CN102112939A - 用于热移除或热传递的热交换器装置和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

用于热移除或热传递的热交换器装置和方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2008年8月4日申请的题目为“用于热移除或热传递的热交换器装置和方法(Heat exchanger device and method for heat removal or transfer)”的第12/185,570号先前共同待决美国专利申请案以及2009年3月27日申请的题目为“用于热移除或热传递的热交换器和方法(Heat exchanger and method for heat removal or transfer)”的第61/164,188号先前共同待决美国临时专利申请案的优先权。

政府支持的声明

美国政府在此技术方面具有已付的许可，且在受限环境下有权要求专利所有者根据由DE-AC04-94AL85000契约条款规定的合理条款对他人做出许可，所述契约由美国能源部颁发给桑迪亚公司(Sandia Corporation)。

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。

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 T.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 Transfer)”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·B.F.(Thompson B.F.)的“构建完美PC(Building the Perfect PC)”，奥莱理(O’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1K 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 K^-1m^-3)、每单位重量冷却能力(W K^-1kg^-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1960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、晶闸管、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：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Carnot}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_{\mathrm{source}}}$

其中T为绝对温度，且ΔT为热源与热汇之间的温度差。

图2说明热引擎，其包括用于机械功的输入或输出的输入轴5、与热源热接触的第一热交换器6，以及与热汇热接触的第二相同热交换器7。在理想的热引擎中，在热源与热汇之间流动的所有热均流过热引擎，不存在例如热引擎的机械部分中的摩擦等损失，热流动实施为可逆过程，且热引擎以零热阻热耦合到热源和热汇。在图2所示的热引擎的现实型式中，在热源与热汇之间传递的热的某个部分流过热泄漏路径，在热引擎内存在非零摩擦损失，热流动必须在某种程度上实施为不可逆过程以提供热与功之间的合理转换速率，且将热引擎热耦合到热源和热汇的热交换器具有有限的热阻。这四个非理想作用使得此热引擎中可实现的实际效率低于卡诺效率(参见基特尔·C.(Kittel C.)和克勒默·H.(Kroemer H.)的“热物理”第二版，W.H.弗里曼出版社，纽约，1997)。可相对于现有技术大体上减少这四个低效率来源中的任一者的方法在技术和经济方面非常重要。

此热引擎也可用作“热泵”，其中机械功用以产生从低温汇到高温源的非自发热流动。举例来说，冷藏箱可使用由电动机供应的机械功来产生从低温汇(例如，冷藏箱内的空气)到高温源(例如，冷藏箱外部的空气)的非自发热流动。所传递热与所供应机械功的比率具有称为冷藏箱性能的卡诺系数的最大理论值：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Carnot}}=\frac{T_{\sin k}}{\mathrm{\ΔT}}$

为了说明热交换器性能的重要性，我们可考虑例如窗式安装空气调节器等装置。此装置可由夹在两个强迫通风热交换器之间的热泵组成。热汇可为室内空气(例如，T_SINK＝300K)，且热源可为炎热夏日的室外空气(例如，T_SOURCE＝320K)。两个热交换器具有非零且在此实例中相等的热阻。在操作期间，流过两个热交换器的有限热阻(R)的热的量(q)导致每一热交换器上的温度下降qR。在此些条件下，热引擎的最大效率降低到：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Carnot}}=\frac{T_{\sin k}-\mathrm{qR}}{\mathrm{\ΔT}+2\mathrm{qR}}$

其中q(单位：W)是通过空气调节器的热通量，且R(单位：K W^-1)是热交换器热阻。对于T_SINK＝300K和T_SOURCE＝320K，每一热交换器上10K的温度下降使冷藏箱性能的卡诺系数降低约2倍，且因此可使电功率消耗增加约2倍。因此，在热源与热汇之间的温度差相对小的例如空气调节等应用中，降低此空气冷却热交换器的热阻可在很大程度上减少电功率消耗(或，对于给定性能系数，增加冷却能力)。最后，除了空气调节以外，任一此改进的热交换器可用于例如加热器、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、电动机或发电机等应用。

发明内容

附图说明

并入且形成说明书的一部分的附图说明本申请案的一个或一个以上实例，且连同描述内容一起用以阐释各种实施例的原理。图式仅用于说明各种实施例，且不应被解释为限制性的。在图式中：

图1说明基于传统散热器加风扇(HSPF)装置架构的现有技术强迫通风热交换器的实例。

图2说明热引擎。

图3展示用于冷却个人计算机的CPU的直径60mm、4800rpm典型冷却风扇的压力流曲线。

图4展示依据翼式轴流风扇的体积流动速率能力而变的机械效率和功率消耗的曲线图。

图5展示呈等距线图形式的代表性实施例。

图6展示呈等距线图形式的已省略散热器叶轮的图5的代表性实施例。

图7展示呈等距线图形式的另一代表性实施例。

图8展示呈等距线图形式的另一代表性实施例。

图9展示市售空气轴承的实例。

图10展示包含集成电路封装的代表性实施例。

图11说明基于本文描述的一个或一个以上实施例的热管理方案。

图12说明现有技术的典型HVAC鼓风机。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考形成本发明一部分的附图，且附图中借助于图解来展示具体实施例及可实践具体实施例的方式。以足够细节描述这些实施例以使得所属领域的技术人员能够实践此些实施例，且应了解，可利用其它实施例，且在不脱离本文描述的实施例的精神和范围的情况下可做出结构改变。因此，不应以限制性意义来理解以下详细描述，且本申请案的范围由所附权利要求书界定。

如上文论述，强迫通风热交换器技术的进步受到传统“散热器加风扇”(HSPF)装置架构的基础物理限制的妨碍。特定来说，众所周知边界层效应对HSPF装置性能强加根本限制(参见库兹·M.(Kutz M.)“热传递计算(Heat Transfer Calculations)”，麦格希出版社，纽约，2005)。在定性方面，“边界层”可视为粘附到结构(例如，鳍式散热器)的表面且充当绝缘覆盖物的固定“闭塞空气”层。在常规HSPF装置中，鳍式散热器的基底与环境空气之间的温度差可能几乎完全是因为此边界层上的温度下降。在此边界层内，分子扩散通常是热传导的主要输送机制，从而导致极为不良的热传递。

因此，许多高性能空气冷却装置的设计将大部分重点放在边界层破坏上。举例来说，其中高压泵产生指向散热器表面的压缩空气喷射的空气喷射冲击冷却在减小边界层的厚度方面非常有效。但空气喷射冲击冷却的电功率消耗和成本对于大多数应用来说太高。在例如图1所示的CPU冷却器等装置中，虽然风扇产生大量湍流，但仅相对于层流的情况观察到有效边界层厚度的适度减小。此边界层破坏效应可通过以较高速度运行风扇而稍微增加，但相对于电功率消耗的折衷很快变得非常不合意。

热交换过程的效率(ε_G)可通过考虑理想热交换器的导热率(G)的最大理论值来量化，其中热传递仅受到流动气流的热容量的限制：

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{G}{G_{\mathrm{ideal}}}=\frac{G}{C_p\mathrm{\ρ\Φ}}=\frac{1}{{\mathrm{RC}}_p\mathrm{\ρ\Φ}},$

其中G和R分别是导热率和电阻(早先定义)，C_p是恒定压力下空气的热容量，ρ是空气密度，且Φ是通过鳍式散热器的空气的体积流动速率。对于图1所示的现有技术装置，ε_G为约10％，例如：

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{1}{\left(0.92K{W}^{-1}\right)(1.0\×{10}^{3}J{\mathrm{kg}}^{-1}{K}^{-1})\left(1.2\mathrm{kg}{m}^{-3}\right)(9.5\×{10}^{-3}{m}^3{s}^{-1})}=0.10.$

因此，CPU冷却器排放的空气的温度可仅稍微大于周围环境空气的温度，即使CPU运行得非常热也是如此。以上计算能提供一些信息，因为其表明空气-散热器相互作用效率有很大的改进空间。为了解决此问题，需要一种在不引起电功率消耗、尺寸、重量、成本、复杂性等方面的实质性损失的情况下实质性减小散热器边界层的厚度的方法。

除了改进空气-散热器相互作用的效率以外，特定实施例是针对增加通过热交换器的空气的体积流动速率。对于基于标准HSPF架构的装置，空气流动速率可受到风扇的电功率消耗的限制。原则上，流动速率可总是通过增加风扇的速度来增加，但是如上所述，以高rpm运行风扇涉及相对于快速变得非常不合意的电功率消耗的折衷(参见布雷尔·F.P.(Bleier F.P.)的“风扇手册：选择、应用和设计(Fan Handbook，Selection，Application and Design)”，麦格希出版社，纽约，1997)。

为了更好地理解风扇性能的作用，考虑风扇的绝对机械效率可能能提供一些信息。此处，风扇的机械效率可表达为每单位时间赋予气流的动能除以每单位时间传递到风扇转子的机械能。迫使空气通过节流装置所需的功率由节流装置上的压降和体积流动速率决定。通过使用“p-V功”的概念，我们可在“p-Φ功率”方面考虑风扇的输出，其中p是风扇传递的压力，且Φ是风扇传递的体积流动速率(参见福克斯·R.W.(Fox R.W.)和麦克唐纳·A.T.(McDonald A.T.)的“流体动力学入门(Introduction to Fluid Dynamics)”第4版，约翰威立父子出版社，纽约，1992)。风扇的机械效率因此可表达为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mech},\mathrm{fan}}=\frac{P_{\mathrm{mech},\mathrm{flow}}}{P_{\mathrm{mech},\mathrm{motor}}}=\frac{p_{\mathrm{fan}}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fan}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}}{P}_{\mathrm{elec},\mathrm{motor}}}=\frac{p_{\mathrm{fan}}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fan}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}}{V}_{\mathrm{motor}}{I}_{\mathrm{motor}}},$

其中P_mech，flow是风扇产生的流动气流中含有的机械功率，P_mech，motor是在电动机轴处可用的机械功率，ε_motor是电动机的电-机械转换效率，P_elec，motor是传递到电动机的电功率，V_motor是传递到电动机的直流或rms电压，且I_motor是传递到电动机的直流或rms电流。图3展示CPU冷却应用中使用的直径60mm典型轴流风扇的压力/流量曲线。此些风扇的压力/流量曲线通常是近似直线的形式：

$p\left(\mathrm{\Φ}\right)=p_{\max }(1-\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\Φ}}_{\max }}).$

p(Φ)曲线具有最大效率操作点，在该处p的Φ的乘积最大化：

$p=\frac{1}{2}{p}_{\max }$ 且 $\mathrm{\Φ}=\frac{1}{2}{\mathrm{\Φ}}_{\max }.$

因此最大效率的估计为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mech},\mathrm{fan}}=\frac{p_{\mathrm{fan}}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fan}}}{{4\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}}{V}_{\mathrm{motor}}{I}_{\mathrm{motor}}}.$

对于图3中表示的直径60mm、4800rpm冷却风扇，在典型操作条件下，风扇的机械效率因此为约2.0％：

${\mathrm{\ϵ}}_{\max }=\frac{\left({30\mathrm{Nm}}^{-2}\right)\left({0.53m}^2{\min }^{-1}\right)}{4\left(0.95\right)\left(12V\right)\left(0.30A\right)\left(60s{\min }^{-1}\right)}=0.020.$

这是用于电子设备和其它小型装置的冷却的小面积高速风扇的特性。在电动机轴处可用的机械功率的仅2％通常赋予风扇产生的气流；电动机产生的机械功率的另外98％浪费在风扇叶片粘滞曳力上(在操作速度下，风扇电动机轴承的机械阻力与施加于风扇叶片上的总曳力相比可忽略)。机械能的此较大无用消费也是风扇噪声的主要来源。如图4(复制自R·约根森(R.Jorgensen)的“风扇工程设计(Fan Engineering)”第7版，布法罗锻造公司(Buffalo Forge Company)，布法罗，纽约，1970)所示，大得多的较低rpm风扇实现好得多的机械效率，对于消耗超过5kW电功率的大型工业风扇来说高达80％。但这些大得多的风扇大大超过了许多应用(例如，桌上型个人计算机中的CPU的热管理)的尺寸、重量和功率消耗约束。

以上计算的重要含义在于CPU冷却器的特定冷却能力远远达不到物理上可能的程度。2.0％的机械效率意味着原则上，通过设计改进可获得高达50倍的改进。因此我们得出，除了边界层效应以外，HSPF装置架构的性能限制是得自小型高速风扇的固有低效率(如同此些装置产生的大量可听噪声)。由于这些限制，似乎需要此技术领域中的改进。

强迫通风热交换器技术中的另外进步可通过开发具有对这两种物理效应的少得多的固有易受性的新装置架构来实现。特定来说，本文描述的实施例中的一些实施例试图提供通过显著减少与常规HSPF技术相关联的边界层效应以及通过缓解与小型高速涡轮机相关联的低效率问题而用于从热负载移除废热的有效手段。

本文揭示一种用于空气冷却热交换器的新架构，其使用用于使空气循环通过热交换器鳍状物的有效方案且还并入有用于减小边界层厚度的有效机制。图5和图6中说明此新装置架构的一个代表性实施例。当结合附图阅读时从描述内容将更容易了解各种其它目的和优点。以下描述既定仅是示范性和解释性的，以提供对本申请案中描述的实施例和原理的进一步解释。包含附图以说明和提供对本文描述的实施例的进一步理解，且附图并入且构成本说明书的部分。实施例的范围应由所附权利要求书及其合法等效物确定，而不是由给出的实例确定。

参见图5，在整个随后的论述中，术语“z轴”将用以指代散热器叶轮结构13的旋转轴，术语“x-y平面”将用以表示大体上平行于基底板11的平面的任一平面，且术语“方位的”将用以指代围绕z轴且平行于x-y平面的圆周运动。例如基底板和散热器叶轮结构的“底部”和“顶部”表面等术语对应于图5和图6所示的装置定向。

此处，术语“热负载”可解释为表示可向其传递热或从其传递热的任何物体。热负载的实例包含可产生废热的装置(例如CPU)、可用以向此装置传递热或从此装置传递热的装置(例如热管)、热泵或热引擎的“冷侧”或“热侧”，以及此些热负载的任一组合和/或多个此些热负载。此处，术语“热接触”应解释为表示在热可在两个物体之间稳定流动的情况下两个物体彼此热接触。举例来说，如果热流动的机制是传导，那么“热接触”指示两个物体之间存在具有大体上低热阻的用于传导热流的路径。然而，这仅是热接触的两个物体的实例，且所主张的标的物在此方面不受限制。应注意，两个物体之间的热接触不要求两个物体物理接触(即，触碰)。举例来说，由高导热率散热器膏层分隔的热负载和散热器虽然并未物理接触但热接触。此处，热接触的两个物体还可称为“热耦合”。在本文的整个此论述中，除非另外界定，否则术语“散热器”应解释为表示提供大体上高的内部导热率的结构和用于向周围媒介(例如，空气、除了空气以外的气体的混合物、纯气体、流体等)或从周围媒介传递热的表面区域。

参见图5和图6的特定实施方案，来自热负载的热通过面对热负载的表面进入基底板11，流过基底板的内部区，跨越基底板11与散热器叶轮结构13的对接表面之间的气隙12，进入旋转的散热器叶轮结构的内部区，且接着沉积到循环通过叶轮鳍状物的空气中。基底板11还可在其中热负载集中于小区域和/或以其它方式不均匀分布的应用中充当热分散器。散热器叶轮结构13可高速旋转且充当散热器和离心泵两者。在此特定实施例中无需风扇。此处，在向下方向上在旋转中心附近吸取空气，且接着通过叶轮叶片径向排出空气。

如图5和图6中说明，旋转散热器结构由空气轴承支撑，空气轴承防止所述结构在操作期间与基底板物理接触。散热器叶轮结构可通过并入到散热器叶轮结构中的稀土磁体14和嵌入基底板中的第二稀土磁体15(图6中可见)的吸引相互作用而保持位于基底板的中心。这些磁体还可允许倒置或在任意定向上操作装置。旋转机构包括可变磁阻电动机，其中定子芯16、定子芯绕组17以及转子齿18可直接并入到基底板叶轮组合件中。

图7展示另一实施例的等距线图。图7的电动机组合件46可位于散热器结构47的内部而不是外围。在其它实施例中，电动机组合件可定位于其它位置中。大体上，电动机组合件46的定子可附着到基底板49，且电动机组合件46的转子可耦合到散热器结构47以引起散热器结构相对于基底板的旋转或其它移动。

图8展示包含罩盖48的图7的组合件的等距线图。罩盖48可经定位以在散热器结构47中和周围引导气流。因此，举例来说，如图8所示定位的罩盖48可如图所示减少向上方向上的气流，同时允许通过散热器结构47的鳍状物的气流。罩盖48可直接耦合到散热器结构47，且可以与散热器结构47类似的方式在操作期间旋转或以其它方式移动。然而在其它实施例中，罩盖可更类似于覆盖物，且可不直接附接到散热器结构47且可不在操作期间移动。在罩盖48热耦合到散热器结构47的实施例中，其可有利地提供用于向周围环境的热传递的额外表面。

图9展示可在特定实施方案中使用的一类空气轴承。此流体静力学(外部加压)空气轴承可包括例如新道路空气轴承公司(New Way Air Bearings，宾夕法尼亚州阿什顿，www.newwayairbearings.com)出售的空气轴承组合件等若干空气轴承组合件中的一者。图9的左下方是空气轴承“垫”21，且图9的右上方是空气轴承“圆盘”22。输入口23将压缩空气递送到输出孔口24。在操作期间，空气轴承垫的配合表面和空气轴承圆盘的配合表面(分别为25和26)由薄的压缩空气垫分隔。压缩空气在径向方向上从孔口24流过由表面25和26界定的窄气隙区，且接着在空气轴承组合件的周边处排出。在图5和图6说明的代表性实施例中，基底板11充当空气轴承垫，且旋转的鳍式散热器13充当空气轴承圆盘。旋转散热器叶轮结构与基底板之间的超低摩擦界面类似于空气冰球和空气冰球台的超低摩擦界面。在操作期间，分隔固定基底板与旋转散热器叶轮结构的空气层12的厚度大约为5μm，与商业空气轴承的厚度相当。

在图5和图6中说明的代表性实施例中，使用流体动力学(有时称为“自加压空气轴承”)而不是流体静力学空气轴承。流体动力学空气轴承的使用可消除对压缩空气外部来源的需要。在此流体动力学轴承中，传输到旋转结构的机械功率的一小部分可用以产生旋转表面与固定表面之间的所需空气膜(参见G.W.史塔查瓦克(G.W.Stachowick)和A.W.巴契勒(A.W.Batchelor)的“工程设计摩擦学(Engineering Tribology)”第3版，爱思唯尔·巴特沃什-海尼曼(Elsevier Butterworth-Heinmann)出版社，马萨诸塞州伯灵顿，2005)。

流体动力学轴承的操作可视为类似于当交通工具正高速行进时汽车轮胎在潮湿路面上的打滑。在低速下不会发生打滑，因为在轮胎在向前方向上行进时在轮胎前方累积的水从路面与轮胎之间的接触区排出；水的一部分在轮胎周围流动，且水的一部分流过轮胎胎面的凹槽。然而如果交通工具正足够快地行进，那么冲击在轮胎前部上的水的流动速率超过可在轮胎周围流动和流过轮胎胎面的凹槽的水的量。在这些条件下，楔状水膜在轮胎胎面下方堆积，且使轮胎提升离开道路的表面。在路面与轮胎胎面不再物理接触的情况下，牵引力急剧下降。在常规流体动力学轴承中，可利用类似的效应以在相对于彼此移动的两个表面之间产生低摩擦轴承。

在图5和图6中说明的代表性实施例中使用的流体动力学空气轴承的类型有时称为“瑞利立式止推轴承”，且包括刻入基底板11的顶部表面中的一系列径向凹槽19(图6中可见)。在操作期间，通过与旋转散热器叶轮结构13的底部表面的粘性相互作用而在连续凹槽之间在方位方向上抽吸空气。连续凹槽19之间在方位方向上的气流可实现固定表面与旋转表面之间的分离；如果旋转速度足够高，那么由所述系列的径向凹槽产生的静态空气压力可能足以提升散热器叶轮结构且造成固定表面与旋转表面的分离。

由于基底板的顶部表面中存在径向凹槽，所以窄气隙区的面积略微减小。虽然这可增加气隙区的热阻，但效果甚微。还有一点重要的是，应注意在带凹槽流体动力学空气轴承结构中产生的湍流预期会增强基底板11与热传递结构13之间的对流热传递。

空气轴承的一个性质是气隙距离虽然非常小但却是自调节的。如果我们考虑图5和图6中所示的装置在“正面朝上”定向上的操作，则由空气轴承施加的向上力可由通过磁场施加的向下力以及(在小得多的程度上)重力(即使对于用于图5和图6所示装置的直径0.125″且长度0.100″的非常小的圆柱形稀土磁体，磁力也可近似为重力的十倍)来平衡。平衡气隙距离由通过气隙区的空气的流动速率以及磁力的强度确定。替代于通过保持极为严格的机械公差来尝试维持约5μm气隙，特定实施例依赖于气隙距离与气隙压力之间的内建负反馈。

在定性方面，可容易解释可通过负反馈来自动稳定气隙的方式。更微秒的一点在于在定性方面，空气轴承可提供极高的硬度。空气轴承的有效“弹簧常数”可非常大，因为平衡气隙压力是气隙距离的极为敏感的函数；弹簧常数可定义为dF/dh，其中F是作用于散热器叶轮结构的底部表面上的压力，且h是气隙距离。对于图5和图6所示的装置，特定来说，包括稀土磁体14和15的实施例可使100gm散热器叶轮结构13的有效重量为1.0kg。如果在x-y平面中气隙距离比磁场的范围小若干数量级，那么磁力可视为对于z方向上的小位移来说近似恒定。

然而，在气隙距离与压力之间存在近似三阶关系。这可意味着在范围5±1μm上的位移变化将导致大致±50％的压力改变。对于图5和图6所示的装置，这可转换为近似5N/μm的弹簧常数。作用于100gm散热器叶轮结构上的1g加速度的力近似为1N。因此预期沿着z轴的10g加速度可仅导致约2μm的位移。虽然众所周知空气轴承可提供超低摩擦性能，但通过空气轴承可实现的极高机械硬度在许多应用中起重要作用。

关于空气轴承的使用可做出的另一定量评估涉及使散热器叶轮结构浮起可能花费的功率。对于流体静力学空气轴承，强迫空气通过间隙区的节流装置所花费的功率可为此节流装置上的压降与体积流动速率的乘积。例如图9所示的流体静力学空气轴承的压力和体积流动速率的等式为(参见惠特尼·W.M(Whitney，W.M)的“空气支撑圆盘理论(Theory of the Air-Supported Puck)”，美国物理期刊，32卷第4期，306到312页，1964)：

$p=\frac{m_{\mathrm{eff}}g}{\mathrm{\π}(b^2-a^2)}\ln \left(\frac{b}{a}\right)$ $\mathrm{\Φ}=\frac{m_{\mathrm{eff}}{\mathrm{gh}}^3}{3\mathrm{\μ}(b^2-a^2)},$

其中p是压力，Φ是体积流动速率，m_eff是圆盘的有效质量(与组合的磁力与重力相关联)，g是重力加速度常数，b是散热器圆盘的外半径，a是由孔口界定的近似等压区的半径，ρ是空气的密度，h是气隙距离，且μ是空气的动态(或绝对)粘度。对于图5和图6所示的装置，我们计算压力和体积流动速率为：

$p=\frac{\left(1.0\mathrm{kg}\right)\left(9.8N{\mathrm{kg}}^{-1}\right)}{\mathrm{\π}[{(4.6\×{10}^{-2}m)}^2-{(5.0\×{10}^{-3}m)}^2]}\ln \left(\frac{4.6\×{10}^{-2}m}{5.0\×{10}^{-3}m}\right)=3.3\×{10}^{3}N{m}^{-2},$

且：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\left(1.0\mathrm{kg}\right)\left(9.8N{\mathrm{kg}}^{-1}\right){(5.0\×{10}^{-6}m)}^3}{3(1.8\×{10}^{-5}N{m}^{-2}s)[{(4.6\×{10}^{-2}m)}^2-{(5.0\×{10}^{-3}m)}^2]}=1.1{\×10}^{-8}{m}^3{s}^{-1}.$

因此，操作空气轴承所需的功率可忽略(例如，与甚至最小的市售无刷电动机风扇的功率消耗相比)：

P＝pΦ＝(3.3×10³Nm^-2)(1.1×10^-8m³s^-1)＝3.6x10^-5W。

此较小数字得自以下事实：气隙距离与空气必须流过以从散热器叶轮结构下方逸出的距离相比极小，且空气施加的向上压力在相对大的区域上作用。

在流体动力学空气轴承的情况下，功率消耗的估计可直接根据可理论上计算但实验测量可能更准确的轴承摩擦系数来确定。多种多样的流体动力学空气轴承的此实验测量的摩擦系数与相当尺寸的滚珠轴承组合件的摩擦系数相比通常极低(参见福勒·D.D.(Fuller，D.D.)的“自作用气体润滑轴承的设计的现有技术回顾(A Review of theState-of-the-Art for the Design of Self-Acting Gas-Lubricated Bearings)”，润滑技术期刊，91卷，1到16页，1969)。因此，此些流体动力学空气轴承的实施方案的功率消耗可极低。

在特定实施方案中，流体动力学空气轴承可包含提供启动和关闭，因为流体动力学提升力仅可在散热器叶轮正旋转的情况下产生。在一个实施方案中，可在电动机“接通”或“关闭”时允许基底板与散热器叶轮结构的表面之间的滑动接触维持几秒。此技术可适用于具有大的表面积且承载轻负载的流体动力学空气轴承，尤其是对于特定应用不需要在正常操作期间重复接通和断开电动机的情况。可在此些空气轴承系统中提供抗摩擦涂层和/或润滑膜的使用。

如果同基底板与散热器叶轮结构的表面之间的偶尔滑动接触相关联的累积磨损被视为有害的，那么可引入可用以在启动和关闭期间提供辅助悬浮力的机构。举例来说，在图5和图6中说明的代表性实施例中，一种方法将是配置定子/转子齿几何形状以提供垂直于旋转平面的磁力分量。在启动和关闭期间，可将大的直流偏置电流施加于定子线圈以产生提升力。可在不使定子绕组过热的情况下使此直流偏置电流比电动机的正常rms操作电流大得多，因为仅可在简短间隔中施加所述直流偏置电流。

从现有技术的观点来看，在热负载与散热器结构之间有意引入气隙的想法将似乎是失策的；现有技术的大部分是涉及用于以产生实心、低热阻接合点且完全没有空穴的方式将热负载和金属散热器结合在一起的材料和技术。此热界面技术仍然是人们积极研究的领域。而且，众所周知，常规HSPF装置中的热流动的热瓶颈是包封鳍式散热器的表面的边界层空气的薄绝缘膜。因此在定性方面，引入气隙将由于空气的极为不良的热输送性质而起反作用的论点可被视为有力的和/或显然的。但本文描述的特定实施例采用气体轴承的独特性质且带来完全不同的结论，尤其是对于采用气体轴承结构中的热传递的定量分析的情况。

举例来说，对于图5和图6中说明的特定实施例，可使平面气隙12上的热阻极小，≤0.03K W^-1。可通过假定驻留在间隙区中的空气完全不运动来计算气隙区的热阻的绝对上限。在图5和图6所示的系统中，根据特定实施例，散热器叶轮结构的直径为3.6″(0.092m)且气隙距离为5.0μm。对于这些尺寸的气隙，热阻(R_air gap)的最差情况值可如下给出：

这约为早先论述的高性能市售CPU冷却器的热阻的十分之一。应了解，此借助具体尺寸和测量的说明仅是特定实施方案的实例，且所主张标的物在此方面不受限制。

而且，此气隙区的热阻可由于固定基底板的顶部表面与快速旋转的散热器叶轮结构的底部表面之间的气流的猛烈剪切(例如＜0.01K/W)(参见特尼克·H.(Tennekes，H.)和拉姆利·J.L.(Lumley，J.L.)的“湍流初阶(A First Course in Turbulence)”，MIT出版社，马萨诸塞州坎布里奇，1972)、由于流体动力学空气轴承的径向凹槽产生的对流流(参见法里纳·M.T.C.(Faria，M.T.C.)和安德斯·L.S.(Andres，L.S.)的“论高速流体动力学气体轴承的数值建模(On the Numerical Modeling of High-Speed Hydrodynamic Gas Bearings)”，摩擦学期刊，122卷，第1期，124到130页，2000年)和/或适于在气隙区中产生湍流和/或对流的例如表面突起等额外结构而实际上相当低。

热管理技术领域中的现有技术的教示偏离了使用气隙和其它此种等效结构来提供低热阻接合点(例如，在散热器与热负载之间)。如早先所提到，对此的一个原因可被视为显然的；例如水或油等市售流体具有远比气态媒介优良的热输送性质(例如，高100倍的导热率)。此流体媒介因此可假定适用于例如从固定导热结构向旋转热传递结构输送热的应用。而且，现有技术并未预期低导热率的明显缺点可被在此应用中通过使用气态媒介而带来的许多其它优点(例如，高旋转速度下的极低摩擦损失)抵消的程度。

本文描述的实施例的目的是避免可能与使用液体热传递界面相关联的许多且非常严重的缺点。最严重缺点中的一些涉及以下事实：此些液体的绝对粘度通常大约为空气的1,000到10,000倍(参见福克斯·R.W.(Fox R.W.)和麦克唐纳·A.T.(McDonald A.T.)的“流体动力学入门(Introduction to Fluid Dynamics)”第4版，约翰威立父子出版社，纽约，1992)。因此，热传递流体的粘性剪切可产生大量的热。在尝试高速旋转热传递结构时这些摩擦损失可能尤其大，高速旋转热传递结构对于获得此旋转热传递结构与例如空气等周围媒介之间的低热阻来说可能是关键的。从电功率消耗的观点来看，高摩擦损失也可能极不合意。

任何此热传递液体的使用也可能带来若干实践问题。这些问题中的第一个问题是流体封存。在径向方向上作用于流体上的离心抽吸力、在任意定向(例如，倒置)上操作和/或储存此冷却装置的需要以及与流体的热循环相关的问题(即，重复膨胀和收缩)全部可引起流体封存的问题。缓解流体泄漏的可能方法可包含增加热传递流体的粘度和/或并入一个或一个以上旋转密封件。增加热传递流体的粘度从摩擦生热和电功率消耗的观点来看可能不合意。并入旋转密封件从成本、复杂性、可靠性、操作寿命和另外摩擦损失的观点来看可能不合意。另外，旋转密封件的实施可能因在较宽温度范围上操作的需要而变复杂。另外的难题可为此些流体由于热分解、污染物的引入、氧化等而随着时间降级的趋势。最终，此些液体的粘度的较陡温度相依性也可能带来严重的实践问题；例如，极高的启动转矩要求或低温下流体接合点的卡住。

如早先提到，HSPF装置架构的关键缺点是高电功率消耗的问题。在传统的强迫通风热交换器中，风扇的用途是强迫空气流过热交换器的鳍状物。相对于风扇电动机的功率消耗，强迫空气流过热交换器的鳍状物所需的功率量(压力乘以体积流动速率)可能非常小。如早先阐明，在典型CPU冷却器中，风扇电动机产生的机械功率的仅2％可用于此用途。风扇电动机产生的机械功率的其余98％可因风扇叶片粘滞曳力而不起作用地消耗。在特定实施例中，此不起作用的功率消耗被大体上减少或完全消除。使鳍式散热器结构移动通过空气而不是使空气移动通过鳍式散热器结构使得将电动机递送的机械功率的大体上较多部分或大体上全部用于产生散热器鳍状物与周围空气之间的相对运动的用途。在例如常规CPU冷却器等装置中使用的风扇的极低机械效率表明，根据实施例的此特定装置架构可允许显著减少的电功率消耗、减少的噪声和/或高得多的体积流动速率下的操作。下文中，我们将本文描述的实施例的此些方面(借此大体上减轻风扇机械效率低的问题)称为“直接驱动的优点”。

某些实施例的另一关键目的是减轻与HSPF装置架构固有的边界层效应相关联的问题。在例如常规HSPF装置中，流的纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程由压力梯度和粘滞曳力项以及质量守恒决定(参见史里希廷·H.(Schlichting H.)的“边界层理论(Boundary Layer Theory)”，麦格希出版社，纽约，1979)。如早先提到，此边界层可被模型化为粘附到散热器鳍状物的表面的绝缘空气层。在特定实施例中，散热器鳍状物和粘着到散热器鳍状物的边界层空气的包封物可被放置于加速(快速旋转)的参考系中。在此散热器叶轮结构的非惯性旋转参考系中，驻留于边界层中的空气的体积要素(dV)可经受向外的离心力dF＝ρω²rdV，其中dF是作用于空气的体积要素上的力，ρ是空气的密度，ω是散热器叶轮结构的角速度，且r是径向位置。此离心抽吸力相对于非旋转参考系的情况且以可在相当大程度上减小边界层厚度(例如，常以十为倍数减小)的方式使流场变形。

此边界层薄化效应的分支可能对于热传递来说可能非常有实质性意义。如早先论述，在常规HSPF装置中，鳍式散热器与环境空气之间的温度差可能几乎完全是边界层上的温度下降所导致。换句话说，边界层可充当从热负载向周围空气输送热所需的一系列步骤中的热瓶颈。边界层的热阻可近似与边界层厚度成比例。例如上文描述的离心抽吸效应可因此提供此边界层的热阻的近似十倍的减少。下文中，我们将本文描述的实施例的此些方面(其中将边界层放置在加速的参考系中可减轻边界层热阻的长久问题)称为“边界层薄化效应”。

在高旋转和/或平移速度下可能重要的一额外效应涉及从层流向湍流的转变(例如，对于邻近散热器叶轮鳍状物之间的空气流)。举例来说，如果此热传递结构的角速度足够高从而在接近此热传递结构的流场的一部分上引起湍流，那么此热传递结构与周围媒介之间的热阻的减少可实现。此些湍流效应还可导致热传递结构与热传导结构之间的热阻的减少。在特定实施例中，此些湍流效应可适于提供包括本文描述的实施例的热交换器的增强性能。下文中，我们将本文描述的实施例的此些方面(其中热传递结构或此热传递结构的一部分在湍流体系中的操作提供相对于层流情况改进的热传递)称为“湍流效应”。

图5和图6中说明的代表性实施例是可包括以下各项中的一者或一者以上的装置架构的许多可能实施例中的一者：

1.热传导结构(例如，代表性实施例的“基底板”)，

2.热传递结构(例如，代表性实施例的“散热器叶轮”)，

3.夹在热传导结构与热传递结构之间的气体填充区，

4.适于向热传递结构赋予旋转和/或平移的元件，

5.适于控制热传递结构的旋转轴的元件，

6.与热传导结构热接触的一个或一个以上热负载，

7.可向其传递或从其传递热的周围媒介，

且可带来各自在上文描述的“直接驱动的优点”和/或“边界层薄化效应”和/或“湍流效应”的益处。应注意，对“装置架构”的以上描述并不意图以任一方式为限制性的。事实上，此处提供所述描述作为随后对替代实施例的描述的参考点。

上文已描述空气冷却热交换器的改进装置架构的实施例。来自热负载的热可通过经由合适热界面材料(例如，导热油脂)的传导而传输到基底板，且此基底板充当热分散器，热从其越过气体轴承界面传输到充当鳍式散热器和叶轮两者的结构。

无论所使用的热交换器装置架构如何，用以在热源与热汇之间产生低热阻接合点的热界面材料的使用在现有技术中广泛实践。此热界面材料通常采用导热油脂、膏、粘合剂或可高度保形的导热材料薄片的形式。在没有此热界面材料的情况下，当两个固体表面经配合以形成接合点时，由于例如粗糙度和不平性等表面不规则性，实现实际机械接触的区域可能仅包括点的几何形状区域的约1％。热界面材料的用途是用一个或一个以上具有相对高导热率的固体、半固体或液体材料填充原本将存在的空穴。

任一此热接合点均必须适应散热器和热源的尺寸依据温度而变的改变。出于此原因，大体上不可能使用仅等于原本将存在的空穴的总体积的量的热界面材料。事实上，使用大量过多热界面材料来产生稍微厚的热接合点，其能够机械变形以补偿周围材料的尺寸改变。对具有改进性质的热界面材料的搜寻仍是人们积极研究的领域，因为具有适当流变性和润湿性质的已知材料通常具有相对不良的导热率。

因此，现在参见图10描述本发明的另一实施例，其部分是针对消除或减少对此热界面材料的需要。在图10的代表性实施例中，散热器叶轮41的位置非常靠近热负载——集成电路封装42，不需要如图5和图6所示的热界面材料和基底板。散热器叶轮41是如本文大体上描述的一类热传递结构。在其它实施例中，可使用其它热传递结构。如上文所述，散热器叶轮41可由气体轴承支撑。热源与热汇叶轮结构之间的低热阻界面包括位于热源与散热器叶轮结构之间的气体填充间隙区43。图10进一步说明按照惯例，此集成电路通过多个焊接接合点45连接到电路板44。应了解，可以类似方式冷却除了集成电路以外的多种多样的热负载。类似地，集成表面封装42的表面、散热器叶轮41的表面或所述两者可界定一个或一个以上凹槽或其它带纹理表面以促进对叶轮的向上力，如上文参见图6所描述。

如上文所述，可使用多种多样的方式来向散热器叶轮结构41赋予旋转或其它移动。大体上，如本文描述，在一些实例中可通过电动机来旋转或以其它方式移动热传递结构。例如散热器叶轮41等热传递结构可因此充当转子或耦合到转子。可提供对应的定子结构以驱动电动机。在一个实施例中，用于向散热器叶轮结构赋予旋转的构件可直接并入到集成电路封装42中。此构件可包含驱动电路、例如定子线圈等电机械致动器以及适于维持大体上恒定旋转轴的一个或一个以上组件(如本文描述)。举例来说，形成定子结构的全部或一部分的线圈可位于集成电路封装42内，且可例如嵌入封装内的集成电路芯片中或封装内的环氧树脂中。用以操作电动机且移动散热器叶轮的驱动电路可并入到封装42内的集成电路中。在另一实施例中，用于向散热器叶轮结构赋予旋转或其它移动的构件的某部分或全部可并入到集成电路封装外部的一个或一个以上组件中。在另一实施例中，散热器叶轮可充当感应电动机的转子，进而消除将永久磁体和/或高导磁率材料并入到散热器叶轮结构中的需要。

下文描述若干替代实施例，其中以上元件中的一者或一者以上可能不同于图5、图6和图10的代表性实施例中所示的元件。这些替代实施例既定不是详尽的，且可存在其它变化。

在图5和图6所示的代表性实施例中，热传导结构11和/或热传递结构13可由MIC6(Alcoa)铝合金制成。然而，在不脱离所主张标的物的情况下可使用铝的其它合金、除铝以外的金属、除铝以外的金属的合金或非金属材料。材料特征可包含高导热率、低密度、高硬度和从例如加工、铸造、抛光等制造观点来看合意的性质。在少量的情况下，此些结构可由固体铝块加工而成。对于大量制造，此热传导结构和/或热传递结构可制造为单片压铸铝零件，其中一个或一个以上表面可后续经受半精度刨削/抛光操作。压铸铝可实现低成本制造，且可允许使用具有尤其高导热率的合金配方。在不脱离所主张标的物的情况下，例如熔模铸造(investment casting)、锻造、挤压、辊轧、压延(drawing)、铜焊、化学铣磨等其它制造工艺可部分或整体使用以制造热传导结构。在不脱离所主张标的物的情况下，制造还可使用精整(finishing)操作，包含(但不限于)飞刀切削、研磨、抛光等。

无论是通过加工、压铸还是其它技术来制造，在此热传递结构上使用具有锥形横截面的鳍状物均可为有利的。举例来说，在压铸的情况下，鳍状物在垂直(z)方向上成锥形可促进从模具中移除铸造零件。在加工的热传递结构的情况下，用锥形端铣刀进行的制造可提供较好的精整，且相对于无锥形端铣刀的情况促进了切屑提取。另外，如果在操作期间内部热通量在z方向上单调递减，那么经优化热传递结构可采用z方向上的某种程度的鳍状物锥形来消除可能原本会增加重量和曳力的不必要的多余材料。虽然图5和图6未图示，但也可在每一鳍状物与散热器叶轮的圆盘形基底相交的每一鳍状物的基底处使用嵌条(fillet)。使用嵌条可增强机械强度，且促进此热传递结构的鳍状物与圆盘形基底之间的热流动。此热传递结构还可并入有例如翼梁(spar)、横梁、角撑板(gusset)、嵌条等可增强机械刚性的结构。

在图5和图6所示的代表性实施例中，热传导结构被展示为具有正方形占据面积。然而在不脱离所主张标的物的情况下可使用许多其它形状。在图5和图6所示的代表性实施例中，热传递结构具有圆形占据面积。但可使用许多其它形状，例如规则多边形。在代表性实施例中，热传递结构的旋转中心与热传导结构的中心重合，但这并不是要求。

对于例如图9所示的商业空气轴承组件的表面精整规范可为约0.4μm rms(均方根)粗糙度，但也可使用较粗糙表面(参见“空气轴承应用和设计指南(Air Bearing Application and Design Guide)”，www.newwayairbearings.com，新方式空气轴承公司，宾夕法尼亚州阿什顿)。此处，热传导结构和/或热传递结构可由例如MIC6

(Alcoa)等精密铸造铝板加工而成。MIC6

的表面粗糙度规范具有0.5μm rms的最大值和≤0.3μm rms的典型值。MIC6

的额外特性是优良的可加工性和高导热率(142Wm^-1K^-1)。

在图5、图6和图10所示的代表性实施例中，此热传导结构和/或热传递结构的表面可未经涂覆。然而，此热传导结构和/或热传递结构的一个或一个以上表面可经涂覆以赋予期望的属性，例如抗摩擦、抗磨损、抗腐蚀、高发射率等，和/或提供较适合于例如抛光等制造工艺的一个或一个以上方面的外表面。

在图5、图6和图10所示的代表性实施例中，热传递结构的鳍状物采用扫掠式弯曲叶片的形式，所述叶片垂直突出且经设计以用类似于常规叶轮翼片的方式起作用。然而，在不脱离所主张标的物的情况下可使用多种多样的其它几何形状，包含(但不限于)非弯曲叶片、非扫掠式(即，径向)叶片、向前扫掠式叶片、向后扫掠式叶片、在垂直于旋转平面的平面中并入曲率的叶片、沿着旋转轴的高度随径向位置而变化的叶片、横截面积可随着高度和/或径向位置变化的叶片等等及其各种组合。在某些环境下可建议横跨多个鳍状物或所有鳍状物添加加强部件。然而，可使用其它结构代替叶片，例如鳍状物、销、柱、翼片、通道或管道或者其组合，且任一此结构也可开槽、穿孔、带纹理、分段、交错等。另外，这些突出表面中的一些可适于产生与热传递结构的其它部分相互作用的尾流涡流(wake vortice)。

此旋转热传递结构向周围媒介赋予移动的程度可大体上在不同应用中变化。举例来说，如果此热传递结构在结构上类似于叶轮，那么此热传递结构的旋转可以类似于叶轮的方式向周围媒介赋予实质运动。另一方面，在某些应用中可能期望完全省略例如叶片、鳍状物、柱等特征，使得旋转热传递结构采用平坦圆盘或具有光滑顶部表面的其它形状的形式。

如果主要目的是热交换器性能(例如，低热阻)，那么与此热传递结构的旋转相关联的离心抽吸作用的压力/流特性可视为附带的且不具有特定重要性。但在其它应用中，可进行设计和优化以获得良好的热交换器性能以及强迫进入和/或退出气流通过管道支架(duct work)和/或其它此些节流装置的能力。

举例来说，我们可考虑例如商业数据中心或服务器群等冷却应用，其可采用容纳数百或数千台计算机的大房间的形式。这些计算机中的每一者可吸入环境空气且以升高的温度将其排放回到房间中。房间空气可通过大的中央空气调节系统来保持冷却。此空气调节系统可消耗相当大量的电功率。或者，在不使用空气调节系统的情况下，例如图5和图6所示的装置架构可适于从此热负载有效地提取废热且将其丢弃到外部空气。

在例如图11所示的热管理方案中，散热器叶轮可封闭于歧管30中，歧管30的几何形状界定入口31和出口32。此入口可位于此散热器叶轮的旋转中心上方，在此处空气可被向下吸取到叶轮中。外部空气(例如，从建筑物的北侧上的位置吸取的相对冷的空气)可通过直接管道连接到此入口的空气管道33来递送。由此叶轮在径向方向上排放的受热空气可选路到此出口。此出口可管道连接到向外部空气进行排放的第二管道34(例如，在建筑物的屋顶上)。在此方案中，大体上没有外部空气可进入建筑物36，且热负载35产生的热的极少部分可进入建筑物36。这可大体上减少或消除通过此建筑物的空气调节系统处理在此设施中产生的大量废热的需要。

此热管理方案利用了以下事实：例如图5所示的叶轮可产生与商业加热、通风和空气调节(HVAC)系统中广泛使用的离心鼓风机相当(或在必要时更大)的相对高静态压力。图12中展示典型的HVAC鼓风机。类似于上文所述的热管理系统，其采用封闭于歧管38中的叶轮37的形式，歧管38的几何形状界定可分别直接管道连接到空气递送管道和排出管道的入口39和出口40。以上热管理方案还利用了以下事实：此空气冷却热交换器的热阻可比传统HSPF装置的热阻低得多。此低得多的热阻可意味着即使外部空气显著比室温暖(例如，40℃而不是20℃)，此空气冷却热交换器也仍可执行其保持热负载的温度低于某个预定值(例如，80℃)的既定功能。应了解，更一般来说，此热管理方案可适用于含有一个或一个以上热负载的任何建筑物、封闭物或设备，包含(但不限于)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。

在特定实施例中，可通过调整热传递结构的旋转和/或平移速度来调整包括本文描述的实施例的热交换器的热阻。在又一实施例中，具有可调整热阻的此热交换器包括温度控制系统的一部分。

在例如CPU冷却等应用中，吸入冷却系统的进风口的空气可能含有大量灰尘、微粒物质和/或其它污染物，其中一些可能沉积到鳍式散热器的表面上。因此，基于HSPF架构的常规CPU冷却器的性能可随着时间降级，且最终可导致CPU故障。如果热传递结构高速旋转，那么优于现有技术的额外优点可为显著减少的灰尘累积。就算确实累积了灰尘，此热传递结构的高速旋转的方向也可偶尔颠倒一段短时间，其可提供“自清洁”操作模式。可以软件(例如，计算机操作系统)、硬件(例如，无刷电动机驱动器电路)或所述两者来控制此功能。在热交换器性能可能因热传递结构上的冷凝和/或结冰而降级的应用中，使用高速旋转的热传递结构可大大消除此些问题。最后，如果此热传递结构通过磁体而不是粘合剂、散热膏等保持在适当位置，那么这可促进在需要时容易移除鳍式热传递结构以用于极为彻底的清洁(例如，在超声波浴中清洁)。

在图5、图6和图10所示的代表性实施例中，间隙区12和43分别可以空气填充。然而，此间隙区可含有任何气体混合物或者纯气体。举例来说，在一些应用中，使用氦气代替空气可能是值得的，因为氦气的导热率近似为空气的导热率的六倍。另外，此系统无需在大气压下或接近大气压下操作。在一些应用中，高于或低于大气压的操作可带来某些优点。

在图5、图6和图10所示的代表性实施例中，分别在热传导结构11与热传递结构13以及IC封装42与叶轮结构41之间的气隙区12和43的形状可为具有极小的高度/直径比的圆柱体的形状。但在不脱离所主张标的物的情况下可使用替代的间隙区几何形状(例如，非圆柱形回转体)。举例来说，热传导结构和热传递结构可经配置以具有大体上同轴的几何形状，在此情况下间隙区可描述为具有近似为圆柱形壳体的形状。也可使用由分隔一段距离的热传导结构和热传递结构界定的间隙区，所述距离大体上随着位置而变化。

在特定实施例中，此间隙区可适于提供大体上低的热阻。在此上下文中，“大体上低的热阻”意味着在特定操作条件下，热传导结构与热传递结构之间的热阻大体上小于所述热传递结构与周围媒介之间的热阻。举例来说，参见图5，如果散热器叶轮以1000rpm旋转，那么散热器叶轮与基底板之间的热阻可大体上低于所述散热器叶轮与周围空气之间的热阻。在特定实施例中，此间隙区可适于提供热传递结构与热传导结构之间的大体上低的摩擦。在此上下文中，“大体上低的摩擦”意味着在特定操作条件下，热传导结构与热传递结构之间的摩擦大体上小于所述热传递结构与周围媒介之间的摩擦。举例来说，参见图5，如果散热器叶轮以1000rpm旋转，那么散热器叶轮与基底板之间的摩擦量(例如，对旋转的阻力)可大体上低于所述散热器叶轮与周围空气之间的摩擦量(例如，由于空气动力学曳力)。

在图5、图6和图10所示的代表性实施例中，标称气隙分隔距离可为约5μm。然而，存在此间隙距离可取决于装置尺寸、操作环境等而更小或更大的情形。举例来说，可使用与某些类别的磁性存储器装置中使用的气体轴承相当的亚微间隙距离。包含适于在气体填充间隙区中产生对流混合的结构可允许使用显著更大的气隙距离。因此，针对此处的代表性实施例列举的5μm分隔距离仅是说明性的，且不应解释为硬性准则或限制。

在图5和图6所示的代表性实施例中，热传导结构11与热传递结构13之间的界面可配置为流体动力学空气轴承。此处，可代替代表性实施例中说明的瑞利立式止推轴承而使用多种多样的流体动力学气体轴承设计。举例来说，上文说明的特定实施例可使用六个相同凹槽，其各自具有平坦底部、垂直壁和径向定向。然而在不脱离所主张标的物的情况下可改变这些规范中的任一者。通过任何此流体动力学气体轴承，替代于在此热传导结构的表面上定位凹槽，此些凹槽可定位于旋转热传递结构的表面上，或者此些凹槽可包含于上述两个表面上。最后，可替代使用除径向带凹槽结构以外的其它事物，例如切向凹槽、径向凹槽与切向凹槽的组合或者带纹理(例如，蚀刻)而不是带凹槽的表面，或者其任何组合。

还可使用流体静力学(外部加压)空气轴承。此流体动力学或流体静力学气体轴承还可配备一个或一个以上过滤器以防止微粒和其它污染源进入间隙区。还可使用磁性或静电悬浮轴承。最后，可实施高流动速率流体静力学轴承，使得由此装置提供的热处理的显著部分与通过窄间隙区的气流相关联。

在另一实施例中，可将一个或一个以上提升表面(固定或可变翼面)并入到旋转传递散热器结构中，其可在正z方向上产生提升力或在负z方向上产生向下恢复力。在又一实施例中，转子/定子组合件可经设计以沿着z轴产生大体上非零磁力分量，其可用作正z方向上的提升力或负z方向上的向下恢复力。在又一实施例中，负z方向上的向下恢复力可通过使用“真空预加载”对热传导结构与热传递结构之间的区进行实质抽空来产生，其中真空可由外部泵、与旋转热传递结构成一体式且由其供电的泵或所述两者产生。最后，在又一实施例中，间隙距离大体上为零，使得热传递结构的表面与热传导结构的表面之间存在滑动接触，且其中这些表面中没有任一者、有一者或两者以润滑剂和/或抗摩擦涂层进行完全或部分处理。

取决于特定应用的要求，可被动式调节(例如，通过作用于热传递结构的磁力与压力的平衡，如图5和图6所示的代表性实施例中)、主动式调节(例如，使用间隙距离传感器和适于改变间隙距离的致动器)或不调节(在此情况下可能不以任何特定方式控制、调节或预定间隙距离)间隙距离。也可使用不同调节方案的组合。也可使得确定间隙距离的一个或一个以上分量或参数为可调整的。举例来说，在图5和图6所示的代表性实施例中，稀土磁体(14和15)中的一者或两者可具备对所述两个磁体之间的距离(且因此，吸引力)的调整。如果可使用单个永久磁体和例如高导磁率钢等磁性材料片，那么可以带螺纹钢柱塞的形式实施此调整。

如果气体轴承系统需要一机制来提供辅助提升力以在低旋转速度下(例如在启动和关闭期间)维持热传导结构与热传递结构的分离，那么多种多样的实施方案是可能的。或者，可连续地施加此提升力，且通过可在高旋转速度下施加的辅助向下力来反作用于此提升力。可能的实施方案可包含(但不限于)使用流体动力学箔带/气体轴承(参见阿格瓦尔·G.L.(Agrawal，G.L.)的“箔带/气体轴承技术概述(Foil/Gas Bearing Technology，An Overview)”，美国机械工程师学会，发行号97-GT-347，1997)、使用外部加压的气体轴承、用于提供电磁提升力的构件(并入到电动机中和/或实施为独立结构)、通过施加根据楞次定律在导电结构(例如，由导电金属制成的热传递结构)中诱发瞬态涡电流的瞬态磁场而产生的瞬态推斥力(参见格里菲斯·D.G.(Griffiths，D.G.)的“电动力学入门(Introduction to Electrodynamics)”，普伦蒂斯-霍尔出版社，新泽西州恩格伍德崖，1981)、离心致动辅助轴承、轴衬，或随着旋转速度增加和/或降低而自动展开或缩回的其它合适结构，以及多种多样的其它自动致动或手动致动的机械装置、任何等效结构或其组合。

在图5、图6和图10中说明的代表性实施例中，可能不存在适于提供热传递结构13或叶轮41分别相对于热传导结构11或封装42的平移的机构。在图5、图6和图10中说明的代表性实施例中，适于向热传递结构赋予旋转的机构可包括两相双凸极同步可变磁阻电动机。此电动机可具有四个定子芯16、四组定子绕组17以及四个转子齿18，分别直接并入到热传导结构11和热传递结构13中。定子芯和定子齿可由AISI 416不锈钢制造，其具有大体上高导磁率、耐腐蚀且具有优良的可加工性。每一相可包括相反的定子磁极对，且使用近似90°不同相的交流波形来激励所述两相(参见查普曼·S.J.(Chapman，S.J.)的“电力机械基本原理(Electric Machinery Fundamentals)”第4版，麦格希出版社，纽约，2005)。此设计的优点是从制造的观点来看较简单。但此特定电动机架构确实具有一些缺点；其不是自启动的(例如，在停工时，存在作用于转子上的净转矩始终为零的四个转子位置)，且使用非层压定子芯和转子叶片可能导致非常大的涡电流损失，尤其是对于此电动机高速操作的情况(高激励频率)。

然而应了解，这些仅是在不脱离所主张标的物的情况下可如何根据特定实施例来制造定子和转子以及可如何使用由当前或未来技术制造的其它转子和定子的实例。举例来说，在其它特定实施方案中，转子可由经磁极化(例如，具有交替的北极和南极段的磁性材料环)高电阻率和/或层压材料制造，且定子可由高电阻率和/或层压材料制造。经磁极化转子可允许构造从任何起始位置自启动的简单的两相电动机。使用高电阻率和/或层压定子和转子磁极可使涡电流损失最小化。还应了解，在不脱离所主张标的物的情况下可使用用于向此热传递结构赋予旋转和/或平移的多种多样的其它构件。这些包含(但不限于)与包括热传导结构和热传递结构的组合件成一体式的与本文描述的电动机不同类型的电动机，或使用任一类型的非一体式单独电动机，其中转矩通过任何构件传输到热传递结构。更一般来说，可使用任何机械致动源，包含(但不限于)电动机、内燃机、空气电动机、水力电动机等等，或其任何组合。

此电动机还可提供径向轴承、止推轴承或所述两者的额外功能性。举例来说，使用流体静力学气体轴承的系统可将螺旋或其它近似形状的凹槽或通道并入到热传递结构的底部表面、热传递结构的内部区或所述两者中，以向热传递结构赋予旋转(参见里见·T.(Satomi T.)和林·G.(Lin G.)的“用于多角镜激光扫描仪的带螺旋凹槽的止推空气轴承的设计优化(Design Optimization of Spirally Grooved Thrust Air Bearings for Polygon Mirror Laser Scanners)”，JSME国际期刊C系列，36卷第3期，393到399页，1993)。

在图5和图6中说明的代表性实施例中，可通过并入到热传递结构13中的第一稀土磁体14和嵌入热传导结构11中的第二稀土磁体15(图6中展示)的吸引相互作用来使旋转轴维持大体上恒定。这使旋转的热传递结构13保持近似位于基底板11的中心，即使是基底板可能倾斜或未水平安装的情况也是如此。或者，一个稀土磁体可用例如高导磁率钢等软磁性材料片代替。在另一实施例中，流体动力学轴承可配置为混合的止推/径向气体轴承(例如，通过将旋转热传递结构定位于紧密配合的带凹槽圆柱形腔中)。此适于维持大体上恒定旋转轴的机构也可采用某种形式的径向轴承，包含(但不限于)常规的机械径向轴承、轴衬或主轴、流体静力学或流体动力学径向气体轴承、替代形式的磁性径向轴承(例如，不同于代表性实施例中所使用的径向轴承)等等。另外，此径向轴承结构还可并入有止推轴承的功能。

热负载可采用任何形式，且可直接热耦合到热传导结构(例如，直接安装到热传导结构的CPU)，或间接热耦合到热传导结构(例如，安装到热管结构的表面的CPU，热管结构又安装在热传导结构上)。此热负载还可借助于任何热传递方式(例如，传导、对流、辐射、质量传递或其任何组合)热耦合到热传导结构。热流可进入或退出热负载，且本文描述的实施例可用于冷却和加热应用两者中。在特定实施例中，热传导结构和热负载是由一个或一个以上低热阻接合点连接的单独元件。在替代实施例中，热传导结构和热负载可构造为单片组合件，在此情况下可能不要求此低热阻接合点。

在图5、图6和图10所示的代表性实施例中，围绕热传递结构13或41的为热处理提供大的热储存器的媒介可包括空气。但此热储存器也可为除空气以外的任何气体或气体混合物，或例如液体(例如，水、油、溶剂、润滑剂等)等凝结相媒介、悬浮液、浆液、粉末，或任何其它非固体凝结相媒介或其组合。

已根据特定实施例仅作为实例提供图5、图6和图10中说明的代表性实施例中的参数的特定值。因此应了解，此些参数可取决于性能要求、所需工程设计折衷等而采用其它值。

举例来说，在图5中所示的特定装置中，散热器叶轮具有100个鳍状物。但更一般来说，鳍状物的数目的选择可涉及旋转热传递结构附近的冗长的一系列实验测量和/或流场建模。与任何热交换器一样，从增加总鳍状物表面积的观点来看，添加较多鳍状物可能是合意的。但同时，添加较多鳍状物可能增加曳力，且x-y平面中的鳍状物横截面积可能并未大到足以提供从鳍状物的基底到鳍状物的顶部的足够热传导。可能与增加的曳力相关联的额外损失是在较低rpm下操作可能会削弱通过将边界层置于加速参考系中所提供的边界层薄化效应。

还可能需要旋转热传递结构附近的实验测量和/或流场建模来确定最佳鳍状物“工作周期”。此处，鳍状物工作周期可界定为方位方向上的鳍状物厚度除以鳍状物到鳍状物的周期。在图5所示的装置中，此鳍状物工作周期近似为35％。使用在方位方向上较厚的鳍状物来降低内部热阻可减小鳍状物之间的空气槽的宽度，从而限制空气流动。也可针对特定应用更改鳍状物扫掠角和扫掠曲率几何形状。图5中所示的装置具有60°的扫掠角和在x-y平面中恒定的扫掠曲率半径。与鳍状物几何形状的问题相关的另一考虑是旋转圆盘上由鳍状物占据的区域的比率。在图5所示的装置中，含有鳍状物的环形区对应于旋转圆盘的总区域的80％。增加鳍状物覆盖区可提供较好的散热。然而同样，可能需要考虑限制叶轮的中心区中的空气进入的影响。

还可能需要旋转热传递结构附近的实验测量和/或流场建模来优化流体动力学气体轴承的设计参数。举例来说，代表性实施例中使用的径向凹槽的数目和几何形状可能不是最佳的。

最终，在理解或完成本文揭示内容所必要的程度上，本文提到的所有公开案、专利和专利申请案均是在如同各自个别地并入的程度上以引用方式明确地并入本文。

如此描述本申请案的示范性实施例之后，所属领域的技术人员应注意本文的揭示内容仅是示范性的，且在本申请案的范围内可做出各种其它替代、改动和修改。因此，本申请案不限于如本文说明的具体实施例，而是仅受到所附权利要求书的限制。

Claims (39)

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、晶闸管、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。

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