TWI835005B - 冷卻系統、主動散熱器及冷卻發熱結構之方法 - Google Patents

冷卻系統、主動散熱器及冷卻發熱結構之方法 Download PDF

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TWI835005B
TWI835005B TW110136574A TW110136574A TWI835005B TW I835005 B TWI835005 B TW I835005B TW 110136574 A TW110136574 A TW 110136574A TW 110136574 A TW110136574 A TW 110136574A TW I835005 B TWI835005 B TW I835005B
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阿南斯 薩朗 雅拉瑪西
普拉伯胡 莎斯亞摩西
瑟亞普瑞卡許 甘堤
賽夏吉里 若伊 梅德哈維佩迪
維克藍 慕昆丹
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美商弗瑞歐系統有限公司
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Abstract

描述一種包含冷卻元件及支撐結構之系統。該冷卻元件具有第一側及與該第一側相對之第二側。該冷卻元件經組態以當經致動以將流體自該第一側驅動至該第二側時經歷振動運動。該支撐結構經由熱傳導將該冷卻元件熱耦合至發熱結構。

Description

冷卻系統、主動散熱器及冷卻發熱結構之方法
本申請案係關於主動散熱器。
隨著計算裝置之速度及計算能力之增長，由計算裝置產生之熱亦增加。已提出各種機構來解決熱之產生。主動裝置(諸如風扇)可用於驅動空氣通過大計算裝置(諸如膝上型電腦或桌上型電腦)。被動冷卻裝置(諸如散熱器)可用於較小、行動計算裝置，諸如智慧型電話、虛擬實境裝置及平板電腦。然而，此等主動及被動裝置可能無法充分冷卻行動裝置(諸如智慧型電話)及較大裝置(諸如膝上型電腦及桌上型電腦)。因此，需要用於計算裝置之額外冷卻解決方案。
描述一種包含冷卻元件及支撐結構之系統。該冷卻元件具有第一側及與該第一側相對之第二側。該冷卻元件經組態以當經致動以將流體自該第一側驅動至該第二側時經歷振動運動。該支撐結構經由熱傳導將該冷卻元件熱耦合至發熱結構。在一些實施例中，該支撐結構進一步包含底板及在其中形成腔室之側壁。該冷卻元件位於該腔室中。該底板及該等側壁在其中具有孔口。該冷卻元件經致動以驅動該流體通過該等孔口。該冷卻元件之該振動運動可驅動該流體，使得離開該等孔口之該流體具有 至少每秒三十米之速度。該支撐結構亦可包含其中具有通風口之頂板。該冷卻元件位於該頂板與該發熱結構之間。因此，在該冷卻元件與該頂板之間形成頂部腔室且在該冷卻元件與該底板之間形成底部腔室。該冷卻元件可具有中心區域及周邊。該支撐結構可進一步包含經組態以在該中心區域處支撐該冷卻元件之錨固件。該周邊之至少部分自由經歷該振動運動。
在一些實施例中，該系統包含與該支撐結構整合之散熱器。該散熱器經由熱傳導熱耦合至該支撐結構及該發熱結構。在一些實施例中，該支撐結構經組態使得離開該等孔口之至少部分之該流體撞擊在該散熱器上以自該散熱器提取熱。該散熱器經由熱傳導自該發熱結構提取熱。該冷卻元件可經組態使得由該振動運動驅動之該流體自該冷卻元件提取熱。在一些實施例中，該支撐結構包含導熱地耦合至該發熱結構之基座。該發熱結構可選自積體電路、電池、散熱器及均熱板。
描述一種主動散熱器。該主動散熱器包含多個冷卻單元及支撐結構。該等冷卻單元之各者包含冷卻元件、其中具有至少一個通風口之頂板、底板、在其中形成腔室之側壁及錨固件。該冷卻元件位於該頂板與該底板之間的該腔室中。該底板及/或該等側壁在其中具有複數個孔口。該冷卻元件經致動以經歷振動運動以驅動流體通過該等孔口。該支撐結構與該等冷卻單元整合且經由熱傳導將該冷卻元件熱耦合至發熱結構。
在一些實施例中，該冷卻元件具有中心區域及周邊。在此等實施例中，該支撐結構進一步包含用於該等冷卻元件之各者之錨固件。該錨固件經組態以在該中心區域處支撐該冷卻元件。該周邊之至少部分自由經歷該振動運動。在一些實施例中，該主動散熱器包含與該支撐結構整合之散熱器。該散熱器經由熱傳導熱耦合至該支撐結構及該發熱結構。該 冷卻元件可經組態使得由該振動運動驅動之該流體自該冷卻元件提取熱。在一些實施例中，該支撐結構進一步包含導熱地連接該發熱結構之基座。在一些實施例中，該發熱結構選自積體電路、電池、散熱器及均熱板。
描述一種冷卻發熱結構之方法。該方法包含：驅動冷卻元件以引起一定頻率之振動運動。該冷卻元件具有第一側及與該第一側相對之第二側。該冷卻元件經組態以當經致動以將流體自該第一側驅動至該第二側時經歷振動運動。該冷卻元件由支撐結構熱耦合至該發熱結構。該支撐結構經由熱傳導將該冷卻元件熱耦合至該發熱結構。在一些實施例中，該頻率對應於該冷卻元件之結構諧振且其中該冷卻元件所在之腔室之至少部分之聲諧振。在一些實施例中，該冷卻元件係複數個冷卻元件之一者。在此等實施例中，驅動該冷卻元件進一步包含：驅動該複數個冷卻元件以在該等冷卻元件之各者中引起該振動運動，該等冷卻元件之各者經由熱傳導熱耦合至該發熱結構。在一些實施例中，散熱器與該支撐結構整合，該散熱器熱耦合至該發熱結構。
100:主動冷卻系統
100':主動冷卻系統
102:發熱結構
103:積體電路
110:頂板
110':頂板
112:通風口
112':通風口
120:冷卻元件
121:懸臂
121':懸臂
122:錨定區域
123:尖端
126:延伸區域
128:外部區域
130:孔口板
132:孔口
140:頂部腔室
140':頂部腔室
142:間隙
142B:間隙
142C:間隙
150:底部腔室
152:間隙
152B:間隙
152C:間隙
160:錨固件
170:支撐結構
170':支撐結構
172:基座
174:側壁
210:曲線圖
220:曲線圖
223:壓電
230:熱圖
240:熱圖
250:熱圖
260:熱圖
270:熱圖
280:熱圖
300A:冷卻系統
300B:冷卻系統
300C:冷卻系統
300D:冷卻系統
320A:冷卻元件
320B:冷卻元件
320C:冷卻元件
320D:冷卻元件
323:壓電
360A:錨固件
360B:錨固件
360C:錨固件
360D:錨固件
363:孔口
400:主動冷卻系統
402:發熱結構
403:積體電路
405:散熱器
410:頂板
412:通風口
420:冷卻元件
421:懸臂
422:錨定區域
423:尖端
430:孔口板
432:孔口
440:頂部腔室
442:間隙
450:底部腔室
452:間隙
460:錨固件
470:支撐結構
472:基座
474:側壁
476:孔口
500:冷卻系統
503:積體電路
510:頂板
512:通風口
520:冷卻元件
523:尖端
530:孔口板
532:孔口
540:頂部腔室
542:間隙
550:底部腔室
552:間隙
560:錨固件
570:支撐結構
572:基座
574:側壁
600:主動冷卻系統
603:積體電路
610:頂板
612:通風口
620:冷卻元件
623:尖端
630:孔口板
632:孔口
640:頂部腔室
642:間隙
650:底部腔室
652:間隙
660:錨固件
670:支撐結構
672:基座
674:側壁
700:主動冷卻系統
702:發熱結構
703:積體電路
710:頂板
712:通風口
720:冷卻元件
723:尖端
730:底板
732:孔口
740:頂部腔室
742:間隙
750:底部腔室
752:間隙
760:錨固件
770:支撐結構
772:基座
774:側壁
800:主動冷卻系統
802:發熱結構
803:積體電路
810:頂板
812:通風口
820:冷卻元件
823:尖端
830:底板
832:孔口
840:頂部腔室
842:間隙
850:底部腔室
852:間隙
860:錨固件
870:支撐結構
874:側壁
900:主動冷卻系統
902:發熱結構
903:積體電路
910:頂板
912:通風口
920:冷卻元件
923:尖端
930:孔口板
932:孔口
940:頂部腔室
942:間隙
950:底部腔室
960:錨固件
970:支撐結構
972:基座
974:側壁
1000:主動冷卻系統
1001:冷卻單元
1010:頂板
1012:孔
1020:冷卻元件
1030:孔口板
1032:孔口
1040:頂部腔室
1050:底部腔室
1060:錨固件
1072:基座
1074:側壁
1100:冷卻系統
1101:冷卻單元
1200:方法
1202:致動冷卻系統中之冷卻元件之一或多者以振動
1204:來自壓電冷卻元件之反饋用於調整驅動電流
a:寬度
C:長度
d:距離
h1:高度
h2:高度
L:長度
P:深度
r1:距離
r2:距離
s:孔口間距
t:厚度
w:寬度
y:距離
z:偏轉
在以下詳細描述及附圖中揭示本發明之各種實施例。
圖1A至圖1F描繪包含主動散熱器之主動冷卻系統之實施例。
圖2A至圖2G描繪主動散熱器中之流體溫度之指示。
圖3A至圖3D描繪可用於包含中心錨定之冷卻元件之主動冷卻系統中之致動器之實施例。
圖4描繪包含主動散熱器之主動冷卻系統之實施例。
圖5描繪包含主動散熱器之主動冷卻系統之實施例。
圖6描繪包含主動散熱器之主動冷卻系統之實施例。
圖7描繪包含主動散熱器之主動冷卻系統之實施例。
圖8描繪包含主動散熱器之主動冷卻系統之實施例。
圖9描繪包含主動散熱器之主動冷卻系統之實施例。
圖10A至圖10B描繪包含經組態為瓦片且包含主動散熱器之多個冷卻單元之主動冷卻系統之實施例。
圖11描繪包含具有主動散熱器之多個冷卻單元之主動冷卻系統之實施例。
圖12係描繪用於驅動主動散熱器之技術之實施例之流程圖。
本申請案主張2020年10月2日申請之題為ACTIVE HEAT SINK之美國臨時專利申請第63/087,002號之優先權，其出於所有目的以引用的方式併入本文中。
本發明可依多種方式實施，包含作為過程；設備；系統；物質組成；體現於電腦可讀儲存媒體上之電腦程式產品；及/或處理器，諸如經組態以執行儲存於由耦合至處理器之記憶體上及/或由其提供之指令之處理器。在本說明書中，此等實施方案或本發明可採用之任何其他形式可指稱技術。一般而言，在本發明之範疇內可改變所揭示過程之步驟之順序。除非另有說明，否則經描述為經組態以執行任務之組件(諸如處理器或記憶體)可經實施為經暫時組態以在一給定時間執行任務之通用組件或經製造為執行任務之特定組件。如本文中所使用，術語「處理器」係指經組態以處理資料(諸如電腦程式指令)之一或多個裝置、電路及/或處理核 心。
下文連同繪示本發明原理之隨附圖式提供本發明之一或多個實施例之詳細描述。本發明係結合此等實施例而描述但本發明並不限於任何實施例。本發明之範疇僅受申請專利範圍限制；涵蓋眾多替代、修改及等效物。在以下描述中闡述數種具體細節以提供對本發明之全面理解。此等細節係為實例而提供且可在不具有此等特定細節之一些或全部之情況下根據申請專利範圍實踐本發明。為清晰起見，並未詳細描述在與本發明有關之技術領域中已知之技術材料以免非必要地模糊本發明。
隨著半導體裝置變得越來越強大，在操作期間產生之熱亦增加。例如，行動裝置(諸如智慧型電話、平板電腦、膝上型電腦及虛擬實境裝置)之處理器可以高時脈速度操作，但產生大量熱。由於產生之熱量，處理器可僅在相對較短時間內全速操作。在此時間到期之後，發生節流(例如，降低處理器之時脈速度)。儘管節流可減少熱產生，但其亦對處理器速度產生不利影響，且因此影響使用處理器之裝置之效能。隨著技術向5G及後續演進，此問題預計加劇。
較大裝置(諸如膝上型電腦或桌上型電腦)包含具有旋轉葉片之電風扇。可回應內部組件溫度升高而使風扇通電。風扇驅動空氣通過較大裝置來冷卻內部組件。然而，此等風扇對於行動裝置(諸如智慧型電話)或對於較薄裝置(諸如平板電腦)而言通常太大。由於存在於組件表面之空氣邊界層，風扇亦可具有有限功效，為穿過需要冷卻之熱表面之氣流提供有限空氣速度且可產生過量雜訊。被動冷卻解決方案可包含組件(諸如散熱器及熱管或均熱板)以將熱傳遞至熱交換器。儘管散熱器在一定程度上減輕熱點之溫度升高，但可無法充分解決當前及未來裝置中產生之 熱。類似地，熱管或均熱板可提供之熱量傳遞不足以移除所產生之過多熱。
計算裝置之不同組態進一步使熱管理複雜化。例如，計算裝置(諸如膝上型電腦)經常對外部環境開放，而其他計算裝置(諸如智慧型電話)通常對外部環境封閉。因此，用於開放式裝置(諸如風扇)之主動熱管理解決方案可不適用於封閉式裝置。將加熱流體自計算裝置內部驅動至外部環境之風扇對於封閉式計算裝置(諸如智慧型電話)而言可能太大且可提供有限流體流動。另外，即使風扇可併入封閉式計算裝置中，封閉式計算裝置亦不具有用於加熱流體之出口。因此，由此開放式裝置機構提供之熱管理可具有有限功效。即使對於開放式計算裝置，入口及/或出口之位置亦可針對不同裝置不同組態。例如，可期望膝上型電腦中風扇驅動流體流動之出口遠離使用者之手或其他結構，該等結構可位於加熱流體之流出物內。此組態不僅防止使用者感到不適，亦可允許風扇提供所需冷卻。具有不同組態之另一行動裝置可需要不同地組態入口及/或出口可降低此等熱管理系統之功效且可阻止使用此等熱管理系統。因此，需要用於改良計算裝置中之冷卻之機構。
類似地，需要冷卻伺服器、電池、汽車組件、一些行動裝置及通常使用更長時間之其他技術。對於此等技術，裝置之靜態操作期間產生之熱可為更大問題。因此亦需要靜態冷卻解決方案。
圖1A至圖1F係描繪可與發熱結構102一起使用且形成主動散熱器之主動冷卻系統100及100'之例示性實施例之圖。為清楚起見，僅展示特定組件。圖1A至圖1F並非按比例繪製。儘管展示為對稱，但冷卻系統100及/或100'無需對稱。圖1A至圖1E描繪冷卻系統之一個實施例之 各種模式。圖1F描繪冷卻系統100'之另一實施例。
冷卻系統100包含冷卻元件120及支撐結構170。在圖1A至圖1E中所展示之實施例中，支撐結構170包含其中具有通風口112之頂板110、其中具有孔口132之孔口板130、錨固件160、基座172及側壁174。冷卻元件120將支撐結構170之內部劃分成頂部腔室140及底部腔室150。腔室140及150(統稱為腔室140/150)形成於孔口或底部、板130、頂板110及側壁174內。支撐結構170經由基座172熱耦合至發熱結構102。基座172亦提供流體在孔口板130與發熱結構102之間流動之空間(即噴射通道)。在一些實施例中，發熱結構102與冷卻系統100分離。在一些實施例中，發熱結構102可整合至支撐結構170中。在此等實施例中，發熱結構102可為散熱器且經由基座172、孔口板130及錨固件160機械耦合至冷卻元件120。因此，發熱結構(即散熱器)102經由傳導自積體電路103(或產生熱之其他結構)提取熱。此熱可經由傳導通過基座172傳遞至冷卻系統100之其他部分。
冷卻元件120在其中心區域由錨固件160支撐。冷卻元件120之接近且包含冷卻元件之周邊之部分(例如尖端123)之區域在經致動時振動。在一些實施例中，冷卻元件120之尖端123包含離錨固件160最遠之周邊之部分且在致動冷卻元件120期間經歷最大偏轉。為清楚起見，圖1A中僅標記冷卻元件120之一個尖端123。
圖1A描繪處於中間位置之冷卻系統100。因此，冷卻元件120經展示為實質上平坦。對於同相操作，冷卻元件120經驅動以在圖1B及圖1C中所展示之位置之間振動。此振動運動以高速度及/或流速將流體(例如空氣)吸入通風口112，通過腔室140及150且自孔口132排出。例如， 流體撞擊發熱結構102之速度可為至少每秒三十米。在一些實施例中，流體由冷卻元件120以每秒至少四十五米之速度朝向發熱結構102驅動。在一些實施例中，流體由冷卻元件120以至少每秒六十米之速度驅動朝向發熱結構102。在一些實施例中，其他速度亦係可行的。冷卻系統100亦經組態使得很少或沒有流體藉由冷卻元件120之振動運動通過孔口132被抽回至腔室140/150中。
在所展示之實施例中，發熱結構102係熱連接至積體電路103之散熱器或均熱板。因此，積體電路103產生熱，其經傳遞至發熱結構(即散熱器)102。因此，積體電路103亦可被認為係發熱結構。在所展示之實施例中，熱經由傳導在積體電路103與散熱器102之間傳遞。在一些實施例中，可在發熱結構102與積體電路103之間***額外結構。例如，可存在額外散熱器及/或均熱板。因為冷卻系統100熱耦合至結構102並冷卻結構102，所以結構102經描述為發熱結構。然而，在所展示實施例中，發熱結構102之冷卻係用於管理由積體電路103產生之熱之機構。在一些實施例中，發熱結構102產生熱。例如，發熱結構102可為一積體電路，諸如積體電路103。此實施例可被視為省略發熱結構102或省略積體電路103。在一些實施例中，期望發熱結構102冷卻但本身不發熱。發熱結構102可傳導熱(例如，來自產生熱之附近物體，諸如積體電路103)。因此，發熱結構102可為散熱器或均熱板，如圖1A至圖1F中所展示。在一些此等實施例中，發熱結構102可為包含有冷卻系統100之模組之導熱部分。例如，冷卻系統100可固定至發熱結構102，發熱結構102可耦合至另一散熱器、均熱板、積體電路103或需要冷卻之其他單獨結構。儘管描述於積體電路103之上下文中，但冷卻系統100可用於冷卻另一組件或裝 置。例如，發熱結構102或積體電路103可包含或由其他半導體組件替代，包含個別積體電路組件，諸如處理器、其他積體電路及/或晶片封裝；感測器；光學裝置；一或個電池；電子裝置之其他組件，諸如計算裝置；散熱器；熱管；需要冷卻之其他電子組件及/或其他裝置。
其中期望使用冷卻系統100之裝置亦可具有其中用於放置冷卻系統之有限空間。例如，冷卻系統100可用於計算裝置中。此等計算裝置可包含(但不限於)智慧型電話、桌上型電腦、膝上型電腦、平板電腦、二合一膝上型電腦、手持式遊戲系統、數位相機、虛擬實境耳機、增強實境耳機、混合實境耳機及其他薄裝置。冷卻系統100可為能夠駐留於行動計算裝置及/或至少一維空間有限之其他裝置內之微機電系統(MEMS)冷卻系統。例如，冷卻系統100之總高度(自發熱結構102之頂部至頂板110之頂部)可小於2毫米。在一些實施例中，冷卻系統100之總高度不大於1.5毫米。在一些實施例中，此總高度不大於1.1毫米。在一些實施例中，總高度不超過一毫米。在一些實施例中，總高度不超過兩百五十微米。類似地，孔口板130之底部與發熱結構102之頂部之間的距離y可很小。在一些實施例中，y為至少兩百微米且不大於一毫米。在一些實施例中，y為至少兩百微米且不大於三百微米。因此，冷卻系統100可用於計算裝置及/或至少一維空間有限之其他裝置。然而，沒有什麼阻止將冷卻系統100用於對空間及/或除冷卻之外之目的具有較少限制之裝置中。儘管展示一個冷卻系統100(例如一個冷卻單元)，但可結合發熱結構102使用多個冷卻系統100。例如，可利用一維或二維陣列之冷卻單元。
冷卻系統100與用於冷卻發熱結構102之流體連通。流體可為氣體或液體。例如，流體可為空氣。在一些實施例中，流體包含來自冷 卻系統100所在之裝置外部之流體(例如通過裝置中之外部通風口提供)。在一些實施例中，流體在冷卻系統所在之裝置(例如在封閉裝置中)內循環。
冷卻元件120可被認為將主動冷卻系統100之內部劃分成頂部腔室140及底部腔室150。頂部腔室140由冷卻元件120、側面及頂板110形成。底部腔室150由孔口板130、側面、冷卻元件120及錨固件160形成。頂部腔室140及底部腔室150在冷卻元件120之周邊連接且一起形成腔室140/150(例如冷卻系統100之內部腔室)。
頂部腔室140之大小及組態可為單元(冷卻系統100)尺寸、冷卻元件120運動及操作頻率之一函數。頂部腔室140具有高度h1。可選擇頂部腔室140之高度以提供充分壓力以將流體驅動至底部腔室150且以所需流速及/或速度通過孔口132。頂部腔室140亦充分高使得冷卻元件120在致動時不接觸頂板110。在一些實施例中，頂部腔室140之高度為至少五十微米且不大於五百微米。在一些實施例中，頂部腔室140具有至少兩百且不大於三百微米之高度。
底部腔室150具有高度h2。在一些實施例中，底部腔室150之高度充分容納冷卻元件120之運動。因此，在正常操作期間，冷卻元件120之任何部分都不接觸孔口板130。底部腔室150通常小於頂部腔室140且可幫助減少流體回流至孔口132中。在一些實施例中，底部腔室150之高度係冷卻元件120之最大偏轉加上至少五微米且不大於十微米。在一些實施例中，冷卻元件120之偏轉(例如尖端123之偏轉)z具有至少十微米且不大於一百微米之振幅。在一些此等實施例中，冷卻元件120之偏轉振幅為至少十微米且不大於六十微米。然而，冷卻元件120之偏轉振幅取決於 因數，諸如通過冷卻系統100之所需流速及冷卻系統100之組態。因此，底部腔室150之高度通常取決於通過之流速及冷卻系統100之其他組件。
頂板110包含流體可通過其經吸入至冷卻系統100中之通風口112。頂部通風口112可具有基於腔室140中之所需聲壓選擇之大小。例如，在一些實施例中，通氣孔112之寬度w為至少五百微米且不大於一千微米。在一些實施例中，通風口112之寬度為至少兩百五十微米且不大於兩千微米。在所展示之實施例中，通風口112係頂板110中位於中心之孔口。在其他實施例中，通風口112可位於別處。例如，通風口112可更接近頂板110之邊緣之一者。通風口112可具有圓形、矩形或其他形狀之覆蓋區。儘管展示單一通風口112，但可使用多個通風口。例如，通風口可朝向頂部腔室140之邊緣偏移或位於頂部腔室140之(若干)側上。儘管頂板110經展示為實質上平坦，但在一些實施例中可提供溝槽及/或其他結構於頂板110中以修改頂部腔室140及/或頂板110上方區域之組態。
冷卻元件120包含錨定區域122及懸臂121。為簡單起見，錨定區域122及懸臂121僅在圖1A及圖1F中標出。錨定區域122由錨固件160支撐(例如，保持於適當位置)於冷卻系統100中。懸臂121回應於致動冷卻元件120而經歷振動運動。在圖1A至圖1F中所展示之實施例中，錨定區域122沿冷卻元件120及120'之軸線居中定位。在其他實施例中，錨定區域122可在致動器之一個邊緣處且外部區域128可在相對邊緣處。在此等實施例中，冷卻元件120係邊緣錨定。儘管經描繪為具有均勻厚度，但在一些實施例中，冷卻元件120可具有變化厚度。例如，冷卻元件120可由冷卻元件120'代替，如下文所論述。
錨固件160在冷卻元件120之中心部分處支撐冷卻元件 120。因此，冷卻元件120之周邊之至少部分沒有銷釘且自由振動。在一些實施例中，錨固件160沿冷卻元件120之中心軸線(例如，垂直於圖1A至圖1F中之頁面)延伸。在此等實施例中，振動之冷卻元件120之部分(例如，包含尖端123之懸臂121)依懸臂方式移動。因此，冷卻元件120之懸臂121可依類似於蝴蝶之翅膀(即同相)及/或類似於蹺蹺板(即異相)之方式移動。因此，依懸臂方式振動之冷卻元件120之懸臂121在一些實施例中同相且在其他實施例中異相。在一些實施例中，錨固件160不沿冷卻元件120之軸線延伸。在此等實施例中，冷卻元件120之周邊之所有部分自由振動(例如類似於水母)。在所展示實施例中，錨固件160自冷卻元件120之底部支撐冷卻元件120。在其他實施例中，錨固件160可依另一方式支撐冷卻元件120。例如，錨固件160可自頂部支撐冷卻元件120(例如冷卻元件120懸掛在錨固件160上)。在圖1F之上下文中展示及描述此一實施例。1F。在一些實施例中，錨固件160之寬度a為至少0.5毫米且不大於4毫米。在一些實施例中，錨固件160之寬度為至少兩毫米且不大於2.5毫米。錨固件160可佔據冷卻元件120之至少百分之十且不大於百分之五十。
冷卻元件120具有第一側及第二側。在一些實施例中，第一側遠離發熱結構102且第二側接近發熱結構102。在圖1A至圖1F中所展示之實施例中，冷卻元件120之第一側係冷卻元件120之頂部(更接近頂板110)且第二側係冷卻元件120之底部(更接近孔口板130)。致動冷卻元件120以經歷如圖1A至圖1F中所展示之振動運動。冷卻元件120之振動運動將流體自冷卻元件120之第一側(例如遠離發熱結構102/自頂部腔室140)驅動至冷卻元件120之第二側(例如接近發熱結構102/到底部腔室150)。冷卻元件120之振動運動將流體抽吸通過通風口112且至頂部腔室140中；迫使 流體自頂部腔室140流動至底部腔室150；且通過孔口板130之孔口132驅動來自底部腔室150之流體。進一步言之，冷卻元件120及孔口132可經組態以減少流體自噴射通道至底部腔室150之回流。因此，冷卻元件120可被視為致動器。儘管描述於單一、連續冷卻元件之上下文中，但在一些實施例中，冷卻元件120可由兩個(或更多)冷卻元件形成。冷卻元件之各者具有一個銷釘部分(例如由錨固件160支撐)及未銷釘相對部分。因此，單一、中心支撐之冷卻元件120可由在邊緣處支撐之多個冷卻元件之組合形成。
冷卻元件120具有取決於冷卻元件120期望振動之頻率之長度L。在一些實施例中，冷卻元件120之長度為至少四毫米且不大於十毫米。在一些此等實施例中，冷卻元件120具有至少六毫米且不大於八毫米之長度。冷卻元件120之深度(例如，垂直於圖1A至圖1F中所展示之平面)可自L之四分之一到L之兩倍變化。例如，冷卻元件120可具有與長度相同之深度。冷卻元件120之厚度t可基於冷卻元件120之組態及/或冷卻元件120期望經致動之頻率而變化。在一些實施例中，對於具有八毫米之長度且以至少二十千赫茲且不大於二十五千赫茲之頻率驅動之冷卻元件120，冷卻元件厚度為至少兩百微米且不大於三百五十微米。腔室140/150之長度C接近冷卻元件120之長度L。例如，在一些實施例中，冷卻元件120之邊緣與腔室140/50之壁之間的距離d為至少一百微米且不大於五百微米。在一些實施例中，d為至少兩百微米且不大於三百微米。
冷卻元件120可在處於或接近頂部腔室140中流體之壓力波之聲諧振之諧振頻率及冷卻元件120之結構諧振之諧振頻率兩者之頻率下驅動。冷卻元件120之經歷振動運動之部分在冷卻元件120之諧振(「結構 諧振」)處或附近經驅動。冷卻元件120之經歷振動之此部分在一些實施例中可為懸臂121。結構諧振之振動頻率稱為結構諧振頻率。在驅動冷卻元件120中使用結構諧振頻率降低冷卻系統100之功耗。冷卻元件120及頂部腔室140亦可經組態使得此結構諧振頻率對應於經驅動通過頂部腔室140之流體中之壓力波之諧振(頂部腔室140之聲諧振)。此一壓力波之頻率稱為聲諧振頻率。在聲諧振時，壓力波節出現於通風口112附近且壓力波腹出現於冷卻系統100之周邊附近(例如接近冷卻元件120之尖端123及接近頂部腔室140與底部腔室150之間的連接)。此等兩個區域之間的距離係C/2。因此，C/2=nλ/4，其中λ係流體之聲波波長且n為奇數(例如n=1、3、5等等)。對於最低階模式，C=λ/2。因為腔室140之長度(例如C)接近於冷卻元件120之長度，所以在一些實施例中，L/2=nλ/4亦係近似正確，其中λ係流體之聲波波長且n為奇數。因此，驅動冷卻元件120之頻率ν處於或接近冷卻元件120之結構諧振頻率。頻率ν亦處於或接近至少頂部腔室140之聲諧振頻率。相比於冷卻元件120之結構諧振頻率，頂部腔室140之聲諧振頻率隨參數(諸如溫度及大小)之變化通常不大。因此，在一些實施例中，冷卻元件120可以(或接近)結構諧振頻率而非聲諧振頻率驅動。
孔口板130在其中具有孔口132。儘管展示孔口132之特定數目及分佈，但可使用其他數目、其他位置及/或其他分佈。單一孔口板130用於單一冷卻系統100。在其他實施例中，多個冷卻系統100可共用孔口板。例如，可以所需組態一起提供多個電池100。在此等實施例中，單元100可具有相同大小及組態或不同大小及/或組態。孔口132經展示為具有垂直於發熱結構102之表面定向之軸線。在其他實施例中，一或多個孔口132之軸線可成另一角度。例如，軸線之角度可選自實質上為零度及非 零銳角。孔口132亦具有實質上平行於孔口板130之表面之法線之側壁。在一些實施例中，孔口可具有與孔口板130之表面之法線成非零角度之側壁。例如，孔口132可為錐形。進一步言之，儘管孔口位置130經展示為實質上平坦，但在一些實施例中，可在孔口板130中提供溝槽及/或其他結構以修改底部腔室150之組態及/或孔口板130與發熱結構102之間的區域。
選擇孔口132之大小、分佈及位置以控制經驅動至發熱結構102之表面之流體之流速。孔口132之位置及組態可經組態以增加/最大化自底部腔室150通過孔口132至噴射通道(孔口板130之底部與發熱結構102之頂部之間的區域)之流速。亦可選擇孔口132之位置及組態以減少/最小化自噴射通道通過孔口132之吸入流(例如回流)。例如，需要孔口之位置離尖端123充分遠使得通過孔口132將流體拉入底部腔室150中之冷卻元件120之上衝程(尖端123遠離孔口板130移動)中之抽吸減小。亦期望孔口之位置充分接近尖端123，使得冷卻元件120之上衝程中之抽吸亦允許來自頂部腔室140之更高壓力以將流體自頂部腔室140推入至底部腔室150中。在一些實施例中，自頂部腔室140至底部腔室150之流速與在上衝程中自噴射通道通過孔口132之流速之比(「淨流量比」)大於2：1。在一些實施例中，淨流量比為至少85：15。在一些實施例中，淨流量比為至少90：10。為了提供所需壓力、流速、吸力及淨流量比，需要孔口132距尖端123至少距離r1且距冷卻元件120之尖端123不大於距離r2。在一些實施例中，r1為至少一百微米(例如r1
Figure 110136574-A0305-02-0018-2
100μm)且r2不大於一毫米(例如r2
Figure 110136574-A0305-02-0018-3
1000μm)。在一些實施例中，孔口132距冷卻元件120之尖端123至少兩百微米(例如r1
Figure 110136574-A0305-02-0018-4
200μm)。在一些此等實施例中，孔口132距冷卻元件120之尖端123至少三百微米(例如r1
Figure 110136574-A0305-02-0018-5
300μm)。在一些實施例中，孔口132具有至少一百 微米且不大於五百微米之寬度。在一些實施例中，孔口132具有至少兩百微米且不大於三百微米之寬度。在一些實施例中，孔口間距s為至少一百微米且不大於一毫米。在一些此等實施例中，孔口間距為至少四百微米且不大於六百微米。在一些實施例中，亦期望孔口132佔據孔口板130之面積之特定部分。例如，孔口132可覆蓋孔口板130之覆蓋區之至少百分之五且不大於百分之十五以達成通過孔口132之流體之所需流速。在一些實施例中，孔口132覆蓋孔口板130之覆蓋區之至少百分之八且不大於百分之十二。
在一些實施例中，使用壓電來致動冷卻元件120。因此，冷卻元件120可為壓電冷卻元件。冷卻元件120可由安裝於冷卻元件120上或整合至冷卻元件120中之壓電驅動。在一些實施例中，冷卻元件120依另一方式驅動，包含(但不限於)在冷卻系統100中之另一結構上提供壓電。冷卻元件120及類似冷卻元件在下文中指稱壓電冷卻元件，然可使用除壓電之外之機構來驅動冷卻元件。在一些實施例中，冷卻元件120包含基板上之壓電層。基板可包含不銹鋼、Ni合金、哈氏合金(Hastelloy)、Al(例如Al合金)及/或Ti(例如，Ti合金，諸如Ti6Al-4V)或由其組成。在一些實施例中，壓電層包含在基板上形成為薄膜之多個子層。在其他實施例中，壓電層可為固定至基板之體層。此一壓電冷卻元件120亦包含用於啟動壓電元件之電極。在一些實施例中，基板用作電極。在其他實施例中，可在基板與壓電層之間提供底部電極。其他層，包含(但不限於)種子層、覆蓋層、鈍化層或其他層可包含與壓電冷卻元件中。因此，可使用壓電來致動冷卻元件120。
在一些實施例中，冷卻系統100包含煙囪(未展示)或其他管 道。此管道為經加熱流體提供離開發熱結構102之路徑。在一些實施例中，管道將流體返回至遠離發熱結構102之頂板110之一側。在一些實施例中，管道可代替地在平行於發熱結構102或垂直於發熱結構102但在相反方向(例如朝向頁面底部)之方向上遠離發熱結構102。對於其中在冷卻系統100中使用裝置外部之流體之裝置，管道可將經加熱流體引導至通風口。在此等實施例中，可自入口通風口提供額外流體。在其中裝置經封閉之實施例中，管道可提供返回至接近通風口112且遠離發熱結構102之區域之迂迴路徑。此一路徑允許流體在經重新使用以冷卻發熱結構102之前消散熱。在其他實施例中，管道可經省略或依另一方式組態。因此，允許流體自發熱結構102帶走熱。
冷卻系統100之操作描述於圖1A至圖1E之上下文中。儘管描述於特定壓力、間隙大小及流動時間之上下文中，但冷卻系統100之操作不取決於本文中之解釋。圖1B至圖1C描繪冷卻系統100之同相操作。參考圖1B，冷卻元件120已經致動，使得懸臂121及尖端123遠離頂板110移動。因此，圖1B可被認為描繪冷卻元件120之下衝程之結束。由於冷卻元件120之振動運動，底部腔室150之間隙152之大小減小且經展示為間隙152B。相反，頂部腔室140之間隙142之大小增加且展示為間隙142B。在下衝程期間，當冷卻元件120處於中立位置時，在周邊產生較低(例如最小)壓力。隨著下衝程繼續，底部腔室150之大小減小且頂部腔室140之大小增加，如圖1B中所展示。因此，流體在與孔口板130之表面及/或發熱結構102之頂面處於或接近垂直於其之方向上驅出孔口132。流體自孔口132(朝向發熱結構102)以高速，例如超過每秒35米驅動。因此，流體以本文中所描述之高速離開孔口132。在一些實施例中，流體接著沿發熱結構 102之表面且朝向發熱結構102之周邊行進，其中壓力低於孔口132附近之壓力。同樣在下衝程中，頂部腔室140之大小增加且較低壓力存在於頂部腔室140中。因此，流體通過通風口112吸入至頂部腔室140中。流體至通風口112、通過孔口132且沿發熱結構102之表面之運動由圖1B中之未標記箭頭展示。
冷卻元件120亦經致動，使得懸臂121及因此尖端123遠離發熱結構102並朝向頂板110移動。因此，圖1C可被認為描繪冷卻元件120之向上衝程之結束。由於冷卻元件120之運動，間隙142之大小減小且經展示為間隙142C。間隙152之大小增加且展示為間隙152C。在上衝程期間，當冷卻元件120處於中立位置時，在周邊產生較高(例如最大)壓力。隨著上衝程繼續，底部腔室150之大小增加且頂部腔室140之大小減小，如圖1C中所展示。因此，流體自頂部腔室140(例如腔室140/150之周邊)驅動至底部腔室150。因此，當冷卻元件120之尖端123向上移動時，頂部腔室140用作用於使進入流體加速且經驅動朝向底部腔室150之噴嘴。流體至底部腔室150中之運動由圖1C中未標記之箭頭展示。冷卻元件120及孔口132之位置及組態經選擇為減少吸力，且因此減少在上衝程期間自噴射通道(在發熱結構102與孔口板130之間)至孔口132中之流體回流。因此，冷卻系統100能夠將流體自頂部腔室140驅動至底部腔室150，而不會有過多加熱流體自射流通道回流進入底部腔室150。此外，冷卻系統100可操作使得流體經吸入通過通風口112且通過孔口132驅出，而冷卻元件120不接觸頂板110或孔口板130。因此，在腔室140及150內產生壓力，其有效地打開及關閉通風口112及孔口132，使得流體經驅動通過冷卻系統100，如本文中所描述。
重複圖1B及1C中所展示之位置之間的運動。因此，冷卻元件120經歷圖1A至圖1C中所指示之振動運動，將流體自頂板110之遠側通過通風口112吸入至頂部腔室140中；將流體自頂部腔室140傳遞至底部腔室150；且推動流體通過孔口132並朝向發熱結構102。如上文所論述，冷卻元件120經驅動以在冷卻元件120之結構諧振頻率處或附近振動。在一些實施例中，此對應於懸臂121之結構諧振。進一步言之，冷卻元件120之結構諧振頻率經組態以與腔室140/150之聲諧振對準。結構及聲諧振頻率通常選擇在超聲波範圍內。例如，冷卻元件120之振動運動之頻率可自15kHz至30kHz。在一些實施例中，冷卻元件120以至少20kHz且不超大於30kHz之頻率/頻率振動。冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲諧振頻率之百分之十內。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲諧振頻率之百分之五內。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲諧振頻率之百分之三內。因此，可提高效率及流速。然而，可使用其他頻率。
經驅動朝向發熱結構102之流體可實質上法向於(垂直於)發熱結構102之頂面移動。在一些實施例中，流體運動可相對於發熱結構102之頂面之法線具有非零銳角。在任一情況下，流體撞擊發熱結構102且可在發熱結構102處之流體之邊界層中變薄及/或形成孔口。因此，可改良熱自發熱結構102之傳遞。流體偏轉離開發熱結構102，沿發熱結構102之表面行進。在一些實施例中，流體在實質上平行於發熱結構102之頂部之方向上移動。因此，來自發熱結構102之熱可由流體提取。流體可在冷卻系統100之邊緣處離開孔口板130與發熱結構102之間的區域。在冷卻系統100之邊緣處之煙囪或其他管道(未展示)允許流體自發熱結構102帶走。 在其他實施例中，經加熱流體可依另一方式自發熱結構102進一步傳遞。流體可將自發熱結構102傳遞至另一結構或周圍環境之熱交換。因此，頂板110之遠側處之流體可保持相對冷，允許額外熱提取。在一些實施例中，流體循環，在冷卻之後返回至頂板110之遠側。在其他實施例中，經加熱流體在冷卻元件120之遠側帶走且由新流體替換。因此，可冷卻發熱結構102。
圖1D至圖1E描繪包含其中冷卻元件異相驅動之中心錨定之冷卻元件120之主動冷卻系統100之實施例。更具體而言，冷卻元件120之懸臂121在錨固件160之相對側上(且因此在由錨固件160支撐之冷卻元件120之中心錨定區域122之相對側上)經驅動以異相振動。在一些實施例中，在錨固件160之相對側上之冷卻元件120之懸臂121以180度或接近180度異相驅動。因此，冷卻元件120之一個懸臂121朝向頂板110振動，而冷卻元件120之另一懸臂121朝向孔口板130/發熱結構102振動。冷卻元件120之懸臂121朝向頂板110之運動(上衝程)將頂部腔室140中之流體驅動至錨固件160之該側上之底部腔室150。冷卻元件120之區段朝向孔口板130之運動驅動流體通過孔口132且朝向發熱結構102。因此，以高速(例如，關於同相操作描述之速度)流動之流體交替地自錨固件160之相對側上之孔口132經驅出。流體之移動由圖1D及圖1E中未標記之箭頭展示。
重複圖D1及圖1E中所展示之位置之間的運動。因此，冷卻元件120經歷圖1A、圖1D及圖1E中所指示之振動運動，交替地將流體自頂板110之遠側通過通風口112吸入至冷卻元件120之各側之頂部腔室140中；將流體自頂部腔室140之各側傳遞至底部腔室150之對應側；且推動流體通過錨固件160之各側上之孔口132且朝向發熱結構102。如上文所 論述，冷卻元件120經驅動以在冷卻元件120之結構諧振頻率處或附近振動。進一步言之，冷卻元件120之結構諧振頻率經組態以與腔室140/150之聲諧振對準。結構及聲諧振頻率通常選擇在超聲波範圍內。例如，冷卻元件120之振動運動可處於針對同相振動所描述之頻率。冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲諧振頻率之百分之十內。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲諧振頻率之百分之五內。在一些實施例中。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲諧振頻率之百分之三內。因此，可提高效率及流速。然而，可使用其他頻率。
經驅動朝向發熱結構102用於異相振動之流體可依類似於上文所描述之同相操作之方式實質上法向於(垂直於)發熱結構102之頂面移動。類似地，冷卻系統100之邊緣處之煙囪或其他管道(未展示)允許流體自發熱結構102帶走。在其他實施例中，經加熱流體可依另一方式自發熱結構102進一步傳遞。流體可將自發熱結構102傳遞至另一結構或周圍環境之熱交換。因此，頂板110之遠側處之流體可保持相對冷，允許額外熱提取。在一些實施例中，流體循環，在冷卻之後返回至頂板110之遠側。在其他實施例中，經加熱流體在冷卻元件120之遠側帶走且由新流體替換。因此，可冷卻發熱結構102。
使用經致動用於同相振動或異相振動之冷卻系統100，通過通風口112吸入且通過孔口132驅動之流體可有效地自發熱結構102散發熱。因為流體以充分速度(例如，至少每秒三十米)撞擊發熱結構且在一些實施例中實質上法向於發熱結構，發熱結構處之流體之邊界層可變薄及/或部分移除。因此，改良發熱結構102與移動流體之間的熱傳遞。由於發 熱結構經更有效地冷卻，對應積體電路可以更高速度及/或功率操作更長時間。例如，若發熱結構對應於高速處理器，則此一處理器可在節流之前操作更長時間。因此，可提高利用冷卻系統100之裝置之效能。進一步言之，冷卻系統100可為MEMS裝置。因此，冷卻系統100可適用於其中有限空間可用之較小及/或行動裝置中，諸如智慧型電話、其他行動電話、虛擬實境耳機、平板電腦、二合一電腦、可穿戴裝置及手持式遊戲。此等裝置之效能因此可經改良。因為冷卻元件120可以15kHz或更高之頻率振動，所以使用者可能聽不到與冷卻元件之致動相關聯之任何雜訊。若以或接近結構及/或聲諧振頻率驅動，則操作冷卻系統中使用之功率可顯著降低。冷卻元件120在振動期間不與頂板110或孔口板130實體接觸。因此，可更容易地保持冷卻元件120之諧振。更具體而言，冷卻元件120與其他結構之間的實體接觸擾亂冷卻元件120之諧振條件。擾亂此等條件可驅使冷卻元件120脫離諧振。因此，將需要使用額外功率來維持冷卻元件120之致動。進一步言之，由冷卻元件120驅動之流體之流動可減少。因此，如上文所論述，通過使用壓差及流體流動避免此等問題。可使用有限額外功率達成經改良、安靜冷卻之益處。進一步言之，冷卻元件120之異相振動允許冷卻元件100之質心位置保持更穩定。儘管扭矩施加於冷卻元件120上，但歸因於質心之運動之力經減小或消除。因此，可減少歸因於冷卻元件120之運動之振動。此外，冷卻系統100之效率可通過使用冷卻元件120兩側之異相振動運動來提高。對於懸臂121之異相振動，亦可減少通過冷卻系統100之振動。因此，可提高併入冷卻系統100之裝置之效能。進一步言之，冷卻系統100可用於其中需要高流體流量及/或速度之其他應用中(例如，具有或不具有發熱結構102)。
圖1F描繪包含頂部中心錨定之冷卻元件之主動冷卻系統100'之實施例。冷卻系統100'類似於冷卻系統100。因此，類似組件具有類似標籤。例如，冷卻系統100'與類似於發熱結構102及積體電路103之發熱結構102及積體電路103結合使用。
冷卻系統100'包含支撐結構170'、具有通風口112'之頂板110'、冷卻元件120'、包含孔口132之孔口板130、具有間隙之頂部腔室140'、具有間隙之底部腔室150及錨固件160，其等分別類似於圖1A至圖1E之支撐結構170、具有通風口112之頂板110、冷卻元件120'、包含孔口132之孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150及錨固件160。因此，冷卻元件120'由錨固件160在中心支撐，使得冷卻元件120'之周邊之至少部分自由振動。在一些實施例中，錨固件160沿冷卻元件120'之軸線延伸(例如依類似於錨固件360A及/或360B之方式)。在其他實施例中，錨固件160僅接近冷卻元件120'之中心部分(例如類似於錨固件360C及/或360D)。
錨固件160自上方支撐冷卻元件120'。因此，冷卻元件120'自錨固件160懸掛。錨固件160自頂板110'懸掛。頂板110'包含通風口113。錨固件160之側面上之通風口112'為流體流動至腔室140'之側面中提供路徑。
工程冷卻元件120'具有定制幾何形狀且可用於冷卻系統(諸如冷卻系統100及/或100')。冷卻元件120'包含錨定區域122及懸臂121'。錨定區域122由錨固件160支撐於(例如保持於適當位置)冷卻系統100中。懸臂121'回應於冷卻元件120'經致動而經歷振動運動。因此，冷卻元件120'依類似於冷卻元件120之方式操作且可用於冷卻系統100中。各懸臂 121'包含台階區域124、延伸區域126及外部區域128。在圖1F中所展示之實施例中，錨定區域122位於中心。台階區域124自錨定區域122向外延伸。延伸區域126自台階區域124向外延伸。外部區域128自延伸區域126向外延伸。在其他實施例中，錨定區域122可在致動器之一個邊緣處且外部區域128在相對邊緣處。在此等實施例中，致動器係邊緣錨定。
延伸區域126具有小於台階區域124之厚度(台階厚度)且小於外部區域128之厚度(外部厚度)之厚度(延伸厚度)。因此，延伸區域126可被視為凹陷。延伸區域126亦可被視為提供較大底部腔室150。在一些實施例中，外部區域128之外部厚度與台階區域124之台階厚度相同。在一些實施例中，外部區域128之外部厚度不同於台階區域124之台階厚度。外部區域128及台階區域124可各具有至少三百二十微米且不大於三百六十微米之厚度。在一些實施例中，外部厚度比延伸厚度大至少五十微米且不大於兩百微米。換言之，台階(台階厚度及延伸厚度之差異)為至少五十微米且不大於兩百微米。在一些實施例中，外部台階(外部厚度及延伸厚度之差異)為至少五十微米且不大於兩百微米。外部區域128可具有至少一百微米且不大於三百微米之寬度(自尖端123至延伸區域126)。在一些實施例中，延伸部126區域具有自台階區域124至外部區域128之至少0.5毫米且不大於1.5毫米之長度。在一些實施例中，外部區域128在自錨定區域122開始之方向上每單位長度之質量高於延伸區域126。質量之此差異可歸因於外部區域128之較大大小，冷卻元件120'之部分之間的密度差異及/或其他機構。
如以上關於冷卻系統100所論述，冷卻元件120'可經驅動以在或接近冷卻元件120'之結構諧振頻率振動。進一步言之，冷卻元件 120'之結構諧振頻率可經組態以與腔室140'/150之聲諧振對準。結構及聲諧振頻率通常選擇在超聲波範圍內。例如，冷卻元件120'之振動運動可在關於冷卻系統100描述之頻率上。因此，可提高效率及流速。然而，可使用其他頻率。
冷卻系統100'依類似於冷卻系統100之方式操作。冷卻系統100'因此共用冷卻系統100之益處。因此，可提高採用冷卻系統100'之裝置之效能。使用依類似於冷卻元件120'之方式組態之冷卻元件120'可提高效率及可靠性。另外，可影響其他冷卻單元(未展示)之冷卻系統100'中之振動可減少。例如，歸因於冷卻元件120'之運動，可在頂板110'中引起較少振動。因此，可減少冷卻系統100'及其他冷卻系統(例如其他單元)或併入冷卻系統100'之裝置之其他部分之間的串擾。因此，可增強效能。
工程冷卻元件120'之使用可進一步提高冷卻系統100及/或100'之效率。延伸區域126比台階區域124及外部區域128更薄。此導致冷卻元件120'之底部中對應於延伸區域126之腔。此腔之存在有助於提高冷卻系統100'之效率。各懸臂121'在上行程中朝向頂板110振動且在下行程中遠離頂板110振動。當懸臂121'朝向頂板110移動時，頂部腔室140中之高壓流體抵抗懸臂121'之運動。此外，底部腔室150中之吸力亦阻止懸臂121'在上衝程期間之向上運動。在懸臂121'之下衝程中，底部腔室150中增加之壓力及頂部腔室140中之吸力抵抗懸臂121'之向下運動。然而，對應於延伸區域126之懸臂121'中腔之存在減輕上衝程期間底部腔室150中之吸力。在下衝程期間，腔亦降低底部腔室150中之壓力增加。因為吸力及壓力增加之量值減小，懸臂121'可更容易地移動通過流體。此可在實質上保持頂部腔室140中之較高壓力時達成，其驅動流體流動通過冷卻系統 100及/或100'。此外，外部區域128之存在可提高懸臂121'移動通過經驅動通過冷卻系統100之流體之能力。外部區域128具有更高單位長度質量且因此具有更高動量。因此，外部區域128可提高懸臂121'移動通過經驅動通過冷卻系統100之流體之能力。懸臂121'之偏轉量值亦可增加。通過使用較厚台階區域124，可在保持懸臂121'之剛度時達成此等益處。進一步言之，外部區域128之較大厚度可幫助在下衝程之底部夾斷流動。因此，可提高冷卻元件120'提供防止通過孔口132回流之閥之能力。因此，可改良採用冷卻元件120'之冷卻系統100'之效能。
如上文所論述，冷卻系統100及100'可使用離開孔口132且撞擊在發熱結構(即散熱器)102或積體電路103(或作為熱源之其他組件)上之流體射流來冷卻發熱結構102(及因此積體電路103)。然而，冷卻系統100及/或100'可具有用於冷卻發熱結構之額外機構。冷卻系統100及/或100'經由支撐結構170熱耦合至發熱結構102，使得熱可經由傳導自發熱結構102傳遞至冷卻系統100。例如，基座172可由導熱材料製成。基座172亦可使用高導熱機構(例如導熱環氧樹脂)接合至發熱結構102。類似地，與發熱結構102之熱質量相比，基座172可具有相對較大(例如，相當大部分或更大)之熱質量。例如，基座172可包含或由高熱容量材料(例如鋼及鋁合金)及/或高導熱材料(例如銅及鋁)組成。基座172亦可在大面積上接觸發熱結構102。基座172之大小範圍可自大致錨固件160之大小至跨冷卻單元100及/或100'或跨由多個冷卻單元形成之整個瓦片。例如，基座172可跨整個冷卻系統100或跨多個冷卻系統延伸出頁面平面。進一步言之，冷卻元件120/120'分別經由錨固件160及/或頂板110'熱耦合至支撐結構170及/或170'。因此，熱可自發熱結構102分別傳導至冷卻元件120/120'及支撐 結構170及/或170'之剩餘者。因此，冷卻系統100及/或100'可充當發熱結構102及積體電路103之散熱器。進一步言之，由於其形狀(例如大表面積)，冷卻元件120'可用作鰭。
另外，冷卻系統100及/或100'係主動冷卻系統。因此，在一些實施例中，冷卻系統100及/或100'可被認為係主動散熱器。更具體而言，冷卻元件120/120'經歷振動運動。除驅動流體通過孔口132之外，振動運動亦驅動流體至腔室140/150及140'/150中，通過腔室140/150及140'/150，且經過冷卻元件120'。因為流體經驅動通過冷卻元件120/120'且通過支撐結構170及/或170'，所以冷卻元件120'及支撐結構170及/或170'中之熱經傳遞至流體。因此，除或代替直接自發熱結構102傳遞流體，流體可自冷卻元件120/120'及/或支撐結構110/170'移除熱。
此外，冷卻系統100及100'驅動流體，使得離開孔口132之流體具有每秒至少三十米之高速。在一些實施例中，離開孔口132之流體具有至少每秒四十五米之速度。在一些實施例中，流體以每秒至少六十米之速度離開孔口132。在一些實施例中，其他速度可為可行的。離開孔口132之流體具有高速，部分原因係通過腔室140/150之流體具有高流速。在一些實施例中，例如，通過腔室140/150之流速可為至少0.05立方英尺/分鐘(cfm)。在一些實施例中，通過腔室140/150之流速至少為0.1cfm。其他(即更高或更低)流速係可行的。可驅動通過冷卻系統100及/或100'之相對較高流速有效地自冷卻元件120/120'及支撐結構170及/或170'移除熱。因此，除由支撐結構170/170'及冷卻元件120/120'之傳導之外，經由對流向流體之熱傳遞可用於管理熱。
例如，圖2A至圖2G指示使用冷卻系統100及/或100'驅動之 流體之溫度變化。圖2A係描繪冷卻系統100及/或100'之效能之實例之曲線圖200。曲線圖200僅用於說明目的且不旨在表示冷卻元件120及/或冷卻系統100及/或100'之所有實施例之效能。更具體而言，曲線圖200描繪冷卻系統100及/或100'中不同位置處之流體溫度。位置「通風口」分別指示冷卻系統100及/或100'之通風口入口112及/或113處之流體溫度。位置「孔口出口」分別指示冷卻系統100及/或100'在離開孔口132之後之流體溫度。位置「撞擊」分別指示撞擊冷卻系統100及/或100'之發熱結構102之後之流體溫度。位置「退出」分別指示離開冷卻系統100及/或100'所展示之區域時之流體溫度。「上限溫度」指示發熱結構102或積體電路103期望保持低於其之溫度。
曲線圖200包含可被視為描述高流動行為之曲線圖210，而曲線圖220可被視為描述低流動行為。在一些實施例中，曲線圖210(高流量)可用於0.1cfm數量級之流量。曲線圖220(低流量)可用於0.01cfm數量級之流量。其他流速係可行的。更一般而言，曲線圖210可出現在由冷卻元件120及/或120'驅動之流體流動通過冷卻系統100及/或100'足以冷卻冷卻系統100/100'之部分，使得其等溫度顯著低於發熱結構102之情況。曲線圖220可出現在由冷卻元件120及/或120'驅動之流體流動通過冷卻系統100及/或100'不足以冷卻冷卻系統100/100'之部分時，使得其等溫度接近發熱結構102之溫度。更具體而言，曲線圖210指示當冷卻系統100及/或100'之溫度(例如冷卻元件120及支撐結構170/170'之溫度)遠低於發熱結構102之溫度時冷卻系統100及/或100'之行為。例如，曲線圖210可描述當冷卻系統100及/或100'處於或接近室溫(例如二十五度攝氏溫度)而發熱結構102及/或積體電路103處於或接近上限溫度(例如九十攝氏度)時之溫度。 曲線圖220指示當冷卻系統100及/或100'之溫度(例如冷卻元件120及支撐結構170/170'之溫度)處於或接近發熱結構102之溫度時之行為。例如，曲線圖220可描述冷卻系統100及/或100'處於或接近八十至八十八攝氏度而發熱結構102及/或積體電路處於或接近九十攝氏度之溫度。
冷卻系統100及/或100'藉由自發熱結構102熱傳導之熱加熱。對於曲線圖210，在通風口112及/或100'處進入冷卻系統100及/或100'或113之流體處於或接近室溫。流體流速高(例如0.05cfm至0.1cfm或更高)。在一些實施例中，流體流動充分高使得自冷卻系統100及/或100'移除足夠熱以確保冷卻系統100及/或100'遠離發熱結構之部分之溫度低。當流體歸因於冷卻元件120之振動運動而行進通過腔室140/150及/或140'/150時，一些熱經傳遞至流體。在一些實施例中，充分熱經傳遞(自冷卻系統100及/或100'移除)以降低冷卻系統100及/或100'遠離發熱結構102之區段之溫度。當流體通過冷卻系統時，流體繼續自冷卻系統100及/或100'移除熱。因此，隨著流體通過腔室140及150，流體之溫度逐漸升高。撞擊在發熱結構102上之流體將大量熱自發熱結構102傳遞至流體。因此，流體之溫度在「撞擊」位置大大增加。當流體繼續沿發熱結構102之表面行進至出口時，可僅移除少量額外熱。因此，針對曲線圖210，部分藉由自冷卻系統100及；或100'移除熱且部分藉由撞擊在發熱結構102上之流體，傳遞大量熱。例如，在一些實施例中，對於在九十攝氏度下操作之發熱結構，進入通風口112/113之室溫流體可在至少七十攝氏度之溫度下離開。在一些此等實施例中，對於在九十攝氏度下操作之發熱結構，進入通風口112/113之室溫流體可在至少七十五至八十攝氏度之溫度下離開。
對於曲線圖220，在通風口112及/或113處進入冷卻系統100及/或100'之流體處於或接近室溫。然而，流體流速低。在一些實施例中，流體流動充分低使得沒有自冷卻系統100及/或100'移除足夠熱以確保冷卻系統100及/或100'遠離發熱結構之部分之溫度低。來自發熱結構102及/或積體電路103(或其他熱源)之熱已經由熱傳導傳遞至冷卻系統100。當流體行進通過腔室140/150及/或140'/150時，來自冷卻系統100及/或100'(例如冷卻元件120及/或支撐結構170/170')之熱歸因於冷卻元件120之振動運動傳遞至流體。因此，流體之溫度在「孔口出口」位置處大大增加。撞擊在發熱結構102上之流體可將少量額外熱自發熱結構102傳遞至流體。隨著流體繼續行進至出口，僅可移除有限量額外熱。因此，對於低流量曲線圖220，熱主要藉由流動通過冷卻系統100及/或100'之流體傳遞至流體。例如，在一些實施例中，對於在九十攝氏度下操作之發熱結構，進入通風口112/113之室溫流體可在至少七十攝氏度之溫度下離開。在一些此等實施例中，對於在九十攝氏度下操作之發熱結構，進入通風口112/113之室溫流體可在至少七十五至八十攝氏度之溫度下離開。
如在曲線圖210及220中可見，對於冷卻系統100及/或100'在低溫下相對於發熱結構102(高流量)或對於冷卻系統100及/或當100'處於或接近發熱結構102之溫度(低流量)，大量熱可有效地傳遞至流體。另外，由積體電路103產生之大量熱由流體移除。因此，冷卻系統100及/或100'有效地移除低流量及高流量兩者之熱。然而，較高流體流量每單位時間可移除更多熱且導致冷卻系統100及/或100'之部分處於較低溫度。
冷卻系統100及/或100'之效率亦自數學上可見。每單位時間傳遞至流體(其接著在流體離開系統時經移除)之熱量(H)可由以下給 出：H=(dm dt)Cp△T
其中dm/dt係流體之質量流量
Cp係流體之比熱
△T係流體之溫度變化。
流體之溫度變化可分解為：△T=△Tchamber-△TImpingement+△Tjet channel
其中△Tchamber係通過腔室140/150或140'/150之流體溫度變化
△TImpingement係歸因於對發熱結構102之撞擊之流體溫度變化
△Tjet channel係流體行進於噴射通道中時流體溫度變化
因此，對於高流量情況，流體之大部分溫度變化發生在△TImpingement。因此，發熱結構102可經快速冷卻。對於低流量情況，流體之大部分溫度變化發生在△Tchamber。然而，在任一情況下，由冷卻元件120驅動之流體有效地移除由積體電路103及/或發熱結構102產生之熱。例如，在兩者情況下，在室溫下進入之流體在離開系統時可具有至少七十攝氏度之溫度。在一些實施例中(例如，對於較低流量及/或產生之較高熱)，在室溫下進入之流體在離開系統時可具有至少七十五攝氏度之溫度。在一些實施例中，在室溫下進入之流體在離開系統時可具有至少八十攝氏度之溫度。此與利用習知機構(例如風扇)將流體吹過散熱器之習知系統形成對比，其中在室溫下進入之流體可具有不超過四十或五十攝氏度之溫度。因此，在冷卻系統100及/或100'之一些實施例中流體溫度之大變化(例如約四十至五十五攝氏度或更多)指示可使用冷卻系統100及/或100'移除顯著更大量熱。
流體溫度之變化亦在圖2B至圖2G中可見。圖2B至圖2G描繪在各種條件下之冷卻系統100。為簡單起見，僅標記頂板110、冷卻元件120、孔口板130、基座172及發熱結構102。在圖2B至圖2G中，發熱結構具有最高溫度。圖2B描繪在低流量(例如0.015cfm)下不經由傳導熱耦合至發熱結構102之冷卻系統之實施例之熱圖230。例如，將孔口板130連接至發熱結構102之基座172可為絕熱的。圖2C描繪在較高流量(例如0.1cfm)下不經由傳導熱耦合至發熱結構102之冷卻系統之實施例之熱圖240。如自圖2B之熱圖230中可見，一些熱經傳遞至冷卻系統100，而頂板110上方之流體保持冷卻。因此，對於低流量，一些熱經傳遞至冷卻系統100，但未由低流體流量顯著移除。圖2C之熱圖240指示較高流體流量更有效地自冷卻系統100移除熱。因此，冷卻系統100更冷。冷卻系統100上方之流體更一致地冷卻，包含更接近冷卻系統100。
圖2D描繪以低流量(例如0.015cfm)經由傳導(例如，通過具有高導熱率之基座172)熱耦合至發熱結構之冷卻系統100之實施例之熱圖250。圖2E描繪以較高流量(例如0.1cfm)經由傳導(例如，通過具有高導熱率之基座172)熱耦合至發熱結構之冷卻系統之實施例之熱圖260。如自圖2D之熱圖250中可見，大量熱經由通過基座172之熱傳導傳遞至冷卻系統100。因此，孔口板130及冷卻元件120之部分在溫度上接近於發熱結構102。頂板110附近之流體已經加熱一些，而頂板110上方之流體保持冷卻。因此，對於低流量，熱經由傳導傳遞至冷卻系統100，但未由低流體流量顯著移除。圖2E之熱圖260指示較高流體流量更有效地自冷卻系統100移除熱。因此，儘管熱將經由傳導傳遞(如由熱圖250指示)，但冷卻系統100已由流體流冷卻。因此，頂板110、冷卻元件120、孔口板130之大 部分及基座172之部分在熱圖260中之溫度低於熱圖250中之溫度。因此，熱經由傳導自發熱結構102移除(至冷卻系統100)及對流(自冷卻系統100至離開該區域之流體)。
如圖2B至圖2E中可見，當熱耦合至發熱結構時，熱可經由傳導傳遞至冷卻系統100/冷卻元件120。由冷卻元件之振動運動驅動之通過冷卻系統100之流動可有效地自冷卻系統及因此自發熱結構移除熱。
類似地，圖2F及圖2G分別描繪經由傳導熱耦合至發熱結構之冷卻系統之實施例之熱圖270及280。圖2F描繪以較低流量(例如0.05cfm)經由傳導(例如，通過具有高導熱率之基座172)熱耦合至發熱結構之冷卻系統之實施例之熱圖270。圖2G描繪以較高流量(例如0.1cfm)經由傳導(例如，通過具有高導熱率之基座172)熱耦合至發熱結構之冷卻系統之實施例之熱圖260。如圖2F至圖2G中可見，當熱耦合至發熱結構時，熱可經由傳導傳遞至冷卻系統。因此，基座172及孔口板130及冷卻元件120之較大部分在熱圖270中展示為具有較高溫度。另外，熱圖270指示冷卻系統100之最高溫度出現在基座172附近，基座172熱連接至發熱結構102。熱圖280亦指示冷卻系統100之最高溫度出現在基座172附近，基座172熱連接至發熱結構102。然而，頂板110、冷卻元件120及孔口板130之部分已由較高流量冷卻。結構110、120及130之最低溫度接近較高流量。由冷卻元件之振動運動驅動之通過冷卻系統之流動可有效地自冷卻系統及因此自發熱結構移除熱。
因此，冷卻系統100及/或100'可有效地移除所產生之大量熱，同時具有小大小、具有低輪廓及/或低雜訊。因此，可改良採用冷卻系統100及/或100'之各種系統之效能。
圖3A至圖3D描繪類似於主動冷卻系統(例如冷卻系統100)之冷卻系統300A、300B、300C及300D之實施例之平面圖。圖3A至圖3D並非按比例繪製。為簡單起見，僅分別展示冷卻元件320A、320B、320C及320D以及錨固件360A、360B、360C及360D之部分。冷卻元件320A、320B、320C及320D類似於冷卻元件120。因此，用於冷卻元件320A、320B、320C及/或320D之大小及/或材料可類似於用於冷卻元件120之大小及/或材料。錨固件360B、360C及360D類似於錨固件160且由虛線指示。
對於冷卻元件320A及320B，錨固件360A及360B位於中心且分別沿冷卻元件320A及320B之中心軸線延伸。因此，經致動振動之懸臂部分(即懸臂)位於錨固件360A及360B之右側及左側。在一些實施例中，冷卻元件320A及/或320B係連續結構，其兩部分經致動(例如，錨固件360A及360B外部之懸臂部分)。在一些實施例中，冷卻元件320A及/或320B包含單獨懸臂部分，其之各者分別附接至錨固件360A及360B且經致動。冷卻元件320A及320B之懸臂部分因此可經組態以依類似於蝴蝶之翅膀(同相)或蹺蹺板(異相)之方式振動。在圖3A及圖3B中，L係冷卻元件之長度，類似於圖1A至圖1F中所描繪之長度。同樣在圖3A及圖3B中，指示冷卻元件320A及320B之深度P。
在圖3A至圖3B中亦由虛線展示的係壓電323。壓電223用於致動冷卻元件320A及320B。儘管描述於壓電之上下文中，但可利用用於致動冷卻元件320A及320B之另一機構。此等其他機構可在壓電體323之位置處或可位於別處。在冷卻元件320A中，壓電323可固定至懸臂部分或可整合至冷卻元件320A中。進一步言之，儘管壓電323在圖3A及圖3B 中展示為具有特定形狀及大小，但可使用其他組態。
在圖3A中所展示之實施例中，錨固件360A延伸冷卻元件320A之整個深度。因此，冷卻元件320A之周邊之部分經銷釘。冷卻元件320A周邊之未銷釘部分係經歷振動運動之懸臂部分之部分。在其他實施例中，錨固件無需延伸中心軸線之整個長度。在此等實施例中，冷卻元件之整個周邊未經銷釘。然而，此一冷卻元件仍具有經組態以依本文中所描述之方式振動之懸臂部分。例如，在圖3B中，錨固件360B未延伸至冷卻元件320B之周邊。因此，冷卻元件320B之周邊未經銷釘。然而，錨固件360B仍沿冷卻元件320B之中心軸線延伸。冷卻元件320B仍經致動，使得懸臂部分振動(例如類似於蝴蝶之翅膀)。
儘管冷卻元件320A經描繪為矩形，但冷卻元件可具有另一形狀。在一些實施例中，冷卻元件320A之角可為圓形。圖3B之冷卻元件320B具有圓形懸臂部分。其他形狀係可行的。在圖3B中所展示之實施例中，錨固件360B係中空的且包含孔口363。在一些實施例中，冷卻元件320B在錨固件360B之區域中具有孔口。在一些實施例中，冷卻元件320B包含多個部分，使得孔口存在於錨固件360B之區域中。因此，流體可經抽吸通過冷卻元件320B及通過錨固件360B。因此，可使用冷卻元件320B代替頂板，諸如頂板110。在此等實施例中，冷卻元件320B中之孔口及孔口363可依類似於通風口112之方式起作用。進一步言之，儘管冷卻元件300A及300B經描繪為支撐於中心區域中，但在一些實施例中，冷卻元件320A及/或320B之一個懸臂部分可經省略。在此等實施例中，冷卻元件320A及/或320B可被認為在一個邊緣處或附近經支撐或錨定，而至少相對邊緣之至少部分自由地經歷振動運動。在一些此等實施例中，冷卻元件 320A及/或320B可包含經歷振動運動之單一懸臂部分。
圖3C至圖3D描繪類似於主動冷卻系統(諸如冷卻系統100)之冷卻系統300C及300D之實施例之平面圖。為簡單起見，僅分別展示冷卻元件320C及320D以及錨固件360C及360D。冷卻元件320C及320D類似於冷卻元件120。因此，用於冷卻元件320C及/或320D之大小及/或材料可類似於用於冷卻元件120之大小及/或材料。錨固件360A及360D類似於錨固件160且由虛線指示。
對於冷卻元件320C及320D，錨固件360C及360D分別限於冷卻元件320C及320D之中心區域。因此，包圍錨固件360C及360D之區域經歷振動運動。冷卻元件320C及320D因此可經組態以依類似於水母或類似於雨傘之打開/關閉之方式振動。在一些實施例中，冷卻元件320C及320D之整個周邊同相振動(例如，全部一起向上或向下移動)。在其他實施例中，冷卻元件320C及320D之周邊部分異相振動。在圖3C及圖3D中，L係冷卻元件之長度(例如直徑)，類似於圖1A至圖1F中所描繪之長度。儘管冷卻元件320C及320D經描繪為圓形，但冷卻元件可具有另一形狀。進一步言之，可使用壓電(未展示於圖3C至圖3D中)及/或其他機構來驅動冷卻元件320C及320D之振動運動。
在圖3D中所展示之實施例中，錨固件360D係中空的且具有孔口363。在一些實施例中，冷卻元件320D在錨固件360D之區域中具有孔口。在一些實施例中，冷卻元件320D包含多個部分，使得孔口存在於錨點360D之區域中。因此，流體可經抽吸通過冷卻元件320D且通過錨固件360D。流體可通過孔口363離開。因此，冷卻元件320D可用於代替頂板，諸如頂板110。在此等實施例中，冷卻元件320D中之孔口及孔口 363可依類似於通風口112之方式起作用。
冷卻系統(諸如冷卻系統100及/或100')可利用冷卻元件320A、320B、320C、320D及/或類似冷卻元件。此等冷卻系統亦可共用冷卻系統100及/或100'之益處。使用冷卻元件320A、320B、320C、320D及/或類似冷卻元件之冷卻系統可更有效地以高速朝向發熱結構驅動流體。因此，改良發熱結構與移動流體之間的熱傳遞。因為發熱結構經更有效地冷卻，對應裝置可展現改良操作，諸如以更高速度及/或功率操作更長時間。採用冷卻元件320A、320B、320C、320D及/或類似冷卻元件之冷卻系統可適用於其中有限空間可用之較小及/或行動裝置。此等裝置之效能因此可經改良。因為冷卻元件320A、320B、320C、320D及/或類似冷卻元件可以15kHz或更高頻率振動，所以使用者可聽不到與致動冷卻元件相關聯之任何雜訊。若在冷卻元件320A、320B、320C、320D及/或類似冷卻元件之聲及/或結構諧振頻率處或附近驅動，則在操作冷卻系統中使用之功率可顯著降低。冷卻元件320A、320B、320C、320D及/或類似冷卻元件在使用期間可不與板實體接觸，允許更容易地維持諧振。可使用有限額外功率達成經改進、安靜冷卻之益處。因此，可提高併入冷卻元件320A、320B、320C、320D及/或類似冷卻元件之裝置之效能。
圖4描繪可用作主動散熱器之主動冷卻系統400之實施例。圖4並非按比例繪製。為簡單起見，僅展示冷卻系統400之部分。冷卻系統400類似於冷卻系統100。因此，類似組件具有類似標籤。例如，冷卻系統400與類似於積體電路103之積體電路503結合使用。
冷卻系統400包含分別類似於冷卻元件120及支撐結構170之冷卻元件420及支撐結構470。因此，支撐結構470包含具有通風口412 之頂板410、包含孔口432之孔口板430、具有間隙之頂部腔室440、具有間隙之底部腔室450、錨固件460及側壁474，其等分別類似於具有通風口112之頂板110，冷卻元件120、包含孔口132之孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150、錨固件160及側壁174。冷卻元件420由錨固件460在中心支撐，使得冷卻元件420之周邊之至少部分自由振動。在一些實施例中，錨固件460沿冷卻元件420之軸線延伸(例如依類似於錨固件360A及/或360B之方式)。在其他實施例中，錨固件460僅接近冷卻元件420之中心部分(例如類似於錨固件360C及/或360D)。冷卻元件420包含分別類似於懸臂121、錨定區域122及尖端123之懸臂421、錨定區域422及尖端423。在一些實施例中，冷卻元件420可類似於冷卻元件120'。支撐結構470亦包含類似於基座172之基座472。然而，在所展示之實施例中，基座572經整合至類似於發熱結構102之散熱器或均熱板中。
側壁474亦包含孔口476。在所展示之實施例中，側壁474包含孔口476且孔口板430包含孔口432。在一些實施例中，孔口板430沒有孔口或虎鉗。儘管孔口476經展示為平行於孔口板430之表面定向，但在一些實施例中，孔口476可具有不同定向。孔口476允許流體繞冷卻元件420流動，但不允許流過發熱結構402。因此，在冷卻系統400中，熱可自發熱結構402傳遞至基座472、冷卻元件420及冷卻系統400之其他組件。
亦展示於圖4中的係發熱結構402與積體電路403之間的額外散熱器405。因此，冷卻系統無需直接安裝至作為熱源之組件403。在其他實施例中，可省略散熱器405。
冷卻系統400依類似於冷卻系統100之方式操作。冷卻系統 400因此共用冷卻系統100之益處。因此，可改良採用冷卻系統400之裝置之效能。因為基座472具有整合散熱器，所以熱可更有效地自積體電路403傳遞至系統400。接著熱可由冷卻元件420驅動通過系統400之流體移除。因此，可提高效能。
圖5描繪可用作主動散熱器之主動冷卻系統500之實施例。圖5並非按比例繪製。為簡單起見，僅展示冷卻系統500之部分。冷卻系統500類似於冷卻系統100。因此，類似組件具有類似標籤。例如，冷卻系統500與類似於積體電路103之積體電路503結合使用。
冷卻系統500包含分別類似於冷卻元件120及支撐結構170之冷卻元件520及支撐結構570。因此，支撐結構570包含具有通風口512之頂板510、包含孔口532之孔口板530、具有間隙之頂部腔室540、具有間隙之底部腔室550、錨固件460及側壁574，其等分別類似於具有通風口112之頂板110、冷卻元件120、包含孔口132之孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150、錨固件160及側壁174。冷卻元件520由錨固件560在中心支撐，使得冷卻元件520之周邊之至少部分自由振動。在一些實施例中，錨固件560沿冷卻元件520之軸線延伸(例如依類似於錨固件360A及/或360B之方式)。在其他實施例中，錨固件560僅接近冷卻元件520之中心部分(例如類似於錨固件360C及/或360D)。
支撐結構570亦包含類似於基座172之基座572。然而，在所展示之實施例中，基座572經整合至類似於發熱結構102之散熱器或均熱板中。
冷卻系統500依類似於冷卻系統100之方式操作。冷卻系統500因此共用冷卻系統100之益處。因此，可改良採用冷卻系統500之裝置 之效能。因為基座572具有整合散熱器，所以熱可更有效地自積體電路503傳遞至系統500。接著熱可由冷卻元件520驅動通過系統500之流體移除。因此，可提高效能。
圖6描繪可用作主動散熱器之主動冷卻系統600之實施例。圖6並非按比例繪製。為簡單起見，僅展示冷卻系統600之部分。冷卻系統600類似於冷卻系統100及/或500。因此，類似組件具有類似標籤。例如，冷卻系統600與類似於積體電路103之積體電路603結合使用。
冷卻系統600包含分別類似於冷卻元件120及支撐結構170之冷卻元件620及支撐結構670。因此，支撐結構670包含具有通風口612之頂板610、包含孔口632之孔口板630、具有間隙之頂部腔室640、具有間隙之底部腔室650、錨固件660及側壁674，其等分別類似於具有通風口112之頂板110、冷卻元件120、包含孔口132之孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150、錨固件160及側壁174。冷卻元件620由錨固件660在中心支撐，使得冷卻元件620之周邊之至少部分自由振動。在一些實施例中，錨固件660沿冷卻元件620之軸線延伸(例如依類似於錨固件360A及/或360B之方式)。在其他實施例中，錨固件660僅接近冷卻元件620之中心部分(例如類似於錨固件360C及/或360D)。
支撐結構670亦包含類似於基座172之基座672。然而，在所展示之實施例中，基座672經由傳導直接熱耦合至積體電路103。
冷卻系統600依類似於冷卻系統100之方式操作。冷卻系統600因此共用冷卻系統100之益處。因此，可改良採用冷卻系統600之裝置之效能。因為基座672直接熱連接至積體電路603，所以熱可經由傳導更有效地自積體電路603傳遞至系統600。接著可通過由冷卻元件620驅動通 過冷卻系統600之流體移除熱。因此，可提高效能。
圖7描繪可用作主動散熱器之主動冷卻系統700之實施例。圖7並非按比例繪製。為簡單起見，僅展示冷卻系統700之部分。冷卻系統700類似於冷卻系統100、500及/或600。因此，類似組件具有類似標籤。例如，冷卻系統700與類似於積體電路103之積體電路703結合使用。
冷卻系統700包含分別類似於冷卻元件120及支撐結構170之冷卻元件720及支撐結構770。因此，支撐結構770包含具有通風口712之頂板710、底板730、具有間隙之頂部腔室740、具有間隙之底部腔室750、錨固件760、基座772及側壁774，其等分別類似於具有通風口112之頂板110、冷卻元件120、孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150、錨固件160、基座172及側壁174。冷卻元件720由錨固件760在中心支撐，使得冷卻元件720之周邊之至少部分自由振動。在一些實施例中，錨固件760沿冷卻元件720之軸線延伸(例如依類似於錨固件360A及/或360B之方式)。在其他實施例中，錨固件760僅接近冷卻元件720之中心部分(例如類似於錨固件360C及/或360D)。
底板730類似於孔口板130，但其中沒有孔口。相反，展示側壁774中之孔口732。因此，流體在不同於朝向發熱結構702之另一方向上噴射。因此，冷卻系統700可不經由撞擊來冷卻發熱結構702。然而，冷卻系統700仍可冷卻發熱結構702及積體電路703。因此，來自發熱結構702之熱經由通過基座772之傳導經傳遞至冷卻系統700，且由由冷卻元件720之振動運動驅動之冷卻系統700中之流體移除。
冷卻系統700依類似於冷卻系統100之方式操作。冷卻系統700因此共用冷卻系統100之益處。因此，可改良採用冷卻系統700之裝置 之效能。例如，可在靜態行為下有效地傳遞熱。因此，可增強效能。
圖8描繪可用作主動散熱器之主動冷卻系統800之實施例。圖8並非按比例繪製。為簡單起見，僅展示冷卻系統800之部分。冷卻系統800類似於冷卻系統100、500、600及/或700。因此，類似組件具有類似標籤。例如，冷卻系統800與類似於積體電路803之積體電路803結合使用。
冷卻系統800包含分別類似於冷卻元件120及支撐結構170之冷卻元件820及支撐結構870。因此，支撐結構870包含具有通風口812之頂板810、底板830、具有間隙之頂部腔室840、具有間隙之底部腔室850、錨固件860及側壁874，其等分別類似於具有通風口112之頂板110、冷卻元件120、孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150、錨固件160及側壁174。冷卻元件820由錨固件860在中心支撐，使得冷卻元件820之周邊之至少部分自由振動。在一些實施例中，錨固件860沿冷卻元件820之軸線延伸(例如依類似於錨固件360A及/或360B之方式)。在其他實施例中，錨固件860僅接近冷卻元件820之中心部分(例如類似於錨固件360C及/或360D)。
冷卻系統800最類似於冷卻系統700。因此，底板830類似於孔口板130，但其中沒有孔口。相反，展示側壁874中之孔口832。因此，流體在不同於朝向發熱結構802之另一方向上噴射。因此，冷卻系統800可不經由撞擊來冷卻發熱結構802。進一步言之，底座已經移除。因此，底板830直接連接至發熱結構802。在一些實施例中，發熱結構可經移除，允許底板830直接耦合至積體電路。因此，來自發熱結構802之熱經由通過底板830之傳導傳遞至冷卻系統800且由由冷卻元件820之振動運 動驅動之冷卻系統800中之流體移除。
圖9描繪可用作主動散熱器之主動冷卻系統900之實施例。圖9並非按比例繪製。為簡單起見，僅展示冷卻系統900之部分。冷卻系統900類似於冷卻系統100、500、600、700及/或800。因此，類似組件具有類似標籤。例如，冷卻系統900與類似於積體電路903之積體電路803結合使用。
冷卻系統900包含分別類似於冷卻元件120及支撐結構170之冷卻元件920及支撐結構970。因此，支撐結構970包含具有通風口912之頂板910、其中具有孔口932之孔口板930、具有間隙之頂部腔室940、具有間隙之底部腔室950、錨固件960、基座972及側壁974，其等分別類似於具有通風口112之頂板110、冷卻元件120、具有孔口132之孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150、錨固件160、基座172及側壁174。冷卻元件920由錨固件960在中心支撐，使得冷卻元件920之周邊之至少部分自由振動。在一些實施例中，錨固件960沿冷卻元件920之軸線延伸(例如依類似於錨固件360A及/或360B之方式)。在其他實施例中，錨固件960僅接近冷卻元件920之中心部分(例如類似於錨固件360C及/或360D)。
孔口板930確實包含孔口932(在圖9中展示為虛線)。然而，孔口932不引導流體撞擊發熱結構902。因此，流體在不同於朝向發熱結構902之另一方向上噴射。在所展示之實施例中，流體可在實質上垂直於頁面平面之方向上自底部腔室950驅出。因此，冷卻系統900可不經由撞擊冷卻發熱結構902。然而，冷卻系統900仍可冷卻發熱結構902及積體電路903。
已描述各種冷卻系統100、100'、400、500、600、700、800及/或900且突出特定特徵。冷卻系統100、100'、400、500、600、700、800及/或900之各種特性可依本文未明確描述之方式組合。
圖10A至圖10B描繪包含組態為瓦片之多個冷卻單元之主動冷卻系統1000之實施例。圖10A描繪俯視圖，而圖10A描繪側視圖。圖10A至圖10B並非按比例繪製。冷卻系統1000包含四個冷卻單元1001，其類似於本文中所描述之冷卻系統之一或多者，諸如冷卻系統100及/或400。儘管展示2x2組態之四個冷卻單元1001，但在一些實施例中，可採用冷卻單元1001之另一數目及/或另一組態。在所展示之實施例中，冷卻單元1001包含具有孔1012之共用頂板1010、冷卻元件1020、包含孔口1032之共用孔口板1030、頂部腔室1040、底部腔室1050、基座1072、側壁1074及錨固件1060，其等類似於具有通風口112之頂板110、冷卻元件120、具有孔口132之孔口板130、頂部腔室140、底部腔室150、基座172、側壁174及錨固件160。儘管展示底部錨固件1060，但在其他實施例中可使用頂部錨固件。在所展示之實施例中，冷卻元件1020經異相驅動(即依類似於蹺蹺板之方式)。進一步言之，一個單元中之冷卻元件1020與相鄰單元中之冷卻元件異相驅動。
冷卻系統1000之冷卻單元1001依類似於冷卻系統100及/或400之方式起作用。因此，本文中所描述之益處可由冷卻系統1000共用。因為附近單元中之冷卻元件異相驅動，所以可減少冷卻系統1000中之振動。因為使用多個冷卻單元1001，所以冷卻系統1000可享有增強冷卻能力。
圖11描繪包含多個冷卻單元1101之冷卻系統1600之實施例 之俯視圖。圖11並非按比例繪製。冷卻單元1101類似於本文中所描述之冷卻系統之一或多者，諸如冷卻系統100及/或100'。如冷卻系統1100中所指示，冷卻單元1101可以所需大小及組態之二維陣列配置。在一些實施例中，冷卻系統1100可被視為由多個瓦片160組成。因此，可達成所需冷卻功率及組態。
圖12係描繪用於操作冷卻系統之方法1200之例示性實施例之流程圖。方法1200可包含為簡單起見未描繪之步驟。在壓電冷卻系統100之上下文中描述方法1200。然而，方法1200可與其他冷卻系統一起使用，包含(但不限於)本文中所描述之系統及單元。
在1202處，致動冷卻系統中之冷卻元件之一或多者以振動。在1202處，具有所需頻率之電信號用於驅動冷卻元件。在一些實施例中，在1202處以或接近結構及/或聲諧振頻率驅動冷卻元件。驅動頻率可為15kHz或更高。若在1202處驅動多個冷卻元件，則可異相驅動冷卻元件。在一些實施例中，冷卻元件實質上以180度異相驅動。進一步言之，在一些實施例中，異相驅動個別冷卻元件。例如，可驅動冷卻元件之不同部分在相反方向上振動(即類似於蹺蹺板)。在一些實施例中，可同相驅動個別冷卻元件(即類似於蝴蝶)。另外，驅動信號可提供至錨固件、冷卻元件或錨固件及冷卻元件兩者。進一步言之，錨固件可經驅動彎曲及/或平移。
在1204處，來自壓電冷卻元件之反饋用於調整驅動電流。在一些實施例中，調整用於將頻率保持在或接近冷卻元件及/或冷卻系統之聲及/或結構諧振頻率。特定冷卻元件之諧振頻率可漂移，例如歸因於溫度變化。在1204處進行之調整允許考慮諧振頻率之漂移。
例如，壓電冷卻元件120可在1202處以其結構諧振頻率驅動。此諧振頻率亦可處於或接近頂部腔室140之聲諧振頻率。此可藉由驅動錨固件160(未展示於圖1A至圖1F中)中之壓電層及/或冷卻元件120中之壓電層來達成。在1204處，反饋用於維持冷卻元件120處於諧振，且在其中多個冷卻元件經驅動之一些實施例中，相位相差一百八十度。因此，可維持冷卻元件120驅動流體流過冷卻系統100且流動至發熱結構102上之效率。在一些實施例中，1204包含對通過冷卻元件120之電流及/或通過錨固件160之電流進行採樣且調整電流以維持諧振及低輸入功率。
因此，冷卻系統(諸如冷卻系統100、100'、400、500、600、700、800及/或900)可如上文所描述操作。因此，方法1200提供本文中所描述之壓電冷卻系統之使用。因此，壓電冷卻系統可以較低功率更有效及安靜地冷卻半導體裝置。
儘管為清楚理解之目的已對前述實施例進行一些詳細，但本發明不限於所提供之細節。存在許多實施本發明之替代方式。所揭示之實施例係繪示性的而非限制性的。
100:主動冷卻系統
102:發熱結構
103:積體電路
110:頂板
112:通風口
120:冷卻元件
121:懸臂
122:錨定區域
123:尖端
130:孔口板
132:孔口
140:頂部腔室
142:間隙
150:底部腔室
152:間隙
160:錨固件
170:支撐結構
172:基座
174:側壁
a:寬度
C:長度
d:距離
h1:高度
h2:高度
L:長度
r1:距離
r2:距離
s:孔口間距
t:厚度
w:寬度

Claims (21)

  1. 一種冷卻系統，其包括：冷卻元件，其具有第一側及與該第一側相對之第二側，該冷卻元件經組態以當經致動以將流體自該第一側驅動至該第二側時經歷振動運動；及支撐結構，其經由熱傳導將該冷卻元件熱耦合至發熱結構；其中該冷卻元件具有中心區域及周邊，且其中該支撐結構進一步包含：錨固件，其經組態以在該中心區域處支撐該冷卻元件，該周邊之至少部分自由經歷該振動運動。
  2. 如請求項1之系統，其中該支撐結構進一步包含：底板；及複數個側壁，在其中形成腔室，該冷卻元件位於該腔室中，該底板及該複數個側壁之至少一者在其中具有複數個孔口，該冷卻元件經致動以驅動該流體通過該複數個孔口。
  3. 如請求項2之系統，其中該振動運動驅動該流體，使得離開該複數個孔口之該流體具有至少每秒三十米之速度。
  4. 如請求項2之系統，其中該支撐結構進一步包括：頂板，在其中具有至少一個通風口，該冷卻元件位於該頂板與該發 熱結構之間，在該冷卻元件與該頂板之間形成頂部腔室且在該冷卻元件與該底板之間形成底部腔室。
  5. 如請求項1之系統，其中該冷卻元件經組態以使得該振動運動驅動該流體進入在遠離該發熱結構之該支撐結構中之一通風口，且提供至少0.05立方英尺每分鐘之該流體之一流量，使得進入該通風口之該流體具有至少比該流體流出該系統之溫度低攝氏四十度之一溫度。
  6. 如請求項1之系統，其進一步包括：散熱器，其與該支撐結構整合，該散熱器經由熱傳導熱耦合至該支撐結構及該發熱結構。
  7. 如請求項6之系統，其中該支撐結構經組態使得離開複數個孔口之至少部分之該流體撞擊在該散熱器上以自該散熱器提取熱，該散熱器經由熱傳導自該發熱結構提取熱。
  8. 如請求項1之系統，其中該冷卻元件經組態使得由該振動運動驅動之該流體自該冷卻元件提取熱。
  9. 如請求項1之系統，其中該支撐結構進一步包含：基座，其導熱地耦合至該發熱結構。
  10. 如請求項1之系統，其中該發熱結構選自包含積體電路、電池、散熱 器及均熱板之一群組。
  11. 一種主動散熱器，其包括：複數個冷卻單元，該複數個冷卻單元之各者包含冷卻元件、其中具有至少一個通風口之頂板、底板、在其中形成腔室之複數個側壁及錨固件，該冷卻元件位於該頂板與該底板之間的該腔室中，該底板及該複數個側壁之至少一者在其中具有複數個孔口，該冷卻元件經致動以經歷振動運動以驅動流體通過該複數個孔口；及支撐結構，其與該複數個冷卻單元整合且經由熱傳導將該冷卻元件熱耦合至發熱結構；其中該冷卻元件具有中心區域及周邊，且其中該支撐結構進一步包含：錨固件，其用於該複數個冷卻元件之各者，該錨固件經組態以在該中心區域處支撐該冷卻元件，該周邊之至少部分自由經歷該振動運動。
  12. 如請求項11之主動散熱器，其中該冷卻元件經組態以使得該振動運動驅動該流體進入在遠離該發熱結構之該支撐結構中之一通風口，且提供至少0.05立方英尺每分鐘之該流體之一流量，使得進入該通風口之該流體具有至少比該流體流出該主動散熱器之溫度低攝氏四十度之一溫度。
  13. 如請求項11之主動散熱器，其進一步包括：散熱器，其與該支撐結構整合，該散熱器經由熱傳導熱耦合至該支撐結構及該發熱結構。
  14. 如請求項11之主動散熱器，其中該冷卻元件經組態使得由該振動運動驅動之該流體自該冷卻元件提取熱。
  15. 如請求項11之主動散熱器，其中該支撐結構進一步包含：基座，其導熱地耦合至該發熱結構。
  16. 如請求項11之主動散熱器，其中該發熱結構選自包含積體電路、電池、散熱器及均熱板之一群組。
  17. 一種冷卻發熱結構之方法，其包括：驅動冷卻元件以引起一定頻率之振動運動，該冷卻元件具有第一側及與該第一側相對之第二側，該冷卻元件經組態以當經致動以將流體自該第一側驅動至該第二側時經歷振動運動，該冷卻元件由支撐結構熱耦合至該發熱結構，該支撐結構經由熱傳導將該冷卻元件熱耦合至該發熱結構；其中該冷卻元件具有中心區域及周邊，且其中該支撐結構進一步包含：錨固件，其用於該複數個冷卻元件之各者，該錨固件經組態以在該中心區域處支撐該冷卻元件，該周邊之至少部分自由經歷該振動運動。
  18. 如請求項17之方法，其中該頻率對應於該冷卻元件之結構諧振且其中該頻率亦對應於其中該冷卻元件所在之腔室之至少部分之聲諧振。
  19. 如請求項17之方法，其中該冷卻元件係複數個冷卻元件之一者，且 其中該驅動進一步包含：驅動該複數個冷卻元件以在該複數個冷卻元件之各者中引起該振動運動，該複數個冷卻元件之各者經由熱傳導熱耦合至該發熱結構。
  20. 如請求項17之方法，其中散熱器與該支撐結構整合，該散熱器熱耦合至該發熱結構。
  21. 如請求項17之方法，其中該冷卻元件係為一主動散熱器之部分，該冷卻元件經組態以使得該振動運動驅動該流體進入在遠離該發熱結構之該支撐結構中之一通風口，且提供至少0.05立方英尺每分鐘之該流體之一流量，使得進入該通風口之該流體具有至少比該流體流出該主動散熱器之溫度低攝氏四十度之一溫度。
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