專利名稱：微結(jié)構(gòu)冷卻器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以微結(jié)構(gòu)為特征的冷卻器(微結(jié)構(gòu)冷卻器)，其可通過導熱接觸而使物件冷卻。具體而言，本發(fā)明涉及利用該微結(jié)構(gòu)冷卻器冷卻電子元件，特別是諸如中央處理單元(CPU)等處理器及電力電子元件。就制造方法而言，根據(jù)本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)冷卻器無論在設(shè)計、結(jié)構(gòu)、及組裝方法等方面均適合大量生產(chǎn)，故該微結(jié)構(gòu)冷卻器可以經(jīng)濟方式大量制造。
背景技術(shù)：
電子構(gòu)件的性能不斷提升(例如微處理器的時鐘頻率不斷增加)，亦導致這些構(gòu)件內(nèi)的熱能增加。構(gòu)件微小化則使情況更加嚴重。雖然人們已采取措施以減少處理器所散發(fā)的熱能，但因熱而產(chǎn)生的問題有增無減。此外，不斷提高整體系統(tǒng)(例如一服務(wù)器)中各構(gòu)件的聚積密度，也導致必須從愈來愈小的空間內(nèi)移除愈來愈多的熱能。然而，電子構(gòu)件的性能及使用壽命均取決于操作溫度的最大值及其波動范圍。因此，需使用性能非常高且體積小的冷卻系統(tǒng)方可確保有效地移除局部熱能。
目前最新的處理器可在1cm2的面積上以熱能形式釋放出70W的熱量(舉例而言)，此值遠大于一廚房爐具上的加熱元件所產(chǎn)生的熱能(約10W/cm2)。為移除此熱量，所用最重要的冷卻系統(tǒng)為冷卻體、與冷卻體結(jié)合的風扇、散熱管、帕爾帖單元、及液體冷卻?？梢灶A見到，未來所需移除的熱能必將進一步增加。
目前最常用于電子元件的冷卻技術(shù)是以周圍空氣進行冷卻。對許多應(yīng)用而言，這已證實為一簡單且具有成本效益的技術(shù)。但若要達到較高的熱能移除力，則此原理極不經(jīng)濟，因為屆時須使用具有對應(yīng)高輸出的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這不僅增加資本支出及運轉(zhuǎn)成本，就能源及環(huán)境保護而言也有問題。
針對新一代、產(chǎn)生大量熱能的處理器，空氣冷卻的效能也已逼近極限。雖然可提高風扇的功率以大致確保熱能的移除，但這一作法將增加運轉(zhuǎn)噪音。目前在商業(yè)及家庭應(yīng)用中，55分貝已非人們所能接受。
若處理器及其他生熱構(gòu)件在最小空間(例如服務(wù)器)內(nèi)的聚積密度偏高，將提高在外殼內(nèi)進行空氣交換的困難度，使熱集中的問題更加嚴重，進而增加電子構(gòu)件過熱及故障的可能。然而，對服務(wù)器及工作站而言，可靠度及低維修等必要條件均為主要考慮的性能。此外，在GHz范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)的CPU及以電力操作的風扇有可能產(chǎn)生互逆的電磁效應(yīng)，導致CPU產(chǎn)生功能上的問題。
為提高空氣的冷卻效率，所有會產(chǎn)生大量熱能的元件大致上均須設(shè)有冷卻體。所述冷卻體大致包括一銅制或鋁制的大塊金屬芯或金屬板，其頂面是以一多構(gòu)件結(jié)構(gòu)(舉例而言)形成，以增加表面積，使熱量更好地分布。冷卻體上可安裝一風扇，該種冷卻系統(tǒng)的配置在幾何方面因所需空間及重量等因素僅可略作調(diào)整，且運轉(zhuǎn)噪音偏高，基本上為40與60分貝間的噪音(c，t雜志，2002年第18期第122頁)。該篇文章提及一介于30與40K間的較小ΔT，其為受測空氣冷卻器中最大CPU溫度與最大個人電腦內(nèi)部溫度間的溫差量測值。基于上述原因，在使用空氣冷卻器時往往必須有所妥協(xié)，如此一來將同時產(chǎn)生技術(shù)及經(jīng)濟上的缺點。
散熱管自1960年代問市迄今。過去數(shù)年來則逐漸被用作電子業(yè)界的高端冷卻系統(tǒng)。散熱管是由一被動且封閉的冷卻系統(tǒng)形成，冷媒中的一雙相機構(gòu)可通過此系統(tǒng)達到非常良好的傳熱效果。吸收自待冷卻電子元件的熱能將使該封閉系統(tǒng)內(nèi)的冷媒蒸發(fā)，然后該冷媒將移動通過散熱管凝結(jié)部分中的所謂絕熱中間空間。熱能在此將由另一散熱器移除。凝結(jié)液形成后將經(jīng)由一中間多孔邊緣層返回蒸發(fā)區(qū)。這一雙相機構(gòu)的調(diào)節(jié)僅可就特定冷媒、并在一非常小的溫度范圍內(nèi)進行，因而嚴格限制散熱管在應(yīng)用方面的選擇。此外，這種系統(tǒng)的冷卻力比水冷式(舉例而言)低。
帕爾帖冷卻單元在電子業(yè)、空調(diào)科技、及醫(yī)療與實驗室工程中(舉例而言)是作熱泵使用。其體積非常小，但價格非常高，因此，一般而言，若要以符合成本效益的方式于局部消除大量熱能，則該種冷卻單元并不適用。帕爾帖冷卻單元還必須使用反向冷卻散熱器、及一供電用的電源單元。所需的額外能源量將增加耗能。因此，這種單元的電力需求相對于冷卻力而言實在是偏高，若作大規(guī)模應(yīng)用則不合經(jīng)濟效益。
若直接與上述冷卻系統(tǒng)相比，以金屬或陶瓷材料制成的水冷系統(tǒng)具有最高的冷卻力。其主要原因在于水的高熱容量及其低粘滯性。因此，近來市面上已出現(xiàn)以銅、鋁、及陶瓷制成、用以冷卻微處理器的水冷卻器，目前所有這些產(chǎn)品由于均屬非工業(yè)型的小批生產(chǎn)，故制造成本偏高。市售傳統(tǒng)冷卻器的典型性能數(shù)據(jù)及價格頂多可適于下列水準在全負載、冷媒流量為3L/min、且施用對象為AMD 2000+(舉例而言)的情況下，CPU與冷卻水入口間的溫差ΔT(TCPU-T冷卻水入口)為12.5-16K；流量為1-20L/min；壓力損失為25-250(最大值)mbar；重量約200-400克；構(gòu)件體積介于30-100cm3之間。該冷卻器的設(shè)計是供水族箱泵使用，該泵在壓力損失為130-140mbar的情況下，基本泵流量為1-3L/min。
2002年，德國Stammham的Innovatik公司正銷售水冷卻器，且根據(jù)稍早的評估，innovaCOOL rev3.0型是市面上所有冷卻器中性能最佳的(例如可參見Chip雜志。2002年10月號，第48頁)。
針對功率半導體所使用的冷卻器，已有人開始嘗試使用小于1mm2的溝道剖面，正如針對微型熱交換器及微反應(yīng)器所作的設(shè)計。
J.Schulz-Harder所著“Innovative Chip-Level Cooling”一文(PCIM Europe雜志，2002年3月號，第27-42頁)即描述一用于功率半導體電路的水冷卻系統(tǒng)。該冷卻器是由銅質(zhì)層體制成，并通過軟焊法、利用共晶熔融物接合于具有陶瓷層的半導體載體。在制造該冷卻器時，銅質(zhì)層體中的冷卻溝道以蝕刻法制成，這與制造印刷電路板的方式相同。一可供流體穿過的冷卻體在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中具有8至10個具有六角形底座結(jié)構(gòu)的銅質(zhì)層體(各層體的厚度為0.3mm)以及直徑1.5mm的柱體。假設(shè)可移除400W/cm2的熱量。若水流量為每分鐘5L，將造成640mbar的壓降。
另外，DE 198 53 750 A1中公布了一種用于冷卻電子元件的相類似的冷卻器，該冷卻器包括至少一個用于電子元件的冷卻表面和一疊冷卻層體，這些冷卻層體的結(jié)構(gòu)做成可在冷卻器內(nèi)部形成二維冷卻結(jié)構(gòu)，用于入口區(qū)和出口區(qū)之間的冷媒。該冷卻結(jié)構(gòu)包括分支出的流路，冷卻層體的至少一部分構(gòu)造成使得冷卻器中靠近冷卻表面的那些區(qū)域和與其遠離的那些區(qū)域之間的水力學比流組的比率或梯度從入口區(qū)到出口區(qū)增加。為此，所有冷卻層體設(shè)計成彼此不同。
從這些說明中可以清楚得知，這些冷卻器是非常昂貴的高性能元件，因為它們很難制造。
此外，WO 98/41076 A2則描述一用以冷卻電子元件的裝置，其冷卻力可通過一散熱器而獲得實質(zhì)上的提升(相較于已知冷卻器)，進而實質(zhì)上改善了傳熱系數(shù)及總導熱率。此文件中，假設(shè)冷卻液通過該微結(jié)構(gòu)散熱器時，最大的壓力損失是出現(xiàn)在分布結(jié)構(gòu)及連接溝道等區(qū)域。為解決這一問題，該文件提出一冷卻器，其具有多個獨立層體，且包括至少一塊具有多條微溝道及一條分布溝道的板，該冷卻器還具有一包含連接溝道的中間板、及一包含收集溝道的收集板，這些板若搭配一蓋板及一底板便形成封閉的冷卻溝道。這些冷卻溝道內(nèi)的冷媒是由一入口導入該微結(jié)構(gòu)散熱器，并由一出口自該微結(jié)構(gòu)散熱器中移出。供冷媒使用的中間板形成一傾斜及/或斜切的漸變結(jié)構(gòu)。該入口和/或出口的剖面表面區(qū)(兩者均為一貫穿所有獨立層體的表面垂直切口)即經(jīng)由此結(jié)構(gòu)漸變至微溝道的剖面表面。文中引為實例的一冷卻器具有流體剖面為0.3mm×10mm的冷卻溝道。在此冷卻器中，舉例而言，傳熱系數(shù)可達8.5W/cm2·K，而流量為500mL/min時的壓力損失則為0.5bar。這些性能數(shù)據(jù)使這一相對昂貴的冷卻器僅可達到一般CPU所需冷卻力的10％左右.
不同于早已用于研發(fā)計劃、甚至用于初步工業(yè)過程的微反應(yīng)器及微型熱交換器，電子冷卻器的配置問題仍完全未獲解決，這是因為微反應(yīng)器或微型熱交換器中的“熱管理”基本上與一須將熱能自一表面區(qū)域移除的冷卻器不同。
在一反應(yīng)器中，流動媒介中所產(chǎn)生(亦即反應(yīng)器內(nèi))的熱能必須盡速移除或交換，以盡可能接近等溫過程的理想狀態(tài)。因此，目前正有人試圖在一反應(yīng)的程序工藝極限內(nèi)，盡量縮小溝道剖面及溝道間的壁厚。反應(yīng)器在配置方面自然也須最佳化(例如針對流動阻力、流速等)，但基本的熱管理原理則相當簡單，因為熱量從冷卻流體的一個系統(tǒng)導管傳輸?shù)搅硪粋€系統(tǒng)導管，兩個系統(tǒng)彼此貼近。
舉例而言，據(jù)報導，微結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以由具有細小結(jié)構(gòu)，亦即微結(jié)構(gòu))的獨立金屬薄片(薄膜)制成，(例如可參見美國專利第4 516632號，US 6 409 072 B1中公開了一種化學微反應(yīng)器，其一個示例公開的微反應(yīng)器/熱交換器包括60個厚度為125μm的銅板和在其中刻蝕的導管，導管寬度為430μm，深度為60μm，薄片寬度為70μm。然而，在一用于電子構(gòu)件的冷卻器中則須移除一強大局部外部熱源中的熱能。
仔細觀察后發(fā)現(xiàn)，這一目的(也即將熱能從一高度加熱的局部表面中移除)是一非常復雜的問題。困難在于實際的熱源是位于冷卻器外，換言之，必須更加注意供流體通過的冷卻體其三維結(jié)構(gòu)內(nèi)的耐熱性。
該問題的解決方案又因電子元件的其他特定需求而復雜化(例如在冷卻CPU元件時)，因為熱能必須以冷卻水需求量最少、且冷卻器內(nèi)壓力損失最小的方式移除。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若要利用更細小的結(jié)構(gòu)(亦即更小的溝道剖面)提高冷卻力，僅能有限度為之。因為屆時流動阻力將過高。
若利用一小表面積移除大量熱能而不使流動阻力過度增加，則上述效應(yīng)必然成為一問題。在此情況下冷卻力將無法輕易地通過在冷卻器上施加較大壓差以增加冷媒來獲得提升，正如現(xiàn)有技術(shù)中常用的那樣。
在個人電腦、服務(wù)器、及工作站等應(yīng)用中，基本上是使用最高可制造約250mbar壓力(舉例而言)的低壓泵。傳統(tǒng)微反應(yīng)器所使用的、需在高初始壓力(例如5bar以上)下運轉(zhuǎn)的強力冷媒泵系統(tǒng)基于成本考慮并不適用于這種情況。
另一項要求是冷卻器的形狀應(yīng)配合電子元件的形狀，換言之，冷卻器的表面區(qū)域及元件上的安裝區(qū)應(yīng)至少具有相同尺寸。
最后，為進行大量生產(chǎn)，必須確保該流體冷卻器及該冷卻系統(tǒng)的制造成本不致高出空氣冷卻系統(tǒng)太多。
總之，現(xiàn)有技術(shù)可以說并未滿足這些要求，或僅滿足其中部分要求。具體而言，這些要求指的是，要求以具有成本效益的方式大量生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)構(gòu)件、及降低這些構(gòu)件的高流動阻力。除此之外，微結(jié)構(gòu)冷卻器的設(shè)計或配置并無一定的規(guī)則。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種冷卻器1.具有非常高的冷卻力；2.具有較低的流體冷媒水力學流阻；3.具有與待冷電子元件相應(yīng)的形狀；4.容易成本有效地制造；5.冷卻器的配置可大幅擴充，即，應(yīng)可作簡單修改以滿足當前需求；因此功率消耗應(yīng)能從70W/cm2增加到500W/cm2。
6.冷卻器的配置、尺寸、體積、組裝等應(yīng)可作最佳的調(diào)整以配合整體系統(tǒng)。
上述目的可通過如權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)冷卻器、及如權(quán)利要求24所述的該微結(jié)構(gòu)冷卻器的使用來實現(xiàn)。本發(fā)明的較佳具體實例列于從屬權(quán)利要求中。
根據(jù)本發(fā)明的用于待冷物體(尤其是一電子構(gòu)件)的微結(jié)構(gòu)冷卻器包括一由至少兩片金屬薄膜(金屬片)及一片底板所組成的疊層，該底板可通過一熱接觸表面而與待冷卻的物件形成熱接觸。金屬薄膜和底板通過適當?shù)慕雍霞夹g(shù)(最好為軟焊)相互接合。金屬薄膜中設(shè)有可供冷媒流動的溝道，該冷媒則可將熱能移除，將至少兩金屬薄膜和底板接合在一起最好通過材料配合來進行，每個金屬薄膜設(shè)計成形成一個溝道平面。
金屬薄膜中溝道的寬度在100-2000μm的范圍內(nèi)，最好是在200-500μm的范圍內(nèi)。經(jīng)實驗證明，若所有其他參數(shù)固定不變，當溝道寬度達800μm以上時，冷卻器性能將開始大幅下降，因而不利于高效能的應(yīng)用。
溝道深度在25-1000μm的范圍內(nèi)。最好在50-400μm的范圍內(nèi)。兩幾何變量中的至少一個(溝道寬度或溝道深度)最好應(yīng)在微米范圍內(nèi)，且水力直徑(4·A/U，其中A＝截面積，U＝潤周(其定義是根據(jù)Technische Stromungslehre，Kamprath系列，Vogel Publishing，W.Bohl，第11版，第131頁；Incropera，F(xiàn)rank P.與Dewitt David P.合作的Fundamentals of Heat and Mass Transfer，第4版，JohnWiley & Sons，NY，1996，第449頁))最好應(yīng)為200-500μm。
金屬薄膜中溝道的平均間距在50-1000μm的范圍內(nèi)，最好在150-300μm的范圍內(nèi)。若溝道的剖面為矩形或接近矩形，因而在金屬薄膜的溝道間形成條狀物，該間距可稱為“條狀物寬度”。
此外，溝道底部的殘余薄膜厚度在50-300μm的范圍內(nèi)，最好在80-120μm的范圍內(nèi)。
冷卻器底板的厚度在200-2000μm的范圍內(nèi)，最好在500-1500μm的范圍內(nèi)。
上列各參數(shù)若在較佳范圍內(nèi)則最能滿足要求(尤其是所要求的功率密度非常高時)。此外，若以Cu為基材，則上述范圍特別適合這些參數(shù)。圖1及2提供這些幾何參數(shù)(溝道寬度、溝道深度、溝道間距(條狀物寬度)、殘余薄膜厚度、及底板厚度)的定義因為
1.先為單一平面型局部熱源的微結(jié)構(gòu)冷卻體提供最佳配置及設(shè)計的基本規(guī)則及特色，亦即特定的幾何數(shù)據(jù)；及2.解決有關(guān)冷卻微處理器(CPU)及電腦中其他熱構(gòu)件的其他特殊問題，具體而言，是高性能微結(jié)構(gòu)冷卻器的流阻和壓力損失問題，其迄今為止還沒有得到解決。
所以有必要找出一種方案來解決上述問題，下面給出一些對本發(fā)明冷卻器進行進一步優(yōu)化的更多具體測量值。
溝道寬度、溝道深度、及溝道間距(條狀物寬度)的范圍下限大多是依照其制造方法的要求而定。若將這些幾何參數(shù)設(shè)定為非常小的數(shù)值，該冷卻器便難以大量制造，因為無法確保所需的公差。然而，制造方面的選擇取決于所用的科技，因此，在改進產(chǎn)品工藝后范圍下限甚至可采用更小的數(shù)值。
利用微結(jié)構(gòu)化的方法便可制造出比傳統(tǒng)技術(shù)更細的溝道結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，“微結(jié)構(gòu)工藝”一詞是指一種制造方法，其中高解析結(jié)構(gòu)是以微米尺度制成，例如以印刷電路板的科技制造的。該種方法包括制造高解析結(jié)構(gòu)圖像，例如光刻工藝步驟。舉例而言，溝道可以干式蝕刻法或濕式化學深蝕刻法制成，視所用的掩膜而定。也可使用機械式微制造法(例如微銑削、微壓印、整形等)，但仍以類似印刷電路板所使用的方法較佳。
由于溝道寬度、溝道深度、溝道間距(條狀物寬度)、殘余薄膜厚度、及底板厚度均選自給定范圍，因此，使用本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效減少壓力損失，并在一特定的冷卻力(傳熱能力)下，使待冷卻物件與冷媒間產(chǎn)生最小的可能溫差。甚至可以在冷卻力較高時產(chǎn)生一最小的可能溫差。在將冷卻器中的壓力損失最佳化后，便可使用磨耗較少、故使用壽命較長的泵進給冷媒。此外，由于僅需使用一低泵流量即可使冷媒循環(huán)，可降低該冷卻回路的運轉(zhuǎn)成本、及整個冷卻系統(tǒng)(冷卻器(包括反向冷卻器)、流體管線、泵、泵的電源)的成本。這也意味著該冷卻器可以低成本的方式進行工業(yè)規(guī)模的大量生產(chǎn)，且所涵蓋的冷卻力范圍甚廣。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度可經(jīng)過設(shè)計(特別是針對微結(jié)構(gòu)冷卻器其冷卻力與體積間的關(guān)系)并最佳化(例如以AMD 2000+CPU為施用的對象)。
使用本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)冷卻器，與傳統(tǒng)的冷卻器相比可減少溫差，這一溫差的減少節(jié)省了冷卻系統(tǒng)中的能量，且節(jié)省了操作成本。這一性質(zhì)對具有多個CPU的主機電腦而言特別迫切，因為在這種情況下，須冷卻的熱能可達數(shù)千瓦。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度也可在以下有關(guān)壓力損失和/或所列溫差的特定操作條件下，根據(jù)特定應(yīng)用而設(shè)計，并予以最佳化(例如以AMD 2000+CPU為施用的對象)；a)CPU的面積功率可達70W/cm2；b)熱接觸表面與流入冷卻器的冷媒間溫差小于10K；c)冷媒通過冷卻器的流量是在0.01-3L/min的范圍內(nèi)；d)壓力損失小于100mbar。
在一完全相同的整體系統(tǒng)中，一作為替代物的市售水冷卻器充其量僅可在流量為1-3L/min、壓力損失為25-250mbar的情況下，使ΔT(CPU與冷媒間的溫差)位于12.5-16K的范圍內(nèi)。在相同條件下，本發(fā)明的冷卻器則要求CPU與冷媒間的ΔT至少降低30％，其所移除的熱能方與截至目前為止具有最佳效能的市售流體冷卻器相同。本發(fā)明的冷卻器可經(jīng)由配置及設(shè)計，用于一可利用的或較佳的泵，并根據(jù)其壓力損失而加以調(diào)整，同時確保足夠的冷卻力。
因此，本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)冷卻器可以一相對較小的ΔT表現(xiàn)出實質(zhì)較大的冷卻力。微結(jié)構(gòu)冷卻器的冷卻力即通過此關(guān)系產(chǎn)生高擴充性。就內(nèi)表面/冷卻器體積的比值而言，已知冷卻器中這一比值比本發(fā)明的冷卻器的要低至少3倍(以厘米測量的話)。商用對照冷卻器的比值為1.13cm2/cm3，本發(fā)明原型的比值則為4.8cm2/cm3.因此，在本發(fā)明的原型中，蓋板厚度可小到1mm，側(cè)壁厚度可小到17mm，這些值可以根據(jù)制造工藝方面來進一步優(yōu)化。在工業(yè)生產(chǎn)條件下則可預期下列數(shù)值內(nèi)表面/冷卻器體積約12-15cm2/cm3側(cè)壁厚度 小于2mm若欲將上述操作條件的數(shù)值進一步最佳化，冷媒可采用水/乙醇混合物，尤其是水/乙二醇混合物，特別是95％(體積比)的水與5％(體積比)的乙二醇的混合物。
根據(jù)本發(fā)明的冷卻器可以參照下列給定參數(shù)進行優(yōu)化溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度的值可以優(yōu)化，從而使冷卻器中冷媒的壓力損失最小。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度的值可以優(yōu)化，從而使熱接觸表面和冷卻器中流動的冷媒的溫差最小。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度的值可以調(diào)整，從而使冷卻力與冷卻裝置體積的比值即“冷卻密度”達到至少2W/cm3。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度的值可以調(diào)整，從而使得“每體積每ΔT的冷卻力”達到至少0.1W/(cm3·K)。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度的值可以調(diào)整，從而使將壓力損失歸一化后的比冷卻力達到至少0.1W/(cm3·K·L/min)。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度的值可以調(diào)整，從而在熱接觸表面和冷卻器中流動的冷媒的最大溫差10K下，在穿過冷卻器的冷媒流量為0.01-3L/min且壓力損失最多100mbar下，可達到的傳熱能力為200W/cm2。
溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度的最佳配置應(yīng)遵守下列規(guī)則在先前所獲得有關(guān)傳統(tǒng)冷卻器配置的知識中，假設(shè)若欲提高熱傳遞的效果，冷卻器內(nèi)必須出現(xiàn)紊流(高雷諾數(shù))，因為在該種條件下，冷媒與冷卻用溝道壁間的熱傳遞效果將優(yōu)于調(diào)整層流比所達到的效果。然而，此種最佳化的作法將大幅增加壓力損失。
若使用微結(jié)構(gòu)工藝制造冷卻器及熱交換器，單位構(gòu)件體積的熱傳遞力將增加幾個數(shù)量級。來自Karlsruhe研究中心的商用高效能微型熱交換器即為此種作法的一實例。詳言之，制造微結(jié)構(gòu)的高成本及目前偏高的流動阻力在過去已阻礙微結(jié)構(gòu)科技的廣泛應(yīng)用。
已知微結(jié)構(gòu)熱交換器的流動阻力普遍偏高，原因在于熱傳遞力的提升往往導致冷卻器加大、溝道加長，因而增加流動阻力(根據(jù)哈根-泊肅葉定律)，但某些應(yīng)用并不容許這一現(xiàn)象發(fā)生。
唯有本發(fā)明能解決這一問題而不對熱傳遞力造成負面影響，其作法是將溝道寬度、溝道深度、溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度最佳化，甚至可參照冷卻器內(nèi)的壓力損失而最佳化。
這些作法也可降低制造成本，進而降低系統(tǒng)成本，使微結(jié)構(gòu)冷卻器不僅具有技術(shù)上的優(yōu)越性，在經(jīng)濟方面更具有競爭力。本發(fā)明溝道設(shè)計的基礎(chǔ)在于縮小溝道剖面，使其正好足以在操作條件下、于溝道內(nèi)產(chǎn)生一層流。僅流動剖面(亦即流動阻力)較小處可容許(或引發(fā))擾流。如此一來便可以簡單方式調(diào)整產(chǎn)品的壓力損失，使其配合眼前的應(yīng)用。通常第一步驟是在特定范圍內(nèi)將幾何形狀(溝道寬度、溝道深度、及溝道間距)約略最佳化，其作法則是調(diào)整流體溝道的表面/容積比。若一微結(jié)構(gòu)的表面/容積比值偏低(例如3000m2/m3)，通常代表低流動阻力，但亦代表熱傳遞力較低；但若數(shù)值非常高(例如10000至30000m2/m3)，流動阻力則將陡升。因此，最佳設(shè)計最好是來自表面/容積比的平均值。
然而，先前即已確定，僅將流動阻力及表面/容積比最佳化并不足以將冷卻力最佳化。一如前文的說明，在本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)冷卻器中，熱源位于冷卻器外，且通過導熱金屬結(jié)構(gòu)、由冷媒移除熱量。因此，不僅須將流動條件最佳化，還須將冷卻器的實體結(jié)構(gòu)最佳化。
因此，本發(fā)明的目的亦可通過“流體動力因素”及“結(jié)構(gòu)因素”而完成，前者負責最佳流動條件，后者則取決于冷卻器的設(shè)計。
以下將說明本發(fā)明的設(shè)計參數(shù)及其對冷卻力的影響先前即已確定，針對前述的最佳化判別準則(壓力損失及溫差)，一特別有利的作法是將溝道寬度與溝道間距(條狀物寬度)的比值最佳化。比值過高將導致熱傳遞力下降。因此，該比值(寬度/間距)最好應(yīng)在1.5∶1至2.5∶1的范圍內(nèi)。溝道寬度對殘余薄膜厚度的比值過高亦具有類似的效果。溝道寬度/殘余薄膜厚度的比應(yīng)為2∶1至5∶1。
將殘余薄膜厚度最小化則可進一步改進各層體間的熱傳導。以下說明適用于底板厚度；由于待冷卻物件的溫度在其表面區(qū)域內(nèi)通常并非定值，因此，為使冷卻器內(nèi)的溫度均勻分布，一開始似乎應(yīng)設(shè)計一厚底板。然而，所用金屬的耐熱性將使底板的熱傳遞效果隨厚度增加而遞減。
因此，本發(fā)明的底板厚度具有一最大熱傳遞效果，且該厚度可大可小，需視(所需的)溫差或配置而定。目前所有市售的水冷卻器均使用可能的最厚底板(例如5mm)，以快速移除熱源的熱能，因而未考慮上述的最佳設(shè)計。本發(fā)明的冷卻器具有可達到對應(yīng)冷卻力范圍的所需最小殘余薄膜厚度，以使微結(jié)構(gòu)及冷媒盡可能靠近熱源。如此一來便可確保最佳的局部熱移除效果，同時因節(jié)省材料及減少質(zhì)量而大幅降低成本。
因此，溝道的幾何參數(shù)(溝道寬度、深度、及長度)會影響壓力損失(此即“流體動力因素”)，而溝道間距、殘余薄膜厚度、及底板厚度等參數(shù)則影響三維結(jié)構(gòu)的熱傳導(此即“結(jié)構(gòu)因素”)。后者也高度依賴于溝道的實體排列方式及流向(亦即“設(shè)計”)，如以下的設(shè)計實例所示。令人意外的是，經(jīng)證實，設(shè)計B中的流向扮演非常重要的角色。流體必須穿過間隙，否則該設(shè)計原理將無法充分發(fā)揮其優(yōu)點。若在入口區(qū)使用適當?shù)脑O(shè)計，中央的進入流便可在完全展開前產(chǎn)生旋渦/紊流，其可在熱源正上方增加熱傳導的效果。由此產(chǎn)生的壓力損失、及在分布過程中與從兩側(cè)流入溝道的過程中所產(chǎn)生的壓力損失可通過縮短溝道及將溝道數(shù)加倍(相較于設(shè)計A)而獲得補償。根據(jù)哈根-泊肅葉定律，流速與壓力損失(ΔP)成比例，且溝道數(shù)加倍后，流速便可減半，因此，ΔP可因這一設(shè)計及溝道長度減半而至多減少75％。溝道具有一所謂“臨界長度”，層流即從由此長度開始完全展開。起初，速度的分布可以一接近矩形的輪廓線表示。此時，根據(jù)哈根-泊肅葉定律，壓力損失較大，但熱傳導的效果亦較大。因此，轉(zhuǎn)折點須以“入口效應(yīng)”最佳化，以使壓力損失在控制下保持最低，但熱傳導的作用則進一步增強。
但基本上應(yīng)盡可能縮短各設(shè)計中的溝道長度。
構(gòu)件的冷卻力將從“臨界ΔP”(也即最小值)開始遞降?？衫帽疚乃枋龅脑O(shè)計變化方式，特意降低此最小值。
此外，一經(jīng)證實有利的作法是使由冷卻器內(nèi)部溝道所形成的熱交換表面大于底板上的熱接觸表面。舉例而言。冷卻器內(nèi)的流體溝道可在一金屬薄膜(冷卻平面)中形成一頗密的圖形，因而構(gòu)成一熱交換表面，其中流入冷卻器的熱能可由冷媒吸收。此熱交換表面面積應(yīng)大于底板上供待冷卻物件與冷卻器形成直接熱接觸的表面面積。這一額外的最佳化措施可使待冷卻物件的熱能以盡可能的直接方式、經(jīng)由該熱接觸表面而全部傳導至流體溝道并進入冷卻液中，而非進入冷卻器的側(cè)壁(舉例而言)。
另一具有影響力的變量為溝道的縱橫比，亦即溝道深度對溝道寬度的比。若溝道剖面相同，則深溝道(高縱橫比)顯然對冷卻器的熱傳導力具有正向的效果。本發(fā)明方法中的縱橫比取決于所用蝕刻法的極限。目前所能達到的最大值為1∶2至1∶3。
若使用本文所描述的設(shè)計最佳化措施，待冷卻物件的熱能便可有效傳遞至冷卻器并進入冷媒中，而壓力損失則可藉由本發(fā)明調(diào)整流體動力因素的方式(如前述)，調(diào)整至一合理范圍，若有需要，就約200W/cm2的典型熱傳遞力而言。壓力損失可降至100mbar以下。冷卻器的基本特征參數(shù)為流量0.01-3L/min；絕對冷卻力0.02kW-2kW；
功率密度至少20W/cm2；CPU/流體溫差小于10K。
其他會影響結(jié)構(gòu)因素且理應(yīng)用于最佳化的設(shè)計參數(shù)為溝道總數(shù)、金屬薄膜(溝道平面)數(shù)、薄膜的表面積、溝道的表面積(熱交換表面積)、溝道長度、金屬薄膜所用材料的種類、底板所用材料的種類、用以封閉冷卻器的蓋板所用材料的種類、以材料配合的方式使金屬薄膜彼此接合且接合于底板的接合材料的種類、及用以在待冷卻物件與冷卻器間形成熱接觸的材料的種類。
本發(fā)明的冷卻器包含至少兩片具有流體溝道的金屬薄膜。最好將這些溝道組織成溝道平面。若不使用兩片金屬薄膜，也可改用單一金屬薄膜外加一片底板，該底板具有可容納流體溝道的凹部。在此情況下，該兩金屬薄膜中具有溝道者稱為底板。
該微結(jié)構(gòu)冷卻器最好具有2至10個溝道平面。參照前文，這意味著共設(shè)有1至9片金屬薄膜外加一片具有溝道的底板，或者共設(shè)有2至10片金屬薄膜外加一片不具有溝道的底板。對包含溝道的底板而言，殘余薄膜厚度應(yīng)在50-300μm范圍內(nèi)的條件并不適用。將熱能從待冷卻物件傳遞至冷媒的能力會隨溝道平面數(shù)而增加。但經(jīng)證明，若設(shè)置超過8片具有相同幾何形狀的層體，熱傳遞力將無法繼續(xù)增加，至少無法繼續(xù)有意義地增加。僅改變層體數(shù)即可調(diào)整冷卻器熱傳遞力的不同范圍，甚至故意影響制造成本。由于各溝道平面均將增加成本，在設(shè)計產(chǎn)品時須考慮應(yīng)用價格/冷卻力的比值。使用本發(fā)明的制造方法可大幅降低價格并保有足夠的冷卻力，針對特定應(yīng)用所作的設(shè)計則可減少表面積或體積。
本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)冷卻器除金屬薄膜及底板(其可使疊層不致接觸待冷卻物件的熱接觸表面)外，還具有一蓋板。該蓋板本身可為一具有溝道的金屬薄膜，但也可為一未經(jīng)結(jié)構(gòu)化的蓋板。在制造該微結(jié)構(gòu)冷卻器時，結(jié)構(gòu)化薄膜將配置一蓋板及一底板，三者接合后便形成一緊密的構(gòu)件。最好蓋板上能以蝕刻、打孔、或激光方式制造出多個開口，供入口及出口區(qū)的連接使用。蓋板最好是以金屬、塑料、塑料/注射成型物制成。
為將冷媒導入冷卻器及將冷媒自冷卻器中移出，另設(shè)有用以連接管路的裝置，例如經(jīng)注射成型、經(jīng)整合為一體、或經(jīng)接合的連接支座。用以連接管路的元件可直接整合，或通過螺合、接合(軟焊/硬焊)、壓合、和/或粘著劑結(jié)合而以不同方式附著。這些連接支座連接至通往泵和/或外部反向冷卻器的流體管線。
此外，金屬薄膜中的溝道走向大致彼此平行，但并不表示這些溝道的定向必須為一直線。平行的“蛇行線”、弧形或“星形”溝道、或走向未必彼此平行的類似物亦有其優(yōu)點。如此一來便可在排列溝道時使其彼此極為靠近，以使冷卻器材料(金屬薄模)與冷媒間產(chǎn)生非常有效的熱傳遞。
可以想象，可有任一種所需的三維溝道排列方式，其中各層體均設(shè)有開口。
此外，微結(jié)構(gòu)冷卻器可具有至少一個供冷媒使用的入口分布空間、及至少一個供冷媒使用的出口分布空間。
設(shè)計A這些分布空間可設(shè)置于冷卻器彼此相對的側(cè)表面上，且大體橫跨冷卻器該側(cè)表面的全寬。
在該第一溝道設(shè)計中，溝道在入口側(cè)連接至一入口分布空間，在出口側(cè)則連接至一出口分布空間。因此，在具有這一結(jié)構(gòu)的冷卻器中，冷媒經(jīng)由一第一連接支座流入該冷卻器，然后進入該入口分布空間。在此設(shè)計中，由于該入口分布空間穿過所有流體溝道的一側(cè)，因此，冷媒可由該處流入這些流體溝道。冷媒一旦穿過這些溝道便到達該出口分布空間。冷媒即由該處流入外部冷卻管線。
在第二變體(設(shè)計B)中，金屬薄膜由至少一個入口側(cè)分布室從中隔開，隔開處約位于熱接觸表面所在的高度。例如，此分布室可形成一分隔金屬薄膜的間隙，其最好是沿垂直于這些金屬薄膜所在平面的方向分隔這些金屬薄膜。舉例而言，該間隙的寬度可在50至2000μm的范圍內(nèi)。該間隙狀的分布室大體上可沿垂直于這些金屬薄膜的整個剖面穿過該冷卻器。若該熱接觸表面的位置約在底板中央，金屬薄膜被該分布室隔開的位置亦約在金屬薄膜的中央。在任何情況下，間隙最好位于從底板穿過溝道平面向上延伸的冷卻器的中央?yún)^(qū)域中。這一設(shè)計可達下列效果從上方(當?shù)装逦挥谙路綍r)流入該分布室的冷媒在接觸底板峙，其所接觸的部位亦約為該熱接觸表面所在的中央?yún)^(qū)，因而在該區(qū)產(chǎn)生一可增加熱傳遞的流量。
由于溝道最好是在金屬薄膜的平面內(nèi)延伸，因此，所有溝道的一端均連接至該分布室。在一較佳具體實例中共設(shè)有兩組基本上相互平行的溝道。冷卻器內(nèi)另設(shè)有至少一個收集室，所有溝道的另一端即連接于該室。在設(shè)計A中例如可設(shè)置兩個收集室，其位于彼此相對的側(cè)表面上，且基本上是橫過冷卻器各側(cè)表面的全寬。這些收集室最好彼此相連，使冷媒可從分布室進入被穿過的流體溝道，再從流體溝道進入相連的收集室。
在第二設(shè)計B中亦設(shè)有至少一個連接至這些收集室的第一連接支座、及至少一個連接至該分布室的第二連接支座。如此一來，冷媒便可經(jīng)由該第一連接支座，從一外部冷卻管線中導出，并進入分布室，然后從分布室進入流體溝道。之后，冷媒將被導入收集室，并由該第二連接支座將其自收集室中導出，使其再次進入一外部冷卻管線。
本發(fā)明冷卻器的尺寸在原理上不可能由用于制造現(xiàn)今冷卻器的傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方法來獲得。
若欲制造該微結(jié)構(gòu)冷卻器，可使用類似于印刷電路板制造法的方法，這些方法包括光刻、結(jié)構(gòu)化(最好為蝕刻)、電鍍、及接合(最好為軟焊，可參見德國專利第197 08 472 A1號)等個別加工步驟。類似之處在于一復雜三維結(jié)構(gòu)是以堆疊及接合微結(jié)構(gòu)薄膜的方式制成。就構(gòu)件設(shè)計、結(jié)構(gòu)、及接合(軟焊)系統(tǒng)而言，其投入大量生產(chǎn)的能力均已針對此一方法而最佳化，使得可以用成本有效的方式大量制造該微結(jié)構(gòu)冷卻器，并使現(xiàn)有系統(tǒng)大致不需修改或僅需小幅修改即可使用。本文所述制造方法的優(yōu)點為使用既有的微結(jié)構(gòu)化方法、可擴充至工業(yè)型大量生產(chǎn)、及成本極低。因而產(chǎn)生的重大優(yōu)點則包括經(jīng)證實適合大量生產(chǎn)的科技亦可用于本發(fā)明冷卻器的新用途，且加工步驟可輕易結(jié)合及整合。因此，舉例而言，為確保該冷卻器可在不使用額外扣夾的情況下以作用力最小的方式進行組裝，可將其直接安裝于CPU上，最好是利用軟焊或粘著劑。
應(yīng)用本發(fā)明制造冷卻器的微結(jié)構(gòu)工藝可產(chǎn)生下列性質(zhì)1、可在構(gòu)件與環(huán)境間、及微溝道之間形成非常高強度且可靠的絕對密封(高達10-9mbar·L/s的真空密封)，以利用完整的全金屬接合將傳熱效果最佳化；2、冷卻器具有極佳的抗壓性，且金屬薄膜與蓋板、底板的接合處具有極佳的強度；3、具有非常良好的抗蝕性，該抗蝕性可配合施用的區(qū)域，且是使用以電化學方式施作的防蝕層；4、可耐高溫；
5、具有不含沉積物、且?guī)缀味x明確的均質(zhì)溝道；6、冷媒在冷卻器中的壓力損失極小。
為進行構(gòu)件的接合，須謹慎協(xié)調(diào)軟焊系統(tǒng)的層體厚度與加工參數(shù)，以便在疊層壓機內(nèi)也可進行軟焊作業(yè)。可能的接合方法請參照德國專利第197 08 472 A1號，及“Handbuch Lottechnik”(“Manualof Soldering Technology”)，I.E.Petrunin，Verlag Technik GmbH，Berlin，1991。


以下有關(guān)本發(fā)明的說明請參閱附圖。各附圖分別為圖1為一結(jié)構(gòu)化金屬薄膜的剖面示意圖；圖2為一微結(jié)構(gòu)冷卻器的剖面示意圖，該微結(jié)構(gòu)冷卻器與一電子元件形成熱接觸；圖3為根據(jù)第一設(shè)計A的微結(jié)構(gòu)冷卻器平面的示意圖；圖4為根據(jù)第二設(shè)計B的微結(jié)構(gòu)冷卻器平面的示意圖；圖5a為根據(jù)第一設(shè)計A的微結(jié)構(gòu)冷卻器的示意圖，其中冷媒連接器業(yè)已壓入；圖5b為根據(jù)第一設(shè)計A的微結(jié)構(gòu)冷卻器的示意圖，該微結(jié)構(gòu)冷卻器具有偏位的分布空間，且冷媒連接器業(yè)已壓入；圖5c為根據(jù)第一設(shè)計A的微結(jié)構(gòu)冷卻器的示意圖，該微結(jié)構(gòu)冷卻器具有旋入式冷媒連接器；圖5d為根據(jù)第一設(shè)計A的微結(jié)構(gòu)冷卻器的示意圖，該微結(jié)構(gòu)冷卻器具有成角度的旋入式冷媒連接器；圖5e為根據(jù)第一設(shè)計A的微結(jié)構(gòu)冷卻器的示意圖，該微結(jié)構(gòu)冷卻器具有偏位的分布空間、一蓋狀的模制蓋板、旋入式冷媒連接器、及一具有冷卻溝道的底板；圖6為根據(jù)第二設(shè)計B的微結(jié)構(gòu)冷卻器的示意圖，該微結(jié)構(gòu)冷卻器具有冷媒連接器。
相同的參考標號在所有附圖中均具有相同意義。請參見后附的元件符號列照表。
具體實施例方式
圖1顯示一金屬薄膜1上的各最佳化參數(shù)，這些參數(shù)可將冷卻器中的壓力損失減至最少，并將熱接觸表面與流入冷卻器的冷媒間的溫差降至最低；或者說，使冷卻力最大。溝道則圖示為該尚未接受軟焊作業(yè)的金屬薄膜1上的凹口2。
圖中顯示溝道寬度b、溝道深度t、溝道間距(條狀物寬度)s，及殘余薄膜厚度r。圖中亦顯示金屬薄膜1上結(jié)構(gòu)化區(qū)域的寬度f。圖2顯示另一最佳化參數(shù)g(底板厚度)。
圖2顯示一冷卻器3、及與其形成熱接觸的CPU處理器4。冷卻器3在此例中包括四片金屬薄膜1，各薄膜均具有四條冷卻溝道2、及位于其間的條狀物9。各金屬薄膜1的溝道2均被一鄰近的金屬薄膜1封閉。最下層金屬薄膜1的冷卻溝道2則由一底板5封閉，使其不致接觸CPU處理器4。底板5也可通過一熱接觸表面6吸收CPU處理器4所生的熱能。為此，CPU處理器4由一具有良好導熱性的接合裝置(例如熱傳遞化合物、軟焊料、導熱粘著劑)7接合于底板5上、熱接觸表面6所在的區(qū)域。CPU處理器4安裝于一CPU載板8上。由金屬薄膜1及底板5所構(gòu)成的疊層由一位于頂部的蓋板9加以封閉。圖中還顯示底板厚度g。
以下說明本發(fā)明微結(jié)構(gòu)冷卻器中溝道布置的不同設(shè)計設(shè)計A圖3顯示一微結(jié)構(gòu)冷卻器于某一金屬薄膜1所在高度的剖面。圖中顯示金屬薄膜1中的各溝道2。溝道2彼此平行排列。此平行排列方式形成一由溝道寬度f及溝道長度所決定的熱交換表面，其大于電子元件的熱接觸表面。為實現(xiàn)一目的，溝道2可選用一足夠的長度。溝道2通往一入口分布空間10及一出口分布空間11。溝道2僅位于某一金屬薄膜1所在的平面，但入口分布空間10及出口分布空間11則跨越冷卻器的整個內(nèi)部高度，致使冷卻器中所有金屬薄膜1的溝道2均連接至該兩分布空間10及11。
多片金屬薄膜1以軟焊的方式，通過結(jié)構(gòu)化薄膜1的條狀物9及薄膜1的邊緣12而彼此接合，此外，這些薄膜1其中一片則通過條狀物9及邊緣12而軟焊于一底板5。舉例而言，若一待冷卻CPU處理器的表面積為10mm×10mm，則溝道2的長度可約為20mm。因此，溝道2兩側(cè)、在CPU處理器所用熱接觸表面上方的一5mm外伸部分將使溝道長度成為20mm，而溝道2所覆蓋的熱交換表面積的寬度f亦為20mm。
圖5a顯示一微結(jié)構(gòu)冷卻器3的剖面，并顯示冷媒進、出冷卻器3所使用的連接器。圖中可見一入口套筒15及一出口套筒16。為能以快速且成本有效地進行組裝，快速插入式連接器17被壓入或旋入套筒15及16中。如此一來便可附著一直徑4或8mm(舉例而言)的管路。
圖5b顯示另一微結(jié)構(gòu)冷卻器3的剖面。在此例中，連接套筒15及壓入此套筒內(nèi)的快速插入式連接器17位于蓋板1的區(qū)域內(nèi)。另一連接套筒16及壓入其中的快速插入式連接器17設(shè)于突出至溝道區(qū)外的蓋板9側(cè)邊上。
在此例中所使用具有冷卻溝道2的金屬薄膜1并不包括分布空間10及11。相反地，金屬薄膜1具有其特有的平行冷媒溝道2。在將多片具有溝道2的金屬薄膜1接合成一冷卻塊體后，這些冷卻溝道將在該冷卻塊體的末端形成開口。該冷卻塊體與底板5及蓋板9組裝完成后，將在鄰近該冷卻塊體末端處形成中空的空間，而溝道2則通往該空間。這些中空空間分別形成入口分布空間10及出口分布空間11。連接套筒15、16連同快速插入式連接器均直通分布空間10及11。蓋板9可以成本有效地制成一模制塑料構(gòu)件。在將冷卻塊體大幅縮小至CPU4的尺寸后，即可大幅降低冷卻器3的制造成本。
圖5c顯示冷卻器的另一變體。在此例中，不同于圖5a所示的變體，入口套筒15及出口套筒16的快速插入式連接器17制成旋入式連接器。除此之外，此變體均可對應(yīng)于圖5a中的具體實例。
圖5d顯示冷卻器的另一變體。在此例中，不同于圖5c所示的具體實例，入口套筒15及出口套筒16的快速插入式連接器17制成成角度形。如此一來，管路連接器便可采用另一種組裝方式，亦即從側(cè)面進行組裝，因而降低構(gòu)件高度，其他優(yōu)點則為管路可以不產(chǎn)生作用力的方式連接，且更容易安裝(即使在空間限制更嚴格的情況下)。除此之外，此變體均可對應(yīng)于圖5c中的具體實例。
根據(jù)圖5e，在本發(fā)明冷卻器3的另一具體實例中，蓋板9是制成一蓋狀，例如以塑料制成。此蓋9最好是以注射成型的方式制成。該蓋包括冷卻塊體中由金屬薄膜1內(nèi)的冷卻溝道2所形成的區(qū)域。蓋9中亦設(shè)有入口套筒15及出口套筒16，這些套筒可容納可被壓入的快速插入式連接器17。
該冷卻塊體包括具有冷卻溝道2的金屬薄膜1，且尺寸約與CPU 4的尺寸相同。金屬薄膜1中的冷卻溝道2通往入口分布空間10及出口分布空間11。分布空間10及11則分別緊接于入口套筒15及出口套筒16。
冷卻塊體的最下層金屬薄膜1亦為底板。在此例中，底板厚度g可滿足本發(fā)明的條件，即底板厚度g在200-2000μm的范圍內(nèi)。然而，此最下層金屬薄膜1(其中亦設(shè)有冷卻溝道2)的殘余薄膜厚度r則未必設(shè)定在本發(fā)明50-300μm的范圍內(nèi)。但其他金屬薄膜1的殘余薄膜厚度r則在本發(fā)明50-300μm的范圍內(nèi)。
CPU 4本身是安裝于一載板8上，且通過一熱接觸表面6接觸冷卻器3。CPU 4固定于載板8上、一電絕緣層18(例如保護性釉、漆)的一凹口中，并由該凹口所包圍，因此，冷卻器3可將CPU 4氣密密封，使其與外界隔絕。
設(shè)計B為將微結(jié)構(gòu)溝道2內(nèi)的壓力損失降至最低，進而將必要的冷媒流量減至最少(這都與冷卻器及整個冷卻系統(tǒng)(包括一冷媒泵及流體管路)的最佳化及使其體積縮小有關(guān))，金屬薄膜1由至少一個分布室20(“開裂式溝道設(shè)計”)從中隔開，隔開處約位于熱接觸表面所在的高度。在圖4中，此分布室20圖示為某一微結(jié)構(gòu)冷卻器平面中一穿過溝道2及條狀物9的間隙。溝道2僅是圖4所示的金屬薄膜1中被局部移除的部分，留下殘余薄膜厚度，但間隙20則為一貫穿金屬薄膜1的開縫。因此，將多片這種金屬薄膜1重疊便形成溝道2，其可容納在金屬薄膜平面中流動的冷媒。另一方面，由該間隙所形成的分布室20則跨越冷卻器的整個內(nèi)部延伸。
圖4中亦可看出，溝道2通往一收集室21。收集室21包括共三面溝道表面區(qū)，因此，來自分布室20的冷媒將可進入圖中的上方溝道2及下方溝道2。離開溝道2的冷媒將再次進入U形收集室21。這種導引冷媒的方式可產(chǎn)生極佳的冷卻力。若以反方向?qū)б涿?亦即將冷媒從收集室21導入溝道2，致使冷媒從溝道2進入分布室20)，則所得的冷卻力將大幅降低。
與分布室20一樣，收集室21制成金屬薄膜1中的一連續(xù)凹口，因此，若使多片這種薄膜1彼此重疊，此室21將跨越冷卻器的整個內(nèi)部高度。其所達到的效果為冷媒可均勻分布于各溝道2，此與分布室20的效果相同。
為將冷媒導離冷卻器，可設(shè)置兩連接支座，使分布室20中的冷媒經(jīng)由這些連接支座移出。冷媒一旦通過溝道2便進入收集室21的兩分支部分，然后從該處導離冷卻器。
圖6是一具有冷媒連接裝置的微結(jié)構(gòu)冷卻器3的剖面示意圖。在此例中，參考標號的意義亦與前述相同。
與圖5b中一樣，在此例中也顯示冷卻器3的一結(jié)構(gòu)，其具有一由金屬薄膜1及其上所設(shè)冷卻溝道2所構(gòu)成的冷卻塊體。該冷卻塊體本身的尺寸約與CPU 4的熱接觸表面相同。兩個形成收集室21的室是由突出至冷卻塊體溝道區(qū)外的蓋板9所形成，該蓋板最好是一塑料注射成型構(gòu)件。這些室21彼此相連。此外，金屬薄膜是以對應(yīng)于圖4所示的方式從中被隔開，因而形成一穿過冷卻溝道2的分布室20。
蓋板9中設(shè)有兩個可容納快速插入式連接器17的連接套筒15及16。連接套筒15內(nèi)的快速插入式連接器17可將冷媒導入冷卻器3，快速插入式連接器16則可將冷媒從冷卻器3中移除。使用者可將管路連接至快速插入式連接器17，連接套筒15通往一分布溝道22，該分布溝道本身則通往分布室20。
實例將具有設(shè)計A的本發(fā)明冷卻器與市售冷卻器相比。為求得這些特征數(shù)值，利用一典型電腦系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)計算值。在此系統(tǒng)中，兩不同冷卻器是在其他條件(個人電腦、CPU、管路系統(tǒng)、泵、散熱器、量測程序等)完全相同的情況下接受量測的。
可定義出多個可描述冷卻器性能的特微數(shù)值。
重要因數(shù)為CPU功率 [W]CPU的功率/表面積；[W/cm2]泵輸出量的特征線；流量為壓力的函數(shù)系統(tǒng)的壓力損失； [mbar]可說明冷卻器的下列特征參數(shù)冷卻器的體積(不含連接裝置) [cm3]冷媒的流量 [L/min]CPU與冷媒入口間的溫差ΔTΔT＝TCPU-T冷媒入口[K]溫差(特定CPU)/功率 [K/W]密實度(冷卻力/體積) [W/cm3]單位體積及ΔT的冷卻力 [W/(cm3·K)]單位體積及ΔT及流量的冷卻力 [W/(cm3·K·L/min)]這些不同參數(shù)可描述與應(yīng)用相關(guān)的重要性質(zhì)，例如尺寸、性能、效率、及系統(tǒng)需求。
重要的影響因數(shù)為CPU功率 約70WCPU的功率/表面積 60W/cm2泵輸出量的特征線 伊罕(Eheim)泵系統(tǒng)的壓力損失10-100mbarA)市售冷卻器冷卻器的體積(不含連接裝置)W×L×H(5×5×3.5) 87.5cm3冷媒的流量 2.7L/minCPU與冷媒入口間的溫差ΔTΔT＝TCPU-T冷媒入口13K溫差(特定CPU)/功率 0.186K/W密實度(冷卻力/體積)0.8W/cm3單位體積及ΔT的冷卻力 0.062W/(cm3·K)單位體積及ΔT及流量的冷卻力0.023W/(cm3·K·L/min)內(nèi)表面積/體積 約1.13cm2/cm3B)本發(fā)明冷卻器的設(shè)計A該冷卻器是由一底板(厚度1mm)、8片結(jié)構(gòu)化薄膜、一蓋板(厚度1mm)，及軟焊連接支座所制成。
結(jié)構(gòu)化薄膜的幾何形狀溝道長度 16mm溝道寬度 500μm條狀物寬度 200μm溝道深度 230μm殘余溝底厚度 70μm溝道數(shù) 31溝道/薄膜(結(jié)構(gòu)化寬度21.5mm)薄膜數(shù) 8冷卻器的體積(不含連接裝置)W×L×H(4.9×4.9×0.5cm3) 12cm3冷媒的流量 1.25L/minCPU與冷媒入口間的溫差ΔTΔT＝TCPU-T冷媒入口11K溫差(特定CPU)/功率 0.157K/W密實度(冷卻力/體積)5.8W/cm3單位體積及ΔT的冷卻力 0.53W/(cm3·K)單位體積及ΔT及流量的冷卻力0.42W/(cm3·K·L/min)內(nèi)表面積/體積 4.8cm2/cm3比較測試結(jié)果列于表1中表1


該等特征數(shù)值清楚顯示，本發(fā)明的冷卻器在各方面均表現(xiàn)出顯著的優(yōu)點。
將溫差減少約20％可立即節(jié)省冷卻系統(tǒng)的能源，進而節(jié)省運轉(zhuǎn)成本。
單位體積及ΔT及流量的冷卻力約為市場最佳領(lǐng)導品牌的20倍，代表該種冷卻器可得到實質(zhì)上較高的聚積密度(CPU數(shù)/單位體積)。亦應(yīng)注意，管路成本(管路及接頭所需的空間及成本)將可大幅降低，使得更容易操控(細管路而非粗管路)。
應(yīng)特別注意，該等特征數(shù)值適用于一構(gòu)件，其尺寸基于技術(shù)組裝的理由，就目前而言，是配合晶片載體而非CPU本身的面積；若直接整合為一體，該等特征數(shù)值將進一步增加，因而與現(xiàn)有科技產(chǎn)生更大的差異。
在另一個比較試驗中，(市售冷卻器與具有設(shè)計B的本發(fā)明冷卻器的比較)，這些冷卻器的性能數(shù)據(jù)總結(jié)如表2表2


這些比較試驗是在完全相同的條件下進行，且均是用于冷卻一AMD2000+CPU。
從這些結(jié)果中可以清楚地看出，本發(fā)明冷卻器的冷卻力比市售冷卻器更有效。
應(yīng)了解，以上通過實例及附圖所描述的內(nèi)容可以技術(shù)方式進行多種修改及替換而不脫離本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由后附的權(quán)利要求加以界定。
附圖標記說明1 金屬薄膜2 溝道3 微結(jié)構(gòu)冷卻器4 CPU處理器5 底板6 熱接觸表面7 導熱粘著劑8 CPU載板9 蓋板
10 入口分布空間11 出口分布空間12 金屬薄膜1的邊緣15 入口套筒16 出口套筒17 快速插入式連接器18 電絕緣層20 分布室21 收集室22 分布溝道b 溝道寬度t 溝道深度s 溝道間距r 殘余薄膜厚度f 金屬薄膜1上結(jié)構(gòu)化區(qū)域的寬度g 底板厚度
權(quán)利要求
1.一種用于一待冷卻物件(4)的微結(jié)構(gòu)冷卻器(3)，該冷卻器(3)包括一由至少兩片金屬薄膜(1)及一片底板(5)所構(gòu)成的疊層，該底板可通過一熱接觸表面(6)而與該物件(4)形成熱接觸，該金屬薄膜(1)及該底板(5)相互接合，所述冷卻器(3)還包括位于該金屬薄膜(1)中且供冷媒使用的溝道(2)，且該溝道(2)的寬度b在100-2000μm的范圍內(nèi)，其深度t在25-1000μm的范圍內(nèi)，且其平均間距s在50-1000μm的范圍內(nèi)，因該金屬薄膜(1)上的溝道(2)而產(chǎn)生的殘余薄膜厚度r在50-300μm的范圍內(nèi)，而該底板(5)的厚度g則在200-2000μm的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該溝道寬度b、該溝道深度t、該溝道間距s，該殘余薄膜厚度r，及該底板厚度g均經(jīng)最佳化，以將該冷卻器(3)中冷媒的壓力損失降至最低。
3.如權(quán)利要求1的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該溝道寬度b、該溝道深度t、該溝道間距s，該殘余薄膜厚度r，及該底板厚度g均經(jīng)最佳化，以將該熱接觸表面(6)與流入該冷卻器(3)的冷媒的溫差減至最小。
4.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器。其特征為該溝道寬度b、該溝道深度t、該溝道間距s、該殘余薄模厚度r及該底板厚度g經(jīng)過調(diào)整，以使一冷卻力對冷卻器(3)體積的比值(亦即“冷卻密實度”)至少達到2W/cm3。
5.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該溝道寬度b、該溝道深度t、該溝道間距s、該殘余薄膜厚度r、及該底板厚度g經(jīng)過調(diào)整，以使“單位體積及ΔT的冷卻力”至少達到0.1W/(cm3·K)。
6.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該溝道寬度b、該溝道深度t、該溝道間距s、該殘余薄膜厚度r、及該底板厚度g經(jīng)過調(diào)整，以使“壓力損失歸一化下的比冷卻力”至少達到0.1W/(cm3·K·L/min)。
7.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該溝道寬度b、該溝道深度t、該溝道間距s、該殘余薄膜厚度r、及該底板厚度g經(jīng)過調(diào)整，以使一熱傳遞力在下列條件下達到200W/cm2該熱接觸表面(6)與流入該冷卻器(3)的冷媒的最大溫差為10K，冷媒在該冷卻器(3)內(nèi)的流量在0.01-3L/min的范圍內(nèi)，且壓力損失最大值為100mbar。
8.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為溝道寬度b對溝道平均間距s的比值在1.5∶1至2.5∶1的范圍內(nèi)。
9.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為溝道寬度b對殘余薄膜厚度r的比值在2∶1至5∶1的范圍內(nèi)。
10.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該溝道寬度b在200-500μm的范圍內(nèi)。
11.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器。其特征為該溝道深度t在50-400μm的范圍內(nèi)。
12.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該溝道平均間距s在150-300μm的范圍內(nèi)。
13.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該殘余薄膜厚度r在80-120μm的范圍內(nèi)。
14.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該底板厚度g在500-1500μm的范圍內(nèi)。
15.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為由該溝道(2)所形成的熱交換表面面積大于該熱接觸表面(6)面積。
16.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該等金屬薄膜(1)中的溝道(2)大致彼此平行。
17.如前述權(quán)利要求中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為還包括用于冷媒的至少一個入口分布空間(10)和至少一個出口分布空間(11)。
18.如權(quán)利要求17的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為所有溝道(2)在入口側(cè)均連接至該入口分布空間10，在出口側(cè)則均連接至該出口分布空間(11)。
19.如權(quán)利要求17或18的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為還包括至少一個第一連接支座和至少一個第二支座，該至少一個第一連接支座連接至該至少一個入口分布空間(10)，且該至少一個第二連接支座連接至該至少一個出口分布空間(11)。
20.如權(quán)利要求1至4中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該等金屬薄膜(1)由至少一個分布室(20)從中隔開，隔開處約位于該熱接觸表面(6)所在的高度；其中所有溝道(2)的一端均連接至該至少一個分布室(20)；且該冷卻器(3)內(nèi)設(shè)有至少一個收集室(21)，所有溝道(2)的另一端均連接至該至少一個收集室。
21.如權(quán)利要求20的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為設(shè)有兩組基本上相互平行的溝道(2)；且其中至少一個收集室(20)制成該兩組之間的一間隙。
22.如權(quán)利要求21的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為該間隙(20)的寬度在50-2000μm的范圍內(nèi)。
23.如權(quán)利要求20-22中任一項的微結(jié)構(gòu)冷卻器，其特征為還包括至少一個第一連接支座和至少一個第二連接支座，該至少一個第一連接支座連接至該至少一個分布室(20)；且該至少一個第二連接支座連接至該至少一個收集室(21)。
24.如權(quán)利要求1至23中任一項的用于冷卻電子元件的微結(jié)構(gòu)冷卻器的使用。
25.根據(jù)文中參考附圖所描述的以及附圖所示出的微結(jié)構(gòu)冷卻器和/或其使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于一待冷卻物件(4)的微結(jié)構(gòu)冷卻器(3)，該冷卻器(3)包括一由至少兩片金屬薄膜(1)及一片底板(5)所構(gòu)成的疊層，該底板可通過一熱接觸表面(6)而與物件(4)形成熱熱接觸，金屬薄膜(1)及底板(5)是以材料配合的方式相互接合，金屬薄膜(1)中設(shè)有可供冷媒使用的溝道(2)，且溝道(2)的寬度在100－2000μm的范圍內(nèi)，其深度在25－1000μm的范圍內(nèi)，且其平均間距在50－1000μm的范圍內(nèi)，因金屬薄膜(1)上的溝道(2)而產(chǎn)生的殘余薄膜厚度在50－300μm的范圍內(nèi)，而底板(5)的厚度則在200－2000μm的范圍內(nèi)。
文檔編號F28F3/00GK1689153SQ03823629
公開日2005年10月26日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月2日
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