具有固定式翅片的動力學(xué)散熱器的制造方法
【專利說明】
[000。 優(yōu)先權(quán)
[0002] 該專利申請要求2013年4月26日提交的發(fā)明名稱為"具有固定式翅片的動力學(xué) 散熱器"且發(fā)明人為利諾?A?岡薩雷斯、普拉莫德?沙瑪爾蒂和弗洛倫特?尼古拉斯?塞 韋拉克的臨時(shí)美國專利申請No. 61/816, 450的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時(shí)專利申請的全部內(nèi)容在 此通過的引用方式并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及熱提取和散熱裝置及其方法，更具體地，設(shè)及與電子部件一起使用的 動力學(xué)散熱器。
【背景技術(shù)】
[0004] 在運(yùn)行期間，電路和裝置產(chǎn)生廢熱。為了適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行，電路和裝置的溫度通常應(yīng)在 某一范圍內(nèi)。通常，使用物理地安裝到電動裝置的散熱器來調(diào)節(jié)電動裝置的溫度。
[0005] 不是使用散熱器，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員最近已經(jīng)轉(zhuǎn)向更有效的部件冷卻方法一一 動力學(xué)散熱器。在高水平下，動力學(xué)散熱器通常具有與電子裝置聯(lián)接的基座和包括一體式 引流結(jié)構(gòu)（例如翅片、風(fēng)扇葉片、或葉輪）的旋轉(zhuǎn)熱質(zhì)量，該基座與電子裝置聯(lián)接。旋轉(zhuǎn)部 分更有效地從基座吸收熱量，使用更小的占用空間來冷卻電子裝置。
[0006] 動力學(xué)散熱器可W構(gòu)造成引導(dǎo)尤其是適合于某些冷卻應(yīng)用的流體流。流體是指液 體和氣體（例如，空氣）兩者。運(yùn)常常需要將殼體定位在基座和旋轉(zhuǎn)熱質(zhì)量上方。然而，該 殼體增加了另一個(gè)設(shè)計(jì)約束；即，它通常需要在旋轉(zhuǎn)部分與殼體之間相當(dāng)大的間隙來減小 它可能產(chǎn)生的流動阻力。運(yùn)種增加的間隙因此增加整個(gè)裝置的大小，至少部分地否定由動 力學(xué)散熱器提供的更小占用空間的益處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例，散熱設(shè)備具有基座結(jié)構(gòu)，該基座結(jié)構(gòu)具有第一導(dǎo)熱 表面和第二導(dǎo)熱表面W在它們之間傳導(dǎo)熱量。第一導(dǎo)熱表面可安裝到發(fā)熱部件。散熱設(shè)備 也具有W可旋轉(zhuǎn)方式與基座聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)具有隔著流體間隙與第二導(dǎo)熱表 面面對的可移動熱提取表面。當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體間隙熱阻特性降低。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)具有 旋轉(zhuǎn)翅片，當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述旋轉(zhuǎn)翅片W通道方式引導(dǎo)熱介質(zhì)（即，形成流體流）從 與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連通的熱儲存器的一個(gè)區(qū)域（即，第一區(qū)域）到熱儲存器的另一個(gè)區(qū)域（即，第 二區(qū)域）?；Y(jié)構(gòu)具有從第二導(dǎo)熱表面延伸的固定式翅片。翅片處于熱儲存器的第一區(qū) 域與第二區(qū)域之間的流體流路徑中。流體是指液體和氣體（例如，空氣）兩者。
[0008] 散熱設(shè)備可W具有殼體，該殼體固定地聯(lián)接到基座結(jié)構(gòu)并且包圍旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和固定 式翅片。殼體可W具有沿著熱儲存器的第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的流體流路徑的入口和出 口。散熱設(shè)備可W具有在殼體外部的第二組固定式翅片。第二組固定式翅片可W位于入口 的嘴部（mouth)和/或出口處。
[0009] 殼體可W成形為促進(jìn)或W通道方式引導(dǎo)流體流。例如，殼體可W成形為螺旋形或 貝殼形。固定式翅片（殼體的內(nèi)部或外部）可W成形為葉片、釘或柱體。固定式翅片可W 是柵格結(jié)構(gòu)，例如蜂巢或金屬泡沫。翅片可W構(gòu)造成當(dāng)結(jié)合動力學(xué)散熱器運(yùn)行時(shí)獲得特定 的傳熱密度、特定的噪聲特性、或特定的流量。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，操作散熱設(shè)備的方法提供了具有基座結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)結(jié) 構(gòu)和固定式翅片的散熱設(shè)備。基座結(jié)構(gòu)具有第一導(dǎo)熱表面和第二導(dǎo)熱表面W在它們之間傳 導(dǎo)熱量。第一導(dǎo)熱表面可安裝到發(fā)熱部件。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)W可旋轉(zhuǎn)方式與基座結(jié)構(gòu)聯(lián)接并具 有隔著流體間隙與第二導(dǎo)熱表面面對的可移動熱提取表面。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)翅片，當(dāng)旋 轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)翅片W通道方式引導(dǎo)傳熱流體從與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連通的熱儲存器的一個(gè)區(qū) 域（第一區(qū)域）到熱儲存器的另一個(gè)區(qū)域（即，第二區(qū)域）。固定式翅片從第二導(dǎo)熱表面或 殼體延伸并處于在熱儲存器的第一區(qū)域與第二區(qū)域之間的流體流路徑中。該方法還包括： 改變所述旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，W控制來自流體流路徑中的固定式翅片的傳熱量W及來自旋轉(zhuǎn) 翅片的傳熱量。
【附圖說明】
[0011] 通過參考下文中結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，將更容易地理解實(shí)施例的前述特征，在運(yùn) 些圖中：
[0012] 圖1示意性地示出根據(jù)說明性實(shí)施例的散熱設(shè)備的截面圖。
[0013] 圖2示出圖1的散熱設(shè)備的運(yùn)行。
[0014] 圖3A示意性地示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的輸出引導(dǎo)流的散熱設(shè)備的截面圖。
[0015] 圖3B示意性地示出根據(jù)替代實(shí)施例的散熱設(shè)備的截面圖。
[0016] 圖4A-4F示意性地示出根據(jù)各種實(shí)施例的固定式翅片的形狀。
[0017] 圖5示出根據(jù)說明性實(shí)施例的散熱設(shè)備的傳熱性能。
[0018] 圖6示出動力學(xué)散熱器的固定式翅片與葉輪之間的傳熱系數(shù)的比較。
[0019] 圖7示意性地示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有固定式翅片的動力學(xué)散熱器。
[0020] 圖8A示意性地示出圖7的動力學(xué)散熱器的分解圖。
[0021] 圖8B示意性地示出根據(jù)替代實(shí)施例的圖7的動力學(xué)散熱器。
[0022] 圖8C示意性地示出根據(jù)替代實(shí)施例的圖8B的動力學(xué)散熱器。
[0023] 圖9示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有固定式翅片的動力學(xué)散熱器的熱阻特性。
[0024] 圖IOA示意性地示出根據(jù)另一個(gè)說明性實(shí)施例的輸出引導(dǎo)流的具有固定式翅片 的動力學(xué)散熱器。
[0025] 圖IOB示意性地示出根據(jù)替代實(shí)施例的具有固定式翅片的動力學(xué)散熱器。
[0026] 圖11A-11D示意性地示出根據(jù)各種實(shí)施例的固定式翅片布局模式。
[0027] 圖12示出圖7的實(shí)施例的葉輪通道部分中的流體流的相對速度。
[0028] 圖13示出圖7的實(shí)施例中的流體流的相對速度。
[0029] 圖14示意性地示出根據(jù)實(shí)施例的具有固定式翅片的動力學(xué)散熱器。
[0030] 圖15A是示出圖14的動力學(xué)散熱器設(shè)備的裝置性能的圖。
[0031] 圖15B是示出圖14的動力學(xué)散熱器設(shè)備的空氣流性能的圖。
[0032] 圖16是根據(jù)說明性實(shí)施例的動力學(xué)散熱器的操作方法。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 說明性實(shí)施例促進(jìn)了使用直接聯(lián)接至固定發(fā)熱元件的基座板的固定式翅片的動 力學(xué)散熱器的高密度傳熱。除了改善傳熱之外，該布置還使得動力學(xué)散熱器能夠具有運(yùn)樣 的殼體：該殼體提供受引導(dǎo)的流體流，但仍維持相對小的占用空間。流體是指液體和氣體 (例如，空氣）兩者。下面討論各種實(shí)施例的細(xì)節(jié)。
[0034] 圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的散熱設(shè)備100(也被稱為"動力學(xué) 散熱器100")的截面圖。散熱設(shè)備100具有基座結(jié)構(gòu)102,該基座結(jié)構(gòu)102具有第一導(dǎo)熱 表面104和第二導(dǎo)熱表面106W在它們之間傳導(dǎo)熱量。第一導(dǎo)熱表面104可安裝到發(fā)熱部 件110,例如電子裝置或部件。例如，該部件尤其可W包括電阻裝置、印刷電路板或集成電 路。
[0035]散熱設(shè)備100具有W可旋轉(zhuǎn)方式與基座結(jié)構(gòu)102聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 112可W是電動馬達(dá)（未示出）的轉(zhuǎn)子的一部分，具有隔著流體間隙116與第二導(dǎo)熱表面 106面對的可移動熱提取表面114。在一些實(shí)施例中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112在正常運(yùn)行期間旋轉(zhuǎn) 時(shí)，流體間隙116在約IOym(微米）和約20ym之間變化，因此具有熱阻特性（例如，小于 0.1攝氏度每瓦）。其它實(shí)施例形成更大或更小的流體間隙116。例如，在具有在從基座結(jié) 構(gòu)102和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112突出的豎直同屯、翅片之間形成的流體間隙116的替代實(shí)施例中，流 體間隙116可W為至少50微米或更大。在說明性實(shí)施例中，由于運(yùn)種旋轉(zhuǎn)，橫跨流體間隙 116的熱阻可W下降一半W上。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112具有旋轉(zhuǎn)翅片118,當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112旋轉(zhuǎn)時(shí)， 旋轉(zhuǎn)翅片118W通道方式引導(dǎo)傳熱介質(zhì)（即，流體）從與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112連通的熱儲存器的 一個(gè)區(qū)域（即，第一區(qū)域）到熱儲存器的另一個(gè)區(qū)域（即，第二區(qū)域）。如本文所使用的，旋 轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112可W稱為葉輪。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例，基座結(jié)構(gòu)102還具有從第二導(dǎo)熱表面106延伸的一 組固定式翅片122,W提供額外的散熱表面積。固定式翅片122是在熱儲存器的第一區(qū)域和 第二區(qū)域之間的流體流路徑中的物理結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112提供流體流，W進(jìn)一步從固定式 翅片122排出熱量。如圖所示，固定式翅片122處于流體流的直接路徑中，也通過自然對流 來排出熱量。
[0037] 固定式翅片122可W與第二導(dǎo)熱表面106 (實(shí)際上，基座結(jié)構(gòu)102的一部分）一體 形成。替代地，固定式翅片122可W與基座板可移動地連接。
[003引圖2示出圖1的散熱設(shè)備的運(yùn)行。在該圖中，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112旋轉(zhuǎn)，W便化圍道方式 將導(dǎo)熱介質(zhì)從熱儲存器的第一區(qū)域202沿著流動路徑引導(dǎo)到熱儲存器的另一個(gè)區(qū)域（即， 第二區(qū)域）。流體流可W沿徑向方向離開旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112可W在第一區(qū)域202 處形成旋滿。隨著流體流經(jīng)散熱設(shè)備100 (例如，穿過該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112的旋轉(zhuǎn)翅片118)，在 發(fā)熱部件110與散熱設(shè)備100的固體體積之間形成溫度梯度（即，AT)。溫度梯度提供傳 熱勢，從而導(dǎo)致固體體積之間的更大的熱提取W及該固體體積與傳遞介質(zhì)之間的更大的排 熱。一般地，基座結(jié)構(gòu)102從發(fā)熱部件110提取熱量（箭頭208)并且熱量傳播（箭頭210) 穿過基座結(jié)構(gòu)102。隨著熱量傳播210穿過基座結(jié)構(gòu)102,熱量的一部分212橫跨流體間隙 116被轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112,并通過旋轉(zhuǎn)翅片118被排至熱儲存器中。熱量213的另一部分 傳播通過固定式翅片122并排出至從旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112驅(qū)散的預(yù)加熱215流體中。
[0039] 在低旋轉(zhuǎn)速度下，當(dāng)橫跨流體間隙116的熱阻特性相對于固定式翅片122的熱阻 低時(shí)，由旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)112傳遞并排出的熱量212大于由固定式翅片122排出的熱量213。隨 著轉(zhuǎn)速增大，固定式翅片的熱阻特性變得比空氣間隙116和旋轉(zhuǎn)翅片118的合成阻值