专利名称：用于合成射流增强自然冷却的系统及方法
技术领域：
本发明大体涉及构件外壳，且更具体地涉及用于增强构件
外壳的自然对流冷却的系统及方法。
背景技术：
至少在一些公知的应用领域中，轻质、可靠对于构件和系 统而言是很重要的，例如，这些系统包括将计算能力和电功率提供给 飞行器的各种数字和功率电子设备系统。公知的是，构件的被动冷却 较为可靠。然而，从冷却性能的观点来看，被动冷却也是极为低效的 冷却方法，对于给定的冷却量通常会产生较大的系统。用来扩充被动 冷却性能的一些选择包括扩展表面和具有较高导热性的新材料。扩展 表面会增大传热面积。扩展表面包括翼片、肋片以及其它突起。具有 较高导热性的材料会降低外壳的热阻。扩展表面和新型高导热性材料 二者都取得较高的性能，而并不影响自然对流的简单性和可靠性。然 而，它们却有一定的性能限制。当损耗密度扩展到进行被动冷却的地方时，则采用主动气 体或液体冷却。主动气体或液体冷却可导致更轻但可靠性较低的系 统。当使用扩展表面和先进的材料而产生的改进达到其极限时，可利 用风扇或其它气体冷却装置来使用主动冷却，其中，迫使冷却气体横 穿和/或倚靠该表面，从而大致降低与自然对流相比的流体膜热阻。除 获得可在直接紧邻处获得的冷却空气外，还可调节强制对流方式中的 冷却气体，使其更冷，且因此更为高效。另一种选择为液体冷却。液 体通常是比气体更为高效的传热流体，且因此可除去更多的热量。与 被动冷却系统相比，主动气体冷却和液体冷却的可靠性较低且较为复杂，而且它们都需要具有活动部件的系统，固有地比被动冷却方式的 可靠性更低。
发明内容
在一个实施例中，构件外壳包括限定一定容积的 一个或多 个侧壁，这些侧壁构造成用以大致包绕位于该容积内的发热构件。构 件外壳还包括位于至少一个侧壁附近的合成射流组件。合成射流组件 包括具有射流端口的至少一个合成射流喷射器。射流端口以垂直、平 行和倾斜方式中的至少一种方式与该至少一个侧壁的表面对齐。合成 射流组件构造成用以引导流体射流以大致与表面平行、垂直于表面以 及朝向表面倾斜中的一种至少而穿过端口。在另 一个实施例中，增强外壳冷却的方法包括将合成射流 组件定位在外壳的多个侧壁中的至少一个侧壁附近，其中，合成射流 组件包括具有射流端口的至少一个合成射流喷射器。射流端口以垂 直、平行和倾斜方式中的至少一种方式与该至少一个侧壁对齐，并且 合成射流组件构造成用以引导流体射流以大致与表面平行、垂直于表 面以及朝向表面倾斜中的至少 一种而穿过射流端口 。在又一个实施例中，电子构件系统包括包括限定一定容 积的多个侧壁的构件外壳，位于该容积内的发热构件，以及位于该多 个侧壁中的至少一个侧壁附近的合成射流组件。合成射流组件包括具 有射流端口的至少一个合成射流喷射器。射流端口以垂直、平行和倾 斜方式中的至少一种方式与该至少一个侧壁的表面对齐。合成射流组 件构造成用以引导流体射流以大致与所述表面平行、垂直于所述表面 以及朝向所述表面倾斜中的至少 一种而穿过射流端口 。
图1至图7示出了本文所述方法及系统的示范性实施例。
图1为公知的自然通风冷却的构件外壳的透视图2为图1中所示外壳的热剖面图； [OOIO]图3为根据本发明示范性实施例的构件外壳； [OOll]图4为图3中所示外壳的热剖面图；图5A为图3中所示的根据本发明示范性实施例的合成射流 组件在压缩或排出阶^:期间的截面图。图5B为图3中所示的合成射流组件在扩张或吸入阶段期间 的截面图；图6为根据本发明另一示范性实施例的合成射流组件的截 面图；以及图7为图3中所示的根据本发明实施例的合成射流组件的 分解截面图。
零件清单
100通风冷却的构件外壳
102侧壁
104顶壁
106表面
108下部
110流
112上部
200热剖面图
202 X轴
204 Y轴
206第一温度层次
208第二温度层次
210第三温度层次
212第四温度层次
300构件外壳302侧壁
304合成射流组件
306射流端口
308合成射流组件壳体
400热剖面图
402X轴
404Y轴
502合成射流喷射器
504表面
506构件
508流体
510流体射流
512压电部件
514致动器
516涡环
518合成射流腔
600合成射流组件
602第一合成射流喷射器
604第二合成射流喷射器
606第三合成射流喷射器
具体实施例方式下列详细描述通过举例的方式而非通过限制的方式示出本 发明的实施例。设想到的是，本发明对在工业、商业和居住应用场合 中增强冷却和^t坏层流具有全面的适用性。如文中所用，以单数形式描述的且冠以用词"一，，或"一个，， 的元件或步骤应当理解为并未排除复数个元件或步骤，除非明确地指 出了这种排除。此外，参照本发明的"一个实施例"并非意图解释为排除同样结合了所述特征的其它实施例的存在。图1为公知的自然通风冷却的构件外壳100的透视图。外 壳100包括形成封闭容积的多个侧壁102和顶壁104,发热构件(未示 出)可定位在该封闭容积中。包绕外壳100的空气通常通过对流来除去 侧壁102表面106的热量。邻近侧壁102下部108的空气接收由外壳 100中的构件产生并通过传导而穿过侧壁102的热量。升温的空气在 侧壁102附近上升，形成由自然对流引起的上升气流110。由于空气 在侧壁102附近上升，故空气趋于接收来自于侧壁102上部112的更 多热量。当空气接收更多热量时，其温度上升且其接收更多热量的能 力则下降，从而降低其作为用于外壳100的冷却介质的有效性。可从 外壳IOO上除去的总热量限定了在不造成构件损坏的情况下可由发热 构件产生的热量。由于自然环流冷却的散热能力有限，故其它的散热 方法经常用作主要冷却方法或至少用作辅助冷却方法。例如， 一些/> 知的构件外壳包括水冷、风扇和/或强制空气冷却。图2为外壳IOO(图1中所示)的热剖面图200。剖面图200 包括表示沿侧壁102(图1中所示)高度的位置的x轴202。 y轴204表 示远离侧壁102延伸的距离。第一温度层次206示出了远离外壳200 且靠近下部108的第一温度。第二温度层次208示出了含有比层次206 更多热量的气流层流层。第三温度层次210示出了含有比层次208更 多热量的气流层流层。第四温度层次212示出了含有比层次210更多 热量的气流层流层。层次212所处的温度高于层次206,208和210， 而较高的温度P争低了层次212的冷却效率。图3为才艮据本发明示范性实施例的构件外壳300。在该示范 性实施例中，外壳300包括限定容积(未示出)的一个或多个侧壁302, 这些侧壁构造成用以大致包绕位于内部容积内的发热构件(未示出)。 外壳300包括位于其中的至少一个侧壁302附近的合成射流组件304。 合成射流组件304包括贯穿壳体308的至少一个射流端口 306。在示 范性实施例中，射流端口 306相对于相应的侧壁302大致垂直地定位，致使流体的射流相对于相应的侧壁302大致平行地喷射。在其它的实 施例中，射流端口 306可相对于侧壁302平行或倾斜地定位，致使射 流端口 306分别垂直地朝向侧壁302或倾斜地朝向侧壁302来引导流 体射流。在示范性实施例中，外壳300包括至少一个侧壁302，其包 括扩展表面，例如肋片、翼片或始自侧壁302表面的其它突起，该扩 展表面趋于增大与外壳300外的环境空气相接触的侧壁302的表面 积。当侧壁302包括扩展表面时，射流端口 306可平行地、垂直地或 倾斜地与扩展表面的表面对齐。壳体308可为可联接到外壳300上的独立装置，例如，在 外壳300的最初装配期间作为对于外壳300的改进型附加物，或作为 对于外壳300的独立附加物。在其它备选实施例中，合成射流组件壳 体308与側壁302的表面整体地形成。壳体308还可包括多个射流端口 306，以在单个壳体308 中容纳具有多个合成射流喷射器(图3中未示出)的合成射流组件304。 此外，壳体308可包括多个射流端口 306，以在单个壳体308中容納 多个合成射流组件304。在本发明的实施例中，多个合成射流喷射器 可在单个合成射流组件304中串行流动相通地联接在一起。这种布置 提供了附加的压力升高，以将出自射流端口 306的射流推进到更远的 距离，以及/或者与合成射流组件304中的单个合成射流喷射器相比以 更为一致的形式将射流推进到更远的距离。图4为外壳300(图3中所示)的热剖面图400。剖面图400 包括表示沿侧壁302(图3中所示)高度的位置的x轴402。 y轴404表 示远离侧壁302延伸的距离。合成射流组件304构造成用于大致与侧 壁302平行地引导流体射流。流体射流破坏沿侧壁302表面的流体层 流，从而容许射流对侧壁302表面额外地提供冷却空气，并且容许环 境空气到达侧壁302表面来进一步冷却侧壁302。图5A为根据本发明的示范性实施例的合成射流组件304在压缩阶段或排出阶段的截面图。图5B为合成射流组件304在扩张 阶段或吸入阶段的截面图。在示范性实施例中，合成射流组件304包 括壳体308以及至少一个合成射流喷射器502。合成射流喷射器502 包括可与待冷却的构件506表面504成垂直、平行或倾斜定向的射流 端口 306。合成射流组件304构造成用以引导流体流508穿过射流端 口 306，流体流508作为与表面平行、与表面垂直或朝向表面倾斜的 流体射流510而离开射流端口 306。合成射流喷射器502包括压电致 动器514。致动器514构造成用以在压电效应的影响下进行振动，致 使产生流体射流510并使其离开射流端口 306。流体射流510可构造 成使得在流体射流510中形成涡环516。涡环516有助于破环可沿自 然对流冷却表面形成的层流膜。尽管描述成结合气态介质一起工作， 但合成射流组件304也能使用介电液体来作为工作流体。少量的电功率由压电致动器514所吸收，引起压电致动器 514振动。在合成射流喷射器502操作的第一阶段期间，图5A中所 示，压电致动器514朝向腔518向内压缩，使流体穿过喷射端口306 从腔518排出。在合成射流喷射器502操作的第二阶段期间，在图5B 中所示，压电致动器514远离腔518向外扩张，使流体穿过射流端口 306而吸入到腔518中。压电致动器514设计成合成射流喷射器502， 致使该几何结构容许振动动作来吸收流体穿过射流端口 306而进入腔 518中，且随后再次穿过喷射端口 306将流体从腔518中排出。穿过 射流端口 306的吸收和排出的物理过程是不同的。当穿过射流端口 306 吸收流体时，其从孔口周围的区域吸入流体。因此，大多数的流体量 来自于紧靠射流端口 306附近区域的流体。当合成射流喷射器402将 流体排出射流端口 306时，形成了射流。射流以较高的速度行进，并 且远离射流端口 306相当大的距离后还保持完好。射流可以多种方式进行引导。可垂直地将射流引导到表面 上。该方向趋于将附加的局部冷却提供到射流朝向其引导的表面区域 上。如果平行于表面引导射流，则射流不但通过沿该表面增加的流体速度来向该表面提供直接冷却，而且还沿着射流的周边带动附加的流
体。因此，参与增加沿表面的流体的流体量不仅是从合成射流腔518 中排出的流体，而且还包括由射流带动的附加流体。图6为根据本发明另一示范性实施例的合成射流组件600 的截面图。在示范性实施例中，壳体308包括定向为串行流动相通的 多个合成射流喷射器402，致使来自于第一合成射流喷射器602的流 动排放到第二合成射流喷射器604中，其继而又排放到第三合成射流 喷射器606中。在第一合成射流喷射器602中产生的流动构造成与在 第二合成射流喷射器604中产生的流动同相，第 一合成射流喷射器602 排放到第二合成射流喷射器604中，而在第二合成射流喷射器604中 产生的流动构造成与在第三合成射流喷射器606中产生的流动同相， 第二合成射流喷射器604排放到第三合成射流喷射器606中。通过控 制施加到与第一合成射流喷射器602、第二合成射流喷射器604和第 三合成射流喷射器606相关的各压电部件上的电压，穿过合成射流组 件600的流体流可有助于增大流动和/或压力，从而容许形成增强的射流。图7为根据本发明实施例的合成射流组件304的分解截面 图。在示范性实施例中，合成射流组件304包括顶盖702、第一隔离 环704、第一压电致动器706、第二隔离环708、第二压电致动器710、 第三隔离环712以及底盖714，所有这些都以连续邻接的关系叠置。 一个或多个对准突出部716提供了对上述构件的轴向对准，并且使用 相应的销连接件718来将构件联接在一起。刻在顶盖702和底盖714 内面的凹槽720构造成用以接收0型圈(未示出)，以便密封在顶盖702 与第一压电致动器706之间以及在第二压电致动器710与底盖714之 间形成的腔。在相应隔离环704,708和712中的开口 722,724和726 在工作期间提供流体流进和流出腔。将合成射流应用到电子盒的表面冷却的方法及系统的上述 实施例，提供了一种经济有效且可靠的方式来用于增强构件外壳的自然环流冷却。更具体而言，本文所述的方法及系统便于破坏沿外壳表 面的层流层。此外，上述方法和系统便于将附加的冷却介质直接提供 给外壳并且带走附加的流体来提供增大的流动。因此，本文所述的方 法及系统便于在不明显增大重量和/或可靠性成本的情况下以经济有 效且可靠地方式来增强构件的冷却。尽管已采用各种特定的实施例来描述了本发明所公开的内 容，但应当认识到，可使用在权利要求的精神和范围内的变型来实施 本发明所公开的内容。
权利要求
1.一种构件外壳(100，300)，包括限定容积的一个或多个侧壁(102，302)，所述侧壁构造成用以大致包绕位于所述容积内的发热构件(506)；以及位于所述侧壁中的至少一个侧壁附近的合成射流组件(304，600)，所述合成射流组件包括含有射流端口(306)的至少一个合成射流喷射器(502)，所述射流端口以垂直、平行和倾斜中的至少一种与所述至少一个侧壁的表面(504)对齐，所述合成射流组件构造成用以引导流体的射流(501)以大致与所述表面平行、垂直于所述表面以及朝向所述表面倾斜中的至少一种而穿过所述端口。
2. 根据权利要求1所述的外壳(100，300)，其特征在于，所述侧壁 (102，302)包括与所述侧壁的表面整体地形成的合成射流组件(304，600) 壳体。
3. 根据权利要求1所述的外壳(100,300),其特征在于，所述合成 射流喷射器(502)包括多个射流端口 (306)。
4. 根据权利要求1所述的外壳(100,300),其特征在于，所述合成 射流组件(304,600)包括装入在单个壳体(308)中的多个合成射流喷射 器(602,604，606)。
5. 根据权利要求4所述的外壳(100,300)，其特征在于，所述合成 射流组件(304,600)包括串行流动相通地联接在一起的多个合成射流喷 射器(602,604,606)。
6. 根据权利要求4所述的外壳(100，300),其特征在于，所述壳体 (308)可联接到所述至少一个侧壁(102，302)的表面(504)上。
7. 根据权利要求1所述的外壳(100,300)，其特征在于，所述合成 射流喷射器(502)包括压电致动器(514),所述致动器构造成用以振动， 以^_产生流体流(510)。
8. 根据权利要求1所述的外壳(100，300)，其特征在于，所述多个侧壁(102,302)中的至少一个侧壁包括扩展表面，所述射流端口(306)以 垂直和倾斜中的至少 一种与所述扩展表面的表面(504)对齐。
9. 一种电子构件系统，包括构件外壳(100,300)，其包括限定容积的多个侧壁(102,302); 位于所述容积内的发热构件(506);以及位于所述多个侧壁中的至少 一个侧壁附近的合成射流组件 (304,600),所述合成射流组件包括含有射流端口(306)的至少一个合成 射流喷射器(502),所述射流端口以垂直、平^f亍和倾斜中的一种与所述 至少一个侧壁(102，302)的表面(504)对齐，所述合成射流组件(304,600) 构造成用以引导流体的射流(510)以大致平行于所述表面、垂直于所述 表面以及朝向所述表面倾斜中的至少一种而穿过所述端口 。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征还在于，所述合成射流 组件(304,600)包括与所述侧壁(102，302)的表面(504)整体地形成的壳 体(308)。
全文摘要
本发明涉及用于合成射流增强自然冷却的系统及方法。具体而言，提供了一种构件外壳(100，300)。该构件外壳包括限定容积的一个或多个侧壁(102，302)，这些侧壁构造成用以大致包绕位于该容积内的发热构件(506)；以及位于至少一个侧壁附近的合成射流组件(304，600)，合成射流组件包括含有射流端口(306)的至少一个合成射流喷射器(502)，射流端口以垂直、平行和倾斜方式中的至少一种方式与该至少一个侧壁的表面(504)对齐，合成射流组件构造成用以引导流体射流(510)以大致与该表面平行、垂直于该表面以及朝向该表面倾斜中的至少一种穿过端口。
文档编号G12B9/00GK101577144SQ20091014568
公开日2009年11月11日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月9日
发明者J·R·布特, M·阿里克, W·D·格斯勒, Y·尤图卡 申请人:通用电气公司