莫喷射器，其特征在于，所述柔顺材料 包括弹性材料。
19. 如权利要求16所述的普里莫喷射器，其特征在于，所述设备不大 于细观尺度。
20. 如权利要求16所述的普里莫喷射器，其特征在于，所述至少一种 活性材料包括压电陶瓷材料。
21. 如权利要求16所述的普里莫喷射器，其特征在于，所述至少一种 活性材料位于所述第一和第二挠性结构两者上。
22. —种用于加热环境的冷却系统，包括 基底，其具有一个自由端和一个锚定端； 位于所述基底上的至少一个压电设备；和 向所述至少一个压电设备提供电流的电路。
23. 如权利要求22所述的冷却系统，其特征在于，所述加热环境包括 单片机、可编程逻辑控制器(PLC)、操作员接口计算机、便携式计算机、 移动电话、个人数字助理(PDA)、个人袖珍计算机。
24. 如权利要求22所述的冷却系统，其特征在于，所述基底不大于细观尺度。
25. —种制作普里莫喷射器的方法，包括 提供一对挠性结构，至少其中一个挠性结构连接有活性材料； 将柔顺材料连接到所述一对挠性结构之间，所述弹性材料具有至少一个开口；和将电触点添加到所述一对挠性结构上。
26. 如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述提供步骤包括为所 述一对挠性结构每一个提供相连的活性材料。
27. 如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述连接步骤包括将弹 性材料连接在所述一对挠性结构之间。
28. 如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述连接步骤包括 以半液体硅基材料分散柔顺材料； 将所述半液体硅基材料与其中一个挠性结构接触；和 将另一个挠性结构与所述半液体硅基材料接触。
29. 如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述连接步骤包括 用硅基材料预制板材形成所述柔顺材料；和将所迷柔顺材料结合到所述一对挠性结构。
全文摘要
说明了一种用于嵌入式环境的热学管理系统。所述热学管理系统包括普里莫喷射器，其具有至少一个限定腔体的壁；位于所述至少一个壁上的至少一种活性材料；和位于所述至少一个壁内并包围所述腔体的柔顺材料。所述柔顺材料具有至少一个开口，以便于所述腔体和所述嵌入式环境之间的流体连通。还说明了一种冷却系统。还说明了一种制作普里莫喷射器的方法。
文档编号G06F1/20GK101548255SQ200780045121
公开日2009年9月30日 申请日期2007年10月26日 优先权日2006年12月8日
发明者威廉·H·利肯巴克, 戴维·S·斯莱顿, 查尔斯·E·西利, 查尔斯·F·沃尔夫, 梅麦特·阿里克, 约根·V·厄特卡 申请人:通用电气公司