[发明专利]多重分形散热器系统及方法

说明书

一种散热器，包括热交换装置，所述热交换装置在尺度范围内具有大尺度形态，在尺度范围内具有小尺度纹理，其中所述大尺度形态和所述小尺度纹理中的至少一个在尺度范围内具有分形状自相似性。大尺度形态和小尺度纹理可以被独立地定义和实现，或者具有过渡范围。大尺度形态可以根据一组几何上的约束进行算法优化。小尺度纹理可以根据空气动力学参数和约束来优化。散热器可以动态变化，和/或结合动态变化的传热介质供应来操作。

技术领域

本发明涉及在热源与流体之间传递热量的散热器或者装置的领域，以及更具体地涉及利用分形几何原理的设计。

背景技术

本文所引用的所有参考文件都通过引用明确地合并于此，对于所述参考文件各自关于本领域已知元件的教导，就如同在此完全明确地叙述一样。这些教导表示本发明的特征和描述，并且意在以各种组合、置换和子组合来支持本发明的描述。应当注意的是，通常，所述参考文件用于支持本文所讨论的散热器技术的改进。在其他情况下，散热器的技术用于改进在所并入的参考文件中阐述的系统和方法，无论这些系统和方法是否代表散热器技术。具体地，除了所列举的那些形状之外，各种形状和配置的引用包括所描述的所有这些形状。

散热器是将固体材料中产生的热量传递至诸如气体或冷却液的流体(气体或液体)介质的部件或组件的术语。散热器通常被设计成增加与冷却液或者在冷却液周围的诸如空气的气体接触的表面积。迎面风速、材料的选取、翅片(或者其他突出部)设计或者表面处理是影响散热器的热阻即热性能的设计因素中的一部分设计因素。参见en.wikipedia.org/wiki/Heat_sink。

散热器通过对流和辐射将待冷却的对象的热量转移到周围的空气、气体或者液体中。当热量通过流体运动(强制对流)被动地从一点传递至另一点时或者当热量自身引起流体运动(自由对流)时，就会发生对流。当强制对流和自由对流一起发生时，这个过程称为混合对流。当例如热量形式的能量穿过介质或者穿过空间并且最终被另一主体吸收时，就会发生辐射。热辐射是对象的表面以电磁波形式辐射热能的过程。来自普通家用散热器或者电加热器的红外辐射是热辐射的一个实例，发光白炽灯泡发出的热和光(IR和可见EM波)也是热辐射的一个实例。当原子内的带电粒子运动所产生的热量转化为电磁辐射时，就会发生热辐射。

热传递是物理系统之间的热能的交换。热传递速率取决于所述系统的温度以及热量被传递所通过的中间介质的性质和状态。热传递的三种基本模式是传导、对流和辐射。热传递，热形式的能量的流动是系统改变其内部能量的过程。热传递的方向是从高温区域到低温区域，并且遵守热力学第二定律。热传递改变各个系统的内部能量，并且发生在增加系统集合的熵的方向。当所有涉及的主体和周围环境都达到相同的温度时，就达到了热平衡。热力学和机械传热通过传热系数、热通量和热流的热力驱动力之间的比例来计算。热传递的基本模式为：平流(流体从一个位置到另一位置的传输机制，取决于流体的运动和动量)；传导或扩散(物理接触的对象之间的能量转移)；对流(由于流体运动，对象与其环境之间的能量转移)；以及辐射(通过发射光谱的红外部分的电磁辐射来传播能量)。

当热的、快速移动或振动的原子和分子与相邻的原子和分子相互作用，从而将其能量(热量)的一部分传递给这些相邻的粒子时，会发生热传导。热传导通常是固体内部或者存在热接触的固态对象之间最重要的传热方式。热源与散热器之间的热传递以及散热器的热传递是传导传递。平流通过将物质及其热量传递到空间来进行。对流传热或者对流是通过流体的运动将热量从一个地方传递到另一个地方，实质上是通过质量传递传递热量的过程，并且通常结合了流体内部的热传导(扩散)和通过大量流体流动进行热传递的效果。

对流冷却通常被描述为牛顿冷却定律：物体的热损失率与该物体与其周围环境的温差成正比。对流冷却偏离了该“定律”，并且不线性地依赖于温度梯度，并且在一些情况下是强非线性的。

斯特藩-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)方程描述了真空中的对象的辐射能量传输速率；而两个对象之间的辐射传递被描述为：以及T为绝对温度(单位为开尔文或兰金)。