冷却设备的制作方法

专利名称：冷却设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及对物品比如电子设备的冷却。
背景技术：
电子设备的热控制中执行的工作显示，从介质至高能设备(10-150W)散发的热量 是电子工业的关键要求。电子工业要求易于实施、制造成本有竞争力、并且具有低型面(low profile)的设备。在较大规模的电子系统中，摩尔定律(Moore，196 使得很多设备的热通 量每18个月翻倍，因而威胁部件的可靠性。于是就需要创新的冷却解决方案，因为常规的 基于空气的冷却技术在很多情况下将不再够用。在实施这些技术中要克服的主要障碍是成 本有竞争力且易于集成的解决方案的发展。电子工业中的一个问题是需要开发用于低型面产品比如笔记本和膝上型计算机 应用的解决方案，连同在PC机和服务器的插槽内使用散热器的解决方案。在PC机中，很多 冷却方案需要两个或更多插槽方案来从标准GPU或CPU冷却超过25瓦。目前，主动冷却涉 及使用风扇和翅片式散热器来实现所需性能。使用翅片在很多情况下增大了成本、重量、穿 过污垢的可靠性、以及型面，这导致了在很多新兴技术中实施时的困难。US7455504描述了一种能用于冷却电子部件的流体移动机。其具有在若干零件中 的转子，旨在实现转子圆周周围的层流。本发明旨在提供一种冷却设备，其相比现有的用于在受限空间中工作比如电子部 件冷却的冷却设备而言更加紧凑、和/或制造更简单、和/或更有效率。

发明内容
根据本发明，提供了一种冷却设备，其包括具有冷却设备入口的流体泵；散热器，其包括轴向间隔开的相对传热表面和连接所述表面的侧壁装置；并且散热器在其侧面上具有冷却设备出口。在一个实施例中，侧壁装置没有完全围绕散热器周边延伸。在一个实施例中，散热器包括多个侧面并且冷却设备出口设在至少其中一个侧面 上。在一个实施例中，散热器包括四个侧面并且冷却设备出口设在至少其中一个侧面 上。在一个实施例中，冷却设备出口设在一个侧面上，并且侧壁装置设在其它三个侧 面上。在一个实施例中，冷却设备出口设在两个相对侧面上并且侧壁设在其它两个侧面 上。在一个实施例中，散热器在平面图中看为近似方形。在一个实施例中，散热器的间隔开的相对表面限定体积，其中没有散热片从面对泵的散热器入口延伸。在一个实施例中，冷却设备出口处于径向上与散热器入口相对的侧面上。在一个实施例中，表面基本上平行，并且流体泵包括直径在散热器宽度的0. 7至 0.8倍范围内的转子叶轮。在一个实施例中，散热器包括通过侧壁装置互连的至少两个板。在一个实施例中，板具有提供冷却设备入口的孔隙。在一个实施例中，板都包括热传导材料。在一个实施例中，散热器包括单片材料。在一个实施例中，材料被成形以提供散热器。在一个实施例中，散热器为模制构造。在一个实施例中，散热器包括挤压成型件。在一个实施例中，散热器通过折叠成形。在一个实施例中，散热器为大致U形横截面。在一个实施例中，仅有单个板包括热传导材料。在一个实施例中，该设备还包括热扩散装置。在一个实施例中，热扩散装置包括热管装置。在一个实施例中，热管装置扁平化以提供管和散热器的传热表面之间增强的传 热。在一个实施例中，散热器的相对表面之间的间隙小于5mm。在另一个方面，本发明提供了一种冷却设备，其包括散热器，其包括具有热传导表面的单个板，所述热传导表面与待冷却物品相接触 或通过热界面材料与之间隔开；以及与传导表面相邻的流体泵。在另一个方面，本发明提供了一种冷却设备，其包括具有冷却设备入口的流体泵；散热器，其包括轴向间隔开的相对表面；散热器在其侧面上具有冷却设备出口，其中散热器包括热传导和非热传导材料。在一个实施例中，散热器包括至少两个在轴向上间隔开的板，至少其中一个板至 少部分地为非热传导材料。在一个实施例中，流体泵延伸穿过板。在一个实施例中，流体泵延伸穿过两个板。在一个实施例中，流体泵从至少一个板的外表面伸出。在一个实施例中，流体泵在平面中看时相对于板的中心偏移地定位，给泵的侧面 提供用于与待冷却设备相接触的接触面积。在又一个方面，本发明提供了一种冷却设备，其包括具有冷却设备入口的流体泵；以及散热器，其包括轴向间隔开的相对表面，其中散热器的相对表面之间的间隙小于 5mm ο在再一个方面，本发明提供了一种用于如上述任一实施例限定的冷却设备的散热
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在另一个方面，本发明提供了一种电子电路组件，其包括如上述任一实施例限定 的冷却设备以及与冷却设备相接触的电子电路。在一个实施例中，流体泵包括叶轮叶片，并且电路在与泵的叶片和刚好径向超过 叶片的体积/空间对准的位置处接触冷却设备。 在一个实施例中，所述位置与使表面互连的侧壁相邻。在又一个方面，本发明提供了一种电子散热设备，其包括如上述任一实施例限定 的电子电路组件。在一个实施例中，散热设备是便携的。


本发明从下面参照附图仅以示例的方式给出的描述中将得到更清楚的理解，在附 图中图1是根据本发明一个实施例的冷却设备的分解等角视图；图2是根据本发明另一个实施例的冷却设备的等角视图；图3、4和5分别是图2所示设备在风扇未就位之下的正视图、平面图和端视图；图6和7分别是用来形成图2至5所示冷却设备的板的平面图和正视图；图8是根据图1所示本发明实施例的组装后冷却设备的等角视图；图9、10和11分别是图8所示设备在风扇未就位之下的正视图、平面图和端视图；图12和13分别是用来形成图8至11所示冷却设备的板的平面图和正视图；图14是类似于图8的冷却设备的等角视图，其中，一侧被阻塞；图15是类似于图14的冷却设备的等角视图，其中，两侧被阻塞；图16是类似于图14的冷却设备的等角视图，其中，三侧被阻塞；图17和18是另一冷却设备的等角视图，其中标记为20的表面没有直接与待冷却 部件热接触，其能由非热传导材料制造；图19和20分别是又一冷却设备在附近壁之间的受限空间中工作时的等角视图和 侧视图；图21和22分别是能被挤压成型以形成本发明冷却设备的散热器实施例的等角视 图和端视图；图23和M分别是能通过挤压成型形成的另一散热器实施例的等角视图和端视 图；图25和沈分别是能通过挤压成型形成的又一散热器的等角视图和端视图；图27是具有类似于图21和22所示挤压成型散热器的冷却设备的分解等角视图；图观和四是图27所示冷却设备在用于冷却与散热器外表面相接触的微型处理 器时的俯视和仰视等角视图；图30、31和32分别是本发明的具有用于热扩散的热管的冷却设备从上方和下方 的等角视图和端视图；图33至37分别是具有用于热扩散的热管的冷却设备的从上方和下方的等角视 图、平面图、端视图和侧视图；图38和39是具有用于热扩散的热管的另一冷却设备从上方和下方的等角视图40和41是颠倒的冷却设备从上方和下方的等角视图，其中待冷却部件与散热 器的风扇入口侧的表面相接触；图42和43分别是示出在两个平行壁之间的受限空间中使用图40和41所示颠倒 冷却设备的等角视图和端视图；图44是使用扁平热管和两个分离板的另一冷却设备的分解等视角图，并且图45 是图44的冷却设备组装后的等视角图，其中热管将冷却设备连接至热源；图46和47是示出当涡流在上板和下板之间稳定时对本发明的散热器的测量图， 图46的图片示出时间平均速度矢量，图47的图片示出上和下表面上竖直冲击之下的流场 流线；图48是示出上和下表面从右边所示红外热图计算的局部传热系数的图表；图49至51是示出不同冷却设备在升高50开氏温度时获得的能量耗散结果的柱 形图；图52是示出将本发明的冷却设备布置于紧密靠近壁的效果以及阻塞冷却设备不 同侧面的变化的图表；图53是分开地示出上板和下板的热阻的图表；图M是示出由非传导材料制造上板的效果的图表；图55是示出下板由传导材料制造且仅一部分上表面由传导材料制造的效果的图 表；图56是示出本发明的冷却设备的另一实施例的一组视图，示出远离散热器中心 线定位的风扇；图57是示出图56的设备的性能的一组图表。
具体实施例方式在一些实施例中，冷却设备具有无翅片型散热器，所述散热器可由机械地成形为 散热器形状的单片材料制成。制造这种布置并在很多设备中实施比较便宜。其还能易于与 热扩散技术结合。单片材料可以是Al、Cu或其它可延展材料。扁平材料能冲压和折叠成形 以形成允许成本有竞争力地制造的无翅片型散热器。替代地，散热器可包括数片材料，例如在与热扩散技术结合时。参照附图并首先参照图1，冷却设备包括无翅片型散热器1、风扇叶轮2和电机3。 设备布置于待冷却的电子部件4上。部件4例如可以是电子封装。散热器1由单片传导材 料制造并且没有翅片。为了清楚起见，附图中的部件不是按比例的。散热器1包括顶板5、底板6、以及顶 板5中的轴向流入口 7。还具有在此情况下由两个相对侧壁9提供的侧壁装置。设备出口 是板5和6之间沿着开放侧的间隙。顶板5上具有转子支架8，用于支撑风扇转子3。转子 支架8处于用于轴向流进入风扇叶轮2的设备入口中。我们已经发现，风扇的转子的直径应当为散热器从平面上看时较短长度尺寸的近 似 0. 7-0. 8 倍。图2至7示出了具有无翅片型散热器的冷却设备110的制造，散热器由沿着示出 为虚线11的折叠线折叠的单片10形成。图2中的箭头表示工作时的气流方向。在此情况下仅有单个侧壁9并且流动能通过75%的可能离开面积离开。图6和7示出成形之前的板 10。图8至13示出图1的冷却设备100的制造。图12中的虚线11示出板折叠以形 成散热器之处。这种布置在布置于芯片上时得到了从基部至上表面的良好传导，因为传导 所经过的热路径减小。图1至13的任一实施例所示的散热器由单片材料制造并且制造便宜。散热器还 提供了至上和下表面的非常有效的热扩散。参照图14和15，其中示出了各种冷却设备，其中出口流动能在三个离开方向(图 14，其中具有单个侧壁9)、两个离开方向(图15，其中具有两个侧壁9)或者仅一个离开方 向(图16，其中具有三个侧壁9)上导向。箭头表示气流方向，在一些应用中根据需要导向 气流。当冷却设备为近似方形时，散热器的至多三个侧面可阻塞而不会显著降低性能。图17和18示出了其中顶面20为非传导材料的冷却设备的视图。这通过移除一 些传导材料而降低了成本。这种方法导致了性能的微小降低，因为部件尺寸减小并且热扩 散阻力增大。在这种布置中，不与部件4直接接触的表面是低成本的非传导材料，比如塑料 材料。箭头表示气流方向。所述冷却设备的传导性上或下表面的任何部分能由非传导材料替换以平衡成本 和性能比。这种布置的一些测试结果在图55中示出并且在下面描述。在一个实施例中，冷却设备可仅包括安装于单个板上的风扇，其仍然将实现良好 的性能。一种这样的布置将是图17和18的变型，其中顶板20被移除。图19和20示出了本发明的冷却设备应用于由比如PC机中的PCB插槽之间的距 离h(通常为大约17mm)限定的受限空间中。因为冷却设备的低型面性质，足够的空间存在 于冷却设备周围来从周围吸入空气。阻塞效应就最小化。图19和20示出了工作中的冷却 设备，其由模拟附近壁25限制，所述壁比如举例来说是PC机的电路板或壳体。我们已经发 现，冷却设备在布置于距离壁至少8mm时运行得很好；对于小于8mm的间隔，性能降低。图21至沈示出无翅片型散热器的挤压成型轮廓示例。材料能随后从一个表面移 除以容纳风扇和电机组件。散热器可以直接布置于热源上(图21、22中的散热器26)或经 由圆形热管(图23、24、25、沈中的散热器27和28)或扁平热管(图21、22中的散热器沈) 附接至热源。图23至沈的弯曲表面允许与具有圆形横截面的热管良好接触。图27示出具有支柱31、风扇叶轮32以及图21和22的散热器沈的冷却设备30。 图28和四示出了冷却设备30在用于冷却芯片C时的不同视图。图30至32示出了冷却设备35，其具有图27，图1或图2的与热管技术结合以实现 从小尺寸部件热扩散的挤压成型或折叠无翅片型散热器。不仅直接通过散热器进行传热， 而且还经由热管33从芯片至散热器进行热转移。图33至37示出了可选的冷却设备36，其中热管33提供沿着基部的扩散并且散热 器材料提供了至上表面的传导路径。通过增大热管33的数目，按照图1、2或27的冷却设 备的数目也能在横向或轴向上增大。图38和39示出了冷却设备37，其与设备36类似，除 了在此情况下散热器是挤压成型的而不是由单片形成的。图30至39示出了本发明的冷却设备能与热管33结合以实现低型面。如图33至39所示，热管能围绕冷却设备在任何方向上延伸。热管能在与散热器最长侧相同的方向上 延伸以最小化热传导路径的长度，如图30至32所示。图40和41示出了入口和待冷却芯片C布置于相同侧的冷却设备38。图42和43 示出了在工作中的冷却设备38，其中空气在与芯片相同的一侧吸入以使得芯片和冷却器入 口之间的高度大于在图30至32的布置的高度，用于期望总高度为12-13mm的受限场合。如图30至39中以及图40至42中所示，入口可以在与部件C相对或相同的侧面 上。这允许了用于低型面、受限空间中的多用性。现在参照图44和45，其中示出了包括两个分离板41和42的冷却设备40，分离板 41和42通过例如钎焊附接至扁平热管43。电机和风扇组件43安装于板41和42之间。这 是对于图21至沈所示使用挤压成型散热器元件的成本有效的替代方案，因为顶面和底面 41和42能是冲压的。在这个实施例中，扁平热管40是散热器侧壁，热经由热管43从芯片 传递至散热板41和42。扁平热管和金属片材的使用确保了用于传热的良好接触以及使用相对少的零件 来制造。本发明的冷却设备具有低型面，能在上下表面之间从大约2mm至5mm的间隙中以 良好的性能操作。实际上，间隙能减小至Imm或更小。热扩散能通过关于冷却设备的任何固态的、单相或多相技术来实现。测试结果PIV用作观察在如图2至7所示由单片材料制造的无翅片型散热器内获得的流场 的流动视觉化技术。测量在图2的径向-轴向平面中实现。图46和47的图片示出了涡流在上下板之间稳定时对散热器的测量。图46图示 了时间平均速度矢量，图47图示了涡流冲击在所示上和下表面上时流场的流线。由于在所有折叠的无翅片设计中转子速度和尺寸增大，由折叠散热器形成的腔室 中的涡流流动变得性质不稳定。图2所示冷却器的与图46同一平面的结果对于6000转/ 分钟的38mm转子示出。冷却设备由200mm2上下的壁所包封(如图19和20所示)，并且具 有16mm的h尺寸。瞬时和平均流场(右下)都示出来显示涡流的不稳定性质。在一些时 刻的情况下，涡流没有显示存在于瞬时图片中，尽管这是时间平均和瞬时流场之间的流动 的不稳定性质所造成，但最终产生良好的传热率。在图46和47的PIV测量结果中，注意到涡流提供在上和下表面上的冲击区域并 且还在流场中形成不稳定性。图48示出了利用12. 5m2不锈钢箔作为散热器基部和上表面 由红外热分析技术获得的局部传热系数测量结果。右侧的图片示出了由在底板上恒定热通 量边界状况获得的热图，风扇定位于图片的中心。这个图片然后被平均化以提供对上和下 表面的左手侧上局部传热系数的直接测量。图48的图表代表从风扇中心沿着径向线至上 和下表面端部的局部传热系数；为了清楚起见标记了风扇叶片的位置。注意到传热系数中 存在的两个峰值对应于从图46和47的PIV图片中发现的下表面上的冲击区域，并且对于 上表面也是这样，一个冲击区域从图46和47的PIV测量中识别出。随着转子直径和速度 增大，这些峰值的位置向后移动为更靠近风扇叶片并且最终在风扇叶片之间。图48 仅对于下表面从右侧所示红外热图计算的局部传热系数。冲击区域与对于 冷却设备的下表面而言用箭头标记的局部传热系数中发现的峰值相符合。冷却设备的上表
9面也显示了上表面上具有冲击区域时传热的升高。SM在一些示例中，制造如下散热器A :80mmX80mm覆盖(footprint)面积，上和下板之间具有3. 5_4mm的间隔，由2_ 厚和3mm厚的铝板制成，如图2所示B :53mmX 60mm覆盖面积，具有3. 5_4mm的间隔，由1. 5mm厚和3mm厚的铝板制成， 如图2所示C :110mmX80mm覆盖面积，上和下板之间具有3. 5-4mm的间隔，由Imm厚铝板制 成，与热管结合，如图40和41所示所测试的散热器A、B、C的高度约束在如图19和20所示的限制板之间16mm和 34mm的两个壁之间，如同通常的计算机系统。测试使用两个12mm2和34mm2的封装执行，其 中封装表面温度用嵌入的热电耦记录，旋转速度为大约4300转/分钟。分别对于芯片基部上方具有12. 7mm和34. 8mm盖板的12mm芯片和基部上方具有 12. 7mm和34. 8mm盖板的32mm芯片，升高50度开氏温度获得的能量耗散结果在图49、50和 51中示出。使用了热界面材料(Dow Corning散热硅脂340)。图49 在图19和20所示的装置中用制造的散热器进行的测试，h为16mm，并且冷 却设备布置于12mm2的部件上。图50 在图19和20所示的装置中用制造的散热器进行的测试，h为34mm，并且冷 却设备布置于12mm2的部件上。图51 在图19和20所示的装置中用制造的散热器进行的测试，h为16mm(左柱) 和34mm (右柱)，并且冷却设备布置于32mm2的部件上。图52示出了阻塞散热器的多个侧面的出口以及入口和另一实心板之间的距离的 影响。对于尺寸，只要入口处的任何阻塞板(例如显卡插槽)超过6-8mm，性能就类似于没 有阻塞之下获得的。图53独立示出了对于按照图52的在入口处阻塞的情况上板和下板的热阻，其中 示出了设备的上板和下板的平均性能。图M示出了当上板由非传导材料制成并且基板与芯片表面相接触时设备的性 能。图55示出了在一定比例的上板由非传导材料(塑料)制成时的性能。冷却设备的重量与成本成比例，设备的相对重量在下面的表1中示出。表权利要求
1.一种冷却设备，包括具有冷却设备入口的流体泵；散热器，其包括轴向间隔开的相对传热表面和连接所述表面的侧壁装置；散热器在其侧面上具有冷却设备出口。
2.如权利要求1所述的冷却设备，其中，侧壁装置没有完全围绕散热器周边延伸。
3.如权利要求1或2所述的冷却设备，其中，散热器包括多个侧面并且冷却设备出口设 在至少其中一个侧面上。
4.如权利要求3所述的冷却设备，其中，散热器包括四个侧面并且冷却设备出口设在 至少其中一个侧面上。
5.如权利要求4所述的冷却设备，其中，冷却设备出口设在一个侧面上，并且侧壁装置 设在其它三个侧面上。
6.如权利要求4所述的冷却设备，其中，冷却设备出口设在两个相对侧面上并且侧壁 设在其它两个侧面上。
7.如权利要求1至6的任何所述的冷却设备，其中，散热器在平面图中看为近似方形。
8.如权利要求1至7的任何所述的冷却设备，其中，散热器的间隔开的相对表面限定体 积，其中没有散热片从面对泵的散热器入口延伸。
9.如权利要求1至8的任何所述的冷却设备，其中，冷却设备出口处于径向上与散热器 入口相对的侧面上。
10.如权利要求1至9的任何所述的冷却设备，其中，所述表面基本上平行，并且流体泵 包括直径在散热器宽度的0. 7至0. 8倍范围内的转子叶轮。
11.如权利要求1至10的任何所述的冷却设备，其中，散热器包括通过侧壁装置互连的 至少两个板。
12.如权利要求11所述的冷却设备，其中，板具有提供冷却设备入口的孔隙。
13.如权利要求11或12所述的冷却设备，其中，两块板都包括热传导材料。
14.如权利要求13所述的冷却设备，其中，散热器包括单件材料。
15.如权利要求14所述的冷却设备，其中，材料被成形以提供散热器。
16.如权利要求14或15所述的冷却设备，其中，散热器为模制构造。
17.如权利要求1至16的任何所述的冷却设备，其中，散热器包括挤压成型件。
18.如权利要求1至15的任何所述的冷却设备，其中，散热器通过折叠成形。
19.如权利要求18所述的冷却设备，其中，散热器为大致U形横截面。
20.如权利要求1至12的任何所述的冷却设备，其中，仅有单个板包括热传导材料。
21.如权利要求1至20的任何所述的冷却设备，还包括热扩散装置。
22.如权利要求21所述的冷却设备，其中，热扩散装置包括热管装置。
23.如权利要求22所述的冷却设备，其中，热管装置扁平化以提供管和散热器的传热 表面之间增强的传热。
24.如权利要求1至23的任何所述的冷却设备，其中，散热器的相对表面之间的间隙小 于 5mm。
25.—种冷却设备，包括散热器，其包括具有热传导表面的单个板，所述热传导表面与待冷却物品相接触或通过热界面材料与待冷却物品间隔开；以及 与传导表面相邻的流体泵。
26.—种冷却设备，包括 具有冷却设备入口的流体泵；散热器，其包括轴向间隔开的相对表面；散热器在其侧面上具有冷却设备出口，其中，散热器包括热传导和非热传导材料。
27.如权利要求沈所述的冷却设备，其中，散热器包括至少两个在轴向上间隔开的板， 至少其中一个板至少部分地为非热传导材料。
28.如权利要求11至27的任何所述的冷却设备，其中，流体泵延伸穿过板。
29.如权利要求观所述的冷却设备，其中，流体泵延伸穿过两个板。
30.如权利要求观或四所述的冷却设备，其中，流体泵从至少一个板的外表面伸出。
31.如权利要求11至30的任何所述的冷却设备，其中，流体泵在平面中看时相对于板 的中心偏移地定位，给泵的侧面提供用于与待冷却设备相接触的接触面积。
32.—种冷却设备，包括 具有冷却设备入口的流体泵；以及散热器，其包括轴向间隔开的相对表面，其中，散热器的相对表面之间的间隙小于5mm。
33.一种用于如权利要求1至32的任何所述的冷却设备的散热器。
34.一种电子电路组件，包括如权利要求1至32的任何所述的冷却设备以及与所述 冷却设备相接触的电子电路。
35.如权利要求34所述的电子电路组件，其中，流体泵包括叶轮叶片，并且电路在与泵 的叶片和刚好径向超过叶片的空间对准的位置处接触冷却设备。
36.如权利要求35所述的电子电路组件，其中，所述位置与将所述表面互连的侧壁相邻。
37.一种电子散热设备，包括如权利要求34至36的任何所述的电子电路组件。
38.如权利要求37所述的电子散热设备，其中，该设备是便携的。
全文摘要
冷却设备具有在平面中为矩形且具有两个间隔开的板(5，6)的无翅片型散热器(1)。风扇叶轮(2)和电机(3)支撑于板(5，6)之间用于轴向空气流入(7)和径向流出。设备布置于待冷却的电子部件(4)上。部件(4)可以是例如电子封装。散热器(1)由单片传导材料制造。顶板上具有转子支架(8)，支撑风扇转子(3)。转子支架(8)在用于轴向流入风扇叶轮(2)的设备入口中。两个相对的侧壁(9)互连板5和6。设备出口是板(5，6)之间沿着开口侧的间隙。冷却设备非常有效、紧凑且制造便宜。
文档编号F04D29/58GK102138006SQ200980133904
公开日2011年7月27日 申请日期2009年8月10日 优先权日2008年8月8日
发明者E·沃尔什, J·庞奇, P·沃尔什, R·格兰姆斯 申请人:利默里克大学