用于增強(qiáng)傳熱效率的流體流動(dòng)通道的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域總體上涉及溫度控制系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于增強(qiáng)傳熱效率的流體流動(dòng)通道。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的流體的熱控制組件。從圖1中可以看到，組件包括產(chǎn)生熱量的熱量產(chǎn)生元件101 (例如，運(yùn)行的半導(dǎo)體器件)。熱量產(chǎn)生元件101熱機(jī)械耦合到其中形成有通道103的凹槽結(jié)構(gòu)107。凹槽結(jié)構(gòu)是導(dǎo)熱的，以促進(jìn)從熱量產(chǎn)生元件到通道103的熱量傳遞。栗104栗送流體105通過歧管102并且進(jìn)入通道103。栗送的流體105在穿過通道103時(shí)吸收由元件101產(chǎn)生的熱量并且然后流回歧管102中。
[0003]然后被加熱的流體從歧管102中被栗送到換熱器106，換熱器106從流體105提取熱量。冷卻的流體然后被栗送回歧管102中，以從熱量產(chǎn)生元件移除更多熱量。
[0004]圖2示出了圖1的由凹槽結(jié)構(gòu)107形成的通道103以及歧管102的更詳細(xì)的視圖。從圖2中可以看到，多流體通過歧管出口開口 210流動(dòng)進(jìn)入打一通道，并且通過歧管入口開口 211而被排出通道。
【附圖說明】
[0005]通過示例的方式而非限制于附圖中的圖片的方式示出了本發(fā)明，在附圖中，類似的附圖標(biāo)記指示相似的元件，并且在附圖中:
[0006]圖1示出了冷卻系統(tǒng)；
[0007]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的流體通道；
[0008]圖3關(guān)于與圖2的現(xiàn)有技術(shù)的流體通道相關(guān)聯(lián)的低效率；
[0009]圖4a示出了改進(jìn)的流體通道的第一透視圖；
[0010]圖4b示出了改進(jìn)的流體通道的第二透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]恰當(dāng)?shù)氖钦J(rèn)識(shí)到，隨著經(jīng)過凹槽結(jié)構(gòu)的較大表面面積的流體的表面速度升高，整個(gè)組件的冷卻/傳熱效率得到提高。流體量能夠流過加熱的凹槽結(jié)構(gòu)的較大表面面積的速度越快，則系統(tǒng)的效率就變得越高。此處，在每單位時(shí)間內(nèi)，相較于將流體較慢的移動(dòng)通過同一表面面積，較高速度的流體能夠移除更多熱量。另外，流體覆蓋凹槽結(jié)構(gòu)的較大表面面積對應(yīng)于從凹槽結(jié)構(gòu)移除的較大的總熱量。而且，利用借助于較少流體的較高傳熱允許使用較小和/或較便宜的栗。
[0012]圖3詳細(xì)描述了相對于圖2的現(xiàn)有技術(shù)的通道結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一些低效率。
[0013]首先，結(jié)構(gòu)具有位于歧管302的出口開口 310上方的直角轉(zhuǎn)角320，流體首先在出口開口 310處進(jìn)入凹槽結(jié)構(gòu)307。直角轉(zhuǎn)角320具有“突然”使流體從垂直流體流動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平流體流動(dòng)的效果。該突然轉(zhuǎn)換產(chǎn)生漩渦321或其它圓形/停滯的流動(dòng)，這背離了保持流體以接觸方式迅速移動(dòng)通過凹槽結(jié)構(gòu)307的表面的原則。像這樣，流體流動(dòng)的部分321對熱量移除過程沒有貢獻(xiàn)并且相反增加了通道的總流體阻力。兩個(gè)因素降低系統(tǒng)效率。
[0014]其次，不同的加熱的流體流動(dòng)331、332在退回歧管302之前在歧管302的入口開口 311上方“碰撞”。再者，在流體不能迅速地移動(dòng)通過凹槽結(jié)構(gòu)307的表面的情況下創(chuàng)建了更多的漩渦/停滯流體流動(dòng)333。再者，減小了系統(tǒng)效率。
[0015]第三，歧管302的上表面340的整個(gè)平面是平的，在此它與凹槽結(jié)構(gòu)307接口連接。結(jié)果，創(chuàng)建具有同樣引起流體流過凹槽結(jié)構(gòu)307的大表面面積的低流體阻力的通道是困難的。講述另一種方法，如果通道的高度341被增大以減小通道的流體阻力(通過增大流體流經(jīng)的橫截面面積)，流體的最快的部分將流經(jīng)通道的中間，如描繪的與凹槽結(jié)構(gòu)307的表面不接觸。
[0016]相反，如果通道的高度341被減小以迫使主流流體流動(dòng)更靠近凹槽結(jié)構(gòu)307的表面，則通道的流體阻力增大(因?yàn)榱黧w流動(dòng)通過的橫截表面面積已經(jīng)被減小)。因此，對于同一流體速度，前一方法由于沒有充足的快速流動(dòng)流體與凹槽結(jié)構(gòu)307的表面接觸而具有減小的效率，后一方法由于需要更強(qiáng)力的栗而具有減小的效率。因此，不考慮的其尺寸，圖3的過分簡化的通道設(shè)計(jì)具有固有的低效率。
[0017]圖4a和4b描繪了改進(jìn)的通道設(shè)計(jì)的實(shí)施例，改進(jìn)的通道設(shè)計(jì)包括對圖2的現(xiàn)有技術(shù)方法的許多改進(jìn)。
[0018]從圖4a中可以看到，改進(jìn)的通道設(shè)計(jì):1)消除使流體流動(dòng)從穿過歧管出口開口410的垂直流動(dòng)轉(zhuǎn)換為流過凹槽結(jié)構(gòu)407的表面的水平流動(dòng)的直角轉(zhuǎn)角；2)包括源于凹槽結(jié)構(gòu)407的突起416，以消除鄰近歧管入口開口 411處的碰撞流動(dòng)；3)包括源于歧管402的表面的突起415，以在保持通道的總流體阻力為低的同時(shí)允許改進(jìn)的流體表面面積覆蓋。
[0019]關(guān)于直角轉(zhuǎn)角的移除，注意，較光滑的通道入口區(qū)域450構(gòu)建在凹槽結(jié)構(gòu)407與歧管出口開口 410上方的歧管402之間的界面。光滑通道入口區(qū)域450的表面451、452被定向在除了平行于X和1軸之外的角度，以避免流體從垂直(+y)方向到水平方向(沿X軸)的劇烈轉(zhuǎn)變。通過避免劇烈的垂直到水平流體流動(dòng)轉(zhuǎn)變，流體在從歧管402被注入通道時(shí)具有不形成漩渦或其它停滯流動(dòng)的傾向。
[0020]相反，從歧管出口開口 410發(fā)出的向上垂直流動(dòng)的動(dòng)量迫使流體沿著形成入口區(qū)域450的一部分的凹槽結(jié)構(gòu)407的表面451流動(dòng)。在流體以由于栗的動(dòng)作而產(chǎn)生的一定速度被排放到入口區(qū)域450、并且緊密地沿著凹槽結(jié)構(gòu)407的表面451流動(dòng)而沒有漩渦或其它停滯的情況下，流體流動(dòng)滿足更高效率的系統(tǒng)的特征(以有限的流體阻力迅速地移動(dòng)流體通過凹槽結(jié)構(gòu)407的大表面面積)。
[0021]類似地，通過使用形成在凹槽結(jié)構(gòu)407中的突起416，在凹槽結(jié)構(gòu)407與歧管入口開口 411上方的歧管402之間的界面構(gòu)建了光滑的流體出口區(qū)域460，以消除離開通道并進(jìn)入歧管的流動(dòng)的碰撞。這里，每個(gè)獨(dú)立的流動(dòng)可以被想象為具有它自己專用的出口通道，流動(dòng)進(jìn)入同一歧管入口開口 411的通道僅在歧管開口 411上方合并在一起。
[0022]類似于入口區(qū)域450的形成，用于特定流動(dòng)的每個(gè)專用的出口通道具有被定向在除了平行于X和1軸之外的角度的表面，以避免從水平流動(dòng)到垂直流動(dòng)的劇烈轉(zhuǎn)變。同樣地，水平到垂直轉(zhuǎn)變的動(dòng)量迫使流體沿凹槽結(jié)構(gòu)407的表面而不是歧管402的表面流動(dòng)。像這樣，再一次避免了漩渦和其它低效率的干擾。相反，流體被迫使在凹槽結(jié)構(gòu)407的較大表面面積上流轉(zhuǎn)，由此增強(qiáng)系統(tǒng)的效率。
[0023]然后為了總結(jié)，對圖2的現(xiàn)有技術(shù)通道結(jié)構(gòu)與圖4a的改進(jìn)的通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，注意到現(xiàn)有技術(shù)方法在凹槽結(jié)構(gòu)207與歧管202之間具有過分簡化的界面。歧管202本質(zhì)上具有平的表面并且凹槽結(jié)構(gòu)207僅呈現(xiàn)空腔，該空腔覆蓋流入空腔的流動(dòng)的歧管流動(dòng)入口開口和出口開口 210、211。
[0024]相比之下，圖4a的改進(jìn)的方法中的凹槽結(jié)構(gòu)407與歧管402之間的界面更復(fù)雜，其包括多個(gè)突起415、416和“裝配”突起的相對應(yīng)的空腔。上述的這些突起415、416和相對應(yīng)的空腔通過被有意地設(shè)計(jì)為迫使快速流體流過凹槽結(jié)構(gòu)407的擴(kuò)展的表面面積區(qū)域而實(shí)現(xiàn)更高效率的流體流動(dòng)。像這樣，與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，減小流體的通過通道的流動(dòng)的效率的漩渦及其它停滯運(yùn)動(dòng)被顯著地減少。
[0025]從圖4b中可以看出附加的改進(jìn)，圖4b示出了圖4a的通道結(jié)構(gòu)的截面，其視角是從圖4a的平面417沿+x方向看。除了以上關(guān)于圖4a所述的改進(jìn)，注意到通道中的流體被設(shè)計(jì)成環(huán)繞從歧管402發(fā)出的突起415，以使更多流體可以沿著凹槽結(jié)構(gòu)407的表面?zhèn)鞑ァ?br>[0026]在實(shí)施例中，簡要地返回參考圖4a，注入通道的流體被向上引導(dǎo)通過突起415的頂部與凹槽結(jié)構(gòu)407的底部之間的變窄的開口 418。然而，變窄的開口 418對應(yīng)于較高阻力流體通道。
[0027]因此沿z軸測量的突起415的寬度是錐形的470，以使突起的寬度向著歧管402不斷變窄。突起的減小的寬度470沿著突起415的更靠近歧管402的側(cè)面有效率地創(chuàng)建了較寬的開口，這又對應(yīng)于空腔中的沿突起415的側(cè)面的與突起415的頂部相比減小的流體阻力。
[0028]由于沿突起415的側(cè)面的較小的流體阻力和流體垂直流過歧管出口開口處的力，當(dāng)流體流下通道時(shí)(而不是沿突起415的頂部)，流體將具有沿著側(cè)面通道的外壁(沿著歧管407的表面)流動(dòng)的動(dòng)力?？鐐?cè)面通道的外壁的流體流動(dòng)對應(yīng)于由流體流動(dòng)產(chǎn)生的凹槽結(jié)構(gòu)407的較大表面面積覆蓋，由此增加熱量的移除。像這樣，實(shí)現(xiàn)了高效率的總體解決方案。
[0029]除了沿較低流體阻力通道的分散在凹槽結(jié)構(gòu)407的較大表面面積之上的流體流動(dòng)，