专利名称：用于热移除或热传递的热交换器装置和方法
技术领域：
本申请案包含涉及用于经设计以克服现有技术的若干限制的新型强迫通风热交 换器的装置、方法和系统。
背景技术：
为了说明热管理的问题，参考计算机和微电子行业。常常依据摩尔定律来讨论超 大规模集成(VLSI)半导体技术中的进步，摩尔定律在最常见的定义中预测每个中央处理 单元(CPU)的晶体管数目每18个月翻倍。1971年，英特尔(Intel)推出“4004”处理器，其 含有2，300个晶体管且以740kHz的时钟速度运行。到2006年，市场上已能购买到具有超过 十亿个晶体管和超过3GHz时钟速度的处理器。许多此些现代CPU产生的废热远超过100W。 提高CPU能力的持续进步现在受到热管理问题的严重阻碍。现有技术水平热管理技术的 限制的迫切需要是继续沿着摩尔定律的增长曲线前进，这种情形被称为“热砖墙(thermal brick wall) ” 问题。
图1中展示现有技术水平CPU冷却器的实例，其包含具有平坦底面(以促进形成 到热负载的低热阻连接)的鳍式金属散热器1，以及用于产生冲击到散热器鳍状物上的气 流的轴流风扇2。散热器1具有多个鳍状物以增加热交换表面积，且由例如铝等高导热率 的材料制成。用于金属散热器的材料的选择还可反映其它要求，例如使散热器重量轻、成本 低、容易制造(例如，使用具有良好的机械成形性质的合金)等的需要。还包含用于将风扇 2紧固到散热器1的扣紧构件3和4。在大多数桌上型和膝上型计算机中，CPU与例如图1所示的CPU冷却器直接热接触 而安装，或通过例如热管等热提取装置间接连接。电子设备热管理技术的现有技术可参见 由以下专利涵盖的技术来进一步说明美国专利分类的类和子类165/121、165/104. 33和 361/697，尤其是第 7，349，212,7, 304，845,7, 265，975,7, 035，102,6, 860，323,6, 356，435 号美国专利以及公开的第2004/0109291、2005/0195573和2007/0041158号美国专利公开 案。
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早先在半导体行业中，组件设计者认识到，例如功率晶体管等许多装置需要某种 形式的热管理以便维持足够的装置温度操作裕度(参见第5，736，787号美国专利)。为了 解决此问题，此些组件通常与鳍式金属散热器直接接触而安装。此些鳍式散热器主要依赖 于自然对流来使空气循环通过冷却鳍状物。最终使用风扇来辅助散热器上方和周围的空气 移动以改进从散热器的热提取的速率和效率变成了常规的做法。随着时间过去，用于电子 设备冷却的散热器尺寸变得较大、并入有更大数目的鳍状物，且使用更精细的鳍状物几何 形状来尝试进一步改进散热器与周围空气之间的热交换。此“散热器加风扇”架构(参见 图1)仍代表着空气冷却热交换器技术中的现有技术(参见英克鲁佩勒· F. P. (Incropera F. P.)、戴威特· D. P. (Dewitt D. P.)、博格曼· T. L(Bergman Τ. L)和莱文· A. S. (Levine A. S.)的“热和质量传递的基本原理(Fundamentals of Heat and Mass Transf er) ” 第 6 版，约翰威立父子出版社，纽约，2007)。直到1990年代中期，仍相对很少关注用于CPU冷却的空气冷却热交换器的性能。 此些“散热器加风扇”(HSPF)装置的冷却能力完全足以用于大多数CPU应用，且早期HSPF 装置的电功率消耗相对低(通常大约1瓦)。但最终，增加的晶体管密度和较高的时钟速 度开始需要更好的热管理技术。这促使人们开发显著改进的废热提取技术、基本上可行的 热管技术和改进的热界面材料。另一方面，废热处理的几乎所有性能改进都是通过基于标 准HSPF架构按比例放大装置尺寸来实现的；为了解决CPU功率耗散增加的问题，简单地将 风扇和鳍式金属散热器两者都制作得较大。应注意“废热提取”与“废热处理”之间的区别。如上所提到，在1990年代中期之 前，HSPF装置的冷却能力足以用于大多数CPU应用。通常，主要问题在于产生和维持低热 阻接合点，这一点很难做到，因为可用于此导热接合点的表面积的量可能相对小，且因为接 合点可能经受重复的热循环。为此原因，热管理的问题长期以来被许多人视为主要是废热 提取的过程，事实上，热管理还包括废热处理的第二步骤。在热提取步骤中，热是从例如CPU 芯片等高热密度区移除，且再分布于较大区域上以促进将废热传递到周围空气的热处理的 第二步骤。然而热提取与热处理之间的区别常常会引起混淆。举例来说，例如膝上型计算 机中使用的热管等热管可能在热处理方面不提供任何功能性。热管的用途可能是通过小接 触面积提取大量的热且将所述热传送到热交换器，例如结合风扇使用的鳍式散热器，或例 如膝上型计算机的金属底盘等无源散热器。相同装置可称为基于珀耳帖效应的热电“冷却 器”，其为可用以增强热负载与热交换器之间的热输送的电力供电热泵；热交换器最终执行 将大体上所有废热导出到周围空气的功能(或能够吸收大量热的其它热储存器)。当然，热处理还可能涉及传递到水或另一冷却剂，但对于大多数实践应用，目标是 将废热传递到由周围大气提供的大的热储存器。除了可以气密密封金属封闭体的形式实施 的热管以外，采用需要任一种类的液体处理和/或封存的冷却方法存在大量阻力。事实上， 长久以来已知道热砖墙问题可在较大程度上通过采用热传导液体(由于其优良的热输送 性质)来解决。然而，必须使用液体的冷却系统由于实践考虑(而不是性能考虑)而没有 推广到例如大量市场的个人计算等应用中。近年来，用于CPU冷却的空气冷却热交换器的显著增加的尺寸、重量和功率消耗 已开始达到大多数商业应用的可行性的极限(最显著的是，用于家庭和办公室环境的大量 生产的个人计算机)。事实证明，由在高能力CPU冷却器中使用的较大、较强力风扇产生的高水平可听噪声也阻碍了 HSPF装置的进一步按比例缩放(参见汤普森· R. J. (Thompson R. J.)和汤普森·Β. F. (Thompson B. F.)的“构建完美 PC(Building the Perfect PC) ”，奥 莱理(0’ Reilly)媒体公司，塞瓦斯托波尔，加利福尼亚，2004)。同时，VLSI技术的进步不断持续。在许多现实应用中，空气冷却热交换器技术的 性能现在是CPU性能的进一步改进的主要限制因素。沿着摩尔定律的增长曲线的持续前进 不再仅仅由VLSI技术的改进决定。由于热限制，例如较高晶体管密度和以较高时钟速度操 作的能力等VLSI进步不再能容易地开发。热交换器的冷却能力可在其导热率方面定义，G = dP/dT，其中P是热负载的功率 耗散，且T是在热交换器与热负载之间的界面处热交换器的温度，使得用于热传导的SI单 位是W K—1。然而通过对流，CPU冷却器的几乎所有数据表单均在热阻R (K W—1)(导热率的倒 数)方面指定性能。应注意，除了热阻和导热率的以上纯化学和应用化学国际联盟(IUPAC) 定义(参见www.iupac.org)以外，现有技术中有时候使用其它名称和符号来表示相同的量 (例如，对热阻使用符号“ θ ”)。例如图1所示的中等尺寸CPU冷却器的热阻通常大约为IK W—1。市场上可购买到若 干大得多且重得多的高能力CPU冷却器，其提供低达0. 3K W—1的热阻。但在空气冷却散热器 的尺寸、重量和电功率消耗对于例如个人计算机等应用来说已无法进一步增加的程度上， 现在必须努力改进热交换器的三个特定冷却能力量度每单位体积冷却能力(W IT1nT3)、每 单位重量冷却能力(W ITkg-1)以及每单位功率消耗冷却能力(K—1)。“热砖墙”问题的本质在于用于增加例如CPU冷却器等装置的比容量的所有实践选 择看似已经穷尽。举例来说，过去二十年中的稳定进步已将许多冷却风扇中使用的无刷电 动机的电-机械效率增加到95%的典型值。这给改进留下了极少的空间。类似地，在科学 和工程设计文献中关于散热器鳍状物几何形状以及气流与散热器相互作用的优化方面存 在数千个参考文献。此项工作让人能较好地理解流场_散热器相互作用，但对流场_散热 器相互作用的此较好理解仅带来装置架构和性能的不断改进。电子设备热管理技术的现有技术由美国国防部高等研究计划局(DARPA)在2008 年1月对空气冷却热交换器技术的新想法的研究提议的呼吁中概述“过去的40年中，CMOS、电信、主动感测和成像以及其它技术经历了重大技术革新。 但在同一历史时期，空气冷却热交换器的技术、设计和性能停滞不前。当今现有技术热交换 器和鼓风机的性能数据在许多情况下还是基于I960年代执行的测量。”DARPA也许因在1970年代起始因特网的开发而最著名，现在DARPA决定必须将大 量资源投入到解决空气冷却问题上(参见www, darpa. mil/baa, DARPA综合局公告08-15， 2008年1月8日)。在VLSI技术已产生对空气冷却热交换器技术改进的极大经济刺激的情况下，此 技术停滞可能看上去不太可能；电子设备热管理技术的当前市场是约$5B/年。虽然有如此 大的经济刺激但仍缺乏进步的原因一部分是与限制HSPF架构的性能的物理效应的基础特 性有关，下文详细论述所述物理效应。技术停滞的另一显著原因似乎是人们倾向于对热管理技术的特定方面进行优化 而不是整体地重新考虑此问题。例如常规CPU冷却器等装置的操作是通过跨多个工程设计 规则的物理过程来管理。因此，关于对风扇技术的改进的个别工作可能将鳍式金属散热器视为标准化建置块，其可针对所有意图和目的被视为“黑匣子”。同样，着重于挤压铝散热器 技术的改进的个人可能将风扇视为消耗电功率且提供气流的黑匣子。专注于特定领域可能 使得很难完整了解经优化热管理的问题。举例来说，一个有趣的发现是，用于CPU冷却的市 售风扇的数据表单极少(如果有的话)提供风扇的机械效率(即，旋转机械功率到气流的 转换效率)的任何规范。这是不幸的，因为如下文论述，在例如CPU冷却器等装置中使用的 风扇的机械效率证明是对于总体装置架构的问题具有深远的含义。更一般来说，重新考虑 强迫通风冷却的问题需要重新审视传统HSPF架构的基本假设以及空气冷却热交换器技术 的相关联停滞。因为热传递是具有基础技术重要性的领域，所以本文描述的实施例的应用领域极 为广泛。先前论述已强调了电子设备冷却领域的应用，其中热管理可应用于一个或一个以 上有源和/或无源电子组件，包含(但不限于)电阻器、电容器、电感器、变压器、二极管、整 流器、晶间管、晶体管、放大器、集成电路、显示器驱动器、线路驱动器、缓冲器、微处理器、中 央处理单元、图形处理单元、协处理器、变换器、传感器、致动器、电源、交流/直流转换器、 直流/交流转换器、直流/直流转换器、交流/交流转换器或印刷电路组合件。但应了解， 本文描述的实施例可适用于多种多样的其它技术领域(例如，能源领域)。显然，包括一个 或一个以上强迫通风热交换器的任何装置均可显著得益于此热交换器的尺寸、重量、能量 消耗和/或噪声的减小。但除此之外，此装置整体的能量效率可通过降低热交换器的热阻 来显著改进。举例来说，在能源领域中，多种多样的用于热与机械互转换工作的装置采用夹在 两个热交换器之间的热引擎的形式。此热引擎可用以从从高温源(下文中称为“热源”)到 低温汇(下文中称为“热汇”)的自发热流动产生机械功。举例来说，蒸汽轮机可从从例如 燃料燃烧等热源到例如周围大气等热汇的自发热流动产生机械功。此热引擎的最大理论效 率称为卡诺(Carnot)效率，可表达为
权利要求
1.一种设备，其包括热传导结构，其可适于与热负载热接触；以及热传递结构，其浸没在周围媒介中，所述热传递结构耦合到所述热传导结构而形成夹 在所述热传导结构与所述热传递结构之间的气体填充间隙区，所述气体填充间隙区具有大 体上低的热阻，所述热传递结构可相对于所述热传导结构移动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述热传递结构具备包括以下各项中的一者或 一者以上的表面特征鳍状物、翼片、叶片、通道、导管、销、柱、板、狭槽、突出物、凹口、穿孔、 孔、带纹理表面、分段元件、交错元件和光滑表面。
3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括适于维持所述气体填充间隙区的轴承结构。
4.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括适于使所述热传递结构相对于所述周围 媒介和/或热传导结构旋转和/或平移的机构。
5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括用于调整所述气体填充间隙区的尺寸的 构件。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述气体填充间隙区的尺寸未经调节、经被动式 调节、主动式调节或其合适组合。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述间隙距离大体上为零，以便准许所述热传递 结构与所述热传导结构之间的滑动接触。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述热传导结构和所述热传递结构的表面包括润 滑剂涂层、抗摩擦涂层或所述两者。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述周围媒介包括纯气体或气体混合物。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述气体填充间隙区包括纯气体或气体混合物。
11.根据权利要求1所述的设备，且其进一步包括入口，其适于将从建筑物和/或封闭物外部接收的空气引导到所述热传递结构；以及 出口，其适于将来自所述热传递结构的受热空气引导到所述建筑物和/或封闭物外部。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备适于对一个或一个以上有源和/或无源 电子组件的热管理，所述电子组件包含但不限于电阻器、电容器、电感器、变压器、二极管、 整流器、晶间管、晶体管、放大器、集成电路、显示器驱动器、线路驱动器、缓冲器、微处理器、 中央处理单元、图形处理单元、协处理器、变换器、传感器、致动器、电源、交流/直流转换 器、直流/交流转换器、直流/直流转换器、交流/交流转换器或印刷电路组合件。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备适于对含有一个或一个以上热负载的 建筑物、封闭物或设备的热管理，所述建筑物、封闭物或设备例如为发电厂、工厂、计算机数 据中心、计算机服务器群、商业建筑物、实验室、办公室、公共空间、住宅区、运输交通工具、 仪器或机器。
14.一种设备，其包括一个或一个以上热交换器，所述热交换器例如为加热器、空气调 节器、冷藏箱、冷冻器、吸收式冷冻机、蒸发冷却器、热储存器、冷凝器、辐射器、热泵、热引 擎、电动机或发电机，其中所述热交换器中的一者或一者以上包括根据权利要求1所述的 设备。
15.根据权利要求2所述的设备，其中所述表面特征是在向前扫掠、向后扫掠和/或径 向定向上安置。
16.根据权利要求3所述的设备，其中所述轴承结构适于提供所述热传导结构与所述 热传递结构之间的大体上低的摩擦。
17.根据权利要求3所述的设备，其中所述轴承结构包括流体动力学气体轴承、流体静 力学气体轴承、磁性轴承、机械轴承和/或轴衬结构中的一者或一者以上。
18.根据权利要求3所述的设备，其中所述轴承结构包括流体动力学气体轴承，且进一 步提供一个或一个以上适于减少或消除热传导结构与热传递结构的表面之间的机械接触 的机构。
19.根据权利要求3所述的设备，其中所述轴承结构包括流体静力学气体轴承，且进一 步包括位于所述热传递结构上的螺旋凹槽或其它表面特征，其中所述螺旋凹槽或其它表面 特征提供向所述热传递结构赋予旋转的构件。
20.根据权利要求4所述的设备，其进一步包括一个或一个以上适于维持大体上恒定 的旋转轴的机构。
21.根据权利要求4所述的设备，其进一步包括适于向所述热传递结构赋予旋转的至 少一个转子部件和一个或一个以上定子线圈。
22.根据权利要求4所述的设备，其中所述热传递结构适于抽吸、循环所述周围媒介和 /或向所述周围媒介赋予运动。
23.根据权利要求4所述的设备，其进一步包括用于通过改变所述热传递结构的角速 度来调整所述设备的热阻的构件。
24.根据权利要求4所述的设备，其中将所述热传递结构放置于加速的参考系中大体 上减小了围绕所述热传递结构的边界层的平均厚度。
25.根据权利要求4所述的设备，其中所述热传递结构的角速度足够高从而在所述热 传递结构的一个或一个以上表面的一部分上引起湍流。
26.根据权利要求4所述的设备，其中所述热传递结构包括至少一个用于在所述气体 填充间隙区中产生湍流或促进对流输送的结构元件，其中所述气体填充间隙区的所述热阻 减小。
27.根据权利要求4所述的设备，其进一步包括一个或一个以上适于颠倒所述热传递 结构的旋转方向的机构。
28.一种温度控制设备，其包括根据权利要求23所述的设备。
29.根据权利要求28所述的设备，其中所述热传递结构的颠倒的旋转适于从所述热传 递结构的一个或一个以上表面移除外来物质，所述外来物质包含但不限于微粒、冷凝物和/ 或冰。
30.一种在热负载与周围媒介之间传递热的方法，其包括与热负载热接触的热传导结 构、与周围媒介交换热所借助的可移动热传递结构、所述热传导结构的至少一个表面与所 述热传递结构的至少一个表面之间的气体填充间隙区，其中在所述热负载与所述周围媒介 之间传递热。
31.一种集成电路组合件，其包括集成电路封装，其具有表面；热传递结构，其与所述集成电路封装热连通；以及电动机，其经配置以移动所述热传递结构，其中所述热传递结构和所述集成电路封装 经配置以使得气体填充间隙至少部分响应于所述热传递结构的运动而形成于所述热传递 结构与所述集成电路封装之间，所述热传递结构经配置以将热传递到周围媒介。
32.根据权利要求31所述的集成电路组合件，其中所述电动机经配置以旋转所述热传 递结构以将热传递到所述周围媒介。
33.根据权利要求31所述的集成电路组合件，其中所述组合件在所述热传递结构与所 述集成电路封装之间大体上不含导热油脂或膏。
34.根据权利要求31所述的集成电路组合件，其进一步包括集成电路板，所述集成电 路封装通过至少一个焊接接合点耦合到所述集成电路板。
35.根据权利要求31所述的集成电路组合件，其中所述电动机至少部分集成到所述集 成电路封装中。
36.根据权利要求35所述的集成电路组合件，其中定子结构的线圈安置于所述集成电 路封装内。
37.根据权利要求35所述的集成电路组合件，其进一步包括经配置以将控制信号耦合 到所述电动机的驱动电路，所述驱动电路至少部分安置于所述集成电路封装内。
38.根据权利要求31所述的集成电路组合件，其中所述集成电路封装的所述表面具有 经配置以至少部分响应于所述热传递结构的运动而产生所述气体填充间隙的纹理。
39.根据权利要求31所述的集成电路组合件，其中所述热传递结构的表面具有经配置 以至少部分响应于所述热传递结构的运动而产生所述气体填充间隙的纹理。
全文摘要
本发明提供用于强迫对流热交换器的系统和方法。在一个实施例中，向与热传导结构热接触的热负载或从所述热负载传递热，经过窄的气隙传递到浸没于例如空气等周围媒介中的旋转热传递结构。
文档编号H01L23/34GK102112939SQ200980129769
公开日2011年6月29日 申请日期2009年5月19日 优先权日2008年8月4日
发明者杰弗里·P·科普洛 申请人:桑迪亚国家实验室