CN111433549A - 多重分形散热器系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种散热器，包括热交换装置，所述热交换装置在尺度范围内具有大尺度形态，在尺度范围内具有小尺度纹理，其中所述大尺度形态和所述小尺度纹理中的至少一个在尺度范围内具有分形状自相似性。大尺度形态和小尺度纹理可以被独立地定义和实现，或者具有过渡范围。大尺度形态可以根据一组几何上的约束进行算法优化。小尺度纹理可以根据空气动力学参数和约束来优化。散热器可以动态变化，和/或结合动态变化的传热介质供应来操作。

Description

多重分形散热器系统及方法

技术领域

本发明涉及在热源与流体之间传递热量的散热器或者装置的领域，以及更具体地涉及利用分形几何原理的设计。

背景技术

本文所引用的所有参考文件都通过引用明确地合并于此，对于所述参考文件各自关于本领域已知元件的教导，就如同在此完全明确地叙述一样。这些教导表示本发明的特征和描述，并且意在以各种组合、置换和子组合来支持本发明的描述。应当注意的是，通常，所述参考文件用于支持本文所讨论的散热器技术的改进。在其他情况下，散热器的技术用于改进在所并入的参考文件中阐述的系统和方法，无论这些系统和方法是否代表散热器技术。具体地，除了所列举的那些形状之外，各种形状和配置的引用包括所描述的所有这些形状。

散热器是将固体材料中产生的热量传递至诸如气体或冷却液的流体(气体或液体)介质的部件或组件的术语。散热器通常被设计成增加与冷却液或者在冷却液周围的诸如空气的气体接触的表面积。迎面风速、材料的选取、翅片(或者其他突出部)设计或者表面处理是影响散热器的热阻即热性能的设计因素中的一部分设计因素。参见en.wikipedia.org/wiki/Heat_sink。

散热器通过对流和辐射将待冷却的对象的热量转移到周围的空气、气体或者液体中。当热量通过流体运动(强制对流)被动地从一点传递至另一点时或者当热量自身引起流体运动(自由对流)时，就会发生对流。当强制对流和自由对流一起发生时，这个过程称为混合对流。当例如热量形式的能量穿过介质或者穿过空间并且最终被另一主体吸收时，就会发生辐射。热辐射是对象的表面以电磁波形式辐射热能的过程。来自普通家用散热器或者电加热器的红外辐射是热辐射的一个实例，发光白炽灯泡发出的热和光(IR和可见EM波)也是热辐射的一个实例。当原子内的带电粒子运动所产生的热量转化为电磁辐射时，就会发生热辐射。

热传递是物理系统之间的热能的交换。热传递速率取决于所述系统的温度以及热量被传递所通过的中间介质的性质和状态。热传递的三种基本模式是传导、对流和辐射。热传递，热形式的能量的流动是系统改变其内部能量的过程。热传递的方向是从高温区域到低温区域，并且遵守热力学第二定律。热传递改变各个系统的内部能量，并且发生在增加系统集合的熵的方向。当所有涉及的主体和周围环境都达到相同的温度时，就达到了热平衡。热力学和机械传热通过传热系数、热通量和热流的热力驱动力之间的比例来计算。热传递的基本模式为：平流(流体从一个位置到另一位置的传输机制，取决于流体的运动和动量)；传导或扩散(物理接触的对象之间的能量转移)；对流(由于流体运动，对象与其环境之间的能量转移)；以及辐射(通过发射光谱的红外部分的电磁辐射来传播能量)。

当热的、快速移动或振动的原子和分子与相邻的原子和分子相互作用，从而将其能量(热量)的一部分传递给这些相邻的粒子时，会发生热传导。热传导通常是固体内部或者存在热接触的固态对象之间最重要的传热方式。热源与散热器之间的热传递以及散热器的热传递是传导传递。平流通过将物质及其热量传递到空间来进行。对流传热或者对流是通过流体的运动将热量从一个地方传递到另一个地方，实质上是通过质量传递传递热量的过程，并且通常结合了流体内部的热传导(扩散)和通过大量流体流动进行热传递的效果。

对流冷却通常被描述为牛顿冷却定律：物体的热损失率与该物体与其周围环境的温差成正比。对流冷却偏离了该“定律”，并且不线性地依赖于温度梯度，并且在一些情况下是强非线性的。

斯特藩-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)方程描述了真空中的对象的辐射能量传输速率；而两个对象之间的辐射传递被描述为：以及T为绝对温度(单位为开尔文或兰金)。

辐射率或光谱辐射率是所通过或发射的辐射量的量度。辐射屏障是反射辐射的材料，因此减少辐射源的热量的流动。辐射屏障的有效性由其反射率来表示，所述反射率是被反射的辐射的比例。具有高反射率(在给定波长下)的材料具有低发射率(在与所述给定波长相同的波长下)，反之亦然。在任何特定波长下，反射率＝1-发射率。

散热器会降低被暴露的表面的最高温度，因为能量被传递至更大的体积。这可能导致大型散热器的回报率降低，因为辐射和对流耗散往往与散热器表面和外部介质之间的温差有关。因此，如果散热器尺寸过大，则散热效率很低。如果散热器尺寸过小，则对象可能冷却不充分，散热器表面危险地发热，散热器的散热量并不比所述对象在没有散热器的情况下自身的散热量大很多。

散热器通过诸如辐射、对流和扩散等过程将热能从较高温度的流体或者气体介质传递至较低温度的流体或气体介质。流体介质通常是空气，但也可以是水，或者在散热器是热交换器的情况下，流体介质可以是油和制冷剂。傅立叶热传导定律简化为x方向上的一维形式表明，当物体中存在温度梯度时，热量将从高温区传递至低温区。通过传导来传递热量的速率q_k与温度梯度和传递热量的横截面面积的乘积成正比：

其中，q_k是传导率，k是取决于导热材料的常数，A是通过其传导热量的表面积，dT/dx是温度梯度，即温度相对于距离的变化率(为简单起见，方程以一维形式书写)。因此，根据傅立叶定律(无论如何这并非唯一的考虑因素)，散热器受益于将大表面积暴露于要将热量传递至其中的介质。

当灰尘落在散热器上时，所述面积会发生变化(通常会增大，但是通过涂覆微结构化表面，面积可能会减小)，并且常数k通常会减小，因为灰尘不是最佳的传热材料，并且通常是隔热材料。结果是散热器效率的显著损失。因此，表面积聚灰尘的趋势是其相对于流动介质有效用作传热表面的一个因素。

考虑一个管道中的散热片，其中空气流过该管道，并且散热片基部的温度高于空气的温度。傅立叶导热定律简化为x方向上的一维形式，表明物体中存在温度梯度，热量将从高温区传递至低温区。假设在稳态条件下能量守恒，并应用对流冷却定律(也称为牛顿冷却定律)，则可得出以下方程组

其中

以及

是热能关于时间的一阶导数，即

使用平均气温是对于相对较短的散热器有效的假设。当计算紧凑型热交换器时，使用对数平均气温。

是质量关于时间的一阶导数，即空气质量流动，单位为kg/s。

上述方程表明，当流经散热器或散热器周围的气流减少时，会导致平均空气温度升高。这则增加了散热器基部温度。另外，散热器的热阻也会增加。最终结果是散热器基部温度更高。进气温度与散热器基部温度密切相关。因此，如果散热器周围没有空气或流体流动，则散发到空气中的能量将无法传递到周围空气中。因此，散热器的功能很差。

分形或分支结构会受热传递设计或其他设计约束的影响。例如，分形天线也可以用作散热器，与关于散热的其他设计相比，其分形特征没有被严格地优化。参见Casanova、Joaquin J.、Jason A.Taylor以及Jenshan在IEEE 9(2010)的天线和无线传播信函第1061-1064页提出的Lin.“3-D分形散热器天线的设计”。还参见Dannelley、Daniel.于2013年在阿拉巴马大学图斯卡洛萨分校提出的《使用分形状几何来增强扩展的表面热传递》。以及Lee,S.R.、Li,Z.G.、Wang,B.G.、Chiou,H.S.于2005年在《关键工程材料》的295-296卷、第717-722页提出的“分形理论在精密测量仪器散热器设计中的应用”。

如果最初对散热器进行了优化，则表面上灰尘的积聚将使散热器翅片的空气流动和导热性去优化，并因此降低效率。另一方面，可以优化表面以在一定范围的灰尘条件下有效地操作，使得清洁表面不一定是设计目标。已经提出了各种方法来去除散热器翅片上的灰尘。

在将热量散发到流动介质的散热器中，假设相对于散发的热负载而言，释放的局部能量和声发射微不足道，则局部湍流使热传递增大。灰尘堆积会增加局部湍流，并且在湍流区中灰尘堆积可能不均匀。在以下情况下，散热器的效率可能会降低：(a)翅片针状翅片(pin fins)的表面积很大，但是翅片之间的距离非常近，以至于空气难以流过其中；(b)对准散热器，以使翅片不在流动方向上；(c)将翅片水平对齐以形成自然对流散热器。虽然散热器是固定的并且没有离心力和人工重力，但在基本静止的空气环境下，高于环境温度的空气始终向上流动，这就是对流冷却。

最常见的散热器材料是铝合金，其导热系数取决于回火。铝合金1050A的较高导热系数之一为229W/m·K。但是，不建议铝合金用于机加工，因为它是相对较软的材料。铝合金6061和铝合金6063是更常用的铝合金，其导热系数分别为166W/m·K和201W/m·K。还使用了铜，因为它的导电率约为铝的导电率的两倍，但重量却是铝的重量的三倍。铜还比铝贵了四到六倍，但这取决于市场。铝还有一个优点，即可以挤压，而铜则不能挤压。铜散热器经过机械加工和刨削。另一种制造方法是将翅片焊接到散热器基部中。金刚石是另一种可能的散热器材料，在使用中通常受到成本和制造问题的限制。其导热系数为2000W/m·K，它比铜的导热系数高五倍。与金属相比，晶格振动是造成金刚石具有极高导热率的原因，而对于金属，热量是通过离域电子进行传导的。对于热管理应用，金刚石的出色导热性和扩散性至关重要。CVD金刚石可用作高功率集成电路和激光二极管的子底座。

也可以使用复合材料。例如使用铜钨伪合金(铝基体中的碳化硅，铜银合金基体中的金刚石)和电子材料(铍基体中的氧化铍粒子)。这样的材料通常被用作芯片的基板，因为它们的热膨胀系数可以与陶瓷和半导体相匹配。

翅片效率是使较高导热系数的材料变得重要的参数之一。散热器的翅片可以被认为是平板，其中，热量在平板的一端流动并且在其流向平板的另一端时散发到周围的流体中。当热量流过翅片时，下述项的组合将从翅片的基部到端部降低：散热器的阻碍流动的热阻和由于对流而造成的热量损失、散热片的温度以及因此传递至流体的热量。该因数称为翅片效率，定义为翅片所传递的实际热量除以在散热片等温的情况下的热传递量(假设翅片具有无限大导热系数)。方程5和方程6适用于平直翅片。

其中，h_f为翅片的传热系数(空气：10至100W/(m²·K)，水：500至10,000W/(m²·K))；k为翅片材料的导热系数(铝：120至240W/(m²·K)))；L_f为翅片高度(m)；以及t_f为翅片厚度(m)。

与散热器材料的导热系数有关的另一参数是抗扩散性。当在导热性有限的物质中热能从小区域转移到较大区域时，就会发生扩散阻力。在散热器中，这意味着热量无法通过散热器基部均匀分布。通过热量如何从热源位置传播出去并在热源和散热器的边缘之间产生大的温度梯度来显示扩散阻力现象。这意味着一些翅片的温度低于热源均匀分布在散热器的基部时的温度。这种不均匀性增加了散热器的有效热阻。

针状翅片散热器是一种具有从其基部延伸的翅片的散热器。翅片可以是例如圆柱形、椭圆形或正方形/几何形状多边形。第二种散热器翅片布置是平直翅片。所述平直翅片贯穿散热器的整个长度。平直翅片散热器的一种变化形式是横切式散热器。平直翅片散热器按固定间隔切割，但间距比针状翅片式散热器要粗。

通常，散热器的性能与表面积有关。然而，这并不总是正确的，因为实际的散热量受热梯度和对流的影响，而这两者均与表面积本身无关。针状翅片针状翅片式散热器的概念是试图将尽可能多的表面积封装到给定的体积中，并且通常具有低取向依赖性。(由于对流，散热器相对于重力矢量经常是一个问题)。T.Kordyban于1998年在纽约的美国机械工程师学会出版社出版的“热空气上升和撒人气–您所知道的关于冷却电子设备的一切都是错误的”比较了相似尺寸的针状翅片针状翅片式散热器和平直翅片散热器的性能。虽然针状翅片的表面积为194cm²，而平直翅片的表面积为58cm²，但对于针状翅片而言，其散热器基部和环境空气之间的温差为50℃。对于平直翅片而言，其温差为44℃，或者比针状翅片的温差要好6℃。针状翅片散热器的性能明显优于平直翅片，对于平直翅片而言，流体沿翅片轴向流动，而不是仅沿切线方向穿过翅片。

另一种结构是喇叭形翅片式散热器，其翅片彼此不平行，而是随着其与基部的距离的增大而发散。翅片呈喇叭状张开会使流阻减小，并使更多的空气通过散热器的翅片通道，否则，更多的空气将绕过翅片。使翅片倾斜使得整体尺寸保持不变，却使得翅片更长。Forghan,F.、Goldthwaite,D.、Ulinski,M.、Metghalchi,M.于2001年5月在国际微生物生态学学提出的《散热片的热性能的实验和理论研究》包括关于在针状翅片、平直翅片和喇叭形翅式散热器上进行的测试的数据。对于低迎面风速(通常约为1m/s)，其热性能比平直翅片散热器至少好20％。Lasance,C.J.M和Eggink,H.J.在2001年第21届IEEE SEMI-THERMSymposium提出的《一种在实践中对散热器进行排名的方法：散热器性能测试仪》还发现对于他们测试的旁路配置，喇叭形散热片的性能要优于所测试的其他散热片。

散热器的热传递通过两种效应进行介导：通过冷却剂进行传导和热辐射。散热器的表面会影响其发射率，闪亮的金属仅吸收和散发少量的热量，而哑光黑色金属则是很好的散热器。在冷却剂介导的热传递中，辐射的贡献通常很小。然后，散热器上的涂层会适得其反，因为所述涂层的热阻会削弱从散热片到冷却剂的热流。具有对流或强制流动的翅片散热器将不会显著受益于着色。在辐射冷却作用显著的情况下，例如，平坦的非翅片面板用作具有低气流的散热器时，散热器的表面光洁度可以起重要作用。哑光黑色表面的辐射效率要比光亮的裸金属高得多。在周围空气压力较低(例如高空作业)或真空(例如太空中的卫星)的情况下，辐射与冷却剂介导的热传递的重要性增加。

Frigus Primore在“一种基于雷诺类比的散热器比较方法”中讨论了散热器中气流阻力和对流之间的关系。本文指出，对于待冷却的板、平行板和气缸，必须降低周围流体的速度以使机械动力损失最小化。然而，较大的表面流速会提高热传递，尤其是在表面附近的流动是湍流的情况下，并且会基本上破坏了停滞的表面边界层。Primore还讨论了散热器翅片形状，并指出，与平面翅片相比，没有翅片形状能够提供任何散热或重量优势，而平直翅片使压力损失最小化，同时还使热流最大化。因此，本领域通常教导，通常平坦的表面适用于大多数散热器。

Frigus Primore在“自然对流和倾斜平行板”中讨论了使用自然对流(即，在正常工作条件下由于围绕固体散热器的气体的热膨胀引起的对流)来冷却电子器件。各种散热器的设计目标之一是提高自然对流速率，并且使用平行板通常可以达到这一效果。通常认为平行板散热器效率最高，并在图1中试图根据方程定义散热器的最佳间距和角度(相对于流体流动的方向)：

(1)最佳板间距

(2)总散热量

(3)应用方程

Frigus Primore在“自然对流和烟囱”一文中讨论了在烟囱散热器中使用平行板。这种设计的目的是将更有效的自然对流与烟囱结合起来。Primore指出，如果存在层流，则设计会受到影响(这会在流体出口中形成再循环区域，从而完全消除了烟囱的益处)，但如果存在湍流，则会受益，因为这会使得热量从平行板进入烟囱和周围的流体。

Batten、Paul等人的“具有声共振的非稳态流动的子网格湍流建模”讨论了当流体在障碍物周围流动时，局部的几何形状特征例如凹陷区域或空腔会形成分离的流动凹穴，所述流动凹穴产生自持的振荡和声共振。与平坦表面相比，凹陷区域或空腔基本上会减少窄带声共振。这有利于处于湍流环境中的散热器，因为它可以减少振荡和声共振，并且因此增加可用于热传递的能量。

Liu，S.等人在《热质传递》第44期第221页(2007)提出的“用于电子芯片的冷却的分形微通道散热器中的传热和压降”讨论了带有“分形状的分支流网络”的散热器。Liu所提出的散热器包括供流体流经的通道，以便与散热器进行热交换。Y.J.Lee提出的“使用斜翅片增强微通道散热器”，IPACK 2009-89059，同样讨论了一种散热器，该散热器包括“基于哺乳动物循环和呼吸系统的分形模式的分形微通道”，Lee与Liu相似的想法是：在散热器内部存在一些通道，流体可以通过这些通道流动以与散热器进行热交换。Lee的散热器的改进之处是：(1)破坏了热边界层的形成；(2)二次流的产生。Pence，D.V.于2002年在微型热工程学5第293-311页提出的“在具有分形状的分支通道网络的微通道散热器中降低的泵送功率和壁温”提到具有分形状通道的通道的散热器，所述分形状通道允许流体进入散热器。Pence所提出的结构的所描述的优点是：增加了散热器对流体的暴露程度，并降低了散热器中流体的压降。

通常，设计合理的散热器系统会利用热诱导对流或强制通风(例如风扇)。通常，散热器表面附近的湍流会扰动停滞的表面层并提高性能。在许多情况下，散热器会在许多情况下，散热器在易受灰尘或油污染的非理想环境中工作；因此，散热片的设计除了要满足制造状态外，还必须适应典型的工作条件。

因此，在优化外部散热器的配置时，两个因素似乎存在冲突：设计成干扰层流模式、产生湍流并增强对流热传递的表面配置，以及期望使大量的传热流体(例如，空气)有效地流过表面，这通过层流(平滑)流动而增强。即使在被动耗散设备中，对流流动也可以是重要因素，而通过增加有效阻抗来减小空气流动和速度可能适得其反。另一方面，在一些情况下，移动空气所需的能量与要解决的问题相比显得微不足道。在许多计算系统中，处理器受到热约束，也就是说，处理器的功能受到散热能力的限制。在这种情况下，提高热传递的创新方法可能会产生显著的效益，即使在某些运行机制中，这些运行机制会带来某些低效率。现有技术的散热器设计传统上集中在欧几里德几何形状上，包括如上面讨论的翅片针状翅片、平直翅片和喇叭形翅片的结构。

NJ Ryan、DA Stone于1997年在IEEE国际电磁兼容性会议第10期(1997年9月1-3日)第119-124页提出的“应用时域有限差分法对来自散热器的电磁辐射建模”公开了一种分形天线，其还作为射频发射机中的散热器。Lance Covert、Jenshan Lin、Dan Janning、Thomas Dalrymple于2008年4月23日提出的数字对象唯一标识符为10.1002/mop.23478并且于2008年7月在《微波和光学技术通讯》第50卷、第7期、第1826-1831页提出的“用于3D射频系统集成的5.8GHz定向挤压式翅片散热器天线”也提供了一种可用作天线的散热器。Wang,Chien-Chang、Chen-I.Hung和Wei-Hsin Chen在《能源》第39卷第1期(2012)第236-245页提出的“采用两阶段优化来提高热电发电机性能的散热器设计”提出了散热器的用于散发热电模块的热量的各种设计参数。

Li,Hung-Yi、Shung-Ming Chao和Go-Long Tsai在《国际传热传质杂志》第48卷，第25-26期(2005)、第5386-5394页出版的“用红外热成像技术测量受限冲击射流散热器的热性能”讨论了使用红外热成像技术来评估散热器性能。根据本技术，这可以用于实时反馈和自适应气流控制，例如喷嘴定位和气流控制。事实上，尽管通常最有效的冷却将来自于将气流引向热点，但情况不一定如此，因为气流效应是非线性的并且与其他参数相互作用。因此，可以采用多目标优化。Kanyakam、Siwadol和Sujin Bureerat在《计算流体力学工程应用》第5卷第4期(2011)第553-565页提出的“八字形针翅散热器的多目标进化优化”中散热片上的穿孔是已知的。参见Shaeri、M.R.、M.Yaghoubi和K.Jafarpur在《应用能源》第86卷第10期(2009)：第2019-2029页提出的“横向穿孔翅片散热器的传热分析”。

发明内容

在优选实施例中，根据本技术所采用的散热器提供了元件的分支网络。网络分支可以根据分形模式，或者在不同尺度上具有仿射或自相似特征。例如，在具有两个中间分支点的级别结构中可以存在三个级别，例如，一个基部具有2-4个第一级分支，4-16个第二级分支，以及可能的8-32个第三级分支。分支模式可以是均匀或非均匀/非对称的。例如，分支节点的位置和特征可能取决于先前的分支和热流。空间填充模式可以基于各种空间特征和约束来定义。

在其他情况下，所述结构用迭代函数系统的迭代来表示，这可能会产生本身没有分支的结构。参见en.wikipedia.org/wiki/Iterated_function_system。

例如，在计算机系统中，带有风扇的电源可以位于散热器附近。因此，这将造成环境不对称，散热器的设计可能会对此做出反应。同样地，散热器可以在物理客体内，并且可以具有不对称的通风路径，所有这些都导致外部散热器形状和特征的不对称优化设计。此外，分支本身可以是非对称的，使得热流的较大部分沿着较大的分支传输，而热流的较小部分沿着较窄的分支传输。然而，由于几何形状的原因，对于较大分支，其表面积(～2πr)与横截面面积(～πr²)之比(约等于(2/r))小于较小分支的表面积与横截面面积之比，从而导致较小分支的散热效率高于较大分支的散热效率，其中较小分支就在分支点的远端。同时，较大的分支更有效地将热负载从分支点带走，因此相对于较窄的分支而言，减少了分支点附近对流热损失的竞争。因此，具有不对称分支的分形设计可以优化散热器在空间上的散热。此外，由于分支可以通过算法来定义，所以各种环境和空间因素都可以在迭代优化设计中发挥作用，这里称为分形散热器。

根据本技术，与寻求保持层流的散热器结构(例如平行板散热器)相比，分形装置用于增强来自散热器的热传递。根据优选实施例，在两个不同的尺度范围内观察分形性质，尽管如上所述，湍流传热介质可以与非分形结构相互作用。

大规模优化可能具有不同于小规模或纹理规模的操作方案，使得单一优化算法的实施具有挑战性，并且可能难以制造。本技术可提供第二级优化，例如，处理表面构造，例如纹理、穿孔以及微空气动力学特征。这些纹理尺度特征也可能具有分形性质。尽管基础优化可能涉及更高的迭代次数，但是纹理尺度优化可能涉及仅在单个或两个尺度级别内表示的特征。通常，各种分形几何具有不同的豪斯多夫(分形)维数。

尽管这两种方案可以提供平滑过渡，但是也可以在两种不同的优化方案之间提供任意的或制造可行性驱动的过渡。当然，可以对复合散热器进行整体建模和优化，并且对设计进行适当的修改。

在本文中，使用两种(或更多种)不同的优化方案(或算法)被称为双重分形或多重分形设计，这两种方案本质上都可以是分形/仿射的(导致两种或更多种具有不同豪斯多夫维数的分形几何)。注意，该技术不限于其中每个优化尺度本身都是分形的设计，因此，在不脱离该技术的基本要素的情况下，特征的一个或两个尺度可以是对称的或非迭代定义的。

通常，最佳高级特征(例如分支点和分支比)从散热器的单一基部开始，而最佳低级特征(例如纹理)从高级特征的终端表面的几何形状边界开始。

当在三维空间中进行考虑时，随着传热介质围绕散热器表面的流动，可以实现分形(在一定范围内近似自相似)结构，从而优化流动阻力、热传递、峰值温度、声发射与频率的关系、材料的质量和/或成本、长期运行后预计的粉尘积聚/清洁度(以及自清洁效率)以及其他因素。热传递取决于各种因素，例如温差；因此，一个设计方面试图在热源(通常是散热器的基部)附近散发最多的热量，因此传热介质的流速在该区域可能最高，而高效的热传递材料可以提供热量从源到脱落表面的流路。另一方面，在设备的边缘处，温差会很低，并且因此具有较低流速的较高表面积可能更为理想。高表面积可以对应于传热介质流速降低的区域，并且可能具有相当高的流动阻抗。

热传递是散热器温度分布、传热介质温度和热容量、散热器空气动力学特征、散热器表面传热特征以及传热介质流动特征等的函数。

所述优化可以采用一个或多个成本函数，所述成本函数在散热器系统的设计阶段应用，和/或用于提供使用中的系统的操作参数。通常要求散热器将系统保持在正常操作参数内，最小化温度偏移(和相关联的热应力)，并且以最小的成本操作，例如风扇运行功率和令人讨厌的噪声。静态设计优化-阶段成本函数参数包括尺寸、成本、容量、运行效率等。

本技术可以提供双层分形散热器，其具有分形设计的空间结构(例如多层分支设计)，以及具有分形设计的表面模式，具有分形设计的表面模式典型地与空间结构分形设计的类型不同。表面分形可以是例如薄片中的穿孔图案，或者光滑表面上的纹理。典型地，尽管在方案之间的重叠或交界处可能会发生某些交互作用或杂交，但是该结构的分形生成算法与表面分形生成算法非交互或最小交互。

现有的散热器通常实现将冷却系统保持在所述散热器的工作范围内并保持足够低的热挥发性的主要目标。因此，本技术寻求的优点是降低了采购成本、运行成本、尺寸等。采购成本是材料成本和制造成本的函数。虽然制造成本可能因许多因素而异，但材料成本可根据商品价值进行估算，尤其是对于散热器通常由铝或铜制成的情况。因此，对于均质散热器，散热器的材料和质量设定了采购成本的下限。运行成本通常由使传热介质流过例如鼓风机或风扇以使空气流过散热器所消耗的功率来设定。因此，根据本技术的散热器可以提供具有较低质量和较低运行能量成本的设计。通过为等效热性能提供更低的热阻抗(绝对)，可以实现更低的能源成本。通过提供更高的单位质量表面积或表面散热效率，可以实现更低的材料成本。因此，本技术为降低制造成本和/或材料成本以及提高操作效率中的至少一个提供了优化设计。

这种优化的基于分形或迭代函数系统的解决方案的一个优点是其固有地避免了窄带共振，因为在所述结构内以及对于与所述结构相互作用的传热流体而言，距离不是简单的线性或几何形状整数倍。此外，在分形分支结构中(如果该结构本身是分支的)，横截面面积随着与根部的距离的增大而增加，这类似于动物脉管系统，因此随着系统尺寸的增大而使得效率增大。

第二级分形与第一级分形具有不同的目的，并且通常具有不同的尺度范围、分形模式和目的。第二级改变表面纹理以增强热传递。纹理增加了辐射和对流热传递。分形纹理是有效的，因为它会减少地对地辐射再捕获、表面边界层和声发射。如果第一级的尺度范围和第二级的尺度范围通常不重叠，则所述尺度范围可以被单独优化，并且生成算法可以被独立定义。可替代地，所述尺度范围可以耦合。

散热器的表面构造的优化可以取决于相对于冷却介质的温差；局部冷却介质特征(热容量、密度、温度、粘度)；流动矢量(方向、速度)；辐射吸收和耗散；噪音/声发射；流体流动阻力；流动的来源/控制；碎片导致的随时间的变化；以及热负载的动态变化。

散热器的总几何形状的优化由下述项进行定义：机械约束；包括进气和排气以及流动模式的对流和强制冷却流体流动模式；散热器材料特征；热引起的形状变化(可以是有意的)；分支和/或空间形态模式等。

整个结构的最大尺寸约为厘米或米，最小受控特征尺寸为几十微米或毫米，因此，该装置的尺度范围最多为约～10⁴(～2¹³)(10μm尺度特征的米尺度)和最小～10¹(2³)(毫米尺度特征的厘米尺度)。分形类型的排列通常在大于2¹-2²的范围内操作，并且分形算法可以被约束以优化整个尺度范围。然而，这样的算法可能产生不能以成本有效的方式制造的设计，或者对边际收益施加严格的要求和容差。另一方面，分形几何的重要目的可以通过在尺度范围的子集上应用分形设计原理来实现。同样地，在许多情况下，使用阿波罗尼分形设计就可以获得益处，而不需要严格按照分形公式来实现。例如，可以发现，在某些尺度上符合分形设计公式的影响不如不受控制的空气湿度或温度重要。如果不受控制的变量使受控制的变量相形见绌，那么在这个范围内，严格遵守公式就没有必要。需要注意的是，如果结构在一个尺度范围内偏离生成公式，则任何较小的比例范围都应根据实际结构而非理论结构进行优化。

因此，最终的结构有许多影响优化的不同因素，这些因素中的一些因素是重叠的。事实上，优化并不限制于两个级别，而是可以应用于多个级别。因为每个级别需要尺度范围(例如，2¹至2⁴)，并且级别之间的转换应该是离散的(为了定义两个独立的优化而不是单个连续体)，可以看出典型的系统将被限制在2-4个级别的尺度范围。例如，在中等尺度下，在空间上的总形态及平均热分布与对流传热的表面纹理及空气动力学效应之间，可以提供中间尺度，所述中间尺度优化散热器结构附近的传热流体的对流通道。如上所述，每个级别可以是不对称的、对称的或任意的(例如，人类启发式)，并且可以具有级别之间的优化过渡、平滑过渡或突然过渡。

表面纹理(小尺度特征)可以被映射到形态学(大尺度特征)上，因此，只有在散热器的末端分支处，双尺度散热器的尺度重叠，在这种情况下，用于应用所述纹理的映射算法可以考虑末端(而无需形态学的交互式修改)。在a>2的尺度级别设计的情况下，每个尺度过渡可以混合或适合。通常，在过渡区域，相对于由混合规则限定，转换将更多地由功能定义的禁止来限定。例如，不允许存在在空气流中产生不必要的湍流却对热传递没有实质性贡献的过渡区，而允许不引起大的热传递不连续的分段拟合近似，即使没有根据算法进行形式优化。

典型地，根据本技术的设计将在至少一个特定尺度范围内显示模式的变化，与映射在较低尺度结构上的均匀模式相反。当然，在具有两个或多个尺度范围的实施例中，只有单个这样的尺度范围应该代表分形(仿射或自相似，或迭代函数系统)设计，而其他的尺度范围可以由不同的范例定义。实际上，根据一个实施例，一个或多个尺度范围的特征是预定义的，并且具有分形特征的自优化算法被运行，以利用预定尺度范围特征作为限制或约束来优化进一步的设计。因此，例如，可以可以将由制造过程定义的表面纹理选择为最高尺度特征。这种结构的基础是表面的排列和对表面的辐射和对流传热，而最低级别是热源、传热流体流动模式、风扇(如果有的话)、进气、排气、相邻结构等的机械约束。在这种情况下，最低层和最高层都具有不受任何分形算法控制的显著约束，因此该算法的目的是优化约束之间的热传递和效率问题。

根据另一示例，纹理化表面涂层被施加到具有光滑表面的基部结构上，其中，纹理化轻微地取决于下层表面的形状。在这种情况下，定义平滑表面结构的算法还取决于表面涂层的特征及其应用技术。然而，通过控制下层表面形态，还会改变表面纹理，从而使得除了对称/形状的空间发生变化之外，还导致纹理的空间变化。这种表面纹理材料的示例是皱纹(起皱)涂料，其最终的纹理取决于底层涂层厚度、干燥等。例如，皱纹涂料可以由诸如铜粉之类的高传热材料形成。所述涂层不需要形成在整个散热器上，因此所述涂层可以选择性地应用于表面积较大和流动中断有利的区域。典型地，皱纹涂料将导致高流动阻抗，因此皱纹涂料优选地应用于装置的低表面速度或“热”部分，其中，尽管流动效率较低，但是较高的表面积和/或湍流则可以是有益的。另一方面，在具有较低热差的区域中，光滑的表面可以是优选的。实际上，用于定义散热器形态的算法可能取决于散热器上涂层的沉积过程的结果特征；也就是说，可以针对涂层的沉积过程来对散热器的形状进行优化，以有意地施加不均匀的涂层厚度。

在根据本技术的设计中，小尺度特征和大尺度特征可以重叠或者可以不重叠。也就是说，在一些情况下，由大尺度特征定义所处理的最小尺度特征和由小尺度特征定义所处理的最大尺度特征之间存在差距，在这种情况下，这些特征可以是非交互的或弱交互的，并且可以被单独或纯粹按顺序定义。另一方面，在尺度重叠或接近连续的情况下，可能需要优化两个尺度以避免边界处的不连续，这可能需要双重优化。

散热器可以设计成与可变风扇结构一起工作，该可变风扇结构可以在速度/空气体积、冲击方向等方面进行变化。此外，因为散热效率是温差的函数，所以该设计可以具有摇头风扇，该摇头风扇随着时间的推移将散热器的不同部分暴露于气流，从而使得散热器的不同部分的温度也振荡。虽然这种设计最佳地大于静态散热器，但它在低负载下还可以显示出更高的能效，同时具有更高的峰值散热能力。

流体流动过程，尤其是在动态变化的条件下的流体流动过程可以是复杂的。例如，这种流动会引起热交换元件周围的湍流，热交换元件会导致复杂的压差、振动和惯性流动模式。动态改变流速或流动模式有助于将湍流动力学分布到散热器的表面的各个区域。因此，散热器的整个表面不需要经受持续的高流体流速，并且在任何给定时间只有一小部分表面可能经受流体流的“喷射”，因此减少了能量缺点。喷射可以有策略地集中在散热器的部分上。当喷射(或更一般地，高流速流)集中在或指向散热器的热部分时，将发生更高的对流传热。然而，不连续的高流速可以是有利的，因为区域上减小的流体流动将导致向冷却表面下面的传热材料进行扩散传热，并且因此当射流或流返回时则导致更高效率的传热。同时，射流或气流可以被引导到散热器的其他部分。这则导致散热器内的动态的温度梯度，所述温度梯度可以被控制以在散热器的外围尤其是在分支网络中引起脉动加热。因此，例如，在分形分支散热器中，可以控制流体流以允许散热器的各个区域经历加热和冷却循环，使得散热器上的热点被动态地控制以被选择性地冷却。

可以使用该过程的模型用作散热器或热传递结构的设计的一部分，或者作为用作其操作的控制系统的一部分。可用的控制参数包括传热介质特征(例如，空气、密度、湿度、液体[水]液滴等)、整体流速、整体流动矢量、不均匀流动特征(例如，射流、非对称、螺旋流、振动和共振、湍流等)、结构配置(例如，间距和角度、孔径通畅性等)、内部热流控制(例如，微通道、热管、热流路径的连续性等)、辐射特征、表面粗糙度等。

例如控制风扇速度或其他或更复杂系统的控制系统可能依赖于诸如热传感器(热敏电阻、热电偶、双极结等)之类的传感器、热摄像机、无源红外传感器、读取散热器上的热响应涂层的光学摄像机等，其可用于监控散热器的内部和/或表面温度，并适当地适应性地供应冷却剂。传感器也可用于检测散热器的表面污染，以及是否需要清除污染，所述清除污染可通过流体喷射、振动激励或其他方式来实现。散热器设计则可以针对动态可调流体流动控制系统可用的有限自由度进行优化，例如将散热器的小面积的较热部分暴露于高流动的较冷的传热介质，同时将散热器表面的大面积的较冷部分暴露于较低流速、可能较热的介质(但低于表面温度)。类似地，在传热介质被加热超过附近的散热器结构的平衡点的情况下，所述传热介质应该从散热器上脱落，而比附近的结构的平衡点更冷的传热介质应该被引导到这些结构上以提供额外的冷却，其中，流动不会降低效率。这可以通过提供流动阻尼器来控制传热流体通过散热器结构的排出路径来动态改变，散热器结构通常是非对称的3D结构，散热器结构通常包括流体流动通道或空间。

散热器表面上的流体流动还可以引起声共振，在散热器具有分形几何的情况下，声共振总体上可以是宽带共振。在许多情况下，散热器系统的声发射是不理想的，而应该最小化。然而，在一些情况下，某些声发射是可接受的，并且可以被专门利用以引起传热介质的表面边界层的变薄或破裂，从而提高热传递。当发生声共振时，这增加了传热介质粒子的整体流动，因此会增加界面处的混合。界面附近的湍流通常会直接破坏边界层。在每种情况下，都可以利用这一点来提高热传递。值得注意的是，在封闭的系统中，即使在产生内部声音时，也有许多选项来用于减少净声发射。根据一种选择，使用声学滤波器，所述声学滤波器通常是无源的。根据另一种选择，使用主动噪声消除，其中，基于诸如麦克风之类的声学传感器来预测通常被构造为代表具有均匀声学特征的节点的端口的位置处的声学振动的相位和幅度。然后驱动一个致动器，所述致动器试图减少端口处的净声发射。有利地，该致动器用于增加或加强界面声学效果，使得主动噪声消除本身通过减少或破坏传热介质的表面边界层来增加传热。

可以以脉动或振荡的方式控制或提供传热介质流，从而使得能量惯性传递到表面上的介质或碎片，从而使得该表面与下层的热交换表面分离。流动还会对表面的碎屑涂层造成应力和应变，从而使得沿表面平面分离。随时间变化的流动可以有效地清除堆积的地表碎屑。在一些情况下，静态流动也可以减少积聚，但是要注意的是，静态流动被认为与积聚条件相关联，并且保持足够的连续流动条件来消除积聚可能会消耗过多的能量、噪音和热交换表面的磨损。

受限液体散热器限制了冷却液在管道或通道内的流动。(无约束液体会喷洒在开放的传热表面上)。当流体流经分支通道时，通道的横截面面积和流体流速在总体上相对恒定。然而，当考虑典型设计的物流时，流动通道或者是平面的，或者设计是径向对称的。在平面结构中，散热器的基部与热源相接，并且流体流过热源上方的结构以提取热量。具有平面的流动平面的散热器内的温度梯度通常随着离开界面的距离的增大而减小，流体流动平面内和附近的大部分材料基本上是等温的。本技术可应用于外部表面散热装置和/或受限的传热流体散热器。

在径向对称的布置中，典型地，恒定横截面的分支固体散热器(例如，挤压的)可以被放置在在壳体或封闭空间内，并且允许容纳的流体接触暴露的表面。在这种情况下，流体路径不是高度受限的，并且操作温度可以是不稳定的，例如由于加热流体的密度和粘度差异而导致的流体质量的几乎绝热的运动从而造成操作温度的不稳定。被挤压的散热器通常是次佳的形状，因为结构的较远端部分通过较低的热梯度而具有恒定的较高表面。事实上，由于热流体可能的绝热运动，在一些情况下，流体可以使散热器的部分加热。US20090321045提供了一种“结构复杂”的散热器，但没有分支网络并且没有优化的区域异质性。在封闭、真空或过滤系统中，通常在热交换器的表面不会出现灰尘、碎屑或沉淀物的积聚。

大多数散热器是利用传热和散热元件的线性或指数关系来设计的。根据目前的技术，采用分形几何范式，这些分形几何范式在一定尺度范围内具有自相似特征。这种自相似性可以是对称的，也可以是非对称的，并且可能涉及分支或细分。一些分形是随机分形，也称为混沌或布朗分形，并且包括随机噪声成分。在确定性分形几何中，自相似结构是通过使用递归算法以一系列不同的大小的尺度重复设计或模式(或“生成器”)而产生的。因此，某些类型的分形图像或结构在很大范围内具有自相似性。在对称设计中，自相似特征可以是相同的，并且具有明确定义的尺度，而在非对称设计中，设计中没有两个范围是相同的或纯比例的。如上所述，根据本技术的散热器不需要是纯分形的，因此可能违反生成函数，但仍然根据设计原理工作。

Mandelbrot、B.B(1982)提出了分形的一个定义是“以被分成多个部分的粗糙的或碎片化的几何形状，每个部分都是(至少是近似地是)整体的缩小版”。递归算法可以描述所述结构，导致自相似性。参见W.H.弗里曼公司ISBN 0-7167-1186-9《大自然的分形几何》；en.wikipedia.org/wiki/Fractal。在实际实现中，对生成算法保持真实的最小特征的比例可以是算法的3-25次迭代。“近似”分形结构是指与理论有各种偏差的结构，例如生成算法的有限迭代次数、实现的扰动和假象，或者有意的偏差。分形理论与混沌理论有关。波状微通道中进行流体流动和传热。

这种分形性质在散热器中是有用的，因为热量从表面通过对流或辐射传递的速率通常与表面面积相关，并且随着表面面积的增加而增加。当然，由于制造这些散热器的技术的限制，工程上的妥协是预料之中的。然而，本文所提出的设计的实施例的特征在于，由流体流在传热表面上引起的涡流将无序地分布在该表面的各种元件上，从而破坏停滞的表面边界层并增加可用于传热的有效表面积，同时避免可以从产生涡流和湍流的规则结构阵列中明显看出的声共振。

此外，在散热器设计中通常有用的大物理表面积与体积比也可以使用分形模型获得。此外，分形结构提供了多个凹陷区域或空腔，从而提供了能够产生自持振荡和声共振的分离流的凹穴。这些凹穴用于减少湍流流动流体中的声共振(与平面或欧几里德表面相比)，从而允许分形结构和周围流体之间更有效的热传递，从而使分形结构成为散热器的理想选择。

美国专利7，256，751(Cohen)讨论了分形天线。在本专利的背景下，Cohen讨论了克劳斯的研究，指出低面积(因此低周长)的欧几里德天线表现出非常低的辐射电阻，并且因此效率低下。Cohen指出，与传统欧几里德几何形状的天线相比，分形天线的优势在于：分形天线可以保持较小的面积，同时具有更大的周长，从而具有更高的辐射电阻。此外，Cohen的分形天线具有非谐波共振频率、良好的带宽、高效率以及可接受的驻波比。

在本技术中，同样的波动理论可以应用于分形散热器，特别是在传热流体与散热器的相互作用这个方面。因此，虽然固体散热器内的热传导通常不被建模为波(尽管现代思想是将声子现象应用于石墨烯热传输)，但是加热物周围的流体当然会受到波现象、复杂阻抗的影响，并且实际上流体涡流的混沌特征可能与散热器的混沌表面结构相互作用。

在一些情况下，由Cohen实现的在分形天线中捕获电波的效率可以转化为如本文所述的将热量传递出分形散热器中的待冷却对象的效率。参见Boris Yakobson在纳米快报，ACS(2010)提出的“声波可以冷却微电子学”。一些物理学学者建议，可以将热量建模为一组声子。因此，对流和热辐射可以建模为声子的运动。声子是由固体晶体结构的晶格振动模式的量子化表征的准粒子。单个声子的任何振动都是经典力学的正常模式，这意味着晶格以相同的频率振荡。任何其他任意晶格振动都可以被认为是这些基本振动的叠加。在声子模型下，热以波长约为1米的波传播。在大多数材料中，声子是不相干的，因此，在宏观尺度上，热传输的波动性质是不明显的或不可利用的。

固体的热力学性质直接与其声子结构相关。整个一组所有可能的声子以决定晶体的热容量的声子态密度结合在一起。在绝对零温度(0°K或-273℃)下，晶格处于其基态并且不包含声子。处于非零温度的晶格的能量不恒定，而是围绕某个平均值随机波动的。这些能量波动是由随机晶格振动引起的，随机晶格振动可以被看作是声子或热声子的类气结构。然而，与构成普通气体的原子不同，热声子会被随机的能量波动产生和破坏。在统计力学的语言中，这意味着添加声子的化学势为零。关于声子理论的更详细的描述，参见维基百科文章aten.wikipedia.org/wiki/Phonon。

在诸如石墨烯之类的某些材料中，声子传输现象在宏观水平上是明显的，这使得声子阻抗可测量且有用。因此，如果石墨烯片被形成为在特定的声子波长下共振，则共振能量将不会被发射。另一方面，如果石墨烯片使用分形几何进行配置，则声子阻抗将在很宽的波长范围内被很好地控制，而不出现尖锐的共振，从而产生高效能量耗散装置。

因此，该技术的一个方面采用热响应技术，例如记忆金属致动器(其可以是无源或有源的)，或者其他有源或无源元件来在各种条件下改变散热器的结构。应当注意的是，在汽车散热器中，恒温器被设置来在发动机冷却时分流散热器周围的流动。这在本文中以各种不同的方式进行了区分。例如，根据本技术的可变几何形状散热器可以具有暴露于诸如空气的无约束传热介质的外表面。

例如，至少包括热源、散热器、传热介质和诱导传热介质流动的装置的系统的热力学模型可以在每组条件下确定最佳配置。例如，在低负载下，散热器可以被动操作，而不会由主动装置引起的流动来引起传热介质中的流动。在这种情况下，辐射传热以及热诱导对流可以是重要的。在高负载下，有源器件诱导传热介质的流动会诱导最大的流动，并且散热器被配置为在可能的情况下具有层流的最小湍流。在中间状态下，系统可以采取根据成本函数优化的结构，成本函数可能涉及热量/温度对热源的影响、有源器件诱导传热介质的流动所消耗的能量、诱导流动所产生的噪声等。这使得能够有效使用“超大”散热器，因为散热器特征是可变控制的。在这些中间配置状态下，可以通过使得散热器采用可变配置来提高效率。由于最佳散热器结构例如取决于环境温度、湿度、大气压力、热负载、空气流速、相对于散热器的重力矢量等，因此该模型应该探索诱导传热介质流动的装置的组合范围、可变几何形状，以及在较小程度上对热源的控制。后者的示例是，对于给定的功耗，使热循环达到最高温度可能比恒温更有效。在循环过程中，几何形状可能会改变。事实上，如果系统不处于静态稳定状态，则可以在温度变化期间或预期发生温度变化时最佳地改变几何形状。这里的一个示例是，当热源产生热峰值时，热量随着时间的推移通过固体吸热材料扩散。存在滞后，因此热源的温度不同于散热器的温度，并且散热器本身在不同位置处具有不同的温度。通常，存在控制整个散热器的单个致动器，然而这并非限制性的，而是可以存在多个致动器来独立或半独立地控制散热器的不同部分。引起传热介质流动的装置可以具有可变流速，并且还可以具有多个独立的受控部分。然而，随着热量开始达到峰值，诱导传热介质流动的装置也可能增加活性。这则可以根据诱导传热介质流动的装置和可变几何形状散热器的关系降低散热器各部分的温度。因此，整个系统可以以分阶段循环或动态的方式运行，具有各种功能的异步最大值和最小值。

实际上，可以为具有多个核心的微处理器提供散热器。在低负载下，诱导传热介质流动的装置可能关闭，或者处于低流速。在这种情况下，散热器对于辐射和被动对流冷却具有最佳的最大扩散。在较高负载的情况下，处理器本身可以选择将该负载分布在多个内核上并在空间上分散散热，或者将负载集中在可能变热的单个内核上。因为温差使得热流增大，所以集中的热源可以选择性地将热量传递到散热器的子部分并且因此该子部分能够在被动或低能量成本状态下有效地散热。

随着负载进一步增加，处理器作为一个整体通常会热受限，因此，整个管芯或处理器复合体被视为单一源，将热量扩散到散热器的所有元件。最初，温度较低，并且系统将寻求在设备的最有效状态下运行，以诱导传热介质流动。这可以包括散热器的散热元件上的层流。

在下一个方案中，热量增加，并且因此引起传热介质流动的装置必须增加其流速。在这一点上，可以在最小能量成本(以及因此使得驱动装置以引起传热介质流动的能量最小化)和有效散热之间做出折衷。在这种情况下，散热器可以用于在其周围的介质流中引起湍流。这则增加了流动阻力，但减少了边界层效应。有利的是，在该方案中，散热器的元件的分形物理关系可以降低相对于频率的峰值声发射。同样地，通过避免尖锐的声共振，可以以更低的损耗(作为声能)进行更有效的热传递。此外，可以进一步优化散热器的元件的相互作用，以实现更高的效率。

最后，在最大热负载下，大概在散热器的极限下，系统进入最大散热模式。例如，这种模式传统上被分析为散热器和设备诱导传热介质流动系统的最大容量，并且因此通常假设或几乎假设传统的优化的几何形状。然而，由于系统可以包括用于其他运行方案的分形几何元件，并且因为这些分形几何元件可以被利用来获得优于传统对称和规则几何形状的效率，因此最大散热结构可以与例如平行板散热器有些不同。

并非散热器的所有区域都需要同时按照相同的方案运行，即使在稳态热负载下，也可以周期性地、随机地或者混沌地(在相关时间尺度上)变化。术语“混沌地”是为了在混沌和分形理论下假定其技术含义，而不是采用一个外行解释。另一方面，“随机地”旨在包含在相关时间尺度上具有统计特征的真正随机性、伪随机变化和确定性变化，该统计特征在可接受的误差范围内对随机性进行建模，可接受性与实现合适的操作方案有关。例如，因为湍流的一些属性是随机的，所以即使这些属性在技术上更混沌，也可以利用随机的特征。例如，诱导传热介质流动的装置可能会受到金属丝型流动干扰器的影响，在某些方案中，这似乎是气流速度、方向、涡流等的随机变化。这不仅可能会增大噪声，而且即使是在光滑和规则的散热器的元件上，随着时间的推移，这会在边界层中造成持续的干扰。也就是说，诱导传热介质流动的散热器几何形状和/或装置可能具有分形或混沌趋势。

几何形状可以包括分支元件，以增加元件的表面积。致动器可以用来改变角度，甚至打开和关闭分支。例如，由形状记忆合金(SMA)(例如镍钛诺)形成的散热器可以通过增材制造工艺例如3D打印机或2.5D打印机生产。这种装置可以被热处理以在温度转变时具有特征形状变化，并且实际上，合金的成分可以在制造过程中被控制以产生各种转变温度。因此，可以提供3D散热器，当温度升高和降低时，该散热器将通过一系列转变来固有地改变形状。在该实施例中，尽管通过设计角度和物理配置，所述变化随着温度的升高而趋于单调，然而实际的物理形状和散热特征可以呈现非单调函数。应当注意的是，在该实施例中，通常优选的是，仅分支点由SMA形成，并且主体由高导热性材料形成，例如由铜和/或银形成，或者在较小程度上由铝形成。动态操作可以应用于较低级别的分形排列，而第二级别可以保持静态。

可以提供和控制致动器来改变可重新定位元件的位置，所述致动器可以是SMA、螺线管、双金属、磁性等。可以独立于温度进行控制。通常，受控元件的数量受到制造和控制可行性问题的限制。致动器可以改变散热器的元件的间距、角度、位置或接合，或者冲击元件的气流。当一组规则间距和大小的元件根据恒定或光谱定义的分布被控制时，这可以被控制为在高度可预测的范围内进行操作。另一方面，如果元件的尺寸和间距不规则，或者按照不规则的方式控制，则产生的流体动力学可能需要统计流动(例如，蒙特卡洛(montecarlo))分析，而不是允许简化静态函数/线性响应假设。如果从热源到散热器，然后到传热流体的热流的热时间常数接近传热流体的湍流或混沌变化流的时间常数范围或在传热流体的湍流或混沌变化流的时间常数范围内，则尤其如此。典型地，热传递时间常数比湍流或混沌变化时间常数要长，因此满足该假设需要例如使用短/薄/小元件、使用声子传输现象或其它方式使热传递流体介质产生低频湍流或混沌变化，或者使散热器(以及可能的其它元件)具有短时间常数。

散热器的受控形状或形态通常在散热器的最大尺寸范围内运行。然而，也可以例如使用促进热交换的孔，或者使用在预定温度下弯曲或折断的双金属元件、可展开的圆柱体或者通常改变表面空气动力学特征的其他小尺度特征在小尺度上控制表面构造(例如，纹理)。例如，可能希望分级分支散热器的终端分支具有湍流，该湍流随着温度的增大而增大。在这种情况下，冷却的散热器表面是光滑的，并且对传热流体流动的阻力低，噪音低，但是对散热的影响小。在高温下，人们希望确保相对较冷的传热流体与散热器的紧密接触，可以通过破坏层流模式(例如通过具有伸入流体流中的表面特征)来增强紧密接触。虽然这增加了噪音和对流体的阻力，但这也提供了更高的传热能力，尤其是当传热流体的压力诱导流动增加时更是如此。

可以实现自适应控制系统，自适应控制系统可以为散热传感器、热传感器、气流传感器、声学传感器和其他传感器供电，以控制散热器本身的配置或散热器周围的气流。例如，第三代FLIR One成像仪(FLIR系统，Wilsonville OR)可用于监测散热器温度。当散热器的一个区域的温度升高时，采取自适应步骤来选择性地冷却该区域，而基本上不会以减少净热传递的方式加热其他区域。在一些情况下，散热器是区域选择性的，因此适应性还必须解决热点在哪里，以及如何最好地冷却该热点。此外，可以通过减少空气流动或其他影响来解决散热器的冷点，以在所有条件下更好地利用散热器的全部体积。在其他情况下，IR成像仪太昂贵。在这种情况下，例如，可以采用光学成像仪和液晶温度指示器。可替代地，诸如热敏电阻、双极结、热电偶、双金属指示器之类的热传感器可以用于评估局部或区域性温度条件。这些传感器可以选择性地位于设计的节点处。尽管选择性空气喷射冲击是散热器受控冷却的一种选择，但更典型地，空气供应的成本和能量成本是一个因素，因此该设计包括风扇或离心式鼓风机，风扇或离心式鼓风机的唯一的控制是风扇速度。然而，结合散热器、尤其是分形形状的散热器，空气流将在散热器的元件周围引起流动扰动，这将能够被检测为由湍流或共振产生的振动，即声音。麦克风阵列可以帮助定位声音的来源。在典型的设计中，与热源相结合的散热器具有可再现的热分布模式，尽管所述热分布模式可能会因粒子或油脂积聚、环境温度、湿度、光照(辐射负载)和其他影响而随时间变化。因此，风扇速度不仅可以根据待冷却的设备的温度来控制，还可以根据操作风扇所需的功率(由于空气动力学效应，该功率可以遵循非线性和/或非单调函数)以及取决于声发射的控制信号来控制。例如，在一些操作模式中，甚至在操作效率较低的风险下，也可能希望抑制声发射。因此，当检测到声发射时，会改变风扇速度(典型地被增大，如果在安全范围内则被潜在地减小)，以减少不期望的声发射。在其他操作模式中，热传递的最大化是优选的，并且风扇以在散热器的热元件周围产生湍流的速度进行操作，并且因此通过减少表面边界层来增加这些位置处的热传递。因为典型的响应是可重复的，所以查找表或算法或其他预测模型用于确定散热器元件在给定操作状态(例如，功耗、环境条件等)下的温度曲线。然后，确定最佳实现目标的风扇速度。例如，这个目标是声学响应的，以控制声发射。声学反馈是有用的，因为在给定的时间内，由于表面结垢、气流不完善等原因造成可能无法确定精确的声学响应。在一些情况下，系统可以利用声学掩蔽，从而在这种情况下产生不令人讨厌的噪声。参见U.S.7,974,714。应当注意的是，振动空气运动也可以通过使散热器振动引起。这可以通过例如用电磁装置或压电装置将散热器作为整体进行移动或者使得散热器的部分振动来引起。

传热介质流的时间常数可能比热源和散热器的相关热时间常数短得多，并且湍流或混沌干扰的目的是改变散热器的对流传热特征，诸如减少边界层或使边界层随时间和空间动态变化。

该技术的另一方面涉及例如用于天线设计的平面散热器。在这种情况下，本技术可以具有与上面讨论内容相应的效果，特别是在提供诱导传热介质流动的装置来冷却通常为平面的散热器系统的情况下。需要注意的是，实际上任何散热器都必须在三维空间中考虑，并且所述散热器可能具有薄的均匀厚度层的膨胀这一事实并不妨碍使用三维分析来理解其功能和优化。在印刷电路板型散热器的情况下，在刚性电路板上的可变几何形状或印刷走线通常是不可行的。另一方面，如果电路板不是刚性的，或者走线不是简单地紧密粘附到基板上的铜片，则将动态变化的设计原理应用于受益型电路板是可行的。

类似地，在平面散热器结构用作第二目的(例如天线)的情况下，物理结构可能受到这个其他目的限制。然而，诱导传热介质流动的装置通常不受此限制，并且因此提供了可控变量。此外，在许多情况下，2D散热器对“薄度”的要求并不排除暴露表面上的纹理或穿孔，所述暴露表面本身具有小尺度的分形几何。

在一些情况下，可变几何形状可以通过改变传热介质流的流动特征来实现，并且例如，可以控制偏转器来改变冲击的方向。有利的是，散热器的表面可以具有各向异性特征，这些各向异性特征对不同的流动方向进行不同的响应。因此，可以优化风扇的效率以提供另一个控制变量，而不仅仅是通过风扇速度才能优化风扇的效率。在以下情况下这一点可能特别重要：在风扇本身受到高度限制而无法简单地做得过大时，或者在能源效率是最重要的考虑因素时。

该技术不限于冷却气体，还可以包括液体。通常，冷却液被回收利用，因此在物理封闭的系统中运行。分形分支流体网络的使用是已知的，但是可以采用上面讨论的各种原理，例如可变几何形状、不同运行机制下的流速变化、表面上的不同的流动方向以及混沌流动模式的有意诱导。

许多分形设计由凹陷区域或空腔表征。例如，参见图2和图3。虽然一组凹部可用于改善空气动力学和流体动力学以增加湍流，但是这组凹部如果以规则阵列布置，则这组凹部将可能产生声共振，并且可能使得流体阻抗函数具有峰值。另一方面，分形几何设计的多尺度性质将使得系统能够受益于凹部，同时避免窄调谐系统。

与具有欧几里德几何形状的传统散热器相比，出于散热目的分形散热器的优点可以包括：(1)分形散热器具有更大的表面积，从而使得热装置能够更多地暴露于周围的空气或液体中，并能够更快地散热；以及(2)由于分形结构中具有过多的凹陷结构或空腔，分形散热器能够比传统散热器更好地利用湍流力学，导致热量更快地进入和离开散热器；(3)声学特征，特别是在强制对流系统中。根据各种实施例，该技术提供了散热器来通过传导(扩散)、对流和辐射来冷却对象。

关于传导，本技术观察到，当热能通过声子传输进行传导时，波现象是相关的，并且因此分形分支网络可以有利地用于减少不连续处的反射并且降低复阻抗。此外，在给定的约束下，分形几何可以帮助优化(用于辐射和对流传递)横截面面积和表面积。

针对对流，分形几何可以通过在宽带上分布声能来提供声学益处，并且因此确保噪声频谱的“白化”和没有尖锐的共振。此外，分形几何可以提供高或最大表面积，并且产生湍流冷却介质流以减少边界后期效应。尽管分形分支网络通常将产生比相应的平滑规则表面的流动阻抗更高的流动阻抗，然而根据所施加的约束，分形几何还可以通过元件网络提供烟囱或限定的流路，并且因此控制冷却剂流动的阻抗。在一些情况下，纹理化的表面或构造(可能通过分形几何来实现)实际上可以通过创建受控的扰动中间层来增加距离所述表面有一定距离的层流。

关于辐射，分形几何可以避免平行表面，平行表面可能限制辐射耗散。例如，平行板散热器将在板之间辐射地传递热量，因此限制了作为有效散热机制的、来自大部分表面的辐射的有效性。另一方面，不规则的角度和表面分支可能有助于避免散热器的元件对热辐射的再吸收，从而增强辐射耗散。

对于约为10-1000纳米的最小散热元件，热传递的焦点集中在辐射而非对流。电子发射和电离还可能相关联。尺寸约大于1毫米的较大散热器的元件通常依赖对流作为主要的传热形式。在分形几何系统中，跨越这些机制的元件可以设置在单个系统中。

散热器可以包括具有多个热交换元件的热交换装置，这些热交换元件之间具有分形变化。例如空气、水或另一种气体或液体的传热流体被引导流过热交换装置。传热流体具有湍流部分。与在多个热交换元件之间具有线性或欧几里德几何变化的散热器相比，多个热交换元件中的分形变化显著减小了由围绕散热器的元件的流体流动造成的窄带声共振。湍流还扰乱了停滞的表面边界层，从而造成更高效的热传递，但是对于相同的动力而言，通常流速会降低。应当注意的是，由于湍流会耗散能量，因此在某些条件下，通过引起传热流体流动而增加至系统的热量会是一个重要因素。

当传热流体(空气、气体或液体)被诱导至表面上流动时，流体中可能存在湍流。散热器的分形形状通常会提供一系列物理尺寸参数，因此对于任何给定的流速，通常会在分形几何阵列的某些部分上引起湍流。值得注意的是，因为给定散热器的流动可能会在一定速度范围内变化，并且流体的温度和粘度在一定条件范围内变化，所以分形几何有助于在一定参数范围内进行优化。

在流体动力学中，湍流是一种由混沌特征变化表征的流动机制。这包括低动量扩散、高动量对流以及压力和流速在空间和时间上的快速变化。(参见en.wikipedia.org/wiki/Turbulence；www.scholarpedia.org/article/Turbulence)由于流体分子粘度的作用而使得动能消失的流动被称为层流。虽然没有将无量纲雷诺数(Re)与湍流联系起来的定理，但雷诺数大于5000的流动通常(但不一定)是湍流，而低雷诺数的流动通常保持为层流。例如，在泊肃叶流中，如果雷诺数大于大约2040的临界值，则会首先维持湍流；此外，湍流通常散布在层流中，直到较大雷诺数为大约4000为止。在湍流中，非定常涡流出现在许多尺度上，并且相互作用。边界层表面摩擦引起的阻力增加。边界层分离的结构和位置经常发生改变，有时会导致总阻力的减小。虽然层流-紊流转变不受雷诺数控制，但如果对象的尺寸逐渐增大，或者流体的粘度降低，或者流体的密度增大，也会发生同样的转变。湍流通过如下特征来表征：不规则性：湍流总是高度不规则的。出于这个原因，湍流问题通常是用统计学而不非决定论来进行处理。湍流是混沌的。然而，并非所有的混沌流都是湍流。扩散性：湍流中容易获得的能量供应会加速流体混合物的均匀化(混合)。这种特征被称为“扩散性”，这是流动中质量、动量和能量传输增强混合和增加速率的原因。

旋转度：湍流具有非零涡度，并且由称为涡流拉伸的强大的三维涡流产生机制来表征。在流体动力学中，湍流基本上是受到拉伸的涡流，由于角动量守恒，拉伸与涡度在拉伸方向上分量的相应增加相关联。通常，由于流体元件的体积守恒，拉伸机制意味着涡流在垂直于拉伸方向的方向上变薄。因此，涡流的径向长度尺度减小，并且较大的流动结构分解成较小的结构。该过程持续到小尺度结构足够小，使得所述小尺寸结构的动能能够通过流体的分子粘度转化为热量，即分子尺度的随机运动。湍流总是旋转的和三维的。

耗散性：为了维持湍流，需要持续的能量供应源，因为当由于粘性剪切应力动能被转化为内能时，湍流会迅速耗散。因此，显而易见的是，因为湍流是混沌的，所以响应于混沌特征的散热器几何形状的优化可以在一系列运行机制下以及在特定运行机制下实现效率。

湍流导致许多不同长度尺度的涡流的形成。湍流运动的大部分动能包含在大尺度结构中。能量通过惯性和基本上无粘性的机制从这些大尺度结构“级联”至小尺度结构。这一过程继续进行，从而产生越来越小的结构，这产生了一个涡流层次。这一过程最终产生了足够小的结构，使得分子扩散变得重要，并且能量的粘性耗散最终发生。发生这种情况的尺度是科尔莫戈罗夫长度尺度。

通过这种能量级联，湍流可以实现为流速波动和涡流的频谱在平均流动上的叠加。涡流被粗略地定义为流速、旋涡和压力的相干模式。湍流可以看作是由各种长度尺度范围内的整个涡流层次构成的，所述层次可以用能谱来描述，所述能谱测量每个长度尺度(波数)的流速波动的能量。能量级联中的尺度通常是不可控的和高度不对称的。然而，根据这些长度尺度，这些涡流可以分为三类。

积分长度尺度：：能谱中最大的尺度。这些涡流从平均气流中获得能量，也从彼此获得能量。因此，这些涡流是能量产生涡流，其包含了大部分能量。这些涡流流速波动大，并且频率低。积分尺度是高度各向异性的。这些尺度的最大长度受设备的特征长度的限制。

科尔莫戈罗夫长度尺度：光谱中形成粘性子层范围的最小尺度。在这个范围内，来自非线性相互作用的能量输入和来自粘性耗散的能量消耗处于精确平衡。小尺度具有高频率，从而使得湍流局部各向同性且均匀。

泰勒微尺度：介于最大尺度和最小尺度之间构成惯性子范围的中间尺度。泰勒微尺度不是耗散尺度，而是从最大尺度到最小尺度传递能量。泰勒微尺度在波数空间的能量和动量传递中起着主导作用。

俄罗斯数学家安德烈·科尔莫戈罗夫基于前面提到的能量级联的概念(最初由Richardson提出的思想)和自相似的概念(例如，分形关系)提出了第一个湍流统计理论。对于非常高的雷诺数，小尺度湍流运动在统计上是各向同性的(即，无法辨别优先的空间方向)。通常，流动的大尺度不是各向同性的，因为这些大尺度是由边界的特定几何形状特征决定的(表征大尺度的尺寸表示为L)。科尔莫戈罗夫提出了第二个假设：对于非常高的雷诺数，小尺度的统计普遍地和唯一地由运动粘度(ν)和能量耗散率(ε)确定。仅使用这两个参数，通过尺寸分析可以形成的唯一长度(科尔莫戈罗夫长度尺度)为

湍流的特征是其中能量级联发生的尺度层次。动能的耗散发生在量级为科尔莫戈罗夫长度η的尺度上，而输入到级联中的能量来自大尺度的量级为L的衰减。在高雷诺数下，这两个尺度在级联的极限处可能相差几个数量级。在这两个尺度之间存在有一系列尺度(每个尺度都有自己的特征长度r)，这一系列尺度是以较大尺度的能量为代价形成的。与科尔莫戈罗夫长度相比，这些尺度非常大，但与大尺度的流动相比仍然非常小(即η<<r<<L)。由于这个范围内的涡流比科尔莫戈罗夫尺度下存在的耗散涡流大得多，动能在这个范围内基本上不耗散，而只是转移到较小的尺度，直到随着接近科尔莫戈罗夫尺度的阶数而粘性效应变得重要为止。在这个范围内，惯性效应仍远大于粘性效应，可以假设粘性在其内部动力学中不起作用(因此这个范围被称为“惯性范围”)。目前，科尔莫戈罗夫理论正在修订中。该理论隐含地假设湍流在不同尺度下在统计上是自相似的。这实质上意味着统计量在惯性范围内是尺度不变的。然而，有证据表明湍流偏离了这种理想化的行为。

在无风扇(被动流)设计中，给定材料和容量的主要设计效率问题是尺寸和热时间常数。因为这样的设计可以在一定范围的环境温度下运行，所以对于正常运行情况来说，这样的设计通常是过量供应的。在这种设计中可用的典型传热介质流速很少达到引起显著的湍流的范围，并且实际上，该设计通常提供寻求保持层流的流动通道，以确保在散热器的大面积上进行对流传递，同时将湍流产生的声发射降至最低。为了提高效率，本技术通过表面模式化来增加表面积，并试图通过以相对低的流速引发涡流和其它湍流效应来减小层流边界层厚度，这可以是传热流体如空气中被动热诱导对流的特征。

根据另一方面，孔用于在低流速下增加表面积，在高流速下增加湍流，从而提供两种不同的操作机制。

根据这些规则，散热器设计可以在大范围的传热介质流动条件下在大部分表面上保持薄的边界层。在典型的现有技术设计中，表面受到相同的约束，并且在低流速下，存在厚的边界层；在设计额定流速下，获得最佳热传递，具有相应的薄边界层；而在较高流速下，由于湍流边界层与表面的分离、共振和声发射、流动阻力的指数增加等，存在效率损失。典型地，提供风扇，所述风扇可以具有速度控制，尽管在一些情况下风扇以恒定速度运行。(固定风扇速度非常有用，例如，在数据中心实施中，风扇被提供以确保单向流动，而没有反向流动的风险)。

另一方面，根据本技术，最佳传热条件分布在更大的流速范围内，其特征在于热传递可以根据流动条件局部变化。在峰值负载条件下，人们自然会寻求相对较低的流动阻抗和较高的流速，但也可能会容忍增加的湍流和伴随的噪声。

利用多级分形设计产生了多尺度湍流。多尺度湍流是这样的一类流动，其中在不同的长度和/或时间尺度上迫使流体的混沌运动。这可以通过将具有多尺度的、通常是分形状的长度尺度排列的物体浸入运动的流体中来实现。这种尺度排列可以是被动的。多尺度生成器的三个示例包括分形交叉网格、分形正方形网格和分形I网格。，，其中和分别基于初始/全局条件(如自由流速度和物体长度尺度)和局部条件(如RMS速度和积分长度尺度)的雷诺数。

分形网格可以用作混合器，以设计低功率损失和高湍流强度的湍流，以便在设计的长度和位置区域进行强烈而经济的混合。分形混合器可以设置在散热器的前面，以在冲击散热器的气流中产生湍流，或者可以由散热器产生，例如由形成散热器的分形开孔表面产生。

在图15和图34至图37所示的这组实施例中，分形网格(或者在图15的情况下，为3D分形过滤器)，分形网格可以与散热器分离或与散热器集成。冷却风扇可以邻近散热器设置在护罩内，在风扇叶片与散热器之间的流路内具有分形网格。在另一实施例中，如图38至图40所示，分形网格形成散热板的一部分并与空气流相互作用，该散热板形成散热器的一部分。在一些情况下，散热器的最佳空间结构可能随温度的变化而变化。在这种情况下，可以提供形状记忆合金或双金属元件作为板的支撑的一部分(或翅片、针形或其他结构)，其根据温度改变距离或角度。在形状记忆合金的情况下，变化会突然发生，并允许为特定配置定义离散的温度范围；在双金属元件的情况下，这种变化不断发生。与常规(非分形)模式相比，分形网格的效果是以更低的阻塞率来有效地增加湍流。

现有的分形网格通常是规则和对称的，但是根据本技术，不必如此。例如，如果散热器是不规则的分形设计，则最佳网格不一定是规则和对称的。类似地，当分形模式作为散热器的一部分而被提供时，最佳模式特征将随着离根部或热源或分支点/线/特征的距离而变化。典型地，分形性质将延伸到有限的数量级或尺度上。例如，自相似性可以扩展到2至12阶的范围，每个阶例如是1.1到大约2的因数。例如，在二阶设计中，尺度因数会趋向于1.5至2，而在更高阶设计中，尺度因数会趋向于1.2至1.8。当然，尺度因数可以是该范围内的任何这样的因数，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、大约2.0，以及其间的任何值。通常，在规则的对称设计中，各阶之间的尺度是相同的，但实际上可能会随系统内阶数和区域性而变化。通常，使用迭代函数生成基本设计，然而，在实际制造的系统中，可以采用一些简化、量化值以及估计或近似。因此，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可行的制造产品可能在某种程度上偏离算法优化的设计。出于本公开的目的，根据算法的设计是下述设计，该设计从算法最优值偏离小于10％的满尺度，并且避免了通过减小超过20％来改变最大传热能力。类似地，在一些情况下，边界约束无法通过生成算法完全计算，产品可以提供对应于生成算法的表面和配置的50％。例如，散热器与热源的耦合通常被限制为提供规则的固体界面区域，并且所述算法通常不会试图限定机械界面区域。同样地，由算法定义的表面纹理或穿孔图案可以独立于空间约束，因此当模式接近任何这样的约束时，与所述模式的一致性可以减弱或停止。

根据该设计可以定义总体形态，并且在总体形态上施加表面构造，从而以某种显著的方式提高效率，这里将效率显著地定义为大于度量的2.5％然而，形态和表面可以交互优化。例如，该形态可以为传热介质流动提供相对较大的通道。这些通道可用于将流动导向分形或多尺度模式，然后改变该模式和该模式下游的流动模式。类似地，分形或多尺度模式可以产生振动或噪声，然后这些振动或噪声可以与形态学的部分耦合。虽然在大多数情况下，散热器的主体的共振是不希望的，但是在其他情况下，这可能是可以接受的并且确实是提高效率的一种手段。例如，在图22和图38至图45所示的分支设计中，热交换元件的尖端处的振动可以提高热传递效率，这可以是由远离尖端的流体动力效应引起的。同时，如果可以将尖端设计或控制成反相振动，则可以减轻净声学和振动输出。

散热器可以在表面上具有热和/或空气流动传感器，以测量或估计热或传热介质流动效应。这些可以是有线、无线或光学检测设计。例如，在某一负载下，基于模型的控制器可以指示为了满足操作目标在散热器的某一区域所期望的湍流，这可以反映热源温度、操作效率等。传感器可以用于控制风扇速度，或者在可控或自适应分形网格或表面的情况下，可以用于控制网格或表面的某些特征或参数。例如，开放空间比率可以通过机械转换器来改变。另一方面，如果在风扇附近提供分形或多尺度结构，这些结构将相互作用。这种相互作用可以是不可预测的或不可预测的，并且反馈可以有助于稳定和优化操作。

该系统可以采用动态变化的传热介质的总体流动，例如来自其速度基本上被调节的风扇的传热介质，例如在至少±15％，更优选地±20％，最优选地±50％的范围内。这种变化的目标是，在风扇功率消耗相等的情况下，产生较高的峰值流动，与静态流动相比，峰值流动能够更有效地从表面散热。优选地，在峰值流速下，会发生湍流，而在较低流速下，湍流通常会显著减小，例如大于10％。虽然理论上风扇可以停止，提供最大的比率，但实际上风扇电机的启动电流将降低效率，并且循环时间会足够快，以至于等待风扇停止旋转将是低效的。风扇可以连续或间歇运行，或者随着时间的推移以变化的速度运行，并且可以提供偏转器来动态地改变相对于散热器的流动。

一般来说，在热负载低于峰值的50％时，如果系统避免湍流，并在低热负载下采用更传统的散热器运行方式，则系统可能更高效或更安静。另一方面，通过提高高负载时的峰值效率，散热器可能比更传统的设计相对更小、更轻、容量更大或更便宜。一般来说，本设计的散热器在机械上比传统的散热器更复杂，并且在一些实施例中可以具有更复杂的控制系统。然而，散热器复杂性和成本之间的关系可能很弱。另一方面，在铜或更奇特的材料的情况下，材料成本可以是一个重要的因素，并且超过作为设计或可行性约束的机械复杂性。

散热器的分形或多尺度特征可以可以以多个级别之一来增强流动的湍流特征，并因此增强热传递，与平行板设计相比，气具有低能量损失和减小的尺寸。

因此，与在几个热交换元件之间具有线性或欧几里德几何变化的热交换装置相比，至少在某些操作状态下，可以提高热传递效率。这是通过有效地产生湍流来实现的，所述湍流破坏了散热器的表面边界层，从而使得传热增强。分形设计在小尺寸和低能量耗散下产生有效的多尺度湍流。可以例如使用多尺度过滤器在到达散热器之前在传热介质流中引起湍流，该过滤器与例如射流相比具有组织湍流的性质。人们发现湍流有两个重要的相互关联的性质。湍流是混沌的，并且可以有效地运输、搅拌和混合其成分。我们所说的混沌，是指湍流由具有不规则的时间和空间动力学表征，不规则的时间和空间动力学与湍流的初始和边界条件不稳定相关。例如，英语版本的《兰登书屋词典》(1971)给出了湍流的定义，“流体流过对象，使得流体中任何固定点的速度均不规则地变化”。

热交换装置可以包括导热率超过850W/(m·K)的高导热物质。这种超导体的示例包括石墨烯、金刚石和类金刚石涂层。可替代地，热交换装置可以包括碳纳米管。在如此高的热导率下，声子热传输可以起作用。

根据本技术的散热器可以例如制造成3D印刷品或制造成铸件。此外，铸件设计可以根据3D打印的表单或模板通过熔模铸造(例如，失蜡或失泡沫设计)产生。因此，在实践中，在计算机辅助设计(CAD)系统上生成设计，该CAD系统可以例如根据各种标准(例如尺寸、重量、热负载、空气流动、其他对流传热参数、红外辐射再捕获和其他标准)，采用算法来优化形状。然后，通过计算机辅助制造(CAM)系统，例如附加制造“3D”打印机或2.5D打印机(层)，将所述设计转换成表单。如果使用金属烧结或陶瓷工艺生产，该表单本身可以是散热器，尽管更典型地，所述表单是聚合物，然后该聚合物可以用于制造模具。模具则可以用来创建多个模板，这些模板可以在铸造过程中使用。因此可以大量复制相对复杂的机械设计。模制金属可以是异质的，从而在模具的不同区域产生一系列特征。如上所述，可以通过使用涂覆技术，特别是提供自组织特征的技术，来提供一组小尺度的特征。小尺度特征的分布可以通过沉积技术、通过在其上涂覆涂层的表面的特征/形状或者通过空间上选择性制造工艺来控制。

该设计可以产生分形形状，所述分形形状例如具有分支或多级分支，具有多个特征尺度，其可以具有一些对称性或重复，或者不具有对称性和重复。在不同尺度上自相似的设计被认为是“分形”的。一些分形避免结构的精确复制(例如，具有不对称结构)，而其他分形缺少任何这种不对称性(例如，具有对称结构)。采用这些特征中的一些特征，或者在功能上模仿这些特征中的一些特征的设计被认为是“分形的”。代表相同尺度的均匀重复元件阵列的设计通常被认为是非分形的。在一些情况下，可以认为具有多方向对称性的分支阵列在一些情况下是分形状的。与对称设计相比，具有向外逐渐变细的分支的多尺度分形(即，在每个尺度范围内具有不对称性)会从热源带走和消散更多的热量，因为本质上，较大横截面的分支将比较小的、较高表面积/的同类分支带走更多的热量，并且不对称性将确保某些分支确实具有较大的横截面；然而，这并不是获得的唯一效果。由于分形通常由响应于其局部环境的迭代函数系统(IFS)产生，所以分形可以通过引导函数来优化，以将热流引导至具有最高对流热损失的区域，同时避免热流流向没有有效散热的分支。类似地，在真空散热器发射器中，热损失往往是辐射性的，并且该优化可以解决受限环境中净辐射热损失的最大化。

分形散热器设计不必局限于单一的分形算法。可以使用多个独立的分形算法。一种分支分形算法可用于控制散热器的三维分支结构，而另一种分形算法确定分支的二维表面。例如，二维分形结构可以包括以分形模式布置的孔，该分形模式被刺穿在叶片中以形成例如席尔宾斯基地毯或另一分形模式。或者这种二维算法可以控制分支结构中叶片的纹理。可替代地，二维分形算法可以控制通道的分支，以使冷却流体在分支结构的叶片内通过。多种分形算法共存于一个对象中，这在自然界中很常见。因此，树叶可以有一个决定树叶形状的分形算法和另一个决定树叶中的静脉分支的分形算法。在人类或动物器官中，一种分形算法可以确定器官的形状；另一种分形算法可以确定血管的分支结构；又一种分形算法确定淋巴管的分布；再一种分形算法确定神经在器官中的分布，等等。这些分形系统中的一些分形系统可能在争夺资源。例如，在树叶中，叶子的面积越大，叶子可以吸收的用于光合作用的阳光就越多，但另一方面，面积越大，植物通过蒸发损失的液体就越多。竞争分形算法可能最终决定叶子的形状或器官的形态。类似地，在设计热交换器时，可以使用多重竞争分形算法，其中可以跨多个参数寻求优化。例如，增加表面积会增加对流和辐射造成的热损失。同时，增加表面积会增加灰尘堆积，与优化的表面相比，这可能会降低对流和辐射造成的热损失。这种考虑有利于按照一种分形算法设计具有三维分支结构的散热器，并按照另一种二维分形算法设计穿过叶片的按照分形模式进行排列的穿孔。

对于本领域技术人员来说，该散热器的各种变化是显而易见的例如，散热器可以包括传热表面，所述传热表面连接到热交换装置并且被设计成接收待冷却的固体。可替代地，可以存在被设计成在至少一个点上与待冷却的固体连接的连接器。可以有至少三个连接器用于将固体和散热器相对于彼此保持在固定位置。各种连接器对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，连接器可以是点连接器、总线、导线、平面连接器或三维连接器。散热器可以有被设计来接收待冷却的固体的中心孔或空隙。散热器也可以集成到热源中，或者通过其他方式来连接。

该散热器通常用于冷却对象，并且可以是被动或主动系统的一部分。现代三维激光和液体打印机可以产生诸如这里描述的特征分辨率大约为16μm的散热器的对象，使得本领域技术人员可以使用这种制造技术来生产尺寸小于25cm的对象。可替代地，较大的散热器，例如汽车散热器，可以用传统方式来制造，并且设计成具有分形结构的元件结构。例如，可以提供液体-气体热交换器(散热器)，其中流体流动导管的各段在三个递归水平上具有分形关系，即平均至少两个分支的路径。如果合适的话，可以同时应用其他分形设计概念。

散热器可以包括热交换装置用于冷却与散热器连接的固体，该热交换装置具有其间具有分形变化的多个热交换元件。具有湍流部分的传热流体被引导以相对于多个热交换元件流动。与在多个热交换元件之间具有线性变化的相应的热交换装置相比，多个热交换元件中的分形变化用于实质上减小窄带共振。

优选实施例提供固体散热器的表面，例如内表面或外表面，其具有适于在一定的流体流速范围内在表面上产生涡流的不对称模式的流体热力学性质。例如，该范围可以包括由于使用散热器来冷却热辐射对象而产生的自然对流流体流速的范围。该范围还可以包括由散热器上方的强制对流(例如风扇)引起的流速范围。

散热器可以冷却通常在散热器的外表面上方的不受约束的或非封闭的流体，或者冷却通常在散热器的内表面内受约束的或封闭的流体。

因此，本发明的一个目的是提供一种散热器系统，其包括：用于与热源对接的基部结构；热交换装置，用于接收来自基部结构的热量，并将接收到的热量从热交换表面散发到外部周围的热交换介质中，所述热交换装置具有大体上分形的几何形状，所述大体上分形的几何形状具有多个独立的分形算法。

另一目的是提供一种散热器，其包括：传热体，具有用于接收热负载的基部和三维结构，所述三维结构具有被构造成将与所述基部接收的热负载相对应的热负载传递到外部传热流体的外表面；以及与所述外表面相关联的多尺度模式，所述多尺度模式在至少三个范围内具有至少三个阶，所述多尺度模式不同于所述三维结构，其中所述多尺度模式用于破坏所述外部传热流体在所述外表面处的流动，以减少停滞的表面层以促进热传递。散热器还可以包括风扇，所述风扇引起外部传热流体的流动。

多尺度模式可以与外表面集成或分离。多尺度模式可以包括分形网格。多尺度模式可以包括3D分形滤波器。多尺度模式可以包括外表面的穿孔图案。多尺度模式可以包括分形纹理。多尺度模式可以包括外表面上的3D浮雕模式。多尺度模式可以用于在与外表面相互作用之前引起外部传热流体的湍流。多尺度模式可以用于在与外表面相互作用的同时引起外部传热流体的湍流。

三维结构可以具有多尺度模式。多尺度模式可以由第一算法定义，三维配置由第二算法定义，第一算法和第二算法分别独立地定义。多尺度模式可以由第一分形生成算法定义，并且三维配置由第二分形生成算法定义，第一算法和第二算法不同。三维结构可以具有至少两个数量级的分支的级数，其中，第一数量级分支之后的总横截面面积小于第一数量级分支之前的横截面面积，以及第二级分支之后的总横截面面积小于第二级分支之前的横截面面积。可以根据外部传热流体的计算流动动力学模型来优化三维结构和多尺度模式。可以使用遗传算法来优化三维配置和多尺度模式，以便为三维配置和多尺度模式中的每一个提供生成算法的参数。

另一目的是提供一种散热器，其包括：基部，用于传递热负载；传热体，其具有所述基部和对应于具有多个热交换表面的第一算法的三维结构；以及与所述多个热交换表面相关联的多尺度模式，所述多尺度模式用于将与传递至所述基部的热负载相对应的热负载传递直所述传热流体，所述多尺度模式对应于不同于所述第一算法的第二算法，其中，第一布局算法和第二布局算法响应于传热流体流动范围内的预测传热能力而一起被优化。

另一目的是提供一种散热器，其包括：基部，用于传递热负载；传热体，其具有所述基部并且具有对应于第一算法的三维结构；以及所述传热体的表面的多尺度穿孔或表面浮雕模式，其用于将所述热负载传递至所述传热流体，所述多尺度模式对应于第二算法，其中，第一布局算法和第二布局算法响应于传热流体流动范围内的预测传热能力而被优化。

另一目的是提供一种散热器，该散热器包括传热体，所述传热体具有拓扑分支的三维结构，所述拓扑分支的三维结构限定多个热交换表面，所述多个热交换表面用于将热负载从传热体传递至围绕所述多个热交换表面的传热流体，所述多个热交换表面各自具有多尺度模式，所述热交换表面的第一表面的多尺度模式用于在一定范围的传热流体流动条件下在所述热交换表面的第二表面上引起所述传热流体的湍流。

另一目的是提供一种热交换装置，包括以第一分形结构布置在三维空间中的多个热交换元件，每个所述热交换元件具有以第二分形结构布置的表面纹理。第一分形结构可以是在三维中扩展的2D分形。第一分形结构例如可以是L系统(en.wikipedia.org/wiki/L-system)、二次科赫岛(paulbourke.net/fractals/quadratic_koch_island_a/，Addison、Paul S.于1997年在物理研究所出版出版的《分形与混沌：图解课程》)、科赫雪花(en.wikipedia.org/wiki/Koch_snowflake)、改进的科赫雪花、二十面体薄片en.wikipedia.org/wiki/N-flake)、八面体薄片、分形树冠(en.wikipedia.org/wiki)/Fractal_canopy)，分形树(例如，en.wikipedia.org/wiki/H_tree)、分形网格(例如，en.wikipedia.org/wiki/List_of_fractals_by_Hausdorff_dimension)、席尔宾斯基三角形(en.wikipedia.org/wiki/Sierpinski_triangle)、席尔宾斯基地毯(en.wikipedia.org/wiki/Sierpinski_carpet)、席尔宾斯基四面体、十二面体分形(commons.wikimedia.org/wiki/Fractal、www.georgehart.com/rp/polyhedra-clusters/Polyhedra-Clusters.html)、康托集(en.wikipedia.org/wiki/Cantor_set)、康托尘埃、3D康托尘埃、分支树或皮亚诺曲线(en.wikipedia.org/wiki/Peano_curve)。第二分形结构可以例如包括康托尘埃、褶皱的树冠(www.iasefmdrian.com/cricnkled-canopy-random-fractal)、科赫表面(robertdickau.com/kochsurface.html)或三角科赫分形表面。另一目的是提供一种用于在流体介质中运行的热交换装置，所述热交换装置包括以第一分形结构布置在三维空间中的多个热交换元件，每个热交换元件分别具有多个热交换元件，每个热交换元件上开有多个孔，以使得流体介质能够流过这些孔，所述多个孔根据第二分形模式布置。所述多个孔以对应于阿波罗尼分形(paulbourke.net/fractals/apollony/)、圆反转分形(en.Wikipedia.org/wiki/List_of_mathematic_shapes)、圆填充分形(en.wikipedia.org/wiki/List_of_mathematical_shapes)、阿波洛尼奥衬垫(en.wikibooks.org/wiki/Fractals/Apollonian_fractals)、席尔宾斯基地毯和六边形分形地毯(erkdemon.blogspot.com/2009/12/hex-fractal-carpet.html、www.nahee.com/spanky/www/fractint/lsys/truefractal.html)的模式进行布置。

本发明的另一目的是提供一种电子设备，所述电子设备具有产生多余热量的至少一个电子部件以及与所述电子部件耦接以耗散来自所述电子部件的热量的热交换装置，所述热交换装置包括以第一分形结构布置在三维空间中的多个热交换元件，每个相应的热交换元件具有以第二分形结构布置的表面纹理。

又一目的是提供一种电子设备，所述电子设备具有产生多余热量的至少一个电子部件，以及热交换装置，热交换装置与所述电子部件耦接并配置为在流体介质中操作以耗散来自所述电子部件的热量的，所述热交换装置包括以第一分形结构布置在三维空间中的多个热交换元件，每个相应的热交换元件均开设有根据第二分形模式布置的多个孔，所述第二分形模式用于使得所述流体介质流过所述孔。

另一个目的是提供一种用于操作具有产生多余热量的至少一个电子部件的电子设备的方法，所述方法包括以下步骤：将热量从所述产生多余热量的所述至少一个电子部件传导至与所述至少一个电子部件耦接的热交换装置，所述热交换装置包括以第一分形结构布置在三维空间中的多个热交换元件，每个所述热交换元件具有以第二分形构造布置的表面纹理；以及将所述多余热量从热交换元件散发到环境中。

另一目的是提供一种用于操作具有产生过剩热量的至少一个电子部件的电子设备的方法，该方法包括以下步骤：将热量从产生过剩热量的所述至少一个电子部件传导至与所述至少一个电子部件耦接并用于在流体介质中操作的热交换装置，所述热交换装置包括以第一分形结构布置在三维空间中的多个热交换元件，每个相应的热交换元件上开设有多个孔，所述多个孔根据第二分形模式布置，所述第二分形模式用于使得流体介质能够流过所述孔；以及将所述多余热量从所述热交换元件耗散至所述流体介质中。

又一目的是提供一种散热方法，包括：提供传热体，所述传热体具有用于接收热负载的基部和具有用于将与所述基部接收的热负载相对应的热负载传递至外部传热流体的外表面的三维结构；将与外表面相关联的多尺度模式与外部传热流体的流动相互作用，以在外部传热流体的流动中产生湍流，并减少停滞的表面层以促进传热；以及基于与热负载到外部传热流体的热传递和外部传热流体的流动的湍流中的至少一项相对应的至少一项测量值来控制外部传热流体的流动。所述控制可以取决于声发射、传热体的温度与传热体中热传递的计算流动动力学模型的对应关系、热力学参数。例如，该控制可以改变湍流，特别是可以控制显著的湍流的开始或发生、湍流的位置和湍流的量。另一方面，所述控制可以寻求避免湍流，并修改流动参数以满足热标准，而同时避免令人讨厌的噪音。控制还可以动态地改变湍流，例如作为产生集中的表面力的方式，作为将粒子移到散热器的表面上的方式。此外，通过动态控制湍流，可以在不同时间在散热器的不同区域选择性地增加散热。因此，动态过程可以局部地减少空气流动以使得温度能够升高，然后选择性地增加空气流动，由于较高的温差和减小的边界层厚度的结合而提供了高效的散热。这种动态过程可以具有比静态过程更高的效率，在静态过程中，散热片表面和传热介质之间的温差稳定在很小的差值，并且均匀分布的气流导致均匀地相对较厚的边界层。

附图说明

图1示出了作为本发明示例性实施例的分形散热器，其中，所述散热器基于二次科赫岛或分形流动过滤器。

图2A至图2C示出了二次科赫岛的基础，在其应用一次迭代之后获得二次科赫岛，以及在其应用几次迭代之后获得二次科赫岛。

图3示出了二次科赫岛的所有分形段的总长度。

图4A和图4B示出了生成改进的雪花和改进的科赫雪花的基础。

图5A和图5B示出了基于席尔宾斯基地毯的分形散热器，以及生成席尔宾斯基地毯的基础。

图6至图15分别示出了基于三维Mandelbox分形、席尔宾斯基四面体、十二面体分形、二十面体薄片、八面体薄片、3D二次科赫、耶路撒冷立方体、冯科赫表面、门格海绵和3DH分形的分形散热器。

图16至图17示出了具有不规则设计的现有技术的挤压散热器的正面和透视图。

图18示出了根据图16和图17的设计具有分形表面模式。

图19至图21示出了各种三维分形状结构，这些三维分形状结构可以用于在流动的传热介质中引起湍流，或者可以用作热源的散热器，热源可位于相应结构的中心或偏心位置。

图22示出了元件的分支阵列，其具有增大的表面积：横截面面积随着距离根部的距离的增大而增大。可以在表面上形成多尺度模式(未示出)。

图23示出了基于谢尔宾斯基三角形的实心分形块，其具有一组暴露表面。

图24示出了用于灯的现有技术的散热器；

图25至26示出了具有不同分支数的散热器仿真模型的俯视图，以及一个分支的近似计算的热阻趋势以及分支散热器的同一分支的仿真结果。

图27至图28示出了对于不同数量的分支的归一化热阻的仿真结果，以及示出了平板和分支散热器的内部温度和外部空气速度的热模型的截面图。

图29示出了具有两级分支的径向对称的分支散热器。

图30示出了散热器横截面的增量范围，传热系数向右增加。

图31和图32示出了径向对称的散热器，其板表面的数量随着与中心(图31)或分支模式(图32)的距离的增加而逐渐增加，每块板具有纹理形式的叠加分形模式。

图33示出了包括规则排列的散热器元件的加热器，每个元件都具有分形的表面模式以增加热传递。

图34示出了具有穿孔内部模式的科赫雪花外部模式。

图35至图37分别示出了第一类型分支网络分形网格、具有4阶元素的第二类型的分支网络分形网格以及具有5阶元素的第三类型的分支网络分形网格。

图38至图40分别示出了具有分形穿孔图案和该模式的第一细节和第二细节的分支网络散热器。

图41示出了图38的散热板内的第一蛇形微通道模式的细节。

图42示出了图38的散热板内的第二蛇形微通道模式的细节。

图43和图44示出了图38的散热板内的第一分支微通道模式和第二分支微通道模式的细节。

图45示出了图38的散热板的纹理表面的细节。

图46示出了具有一组径向延伸的分形分支翅片的中空锥形穿孔结构散热器的顶部透视图。

图47示出了根据图46的散热器的侧面透视图。

图48示出了图46中所示的锥形穿孔结构散热器的中空圆锥台，而没有一组分支翅片。

具体实施方式

图1示出了作为本发明示例性实施例的分形散热器。在该实施例中，所述散热器基于二次科赫岛。在较短的长度内，这也代表一个分形流动过滤器。二次科赫岛在护罩内可能有规则或不规则的扭曲模式。图2A示出了二次科赫岛的基础。图2B示出了在应用一次迭代之后获得的二次科赫岛。图2C示出了在应用多次迭代之后获得的二次科赫岛。图3示出了二次科赫岛所有分形段的总长度。

图2A示出了维度为x₀的正方形，所述维度形成了二次科赫岛的基础。图2B示出了在正方形上应用一次分形迭代之后获得的二次科赫岛。在第一次迭代中，截面长度为l的分形应用于正方形的每一侧。类似地，在多次这样的迭代之后，可以获得如图2C所示的二次科赫岛。

图3示出了分形的长度l_f，其为所有分形段的总长度。每个分形截面的长度l(n)随着分形的每次迭代而减小。分形截面长度由方程7限定。

其中，x₀是原始正方形边的长度，n是迭代次数，以及A_s为表面积，通过方程7可以看出，在每次迭代后，分形截面长度减小。当迭代次数变得越来越多时，截面长度可以忽略。

此外，从数学上可以示出分形的总长度L可以根据方程8获得。

其中，x₀为原始正方形的边的长度，以及n为迭代次数。

类似地，可以表明，二次科赫岛的周长C可以根据方程9获得。

C＝4(2ⁿx₀) (9)

其中，x₀为原始正方形的边的长度，以及n为迭代次数。很明显，每一次迭代使得周长C增大。然而，横截面面积横截面面积保持为

不变，因为当分形面积增加时，相同的面积则会在其他地方被减去。

对应于二次科赫岛的迭代次数可以大于5。因此，热交换装置用作紧凑型热交换器。换句话说，热交换装置每单位交换器体积具有大的传热面积。因此，具有但不限于如下几个优点：减少空间、重量、功率需求和成本。在另一实施例中，对应于二次科赫岛的迭代次数可以小于或等于5。因此，热交换装置可以用作非紧凑型热交换器。如图1所示，二次科赫岛在三维上延伸，使得横截面保持为二维二次科赫岛。

通过传热分析可以看出，随着分形的应用传热和传热系数相互独立地增加。此外，在每次分形迭代中，增加的量可以是两倍或更大。一般来说，热传递以2ⁿ趋势呈指数增长。此外，泵送功率以几乎1.5倍的速率线性增加。泵送功率是将传热流体泵送通过热交换装置所需的功率。

图4A示出了用于生成改进的雪花的基础。图4B示出了基于图4A的改进的科赫雪花的分形散热器，其具有不同尺度的三角形。如图11和图23所示，这种设计可以扩展到三维空间，所述三维空间建立在棱锥体上。如图4A所示，用于生成改进的雪花的基础是宽度为w的等边三角形。在第一次迭代中，宽度为底宽w的1/3的两个较小的等边三角形被添加到基三角形的两侧。类似地，通过应用第二次迭代和第三次迭代，可以获得如图4B所示的改进的科赫雪花。一般来说，对于可以分解成m个具有放大因数n的自相似元件的自相似对象，分形维数由下式给出：

科赫雪花的分形维数由

给出。

改进的科赫雪花(包括侧壁)的表面积A_s(n)可根据方程10获得。

其中，w是底三角形的宽度，n是迭代次数，t是改进的科赫雪花(图4B中未标出)的厚度。

显然，改进的科赫雪花的表面积随着每次迭代而增大。更具体地，可以观察到，在5次迭代之后，表面积增加了约58％。

此外，改进的科赫雪花的质量可以使用方程11计算得到。

其中，w、n和t如上，ρ是组成改进的科赫雪花的材料的密度。

可以观察到，表面积相对于基线情况(即n＝0)的变化是宽度(w)和厚度(t)的函数。然而，质量相对于基线的变化取决于迭代次数。根据改进的科赫雪花设计的质量随着每次迭代而增加。然而，所述质量收敛到质量的最大值增大约40％。

近似制成改进的科氏雪花形状的热交换器的传热效率(ε)可以定义为实现的传热与在不存在改进的科氏雪花的情况下发生的传热之比。ε可以根据方程12来计算。

其中，Q为热耗率，h为传热系数，A_s为面积，T为温度。

此外，近似制成改进的科氏雪花形状的热交换器的热传递(η)可以被定义为实现的传热与如果整个改进的科氏雪花处于基础温度时将发生的传热之比。η可以根据方程13来计算，其中，Q、h、As和T如上

传热效率(ε)随着每次迭代而增大。对应于三次迭代的改进的科赫雪花可以用于形成热交换装置。因此，传热效率(ε)可增大高达44.8％。此外，单位质量的传热效率(ε)的增加量可高达6％。用于制造改进的科赫雪花的材料可以是铝。因此，可以实现单位质量的传热效率(ε)比使用铜所获得的传热效率大大约两倍。

此外，单位质量的传热效率(ε)取决于具有改进的科赫雪花形状的热交换板的厚度。对应于改进的科赫雪花的宽度(w)与厚度(t)之比可以是8。因此，单位质量的传热效率(ε)可以在第四次迭代中提高至303％。

图5A示出了基于席尔宾斯基地毯的分形散热器。图5B示出了生成席尔宾斯基地毯的基础。席尔宾斯基地毯是通过从基础几何形状迭代地移除材料而形成，基础几何形状例如但不限于如图5B所示的正方形。在第一次迭代中，具有基本宽度(w)的1/3的正方形被移除。类似地，通过执行第二次迭代和第三次迭代，可以获得如图5A所示的席尔宾斯基地毯。

席尔宾斯基地毯(包括侧壁)的表面积As(n)可以根据方程14获得

其中，w是基础正方形的宽度，n是迭代次数，以及t是席尔宾斯基地毯的厚度。

从n＝0开始，在每次后续迭代中，席尔宾斯基地毯的表面积在达到最小值之前先减小。然而，在达到最小值之后，表面积随着每次后续迭代而增加。例如，在宽度(w)为0.0508米的情况下，在五次迭代之后，表面积可以增加117％。类似地，在宽度(w)为0.0254米的情况下，在五次迭代之后，表面积可以增加265％。

此外，可以使用方程15来获得席尔宾斯基地毯的质量。

其中w、n和t如上，ρ是构成席尔宾斯基地毯的材料的密度。

从方程15可以看出，随着每次迭代，席尔宾斯基地毯的质量减少。例如，经过五次迭代后，质量减少了45％。

对应于席尔宾斯基地毯的传热效率(ε)随着每次迭代而增加。对应于三次迭代的席尔宾斯基地毯可以用于形成热交换装置。因此，在这种情况下，传热效率(ε)可以增大高达11.4％。此外，对应于席尔宾斯基地毯的单位质量的传热效率(ε)的增加可以高达59％。用来制作席尔宾斯基地毯的材料可以是铝。因此，可以实现单位质量的传热效率(ε)比使用铜所获得的传热效率大大约两倍。

此外，对应于席尔宾斯基地毯的单位质量的传热效率(ε)取决于对应于席尔宾斯基地毯的厚度。对应于席尔宾斯基地毯的宽度(w)与厚度(t)之比可以是8。因此，在第四次迭代中，单位质量的传热效率(ε)可提高303％。

散热器还可以包括热交换装置，该热交换装置在结构上基于但不限于选自包括以下项的组合的一个或多个分形来配置：“尺度为2”和“尺度为3”的Mandelbox；席尔宾斯基四面体；分形金字塔；十二面体分形；3D二次Koch曲面(类型1)；3D二次Koch曲面(类型2)；耶路撒冷立方体；二十面体分形；八面体分形；冯科赫表面；门格尔海绵；3D H分形；Mandelbulb或者任何数量的其他2D和3D分形及上述项的组合。这里使用的2D和3D分别表示拓扑上的二维对象和三维对象。

图6示出了基于三维Mandelbox分形的分形散热器。在实践中，Mandelbox不需要是完整的，并且可以被切割以提供至热源的合适接口。Mandelbox是一个盒状的分形对象，其具有与Mandelbrot集相似的属性。Mandelbox可以被认为是一个连续的局部形状保留的Julia集的映射。因此，Mandelbox在不同的位置有所不同，因为每个区域都使用一个具有唯一公式的Julia集分形。Mandelbox可以通过对空间中的每个点重复应用方程16来获得。如果点v不逃逸到无穷大，则该点v是Mandelbox的一部分。

v＝s*ballFold(r,f*boxFold(v))+c (16)

其中，boxFold(v)表示：针对每个轴a：

如果v[a]>1，则v[a]＝2-v[a]，

否则，如果v[a]<-1，则v[a]＝-2-v[a]

并且ballFold(r，v)表示：针对v的大小m：

如果m<r，则m＝m/r²，否则，如果m<1，则m＝1/m

在一个实例中，在方程12中使用值s＝2、r＝0.5和f＝1，可以获得标准的Mandelbox。

因为Mandelbox固有地是三维形状，所以Mandelbox可以与多尺度过滤器(例如分形网格或根据图15的装置)结合使用，以在Mandelbox周围的热交换流体中诱导湍流。应当注意的是，Mandexbox是表面纹理和形态由单个生成算法定义的情况，因此，在流体动力学性能方面，该结构与根据本发明的采用独特的生成算法的其他设计固有地具有相似性。正式的Mandelbox难以制造，而对整个Mandelbox的内部结构进行优化也颇具挑战性。因此，Mandelbox方法可被实现为固体散热器的表面结构，以在提供致密的芯结构的同时提供多尺度的表面特征。

图7示出了基于一系列阶的席尔宾斯基四面体的分形散热器。席尔宾斯基四面体，也被称为tetrix，是席尔宾斯基三角形的三维类似物。席尔宾斯基四面体可以是通过下述方式形成：反复将正四面体缩小到其原始高度的一半，将这个四面体的四个副本放置在一起，并用角接触，然后重复该过程。对于前四个迭代，在图7中对此进行了说明。由边长为L的初始四面体构成的席尔宾斯基四面体的特征是：每次迭代时，总表面积保持恒定。

边长为L的(迭代-0)四面体的初始表面积为L²√3。在下一次迭代中，边长减半，有4个这样的小四面体。因此，第一次迭代后的总表面积可以根据方程17计算得到。

每次迭代后的总表面积也是如此。尽管每个后续四面体的表面积是上一次迭代中的四面体的表面积的1/4，但其数量却变成了四倍，因此保持了恒定的总表面积。然而，在因数为0.5的情况下，随着迭代次数的增加，则席尔宾斯基四面体的总封闭体积在几何上减小，在每次迭代后渐近地接近于0。

图8示出了基于十二面体分形的分形散热器，也称为十二面体薄片，其可以由二十个规则的十二面体的连续薄片形成，如图8中针对第二次迭代所示例性示出的那样。每个薄片是通过在每个角上放置以1/(2+φ)缩放的十二面体而形成，其中，φ＝(1+√5)/2。

图9示出了基于二十面体薄片的分形散热器，示出了八面体薄片或席尔宾斯基八面体，其可以由六个规则八面体的连续薄片形成，如图9中针对第三次迭代所示例性示出的那样。每个薄片可以通过在每个角上放置以1/2缩放的八面体来形成。每个薄片可以通过在每个角放置以1/(2+φ)缩放的二十面体来形成，其中，φ＝(1+√5)/2。

图10示出了基于八面体薄片的分形散热器。吸热表面可以是八面体薄片的任何面，或者薄片可以被一分为二，并且所得到的半个八面体薄片被安装至用于散热的表面上。

图11示出了基于3D二次型Koch的分形散热器。如图11所示，可以通过每次迭代将按比例缩小版本的三棱锥生长到较大的三棱锥的表面上来获得3D二次Koch。图11示出了前四次迭代。

图12示出了基于耶路撒冷立方体的分形散热器。耶路撒冷立方体可以通过将希腊十字形孔递归地钻入立方体来获得耶路撒冷立方体。耶路撒冷立方体可以通过如下方式来构造：(1)从立方体开始；(2)在立方体的每一侧切割一个十字，从而在原始立方体的角上留下八个立方体(等级+1)，以及在等级+1的立方体之间、以原始立方体的边缘为中心的十二个较小的立方体(等级+2)；以及(3)在等级1和等级2的立方体上重复该过程。每次迭代增加8个一级立方体和12个二级立方体，增大了20倍。

图13示出了基于冯科赫表面的分形散热器。冯科赫表面可以从等边三角形表面开始构造。在第一次迭代中，等边三角形表面的每条边的中点被连接在一起，以形成中空三角锥的等边三角形底部。这个过程是迭代的。

图14示出了基于门格尔海绵的分形散热器。门格尔海绵可以通过如下方式进行构造：(1)从立方体开始(第一幅图像)；(2)将立方体的每个面分成9个正方形，就像魔方一样。这将把立方体分成27个更小的立方体；(3)移除每个面中间的小立方体，移除大立方体中心的小立方体，从而留下20个小立方体(第二幅图像)。这是一级门格尔海绵(类似于虚空立方体)；以及(4)对每个剩余的较小的立方体重复步骤2和步骤3，并继续迭代，直到达到所需的尺度为止。

图15示出了基于3D H分形的分形散热器。如上所述，根据一些实施例，该结构用于诱导湍流，并且其本身不是散热器；在其他实施例中，3D框架既是湍流产生结构又是散热器。3D H分形基于H树，H树可以通过下述方式进行构造：从具有任意长度的线段开始，通过其端点画出与第一个线段成直角的两个较短线段，并以相同的方式继续，将每一阶段所画线段的长度减小√2。此外，通过在垂直于H树平面的方向上添加线段，可以获得3D H分形。

散热器可以包括热交换装置，该热交换装置在结构上基于Mandelbulb(未示出)配置。Mandelbulb是Mandelbrot集的三维仿真。Mandelbulb可以定义为R³中C的集合，在迭代v→vⁿ+c下<0、0、0>的轨道受约束，其中R³中矢量v＝<x,y,z>的“n次方”为由方程17给出。

vⁿ：＝rⁿ<sin(nθ)cos(nφ,sin(nθ)sin(nφ),cos(nθ)> (17)

其中，

φ＝arctan(y/x)＝arg(x+yi)，以及

如同Mandelbox一样，席尔宾斯基四面体、十二面体分形、二十面体薄片、八面体薄片、3D二次Koch、耶路撒冷立方体、von Koch表面、Menger海绵、3D H分形和Mandelbox勒结构的表面纹理和形态均由单一生成算法定义。3D分形(多尺度)结构可以在使用中与外部多尺度元件(或相同或不同的多尺度2D或3D结构)耦接，所述外部多尺度元件与传热流体相互作用以引起湍流，或者可以作为独立定义的散热器形态的表面构造来提供。例如，3D多尺度结构可以在表面上自组织，作为形式形状的一部分提供，或者是使用基本表面配置和其他机械限制作为生成算法中的约束来生成形态的设计原理。

图16至图17示出了具有不规则设计的现有技术的挤压散热器的正面和透视图。图18示出了根据图16和图17的具有分形表面模式的设计。以类似的方式，本技术允许用表面纹理或穿孔图案来修改热交换表面，穿孔图案与热交换流体流相互作用，并在一定范围内引起湍流。

图19至图21示出了各种三维分形状结构，这些三维分形状结构可以用于在流动的传热介质中引起湍流，或者可以用作热源的散热器，热源可位于相应结构的中心或偏心位置。

图22示出了元件的分支阵列，其具有增加的表面积：随着离根部距离的增加的横截面面积。可以在表面上形成多尺度模式(未示出)。如上所述，该结构可能具有振动，特别是在湍流条件下，这可以提高散热效率。

图23显示了基于席尔宾斯基三角形的固体分形质量，具有一组暴露的表面。

计算流体动力学(CFD)模型是一种数学方法，所述数学方法可以用于估算自然分支结构的热阻。现有技术的CFD实现是基于稳态的假设，并且考虑了分支中由热传导和热对流引起的能量损失。分叉由递归规则建模，以计算整个分支的热阻。输入参数是分支的每个单个部分的几何形状属性，包括其长度、宽度和高度、材料的热导率以及表面上的传热系数。该系数考虑了散热器的几何形状，因为它考虑了受气流可用空间影响的表面周围的流动条件。在CFD模型中，随着分叉数的增大，热阻开始减小。在热阻达到最小值后，它再次增加。这种影响是由于对流散热随分支扇区长度的变化而引起的。

在现有技术的设计中，假设分支的总长度和材料体积恒定，则对流的表面随着每次出现新的分叉而增大。同时，每个新区域减少了相邻分支之间的空间，并对表面之间的气流产生负面影响。在特定数量的分叉处，减少的气流不再补偿新生成表面带来的益处。因此，热阻上升。如果表面之间的间距过小，则通过通道的流体流动会受到阻碍，并且通过对流的热传递会减少。

图24示出了根据该方法设计的风格化径向对称分支散热器。根据本技术，例如通过蚀刻、增材制造、激光加工或其他已知的加工方案，使散热器的暴露表面进一步纹理化，以呈现分形表面构造，所述分形表面构造叠加在下面的分支网络上。参见A.Sachs、B.Bergdoll、D.Gamboni和P.Ursprung：自然设计。C.Herbold、C.Neumann：2007年苏黎世设计博物馆，拉斯·穆勒出版社，苏黎世：Vorbild Natur：用于冷却LED的仿生结构。A.Bar-Cohen和W.M.Rohsenow于2012年在柏林的会议记录LICHT：1984年期刊《热传递》第106期第116-123页的《垂直、自然对流冷却的平行板的热最佳间距》；A.Bejan和S.Lorente：用构造论进行设计。2008年约翰·威利父子公司，新泽西州霍博肯；MIM专家组和Fraunhofer-IFAM：2012年出版的金属注射成型(MIM)，粉末注射成型。与其他3D设计一样，所述结构可以根据本技术进行修改，以包括具有多尺度特征的表面模式或穿孔图案，或者与另一单独的多尺度元件结合使用以改善性能。

这种现有技术设计的分支构造在一个平面中，该平面在三维空间中延伸以形成圆柱体。该圆柱体的直径为50毫米，高度为50毫米。所有仿真都是在底端平面中间5毫米×5毫米的区域内以7W的热功率耗散进行的，传热介质被动流动。图26示出了一个分支(灰色)的热阻的近似计算趋势和同一分支(黑色)的仿真结果。基于CFD数学近似的结果，通过热仿真详细评估几何形状的不同参数。

根据本技术，分支可以是非对称的，并且分支可以是非恒定长度的，因此，尽管对于分支的日益增大的边际效用仍然可以达到极限，但是可以增加该限制，或者以相同的质量或运行成本实现更高的效率。此外，通过处理表面构造而不是仅解决总体形态，可以增加散热器的传热系数，并且可以减少流动限制。

图25中的现有技术的散热器示出了具有不同数量分支的散热器仿真模型的俯视图。所述模型包含五至九个分支，每个分支中有两个对称的分叉。仿真结果表明，这些设计的最低热阻是通过七个分支实现的，其差异性高达12％。散热器1和散热器2中的少量分支浪费了用于附加表面的空间，而散热器4和散热器5的大表面使得分支之间存在狭窄流动通道。图27示出了针对不同分支数量的仿真结果。图28示出了两种类型的表面上的温度分布以及中心平面中的流速。分支散热器处的较高温度和低流速区域是明显的。非分支散热器的热阻比分支散热器的热阻要高8.3％。

图29示出了风格化径向对称分支散热器，其具有两级分支。如本文所述，该散热器的表面可以被穿孔或模式化。

图30示出了挤压散热器的横截面的增量范围，被动传热系数向右增加。应当注意的是，实际的热传递取决于热传递流体特征，被动对流或层流可能不适用，尤其是在介质中有意引入湍流的情况下。然而，通过提供在层流或被动对流冷却条件下具有合理性能的散热器设计，可以提供一种可容忍风扇故障并使得能够减少风扇能耗和噪音的运行模式。因此，算法的优化不仅可以考虑峰值散热能力，还可以考虑低热负载下的性能，共同优化两个操作范围。

图31和图32示出了径向对称的散热器，其中随着距中心的距离增加，平板表面的数量随着距中心(图31)的距离或者距分支模式(图32)的增加而逐渐增加，每个平板具有纹理形式的叠加分形模式。图33示出了包括辐射器元件的规则阵列的加热器，每个元件都具有分形表面模式以增加热传递。在某些流动条件下，这些纹理化表面将在表面附近引起湍流的涡流特征，并且对于给定的流速，增加散热能力。

根据本技术的一个实施例，每个轴上的模式通常将展示其自身的自相似配置，并且模式不会覆盖在正交轴上，从而使得尺度间能够相互作用。

图34示出了具有穿孔内部模式的科赫雪花外部模式。这可以用作分形网格或者用作热交换表面的表面模式。

图35示出了第一种类型的分支网络分形网格。图36示出了第二种类型的分支网络分形网格，具有4阶元件。图37示出了第三种类型的分支网络分形网格，其类似于图36，但是具有5阶元件。众所周知，这些都是的用于诱导气流湍流的分形网格。

图38示出了具有分形穿孔图案的示例性分支网络散热器。图39示出了图38的穿孔图案的第一细节。图40示出了图38的穿孔图案的第二细节。根据本文公开的本发明的穿孔表面实施例，散热器包括具有穿孔的热交换表面的热交换装置。因此，可以实现增强的热传递。此外，穿孔的使用可以将热传递增加到每个泵送功率的两倍。此外，多个热交换元件可以是中空的。中空热交换元件与穿孔的组合可以使得热传递的增加量大于相同直径的固体热交换元件的热传递的增加量。此外，通过改变多个热交换元件的对齐阵列中的穿孔的倾斜角和直径，可以实现每泵送功率的热传递增加高达20％。此外，可以配置穿孔的数量和穿孔的形状中的一个或多个以便控制热传递。例如，在自然对流下，热传递与方形穿孔的数量成正比。在另一示例中，圆形和方形穿孔可以用来获得更高的努塞尔数。由于热传递与努塞尔数成正比，因此这种布置可以实现更大的热传递。在又一情况下，可以基于间距、孔径、表面积和流速中的一个或多个来改变与多个热交换元件相对应的努塞尔数。特别是，通过改变穿孔的间距，努塞尔数和热传递可以增加。

图41示出了图38的散热板内的第一蛇形微通道模式的细节。图42示出了图38的散热板内的第二蛇形微通道模式的细节。图43示出了图38的散热板内的第一分支微通道模式的细节。图44示出了图38的散热板内的第二分支微通道模式的细节。

以前已经对微通道散热器技术进行了研究，包括蛇形通道和分支通道。本技术通过允许3D设计而不是可用的平面配置来增强这种设计，并且可以将内部流体流与外部传热介质流(可以共同优化)组合在一起以提高性能。在一些情况下，压缩气体被送入微通道，然后在关键位置释放，以在装置的外部冷却表面引起湍流。

图45示出了图38的散热板的纹理表面的细节。

表1中提供了常见分形的列表，伴有其精确的Hausdorff(豪斯多夫)维度和计算的Hausdorff维度，来自en.wikipedia.org/wiki/List_of_fractals_by_Hausdorff_dimension。

热交换表面的表面可以具有纹理，该纹理根据独立的分形算法进行空间优化。在采用增材制造工艺或者减材制造工艺的情况下，表面构造可以依照分形算法设计。三角形的表面可以包括以分形模式布置的孔，或者其可以包括根据分形算法用于冷却液体分支的蚀刻或通道。在其他情况下，表面结构可以由自组织或自组装涂层决定。涂层可以具有随空间变化的特征，这可能取决于固化温度，因此，如果热源是待冷却的固体并且在冷却期间具有代表性的气流模式，则纹理将取决于低水平形态和散热器设计。涂层也可以通过其他物理手段，例如纹理材料的光刻固化或其他制造技术来引起空间变化。

分形形状可以具有一些孔(未示出)，以使得待冷却的固体能够与其他元件连接。固体应该通过有效的热传导表面连接至分形散热器。

多个热交换元件之间的间距基于多个热交换元件的高度来确定。对于给定的热耗率，多个热交换元件之间的最佳间距可以随着多个热交换元件高度的增大而减小。

对应于多个热交换元件的形状可以被配置成提供增强的热传递。例如，多个热交换元件可以是刻有凹槽纹。在另一种情况下，多个热交换元件可以是波浪形的。对应于多个热交换元件的形状可以是三角形、圆形、椭圆形、矩形和梯形。例如，多个热交换元件可以是椭圆形环形的。此外，可以改变与多个热交换元件相对应的椭圆纵横比，以得到更大的传热效率。作为非限制性示例，椭圆形纵横比可以增加，以便获得更高的热传递。在另一种情况下，多个热交换元件可以是梯形的，其最佳纵横比为1.5。在又一种情况下，多个热交换元件可以是菱形针状翅片。此外，可以改变与多个热交换元件对应的间距以获得增强的热传递。例如，所述间距可以与所需的传热系数成比例地变化。

可以改变多个热交换元件的表面几何形状，以便提供增强的热传递。例如，可以使用沿着多个热交换元件的方形肋。在另一种情况下，可以在多个热交换元件上方设置菱形表面突起。在又一情况下，可以在多个热交换元件的表面上形成凹槽。在另一情况下，可以在多个热交换元件的形成针状翅片的平坦基部上放置凹坑。此外，在一种情况下，凸形的凹坑可以用于获得更大的热传递。

可以改变多个热交换元件的取向，以增强热传递。例如，在多个热交换元件的数量较大的情况下，多个热交换元件可以相对于多个热交换元件的平坦基部垂直定向。在另一种情况下，在多个热交换元件较短且翅片因数小于2.7的情况下，可以使用水平取向，以便提供更好的热传递。

可以配置多个热交换元件来控制辐射热传递的量。例如，多个热交换元件可以是短的，或者具有增加的高度，以便减少辐射传递的热量。多个热交换元件在环形热管周围可以例如是圆形。此外，可以控制多个热交换元件之间的间距与多个热交换元件的直径的比率，以改变通过辐射进行的热传递量。该比率可以例如降低，以减少通过辐射进行的热传递量。类似地，该比率可以增加，以增大通过辐射进行的热传递量。

可以配置与多个热交换元件的各个分支之间的分形变化相对应的迭代次数，以便控制热传递。例如，为了获得更大的热传递，可以增大迭代次数。然而，超过一定的限制，热传递可能与迭代次数不成正比。此外，基于扩散速率与迭代次数成正比的事实，改变迭代次数还可以控制跨多个热交换元件的表面的扩散速率。然而，一定数量的迭代次数，例如但不限于4到5次迭代，扩散率可以收敛。

可以配置与多个热交换元件的各个分支之间的分形变化相对应的维度，以便控制热传递。一般来说，热传递与分形维数成正比。然而，这种关系仅在有限次数的迭代之前有效。

可以对于多个热交换元件相对应的分支的数量进行配置以控制热传递。在自然对流下，热传递与分支的数量成正比。然而，经过一定数量的分支生成之后，热传递饱和。此外，可以配置分支比，以便获得最小的热传导阻力，从而获得更大的热传递。在非限制性示例中，可以使用分支比0.707(√2/2)或0.7937。

如图46至图48所示，中空锥形穿孔结构被设置为具有一组径向延伸的分支翅片的散热器。根据这种设计，中空锥形穿孔结构的圆锥台上的分支翅片和/或穿孔图案在本质上可以是分形的。圆锥体是具有半径递减的圆形横截面的对象，其在任何尺度上都是自相似的。空心圆锥台本身在拓扑上是规则的，但是穿孔图案可以遵循分形模式。对流可以引起足够的流动以确保散热。

圆锥台位于支撑整个结构的水平金属板上，并且连接至集成电路板、芯片或其他待冷却的热源上。水平板连接至热源表面的下表面通常是光滑的，以便从接收热量的对象的平坦表面提供有效的热传递。直径逐渐减小的圆柱体例如在中空圆锥台从该水平板上延伸，以使得热空气能够向上逸出(圆柱体的缩窄意味着随着空气的上升空气的速度增大，以促进涡流的形成)。如上所述，穿孔证明空气的吸入产生对流。因此，锥角和孔模式可被优化以在一系列操作条件下产生对流。这种优化可以使用计算流动力学软件来执行。

中空圆锥台的表面被穿孔，以一种模式布置，该模式可以是分形模式，以使得空气能够穿过壁以促进向上的通风。这种分形模式的示例可以是孔的螺旋排列，其中圆锥表面上的螺旋是半径递减的模式，其在任何尺度上都是自相似的。这些孔可以以分形模式排列；需要注意的是，螺旋的手性和逐渐减小的直径将使除了一排孔之外的任何空间模式不对称。孔的大小还可以遵循随着圆锥体的高度的减小而减小的分形模式，其在任何尺度上都保持自相似。围绕圆锥体以螺旋模式设置的孔可以规范涡流的形成。类似地，圆锥体的内表面可以具有一个或多个螺旋槽，以产生热空气的螺旋运动，从而促进涡流的形成。由于科里奥利效应的反向，旨在用于赤道以下的设计应该有反向的螺旋方向。

散热片形式的散热元件以分支模式从圆锥台向外延伸，这可以根据分形分支模式来设计。需要注意的是，在一些情况下，分支模式可以被定义为偏离自相似分形分支模式。例如，当空间或其他约束决定分支模式时，结果与分形设计不同。翅片还可以具有穿孔和/或表面浮雕的模式，翅片还可以分别以分形模式提供。

这种设计可能很难使用典型的减材制造工艺来生产。然而，该设计可以通过增材制造工艺来生产，例如基于三维印刷形式的激光烧结或熔模铸造。设计的细节或各种参数可以基于机械和物理约束、设计论文和计算流动力学环境(如Comsol)来生成。例如，可以使用遗传算法或基于设计空间的蒙特卡洛探索来递增地迭代设计参数。一组设计规则可以限制设计的各个方面的最小特征尺寸和最大特征尺寸。

如图46和图47所示，翅片可以以挤压成形的形式提供，从而使得水平位置，圆锥形芯和散热片能够作为单独的组件进行复合制造过程，所示单独的部件被连接或熔合。因此，用于水平板、中心芯(圆锥台)和翅片的材料不必相同。例如，水平板可以是钢，中心芯可以是铜，而翅片可以是铝。

根据这种设计，散热以两种方式进行：(a)在圆柱体或圆锥台内部，形成携带热空气向上离开底部的涡流，以及(b)通过向外指向的翅片，将热量从圆柱体或圆锥台带离。核心的外部结构不需要与内部结构直接相关，例如，外表面可以是圆柱形的，内表面可以是圆锥形或文丘里形的(具有收缩和随后的膨胀)。可以针对整体效率对圆柱体或圆锥台的壁上的穿孔进行优化，以增强峰值散热，或增强特定工作点的效率。

可以提供风扇或鼓风机以在一定速度范围内引入气流。该设计可以在部分工作范围内使用被动对流散热来提供高效的操作，并且在更大的范围内进行主动散热。这种风扇可以最佳地圆锥台的位于其开口上方的顶部。

可以基于流过多个热交换元件的流体热交换介质的速度来控制热传递。通常，在强制对流下，热传递与流体热交换介质的速度成正比。此外，已经发现，随着流体热交换介质速度的增加，使热传递最大化所需的最佳分支数会减少。因此，在较高速度的强制对流下，为实现所需的热传递量，只需要较少数量的分支。可以通过改变泵送功率来控制通过多个热交换元件以穿孔翅片阵列的形式进行的热传递。在这种情况下，热传递可以与泵送功率成反比，对于湍流交叉流，热传递增加量很小，而对于平行流，热传递的增加量很大。

散热器的各个部件可以使用制造技术制造，例如但不限于注射成型、压铸、挤压、锻造、重力成型、CNC铣削、CNC冲压、冲压、线切割机和线切割放电加工(EDM)、增材制造(例如3D打印、2.5D打印等)。散热器的各个部件可以通过采用切削工具和受控切片技术的机械加工来制造，以由例如但不限于铜或铝的实心材料块来构造多个热交换元件。这种技术优选地用于构造多个热交换元件，该热交换元件的厚度比通过诸如挤压的其他技术来构造的热交换元件的厚度要小。使用这种技术制造的散热器的优点包括高纵横比、薄翅片、低加工成本、制作原型容易且便宜、单向流动以及单件结构。散热器的部件还可以通过将由但不限于铜或铝制成的薄片弯曲成翅片来制造，以形成多个热交换元件。然后，散热片被粘接到散热器的平坦基部上。这种技术允许平坦基部、核心和翅片由不同的材料制成。这种制造技术的优点包括翅片重量轻、加工成本低以及平坦基部和翅片的材料不同。散热器的各个部件可以由片材制成，所述片材例如但不限于铜或铝使用环氧树脂、软钎焊和铜焊中的一种或多种粘结至平坦基部上。这种制造技术适用于低热阻的大功率应用，并且可以使用强制空气冷却。散热器的部件还可以使用压铸来制造。在该技术中，诸如但不限于液态铝的材料在高压下被压入可重复使用的钢模中。当热交换元件具有复杂形状时，这种技术尤其适用。

本领域技术人员将认识到制造本文所描述的散热器的许多方法。例如，现代三维激光和液体打印机可以创建诸如本文所述的特征分辨率大约为16μm的散热器的对象。此外，可以使用递归生长算法或通过晶体生长技术来生长晶体结构。例如，美国2006/0037177描述了一种通过使用光谱能量模式来调节晶体所暴露的温度、压力和电磁能量以控制晶体生长以产生分形或其他结构的方法。这种方法可以用于制造本文所述的散热器。对于较大的散热器，例如那些旨在用于汽车散热器的散热器，用于大型设备的传统制造方法可以适用于创建本文所描述的分形结构。

在挤压式多级分支散热器设计中，挤压式散热器可能会进一步受到空间变化的纹理影响，这可能是由于沉积或蚀刻而产生的。例如，由于缝隙难以接近，自组装/自组织蚀刻工艺是优选的，其中近似的表面粗糙度随距热源的拓扑距离的变化而变化。例如，可以提供一种溶液，该溶液以受控方式沉积粒子。粒子在蚀刻槽中被热激活，并且散热器被选择性地加热，使得粒子产生所期望蚀刻特征的分布(尺寸、位置、深度)。由于粒子取决于散热片的分形形状，因此粒子也是分形的。但是，蚀刻过程中粒子之间的相互作用也可能会产生独立的自相似的空间变化结果。

在典型的现有散热器中，风扇的能量成本被认为是高的(并且噪声的损失也被认为是高的)，因此提供了低压力和适度的传热流体流速，在一组板或叶片上的流动趋向于层流。这种流动条件会促进粒子沉积在热交换表面上。另一方面，在一些情况下，风扇的能量成本和/或噪音不是要最小化的关键变量。在这种情况下，需要高流速以引起湍流，因为搞流速破坏了边界层并提供了更高的传热系数，同时还减少了(或减轻了)热交换表面上的粒子沉积。在空间填充的分形或分形状对象的表面具有宽泛的特征尺寸的情况下，可以在几何中心内或附近提供散热结构。(该结构大约可以分成一半，并且该结构安装在表面上的散热结构上)。可以根据多尺度或分形算法优化穿过表面的穿孔，以控制冷却介质流动模式和散热。可以提供压缩空气源，该压缩空气源吹入散热结构附近的空隙中，并且空气流通过分形状的对象离开所述结构。相对较小的压缩机可将增压室朝着易结垢的传热表面加压，该集气室通过一个或多个喷嘴定期排出。压缩机可以与风扇并行运行，即两者同时运行，并且压缩机与风扇可以由相同的电动机运行。压缩机可以具有至少两种操作模式，一种操作模式是在散热负载允许基于风扇或对流流动来散发热量时采用的，因此允许集气室被充入相对较高的压力，从而产生高的脉冲以去除灰尘和碎屑，另一种操作模式是当热负载高时采用的，并且来自压缩机的更连续的低压空气流有助于散热器的运行。通过这种方式，在峰值散热需求时间可获得最大空气流量，而在较低散热时间可获得较高的峰值流速的较低空气流量。此外，应当注意的是，结构的热交换元件的振动可能有助于散热，尤其是在宏观运动的情况下，因此与压力梯度和空气在元件周围的流动有关。

根据本技术的散热器可以使用散热器的计算流体动力学(CFD)模型、利用带有设计替代方案的迭代测试方法(例如，使用遗传算法)或以基础设计的CFD属性为指导的自适应确定性算法进行设计。CFD模型可以用作多尺度生成算法的优化标准。例如，用于总体形态和表面配置的多尺度生成算法的变量最初可以在整个可用参数范围的稀疏采样中运行，并在条件范围内针对每次迭代测量CFD性能。然后，可以使用先前的CFD数据作为指导，执行遗传算法以进一步探索解决方案空间。成功标准被建立，并且满足成功标准时可以停止搜索，尽管在许多情况下，停止标准即设计符合性能标准，并且探索已经消耗了预算资源，因此不必轻易忽略容易找到的解决方案。例如，如果在云计算环境中实施预算，则预算可以是成本预算。在其他情况下，探索会持续一段时间，并且当截止日期过去时，将采用最佳的充分设计。

这种方法的一个优势是，优化过程可以采用临时约束(例如空间约束)进行。因此，用于生成“形状”分形的生成算法(较低级的设计算法)的每次迭代都提供了一种选择，该选择可以通过散热器的CFD热模型进行指导。同样，第二级分形纹理还可以根据CFD框架设计。由于较低级别的CFD取决于结构的表面特性，因此每个元素的模型(即在较低级别算法的递归级别上具有由较高级别纹理映射算法定义的表面的结构)包括下层属性和上层属性。

在一些情况下，独特的技术可能局限于应用于基本形状的第二级纹理或穿孔图案，第二级纹理或穿孔图案与分形设计不同。例如，可以根据已知设计将纹理或穿孔图案设置在散热器元件的对称、均匀阵列(分支的或其他形式)上。

如上所述，传热介质均匀流动的假设不一定适用，并且该设计可以针对一定范围的流动条件进行优化。例如，随着热负载的增加，流速和源矢量可能会改变。在一些情况下，可以例如通过形状记忆合金(SMA)、双金属元件、相变介质(固-液、液态气体等)、电磁、压电等来改变散热器结构本身。典型地，向散热器添加附加结构(即，质量)导致效率增加，并且例如，较大的分支结构通常预期比相应的具有较小分支结构的散热器具有更高的效率。然而，在一些情况下，较大的结构会损害传热流体的流动，因此会降低效率。典型地，表面纹理被提供以增加系统在峰值热负载下的效率，并且优选地在较低负载下降低成本和/或声发射。降低的成本包括材料成本和运行成本，运行成本通常对应于风扇运行功率。因此，例如，可以通过表面穿孔图案来修改散热器设计，从而修改成具有更低的质量和更大的表面积，以提供更高的峰值热负载能力。

该文献描述了用于制造和使用分形散热器的设备、方法和制品的说明性示例。无论是本发明的具体实施例作为一个整体，还是所述具体实施例的特征都不一定限制本发明的基本原理。在不脱离本文所阐述的本发明的精神和范围的情况下，这里描述的特定特征可以在一些实施例中使用，而不能以各种组合和排列使用在其他实施例中。组件的各种物理布置和各种步骤顺序也落入本发明的预期范围内。在前面的公开中打算进行许多附加的修改，并且本领域的普通技术人员应当理解的是，在一些情况下，在没有其他特征的相应使用的情况下将采用本发明的一些特征。因此，说明性实施例并不限制本发明的范围和范围，并且为本发明提供了法律保护，该功能由当前和将来的权利要求及其等同物来实现。

散热器可以具有相关联的控制系统，所述控制系统包括反馈输入或者反馈传感器，所述反馈输入可以是定义过去、现在或未来热负载或其他操作条件的系统状态，所述反馈传感器定义当前温度、空气流动、声发射(例如，湍流的指示)或其他条件。所述输入由自动处理器(例如，微处理器或微控制器，和/或系统处理器、远程处理器(例如，云处理器)等)进行处理。处理器或控制系统然后产生输出，所述输出可以用于控制风扇或其他热交换介质的流速或流动条件(例如，风扇速度)、湍流产生装置和/或其特征(例如，分形网格距热交换表面的距离或方向)、热交换表面的结构(例如，相对于热交换介质流的角度倾斜)等。通过其进行自动控制操作的算法可以采用多因素优化，其可以包括风扇或其他非处理部件的能量消耗、部件的热循环损坏、部件的热损坏、额外处理负载的余量、声发射、处理器热节流、灰尘累积和减少等。操作条件的各个方面被组合成距离函数，并且被视为单一的无量纲变量，或进行组合优化，尤其是在多个输入和/或输出不具有直接相关的行为的情况下。

Claims (34)

1.一种散热器，包括：

传热体；

所述传热体的基部，用于接收热负载；

所述传热体的外表面，包括通过外部传热流体的区域彼此分离的多个细长部分，并且用于将热负载从所述基部传递至所述外部传热流体；以及

物理多尺度图案，所述物理多尺度图案与所述外表面相关联并且与所述多个细长部分不同，所述物理多尺度图案由迭代函数系统限定并且包括由在分支节点之间延伸的自相似特征分开的多个连续分支级别，所述物理多尺度图案用于与所述外部传热流体围绕所述外表面的流动相互作用，以破坏所述流动的模式。

2.根据权利要求1所述的散热器，还包括风扇或鼓风机，所述风扇或鼓风机用于引起所述外部传热流体的所述流动，从而使得所述外部传热流体的湍流模式与所述物理多尺度图案相互作用。

3.根据权利要求2所述的散热器，其中，所述风扇或鼓风机用于在一流速范围内引起所述外部传热流体的所述流动，以及其中，第一流速提供所述外部传热流体的流动靠近所述外表面的非湍流部分，且第二流速提供所述外部传热流体的流动靠近所述外表面的湍流部分，其中，所述第一流速高于所述第二流速。

4.根据权利要求2所述的散热器，其中，所述风扇或鼓风机用于在一流速范围内引起所述外部传热流体的流动，其中，所述外部传热流体在与所述物理多尺度模式相互作用的区域中的整体流动矢量在所述流速范围内变化。

5.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度图案与所述外表面为一体。

6.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度图案与所述外表面分离。

7.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度图案包括分形网格。

8.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度图案包括3D分形滤波器。

9.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度图案包括所述外表面的穿孔图案。

10.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度图案包括分形纹理。

11.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度图案包括所述外表面上的3D浮雕模式。

12.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度模式用于在与所述外表面的一部分相互作用之前引起所述外部传热流体的湍流。

13.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述物理多尺度模式用于在与所述外表面相互作用的同时引起所述外部传热流体的湍流。

14.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述外表面具有由第二迭代函数系统限定的所述多个细长部分的配置，所述第二迭代函数系统不同于所述迭代函数系统。

15.根据权利要求14所述的散热器，其中，所述第二迭代函数系统包括三维算法，所述三维算法适于定义所述细长部分在三维中延伸的位置。

16.根据权利要求1所述的散热器，其中，至少所述传热体、所述基部、所述外表面以及所述物理多尺度模式根据所述外部传热流体的计算流动动力学模型进行优化。

17.根据权利要求16所述的散热器，其中，遗传算法被提供用于为至少所述物理多尺度模式提供生成算法的参数。

18.一种散热器，包括：

基部，用于传递热负载；

传热体，具有所述基部和包括多个热交换表面的三维结构；以及

物理多尺度图案，与所述多个热交换表面相关联并且不同于所述多个热交换表面，所述物理多尺度图案是确定性的并且具有超过相应拓扑维度的分形维度，所述物理多尺度图案用于与外部传热流体邻近相应外表面的流动相互作用，以破坏所述流动的模式，并且用于相对于没有所述物理多尺度图案的相应传热表面，增强来自所述相应传热表面的热传递。

19.根据权利要求18所述的散热器，其中，所述物理多尺度模式包括设置在所述多个热交换表面上的确定性多尺度穿孔或确定性表面浮雕模式，所述物理多尺度模式具有超过相应拓扑维度的豪斯多夫维度并且用于在所述传热体和所述外部传热流体的流动流之间以传热流体流速传热，在相同的传热流体流速下，所述物理多尺度模式的传热效率大于对应的传热体传热体在所述多个热交换表面上没有设置有所述确定性的多尺度穿孔或所述确定性表面浮雕模式的情况下的传热效率。

20.一种热交换装置，包括以第一分形结构布置在三维空间中的多个热交换元件，每个所述热交换元件具有以第二分形结构布置的表面纹理或穿孔图案。

21.根据权利要求20所述的热交换装置，其中，所述第一分形结构是在三维中扩展的2D分形。

22.根据权利要求20所述的热交换装置，其中，所述第一分形结构选自由下述项组成的组合：L系统、二次科赫岛、科赫雪花、改进的科赫雪花、二十面体薄片、八面体薄片、分形树冠、分形树、分形网格、席尔宾斯基三角形、席尔宾斯基地毯、席尔宾斯基四面体、十二面体分形、康托集、康托尘埃、3D康托尘埃、分支树和皮亚诺曲线。

23.根据权利要求20所述的热交换装置，其中，所述第二分形结构选自由下述项组成的组合：康托尘埃、褶皱的树冠、科赫表面、三角形科赫分形表面、阿波罗尼分形、圆反转分形、圆填充分形、阿波洛尼奥衬垫、席尔宾斯基地毯和六角形分形地毯。

24.一种用于操作具有产生多余热量的至少一个电子元件的电子设备的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述热量从所述至少一个电子元件传导至热交换装置，所述热交换装置包括布置在三维空间中的多个热交换元件，每个所述热交换元件具有以分形结构布置的表面纹理或穿孔图案；以及

将来自所述热交换元件的所述多余热量耗散到所述表面纹理或穿孔图案周围具有传热介质流动的环境中，

其中，所述传热介质的流动在一流速范围内进行，所述流速范围使得在所述多个热交换元件的各个不同区域的传热系数根据相应流速和所述表面纹理或穿孔图案进行变化。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个热交换元件以独立于所述分形结构的第二分形结构布置在所述三维空间中。

26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述表面纹理或穿孔图案包括与所述多个热交换元件的外表面相关联的确定性多尺度模式，其中，对于包括所述多余热量和所述相应流速的一组条件，传热介质的流动减少了停滞的表面边界层，以促进从所述热交换装置至所述传热介质的热传递。

27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述相应流速由控制器根据由声发射传感器所检测的湍流引起的声发射来控制。

28.根据权利要求24所述的方法，其中，所述相应流速由控制器根据所述热交换装置和一组传感器的计算流动动力学模型来控制，所述一组传感器提供用于评估所述热交换装置的所述计算流动动力学模型的数据。

29.一种传热装置，包括根据第一分形模式布置在三维空间中的多个热交换元件，所述多个热交换元件中的每一个为以下中的至少一者：以具有以第二分形模式布置的位置的多个孔穿孔，以及根据第三分形模式纹理化的浮雕。

30.根据权利要求29所述的传热装置，其中，所述多个热交换元件包括的所述多个孔具有不同尺寸，其中，所述不同尺寸根据第四分形模式定义。

31.根据权利要求29所述的传热装置，其中，所述多个热交换元件是利用第二分形模式纹理化的浮雕。

32.根据权利要求29所述的传热装置，其中，所述多个热交换元件中的每一个都穿孔有所述多个孔，并且具有纹理化的浮雕。

33.根据权利要求29所述的传热装置，其中，每个所述第一分形模式包括具有至少两个分支节点的分支网络。

34.根据权利要求29所述的传热装置，还包括具有集成电路的发热电子装置，所述发热电子装置用于传递所产生的热量，以通过所述多个热交换元件进行散热。

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