[发明专利]蒸气漩涡散热装置

说明书

发明背景

本发明涉及通过强制对流沸腾的废热提取，涉及用于防止加热表面的蒸气气泡的装置，且涉及用于从废热中发电的有机兰金循环(organic Rankine cycle)。

芯片冷却：

来自数字信号处理器(DSP)和其他高热通量电子组件(本文统一为“CPU”)的废热使性能降低。从CPU提取废热的任务耗费过度的能量，并且是数据中心的主要消耗。

CPU的表面积是小的，并且通过CPU的小的表面积的热通量必须是高的，以除去热量。加入散热片以增加表面积和在散热片处鼓风不能克服直接的空气冷却的基本限制，即其低的热通量。空气中分子的扩散分布意味着每次仅有很少的分子可以与散热片或其他固体表面接触，所以传递到空气中的热量是小的，小于1W/cm²(在散热片的表面积上)。如果使用施加压力(forcing)以使更多的分子吹向表面，那么用于热传递的空气分子在表面的停留时间将是短的。理论预测和实践经历证实，CPU的直接的空气冷却将很快变得不存在，因为对高热通量的需求增加。即使具有散热片和施加压力，用空气冷却的最大的芯片热通量小于100W/cm²。间接的液体冷却是优选的技术，其具有高达400W/cm²的芯片热通量。见“High Powered Chip Cooling-Air and Beyond(高能芯片冷却-空气及更优越的)，Michael J.Ellsworth，Jr.和Robert E.Simons，Electronics Cooling(2005年8月)http://www.electronics-cooling.com/articles/2005/。

强制对流沉浸式液体冷却(没有从液体到蒸气的状态变化)具有比任何空气模式大得多的热通量。在具有强制对流沉浸的散热片上可获得的热通量是50W/cm²(平方厘米的散热片面积)，这比喷射冲击空气冷却多五十倍。强制对流是优于自然对流沉浸(其中，仅浮力驱使流体流动)的重要的改进，自然对流沉浸的热通量仅为1W/cm²-大约与空气喷射冷却相同。强制对流液体冷却的实例是：Roy的美国专利第7,055,531号(2006年6月6日)，一种安置在CPU表面上方的室中的电动机驱动的离心叶轮；Remsburg的美国专利第6,604,572号(2000年5月16日)，其特征为CPU上方的室中的热虹吸对流，没有机械泵装置；Wu等人的美国专利第6,894,899号(2005年5月17日)，一种电动机驱动的离心叶轮；Burward-Hoy的美国专利第5,442,102号(1995年8月15日)，一种电动机驱动的离心叶轮；以及Farrow等人的美国专利第6,945,314号(2005年9月20日)，其也是一种电动机驱动的离心叶轮。高度惰性的全氟化冷却剂(也称作FC冷却剂)用于电子组件的直接的液体冷却是安全的。用于废热提取的状态的改变可以通过池沸腾或强制对流沸腾来完成。池沸腾具有仅20W/cm²的热通量限制，这比强制对流沉浸(50W/cm²)差。问题是，来自加热的散热片或其他表面的蒸气阻止热通量进入液体，且变得过热使其更难冷凝。蒸气在加热表面成核，且小的气泡在加热表面处聚结直至聚集的气泡的浮力足够使其从表面分离。不存在蒸气一形成就将其从加热表面扫除的施加压力装置(forcing means)意味着，蒸气变为阻止热通量进入液体冷却剂的过热气体的隔热袋(insulating pocket)。必须在冷凝端提取过热，这是冷却能力的浪费。用于CPU冷却的池沸腾的实例是：Paterson的美国专利第5,390,077号(1995年2月14日)，一种具有散热片和使蒸气沿着内部散热片向上和径向地向外流动的内部挡板的按钮状的夹上的冷却剂箱；以及Searls等人的美国专利第6,550,531号(2003年4月22日)，其中，蒸气在室的外围上升，用散热片空气冷却来冷凝，然后滴在CPU的中心。