CN105378417A - 具有固定式翅片的动力学散热器 - Google Patents

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利诺·A·冈萨雷斯
普拉莫德·沙玛尔蒂
弗洛伦特·尼古拉斯·塞韦拉克
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Abstract

一种散热设备，其具有基座结构、旋转结构和固定式翅片。该基座结构具有第一导热表面和第二导热表面以在它们之间传导热量。第一导热表面可安装到发热部件。该旋转结构以可旋转方式与基座结构联接并具有隔着流体间隙与第二导热表面面对的可移动热提取表面。该旋转结构具有旋转翅片，当该旋转结构旋转时，所述旋转翅片以通道方式将传热流体从与该旋转结构连通的热储存器的一个区域引导至热储存器的另一个区域。所述固定式翅片从第二导热表面或壳体延伸并处于在热储存器的所述两个区域之间的流体流路径中。

Description

具有固定式翅片的动力学散热器
优先权
该专利申请要求2013年4月26日提交的发明名称为“具有固定式翅片的动力学散热器”且发明人为利诺·A·冈萨雷斯、普拉莫德·沙玛尔蒂和弗洛伦特·尼古拉斯·塞韦拉克的临时美国专利申请No.61/816,450的优先权，该美国临时专利申请的全部内容在此通过的引用方式并入。
技术领域
本发明涉及热提取和散热装置及其方法，更具体地，涉及与电子部件一起使用的动力学散热器。
背景技术
在运行期间，电路和装置产生废热。为了适当地运行，电路和装置的温度通常应在某一范围内。通常，使用物理地安装到电动装置的散热器来调节电动装置的温度。
不是使用散热器，本领域中的技术人员最近已经转向更有效的部件冷却方法——动力学散热器。在高水平下，动力学散热器通常具有与电子装置联接的基座和包括一体式引流结构(例如翅片、风扇叶片、或叶轮)的旋转热质量，该基座与电子装置联接。旋转部分更有效地从基座吸收热量，使用更小的占用空间来冷却电子装置。
动力学散热器可以构造成引导尤其是适合于某些冷却应用的流体流。流体是指液体和气体(例如，空气)两者。这常常需要将壳体定位在基座和旋转热质量上方。然而，该壳体增加了另一个设计约束；即，它通常需要在旋转部分与壳体之间相当大的间隙来减小它可能产生的流动阻力。这种增加的间隙因此增加整个装置的大小，至少部分地否定由动力学散热器提供的更小占用空间的益处。
发明内容
根据本发明的说明性实施例，散热设备具有基座结构，该基座结构具有第一导热表面和第二导热表面以在它们之间传导热量。第一导热表面可安装到发热部件。散热设备也具有以可旋转方式与基座联接的旋转结构。该旋转结构具有隔着流体间隙与第二导热表面面对的可移动热提取表面。当旋转结构旋转时，流体间隙热阻特性降低。旋转结构具有旋转翅片，当旋转结构旋转时，所述旋转翅片以通道方式引导热介质(即，形成流体流)从与旋转结构连通的热储存器的一个区域(即，第一区域)到热储存器的另一个区域(即，第二区域)。基座结构具有从第二导热表面延伸的固定式翅片。翅片处于热储存器的第一区域与第二区域之间的流体流路径中。流体是指液体和气体(例如，空气)两者。
散热设备可以具有壳体，该壳体固定地联接到基座结构并且包围旋转结构和固定式翅片。壳体可以具有沿着热储存器的第一区域和第二区域之间的流体流路径的入口和出口。散热设备可以具有在壳体外部的第二组固定式翅片。第二组固定式翅片可以位于入口的嘴部(mouth)和/或出口处。
壳体可以成形为促进或以通道方式引导流体流。例如，壳体可以成形为螺旋形或贝壳形。固定式翅片(壳体的内部或外部)可以成形为叶片、钉或柱体。固定式翅片可以是栅格结构，例如蜂巢或金属泡沫。翅片可以构造成当结合动力学散热器运行时获得特定的传热密度、特定的噪声特性、或特定的流量。
根据本发明的另一个实施例，操作散热设备的方法提供了具有基座结构、旋转结构和固定式翅片的散热设备。基座结构具有第一导热表面和第二导热表面以在它们之间传导热量。第一导热表面可安装到发热部件。旋转结构以可旋转方式与基座结构联接并具有隔着流体间隙与第二导热表面面对的可移动热提取表面。旋转结构具有旋转翅片，当旋转结构旋转时，旋转翅片以通道方式引导传热流体从与旋转结构连通的热储存器的一个区域(第一区域)到热储存器的另一个区域(即，第二区域)。固定式翅片从第二导热表面或壳体延伸并处于在热储存器的第一区域与第二区域之间的流体流路径中。该方法还包括：改变所述旋转结构的转速，以控制来自流体流路径中的固定式翅片的传热量以及来自旋转翅片的传热量。
附图说明
通过参考下文中结合附图的详细描述，将更容易地理解实施例的前述特征，在这些图中：
图1示意性地示出根据说明性实施例的散热设备的截面图。
图2示出图1的散热设备的运行。
图3A示意性地示出根据另一个实施例的输出引导流的散热设备的截面图。
图3B示意性地示出根据替代实施例的散热设备的截面图。
图4A-4F示意性地示出根据各种实施例的固定式翅片的形状。
图5示出根据说明性实施例的散热设备的传热性能。
图6示出动力学散热器的固定式翅片与叶轮之间的传热系数的比较。
图7示意性地示出根据说明性实施例的具有固定式翅片的动力学散热器。
图8A示意性地示出图7的动力学散热器的分解图。
图8B示意性地示出根据替代实施例的图7的动力学散热器。
图8C示意性地示出根据替代实施例的图8B的动力学散热器。
图9示出根据说明性实施例的具有固定式翅片的动力学散热器的热阻特性。
图10A示意性地示出根据另一个说明性实施例的输出引导流的具有固定式翅片的动力学散热器。
图10B示意性地示出根据替代实施例的具有固定式翅片的动力学散热器。
图11A-11D示意性地示出根据各种实施例的固定式翅片布局模式。
图12示出图7的实施例的叶轮通道部分中的流体流的相对速度。
图13示出图7的实施例中的流体流的相对速度。
图14示意性地示出根据实施例的具有固定式翅片的动力学散热器。
图15A是示出图14的动力学散热器设备的装置性能的图。
图15B是示出图14的动力学散热器设备的空气流性能的图。
图16是根据说明性实施例的动力学散热器的操作方法。
具体实施方式
说明性实施例促进了使用直接联接至固定发热元件的基座板的固定式翅片的动力学散热器的高密度传热。除了改善传热之外，该布置还使得动力学散热器能够具有这样的壳体：该壳体提供受引导的流体流，但仍维持相对小的占用空间。流体是指液体和气体(例如，空气)两者。下面讨论各种实施例的细节。
图1示意性地示出根据本发明的说明性实施例的散热设备100(也被称为“动力学散热器100”)的截面图。散热设备100具有基座结构102，该基座结构102具有第一导热表面104和第二导热表面106以在它们之间传导热量。第一导热表面104可安装到发热部件110，例如电子装置或部件。例如，该部件尤其可以包括电阻装置、印刷电路板或集成电路。
散热设备100具有以可旋转方式与基座结构102联接的旋转结构112。旋转结构112可以是电动马达(未示出)的转子的一部分，具有隔着流体间隙116与第二导热表面106面对的可移动热提取表面114。在一些实施例中，当旋转结构112在正常运行期间旋转时，流体间隙116在约10μm(微米)和约20μm之间变化，因此具有热阻特性(例如，小于0.1摄氏度每瓦)。其它实施例形成更大或更小的流体间隙116。例如，在具有在从基座结构102和旋转结构112突出的竖直同心翅片之间形成的流体间隙116的替代实施例中，流体间隙116可以为至少50微米或更大。在说明性实施例中，由于这种旋转，横跨流体间隙116的热阻可以下降一半以上。旋转结构112具有旋转翅片118，当旋转结构112旋转时，旋转翅片118以通道方式引导传热介质(即，流体)从与旋转结构112连通的热储存器的一个区域(即，第一区域)到热储存器的另一个区域(即，第二区域)。如本文所使用的，旋转结构112可以称为叶轮。
根据本发明的说明性实施例，基座结构102还具有从第二导热表面106延伸的一组固定式翅片122，以提供额外的散热表面积。固定式翅片122是在热储存器的第一区域和第二区域之间的流体流路径中的物理结构。旋转结构112提供流体流，以进一步从固定式翅片122排出热量。如图所示，固定式翅片122处于流体流的直接路径中，也通过自然对流来排出热量。
固定式翅片122可以与第二导热表面106(实际上，基座结构102的一部分)一体形成。替代地，固定式翅片122可以与基座板可移动地连接。
图2示出图1的散热设备的运行。在该图中，旋转结构112旋转，以便以通道方式将导热介质从热储存器的第一区域202沿着流动路径引导到热储存器的另一个区域(即，第二区域)。流体流可以沿径向方向离开旋转结构112。旋转结构112可以在第一区域202处形成旋涡。随着流体流经散热设备100(例如，穿过该旋转结构112的旋转翅片118)，在发热部件110与散热设备100的固体体积之间形成温度梯度(即，ΔT)。温度梯度提供传热势，从而导致固体体积之间的更大的热提取以及该固体体积与传递介质之间的更大的排热。一般地，基座结构102从发热部件110提取热量(箭头208)并且热量传播(箭头210)穿过基座结构102。随着热量传播210穿过基座结构102，热量的一部分212横跨流体间隙116被转移至旋转结构112，并通过旋转翅片118被排至热储存器中。热量213的另一部分传播通过固定式翅片122并排出至从旋转结构112驱散的预加热215流体中。
在低旋转速度下，当横跨流体间隙116的热阻特性相对于固定式翅片122的热阻低时，由旋转结构112传递并排出的热量212大于由固定式翅片122排出的热量213。随着转速增大，固定式翅片的热阻特性变得比空气间隙116和旋转翅片118的合成阻值更低。这导致更少的热量212从基座结构102传递至旋转结构112以及更多的热量213传播至固定式翅片122。
经旋转结构112排热取决于流体间隙116的热阻和旋转结构112的热阻。从静止开始，流体间隙116的热阻相对于旋转结构112和固定式翅片122的热阻在总体上是低的。在较高速度下，流体间隙116成为从基座结构102移除热量的瓶颈。发明人认识到固定式翅片122没有这样的限制，因为它们不需要空气间隙，因此，在这样的更高转速下，能够以更高的效率(即，更低的热阻)运行。因此，固定式翅片122提供了与旋转结构112独立的传热和排出机制，这补充了旋转结构112的散热操作，特别是在较高范围的转速下。
热储存器是指与散热设备相比具有相对大的热质量的空间或环境，并可以包括该散热设备可以位于其中的导热池(thermalbath)或环境空气。散热设备可以在具有变化的温度的热储存器中运行，该变化的温度可以例如在封闭的热力系统中发生。
如本文所公开的，散热设备的各种实施例可类似于在2012年6月26日提交的、发明名称为“KineticHeatSinkHavingControllableThermalGap(具有可控热间隙的动力学散热器)”的美国临时专利申请No.61/66,868和2012年11月8日提交的、发明名称为“KineticHeatSinkwithSealedLiquidLoop(具有密封液体环的动力学散热器)”的美国临时专利申请No.61/713,774中公开的动力学散热器。这些专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。
图3A示意性地示出根据输出引导流的另一个实施例的散热设备100的截面图。
为了输出引导流，散热设备100可以具有壳体302，壳体302包围旋转结构112和固定式翅片122。在说明性实施例中，壳体302可固定地联接到基座结构102。替代地，壳体302可安装到接近散热设备100的其它静止表面。壳体302可以成形为促进或以通道方式引导流体流124，包括例如螺旋形或贝壳形(参见例如，图10)。壳体302可以具有倾斜内表面303，以增强流体流。
“引导流输出”是指传递介质以通道引导的方式(即，在非径向的所有方向上)的移动。如所讨论的，引导流输出在某些冷却应用中可能是有益的。例如，引导流可以用来对流地冷却其它设备或防止尘粒沉降在其它散热表面上。
除了固定式翅片122之外，散热设备100可以具有在壳体302外部的第二组固定式翅片308(被称为“外部固定式翅片”)。第二组固定式翅片308可以定位在壳体302的入口304和/或壳体302的出口306处。外部固定式翅片308可以从第二导热表面106延伸，类似于固定式翅片122，或者替代地，可从壳体302或基座结构102的侧壁312延伸。例如，外部排出(out-take)固定式翅片310形成在输出端306处，并且外部吸入(intake)固定式翅片314可以形成在入口304的嘴部处。图3B示意性地示出根据这种替代实施例的散热设备100的截面图。
固定式翅片(内部翅片122或外部翅片308、310、314)提供用于传热的表面区域，且可以成形为引导、阻碍或最低限度地影响流动。图4A-4E示意性地示出根据各种实施例的固定式翅片的形状。其中，固定式翅片可以成形为叶片、钉、或柱体。固定式翅片可以共同地形成网状结构，例如蜂巢。附图示出固定式翅片的形状，包括柱体(图4A)、菱形(图4B)、舵(图4C)、弯曲叶片(图4D)、风扇叶片(图4E)、和蜂巢栅格(图4F)。翅片可以构造成获得特定的传热密度、特定的噪声特性、或特定的流量。
传热密度
固定式翅片有利地提供额外的传热表面积，从而允许较高的传热密度。这种额外的传热在采用壳体的情况下是特别有益的，在这样的采用壳体的设计中，固定式翅片使用了旋转结构(例如，散热器叶轮)一般不可接近的空间。因此，对于相同的冷却能力而言，产生了更小直径旋转结构或冷却器设备占用空间。
常规散热器(例如，风扇冷却散热器(FCHS))一般包括安装到散热器的风扇部件，散热器进而安装到热源。散热器在风扇转动的同时从热源提取热量，风扇转动产生空气流，空气流将提取的热量排至环境空气。动力学散热器合并将散热器和风扇的益处合并到单个部件中。这样做时，对于相同的转速，该说明性实施例产生较高的穿过热提取表面(例如，翅片)的流体速度。因此，根据说明性实施例构造的动力学散热器预计具有更高的传热系数。
更具体地，散热器的从排热表面(例如，翅片)到传递流体(例如，空气)的传热能力可以被表达为如方程式1中的Q，
Q＝hA·ΔT(方程式1)
其中所传递的热量(Q)是有效传热系数(h)、传热面积(A)、以及排热表面与传递流体之间的温差(ΔT)的函数。
有效传热系数(h)可以表达为传递流体的导热系数(k)、努塞尔数(Nu)、和水力直径(Dh)的函数，如方程式2中所示，
h = k D h Nu (方程式2)
对于空气是传递介质的应用，k可以约为0.0264Wm-1C-1。
例如，自然对流散热器一般具有在5和10之间的h值，而FCHS可以具有在50和150之间的h值，这对应于层流。KHS可以具有在200和300之间的h值，这对应于湍流。图5示出一些动力学散热器的固定式翅片和旋转结构(即，叶轮)的传热系数。例如，对于由叶轮翅片或固定式翅片形成的55毫米通道，示出的是，通过使相对流体速度增大15倍(例如，从U＝2米/秒(m/s)到U＝30m/s)，传热系数大致提高三倍(例如，h＝100到h＝300)。
固定式翅片的额外表面积将第二传热分量(Q_stationary)添加到动力学散热器的传热分量(Q_impeller)。方程式3是具有固定式翅片的动力学散热器的总传热(Q_total)。
Q_total＝Q_impeller+Q_stationary(方程式3)
可以使用方程式1扩展方程式3而形成方程式4。
Q_total＝h_impellerAimpeller·ΔTimpeller+h_stationaryAstationary·ΔTstationary(方程式4)
固定式翅片也增加传热流体的流动阻力，由此减小散热器的动力学部分的传热系数。因此，利用固定式翅片，散热器的动力学部分的努塞尔数或许低于没有固定式翅片的动力学散热器。
发明人已经发现，相对于没有固定式翅片的动力学散热器，具有固定式翅片的动力学散热器的整体传热性能(Q_total)可以增加。尽管固定式翅片可以减小散热器的动力学部分的传热能力(Q_impeller)，由于增加空气流动阻力，造成较小的流体流，但作为具有来自固定式翅片的附加传热能力(Q_stationary)的结果，整体传热性能仍然可以增加。换言之，固定式翅片可以因具有用于传热(A_stationary)的额外面积而提供更高的冷却性能，这可以与固定式翅片向该设备的运行增加的阻抗相平衡。
图6示出根据说明性实施例的散热设备的传热性能。随着固定式翅片的流动阻力增加，固定式翅片的传热性能(Q_stationary)也增加，同时散热器的动力学部分的传热性能(Q_impeller)下降。因此，最佳的固定式翅片构造最大化了总传热性能。
图7示意性地示出根据说明性实施例的具有固定式翅片的动力学散热器700。动力学散热器700包括叶轮702，叶轮702经由电动马达708横跨流体间隙706以可旋转方式联接到基座结构704。基座结构704具有与叶轮702的热提取表面712(未示出，参见图8A)面对的导热表面710。一组固定式翅片714从基座结构704延伸并围绕叶轮702。该组固定式翅片714以栅格模式布置，其中每个翅片沿着该栅格被等间距地与其它翅片间隔开。该组固定式翅片714被成形为柱状杆或钉。
图8A示意性地示出图7的动力学散热器700的分解图。为了提供其它部件的更清楚的视图，固定式翅片714未被示出。根据该实施例，电动马达708包括一组件，该组件具有联接到基座结构704的固定部件和联接到叶轮702的旋转部件。该固定部件包括马达壳体802和收纳转子806的基座壳体803。该固定部件还包括马达绕组804，以提供旋转电磁场而使转子806旋转。该旋转部件包括经由夹具808固定地联接到叶轮702的转子806。叶轮702包括永磁体810，永磁体810与马达绕组804磁性地联接。
对于本领域的技术人员而言明显的是，可以用各种类型的马达构造该电动马达。例如，电动马达可以包括：基于直流(DC)的马达，例如有刷DC马达、永磁电马达、无刷DC马达、开关磁阻马达、无心DC马达、通用马达；或基于交流(AC)的马达，例如单相同步马达、多相同步马达、AC感应马达和步进马达。
动力学散热器可以包括插件812，插件812被固定地联接到或靠近外围基座结构704，以在启动期间提供低摩擦接触并在运行期间提供震动吸收。在说明性实施例中，叶轮702包括从旋转板816延伸的一组矩形曲面翅片814。转板816可以具有两侧；即，包括热提取表面712的一侧和包括翅片814的另一侧。如所指示的，热提取表面712与基座结构704的导热表面710一起形成流体间隙706。当动力学散热器700处于静止状态时，流体间隙706可以小于10μm，并且在正常操作期间，流体间隙706可以在10μm和100μm之间变化，在一些实施例中优选在10μm和20um之间变化。在其它实施例中，当静止时，流体间隙706可以为零。在旋转结构702旋转时，翅片814可以形成通道以便于流体传递介质流动。
图8B示意性地示出根据替代实施例的图7的动力学散热器。未采用插件812或除了插件812之外，动力学散热器818可以构造成使用旋转结构112与基座结构102之间的磁力，以在启动时提供最小或减小的摩擦接触。动力学散热器818的基座结构102可以具有固定地附接到基座结构102的马达绕组804(例如，定子)，并且旋转结构112可以具有固定地附接到旋转结构112的永磁体810(即，转子磁体)。马达绕组804可以在轴向方向上定位成高于永磁体810(即，转子磁体)以形成偏离820。绕组804与磁体810之间的偏离可能导致磁引力，这种磁引力在转子上产生向上轴向力。引力可以促使旋转结构112相对于基座结构102提升。马达绕组804可定位得比磁体高100μm到200μm，优选为140μm。
基座结构102和旋转结构112可以构造成在启动期间维持该偏离820。旋转结构112可以包括转子822，转子822被构造成安放在基座结构102内。转子822可以包括轴部822a和加宽部822b。加宽部822b可以将转子822固持在基座结构102内，并且可以包括控制特征件(例如，流体动力轴承)，以调节基座结构102与旋转结构112之间的偏离。基座结构102可以形成与转子822的几何结构相对应的室824，以便于转子822的安放。基座结构102可以包括固持帽832，固持帽832附接到形成室824的基座结构102内的孔。
室824可以包括上推力表面826和下推力表面828，上推力表面826和下推力表面828作为流体动力轴承(也被称为反向推力轴承组件)的一部分，与转子822的对应的表面830、832一起形成流体动力轴承。因此，在运行期间(即，当旋转结构112旋转时)，流体动力轴承可以调节基座结构102与旋转结构112之间的轴向偏离。旋转结构112可以包括板部分834，旋转翅片118固定地附接到该板部分834。板部分834可以包括可移动热提取表面114，该可移动热提取表面114与基座结构102的第二导热表面106形成流体间隙116。
绕组804和磁体810可以构造成产生引力，该引力具有足以抵消旋转结构112的重量的磁场强度。例如，如果绕组804与磁体810之间的磁引力大于旋转结构112的重量，则转子822的上推力轴承表面832可以与室824的上推力表面826接触。结果，在流体动力轴承的下推力表面828、830之间可以形成偏离836(未示出)。在启动时，这种偏离836可以在5μm和20μm之间变化。与第一导热表面104和靠在第一导热表面104上的第二导热表面106之间的接触相比，在该实施例中，流体动力轴承的上推力表面826、832处的接触可以具有更低的启动摩擦。
旋转结构112和基座结构102可以在传热表面之间包括硬涂层以减小磨损，该传热表面包括第一导热表面104和第二导热表面106。涂层在厚度上可以是1μm到5μm，优选为2μm。涂层可以由诸如TitankoteTM的类金刚石碳(例如，DLC)构成。当然，也可以采用其它硬涂层。涂层可以具有类似于基座结构102和旋转结构112的传热性质，以最小化传热阻抗。
转子822的轴部822a和基座结构102的对应表面可以包括附加的流体动力轴承特征件(未示出)，以在旋转时维持旋转结构112相对于基座结构102的对中。
图8C示意性地示出根据替代实施例的图8B的动力学散热器。除了马达绕组804和永磁体810之外，动力学散热器818还可以包括第二组永磁体824。第二永磁体824能够以可附加方式(affixably)附接到基座结构102并构造成在静止时相对于旋转结构112的永磁体810产生排斥力。第二永磁体824使得能采用更大和更重的旋转结构112或能减小马达部件的尺寸。
图9示出根据说明性实施例的具有固定式翅片的动力学散热器的热阻特性。发热部件110产生热量(Qchip902)。该热量可以通过动力学散热器的动力学部分904、固定式翅片部分906以及通过自然对流或辐射908扩散到热储存器。在实施例中，对于在3W和10W之间的马达功率消耗，动力学散热器可以耗散在40瓦(w)与130W之间的热量(Qchip902)。当然，动力学散热器可以构造成耗散其它大小的热量。
表1提供图9的动力学散热器的一个实施例的热阻特性的示例。
表1
动力学部分904的热阻包括跨越基座结构704、流体间隙706和叶轮702、以及从叶轮702到热储存器的热阻。基座结构704的热阻的特征可以在于具有线性分量(Rbase,linear)和径向于该线性分量的扩散分量(Rbase,spread)。通过电动马达708产生的热量(Qmotor)以及通过流体间隙706产生的热量(Qshear)增加了要由该动力学散热器移除的总热量。对电马达708和流体间隙706的热贡献可以被建模为经过有效热阻Rmotor,spread和Rfluidgap的内热源(Qshear和Qmotor)。转板816具有热阻(Rplatten)，并且翅片814具有热阻(Rfins)。(702、704的)固体表面与传递介质之间的排热具有热阻(Rrejection)。
与散热器的动力学部分904相反，固定式翅片714的热阻仅包括基座板热阻(Rbaseplate)、翅片热阻(Rfins)、和排热热阻(Rrejection)。
图10A示意性地示出根据另一个实施例的输出引导流1004的、具有固定式翅片1002的动力学散热器1000。流体通过入口1012进入并行进穿过叶轮1008内的通道1014。叶轮输出沿径向方向(参见箭头1010)的流体流，并且壳体1006将径向流体流1010以通道方式引导或导引至被引导的流体流1004的特定方向上。归因于由于叶轮1008的旋转而施加在流体上的离心力，流体流的方向一般处于向外方向上。固定式翅片1002允许更小占用空间的冷却装置。叶轮1008可以向后弯曲。向后弯曲的叶轮总体上更稳定并且对于给定的流体流可以容许叶轮几何结构中的不匹配。
图10B示意性地示出根据替代实施例的输出引导流的、具有固定式翅片1002的动力学散热器1000。图10A的叶轮可以向前弯曲。类似于向后弯曲的叶轮1008，由于因该叶轮1016的旋转而施加在流体上的离心力，向前弯曲的叶轮1016中的流体流的方向也一般为向外方向。与具有相当的占用空间的向后弯曲的翅片相比，向前弯曲的叶轮可以用更小的翅片构造。具有向前弯曲的叶轮的动力学散热器可以构造成在较低的叶轮旋转速度下运行，以产生与向后弯曲的翅片叶轮相比相同的流动。在实施例中，采用了具有低惯性的、使用向前弯曲叶轮的动力学散热器。造成叶轮1008、1016的向外流动方向的离心力可以表达为其中ρ是流体密度，r是力的径向位置，并且ω是角速度。
图11A-11D示出各种固定式翅片布局模式。线之间的交叉点1102表示环绕叶轮1104放置并从基座结构1106延伸的固定式翅片。该布局可以包括水平和竖直栅格模式，如图11A所示。该布局可替代地处于径向模式中，如图11B所示。替代地，该布局可以是具有径向分量和弧分量，如图11C所示。该布局可以是不对称的，如图11D所示。当然，也可以采用其它布局。对于本领域的技术人员而言将明显的是，各种固定式翅片布局模式可以应用于不同形状的散热设备。
图12示出在图7的动力学散热器的叶轮702之间的通道中的流体流的相对速度。随着流体从叶轮702的顶部被吸取并在通道的整个长度上流动，由于流体进入在翅片之间形成的通道并流过这些通道的整个长度，流体的相对速度增加。由于通道具有恒定厚度，归因于质量守恒，流体相对速度增加，因为更多流体沿着通道的长度进入。通道内的相对速度(也被称为速度分布)是翅片形状的函数，翅片形状限定了通道的截面形状。如图12所示，在大约1000RPM下形成流体矢量。随着转速增加，流体流以大致线性方式增加。对于一些动力学散热器，在5000RPM转速下，最大流体速度约为25米/秒。
图13示出图7和图14的实施例的动力学散热器和固定式翅片内的流体流的相对速度。如所指示的，随着流体从叶轮的顶部被吸入并且在通道的整个长度(对应于区域1302)上流动，由于质量守恒，流体的相对速度1306增加。类似地，随着流体从叶轮702径向流至固定式翅片714，由于质量守恒，速度下降。一般地，固定式翅片714的通道具有发散的横截面积。因而，随着流体经过递增的截面区域，流体的速度下降。因此，横跨固定式翅片的速度剖面(即，分布)(对应于区域1304)可以基于固定式翅片714的几何结构和放置而成形。流体以输出流动速率1308离开动力学散热器700。
壳体可以构造成产生流体流的特定相对速度剖面。例如，在实施例中，动力学散热器的顶部可以完全打开，以允许流体进入动力学散热器的中间。壳体和叶轮能够以小间隙间隔开，从而迫使流体在翅片的起点处仅流过叶轮的中间并然后流过翅片的整个长度。
替代地，壳体可构造成允许流体沿着通道的长度进入。例如，动力学散热器的壳体可以构造成允许流体沿着叶轮和固定式翅片的通道(而非仅在起点处)进入。壳体例如可以包括定位在不同径向位置处的几个通道。替代地，壳体可以构造成在壳体与叶轮之间具有更大的间隙，以允许流体沿着通道的长度进入。虽然流体可以在叶轮的稍后段进入而因此具有减小的用于传热的面积，但该构造总体上可导致更有效的热传递。这种影响可以归因于在通道的稍后部分中被增大的流体速度(由于更多的流体处于通道中)。该影响也可归因于具有更低流动阻力(允许更高流速)的构造。
在实施例的另一个方面中，此外或替代地，叶轮或固定式翅片可以构造成产生流体流的特定相对速度剖面。例如，可以用翅片构造叶轮或固定式翅片，在这些翅片之间形成沿着通道的长度具有恒定面积剖面的通道。这样，如果流体仅在通道的起点处进入叶轮或固定式翅片，则流体的速度横跨通道保持相对恒定。
在另一个实施例中，通道可以构造成沿着通道的长度具有发散剖面或收敛剖面。与恒定宽度通道相比，发散通道的速度会减小，因为通道的横截面积变得更大。在收敛通道的情况下，随着流体经过收敛段，流体的速度可以增加。
关于流体间隙，虽然热阻通常随着转速的递增而下降，但由流体间隙剪切产生的热量也增加。结果，在过高转速下，流体间隙的有效热阻可以增加。
根据本发明的另一个实施例，提供了操作散热设备的方法。
图16示出根据说明性实施例的操作动力学散热器的方法。该方法提供具有基座结构、旋转结构和固定式翅片的散热设备(步骤1602)。基座结构具有第一导热表面和第二导热表面以在它们之间传导热量。第一导热表面可安装到发热部件。旋转结构以可旋转方式与基座结构联接并具有隔着流体间隙与第二导热表面面对的可移动热提取表面。旋转结构具有旋转翅片，当该旋转结构转动时，旋转翅片以通道方式将传热流体从与旋转结构连通的热储存器的一个区域(第一区域)引导到热储存器的另一个区域(即，第二区域)。固定式翅片从第二导热表面或壳体延伸并处于在热储存器的第一区域与第二区域之间的流体流路径中。
该方法还改变旋转结构的转速，以控制来自流体流路径中的固定式翅片的传热量以及来自旋转翅片的传热量(步骤1604)。例如，该方法可以使方程式3或4的Q_total最大化。该控制可以基于如图9所示的动力学散热器的热阻特性的模型。
在具有用于散热的替代通道的情况下，具有固定式翅片的动力学散热器可以额外地改进动力学散热器的控制的响应时间。动力学散热器的高惯性维持动力学散热器的速度。然而，随着来自发热源的热负载变化，惯性使动力学散热器对负载的反应延迟。固定式翅片提供具有更低惯性的替代控制点作为散热器的动力学部分。
图14示意性地示出根据实施例的具有固定式翅片的动力学散热器。动力学散热器设备1400包括一组旋转翅片1402和一组固定式翅片1404。该组固定式翅片可适于使用于传热的表面积增加20％以上。该组旋转翅片1402包括四十二(42)个向后弯曲翅片，这些翅片的跨距1406为设备1400的跨距1408的约86％。该组固定式翅片1404包括两百(200)个直的径向翅片，这些直的径向翅片横跨该设备1400的外周跨距1410的约14％。与具有相当尺寸的无固定式翅片的动力学散热器相比，该组固定式翅片1404可以提高热阻性能30％以上。动力学散热器1400在马达的5瓦的能量消耗下可以具有0.2C/W的热阻。该组固定式翅片的横截面积等于在各个固定式翅片之间形成的通道的横截面积。图13示出图14的动力学散热器的示例性速率剖面。
在实施例中，动力学散热器可以具有8.89cm(3.5英寸)的总外直径。该组旋转翅片1402可以具有7.62cm(3英寸)的直径。该组固定式翅片可以具有1.016cm(0.4英寸)的长度并具有0.5mm的恒定横截面积，这形成毗邻固定式翅片的0.5mm的通道。该组旋转翅片1402可以具有43cm2的表面积(它占整个表面积的61％)，而该组固定式翅片1404具有28cm2的表面积(它占整个表面积的39％)，以提供72cm2的总表面面积。与不具有固定式翅片的向后弯曲动力学散热器(被称为“Sigmatec”)(其具有59cm2的表面积)相比，动力学散热器设备1400具有大20％以上的表面积。在此处，流体间隙具有0.11C/W的热阻，并且基座板具有0.029C/W的热阻，该0.029C/W的热阻包括该组固定式翅片1404的热阻。当然，它也可以采用其它的尺寸和比率。
图15A是示出图14的动力学散热器设备1400的设备性能的图。提供了图14所示的动力学散热器的计算机流体动力学分析。使用具有固定式翅片的动力学散热器的二维模型和三维模型来执行分析。将结果与具有相当的直径尺寸但无固定式翅片的基线动力学散热器进行比较。图15B是示出图14的流体动力学散热器1400的体积流体流的图。表1提供对于在1000RPM与7000RPM之间的动力学散热器设备1400的不同转速的图15A和图15B的数值结果。标签“stationaryfins2D(固定式翅片2D)”和“stationaryfins3D(固定式翅片3D)”表示图14的以其整体的动力学散热器设备1400，该动力学散热器设备1400包括该组旋转翅片1402和该组固定式翅片1404以及上述其它部件，而标签“Sigmatec”是指具有相当的尺寸且无固定式翅片的动力学散热器。
表2
上文所述的本发明的实施例旨在仅仅是示例性的；若干变型和修改对于本领域的技术人员而言将是明显的。所有的此种变型和修改都旨在落入如任何附加权利要求中限定的本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种散热设备，包括：
基座结构，所述基座结构具有第一导热表面和第二导热表面以在所述第一导热表面和所述第二导热表面之间传导热量，所述基座结构能够在所述第一导热表面处安装至发热部件；以及
旋转结构，所述旋转结构以可旋转方式与所述基座结构联接，所述旋转结构具有隔着流体间隙与所述第二导热表面面对的可移动热提取表面，所述旋转结构具有被构造成使流体移动的多个移动翅片，
所述基座结构具有从所述第二导热表面延伸的多个固定式翅片，所述多个固定式翅片被定位成与由所述多个移动翅片移动的流体接触。
2.根据权利要求1所述的散热设备，还包括：
壳体，所述壳体具有沿着路径的入口和出口，所述壳体以可固定方式联接到所述基座结构。
3.根据权利要求2所述的散热设备，其中，所述壳体包围所述旋转结构和所述多个固定式翅片。
4.根据权利要求3所述的散热设备，还包括：
多个外部固定式翅片，所述多个外部固定式翅片在所述壳体的外部从所述第二导热表面延伸，所述多个外部固定式翅片处于所述路径中，所述路径在与所述散热设备连通的热储存器的第一区域和第二区域之间。
5.根据权利要求3所述的散热设备，还包括：
多个外部固定式翅片，所述多个外部固定式翅片从所述壳体的所述入口和所述出口中的至少一个延伸，所述多个外部固定式翅片处于所述路径中，所述路径在与所述散热设备连通的热储存器的第一区域和第二区域之间。
6.根据权利要求2所述的散热设备，其中，所述壳体总体上被形成为螺旋形和贝壳形中的至少一种。
7.根据权利要求2所述的散热设备，其中，所述壳体总体上被形成为鹦鹉螺形。
8.根据权利要求1所述的散热设备，其中，所述多个固定式翅片总体上被形成为叶片、钉和柱体。
9.根据权利要求1所述的散热设备，其中，所述多个固定式翅片等间距地从所述第二导热表面以栅格模式延伸。
10.根据权利要求1所述的散热设备，其中，所述多个固定式翅片非对称间距地从所述第二导热表面以栅格模式延伸。
11.根据权利要求1所述的散热设备，其中，所述旋转结构形成叶轮。
12.根据权利要求1所述的散热设备，其中，所述多个固定式翅片被成形为使噪音最小化。
13.根据权利要求1所述的散热设备，其中，所述设备具有大于150W/(m2k)的传热系数。
14.根据权利要求1所述的散热设备，其中，所述旋转结构以产生30CFM流体流的方式旋转。
15.根据权利要求1所述的散热设备，其中，当所述旋转结构使所述流体移动时，所述旋转结构从所述多个移动翅片散热，并且当所述多个固定式翅片与由所述多个移动翅片移动的流体接触时，所述多个固定式翅片散热。
16.一种操作散热设备的方法，包括：
提供散热装置，所述散热装置具有：
基座结构，所述基座结构具有第一导热表面和第二导热表面以在所述第一导热表面和所述第二导热表面之间传导热量，所述基座结构能够在所述第一导热表面处安装至发热部件；和
旋转结构，所述旋转结构以可旋转方式与所述基座结构联接，所述旋转结构具有隔着流体间隙与所述第二导热表面面对的可移动热提取表面，所述旋转结构具有多个旋转翅片，所述多个旋转翅片以在移动时使流体流动的方式被构造；
所述基座还具有从所述第二导热表面延伸的多个固定式翅片，所述多个固定式翅片被定位成与由所述多个移动翅片移动的流体接触；
激活所述散热装置以使所述旋转结构旋转；以及
改变所述旋转结构的旋转速度，以改变从所述多个固定式翅片到路径中的流体的传热以及从所述多个旋转翅片到所述路径中的流体的传热。
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