专利名称：减少音频噪声和电磁辐射的机箱和在机箱内冷却元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种减少音频噪声和电磁辐射的机箱，和涉及在机箱内冷却元件的方法。
背景技术：
常规电气和电子元件在工作期间产生可观的热量。这种元件经常被放置在机箱中，该机箱限制了可用于冷却元件的环境冷却气流数量，导致机箱内高温。该状况是不希望的，因为高温对电气和电子元件性能有负面影响，并且如果元件的温度太高可能损害或缩短元件的寿命。
因为现代电气和电子元件所需要的功率增加和由此使产生更多热量使发热问题明显加大。例如，最近几年计算机的处理能力显著增加，这导致安装在计算机主板上元件产生更多热。
解决发热问题的常规方法是在机箱内使用冷却风扇冷却元件。尽管风扇对冷却电气和电子元件有效，它们在工作期间产生了音频噪声，而这是不希望的。音频噪声干扰了操作员，并且发自大量机箱的音频噪声不利地影响了工人的效率。另外，由于元件功率变得更大，产生更多热量，需要更大和更有力的风扇冷却机箱内元件，这产生了更多的音频噪声。因此，利用更大更有力风扇增加机箱冷却能力有实际极限量。
除了现代电气和电子元件产生的大量热量外，元件在工作期间也产生电磁辐射。电磁辐射是不希望的，因为它可以干扰收音机、电视机和电话机等的发射，因此许多电子设备遵守联邦通信委员会(FCC)的规定。FCC规定限制机箱可能辐射到周围环境中的各种类型辐射。
限制机箱发射电磁辐射量的常规技术使得更难冷却机箱内的元件，最后导致机箱产生更多音频噪声。例如，一种常规方法将格栅安置在机箱进风口和排风口上，该格栅设计得限制机箱电磁辐射外泄。常规格栅包括几个小孔，允许冷却空气进出机箱，孔的直径选择得防止电磁辐射从机箱外泄。尽管格栅的小孔直径控制了电磁辐射从机箱外泄，它不利地影响了机箱冷却能力。出现这种情况是因为格栅的小孔影响了冷空气流进出机箱，因此必须利用更大更快更有力风扇以便从机箱抽取空气冷却。更大风扇产生更多音频噪声，这是不希望的。
因此，需要一种机箱和冷却机箱的方法，提供足够冷却给机箱内电气和电子元件而不在工作期间产生额外音频噪声。也需要一种机箱和冷却机箱的方法，提供对电气和电子元件足够的冷却而不允许额外电磁辐射泄露出该机箱外。
发明内容
本发明满足了上述要求并且实现了常规设备不能实现的优点。按照本发明的第一方面，一种容纳元件的机箱包括一个外壳，该外壳具有进气口和与进气口流体交换的进气道，排气口，和与进气道流体交换和与排气口流体交换的排气道，和至少一个气动设备。进气道和排气道至少一个包括噪声衰减器，该噪声衰减器衰减在机箱内产生的音频噪声。
按照本发明的第一方面，在音频噪声泄露出机箱之前，机箱内产生的音频噪声通过噪声衰减器减少。该机箱因此工作更安静。
按照本发明的第二方面，在机箱内提供强制送风以在机箱内散布冷空气。强制送风包括定向接近机箱内预先选择元件或区域的孔，以便冷空气指向预先选择的元件或区域。
按照本发明的第二方面，冷空气在机箱内有效地散发，这减少了气动设备的功率要求和/或减少了冷却机箱所需要的气动设备的数量。使用更少和/或较小功率的气动设备减少了机箱内产生的音频噪声。
按照本发明的第三方面，机箱包括一个外壳，在外壳上的进气口，与其流体交换并且安装得接受来自进气口的冷空气流的进气道，外壳上的排气口与进气道流体交换，排气道安置得与进气口和排气口流体交换，和至少一个气动设备与进气口和排气口流体交换。至少一个进气道和排气道具有所选择的截面积和长度，以便衰减机箱内产生的所选择频率的电磁辐射。
按照本发明的第三方面，电磁辐射在进气道或排气道内被衰减，和具有小孔的格栅不必安置在进气口和排气口上来衰减电磁辐射。因此，冷空气流不受小孔限制，可以使用更小功率更安静的风扇冷却机箱。
图1是按照本发明实施例的部分分解侧视图。
图2是图1中线II-II的截面图。
图3是按照本发明实施例的替代气道截面的截面图。
图4是图1中线II-II的截面图。
图5是图3中所示进气道的侧视图。
图6是表示作为气道长度函数的辐射衰减的曲线图。
图7是按照本发明实施例的替代气道截面图。
图8是按照本发明实施例的替代气道的剖面的透视图。
图9是按照本发明实施例的替代气道的剖面的透视图。
图10是按照本发明实施例的替代气道的剖面的透视图。
具体实施例方式
图1是按照本发明实施例的机箱10的部分分解侧视图。图1是以机箱10的通常平行管道形的外壳12的侧面14被去掉，从图2的箭头5的方向观察。图2是取图1中线II-II的截面图。
参照图1，机箱10包括外壳12，外壳12的一个进气口16，一个进气道20，一个有源进气噪声消除设备22位于进气道20内，一个第一气动设备25，具有孔34的一个强制送风设备30，一个第二气动设备35，一个排气道40，一个有源排气噪声消除设备42位于排气道40内，一个第三气动设备45，和一个外壳12中的排气口17。参照图2，强制送风30将机箱10分成第一隔舱18和第二隔舱19，元件150安装在置于第二隔舱19内的电路板155上。
通过机箱10的冷空气流由图1和2中的箭头表示。机箱10在元件150上产生如下的冷空气流第一到第三气动设备25、35、45从机箱10外部通过进气口16将空气抽到进气道20中。空气通过进气道20流动到进气道20的内部端28，并且基本上通过第一气动设备25。该空气然后进入第一隔舱18并且通过强制送风30的孔34流动到第二隔舱19，该孔34选择性地位于强制送风30上，以便将冷空气流指向第二隔舱19内的特定元件150或区域。第二气动设备35可以包含在强制送风30上以便将空气通过气道36指向散热片152。空气通过元件150上之后，它通过第三气动设备45进入到排气道40的内部端48，并且通过排气口17排出机箱10。
在此使用具有孔34的强制送风30允许电路板155上的希望热点、关键元件，特别是热敏感元件等比电路板155上较冷和较小的重要的区域接受更多的冷空气流。因为由强制送风30更有效地散发冷空气流，机箱10需要更少的冷空气流。因此，可以使用更小的气动设备，使机箱10内产生的音频噪声更少。所需要的气流更少也意味着更小的进气口16，进气道20，排气口17或排气道40可以使用，这有助于衰减进气道20内和排气道40内的电磁辐射。
图2所示的气道36将来自第二气动设备35的强冷气流直接指向散热片152。机箱10可以包括一个这种气道36，或多个气道36可以安装在强制送风30上，每个气道36选择性地耦合到相应的气动设备。在该设计中，电路板155上的多点可以由特定强冷空气流冷却。例如，电路板155可以包括多个散热片152，每个散热片152在隔舱19内排列成一行，隔舱19由相应的气道36冷却。
在图1和2中，强制送风30中孔34的数量和设计是示范性的，孔34可以安置在强制送风30的任何位置以便将冷空气流指向特定元件150，或指向电路板155上所希望区域或地区。
除了减少使用强制送风30可能产生的音频噪声外，进气道20和排气道40起作用在音频噪声泄露出机箱10之前衰减音频噪声。进气道20和排气道40也起作用在辐射泄露出机箱10之前衰减电磁辐射。在下面讨论本发明的电磁辐射衰减方面和音频噪声衰减方面。
现在参照图3-6讨论进气道20和排气道40的电磁辐射衰减方面。
按照本发明的实施例，进气道20和排气道40尺寸定得以便衰减在机箱10内产生的电磁辐射。进气道20和排气道40是机箱10内产生的电磁辐射主要泄露通道，该机箱可以是另一种方式基本上封闭了电磁辐射泄露。因此，在进气道20和排气道40内衰减电磁辐射将明显减少从机箱10泄露的辐射数量。为说明目的，下面有关本发明电磁辐射衰减性能的描述只限于对进气道20的讨论，不过下面讨论的原理也适用于排气道40。
因为进气道20与第二隔舱19连通，进气道20对第二隔舱19内元件150产生的电磁辐射起波导作用。因此，进气道20起电磁辐射从机箱10泄露的通道的作用。可是，当在进气道20中传播时，电磁辐射接触进气道20的内部，并且由这种接触衰减，因为进气道20的内部表面具有电磁衰减性能(例如，导电性)。
总之，电磁辐射传播所通过波导的截面越小长度越长，在波导中电磁辐射的衰减越大。另外，波导的截面尺寸可以特别构成得对于通过波导传播的所选择辐射频率起高通滤波器作用。高通滤波器只允许具有比截止频率fcutoff高的频率f的辐射泄露出波导。具有小于截止频率fcutoff的频率f的辐射在波导中被衰减。参照图3，对于具有直径d的圆截面A的波导60，对应截止频率fcutoff的截止波长λcutoff由下列公式描述λcutoff＝3.412d截止频率fcutoff由下列公式描述fcutoff＝c/λcutoff其中c是光速。
参照图4，对于具有矩形截面A的波导(进气道20)，对应截止频率fcutoff的截止波长λcutoff由下列公式描述λcutoff＝2h/m 这里h＝矩形截面A的长度尺寸，和m＝整数系数。
按照这些公式，进气道20的截面可以确定尺寸，以便具有低于所希望截止频率fcutoff的频率的辐射可以在进气道20内衰减。
上述公式表示在波导中哪些频率被衰减，但是它们没有表示由波导所衰减的电磁辐射的数量。图6是这种数据的曲线图，表明相对两英寸直径波导的波导长度特定频率电磁辐射的衰减(用分贝表示)。在图6中，被衰减的辐射对于该波导具有频率f＝1/2fcutoff。
低于截止频率fcutoff的频率f的电磁辐射衰减程度大于高频率辐射。在此条件下，称该波导起“波导超截止”作用。另外，在波导内辐射衰减数量随波导长度增加。因此，利用小截面的波导，和利用具有长度l的波导是有利的。
在具有长度l的波导中波长λ的辐射的衰减数量L(分贝表示)由公式给出L＝54.5(l/λcutoff)[1-(λcutoff/λ)2]0.5
因此，衰减随波导长度l的增加而线性增加，如图6所示。因此，有利地在机箱10内部和进气口16之间插入进气道20，因为具有低于截止频率的电磁辐射沿进气道20长度l衰减。
因此本发明的上述实施例具有比利用隔栅防止电磁辐射从机箱泄露的常规机箱更明显的优点。常规隔栅非常薄，因此隔栅孔的直径必须非常小以便阻止足够数量的电磁辐射。小孔又限制了通过隔栅的气流，而这又需要使用更大更有力的风扇来冷却机箱，导致了不希望的音频噪声。
按照本发明，截止频率fcutff和进气道20的长度l可以选择得以便在机箱10内产生的电磁辐射整体具有低于截止频率的频率，所以只有可接受数量的高频电磁辐射通过进气道20和排气道40泄露出机箱10。进气道20的λcutoff和l应当选择得以便从机箱10泄露出的电磁辐射数量小于所希望的可允许最大数量。
进气道20和排气道40内衰减的辐射数量和/或频率是针对特定应用的。因此，气道截面形状和尺寸，气道长度，和气道其它结构特性可以改变，以获得所希望的衰减特性。
机箱10被图示容纳电路板155上的元件150。可是，按照本发明实施例的机箱10不限于容纳集成电路。例如，任何发热元件150都可以容纳在机箱10中并且在工作期间被冷却。这些元件可以在不同频率上产生电磁辐射，例如一个个人计算机。改变进气道20和排气道40的设计以便衰减不同频率辐射属于本发明的范围。
上面的讨论是针对进气道20。可是，用于确定进气道20设计的原理也适合于排气道40。
为使机箱10泄露出的电磁辐射最小，机箱10应当以具有电磁衰减特性的材料构成。电磁衰减材料的例子是钢、铝等。替代地，机箱10可以由塑料或其它非金属材料用电磁衰减材料涂覆或覆盖构成。除了进气道20和排气道40，机箱10应当基本上封闭使电磁辐射泄露最小。
除了起高通滤波器作用外，在音频噪声泄露出机箱10之前进气道20和排气道40起对机箱10内产生音频噪声衰减的作用。特别是，进气道20和排气道40提供用于容纳无源和有源噪声衰减器的位置。下面将讨论无源和有源噪声衰减器。
参照图4和7-10讨论进气道20的无源噪声衰减器。下面的讨论是针对在进气道20内的无源噪声衰减器。可是，该音频噪声衰减原理也适用于排气道40，为说明目的，排气道40结构的详细讨论被省略。
参照图4，一层声衰减材料29可以安置在进气道20的内部表面上以衰减机箱10内产生的音频噪声。声衰减材料层29可以是由例如黏合剂牢固在进气道20内部的聚合物吸音泡沫材料的相对薄的薄膜。其它适合声衰减材料层29的材料包括玻璃纤维，聚合物泡沫，蜜胺泡沫，和类似材料。声衰减材料层29也用于覆盖机箱10内部表面的所有或其余部分，包括排气道40，由此减少从机箱10内向外传递的音频噪声数量。声衰减材料层29不一定是单一、连接层，而可以是选择地应用于各部分上。
图7-10表示了具有无源噪声衰减器的气道结构，所说明的实施例适合于用作进气道或排气道。
图7表示了按照本发明实施例的替代气道70。气道70包括第一、第二和第三相互连接通道71、72、73，由第一和第二隔壁74、75隔开。第一到第三通道71、72、73建立了音频噪声通过气道70传播的曲折路径，而音频噪声在气道70中可以由应用于气道70内部表面的声衰减材料层(未图示)衰减。
除了声衰减材料层，相对厚的声衰减材料块77位于第一到第三通道71、72、73的端部。当通过气道70传播中改变了方向时声衰减材料块77衰减音频噪声。声衰减材料块77可以是低密度材料例如吸音泡沫塑料，例如可以由聚合物材料形成。
图8是按照本发明实施例的替代气道80解剖透视图。气道80包括安放在气道80内的松散填充的透气声衰减材料83。该声衰减材料83可以是低密度材料例如玻璃纤维。声衰减材料83不必充满气道80的整个长度，可以应用于气道80内的一部分。声衰减材料83允许冷空气通过气道80流动而同时衰减机箱10内产生的音频噪声。优选地，相对短部分的声衰减材料83填充气道80全部截面，起衰减气道80内音频噪声的作用。
图9是按照本发明实施例的替代气道90的解剖透视图。气道90包括多个纵向间隔排列在气道90内的隔音板91。为说明目的，只图示了两个隔音板，但是在本发明范围内可以以小的纵向间隔安排大量的隔音板91。隔音板91包括多个孔93允许气流通过隔音板91。一个隔音板91的孔93与相邻隔音板91的孔错开，以便当气流通过隔音板91流动时气流必须改变方向。这种排列方式进一步衰减了机箱10内产生的音频噪声。
图10是按照本发明实施例的替代气道100的解剖透视图。气道100包括一个内部通道102和一个外部通道104，外部通道104与内部通道102同轴排列。内部通道102和外部通道104可以由任何截面的管子形成。内部通道102包括安置在其周围的孔108。声衰减材料106安置在内部通道102和外部通道104之间，以便衰减从内部通道102泄露出的音频噪声。该声衰减材料106可以是低密度材料，例如弹性材料，泡沫塑料等。
如果气道100用作进气道，内部通道102的进气端109设计得与进气口16流体交换。如果用作排气道，内部通道的进气端与排气口17流体交换。
在图7-10所示的替代气道中，气道70、80、90、100的通道尺寸可以选择得起高通滤波器作用。因此，可以在气道70、80、90、100中衰减电磁辐射和音频噪声两者。
图7-10所示的气道实施例是本发明所实施原理的示例，本实施例不限制图示的实施例。
现在参照图1、2和7将讨论本发明实施例中有源噪声消除。
参照图1，机箱10包括一个安置在进气道20内的有源进气噪声消除设备22和一个安置在排气道40内的有源排气噪声消除设备42。将参照有源进气噪声消除设备22讨论有源噪声消除，但是该原理等同应用于有源排气噪声消除设备42。
有源进气噪声消除设备22通过检测沿进气道20传播的音频噪声方向并且产生消除音频噪声的音频信号来消除音频噪声。所产生的音频信号的幅度和频率等于音频噪声的幅度和频率，但是与音频噪声的相位相差180度。因此，音频噪声和音频信号相互抵消。
当安置在进气道20内在进气口16处或接近进气口16时有源进气噪声消除设备22最有效。这是因为音频噪声在通过进气口16泄露出机箱10之前在必须沿进气道20传播，这样在通过进气口16之前为音频噪声“形成通道”。有源进气噪声消除设备22可以更有效地消除被进气道22截面确定在一个区域内限制的音频噪声。因此，通过将有源进气噪声消除设备22靠近进气口16安置，该设备22可以恰在泄露出机箱10之前感应相对相干音频噪声，并且利用音频信号更有效地消除音频噪声。
类似于有源进气噪声消除设备22，有源排气噪声消除设备42优选地位在或接近排气口17处。
有源进气噪声消除设备22和有源排气噪声消除设备42可以应用在图1-10讨论的任何气道实施例中。另外，可以在进气道20或排气道40内安置多个有源噪声消除设备。
在本发明的上述实施例中，机箱10图示为包括第一到第三气动设备25、35、45。可是，本发明可以使用更少或更多的气动设备。例如，在进气道20或排气道40内流体交换地安置单一气动设备，并且产生足够强迫空气通过机箱10的压差。替代地，可以在机箱10内选择的位置上安装四个、五个或更多气动设备。
另外，强制送风孔34不必安置得将气流指向特定元件150，而可以分布在强制送风30上均匀地将冷空气流分布在该区域上，例如在电路板155上。
上面讨论的机箱10实施例包括进气道20和排气道40。这不限制本发明，因为只有进气道20或只有排气道40将减少从机箱10泄露出的电磁辐射和声音能量(例如音频噪声)。例如，进气道20可以用于抽取空气到机箱10，和该空气可以直接从第二隔舱19通过外壳12上的排气口流出机箱10处。如果排气道40没有用于机箱10，外壳上的排气口应当设计得以便阻止电磁辐射从机箱10泄露。类似地，排气道40可以结合外壳12的进气口使用，使空气直接从进气口抽取到第一隔舱18。如果在机箱10中没有用进气道20，进气口应当设计得阻止电磁辐射从机箱10泄露。
在图1和2中，进气道20和排气道40被图示为与外壳12为一整体。可是，进气道20或排气道40两者或之一可以是可安装在外壳12内的单独封闭通道。
尽管参照示范实施例描述了本发明，本领域技术人员应当理解，许多修改是显而易见的，在此所讨论的内容应当包括各种修改。
权利要求
1.一种用于容纳元件(150)的机箱(10)，该机箱(10)包括一个外壳(12)；一个外壳(12)中的进气口(16)；一个与进气口(16)流体交换的进气道(20)；一个外壳(12)中的排气口(17)；一个与进气道(20)流体交换和与排气口(17)流体交换的排气道(40)，进气道(20)和排气道(40)至少之一包括一个噪声衰减器，该噪声衰减器衰减机箱(10)内产生的音频噪声；和与进气道和排气道(20，40)流体交换并且能够将来自进气口(16)的空气通过机箱(10)流动到排气口(17)以冷却容纳在机箱(10)内元件的至少一个气动设备(25，35，45)。
2.权利要求1的机箱，其中进气道(20)和排气道(40)的至少之一具有截面面积和长度，被选择得衰减机箱(10)内产生的电磁辐射的所选择频率。
3.权利要求2的机箱，其中排气道(40)尺寸选择得对机箱(10)内产生的电磁辐射所选择频率起高通滤波器作用。
4.权利要求1的机箱，进一步包括一个安置在进气道(20)和排气道(40)之间的强制送风(30)，该强制送风(30)具有用于将气流从进气道(20)指向容纳在机箱(10)内所选择元件(150)的孔(34)。
5.权利要求1的机箱，其中至少一个气动设备包括安置在进气道(20)内的第一气动设备(25)。
6.权利要求1的机箱，其中噪声衰减器包括声衰减材料(77，83，106)，该声衰减材料(77，83，106)允许空气透过。
7.权利要求1的机箱，其中噪声衰减器包括隔音板(91)，该隔音板(91)包括多个孔(93)允许空气通过隔音板(91)以衰减音频噪声。
8.权利要求1的机箱，其中噪声衰减器包括安置在进气道(20)和排气道(40)至少之一内部表面上的声衰减材料(29)。
9.权利要求1的机箱，其中噪声衰减器包括至少一个有源噪声消除设备(22，42)，该有源噪声消除设备(22，42)能够产生一个信号至少部分地消除音频噪声。
10.权利要求1的机箱，其中进气道(20)和排气道(40)至少之一具有截面面积，选择得对于机箱(10)内产生的电磁辐射起高通滤波器作用。
全文摘要
一种用于容纳元件(150)的机箱(10)包括具有一进气道(20)和一排气道(40)的外壳(12)。进气道(20)连接到进气口(16),用于将来自进气口(16)的冷却空气引向机箱(10)中,而排气道(40)连接到排气口(17),用于将冷却空气引向机箱(10)外。进气道(20)和排气道(40)包括有源和/或无源噪声衰减器,用于衰减机箱(10)内产生的噪声,这允许机箱(10)更安静地工作。该气道(20,40)尺寸也选择得衰减机箱(10)内产生的电磁辐射,这防止了电磁辐射从机箱(10)泄露。
文档编号H05K7/20GK1383356SQ01133850
公开日2002年12月4日 申请日期2001年12月24日 优先权日2001年4月24日
发明者G·R·瓦格纳 申请人:安捷伦科技有限公司