CN101001516A

CN101001516A - 冷却装置、系统和方法

Info

Publication number: CN101001516A
Application number: CNA2006101445455A
Authority: CN
Inventors: B·麦克尔; T·J·布伦施威勒; H·E·罗修森; U·克劳特; R·J·林德曼
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: JP5137379B2; CN101001516B; US8413712B2; US20070119565A1; JP2007142390A

Abstract

一种冷却装置，具有大量紧密间隔的冲击射流，其与冲击间隙相邻，并具有平行回程路径。还描述了一种用于利用相间交错的、分支的分层多支管通过最小的可能压降来提供用于冲击喷射的冷却剂流体的方法。而且，位于冲击间隙中的表面增强特征在单个冲击射流和单个出口之间形成U形微通道。

Description

冷却装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，更具体而言，涉及一种与微处理器芯片接触的冲击式冷却器。

背景技术

在微处理器芯片封装的领域中，将热能从微处理器芯片有效传输到散热器对于微处理器芯片的热量控制而言是重要的。

一种公知类型的有源冷却装置是冲击式冷却器，其中，冷却剂流过冲击式冷却器中的通道，然后经射流馈送，并且冲击到微处理器芯片的背面上。使用外部泵以在吸热的微处理器芯片的背面和发热器之间循环冷却剂。随后利用例如风扇和空气热交换器将热量从散热器散到环境中。

另一种用于冷却微处理器芯片的公知冷却装置是微通道冷却器，如“APractical Implementation of Silicon Microchannel Coolers for High PowerChips”(E.G.Colgan等，21^stIEEE SEMI-THERM Symposium，1-7 2005)中所述。多支管部分和通道部分结合在一起，以形成复合热交换器区域和冷却器翼片。冷却剂流过装置中的平行通道，并且冷却器入口和冷却剂出口之间的流动长度大约为3毫米。

第三种用于从固体经分层对流热传输到液体的公知冷却装置是树形微通道网。该结构像传统微通道冷却器那样有效去除热量，但是不需要额外的多支管(Senn and Poulikakos，J.Power Sources，130，178-191(2004))。

通常，热能传递与微处理器芯片的热交换表面面积成比例，并且还与冷却剂沿热交换表面运动的速度几乎成比例增加。另一种增加热交换量的方法是采用将冷却剂流冲击交换表面的几何形状。这具有减少位于表面的热界面层厚度的效果，从而增强热量从热固体传输到冷却剂流体的性能。

具有单射流的冲击式冷却器可以对由冲击射流流域覆盖的局部区域进行热传输。通过减小单射流直径可以相对改进热传输性能。然而，这会带来冲击射流流域减小的问题。为了克服该问题，公知的方法有提供一种射流冲击阵列。

射流冲击阵列通常包括设置成多支管的多个冲击射流的二维网格图形。从该阵列中的每个冲击射流喷射出的冷却器流体冲击微处理器芯片的背面，然后通过一个出口或者出口阵列离开射流冲击阵列和微处理器芯片之间的间隔中，该间隔称为冲击间隙。问题是，因为周缘冲击射流出现偏移，所以排出流会聚积在冲击间隙的边缘处，这会减小热传输性能。而且，相邻冲击射流的喷射流的碰撞能够导致流速相互抵消。这些低流速或者无流速的局部区域被称为滞流点。以及，如果在冲击射流正下方的喷射流不流动，则在该位置也出现滞流点。

这种冲击射流通常形成不均匀的流域。从中心处的滞流点开始，随着距离滞流点的径向距离增加，该流域流速也增加，直到在大约2-3倍于冲击射流的直径的径向距离处达到最大流速。随着距离滞流点的径向距离进一步增加，流域流速随着距离冲击射流的径向距离的平方减小。

称为对流热传输系数的系数h用于将对流热传输速率特征化为液相。该系数的测量单位是W/cm²-K，也就是，瓦特每平方厘米绝对温度。在流体接触固体的情况下，会形成流体的热界面层。然后，h等于固体-流体界面处的局部热通量，其中该固体-液体界面由流体的温度或者超过热界面层的流体温度和固体的表面温度之间的温差来划分。在冲击射流或者微通道中，h值和大量流体温度值都强烈依赖于位置，从而对于几何形状之间的热性能之间的有意义的对比而言，人们必须基于平均量来限定有效热传输系数heff。

h_{eff} = \frac{q^{''}}{T_{fsi} - T_{inlet}}

其中q″是流体-固体界面上方的平均热通量面积，Tfsi是流体-固体界面处的有效温度，该有效温度必须基于被冷却的固体位置上(例如，在微处理器芯片的连接侧)测量的一个或若干温度来获取，而Tinlet是当冷却剂通过热交换器时冷却剂的质量流平均温度。

如果流体是水，并且冲击射流阵列具有圆形喷嘴，则射流冲击冷却的平均对流热传输系数利用Martin关系式来估算(Martin，H.，“Heat andMass Transfer Between Impinging Gas Jets and Solid Surfaces”，Advancesin Heat Transfer，Academic Press，vol.13，pp 1-60，1977)。Martin关系式中以标准无量纲形式表示出具有圆形喷嘴的冲击射流阵列的期望热性能和流体流动条件之间的关系，其中期望热性能是所有关键几何参数的函数，并且已经利用一大组试验数据加以验证。Martin关系式提供的信息可以优化给定射流喷嘴直径的冲击冷却器的几何参数。

利用Martin关系式可以计算得到，随着射流间距和射流喷嘴尺寸的减小，射流冲击冷却器的冷却性能会增加。如果将射流冲击阵列的尺寸定得更小，则会在冲击射流喷嘴直径减小时增大压力从多支管降低的比例，这是因为喷射间距也减小了。实际的最小射流喷嘴直径可以是大约80微米，μm，而喷射间隙G可以大约为320微米，喷射间距P大约为300微米，其根据喷射流速率对应于10和15W/cm²-K之间的heff值。因此，随着喷射流速率增加，所需的液流和压降也会增加。

目前所讨论的射流冲击阵列的问题在于，它们所产生的流域不仅在单个射流之间的距离尺寸上局部不均匀，而且在将被冷却的更大表面面积上不均匀，这是因为从阵列中心径向向外定位的射流被来自更中心定位的射流的冷却剂径向射流偏移。因此，芯片周边的冷却速率要大大小于中心处的冷却速率。类似，微通道冷却器通常存在较差的长范围冷却均匀性，这是因为流体沿较长的通道升温。

通过一个出口来实现封闭系统中喷射阵列的排出，这由于聚集的交叉流动而比较不利。在Saad等人1992的论文中，通过利用具有与入口阵列交错的出口的分布式回路，可以缓解槽喷嘴阵列中的交叉流动的不利效应。这将冲击结构减小到单个单元的集合，其形成独立单元并且能够用在任意的大阵列中，也就是，该系统和将被冷却的表面尺寸成比例。该方法的原理之一是提供馈给和返回流给各个单元，其提供方式与单侧访问入口和出口阵列的方式兼容，并且保持低压降的特性。

从科技文献可以获知，从热性能的观点看，希望降低冲击单元的物理尺寸。因此，为了实现期望的热传输性能，射流喷嘴优选为较小的20-100微米的范围内。

与射流冲击冷却器相关的另一个问题是，仅能够通过冲击表面来实现热传输。由微观特性实现的表面增大仅会略微改进喷射装置的整体性能，这是因为它们创建再循环区域和零流区域。例如，在Hansen和Webb，1993的论文中提出，对于表面增大示出了1.5至4倍的改进。

与常规射流冲击冷却器相关的另一个问题是，通常仅能够通过冷却剂流体和热表面之间的接触来去除热量，并且不能将热量传导到冷却器的上部，其中还有喷射板或者多支管结构来协助热交换。而且，当在常规射流冲击冷却器中采用平行多支管结构时，随着喷嘴间距减小，多支管中的压降会显著增加。因此，常规多支管结构在所需减小物理尺度上的作用并不充分。

本发明的目的是，提供一种阵列式冷却装置，其减轻了现有技术中的所述问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种冲击冷却器，其具有与冲击间隙相邻的第一级，所述第一级包括一层与所述冲击间隙相邻的、成分布式阵列的基本平行的入口和出口的层，所述第一级还包括一层相间交错的分支通道的层，以对入口供给流体以及从出口排出流体。

优选，第二级与所述第一级接触，并且所述第二级的结构基本上是所述第一级的结构放大预定倍数之后的复制结构。

优选，其它分层级与所述第二级接触，其中所述其它级的结构基本上是所述第二级的结构放大预定倍数之后的复制结构。有利的是，还被称为多支管的用于平行级的该分层结构可以在将冷却剂流体馈送到尺寸减小的冲击阵列时优化减轻压力累积和流体分布问题。

所述相间交错的输入通道和输出通道的层包括形成互锁指状物(interlocking digits)的隔离壁。

优选，所述预定放大倍数的范围为5-15。

至少一层所述入口和出口具有基本圆柱形或槽的形式。

优选，所述分布式阵列具有所述入口和出口的面心方形图形。

所述冲击冷却器可以具有表面增强特征，该特征位于冲击间隙内并连接到所述第一级和受热体中的至少一个，其中所述表面增强特征包括多个凸起。有利地是，该表面增强特征增强了热交换性能。在该表面增强特征在目标表面和喷射板之间延伸的位置，形成导通路径，该导通路径延伸到冷却器的上部，在该位置处，喷射板或者多支管结构也可以有助于热交换。

所述表面增强特征可以包括多个凸起，每个凸起具有菱形的形式、并规则地位于所述第一级的入口和出口之间，并且所述凸起的配置基本上将流体引导离开滞流区。

所述表面增强特征还可以包括障碍特征，其规则地沿连接所述第一级的入口和出口的对角线定位。有利地是，冲击间隙中的滞流点基本上被消除。

所述表面增强特征可以包括多个线性平行凸起，其对角地定位，使得所述第一级的入口和出口交替位于所述凸起之间的线性间隙中。

优选，所述线性平行凸起连接在所述第一级和受热体之间，并且变型为形成多个微通道，每个微通道都连接单个入口和单个出口。有利地是，该结构从受热体到喷射板形成直接导通路径，从而进一步有助于热交换。以及，该实施例使得对入口和出口进行较短的隔离，这使得芯片本身能够用作散热器。

优选，所述冲击冷却器具有第一组微通道和第二组微通道，所述第一组微通道从第一通道回路供给并排出，而所述第二组微通道从第二通道回路供给并排出，其中所述第一和第二回路的操作彼此独立。

优选，所述第一组微通道和第二组微通道在所述分布式阵列中基本交错地定位。

所述表面增强特征还可以包括障碍特征，其规则位于线性间隙中第一级的入口和出口之间。

每个障碍特征可以再分成多个基本上沿流体线定位的障碍。

所述表面增强特征可以包括多个V形凸起，其被定位为使得所述第一级的入口和出口交替位于凸起之间的V形间隙中。

根据本发明的第二方面，提供了一种从热源传输出热量的方法，该方法包括以下步骤：

提供步骤，用于提供具有与冲击间隙相邻的第一级的冲击冷却器，该第一级包括成分布式阵列的入口和出口层，其中所述入口和出口从相间交错的输入通道和输出通道的层分支出，并且使所述冲击冷却器经所述冲击间隙而与热源接触，以及冲击步骤，用于经所述冲击间隙将通过所述冲击冷却器的冷却剂流体冲击到热源上，使在整个冲击冷却器上的压降最小。有利地是，用于提供冷却剂流到微处理器芯片上的目标表面的该方法最小化通过冲击冷却器的压降。

附图说明

现在，参照附图，仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1示出本发明的冲击冷却器10的部分的截面图；

图2示出图1的冲击冷却器10的部分的三维视图，其中未示出如上所述的第三级；

图3示意性示出冲击冷却器10的优选实施例的第二级18的平面图；

图4示出sf为5的冲击冷却器10的优选实施例的两个级；

图5示出冲击冷却器10的可选实施例的两个级；

图6示意性示出冲击冷却器的另一个实施例的第二级18的平面图；

图7示出冲击冷却器的可选几何形状的第一级，也就是，第一级入口32和第一级出口36构成六边形布局；

图8示出喷射板37的平面图，以及还示出芯片38的沿线A-A’的截面图；

图9示出单个冲击单元的截面图；

图10示出单个冲击单元的截面图，其具有连接到目标表面的表面增强特征；

图11也示出单个冲击单元的截面图，其具有连接到目标表面和喷射板之间的表面增强特征；

图12示意性示出菱形表面增强特征52的平面图，其位于芯片40的目标表面上，成规则图形，并且位于终端级入口32和出口36之间；

图13示意性示出表面增强特征的优选实施例的平面图；

图14示意性示出表面增强特征的优选实施例的平面图；

图15示意性示出表面增强特征的另一个优选实施例的平面图；

图16示意性示出表面增强特征的可选实施例的平面图；

图17示意性示出表面增强特征的另一个可选实施例的平面图；

图18示出表面增强特征的另一个实施例的平面图；

图19示出表面增强特征的优选实施例的平面图；

图20示出表面增强特征的另一个优选实施例的平面图；

图21示出V形表面增强特征的平面图；

图22示出计算的随冲击单元入口间距变化的热传输系数(图22A)和喷射板压降(图22B)，对比情况a：没有表面增强特征的冲击，b：具有表面增强特征的冲击，c：具有将芯片热连接到喷射板的表面增强特征的冲击；

图23示意性示出冲击冷却器的部分的可选实施例，其中图23A示出截面图，而图23B示出同一部件的平面图。

具体实施方式

图1示出本发明的冲击冷却器10的部分的截面图。也称为界面层的冲击冷却器10的第三级12包括第三级入口14和第三级出口16。第二级18与第三级12相邻，第二级还被称为多支管层，其包括第二级多支管输入通道20，该通道连接到若干第二级入口22，还包括第二级多支管输出通道24，该通道连接到若干第二级出口26。第一级28与第二级18相邻，第一级还被称为喷射层或者终端级，包括连接到若干射流喷嘴或第一级入口32的第一级输入通道30，以及连接到若干输出喷嘴或第一级出口36的第一级输出通道34。第一级入口32和第一级出口36终止于喷射板37。优选，第一级入口32和第一级出口36平行。称为目标表面40的微处理器芯片38的背面通过冲击间隙42而和喷射板37分离。

图2示出图1的冲击冷却器10的部分的三维视图，其中如上所述的第三级未示出。弯曲的第二级隔离壁21隔离第二级多支管输出通道24和第二级多支管输入通道20，从而形成相间交错的形式。第二级出口26和第二级入口22分别设置在第二级多支管输出通道24和第二多支管输入通道20的下面。类似，弯曲的第一级隔离壁35隔离第一级输出通道34和第一级输入通道30，也导致形成相间交错的形式，但是和第二级特征相比尺寸有所减小。第一级出口36和第一级入口32被示出，它们都以类似于第二级的形式相对于第一级输入通道30和第一级输出通道34进行定位。示出了微处理器芯片38。总上来说，示出相间交错的输入通道的分层结构和输出通道的分层结构。

随后的级中的输入通道的相对数量称为比例因子，sf。例如，参照图1，其中每个第二级入口22经第一级输入通道30而供给五个第一级入口32，则sf为5。

在操作中，冷却剂在第三级入口14进入冲击冷却器10，并且分成sf∧2个路径来馈给第二级多支管输入通道20。然后冷却剂流过第二级入口22，流到第一级输入通道30，然后喷射通过多个第一级入口32之一并冲击到目标表面40。然后冷却剂吸收由通常为微处理器芯片38的受热体产生的热能，并且将该热能通过多个第一级出口36之一从冲击间隙42散出。在通过第一级输出通道34之后，冷却剂进入第二级出口26然后通过第二级多支管输出通道24，最后流入第三级出口16中。

图3示意性示出冲击冷却器10的优选实施例的第二级18的平面图。

多个第二级隔离壁21成行定位，它们中的每一个都形成为图2所示的形式。相邻行的隔离壁21具有镜像布局结构。示出了位于弯曲隔离壁21之间的第二级多支管出口26和第二级入口22的位置。第二级多支管出口26和第二级入口22的关系是面心方形布局结构。例如，在第二级入口的大致直径为28微米的情况下，第二级多支管出口的大致直径为40微米。

冲击冷却器的优选实施例不限于图1所示的三级。还可以采用更多或者更少的级数。与喷射板37相邻的级在此可以称为终端级。

冲击冷却器10内的级的总设计决定了装置中经受的压降，因此决定装置的性能。除了sf之外，能够确定的其它因子有喷嘴间距pit，射流喷嘴直径ri，输出喷嘴直径ro，通道深度ie，通道层厚度b以及输入通道的和输出通道的分层结构之间的壁厚度wall。第一级入口通道32的有效流体水力半径利用宽度2.0*ri以及深度b来进行计算。

在第一级入口32中以给定容积率流动的流体中的理论压降与速率、流体、长度、以及通道有效流体水力半径的四次方的倒数成比例。整个冲击冷却器受到的理论压降能够利用下面的协议来进行计算。特别是，冲击冷却器的第一至第三层的总阻力p计算为所有局部输入或者输出通道的阻力之和，它们的各自计算公式如下：

p (ri, ro, N, pit, b, sf) : = \frac{8 \cdot η \cdot Flow}{N} [\frac{1}{{ri}^{4}} + \frac{1}{{ro}^{4}} + \frac{{sf}^{2} \cdot pit \cdot (\frac{sf}{2} - 1)}{{(\frac{2 \cdot 2.5 \cdot ri . b}{2.5 \cdot ri + b})}^{4}} + \frac{{sf}^{2} \cdot pit \cdot (\frac{sf}{2} - 1)}{{(\frac{2 \cdot 2.5 \cdot ro \cdot b}{2.5 \cdot ro + b})}^{4}} + \frac{sf \cdot pit \cdot (\frac{sf}{2} - 1)}{{(\frac{2 \cdot 2.5 \cdot ri \cdot b}{2.5 \cdot ro + b})}^{4}} + \frac{sf \cdot pit \cdot (\frac{sf}{2} - 1)}{{(\frac{2 \cdot 2.5 \cdot ro \cdot b}{2.5 \cdot ro + b})}^{4}}]

在该协议中，N是终端级出口的总数量，而η是粘滞率。

该协议假设，还被称为射流通道的终端级入口的宽度与从其馈给的射流喷嘴的宽度基本相同，不同之处仅在于，还假设在这种射流通道的端部，它的宽度随来自一个以上射流喷嘴的冷却剂流体的累积而变得相对增大。利用25％更大的通道宽度和sf/2-1的平均通道长度来估计总性能。虽然该等式不能精确地计算压降，但是它能够帮助选择优选布局、合适的比例因子以及终端级入口和出口的尺寸。

因此，通过计算得出，通过相对于射流喷嘴直径将输出喷嘴和终端级入口的尺寸增大达30％，可以减小冲击冷却器的理论总压降。因此，输出通道的压降是输入通道的2.8倍分之一。

除了通道中的流体阻力之外，还可以考虑90度弯折的压力。该压力因流体的减速和加速而产生，因此其依赖于流体的平均速率的平方和密度。对于陡峭的角部，其产生的压降是半径大于管直径的弯折的2-3倍。

冲击冷却器的总阻力通过对冲击冷却器的每个级的阻力进行求和来计算得到。

图4示出sf为5的冲击冷却器10的优选实施例的两个级。虽然所示的单个级的布局和在图3中示出的级的布局类似，但是还叠加了其他级的结构。特别是，两行第三级隔离壁44示出为具有相关联的第三级出口16和第三级入口14的最大弯曲形式。多行第二级隔离壁21叠加有相关联的第二级入口22和第二级出口26。第三级未示出。在本实施例中，第三级入口14的直径是第二级入口22的直径的五倍。例如，第二级入口的直径可以为28微米，而第三级入口的直径可以为36微米。喷嘴直径的这种组合可以减小冷却器中的总压降，同时维持相对改进的射流冲击性能。

注意到，在第三级入口14与第二级入口22共轴时，则第三级入口14具有较差的排出特性，并且具有相对小的压降。该减小的压降能够这样解释，因为冷却剂沿直接路径流动，这和沿间接路径流动的情况相反，其中该间接路径在第三级入口14不共轴于第二级入口22的情况下具有三个90度的弯折部。特别是，该间接路径可以是从第三级入口14垂直流动到第二级多支管输入通道20，其中伴有另一个90度弯折然后通过第三个90度弯折进入第二级入口22中。例如，在采用这种间接冷却剂路径的情况下，第三级入口14中的压降可以是200帕斯卡，而第二级入口22中的压降可以是11000帕斯卡。

在冲击冷却器10的优选实施例中，整个输入通道分层结构和输出通道分层结构中的90度弯折都具有弯曲轮廓，该轮廓的曲率半径大约是通道直径的两倍。通过这种方式，可以减小弯折背压。

图5示出冲击冷却器10的可选实施例的两个级。所示出的第二级18的布局类似于图3中所示的级的布局，并且第三级12的结构被叠加。特别是，第一级入口和出口由槽46的阵列而不是圆柱通道阵列构成。槽46的较大水力半径使得可以减小Poiseuille流相关的压降。槽46的阵列还可以消除某些流体路径中的两个方形转弯，从而有助于进一步减小压降。在所示的优选实施例中，第三级12具有两行第一级隔离壁44，它们垂直于第二级行定位，因此相邻级之间的相间交错的结构旋转90度。

图6示意性示出冲击冷却器的另一个实施例的第二级18的平面图。例如，如果sf是3而P为150微米，则第二级入口的近似直径可以是40微米，而第二级出口的近似直径可以是52微米。

图7示出冲击冷却器的可选几何形状的第一级，也就是，第一级入口32和第一级出口36为六边形布局。第一级隔离壁的弯曲结构由树形结构48来替代，其具有中心主干和规则分支部分。可以实现对入口的六边形格子的平行供给和排出。在优选布局中，终端级出口的数量是终端级入口的数量1/2倍，这使得能够设计出两个相间交错的馈给和排出网络而不会出现流体碰撞。

有利的是，通过利用彼此交织的输入通道分层结构和输出通道的分层结构，而减小整个上述冲击冷却器实施例的总压降。用于提供有效热传输的另一种技术方案是在冲击冷却器的冲击间隙中添加表面增强特征。

图8示出喷射板37的平面图、以及还示出芯片38和表示冷却剂流体的分布式回程的沿线A-A’的截面图。

图9示出单个冲击单元50的截面图，其具有由线箭头表示的冷却剂流体和由实线箭头表示的热传输。更大的热传输出现在相比于终端级出口更靠近终端级入口的流体中。还示出由交叉线表示的终端级入口以及由实圆圈表示的终端级出口的平面图。在由单个冲击单元的对称平面限定的区域内示出流体线。

类似，图10示出单个冲击单元50的截面图，其具有由线箭头表示的冷却剂流体和由实线箭头表示的热传输。表面增强特征52连接到目标表面40。以及，更大的热传输出现在相比于终端级出口更靠近终端级入口的流体中。还示出终端级入口以及终端级出口的平面图，以及示出从表面增强特征52到冷却剂之间的热传输，其由实线箭头表示。

图11也示出单个冲击单元50的截面图，其具有由线箭头表示的冷却剂流体和由实线箭头表示的热传输。表面增强特征52连接到芯片38的表面和喷射板37的表面之间，因此在这两个特征之间提供热流通性。这里，热传输还从喷射板37进入到冷却剂中。还示出终端级入口以及终端级出口的平面图，以及示出从表面增强特征52到冷却剂之间的热传输，其由实线箭头表示。

图12示意性示出菱形表面增强特征52的平面图，其位于芯片40的目标表面上，成规则图形，并且位于终端级入口32和出口36之间。

在操作中，冷却剂流出终端级入口32，沿线箭头表示的流体路径流动，然后经终端级出口36排出。该流体路径通常靠近目标表面40或者表面增强特征52，因此相对改进了从目标表面40到冷却剂之间的热传输，这是因为冷却剂所接触的表面面积增大了。例如，如果图12所示的表面增强特征位于50微米的冲击间隙中，则用于热交换的表面面积是平面目标表面的面积约四倍。在将表面增强特征形成在目标表面40和喷射板37之间的直接热接触的实施例中，提供从热芯片向冷却剂喷嘴板和通道层导热的路径。这打开了从固体表面到液体之间的其他热传输路径，因此，利用多个表面增强特征几何形状，终端级中传递的热量超过了射流冲击传递的热量以及表面增强特征本身传递的热量。

表面增强特征还用于再次引导流体以避免形成流体滞流点和滞流线。以及，如果表面增强特征在目标表面40和喷射板37之间延伸，则它们可以具有维持均匀冲击间隙42的机械作用。

表面增强特征优选成形为，使得它们对冲击冷却剂的流体阻力相对较小，并且通过逐渐加速而使得流体偏离于滞流线。例如，在图12所示的实施例中，表面增强特征的高度为50微米，也就是喷嘴间距的一半，而由一个入口馈给以及由菱形图形构图的四个出口的水力半径为40微米级。在这种情况下，所谓的‘表面增强因子’为5。喷嘴间距是指终端级的相邻入口和出口的间距。

在另一个优选实施例中，输入通道的分层结构和输出通道的分层结构均可以具有50-100微米的长度以及具有10微米级的水力直径。

图13示意性示出表面增强特征的优选实施例的平面图。表面增强特征52为菱形，可以规则定位在入口32和出口36之间。其他的表面增强特征，特别是障碍特征53具有椭圆形式，并且具有中心轴，该中心轴沿单个冲击单元中入口和出口的连接线。

在操作中，菱形特征52被同样定位为，以再次引导流体以避免滞流线，并且长椭圆形特征53用于形成两个大致均匀的窄弯曲流体路径，从而消除热传输性能较差的直线中心流体路径。这将用于热交换的总表面从5x增大到8-9x，将由一个入口馈给的出口的数量翻倍，并且将水力直径减小到28微米。

图14示意性示出表面增强特征的优选实施例的平面图。表面增强特征是菱形凸起52，其规则定位在入口32和出口36之间，尽管不延伸到接触入口或者出口。两个长弯曲窄凸起54被定位为，使得它们沿单个冲击单元的入口和出口之间的流体线延伸。

在操作中，两个长弯曲窄凸起54用于进一步提供用于热传输的表面面积，并且在该实施例中，将由一个入口馈给的12个出口的水力直径减小到低于15微米的值。例如，在P大约为150微米的实施例中，则长弯曲窄凸起可以大约为10微米宽。

图15示意性示出表面增强特征的另一个优选实施例的平面图。除了菱形表面增强特征52之外，还有多个椭圆形表面增强特征沿流体线规则定位在入口32和出口36之间。

图16示出跨越若干冲击单元的表面增强特征58的平面图，其具有也称为线性凸起线性散热片，所述散热片形成两个平行路径，这两个平行路径还被称为线性间隙，其沿单位单元的一条对角线从一个入口32到两个相邻出口36。

图17示出跨越若干冲击单元的表面增强特征的平面图，其具有线性散热片58和还称为障碍特征60的附加短椭圆形散热片，其被定位为形成从一个入口32延伸到两个相邻出口36的四条路径。

图18示出跨越若干冲击单元的表面增强特征的平面图，其具有线性散热片58和一对附加短椭圆形散热片62，其被定位为形成从一个入口32延伸到两个相邻出口36的六条路径。

图19示出跨越若干冲击单元的表面增强特征的平面图，其具有线性散热片58和三个附加短椭圆形散热片64，其被定位为形成从一个入口32延伸到两个相邻出口36的八条路径。

图20示出跨越若干冲击单元的表面增强特征的平面图，其具有较窄的线性散热片66的，所述散热片形成出两个较长的平行路径，所述路径沿单位单元的倾斜对角线从一个入口32延伸到两个相邻出口36。

图21示出跨越多个冲击单元的V形表面增强特征68的平面图。示例性行数的第二级隔离壁被添加到该视图中。

作为示出冷却性能随冲击单元尺度以及使用表面增强技术特征之间的变化的实例，图22示出曲线图，记录了在冲击装置的喷射板部分中计算得到的热传输系数和计算得到的压降随射流喷嘴间距P的变化，其中利用水用作冷却剂、1平方厘米喷射板面积的恒定冷却剂容积流量为0.375l/min、入口射流喷嘴间距和入口射流喷嘴直径的比值为3、以及而射流喷嘴间距和冲击间距(喷射板和被冷却芯片之间的距离)的比值为2。在情况b和c中，表面增强结构具有图13的布局。所有部件都由硅制成。利用商业计算流体动力学软件包来获取数据。对于没有表面增强特征的简单射流冲击单元而言，即情况a，优选考虑热量去除速率来减小单元尺寸，也就是，该间距和入口喷嘴直径。这种减小确实导致喷射板压降的增加，其与如上所述的系统中其他位置的其他压降混合，实际上不应该超过可由外部泵性能所施加的限度。另外，部件的构造能够期望达到特定尺寸以下的实际限度。因此，在目前所述的热交换器的优选实施例中，入口射流直径通常将处于10至200微米的范围内，而入口射流间距将通常是该射流直径的3至5倍。利用表面增强特征大大改进了简单冲击单元上的热传输系数，而不会导致附加的压降。

图23A示出本发明的冲击冷却器70的部分的可选实施例。进入冷却器的第一级的入口通道70分支为若干第一级输入通道，这些输入通道冲击芯片38的背面，并且该入口通道70的每个分支都经通过冲击间隙42的路径而馈给到输出通道72的分支，其中冲击间隙42形成为具有类似于图20所示的线性散热片66。线性散热片66是连接在芯片38的背面和喷射板37的表面之间的表面增强特征；如图11所示的上部。因此，该结构可以视为U形‘微通道’，其冲击芯片的背面，并且在该情况下，上述入口和出口喷嘴直径的差异可以更小或者得以消除。入口通道70和出口通道72一起形成第一回路。进入冷却器的第一级的另一个入口通道74分支为若干第一级输入通道，其冲击芯片38的背面、并且经形成为具有线性散热片66的路径而馈给另一个输出通道76的分支。另一个入口通道74和另一个出口通道76一起形成第二回路。

图23B示意性示出图23A的第一和第二回路的平面图，其中示出了线性散热片66以便于理解，尽管其不一定通过喷射板37可以看到。

有利的是，该实施例允许入口和出口通道的较短的间隔以冲击芯片的背面。该间隔还称为间距，在优选实施例中可以是100微米。这种较小的间隔是有用的，因为一些芯片和冷却器系统需要将芯片本身用作散热器。其他的优点在于，第一回路和第二回路是分离的，这使得在需要时每个回路都可以独立操作。例如，可以将一个回路设计成备用回路，从而如果操作回路出现故障时可以切换到备用回路。或者，如果芯片的正常操作需要使用两个回路的功能，则一个回路的故障或维护会使得另一个回路单独起作用。为了补偿冷却能力的损失，可以增大通过操作回路的冷却剂的流速，或者还可以将芯片的时钟频率减小，以便减少芯片产生的热能。

可以设想到冲击冷却器的上述实施例的多个方面的可选方案。例如，还可以设想，采用彼此交织的入口通道的分层结构和输出通道的分层结构的可选图形。还可以设想，除了所示实施例的菱形、长椭圆形和柱形之外，还可以采用表面增强特征的可选图形和形式。可以采用多种合适材料来构造这种冲击冷却器，而冷却剂流体可以是气体或者液体。如果采用气体，则可以相比于上述描述中提出的采用水的情况中的尺寸，将间距、层厚、入口/出口/通道水力直径的优选尺寸缩小1/2。冷却剂流体还可以包含其他的固体颗粒，则可称为纳米流体，从而相对改进总热传输性能，因为它们穿透热界面层的热容量或者能力得以改进。

所示的实施例的结构还可以用于两相冷却器，在两相冷却器中，液体通过接触热表面而蒸发形成气体。为了容纳更大容量的气体，同时维持低流速，则输出必须比输入大30％。

表面增强特征的使用范围可以扩展到需要对来自一个或多个冲击射流的流体进行流体控制工程的任何方案。

在靠近目标表面的特定区域，可以改变入口和出口喷嘴直径，以便调节热点的冷却性能。

还可以理解，本构思的冲击冷却器可以接口到任何多个高功率密度装置，例如，高功率激光器和光学元件或者功率电子装置。另外，还可以实现将冲击冷却器直接集成到多个装置。

在不脱离本发明的范围下，可对上述内容进行改进和变型。

Claims

1.一种冲击冷却器(10)，其具有与冲击间隙(42)相邻的第一级，所述冲击冷却器的特征在于：

第一级(28)包括一层与所述冲击间隙(42)相邻的、成分布式阵列的基本平行的入口(32)和出口(36)的层，所述第一级(28)还包括一层相间交错的分支通道(30，34)的层，以对入口(32)供给流体以及从出口(36)排出流体。

2.如权利要求1所述的冲击冷却器，还包括与所述第一级接触的第二级，其中所述第二级的结构基本上是所述第一级的结构放大预定倍数之后的复制结构。

3.如权利要求2所述的冲击冷却器，还包括与所述第二级接触的其它分层级，其中所述其它级的结构基本上是所述第二级的结构放大预定倍数之后的复制结构。

4.如前述权利要求中任一项所述的冲击冷却器，其中所述相间交错的输入通道和输出通道的层包括形成互锁指状物的隔离壁。

5.如前述权利要求中任一项所述的冲击冷却器，其中所述预定放大倍数的范围为5-15。

6.如前述权利要求中任一项所述的冲击冷却器，其中至少一层所述入口和出口具有基本圆柱形的形式。

7.如前述权利要求中任一项所述的冲击冷却器，其中至少一层所述入口和出口具有基本槽的形式。

8.如权利要求1所述的冲击冷却器，其中所述分布式阵列具有所述入口和出口的面心方形图形。

9.如权利要求1所述的冲击冷却器，其具有表面增强特征，该特征位于冲击间隙内并连接到所述第一级和受热体中的至少一个，其中所述表面增强特征包括多个凸起。

10.如权利要求9所述的冲击冷却器，其中所述表面增强特征包括多个凸起，每个凸起具有菱形的形式、并规则地位于所述第一级的入口和出口之间，并且所述凸起的配置基本上将流体引导离开滞流区。

11.如权利要求10所述的冲击冷却器，其中所述表面增强特征还包括障碍特征，其规则地沿连接所述第一级的入口和出口的对角线定位。

12.如权利要求9所述的冲击冷却器，其中所述表面增强特征包括多个线性平行凸起，其对角地定位，使得所述第一级的入口和出口交替位于所述凸起之间的线性间隙中。

13.如权利要求12所述的冲击冷却器，其中所述线性平行凸起连接在所述第一级和受热体之间，并且变型为形成多个微通道，每个微通道都连接单个入口和单个出口。

14.如权利要求13所述的冲击冷却器，其具有第一组微通道和第二组微通道，所述第一组微通道从第一通道回路供给并排出，而所述第二组微通道从第二通道回路供给并排出，其中所述第一和第二回路的操作彼此独立。

15.如权利要求14所述的冲击冷却器，其中所述第一组微通道和第二组微通道在所述分布式阵列中基本交错地定位。

16.如权利要求12所述的冲击冷却器，其中所述表面增强特征还包括障碍特征，其规则位于线性间隙中第一级的入口和出口之间。

17.如权利要求11或者权利要求16所述的冲击冷却器，其中每个障碍特征被再分成多个基本上沿流体线定位的障碍。

18.如权利要求9所述的冲击冷却器，其中所述表面增强特征包括多个V形凸起，其被定位为使得所述第一级的入口和出口交替位于凸起之间的V形间隙中。

19.一种冷却系统，包括前述权利要求中任一项所述的冲击冷却器以及微处理器芯片，所述微处理器芯片被定位为与所述冲击冷却器相邻并与其之间具有冲击间隙。

20.一种从热源(38)传输出热量的方法，该方法包括以下步骤：

提供步骤，用于提供具有与冲击间隙(42)相邻的第一级(28)的冲击冷却器(10)，该第一级包括成分布式阵列的入口(32)和出口(36)层，其中所述入口和出口从相间交错的输入通道(30)和输出通道(34)的层分支出，并且使所述冲击冷却器经所述冲击间隙而与热源接触，

冲击步骤，用于经所述冲击间隙将通过所述冲击冷却器(10)的冷却剂流体冲击到热源(38)上，使在整个冲击冷却器上的压降最小。