[發明專利]蒸氣漩渦散熱裝置

有效

• 申請號: 200980117852.6
• 申請日: 2009-03-27
• 公開（公告）號: CN102037306A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: W·H·麥卡欽;大衛·J·麥卡欽
• 申請（專利權）人: 麥卡欽公司
• 主分類號: F28D15/02
• 分類號: F28D15/02;F01D15/10;F01D15/08;H01L23/427
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 李冬梅;鄭霞

發明背景

本發明涉及通過強制對流沸騰的廢熱提取，涉及用于防止加熱表面的蒸氣氣泡的裝置，且涉及用于從廢熱中發電的有機蘭金循環(organic?Rankine?cycle)。

芯片冷卻：

來自數字信號處理器(DSP)和其他高熱通量電子組件(本文統一為“CPU”)的廢熱使性能降低。從CPU提取廢熱的任務耗費過度的能量，并且是數據中心的主要消耗。

CPU的表面積是小的，并且通過CPU的小的表面積的熱通量必須是高的，以除去熱量。加入散熱片以增加表面積和在散熱片處鼓風不能克服直接的空氣冷卻的基本限制，即其低的熱通量。空氣中分子的擴散分布意味著每次僅有很少的分子可以與散熱片或其他固體表面接觸，所以傳遞到空氣中的熱量是小的，小于1W/cm²(在散熱片的表面積上)。如果使用施加壓力(forcing)以使更多的分子吹向表面，那么用于熱傳遞的空氣分子在表面的停留時間將是短的。理論預測和實踐經歷證實，CPU的直接的空氣冷卻將很快變得不存在，因為對高熱通量的需求增加。即使具有散熱片和施加壓力，用空氣冷卻的最大的芯片熱通量小于100W/cm²。間接的液體冷卻是優選的技術，其具有高達400W/cm²的芯片熱通量。見“High?Powered?Chip?Cooling-Air?and?Beyond(高能芯片冷卻-空氣及更優越的)，Michael?J.Ellsworth，Jr.和Robert?E.Simons，Electronics?Cooling(2005年8月)http://www.electronics-cooling.com/articles/2005/。

強制對流沉浸式液體冷卻(沒有從液體到蒸氣的狀態變化)具有比任何空氣模式大得多的熱通量。在具有強制對流沉浸的散熱片上可獲得的熱通量是50W/cm²(平方厘米的散熱片面積)，這比噴射沖擊空氣冷卻多五十倍。強制對流是優于自然對流沉浸(其中，僅浮力驅使流體流動)的重要的改進，自然對流沉浸的熱通量僅為1W/cm²-大約與空氣噴射冷卻相同。強制對流液體冷卻的實例是：Roy的美國專利第7,055,531號(2006年6月6日)，一種安置在CPU表面上方的室中的電動機驅動的離心葉輪；Remsburg的美國專利第6,604,572號(2000年5月16日)，其特征為CPU上方的室中的熱虹吸對流，沒有機械泵裝置；Wu等人的美國專利第6,894,899號(2005年5月17日)，一種電動機驅動的離心葉輪；Burward-Hoy的美國專利第5,442,102號(1995年8月15日)，一種電動機驅動的離心葉輪；以及Farrow等人的美國專利第6,945,314號(2005年9月20日)，其也是一種電動機驅動的離心葉輪。高度惰性的全氟化冷卻劑(也稱作FC冷卻劑)用于電子組件的直接的液體冷卻是安全的。用于廢熱提取的狀態的改變可以通過池沸騰或強制對流沸騰來完成。池沸騰具有僅20W/cm²的熱通量限制，這比強制對流沉浸(50W/cm²)差。問題是，來自加熱的散熱片或其他表面的蒸氣阻止熱通量進入液體，且變得過熱使其更難冷凝。蒸氣在加熱表面成核，且小的氣泡在加熱表面處聚結直至聚集的氣泡的浮力足夠使其從表面分離。不存在蒸氣一形成就將其從加熱表面掃除的施加壓力裝置(forcing?means)意味著，蒸氣變為阻止熱通量進入液體冷卻劑的過熱氣體的隔熱袋(insulating?pocket)。必須在冷凝端提取過熱，這是冷卻能力的浪費。用于CPU冷卻的池沸騰的實例是：Paterson的美國專利第5,390,077號(1995年2月14日)，一種具有散熱片和使蒸氣沿著內部散熱片向上和徑向地向外流動的內部擋板的按鈕狀的夾上的冷卻劑箱；以及Searls等人的美國專利第6,550,531號(2003年4月22日)，其中，蒸氣在室的外圍上升，用散熱片空氣冷卻來冷凝，然后滴在CPU的中心。