微结构化的冷却器及其用途制造技术

为了提供一种特别有效的特别用于冷却电子器件的微结构化冷却器，本发明专利技术提出一种按以下方式制造这种冷却器的过程：提供至少两个金属箔（１）和一个基板（５）的堆叠，所述金属箔包括用于冷却剂的通道（２），基板（５）适于通过热接触面（６）与电子器件（４）热接触，所述金属箔（１）和所述基板（５）结合在一起形成的单一件，所述通道（２）的宽度ｂ从１００到３５０μｍ，深度ｔ从３０到１５０μｍ，平均间距ｓ从３０到３００μｍ，金属箔（１）中形成通道（２）之后保持的残余箔厚度ｒ从３０到３００μｍ，所述基板（５）的厚度ｇ从１００到１０００μｍ；所述冷却器还具有基本在所述热接触面（６）区域穿过所述金属箔（１）的至少一个分隔室（１０），所述分隔室通过通道入口与所有或选定的通道（２）的相应入口侧末端连通；用于使冷却剂流入所述冷却器（３）的至少一个入口室（２０），所述室与所述至少一个分隔室（１０）连通；穿过金属箔（１）的至少一个收集室（１１），所述收集室通过通道出口与所有或选定的通道（２）的相应出口侧末端连通；以及从所述冷却器（３）排出冷却剂的至少一个出口室（２１），所述出口室与所述至少一个收集室（１１）连通；紧邻所述基板（５）的通道层中的所述通道（２）的深度大于堆叠中与所述基板（５）相反一侧的通道层的通道（２）的深度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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lcm2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。W0 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0.3xl0mm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。当需要通过小的表面积散发大量的热量而不允许流阻增大太多时，此 效应将成为一个问题。在这种情况下，通过利用增大压差简单地增大冷 却介质流动速度不能像预期的一样增大冷却能力。为了应用于PC、服务器和工作站，通常使用低压泵，例如产生的压力达到250mbar。在例如 5bar或更大的增大前级压力下运行的当前微反应器的高性能冷却剂泵送 系统由于成本原因这里不能接受。另外的需求是，冷却器需要具有适于电子器件形状的形状，即冷却器 的表面积和器件上的安装表面积需要具有相同尺寸。最后，为了大规模应用，必须使液体冷却器和冷却系统的制造成本不 明显高于空气冷却。为了解决上述问题，WO 04 / 032231A首次披露了构造、设计和配置 微结构化的冷却器的规则。这里描述的冷却器包括至少两个金属箔和一个基板的堆叠，基板通过 热接触面与被冷却物体热接触。金属箔和基板通过适合的结合技术以材 料配合的方式连接在一起，优选地通过焊接。在金属箔中存在冷却剂流 动通道，通过使冷却剂流过其中散发热量。金属箔中的通道的宽度从ioo 到2000,，优选地从200到500,。测试表明，在所有其它参数保持相 同的情况下，当通道宽度等于和大于800|dm时冷却能力大大下降，对于 高性能应用不再具有优势。通道深度从25到1000|am，优选地从50到 400,。优选地，通道宽度和通道深度这两个几何变量的至少一个处于微 米范围，并且是水力直径4A/U， A二横截面表面积，11 =周长(定义依据Technische Stronum g slehre (Technical Fluid Dynamics), Kamprath-Reihe， Vogel Verlag， W. Bohl， 11. Ed. Page 131; Incropera， Frank P. and Dewitt，' David P. : ，， Fundamentals of Heat and Mass Transfer , 41 Edition, John Wiley & Sons, NY， 1996, page 449)， 优选地应该在200到500nm范围内。金属箔中通道之间的平均间距从50 到1000,，优选地从150到300|im。此外，如果通道的截面是矩形的或 者接近矩形，从而在箔的通道之间形成腹部，则此间距称为腹部宽度。 并且，在通道底部的剩余箔厚度从50到300,，优选地从80至U 120,。 冷却器的基板的厚度从200到2000|am，优选地从500到1500jim。特别是， 如果需要非常高的功率密度，当所有上述参数处于优选范围内时则它们 在特定程度上满足这些要求。此外，特别当使用铜作为基板材料时，使 用上述参数的范围。在WO 04 / 032231A给出的一个设计变体中，金属箔大致在热接触面 的高度上被至少一个间隙状的分隔室分开，从而所述间隙将金属箔分开。 这种结构使从顶部流入分隔室的冷却剂大致在中心区域接触基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于被冷却物体（４）的微结构化冷却器（３），包括：ａ．至少两个金属箔（１）和一个基板（５）的堆叠，所述箔具有用于冷却剂的通道（２），所述基板适于通过热接触面（６）与所述物体（４）热接触，所述金属箔（１）和所述基板（５）连接在一起 从而形成材料的单一件，所述通道（２）的宽度ｂ在１００到３５０μｍ之间，深度ｔ在３０到１５０μｍ之间，平均间距ｓ在３０到３００μｍ之间，在所述金属箔（１）中形成所述通道（２）之后保持的残余箔厚度ｒ在３０到３００μｍ之间，所述基板（５）的厚度ｇ在１００到１０００μｍ之间；ｂ．大体在所述热接触面（６）区域穿过所述金属箔（１）的至少一个分隔室（１０），所述分隔室通过通道入口与所有或选定的通道（２）的相应入口侧末端连通；ｃ．使冷却剂流入所述冷却器（３）的至少一个入口室（ ２０），所述入口室与所述至少一个分隔室（１０）连通；ｄ．穿过所述金属箔（１）的至少一个收集室（１１），所述收集室通过通道出口与所有或选定的通道（２）的相应出口侧末端连通；以及ｅ．用于从所述冷却器（３）排出冷却剂的至少一个出口 室（２１），所述出口室与所述至少一个收集室（１１）连通；其特征在于，紧邻所述基板（５）的通道层中的通道（２）的横截面积大于堆叠中与所述基板（５）相反一侧的通道层中的通道（２）的横截面积。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2005-7-13 102005033150.51.一种用于被冷却物体(4)的微结构化冷却器(3)，包括a.至少两个金属箔(1)和一个基板(5)的堆叠，所述箔具有用于冷却剂的通道(2)，所述基板适于通过热接触面(6)与所述物体(4)热接触，所述金属箔(1)和所述基板(5)连接在一起从而形成材料的单一件，所述通道(2)的宽度b在100到350μm之间，深度t在30到150μm之间，平均间距s在30到300μm之间，在所述金属箔(1)中形成所述通道(2)之后保持的残余箔厚度r在30到300μm之间，所述基板(5)的厚度g在100到1000μm之间；b.大体在所述热接触面(6)区域穿过所述金属箔(1)的至少一个分隔室(10)，所述分隔室通过通道入口与所有或选定的通道(2)的相应入口侧末端连通；c.使冷却剂流入所述冷却器(3)的至少一个入口室(20)，所述入口室与所述至少一个分隔室(10)连通；d.穿过所述金属箔(1)的至少一个收集室(11)，所述收集室通过通道出口与所有或选定的通道(2)的相应出口侧末端连通；以及e.用于从所述冷却器(3)排出冷却剂的至少一个出口室(21)，所述出口室与所述至少一个收集室(11)连通；其特征在于，紧邻所述基板(5)的通道层中的通道(2)的横截面积大于堆叠中与所述基板(5)相反一侧的通道层中的通道(2)的横截面积。2. 根据权利要求l所述的冷却器，其特征在于，紧邻所述基板(5)的通道层中的通道(2)的深度大于堆叠中与所述基板(5)相反一侧的 通道层中的通道(2)深度。3. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，紧邻基板(5) 的第一金属箔(l')和所述基板(5)具有通道(2')，并结合在一起 使得所述第一金属箔(l')与所述基板(5)包括所述通道的表面彼此 面对、并且所述第一金属箔(l')与所述基板(5)中的所述通道(2') 重合。4. 根据权利要求3所述的冷却器，其特征在于，结合第一金属箔(r )与基板(5)形成的通道深度t在100到250,之间。5. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，所述至少一 个入口室(20)朝所述至少一个分隔室(10)变细，并且所述至少一个 出口室(21)朝所述至少一个收集室(11)变细。6. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，所述至少一 个入口室(20)变细成出口侧宽度x，所述至少一个分隔室(10)具有宽 度W,，并且x^b川。7. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，所述至少一 个出口室(21)变细成入口侧宽度y，所述至少一个收集室(11)具有宽 度bn，并且7》13,,。8. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，所述冷却器 还具有用于使冷却剂流入冷却器(3)的至少一个入口颈部(15)，所述 至少一个入口室(20)具有入口侧宽度m， m至多等于所述至少一个入口颈部(15)的横截面的宽度。9. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，所述冷却器 还具有用于将冷却剂从冷却器(3)排出的出口颈部(16)，所述至少一个出口室(21)具有出口侧宽度n， n不超过所述至少一个出口颈部(16) 的横截面的宽度。10. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，所述至少一 个分隔室(10)设计成穿过金属箔(1)并具有宽度bH,的间隙。11. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，所述至少一 个收集室(11)设计成穿过金属箔(1)并具有宽度bn的间隙。12. 根据上述任一权利要求所述的冷却器，其特征在于，在位于入口 侧并在...

【专利技术属性】
技术研发人员：O屈茨，R赫贝尔，P普雷希特尔，S泰森，M赫恩，
申请(专利权)人：埃托特克德国有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]