[发明专利]微结构化的冷却器及其使用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于被冷却物体的微结构化的冷却器，以及使用这种冷却器以冷却电子器件例如处理器、更具体地是中央处理器(CPU)以及功率电子器件。

背景技术

电子器件性能的日益提高，例如微处理器时钟频率的增大，也造成这些器件热量累积增大。器件的小型化甚至还增强这种累积。尽管采取了减小处理器功率损耗的措施，但热问题仍增大。而且，一般增大例如服务器的系统内各种器件的封装密度导致需要从变得更小的空间中散失更多的热量。但是，电子器件的性能和耐用性取决于工作温度的最大值及其波动范围。这导致需要使用高性能紧凑冷却系统，以便保证有效的局部散热。

当前，现代处理器在1cm²面积上释放出例如150W的热量。这远大于厨灶燃烧器产生的热量(约10W/cm²)。为了散发这部分热量，所用的最重要的冷却系统是热沉、与热沉组合的风扇、热管、Peltier阵列和流体冷却系统。可以预计，将来散发的热量将进一步增大。

当前，电子器件使用最频繁的冷却技术是环境空气冷却。在很多应用中，这项技术是简单而经济的。对于需要较高冷却性能的系统，这种方法是非常不经济的，因为这需要具有相当高输出的空调系统，这不但导致投资和运行成本大增，而且在能量和环境政策方面也存在问题。

随着热输出很高的新一代处理器的产生，空气冷却也达到其极限。在大多数情况下，通过增大风扇输出仍能保证散发热量，但这也增大工作噪音。目前，在商业和家庭应用中，55dB已经是太高了。

与其它冷却系统直接相比，由金属或陶瓷材料制成的流体冷却系统提供最高的冷却输出。这主要是由于例如水的冷却介质的高热容、以及其低粘度。最近，由铜、铝和陶瓷制成的微处理器的水冷却器已经开始在市场上销售。目前，所有这些产品的特征是非工业化的、小规模生产的高制造成本。

用于IBM功率芯片的液体冷却器公开在：《热传递工程》，25(3)，3-12，2004。此冷却器具有小通道结构，但是，它完全由硅制成并直接结合在CPU上。

WO 98/41076 A2描述一种冷却电子器件的设备，其能力通过热沉比公知的冷却器明显增大，并且其导热系数、以及由此得到的总导热性明显提高。该文献在其内容中披露，冷却剂液体在其经过微结构化的热沉时产生的最大压力损失出现在分配结构区和连接通道区。为了解决这个问题，提出提供一种具有多个单层并包括至少一个板的冷却器，所述板具有大量微通道和一个分配通道，并且还具有带连接通道的中间板，以及带收集通道的收集板，当这些板被提供公共的盖板和底板时形成封闭的冷却通道。冷却通道的冷却介质通过入口进入微结构化的热沉，并通过出口从其中流出。冷却介质的中间板形成台阶状和/或斜边的过渡结构，由此使垂直截面相对经过所有各个层的表面表示的入口和/或出口的截面积与微通道的截面积连续融合在一起。作为例子，提到了具有流动截面为0.3×10mm的冷却通道的冷却器。在此冷却器中，实现了8.5W/cm².K的导热系数以及500ml/min的体积流速下0.5bar的压力损失。在这些功率数据下，这种相当复杂的冷却器仅仅达到一般CPU所需的冷却能力的10％。

与已经在研究和开发项目中使用的以及在现有工业技术工艺中使用的微反应器和微热交换器相比，设计电子冷却器的问题仍然远未解决，因为在微反应器或微热交换器中的“热管理”与从表面散发热量的冷却器明显不同。

在反应器中，如果想要尽可能接近理想的等温过程，则必须尽可能快地散发或交换流动介质即反应器内产生的热量。基于此原因，需要努力使通道的截面以及通道之间的壁厚在反应过程的技术极限内尽可能低。实际上，反应器在其设计方面也必须优化，例如在流阻、流速等方面。但基本的热管理原理相当简单。

最近的测试表明，此目的，即从局部强烈加热的表面散发热量是非常复杂的问题。遇到的困难是实际热源位于冷却器外面。因此，液体循环通过的热沉的三维结构内的热阻必须更多地予以考虑。

电子领域的进一步特殊要求(例如冷却CPU器件)使找到此问题的答案更加困难，因为需要以最少的冷却水和冷却器的最小压力损失散发热量。已经发现，甚至使用更加细小的结构即更小的通道截面，也仅能在有限程度上增大冷却能力，因为这使流阻过多增大。