專利名稱：用于電子冷卻應(yīng)用的微管/多端口逆流散熱器設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于冷卻發(fā)熱設(shè)備的裝置，并且具體地涉及一種流體冷卻 應(yīng)用中使用的流體_空氣換熱器。
背景技術(shù)：
對(duì)具有高散熱性的高性能集成電路的冷卻在電子器件冷卻領(lǐng)域中帶來巨大挑戰(zhàn)。
利用熱管和裝配有風(fēng)扇的散熱片的常規(guī)冷卻不足以冷卻瓦特要求不斷增長的芯片。 冷卻電子器件內(nèi)的集成電路的一個(gè)具體問題在于在相同尺寸或者更小底板內(nèi)配
置數(shù)目更多大量和功率更大的集成電路。隨著開發(fā)出功率更大的集成電路(各自具有密度
增加的發(fā)熱晶體管)，各單獨(dú)集成電路產(chǎn)生的熱持續(xù)增長。另外，越來越多的集成電路如圖
形處理單元、微處理器和多芯片組添加到電子器件，如電子器件服務(wù)器和個(gè)人計(jì)算機(jī)。另
外，功率更大和數(shù)量更多的集成電路添加到相同或者更小尺寸的底板，由此增加因這些設(shè)
備而生成的每單位的熱。在這樣的配置中，常規(guī)底板在提供充分冷卻解決方案中提供了有
限尺度。常規(guī)地，使用散熱片和在散熱片之上吹空氣的大型風(fēng)扇，或者簡(jiǎn)單地通過在包含集
成電路的電路板之上直接空氣，來冷卻集成電路。然而，考慮設(shè)備底板內(nèi)的空閑空間有限，
可用于冷卻集成電路的空氣量和可用于常規(guī)冷卻裝置如散熱片的空間是有限的。
閉環(huán)液體冷卻提供了針對(duì)常規(guī)冷卻方案的替代方法。閉環(huán)液體冷卻解決方案比空
氣冷卻解決方案更高效地向環(huán)境排熱(reject heat)。閉環(huán)冷卻系統(tǒng)包括用于從熱源接收
熱的冷板、具有用于散熱的風(fēng)扇冷卻的散熱器和用于通過閉環(huán)驅(qū)動(dòng)液體的泵。各部件的設(shè)
計(jì)常常是復(fù)雜的并且要求針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析和優(yōu)化。 圖1圖示了配置有單向流體流的第一常規(guī)散熱器2。散熱器2配置有流體輸入頭 部(header) 10、流體輸出頭部12、受熱流體流過的成組平行流體通道14以及熱耦合到成組 流體通道14的成組冷卻鰭16。受熱流體進(jìn)入流體輸入頭部10并且流入流體通道14。流 體通道14和冷卻鰭16由導(dǎo)熱材料制成以增強(qiáng)從流過流體通道14的流體到冷卻鰭16的熱 傳遞。冷卻鰭16暴露于氣流以便進(jìn)行冷卻。在與流過流體通道14的流體流方向垂直的方 向上提供氣流。在這一配置中，各流體通道14暴露于相同溫度的氣流。由于各流體通道14 中的流體溫度相同并且與各流體通道14相交的空氣溫度相同，所以在流體溫度與空氣溫 度之間的溫度差對(duì)于各流體通道14而言相同。冷卻的流體從流體通道14流向流體輸出頭部12并且流出散熱器2。 圖2圖示了配置有雙向流體流的第二常規(guī)散熱器4。散熱器4配置有第一流體頭 部20、第二流體頭部22、第一組平行流體通道24、第二組平行流體通道25以及熱耦合到第 一組流體通道24和第二組流體通道25的成組冷卻鰭26。第一組流體通道24平行于第二 組流體通道25。受熱流體進(jìn)入第一流體頭部20并且流入第一組流體通道24。第一流體頭 部20包括流體分隔器28，該流體分隔器被配置成防止向第一流體頭部20輸入的流體經(jīng)由 第一流體頭部20進(jìn)入第二組流體通道25。流體通道24和冷卻鰭26由導(dǎo)熱材料制成以增 強(qiáng)從流過流體通道24的流體到冷卻鰭26的熱傳遞。冷卻鰭26暴露于氣流以便進(jìn)行冷卻。 冷卻的流體從流體通道24流向第二流體頭部22并且引入流體通道25。流體通道25由導(dǎo) 熱材料制成以增強(qiáng)從流過流體通道25的流體到冷卻鰭26的熱傳遞。進(jìn)一步冷卻的流體從 流體通道25流向第一流體頭部20并且流出散熱器4。流體分隔器28防止流出流體通道 25的流體重新循環(huán)到流體通道24中。 與在第一常規(guī)散熱器2中一樣，氣流在與流體流過流體通道24、25的流體流方向 垂直的方向上提供給第二常規(guī)散熱器4。在這一配置中，各流體通道24、25暴露于相同溫度 的氣流。然而，流過第二組流體通道25的流體相對(duì)于流過第一組流體通道24的流體更涼。 由于與各流體通道24、25相交的氣流的空氣溫度相同，所以在氣流與流過第一組通道24的 流體之間的溫度差比在氣流與流過第二組流體通道25的流體之間的溫度差更大。因此，散 熱器4的冷卻效率不均勻。 散熱器的性能依賴于冷卻鰭之上的空氣流速、經(jīng)過流體通道的流體流速、冷卻鰭 的表面區(qū)域以及在空氣與流體之間的溫度差。 需要一種用于冷卻電子器件內(nèi)的集成電路的更高效的冷卻方法。也需要一種在給 定空間約束內(nèi)增加冷卻性能的冷卻方法。

發(fā)明內(nèi)容
—種逆流散熱器由空氣冷卻，并且適用于在電子系統(tǒng)中進(jìn)行流體冷卻。受熱流體 如受熱液體或者兩相流體進(jìn)入逆流散熱器，并且行進(jìn)經(jīng)過包括多個(gè)微管道如微管、微通道 或者微端口的流體路徑，而又將熱從流體排放到耦合到微管道的鰭組件中。在鰭組件的表 面之上引導(dǎo)氣流以將來自鰭組件的熱散到空氣中。逆流散熱器配置有多個(gè)冷卻芯。各冷卻 芯包括至少一層微管道和在彼此上下交替堆疊的至少一層冷卻鰭組件。冷卻芯沿著第一方 向串聯(lián)耦合在一起。也沿著第一方向引導(dǎo)氣流。鰭在氣流方向上對(duì)準(zhǔn)。受熱流體通過第一 頭部中的一個(gè)或者多個(gè)入口點(diǎn)進(jìn)入逆流散熱器。 一個(gè)或者多個(gè)入口點(diǎn)定位于逆流散熱器的 空氣排出側(cè)上。受熱流體沿蛇形路徑前進(jìn)，該路徑與氣流路徑多次相交地穿過多個(gè)冷卻芯， 并且受熱流體通過第二頭部中的一個(gè)或者多個(gè)出口點(diǎn)離開逆流散熱器。 一個(gè)或者多個(gè)出口 點(diǎn)定位于逆流散熱器的空氣引入側(cè)上。根據(jù)冷卻芯的數(shù)目，一個(gè)或者兩個(gè)頭部包括有選擇 性地分離多個(gè)冷卻芯并且有助于蛇形流體路徑的一個(gè)或者多個(gè)分隔器。逆流散熱器配置通 過使流體在氣流的相反方向上流動(dòng)，由此使最熱溫度的流體暴露于最熱溫度的空氣而最冷 溫度的流體暴露于最冷溫度的空氣，來提高散熱器的熱效率。在逆流散熱器的一些實(shí)施例 中，在散熱片的寬度內(nèi)在氣流方向上存在恒定溫度差。 在一個(gè)方面中， 一種流體_空氣換熱器包括多個(gè)流體_空氣冷卻芯、第一流體頭部
7和第二流體頭部。各冷卻芯包括至少一層一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)熱流體管道和耦合到至少一個(gè)流 體管道層的至少一層導(dǎo)熱冷卻鰭，其中各流體管道沿著從冷卻芯的第一端到冷卻芯的第二 端的第一方向配置，另外其中多各冷卻芯沿著與第一方向垂直的第二方向并排堆疊，從而 使多個(gè)冷卻芯的流體管道平行布置。第一流體頭部耦合到各冷卻芯的第一端，其中第一頭 部包括配置成接收輸入流體的入口端口。第二頭部耦合到各冷卻芯的第二端，其中第一頭 部和第二頭部被配置成沿著第二方向?qū)⒘黧w流從與第一頭部的第一端口最近的第一冷卻 芯串行引向各相繼堆疊的冷卻芯。 第二冷卻芯在多個(gè)堆疊冷卻芯內(nèi)被定位得與第一冷卻芯最遠(yuǎn)。在一些實(shí)施例中， 第二冷卻芯被配置成沿著第二方向?qū)⑦M(jìn)入氣流接收到流體-空氣換熱器中，而第一冷卻芯 被配置成從流體_空氣換熱器排出氣流。如果冷卻芯的數(shù)目為偶數(shù)，則第一流體頭部包括 配置成輸出從第二冷卻芯接收的流體的出口端口。在這一配置中，第一頭部包括分離入口 端口與出口端口的至少一個(gè)分隔器。如果冷卻芯的數(shù)目為奇數(shù)，則第二流體頭部包括配置 成輸出從第二冷卻芯接收的流體的出口端口。在這一配置中，第一頭部和第二頭部共計(jì)包 括配置成經(jīng)由多個(gè)冷卻芯將流體流從入口端口引向出口端口的至少一個(gè)流體分隔器。流體 在第一頭部、第二頭部之間并且以蛇形方式從冷卻芯到冷卻芯流動(dòng)。在一些實(shí)施例中，輸入 流體的溫度高于從出口端口輸出的流體的溫度。在這一情況下，沿著從第一冷卻芯到第二 冷卻芯的第二方向形成熱到冷的流體溫度梯度。在一些實(shí)施例中，引入氣流的溫度比排出 氣流的溫度更冷。在這一情況下，沿著從第一冷卻芯到第二冷卻芯的第二方向形成熱到冷 的空氣溫度梯度。 在一些實(shí)施例中，輸入流體的溫度低于從出口端口輸出的流體的溫度，且引入氣 流的溫度高于排出氣流的溫度。在這一情況下，沿著從第一冷卻芯到第二冷卻芯的第二方 向形成冷到熱的流體溫度梯度，并且沿著從第一冷卻芯到第二冷卻芯的第二方向形成冷到 熱的空氣溫度梯度。各冷卻芯暴露于不同溫度的氣流。在一些實(shí)施例中，入口端口定位于 第一流體頭部的第一端附近，而第一冷卻芯定位于第一流體頭部的第一端和第二流體頭部 的第一端附近。第二冷卻芯定位于第一流體頭部的第二端和第二流體頭部的第二端附近。 各層流體管道可以包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱微管，其中各微管被配置成使得通過該微管的流體流 與各其它微管隔離。取而代之，各層流體管道可以包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱微管，其中各微管包括 與相鄰微管的一個(gè)或者多個(gè)共用開口 ，使得通過該微管的流體流在相鄰微管之間混合。沿 著第二方向配置各冷卻鰭。在一些實(shí)施例中，各冷卻芯包括多個(gè)芯層，各層包括至少一層冷 卻鰭和至少一個(gè)流體管道的層，另外其中在給定冷卻芯內(nèi)的各芯層沿著與第一方向垂直并 且與第二方向垂直的第三方向堆疊。 在另一方面中，在基于流體的冷卻系統(tǒng)內(nèi)包括流體-空氣換熱器?；诹黧w的冷 卻系統(tǒng)包括流體_空氣換熱器、配置成向流體_空氣換熱器提供進(jìn)入氣流的一個(gè)或者多個(gè) 鼓風(fēng)機(jī)以及耦合到流體_空氣換熱器的基于流體的冷卻回路，其中冷卻回路被配置成向第 一流體頭部的入口端口提供受熱流體。 在又一方面中，流體_空氣換熱器具有順流配置，其中流體入口在與氣流進(jìn)入側(cè) 相同的換熱器一側(cè)上。 在參閱下文闡述的具體實(shí)施方式
之后，將更清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
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圖1圖示了配置有單向流體流的第一常規(guī)散熱器。
圖2圖示了配置有雙向流體流的第二常規(guī)散熱器。 圖3圖示了冷卻系統(tǒng)的示例框圖，該冷卻系統(tǒng)包括耦合到基于流體的冷卻回路的 逆流散熱器。 圖4圖示了逆流散熱器的示例配置的切開透視圖。
圖5圖示了包括空氣和流體流方向的逆流散熱器的切開俯視圖。
圖6圖示了包括流分隔器的第一流體頭部的切開側(cè)視圖。
圖7圖示了第二流體頭部的切開側(cè)視圖。 圖8圖示了配置成使得各微管道相互隔離的第一示例流體管道的切開俯視圖。
圖9圖示了第二示例流體管道的切開俯視圖，其中各微管道被配置成實(shí)現(xiàn)流體混 合。 圖10圖示了重新配置成冷卻輸入氣流的圖5的逆流散熱器。
圖11圖示了重新配置成用于順流的圖5的散熱器。 將相對(duì)于附圖的若干視圖來描述本發(fā)明。在適當(dāng)時(shí)并且僅在多幅附圖中公開和示 出相同單元時(shí)，相同標(biāo)號(hào)將用來代表這樣的相同單元。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)一種包括在基于流體的冷卻系統(tǒng)內(nèi)的逆流流體_空氣換熱 器，其中冷卻系統(tǒng)散去由電子器件或者系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)發(fā)熱設(shè)備所生成的熱。發(fā) 熱設(shè)備包括但不限于裝配于母板、子板和/或PC擴(kuò)展卡上的一個(gè)或者多個(gè)中央處理單 元(CPU)、用來管理一個(gè)或者多個(gè)CPU的輸入/輸出的芯片組、一個(gè)或者多個(gè)圖形處理單元 (GPU)和/或一個(gè)或者多個(gè)物理處理單元(PPU)。冷卻系統(tǒng)也可以用來冷卻功率電子器件， 比如MOSFET、開關(guān)和需要冷卻的其它高功率電子器件。一般而言，這里描述的冷卻系統(tǒng)可以 應(yīng)用于包括待冷卻的發(fā)熱設(shè)備的任何電子器件子系統(tǒng)。 在一些實(shí)施例中，逆流流體-空氣換熱器是散熱器。如這里所述，使用了對(duì)散熱器 的引用。應(yīng)理解到，對(duì)散熱器的引用代表任一類型的流體-空氣換熱系統(tǒng)，除非明確地引用 了散熱器的具體特性。 從發(fā)熱設(shè)備生成的熱由換熱器接收。在一些實(shí)施例中，換熱器配備有供冷卻回路 中的流體經(jīng)過的流體通道。隨著流體通過換熱器，熱傳遞到流體，并且受熱流體從換熱器輸 出而且引向逆流散熱器。 一個(gè)或者多個(gè)鼓風(fēng)機(jī)如風(fēng)扇耦合到逆流散熱器。向逆流散熱器輸 入受熱流體。在逆流散熱器之上并且通過逆流散熱器引導(dǎo)由鼓風(fēng)機(jī)提供的氣流，由此冷卻 穿過逆流散熱器的流體。從逆流散熱器輸出冷卻的流體。 圖3圖示了冷卻系統(tǒng)100的示例框圖，該冷卻系統(tǒng)100包括耦合到基于流體的冷 卻回路的逆流散熱器。冷卻回路包括各自經(jīng)由流體線路94、96、98耦合的逆流散熱器30、泵 90和換熱器92。在這一配置中，冷卻回路經(jīng)由流體線路94耦合到散熱器入口而經(jīng)由流體線 路96耦合到散熱器出口。應(yīng)理解到，冷卻回路中的各部件的相對(duì)位置僅用于舉例。例如， 泵90可以定位于逆流散熱器30的入口側(cè)而不是如圖3中所示出口側(cè)上。 一個(gè)或者多個(gè)鼓 風(fēng)機(jī)(未示出)如風(fēng)扇耦合到逆流散熱器30以便向逆流散熱器30的引入側(cè)提供氣流。
換熱器92耦合到發(fā)熱設(shè)備102。任何常規(guī)耦合裝置可以用來將換熱器92耦合到
發(fā)熱設(shè)備102。可拆卸耦合裝置用來實(shí)現(xiàn)拆卸和再使用換熱器。取而代之，使用非可拆卸
耦合裝置。發(fā)熱設(shè)備102生成的熱通過換熱器92傳送到流體。受熱流體從換熱器92輸出
并且輸入到逆流散熱器30。雖然冷卻回路包括單個(gè)散熱器92，但是冷卻回路可以包括串聯(lián)
或者并聯(lián)耦合到換熱器92的多個(gè)換熱器。以這一方式，冷卻回路可以用來冷卻多個(gè)發(fā)熱設(shè)
備，其中多個(gè)發(fā)熱設(shè)備都耦合到單個(gè)電路板或者分布于多個(gè)電路板上。 逆流散熱器包括沿著第一方向上串聯(lián)配置的多個(gè)分層冷卻芯，該第一方向與用來
冷卻流過逆流散熱器的流體的氣流方向相反。受熱流體在第一端輸入逆流散熱器并且以蛇
形路徑通過各冷卻芯流向逆流散熱器的第二端，從而在與氣流方向相反的方向上有效地前
進(jìn)。如這里所述，對(duì)包括兩個(gè)分層冷卻芯的逆流散熱器進(jìn)行參考，盡管逆流散熱器可以包括
多于兩個(gè)分層冷卻芯。 圖4圖示了逆流散熱器30的示例配置的切開透視圖。逆流散熱器30包括在寬度 方向上串聯(lián)耦合的兩個(gè)分層冷卻芯50、52、第一流體頭部32和第二流體頭部34(圖5)。如 圖4中所示，移除了第二流體頭部34以示出冷卻芯50、52的切開側(cè)視圖。各冷卻芯50、52 包括至少一個(gè)流體管道38和熱耦合到流體管道38的至少一層冷卻鰭組件36。如圖4中所 示，各冷卻芯50、52包括三層流體管道38和四層冷卻鰭組件36。應(yīng)理解到，各冷卻芯可以 包括數(shù)目比圖4中所示數(shù)目更多或者更少的流體管道層和冷卻鰭組件層。流體管道38和 冷卻鰭組件36各自是由導(dǎo)熱材料制成，從而使熱從流過流體管道38的流體傳遞到流體管 道38的材料，并且使熱從流體管道38的材料進(jìn)一步傳送到冷卻鰭組件36。流體管道38可 以由與冷卻鰭組件36相同或者不同的一種或者多種導(dǎo)熱材料制成。 各冷卻芯沿著圖4中表示為x軸的第一方向串聯(lián)對(duì)準(zhǔn)。鰭組件36中的各鰭也在 第一方向上對(duì)準(zhǔn)。各鰭跨過所有冷卻芯50、52是連續(xù)的。取而代之，各鰭包括沿著第一方 向?qū)?zhǔn)的多個(gè)段。各流體管道38縱向延伸穿過冷卻芯，該方向稱之為圖4中表示為y軸的 第二方向。各流體管道38包括多個(gè)微管道46。各微管道46由導(dǎo)熱材料制成。流體管道 38內(nèi)的各微管道46的第一端耦合到第一流體頭部32，而各微管道46的第二端耦合到第二 流體頭部34(圖5)。 對(duì)準(zhǔn)的冷卻芯50、52形成引入側(cè)31和排出側(cè)33。 一個(gè)或者多個(gè)流體入口 40定位 于第一流體頭部32的排出側(cè)33附近。如果逆流散熱器包括偶數(shù)個(gè)冷卻芯，如圖4中的逆 流散熱器30的情況那樣，則一個(gè)或者多個(gè)流體出口 42(圖5)定位于第一流體頭部32的引 入側(cè)31附近。如果逆流散熱器包括奇數(shù)個(gè)冷卻芯，則一個(gè)或者多個(gè)流體出口定位于第二流 體頭部的引入側(cè)31附近。 第一流體頭部32被配置成將進(jìn)入流體入口 40的流體引入冷卻芯50的微管道46 的第一端，并將從冷卻芯52的微管道46的第一端流出的流體引入流體出口 42(圖5)。第 一流體頭部32也被配置成防止從流體入口 40進(jìn)入的流體繞過冷卻芯50而直接流向流體 出口42(圖5)。圖6圖示了包括流分隔器44的第一流體頭部32的切開側(cè)視圖。流分隔器 44防止從流體入口 40進(jìn)入的流體繞過冷卻芯50的微管道46而直接流向流體出口 42 (圖 5)。 第二流體頭部34 (圖5)被配置成將從冷卻芯50的微管道46的第二端流出的流體 引入冷卻芯52的微管道46的第二端，由此形成從冷卻芯50到冷卻芯52的流體路徑。這樣，第二流體頭部34不包括流分隔器。圖7圖示了第二流體頭部34的切開側(cè)視圖。與圖 6中的第一流體頭部32比較，圖7中的第二流體頭部不包括流分隔器，由此在冷卻芯50中 的微管道46的第二端與冷卻芯52中的微管道46的第二端之間提供流體接入。
如果向逆流散熱器提供附加冷卻芯，則也添加對(duì)應(yīng)數(shù)目的流分隔器。例如，如果第 三冷卻芯串聯(lián)耦合到冷卻芯52，則在第二冷卻芯52與第三冷卻芯之間向第二流體頭部添 加流分隔器，以便防止從冷卻芯50中的微管道46的第二端流出的流體繞過冷卻芯52中的 微管道46的第二端。在這一例子中，沒有向第一流體頭部添加另一流分隔器。取而代之， 第一流體頭部中接收從第二冷卻芯52中的微管道46流出的流體的部分延伸以與第三冷卻 芯中的微管道46的第一端耦合，由此使流體從第二冷卻芯52中的微管道46的第一端流向 第三冷卻芯中的微管道46的第一端。在這一示例情況下，第一流體頭部未配置有流體出口 42。取而代之，在第二流體頭部上配置流體出口。對(duì)于向逆流散熱器添加的各附加冷卻芯 以相似方式適配各流體頭部。 一般而言，流分隔器提供用于防止流體流的手段。這樣，流分 隔器可以實(shí)施為頭部?jī)?nèi)的壁，或者頭部本身可以包括耦合在一起的多個(gè)單獨(dú)頭部部件，其 中在兩個(gè)接合頭部部件之間的界面形成流分隔器。 圖5圖示了包括空氣和流體流方向的逆流散熱器30的切開俯視圖。受熱流體在 流體入口 40輸入到逆流散熱器30。流體入口 40定位于排出側(cè)33附近。受熱流體先流入 形成排出側(cè)33的冷卻芯，在這一情況下為冷卻芯50。流體沿著在這一情況下為負(fù)y方向的 第二方向流過冷卻芯50中的流體管道38。隨著流體流出冷卻芯50中的流體管道38，流體 沿著在這一情況下為正x方向的第一方向經(jīng)由第二流體頭部34引向冷卻芯52中的流體管 道38。流體與第二方向相反地流過冷卻芯52中的流體管道38，在這一情況下為正y方向。 隨著流體流出冷卻芯52中的流體管道38，經(jīng)由第一流體頭部32從流體出口 42引出流體。 以這一方式，流體在沿著第二方向在蛇形方向上來回流動(dòng)，同時(shí)沿著第一方向前進(jìn)。隨著受 熱流體流過流體管道，熱從流體傳送到冷卻鰭組件36。流體開始隨著它流過冷卻芯50而 冷卻，并且流體隨著它穿過冷卻芯52而繼續(xù)冷卻，從而使流過冷卻芯50的流體比流過冷卻 芯52的流體更熱。最冷流體是從逆流散熱器30輸出的流體，而最熱流體是向逆流散熱器 輸入的流體。 在逆流散熱器30引導(dǎo)的氣流在引入側(cè)31輸入而在排出側(cè)33輸出。以這一方式， 與作為負(fù)x方向的第一方向相反地通過冷卻芯50、52引導(dǎo)氣流。隨著空氣在冷卻鰭組件36 之上通過，熱從冷卻鰭組件36傳送到空氣。因此，空氣通過逆流散熱器30越遠(yuǎn)，空氣變得 越熱。最冷的空氣是在逆流散熱器30的引入側(cè)31處的空氣，而最熱空氣是在逆流散熱器 的排出側(cè)33輸出的空氣。在引入側(cè)的流體與在排出側(cè)的流體相比暴露于更涼的空氣，因?yàn)?在排出側(cè)的空氣已經(jīng)由它在從引入側(cè)傳遞到排出側(cè)之時(shí)所通過的流體而加熱。
各流體管道38包括多個(gè)微管道46。在一些實(shí)施例中，各微管道46相互隔離，并且 流過各微管道46的流體未與在各其它微管道46內(nèi)流動(dòng)的流體混合。圖8圖示了配置成使 得各微管道46相互隔離的第一示例流體管道的切開俯視圖。在這一情況下，流體隨著流體 例如在流體頭部34流出微管道46而在各流體頭部混合。微管道46由實(shí)現(xiàn)與流過微管道 46的流體熱傳遞的導(dǎo)熱材料制成。 由于存在從逆流散熱器的引入側(cè)到排出側(cè)的流體溫度梯度和空氣溫度梯度，所以 也存在在各冷卻芯的流體管道38內(nèi)的流體溫度梯度和空氣溫度梯度。在位置與逆流散熱器的排出側(cè)更近的微管道中流動(dòng)的流體與在位置同逆流散熱器的引入側(cè)更近的微管道中 流動(dòng)的流體相比與更熱的空氣相互作用。如果流體管道38配置有隔離式微管道46，如在圖 8中所示配置中那樣，則流體溫度梯度存在于給定流體管道中的引入側(cè)與排出側(cè)之間。在一 些實(shí)施例中，流體管道38被配置為單個(gè)通道而無微管道。在這一配置中，流體未被隔離到 相對(duì)于引入側(cè)和排出側(cè)的一個(gè)位置，并且隨著流體流過流體管道38而發(fā)生從引入側(cè)到排 出側(cè)的流體的混合。雖然可能發(fā)生或者可能不發(fā)生充分混合以完全消除在引入側(cè)與引出側(cè) 之間的流體溫度梯度，但是在單通道配置中的流體溫度梯度小于在隔離式微管道配置中的 流體溫度梯度。 單通道配置的一個(gè)缺點(diǎn)在于，相對(duì)于微管道配置而言減少流體與流體管道之間的 熱傳遞速率。與單通道配置相比，由于所有微管道46的熱傳遞表面區(qū)域更大，所以微管道 46的表面區(qū)域增強(qiáng)了熱傳遞速率。 在一個(gè)替代配置中，各微管道配置有與相鄰微管道的側(cè)開口匹配的開口 ，由此實(shí) 現(xiàn)隨著流體流過流體管道而在微管道之間混合流體。圖9圖示了配置成使得各微管道46' 被配置成實(shí)現(xiàn)流體混合的第二示例流體管道的切開俯視圖。各微管道46'配置有微管道開 口 48。相鄰微管道46'配置有匹配微管道開口 48，從而流過相鄰微管道46'的流體經(jīng)由微 管道開口48而混合。應(yīng)理解到，圖9中所示微管道開口 48的位置僅為舉例。微管道開口 的數(shù)目和位置可以被配置成任何隨機(jī)或者非隨機(jī)模式，以便實(shí)現(xiàn)希望的流體混合效果。
具有開口的微管道配置相對(duì)于隔離式微管道配置減少流體管道內(nèi)的流體溫度梯 度。然而，如果在隔離式微管道配置和具有開口的微管道配置中微管道數(shù)目相同，則相對(duì)于 隔離式微管道配置，在具有開口的微管道配置中具有減少的微管道表面區(qū)域。表面區(qū)域減 少使流體與微管道之間的熱傳遞速率減少。為了增加表面區(qū)域，流體管道可以配置有更大 數(shù)目的微管道。通過增加具有開口的微管道數(shù)目，包括具有開口的微管道的流體管道可以 配置有與具有隔離式微管道的對(duì)應(yīng)流體管道相同的表面區(qū)域。 一般而言，無論微管道被配 置為隔離式微管道或者具有開口的微管道，均可用這一方式調(diào)節(jié)用來進(jìn)行熱傳遞的表面區(qū) 域。 —般而言，逆流散熱器的熱效率受制于在排出側(cè)的輸入流體溫度與在引入側(cè)的輸 入空氣溫度之間的系統(tǒng)溫度差。對(duì)于所添加的各冷卻芯而言，回報(bào)變小。隨著添加更多冷 卻芯，對(duì)于系統(tǒng)中的各冷卻芯，冷卻芯溫度差(流體溫度與向冷卻芯輸入的空氣溫度之差) 變小。因而即使逆流散熱器的整體總效率增加(增加至由系統(tǒng)溫度差限制的最大值)，各冷 卻芯的效率仍然隨著添加的各冷卻芯而變小。 可以通過調(diào)節(jié)通過逆流散熱器的流體流速來調(diào)節(jié)逆流散熱器的熱效率。更慢的流 速提供輸入流體溫度與輸出流體溫度之間的更大流體溫度差，因?yàn)榱黧w暴露于在逆流散熱 器內(nèi)發(fā)生的熱傳遞的時(shí)間段更長。然而，也必須按照用以優(yōu)化在換熱器內(nèi)發(fā)生的熱傳遞而 必需的流速條件來確定和平衡流體流速，在換熱器中熱從發(fā)熱設(shè)備傳送到流體。 一般而言， 可以優(yōu)化流體流速以實(shí)現(xiàn)希望的系統(tǒng)熱性能和/或?qū)τ诟骼鋮s芯的希望冷卻芯溫度差。
上文依據(jù)冷卻受熱流體描述了逆流散熱器。具體而言，逆流散熱器接收作為輸入 的受熱流體、在散熱器內(nèi)冷卻受熱流體并且輸出冷卻的流體。使用流體到空氣的冷卻方法 來冷卻受熱流體，在該方法中輸入氣流穿過散熱器并且來自流動(dòng)于散熱器內(nèi)的流體的熱從 流體傳遞到散熱器材料和通過散熱器材料之上的空氣。這樣，離開散熱器的氣流比向散熱
12器輸入的氣流更熱。在一個(gè)替代實(shí)施例中，逆流散熱器被配置成冷卻受熱空氣。在這一替代實(shí)施例中，向逆流散熱器輸入冷流體如制冷劑，并且輸入空氣通過散熱器。熱從輸入空氣傳送到流過散熱器的冷流體。這樣，離開散熱器的氣流比向散熱器輸入的氣流更涼。從散熱器輸出的流體比向散熱器輸入的流體更熱。 圖10圖示了重新配置成冷卻輸入氣流的圖5的逆流散熱器。在流體入口 40向逆流散熱器輸入冷流體。冷流體流過冷卻芯50和52并且以與參照?qǐng)D5描述的方式相似的方式經(jīng)由流體出口42輸出。受熱氣流在引入側(cè)31引入逆流散熱器。隨著氣流穿過冷卻芯52和50，熱從氣流傳送到流過冷卻芯52和50的冷流體。在排出側(cè)33從逆流散熱器輸出冷卻的空氣。在流體出口 42從逆流散熱器輸出受熱流體。 上文中依據(jù)散熱器的空氣引入側(cè)與流體入口相反這樣的"逆流"配置描述了逆流散熱器。在一個(gè)替代實(shí)施例中，散熱器被配置為順流或者"同流"，其中與逆流散熱器相比，通過散熱器的流體流方向反向或者通過散熱器的氣流方向反向。具體而言，在這一替代實(shí)施例中，流體入口和氣流引入側(cè)在散熱器的相同側(cè)上，并且流體出口和氣流排出側(cè)在散熱器的相同側(cè)上。 圖11圖示了重新配置用于順流的圖5的散熱器。在流體入口 40向順流散熱器輸入受熱流體。受熱流體流過冷卻芯50和52并且以與參照?qǐng)D5描述的方式相似的方式經(jīng)由流體出口 42輸出。氣流在側(cè)33引入散熱器。隨著氣流通過冷卻芯50和52，熱從受熱流體傳遞到穿過冷卻芯50和52的氣流。在側(cè)31從散熱器輸出受熱空氣。在流體出口 42從散熱器輸出冷卻的流體。 類似于圖10的逆流散熱器，圖11的順流散熱器可以被重新配置成冷卻受熱空氣。在這一替代實(shí)施例中，向順流散熱器輸入冷流體，并且輸入的受熱空氣通過散熱器，其中進(jìn)氣側(cè)與流體入口在散熱器的相同側(cè)上。熱從受熱空氣傳送到流過散熱器的冷流體。這樣，離開散熱器的氣流比向散熱器輸入的氣流更涼。從散熱器輸出的流體比向散熱器輸入的流體更熱。 已經(jīng)依據(jù)包括細(xì)節(jié)的具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，以便有助于理解本發(fā)明的構(gòu)造和操作的原理。這樣對(duì)具體實(shí)施例及其細(xì)節(jié)的引用并非為了限制所附權(quán)利要求書的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚可以在為了示例而選擇的實(shí)施例中進(jìn)行修改而不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
一種流體-空氣換熱器，包括a.多個(gè)流體-空氣冷卻芯，各冷卻芯包括至少一層一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)熱流體管道和耦合到至少一個(gè)流體管道層的至少一層導(dǎo)熱冷卻鰭，其中各流體管道沿著從所述冷卻芯的第一端到所述冷卻芯的第二端的第一方向配置，另外其中所述多個(gè)冷卻芯沿著與所述第一方向垂直的第二方向并排堆疊，從而使所述多個(gè)冷卻芯的所述流體管道平行配置；b.第一流體頭部，耦合到各冷卻芯的第一端，其中所述第一頭部包括配置成接收輸入流體的入口端口；以及c.第二頭部，耦合到各冷卻芯的第二端，其中所述第一頭部和所述第二頭部被配置成沿著所述第二方向?qū)⒘黧w流從與所述第一頭部的所述入口端口最近的第一冷卻芯串行引向各相繼堆疊的冷卻芯，其中在所述多個(gè)堆疊冷卻芯內(nèi)位置與所述第一冷卻芯最遠(yuǎn)的第二冷卻芯被配置成沿著所述第二方向?qū)⒁霘饬鹘邮盏剿隽黧w-空氣換熱器中，并且所述第一冷卻芯被配置成從所述流體-空氣換熱器排出所述氣流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中如果冷卻芯數(shù)目為偶數(shù)，則所述第一 流體頭部包括配置成輸出從所述第二冷卻芯接收的流體的出口端口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的流體_空氣換熱器，其中所述第一頭部包括用以分離所述入 口端口與所述出口端口的至少一個(gè)分隔器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中如果冷卻芯數(shù)目為奇數(shù)，則所述第二 流體頭部包括配置成輸出從所述第二冷卻芯接收的流體的出口端口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中所述第一頭部和所述第二頭部共計(jì) 包括配置成經(jīng)由所述多個(gè)冷卻芯將流體流從所述入口端口引向所述出口端口的至少一個(gè) 流體分隔器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的流體-空氣換熱器，其中所述流體在所述第一頭部、所述第二 頭部之間流動(dòng)并且以蛇形方式從冷卻芯流到冷卻芯。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中輸入流體的溫度高于從所述出口端 口輸出的流體的溫度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體-空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第二 冷卻芯的所述第二方向形成熱到冷的流體溫度梯度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體-空氣換熱器，其中引入氣流的溫度低于排出氣流的溫度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體-空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第二 冷卻芯的所述第二方向形成熱到冷的空氣溫度梯度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的流體-空氣換熱器，其中輸入流體的溫度低于從所述出口端 口輸出的流體的溫度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體_空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第 二冷卻芯的所述第二方向形成冷到熱的流體溫度梯度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體-空氣換熱器，其中引入氣流的溫度高于排出氣流的 溫度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體_空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第二冷卻芯的所述第二方向形成冷到熱的空氣溫度梯度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中各冷卻芯暴露于不同溫度的氣流。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中所述入口端口定位于所述第一流體 頭部的第一端附近，而所述第一冷卻芯定位于所述第一流體頭部的第一端和所述第二流體 頭部的第一端附近。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體-空氣換熱器，其中所述第二冷卻芯定位于所述第一 流體頭部的第二端和所述第二流體頭部的第二端附近。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中各層流體管道包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱微 管，其中各微管被配置成使得通過該微管的流體流與各其它微管隔離。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中各層流體管道包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱微 管，其中各微管包括與相鄰微管的一個(gè)或者多個(gè)共用開口 ，從而通過該微管的流體流在相 鄰微管之間混合。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中沿著所述第二方向配置各冷卻鰭。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體_空氣換熱器，其中各冷卻芯包括多個(gè)芯層，各層包括 至少一層冷卻鰭和至少一個(gè)流體管道的層，另外其中在給定冷卻芯內(nèi)的各芯層沿著與所述 第一方向垂直并且與所述第二方向垂直的第三方向堆疊。
22. —種流體-空氣換熱器，包括a. 多個(gè)流體_空氣冷卻芯，各冷卻芯包括至少一層一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)熱流體管道和耦合 到至少一個(gè)流體管道層的至少一層導(dǎo)熱冷卻鰭，其中各流體管道沿著從所述冷卻芯的第一 端到所述冷卻芯的第二端的第一方向配置，另外其中所述多個(gè)冷卻芯沿著與所述第一方向 垂直的第二方向并排堆疊，從而使得所述多個(gè)冷卻芯的所述流體管道平行配置；b. 第一流體頭部，耦合到各冷卻芯的第一端，其中所述第一頭部包括配置成接收輸入 流體的入口端口 ；以及c. 第二頭部，耦合到各冷卻芯的第二端，其中所述第一頭部和所述第二頭部被配置成 沿著所述第二方向?qū)⒘黧w流從與所述第一頭部的所述入口端口最近的第一冷卻芯串行引 向各相繼堆疊的冷卻芯，其中所述第一冷卻芯被配置成沿著所述第二方向?qū)⒁霘饬鹘邮盏剿隽黧w_空氣 換熱器中，并且在所述多個(gè)堆疊冷卻芯內(nèi)位置與所述第一冷卻芯最遠(yuǎn)的第二冷卻芯被配置 成從所述流體_空氣換熱器排出所述氣流。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中如果冷卻芯數(shù)目為偶數(shù)，則所述第 一流體頭部包括配置成輸出從所述第二冷卻芯接收的流體的出口端口。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的流體-空氣換熱器，其中所述第一頭部包括用以分離所述 入口端口與所述出口端口的至少一個(gè)分隔器。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中如果冷卻芯數(shù)目為奇數(shù)，則所述第 二流體頭部包括配置成輸出從所述第二冷卻芯接收的流體的出口端口。
26. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中所述第一頭部和所述第二頭部共 計(jì)包括配置成經(jīng)由所述多個(gè)冷卻芯將流體流從所述入口端口引向所述出口端口的至少一 個(gè)流體分隔器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的流體-空氣換熱器，其中所述流體在所述第一頭部、所述第二頭部之間流動(dòng)并且以蛇形方式從冷卻芯流到冷卻芯。
28. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體_空氣換熱器，其中輸入流體的溫度高于從所述出口 端口輸出的流體的溫度。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的流體-空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第 二冷卻芯的所述第二方向形成熱到冷的流體溫度梯度。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的流體-空氣換熱器，其中引入氣流的溫度低于排出氣流的 溫度。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的流體-空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第 二冷卻芯的所述第二方向形成冷到熱的空氣溫度梯度。
32. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中輸入流體的溫度低于從所述出口 端口輸出的流體的溫度。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的流體-空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第 二冷卻芯的所述第二方向形成冷到熱的流體溫度梯度。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的流體-空氣換熱器，其中引入氣流的溫度高于排出氣流的 溫度。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的流體-空氣換熱器，其中沿著從所述第一冷卻芯到所述第 二冷卻芯的所述第二方向形成熱到冷的空氣溫度梯度。
36. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中各冷卻芯暴露于不同溫度的氣流。
37. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中所述入口端口定位于所述第一流 體頭部的第一端附近，而所述第一冷卻芯定位于所述第一流體頭部的第一端和所述第二流 體頭部的第一端附近。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的流體-空氣換熱器，其中所述第二冷卻芯定位于所述第一 流體頭部的第二端和所述第二流體頭部的第二端附近。
39. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中各層流體管道包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱 微管，其中各微管被配置成使得通過該微管的流體流與各其它微管隔離。
40. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中各層流體管道包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱 微管，其中各微管包括與相鄰微管的一個(gè)或者多個(gè)共用開口 ，從而使通過該微管的流體流 在相鄰微管之間混合。
41. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中沿著所述第二方向配置各冷卻鰭。
42. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的流體-空氣換熱器，其中各冷卻芯包括多個(gè)芯層，各層包括 至少一層冷卻鰭和至少一個(gè)流體管道的層，另外其中在給定冷卻芯內(nèi)的各芯層沿著與所述 第一方向垂直并且與所述第二方向垂直的第三方向堆疊。
43. —種流體-空氣換熱器，包括a. 多個(gè)流體_空氣冷卻芯，各冷卻芯包括至少一層一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)熱流體管道和至少 一層導(dǎo)熱冷卻鰭，該至少一層導(dǎo)熱冷卻鰭耦合到所述至少一個(gè)流體管道層并且裝配成使空 氣穿過所述流體_空氣冷卻芯，其中各流體管道沿著從所述冷卻芯的第一端到所述冷卻芯 的第二端的第一方向配置，另外其中所述多個(gè)冷卻芯沿著與所述第一方向垂直的第二方向 并排串行堆疊，從而使所述多個(gè)冷卻芯的所述流體管道平行配置；b. 第一流體頭部，耦合到各冷卻芯的第一端，其中所述第一頭部包括配置成接收輸入流體的入口端口 ；以及c.第二頭部，耦合到各冷卻芯的第二端，其中所述第一頭部和所述第二頭部被配置成 沿著所述第二方向?qū)⒘黧w流從第一冷卻芯串行引向各相繼堆疊的冷卻芯。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的流體-空氣換熱器，其中如果冷卻芯數(shù)目為偶數(shù)，則所述第 一流體頭部包括配置成輸出從該串行中的最后冷卻芯接收的流體的出口端口。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的流體-空氣換熱器，其中所述第一頭部包括用以分離所述 入口端口與所述出口端口的至少一個(gè)分隔器。
46. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的流體-空氣換熱器，其中如果冷卻芯數(shù)目為奇數(shù)，則所述第 二流體頭部包括配置成輸出從該串行中的最后冷卻芯接收的流體的出口端口。
47. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的流體-空氣換熱器，其中所述第一頭部和所述第二頭部共 計(jì)包括配置成經(jīng)由所述多個(gè)冷卻芯將流體流從所述入口端口引向所述出口端口的至少一 個(gè)流體分隔器。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的流體-空氣換熱器，其中所述流體在所述第一頭部、所述第 二頭部之間流動(dòng)并且以蛇形方式從冷卻芯流到冷卻芯。
49. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的流體-空氣換熱器，其中各層流體管道包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱 微管，其中各微管被配置成使得通過該微管的流體流與各其它微管隔離。
50. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的流體-空氣換熱器，其中各層流體管道包括多個(gè)單獨(dú)導(dǎo)熱 微管，其中各微管包括與相鄰微管的一個(gè)或者多個(gè)共用開口 ，從而使得通過該微管的流體 流在相鄰微管之間混合。
51. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的流體-空氣換熱器，其中各冷卻鰭沿著所述第二方向配置。
52. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的流體-空氣換熱器，其中各冷卻芯包括多個(gè)芯層，各層包括 至少一層冷卻鰭和至少一個(gè)流體管道的層，另外其中在給定冷卻芯內(nèi)的各芯層沿著與所述 第一方向垂直并且與所述第二方向垂直的第三方向堆疊。
全文摘要
一種逆流散熱器包括沿著第一方向串聯(lián)配置的多個(gè)分層冷卻芯，其中，該第一方向與用來冷卻流過逆流散熱器的流體的氣流方向相同。受熱流體在第一端輸入逆流散熱器并且在蛇形路徑中流過各冷卻芯到達(dá)逆流散熱器的第二端，從而在與氣流的方向相反的方向上有效地前進(jìn)。
文檔編號(hào)F28D1/04GK101715536SQ200880020362
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2008年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月2日
發(fā)明者F·蘭德里, G·宇帕德海厄, J·霍姆, P·特薩奧, 周平 申請(qǐng)人:固利吉股份有限公司