CN102034771B - 散热器系统和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及散热器系统和装置。具体地，提供了一种散热器，其消除了无效冷却剂支路通道。散热器包括冷却剂腔，其由盖和本体部分限定。导热盖包括第一多个基本均匀分布的针状散热片，其向着与盖相对的本体部分的一部分与盖的内表面有角度地延伸。与盖相对的本体部分包括第二多个针状散热片，其在与第一多个针状散热片相对的方向上延伸。冷却剂腔还包括热导流件，其从本体部分的内表面突出。导流件平行于第一和第二多个针状散热片行进并从接近导热盖的点延伸到与导热盖相对的导热本体部分的一部分处。
Description
技术领域
本发明总体涉及散热器。更具体地，本文公开的主题涉及用于增加散热器的热效率的结构和装置。
背景技术
电子系统设计的一个问题在于，由于将大量电路集成到单个芯片上以及将多个芯片集成到单个电路板上，产生了高热负载由此可能减小此类装置的预期寿命的可能性。没有有效的冷却系统，当前复杂的电子器件将比其设计的预期寿命更快地发生故障。当这种装置必须在高热环境中操作时尤其如此。
典型地，冷却剂系统依靠通常在例如个人电脑的电子装置中可见的强制通风冷却，或者通常在车辆和工业环境中可见的液流体流动热交换器。液体流动系统已知比强制通风系统更有效，在相对冷的空气源不是容易可行的情况下尤其如此。
通常已知的是被散热器吸收的热量与热交换器的表面积以及环境温度和热交换器中的冷却剂温度之间的温差成比例。冷却的牛顿第一定律，指出到本体的传热率与本体和其周围环境之间的温差成比例。热传递的一般公式可如下表达：
dQ/dt＝h·A(Tenv-T(ff))
其中，
Q＝以焦耳为单位的热能
h＝热传递系数
A＝热交换器的表面积
T(ff)＝作为流量和利用效率函数的冷却剂温度
Tenv＝热环境温度
这样，牛顿第一定律指出了给定由使用材料确定的特定热传递系数，传热率与热交换器表面积和冷却剂温度和环境温度之间的差二者成比例，其他所有的是相等的。然而，热交换器内地冷却剂流效率低是减小有效流动并由此增加其有效温度的因素。因此需要比所需热交换器更大。
因此，需要具有更有效地热交换器。此外，本发明的其他需要的特征和特定将结合附图和前面的技术领域及背景技术，通过随后的详细描述和所附权利要求变得明显。
发明内容
应认识到提供本发明内容以引入非限制性概念的部分。本文所公开的实施例是示例性的，因为本文公开主题的各种特征的组合和排列是大量的。本文公开内容仅限于清楚和简洁的目的。
本文公开内容提供了一种新颖散热器。该散热器包括导热盖，其包括第一内表面部分；第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂。该散热器还包括导热本体部分，其具有第二内表面部分；以及第二多个针状散热片，其与所述第二内表面部分为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述第二内表面部分延伸。
在另一实施例中，该散热器包括导热盖，其包括第一内表面部分；第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂。该散热器还包括导热本体部分，其具有第二内表面；以及第一导流件，其从所述第二内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个行进。
在另一实施例中，该散热器包括导热盖，其包括第一内表面部分；第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂。该散热器还包括导热本体部分，其具有第二内表面部分和内侧底表面部分，其中第一导流件从所述第二内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个行进并从所述第一内表面部分延伸到所述内侧底表面部分。另外，散热器提供了第二多个针状散热片，其与所述底表面部分为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述底表面部分延伸。
本发明还提供了以下方案：
1.一种散热器，包括：
导热盖，其包括第一内表面部分；
第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂；
导热本体部分，其具有第二内表面部分；以及
第二多个针状散热片，其与所述第二内表面部分为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述第二内表面部分延伸。
2.如方案1所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片以与所述第一内表面部分基本上成直角地下垂，所述第二多个针状散热片以与所述第二内表面部分基本上成直角地延伸。
3.如方案2所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片和所述第二多个针状散热片的每个具有带均匀椎体的截头锥形状。
4.如方案3所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片的一个和相应的相邻所述第二多个针状散热片的一个之间的距离基本上是均匀的。
5.如方案1所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片的每个与所述第二内表面部分物理接触。
6.如方案1所述的散热器，其特征在于，进一步包括导热螺栓，其将所述导热盖固定到所述导热本体部分。
7.如方案6所述的散热器，其特征在于，进一步包括所述导热盖和所述导热本体部分之间的O形环。
8.如方案2所述的散热器，其特征在于，所述本体部分进一步包括第三内表面部分，其具有导流件，所述导流件从所述第三内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个延伸。
9.如方案8所述的散热器，其特征在于，所述导流件是沿所述第三内表面部分基本上规则间隔的多个导流件中的一个。
10.一种散热器，包括：
导热盖，其包括第一内表面部分；
第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂；
导热本体部分，其具有第二内表面；以及
第一导流件，其从所述第二内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个行进。
11.如方案10所述的散热器，其特征在于，所述导热本体部分进一步包括与所述导热盖相对的底表面。
12.如方案11所述的散热器，其特征在于，所述第一导流件从第一内表面最近的点延伸到所述底表面。
13.如方案12所述的散热器，其特征在于，包括多个导流件，其基本上沿所述第二内表面部分规则间隔。
14.如方案13所述的散热器，其特征在于，多个导流件的每个具有基本上均匀的沟。
15.如方案11所述的散热器，其特征在于，所述多个导流件的每个和每个相邻的所述第一多个针状散热片之间的距离沿第一多个针状散热片的多个相邻针状散热片的每个的长度基本上是均匀的。
16.如方案11所述的散热器，其特征在于，包括第二多个针状散热片，其与所述底表面为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述底表面延伸。
17.一种散热器，包括：
导热盖，其包括第一内表面部分；
第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂；
导热本体部分，其具有第二内表面部分和内侧底表面部分；
第一导流件，其从所述第二内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个行进并从所述第一内表面部分延伸到所述内侧底表面部分；以及
第二多个针状散热片，其与所述底表面部分为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述底表面部分延伸。
18.如方案17所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片和所述第二多个针状散热片为带均匀椎体的截头锥形状。
19.如方案18所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片和所述第二多个针状散热片的每个的椎体基本上是相等的。
20.如方案19所述的散热器，其特征在于，所述第一导流件是沿所述第二内表面基本上规则间隔的多个导流件中的一个。
附图说明
本发明此后将结合下面的附图描述，其中相同的附图标记指代相同的元件。
图1a是根据现有技术的热交换器的剖视图；
图1b是根据本文公开主题的示例性散热器的剖视图；
图1c是根据本文公开主题的替代示例性散热器的剖视图；
图2是示例性冷却剂腔的立体图；
图3是示例性实施例的平面图，示出了热导流件(bosses)和如本文所公开的底盘针状散热片及其构造；
图4是邻接热源的示例性冷却剂腔调更广的剖视图；
图5是根据本文公开主题的示例性散热器的分解立体图；以及
图6是如本文所公开的散热器的替代实施例的立体图。
具体实施方式
下面的详细描述在本质上仅为示例性的并且不用于限制主题或应用，以及下面本文所述主题的使用。此外，不以前述技术领域、背景技术、发明内容或后面的详细描述中呈现的任何理论来进行约束。
本文所公开的主题涉及新颖的散热器或系统，也称作“散热器”。散热器吸收从热源接收到热量并将该热量耗散至存在于更冷温度的物质。散热器可通过物理邻接热源(例如，电路)而与热源热力学接触，使得热量通过传导被接收，其可邻接介入部件，该介入部件间接从热源接收热量或者其可通过传导或辐射在介入距离上直接接收热量。散热器可从多个热源接收和耗散热量。
散热器可为任何形状，并且可设计成匹配热源的形状和/或尺寸。作为非限制性示例，为了简单，本文公开主题将涉及形状为平行六面体的散热器。这样，热源可容易地附接到散热器的顶部和底部，以及附接到散热器的多个侧面中的一个。此外，本领域技术人员将认识到此后公开的主题可应用于强制气体系统以及强制液体系统。然而，为了简洁和清楚，仅在本文中讨论强制液体散热器系统。
图1a是现有技术中已知的强制流体热交换器5(即，散热器)的一个冷却剂腔105的一部分的剖视图。冷却剂腔105包括本体部分或底盘100和盖110。盖110包括多个均匀分布的结构或散热器针状散热片120，其从顶盖的下侧下垂。散热器针状散热片120可为均匀的圆锥形或均匀的截头锥形状，并且可或可不与底盘100接触。
散热器针状散热片120的目的是增加与冷却剂流600接触的散热器5的表面积(见图6)。当液体冷却剂600经过散热器针状散热片120时，一些冷却剂冲击到散热器针状散热片上，导致热量从散热器针状散热片传递至冷却剂。当冷却剂600冲击到散热器针状散热片120上时，流体被摩擦减缓，导致跨散热器5的增加的压降。
垫圈或O形环101用在盖110和底盘100的结点处以防止冷却剂经过其泄漏。盖110由紧固件103固定到底盘100(见图5)，该紧固件可由导热材料或绝热材料制成。紧固件103可为任何类型的适合紧固件并可包括螺栓、夹子等。
本领域技术人员将认识到冷却剂进口压力、冷却剂流量、跨散热器的压降和冷却剂进口温度是却动散热器5将吸收的热量的所有相关变量。任何具体散热器实施例的热力学分析超出了本公开的范围并且将为了简洁和清楚而省略。
然而，应注意到图1a所示的现有技术的散热器产生了散热器针状散热片120和底盘100侧面之间的不均匀的冷却剂通道，或冷却剂支路115′。图1a的散热器还产生了相邻散热器针状散热片120之间的不均匀的冷却剂支路。术语“不均匀”在本文中被限定为冷却剂通道115’的变化宽度。不均匀冷却剂通道115’允许部件之间的一些层状冷却剂流由此允许一些冷却剂避免与散热器10的热传递环部件(例如，散热器针状散热片120)的显著热力学接触。
图1b是根据本文公开主题描述的散热器10的实施例的剖视图。散热器10包括作为底盘100的整体部件的多个热导流件150并优选地与其一起铸造。热导流件150可沿着散热器的底盘100的内壁规则地间隔并且基本上垂直于冷却剂流突出(见图2)。
热导流件150冷却剂支路消除特征，其消除了其中冷却剂流像以缓慢运动边界层的层流一样的死区。缓慢运动边界层趋于像热绝缘体一样作用。通过插入热导流件150，热导流件150位置的冷却剂流通过向着附近散热器针状散热片120沿冷却剂支路装置壁重新定向冷却剂流而从层流转变为湍流。热导流件的添加的表面积和向散热器针状散热片120冲击的额外的湍流进一步增加了与散热器针状散热片的热传递。
热导流件150具有从O形环101延伸到底盘100的底板的沟或斜坡，其匹配散热器针状散热片120的椎体。匹配沟和椎体产生了热导流件150和最近散热器针状散热片120之间的均匀的冷却剂支路通道115。
热导流件150的表面是光滑的弯曲表面，其最小化跨其表面的流体摩擦，由此最小化其对于跨整个散热器10的压降的增加贡献。热导流件150的非限制示例性形状可包括半锥形、递变波形状(即正弦曲线)，或其他形状，该形状可被发现既最小化流体摩擦又维持冷却剂通道具有热导流件和最近散热器针状散热片120之间的均匀间隔。
图1b还示出了互补特征，该特征包括一个或多个底盘针状散热片160，其在本文所示为附接到底盘100的底板。一个或多个底盘针状散热片160可铸造为底盘100的底板部分的一部分或可在通过现有技术已知的手段(例如通过焊接或烧结)铸造之后添加。一个或多个底盘针状散热片160可为任何高度并能够用于控制跨整个散热器10的压降。本领域技术人员将认识到热传递(即针状散热片高度/表面积)和跨冷却剂腔的压降之间具有权衡。
类似于热导流件150，底盘针状散热片160也可设计为使得底盘针状散热片的沟或椎体与最近散热器针状散热片120的椎体相同，使得散热器针状散热片120和最近底盘针状散热片160之间的一个或多个冷却剂通道115的宽度沿底盘针状散热片160的长度是均匀的。冷却剂通道115的宽度的均匀性当跨整个冷却剂腔105应用时允许散热器针状散热片120和底盘针状散热片160之间以及散热器针状散热片和热导流件150之间的间隔用作可调节的制造参数。间隔可用于精确调整经过散热器10的流体流以及跨散热器10的压降。
因为散热器10可构造成包括多个冷却剂腔105(见图5和6)，每个冷却剂腔可包括底盘针状散热片160，其具有与相同散热器10中的另一冷却剂腔的底盘针状散热片不同的高度。这种性能可用于控制一个冷却剂腔与第二冷却剂腔相比不同的压降和传热率。
例如，附接到冷却剂腔A的电路板A可生成大于附接到可串联连接到第二冷却剂腔B的电路板B的热负载。因此，其可需要包括更大高度的底盘针状散热片160以增加冷却剂腔105的表面积并增加冷却剂保留在冷却剂腔A中的时间(导致高压降)，并且包括冷却剂腔B中更小的底盘针状散热片(导致小压降)，因为热负载低。然而，总压降可保持在跨两个冷却剂腔的恒定设计压降。
图1c是替代的实施例。然而，图1c中的一个或多个针状散热片120实际上与底盘100的底板接触，而图1b的实施例不是。与底盘100的实际接触防止针状散热片120下的冷却剂流(即层流)。消除散热器针状散热片120和底盘100之间的空隙间隔强迫冷却剂成为湍流，其增加了冷却剂600的热吸收效率。如果需要的话，直接接触还允许盖110和底盘100之间的直接热传递。
散热器针状散热片120与底盘100的直接接触可在一些情况下是需要的而在另一情况则不是。例如，在包括仅附接到底盘100或盖110的热源A(见图4)的实施例中，直接接触可被需要来消除冷却剂支路并更有效地将热量耗散到底盘100的额外物质以使冷却剂600更有效地流动。在其他实施例中，其中邻接盖110可有相对高温热源A且邻接底盘100可有相对低温热源B，散热器针状散热片120与底盘100的直接接触可导致一些不需要的热量从热源A(高温)传递到热源B(低温)。因此，散热器针状散热片120尖端和底盘100之间需要的空隙间隙可发现在一些实施例中是有用的。
图2是部分限定冷却剂腔105的底盘100的立体图，其示出了沿着底盘100的侧面规则间隔的若干示例性热导流件150。在该具体实施例中，示出了散热器针状散热片120之间的两列底盘针状散热片160。然而，具有少于两列底盘针状散热片160。在其他实施例中可有三列或更多列。
当盖110以位于其之间的O形环101安装在底盘100的顶部时，从盖下垂的一个或多个热针状散热片120位于底盘针状散热片160对之间，其具有沿着其最近表面的每个散热器针状散热片120和每个底盘针状散热片之间的基本上均匀的间隔(也见图3)。
图4是从线4-4可见的图3平面图中所示的冷却剂腔105的一部分的剖视图。散热器针状散热片120a-d从盖100下垂，热源A可固定地附接到其上。底盘针状散热片160w-z从底盘100的底板向上延伸，热源B可固定地附接到其上。散热器针状散热片a-e120和底盘针状散热片u-z160之间的通道的宽度是本质上均匀的。散热器针状散热片120和底盘针状散热片160之间的示例性间隔在图3和4中示出(例如，见间隔(u-a)，(a-v)，(v-b)，(b-w)，(w-c)，(c-x)，(x-d)，(d-y)，(y-e)和(e-z))。
图5是呈现了包括三个冷却剂腔105的单通道热交换器歧管510的示例性实施例。每个冷却剂腔105包括多个热导流件150和盖110或基板，散热器针状散热片120从该基板下垂。每个盖110热力学附接到热源(A，B，C)，其可为电功率模块或其他热源。热交换器歧管510还包括第二盖100，其中构造三组底盘针状散热片160，其与相应组的散热器针状散热片120相啮合，由此在组合时在其之间产生均匀的冷却剂通道。在此具体实施例中，冷却剂600进入冷却剂入口512，连续经过每个冷却剂腔105，并且经过冷却剂出口514离开热交换器歧管510。尽管流经每个冷却剂腔105，冷却剂600最终以湍流的方式在散热器针状散热片120中耗散，其中发生了热传递。湍流由于热导流件150和底盘针状散热片160的存在而被最大化由此允许所有的冷却剂600在每个冷却剂腔中冲击到多个散热器针状散热片上。本领域技术人员将认识到底盘针状散热片160和热导流件150还将热量传递至冷却剂。
图6呈现了包括两个歧管(其包括六个冷却剂腔105)的双通道热交换器歧管510的示例性实施例。每个冷却剂腔105包括多个热导流件150和盖110或基板，散热器针状散热片120从其上下垂。与散热器针状散热片120相对的每个盖110热连接到热源(A，B，C)，其可为电功率模块或其他电路板。每个热交换器歧管510还包括第二盖100，其中构造三组底盘针状散热片160，其与从每个盖110下垂的散热器针状散热片120相啮合。
在该示例性实施例中，冷却剂600进入冷却剂入口512，连续经过每个冷却剂腔105，并且经过冷却剂出口514离开热交换器歧管510。尽管流经每个冷却剂腔105，冷却剂600最终以湍流的方式在散热器针状散热片120中耗散，其中发生了热传递。湍流由于热导流件150和底盘针状散热片160的存在而被最大化由此允许所有的冷却剂600在每个冷却剂腔中冲击到多个散热器针状散热片120上。
尽管图5和6示出了热交换器的两个示例性实施例，将认识到任意数量的歧管可串联、并联、或串联和并联构造结合地连接，并且其落入本文公开的预计范围内。将进一步认识到任意数量的冷却剂腔105可包括热交换歧管510，冷却剂腔可为如可要求的任意需要形状或构造。
因为本文公开的热交换器是正压系统(即操作的泵)，热交换器可在任何物理方向上操作(例如，垂直、水平或颠倒)。热交换器还可在真空和高振动环境下操作，并且由此适于航天和民用航空。此外，本文公开主题可在对于大气开放的系统中或在任何大气气体都从系统中抽出的封闭系统中操作。
虽然已在前面的详细描述中提出了至少一个示例性实施例，但应该理解的是，存在非常多的变型。还应当理解的是，一个或多个示例性实施例只是实例，且并非想要以任何方式限制本发明的范围、应用性或构造。相反，前面的详细描述将为本领域的技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的方便的路线图。应当理解的是，可在示例性实施例中描述的元件的功能和布置中作出各种改变而不脱离如所附权利要求及其法律等同物所阐明的本发明范围。
Claims (18)
1.一种散热器，包括：
导热盖，其包括第一内表面部分；
第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂；
导热本体部分，其具有第二内表面部分；以及
第二多个针状散热片，其与所述第二内表面部分为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述第二内表面部分延伸；
其中，所述导热本体部分进一步包括第三内表面部分，其具有导流件，所述导流件从所述第三内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个延伸。
2.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片以与所述第一内表面部分基本上成直角地下垂，所述第二多个针状散热片以与所述第二内表面部分基本上成直角地延伸。
3.如权利要求2所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片和所述第二多个针状散热片的每个具有带均匀椎体的截头锥形状。
4.如权利要求3所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片的一个和相应的相邻所述第二多个针状散热片的一个之间的距离基本上是均匀的。
5.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片的每个与所述第二内表面部分物理接触。
6.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，进一步包括导热螺栓，其将所述导热盖固定到所述导热本体部分。
7.如权利要求6所述的散热器，其特征在于，进一步包括所述导热盖和所述导热本体部分之间的O形环。
8.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述导流件是沿所述第三内表面部分基本上规则间隔的多个导流件中的一个。
9.一种散热器，包括：
导热盖，其包括第一内表面部分；
第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂；
导热本体部分，其具有第二内表面；以及
第一导流件，其从所述第二内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个行进；
其中，所述导热本体部分进一步包括与所述导热盖相对的底表面。
10.如权利要求9所述的散热器，其特征在于，所述第一导流件从第一内表面最近的点延伸到所述底表面。
11.如权利要求10所述的散热器，其特征在于，包括多个导流件，其基本上沿所述第二内表面部分规则间隔。
12.如权利要求11所述的散热器，其特征在于，多个导流件的每个具有基本上均匀的沟。
13.如权利要求11所述的散热器，其特征在于，所述多个导流件的每个和每个相邻的所述第一多个针状散热片之间的距离沿第一多个针状散热片的多个相邻针状散热片的每个的长度基本上是均匀的。
14.如权利要求9所述的散热器，其特征在于，包括第二多个针状散热片，其与所述底表面为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述底表面延伸。
15.一种散热器，包括：
导热盖，其包括第一内表面部分；
第一多个针状散热片，其与所述第一内表面部分为整体并从所述第一内表面部分下垂；
导热本体部分，其具有第二内表面部分和内侧底表面部分；
第一导流件，其从所述第二内表面部分突出并且基本上平行于所述第一多个针状散热片的至少一个行进并从所述第一内表面部分延伸到所述内侧底表面部分；以及
第二多个针状散热片，其与所述底表面部分为整体并在向着所述第一内表面部分的方向上从所述底表面部分延伸。
16.如权利要求15所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片和所述第二多个针状散热片为带均匀椎体的截头锥形状。
17.如权利要求16所述的散热器，其特征在于，所述第一多个针状散热片和所述第二多个针状散热片的每个的椎体基本上是相等的。
18.如权利要求17所述的散热器，其特征在于，所述第一导流件是沿所述第二内表面基本上规则间隔的多个导流件中的一个。
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