专利名称：具有压电冷却风扇的电子镇流器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于荧光和其他镇流器驱动灯的电子镇流器的热管理，更具体地，涉及诸如使用冷却风扇的热管理，和涉及特别适于冷却包括电子镇流器的电子部件和设备的压电风扇。
镇流器驱动灯的使用限于一些有热考虑的照明应用中。例如，有具有一体化的镇流器的小型荧光灯，特别是那些具有更高功率(例如，32W和更大瓦数)的荧光灯排除热量的问题限制了它们的使用。类似地，热量考虑已经限制了在高套中的镇流器驱动荧光照明和其他封闭的泛光灯应用的使用。
在风扇当然已经普遍应用在冷却应用中时，包括压电风扇的不同类型风扇对于在各种各样冷却应用和其他应用中是已知的，但本发明者了解到，至今为止，风扇并未集成到灯的镇流器中用于冷却镇流器。
例如，U．S．专利申请No．5008582和俄罗斯专利申请No．1540050公开了将压电风扇用于冷却半导体芯片或微电子设备的应用，而U．S．专利Nos．5381950和4751713公开了将压电风扇用于其他应用。国际公开号No．W0 94／24437公开了一个压电泵。U．S．专利No．4283658公开了将一个吹风机用于冷却一个投射灯。UK专利公开GB 2184302A公开了一个将冷却器或电冰箱的风扇电机线圈用作在冷却器或电冰箱中荧光灯的镇流器的应用。
上述的专利都没有指出在镇流器驱动照明应用中的热量管理问题，也都没有公开将一个风扇用于冷却一个灯的电子镇流器。虽然如上面专利所公开的，压电风扇对于冷却电子部件是已知的，但是需要一个小型和有效的压电风扇用以将热量从接近，在或相邻电子部件的小热点处排除。
本发明的一个目的是对灯的电子镇流器进行热量管理。
本发明的另一个目的是主动将热量从电子镇流器中排除。
本发明的再一个目的是用于高效率地进行局部或点冷却的压电风扇。
本发明的再又一个目的是提供一个具有外部轮廓较低的小型压电风扇。
在此公开的本发明指出了在热敏感应用中的镇流器驱动灯使用的一些局限，并通过主动将热量一般地从一个电子镇流器或从一个或多个所选关键部件中排除来实现上述的某些目的。
在优选实施例中，风扇是与镇流器集成的压电风扇，例如，是安装在镇流器外壳中或安装到在该外壳中的一个印刷电路板上，或安装到在外壳中的一个部件上的。压电风扇在本领域是公知的，基本上是不需要驱动电机的固态设备。根据本发明，该压电风扇被耦合到镇流器上用以接收来自于它的驱动功率。该镇流器可以是传统的并可以包括一个AC-DC转换器和一个反相器，以及其他诸如连接在AC-DC转换器和反相器之间的用于控制目的的功率因子校正电路和一个DC-DC转换器。风扇的机械谐振频率和由镇流器连接于此的功率的频率是有关的，例如，这些频率可以是相同的或是谐波相关的。该压电风扇的机械谐振是它的薄膜的组合机械谐振和在该薄膜下的一个声学腔的声学亥姆霍兹谐振。
在一个实施例中，该压电风扇被连接来由输入到镇流器的AC电力线驱动。在另一个实施例中，镇流器中的AC-DC转换器(例如，一个整流器)提供具有一个AC纹波电压的DC电压，该纹波电压被耦合用于驱动该压电风扇。在其他实施例中，该反相器提供一个AC电压，该AC电压被耦合来驱动一个灯和驱动该压电风扇。用于驱动风扇的驱动功率可以由镇流器中其他任何合适的点耦合。提供由镇流器耦合的合适功率，一个用于风扇的分离控制电路是不需要的，而压电风扇的使用消除了对风扇电机的需要。
在一些实施例中，可以使用一个合适的转换电路来将由镇流器电路(例如，由一个AC电线电压，或AC纹波电压，或AC灯驱动电压)耦合的电能转换为一个适合于驱动压电风扇的能量。
本发明还指出了一个用于由位于电子部件中、上和附近的小区域和一热点处消除热量的小型风扇的需要，和提供一个满足这一需要并实现上述某个目的的压电风扇。根据本发明的一个压电风扇，不是通过悬臂的操作来产生气流，而是包括一个通过一个或多个适当放置的压电元件来在中央平面上下振动以产生气流的薄膜，该气流穿过在薄膜中的一个或多个小孔。
该薄膜直接安装在该部件上，或安装在将被冷却的局部区域上或附近，例如，在一个热点上或附近。压电元件或元件们，当有一个适当电信号施加于其上时会弯曲，被安装在薄膜上以使得它在中央平面上下振动。例如，该薄膜的边缘被固定在一个框架上，而该压电元件或元件们被构建和固定到薄膜一端以使得其自由端可以作相对较大平面外的弯曲运动，从而使得该薄膜垂直于其平面振动。薄膜的这种振动使得空气以相反方向穿过薄膜中的一个或多个小孔运动。运动的空气与薄膜附近的热点直接接触，从而冷却热点。
因为薄膜是在中央平面上下振动，所以压电风扇可以做成小型并具有一个低的轮廓，这使得它尤其适合于将热量从在电子电路或部件中的小热点处排除。
在优选实施例中，四个压电元件两两相隔90E地放置在薄膜的边缘上，而薄膜配置有空气穿过的中央孔。该薄膜由聚酰胺材料制成而压电元件可以是双压电陶瓷元件。
本发明通过使得空气只流过需要冷却的那些部件附近来改善了现有技术的状态。从而，可以改善空气运动的管理，这导出了更为有效的热消除。此外，本发明提供的薄膜，点型运动风扇可以作为一个集成部分直接安装在电子部件上。从而，空气直接对该部件表面的撞击将导出更有效的热消除。如上所述的，另外的优点是为了小型化电路所需的非常低的轮廓。
本发明的实施例如作为示例性和非限制性的附图来显示，其中在不同附图中的相同数字表示对应的部分，其中
图1为集成有根据本发明的电子镇流器的优点风扇的原理性、部分剖面图；图2-5为示出了一个电子镇流器并将电能由电子镇流器耦合到压电风扇的本发明实施例的一个原理性电路图；图6为在图2-5中将电能由镇流器耦合到风扇的转换电路的框图；图7为一个转换电路的原理性电路图；图8为另一个转换电路的原理性电路图；图9为根据本发明构造的、安装在一个电子部件或设备表面上的一个压电风扇的示意图10为用于图9所示的风扇的薄膜的一部分的放大剖面图，其中的穿孔与图9所示的穿孔的几何形状不同。
图1表示了具有用于灯14的电子镇流器12的压电风扇10的集成的示意图。例如，压电风扇10可以用一个框架16安装在在镇流器外壳15上，该框架16类似一个画框。该框架16可以通过粘结剂或夹子或任何合适的方式连接到外壳15上。风扇10通过孔17与外壳的内部相通以建立在外壳外部与内部之间的气流，从而冷却外壳的内部。另外，压电风扇可以安装在具有允许气流流入和流出外壳的通气孔的外壳中的印刷电路板或电子部件上。该压电风扇还可以安装在外壳上以建立沿外壳表面流动以由此排除热量的气流。压电风扇在本领域是公知的，而用于将压电风扇安装到一个电子镇流器的进一步细节对于镇流器和电子技术领域的普通技术人员是公知的。类似地，关于风扇尺寸和气流的细节是公知的和不需要在此描述。另外，下面将描述压电风扇的一个特定实施例。
图2所示的电子镇流器12接收一个AC电力线输入并在31提供一个AC输出以驱动灯14。在此实施例中，压电风扇10经一个转换电路20连接到AC电力线，该转换电路20接收AC电力线电压(例如115伏，60Hz)并将它转换为适于驱动压电风扇10的电压(例如，30-60伏，120Hz)。该转换电路20可以包括一个变压器或其他用于将AC电压降低到大约30伏特到大约60伏特AC的降压设备或电路。该压电风扇10被选择以操作，即具有为AC电力线(例如60Hz)频率或其谐波频率的机械谐振。电子镇流器12包括一个桥式全波整流器24(一个AC-DC转换器)，一个经由功率因子校正电路28连接于该整流器24的滤波器电容26，和一个反相器30。该反相器30连接到灯14并在其输出端31提供一个为给定谐振频率的AC电压以驱动灯，例如为几十KHz。
在图3所示的实施例，电子镇流器12包括与图2中的镇流器12相通的部件。在该实施例中，压电风扇10a经由一个转换电路30a和功率因子校正电路28连接到整流器24的DC输出端32(跨接一个滤波器电容26)，该整流器具有一个AC纹波部件。转换电路20a提供一个为AC电力线频率的两倍频率(例如120Hz)、约为30-60伏特的AC电压到压电风扇10a，该AC电压的频率被选择具有为纹波电压频率或其谐波频率的机械谐振。
在图4所示的实施例中，镇流器12包括如图2和3中所示的镇流器12中的整流器24，滤波器电容26，功率因子校正电路28和反相器30，和一个附加的滤波器电容27。该转换电路20b在此实施例中连接到反相器30的输出端31，该反相器30还连接到灯14，该反相器输出31提供一个为给定谐振频率的AC电压给转换电路20B。压电风扇10b被选择以具有一个为反相器30输出的电压的谐振频率的机械谐振。
图5中的镇流器12a与图4中的镇流器12相同，除了镇流器12a包括一个连接在可选功率因子校正电路28和反相器30和附加滤波器电容29之间的DC-DC转换器45。该DC-DC转换器45控制提供给灯14的功率并允许提供给灯14的功率的给定谐振频率的调整。用于图5中镇流器12a和风扇10b的转换电路20b与图4中的镇流器12相同。
在所有实施例中，功率因子校正电路28是可选的并可以忽略。该功率因子校正电路28，反相器30和DC-DC转换器45全都可以是传统的。
图6示出了一个转换电路20、20a、20b的框图，它包括一个AC耦合电容50，一个升压或降压电路51，和一个电流和／或限压器52。图7示出了转换电路20的一个实施例，该电路包括一个AC降压变压器51a，一个限流电阻55，和一个限压齐纳二极管56。图8所示的转换电路20a包括一个替代降压变压器的放大器51b(或升压变压器)。转换电路20b与转换电路20a类似。
参照图9，一个根据本发明构建的压电风扇60包括安装在固定于电子部件或设备的表面65上的薄膜62(例如，有聚酰胺材料制成)。表面62通过粘结剂或以任何其他方式来在其边缘处夹在框架上。该框架64在结构和形状上类似于一个画框，如上所述。该框架和薄膜的形状和尺寸可以是适合与将要冷却的热点或部件的结构和尺寸。四个双层压电陶瓷元件66通过粘结剂或以其他任何合适的方式被以90度间隔粘结到框架64上。每一个压电元件62的一端通过用一个粘结剂或以其他任何合适方式贴在框架64上来固定。贴于薄膜上的压电元件的部分的弯曲来振动薄膜。该框架可以通过粘结剂或一个机械夹子的类似于散热片安装在电子部件上的方式来直接安装在该部件上。
薄膜62具有位于其中心的小孔68，但在合适位置处配置多于一个的小孔。用于驱动压电元件66的电触点可以用铜迹线来与薄膜62一体化地制成。广泛地用于电路应用中并且是本领域公知的铜-聚酰胺片可以在此应用。由AC信号对压电元件66的激发使得这些压电元件在贴于薄膜上的一端处经历一个大的超出平面的弯曲移动，使得薄膜62垂直于该平面振动。这使得空气被交替地吸入或推出通过薄膜中的中心孔。当压电风扇60被安装在热部件上时，它使得空气被直接撞击在将要冷却的部件表面。
穿透薄膜62的孔68的几何形状可以影响空气通过薄膜的移动，并可以被构建来改善特别是通过较厚薄膜的空气在至少一个方向上的移动。例如，孔68的剖面图可以是非对称的和／或否则在薄膜的整个厚度上是不均匀的。图10示出了具有不对称孔的通孔68a，该不对称孔改善了空气在箭头方向上的单向运动。该孔68a在直径上从薄膜62的一端到另一端均匀地减少，而空气运动在孔直径减少的方向上得到改善。如上所述，本领域技术人员设计了另外一个改善通过风扇薄膜62的空气运动的其他孔几何形状。
薄膜62可以被强迫以其机械谐振频率来振动，从而使其振动幅度和空气流动率最小。薄膜62的厚度和材料可以这样选择，使得其机械谐振频率等于在将被冷却的电路中可用的一个信号的频率(或其谐波频率)，例如在灯驱动器中的输出纹波电压，如上所述。
压电风扇60的性能可以通过使用薄膜的机械谐振以及系统的声学谐振得到显著改善。该声学谐振，技术术语被称为亥姆霍兹谐振，包括作为质量的运动通过薄膜孔68的空气量，和在薄膜下部的腔中的空气容积，它形成系统的柔度和硬度。亥姆霍兹谐振的平方与其他一起与薄膜下部的腔体积成反比，并与薄膜中孔的剖面区域成正比。实际上，薄膜的孔中空气以亥姆霍兹谐振进入谐振。然后，压电风扇60可以具有一个复合的机械薄膜谐振和与AC驱动信号有关的，例如等于AC频率或其谐振频率的在薄膜下部的声学腔的声学亥姆霍兹谐振。当以一个单一频率来驱动该系统时，让薄膜的结构谐振和系统的声学亥姆霍兹谐振与此频率一致，可以显著改善根据本发明的压电风扇的性能。
该压电风扇的显著优点60是它可以直接安装在将要冷却的部件上以使得相对热部件的空气运动的冷却效应最大。这还可以通过传统的电机驱动风扇或一个传统的压电风扇来实现，但是本发明的压电风扇具有较低轮廓、形状和尺寸的灵活性，和更好的效率的优点。
当结合优选实施例对本发明进行了描述与显示时，对于部分领域技术人员显而易见的是，可以在不背离本发明精神和范围的前提下作许多变型和改进。例如，风扇可以不同方式来安装并在不同电压和频率下工作。还有，可以依赖被连接以驱动风扇的特定电能和特定压电风扇来采用转换电路的不同实施例。权利要求所述的本发明并不限于上面所述的精确具体的细节，而可以在权利要求所限定的本发明的精神和范围内作各种变型和改进。
权利要求
1．灯电子镇流器(12，12a)和用于将热量排除镇流器的压电风扇(10，10a，10b，60)的组合，该镇流器适于在其输入端接收电能并在其输出端(31)提供电能，该输出端适于连接到一个灯(14)，该压电风扇被连接到镇流器并由其连接来的电能驱动。
2．如权利要求1所述的组合，其中压电风扇(10)被连接到镇流器(12)来由提供到镇流器的电能驱动并具有与提供给镇流器的电能频率有关的机械谐振。
3．如权利要求1所述的组合，其中镇流器(12)包括一个适于在镇流器(12)的输入端处接收AC电压并将其转换为一个具有AC纹波电压的DC电压的整流器(24)，该风扇(10a)被连接来由该AC纹波电压驱动并具有一个与AC纹波电压的频率有关的机械谐振。
4．如权利要求1所述的组合，其中镇流器(12，12a)包括一个反相器(30)，该反相器(30)在工作期间提供一个AC电压给灯，该风扇(10b)被连接到镇流器以由反相器所提供的AC电压驱动并具有一个与AC电压的频率有关的机械谐振。
5．如权利要求1所述的组合，包括一个用于压电风扇(10)的转换电路(20)，该转换电路被连接来接收镇流器功率输入并提供适于驱动压电风扇的电能。
6．如权利要求1所述的组合，其中压电风扇(60)包括一个具有一个或多个通孔的薄膜(62)，而一个或多个压电元件(66)被固定于此以使薄膜响应于由镇流器(12)连接过来的电能在中央平面上下振动来有效地使空气通过一个或多个通孔。
7．如权利要求6所述的组合，其中压电风扇(60)包括固定于此并沿薄膜(62)边缘的，两两间隔90度的压电元件(66)，该薄膜具有一个中央通孔(68，68a)，和其中一个框架(64)与将要冷却的区域相邻地安装，而薄膜和压电元件的一端被固定在框架上。
8．如权利要求7所述的组合，其中薄膜(62)有聚酰胺材料制成而压电元件(66)为双层压电陶瓷元件。
9．如权利要求6所述的组合，其中薄膜(62)具有一个穿透非均匀横截面的通孔(68a)，所述横截面在希望改善空气运动的方向上在横截面区域中减少。
10．用于如权利要求6-9中的一个或多个所述的组合的压电风扇。
全文摘要
一个具有压电冷却风扇(10,10a,10b,60)的灯电子镇流器(12,12a)。镇流器所驱动的灯的使用被限于一个需要有热考虑的照明应用中。例如,由具有集成的镇流器的小型荧光灯排除热量的问题限制了它们的应用。类似地,在高套子和其他封闭泛光源中照明的镇流器驱动荧光灯的使用受到热考虑的限制。对于这种热敏感应用的镇流器的热量管理是由与镇流器(12,12a)集成的压电风扇(10,10a,10b,60)提供的。用于驱动风扇(10,10a,10b,60)的电能可以由为镇流器供电的系统的AC电力线输入,或由一个在镇流器中的整流器(24)的输出中的AC纹波电压,或由镇流器到灯(14)的输出(31),或由镇流器的任何何止电路位置来获得。该风扇(62)可以是一个薄膜类型的点冷却器,它包括一个由安装在热点附近的框架(64)所携带的薄膜(62)。该薄膜(62)具有一个或多个通孔(68,68a)并由贴于薄膜(62)的适当间隔放置的压电元件(66)使得它可以在中央平面上下振动。
文档编号H01L41/09GK1293884SQ99804169
公开日2001年5月2日 申请日期1999年12月24日 优先权日1999年1月20日
发明者S·斯里德哈, V·梅罗特拉, J·萨巴特, G·W·布吕宁, N·B·罗津 申请人:皇家菲利浦电子有限公司