多孔分散器辅助的射流和喷雾冲击冷却系统的制作方法

多孔分散器辅助的射流和喷雾冲击冷却系统
1.相关申请的交叉引用
2.本pct国际专利申请要求于2019年12月13日提交的、标题为“porous spreader assisted jet and spray impingement cooling systems(多孔分散器辅助的射流和喷雾冲击冷却系统)”的序列号为62/947,954的美国临时专利申请的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容通过参引并入本文中。
技术领域
3.本公开总体上涉及用于从热源去除热的冷却模块。更具体地说，本公开涉及用于冷却电力电子装置的冷却模块。


背景技术：

4.废热的有效去除和管理在跨多个行业的各种应用中具有至关重要的意义，包括但不限于汽车、航空航天、微型电子、材料加工、太阳能和可再生能源发电、电池、照明、数据中心、干燥、医疗保健(诊断)和冷藏。对集中目标或热点、比如在这种应用中使用的高密度电子模块进行高效且具有成本效益的冷却一直是持续且重大的挑战。对小型化的持续努力还导致每单位面积耗散的热能(或损失、比如在大功率电子设备中的损失)不可避免地且大幅地增加，并且因此有必要开发新的且更有效的热管理策略。单相射流和喷雾冲击冷却方案已被广泛认为是解决这种系统的冷却要求的潜在候选方案，但对于在包括电动汽车马达驱动器之类的许多应用中常见的数100s w/cm2量级的大的热通量来说仍然是不够的。具有相变的射流和喷雾冷却能够有助于提高整体冷却性能，但会受到各种系统的流体不相容性的影响，或者通常伴随着流体压降增加或泵送工作/能量上的增加。


技术实现要素：

5.提供了一种冲击冷却系统。冲击冷却系统包括：多孔热分散器，该多孔热分散器与热源热接触；以及喷嘴，该喷嘴构造成将流体引导为冲击在多孔热分散器上的射流或喷雾。
附图说明
6.本发明的设计的其他细节、特征和优点从参照相关附图对实施方式示例的以下描述中得到。
7.图1呈现了根据本公开的各方面的冷却系统的示意性剖切侧视图；
8.图2a至图2c是具有用于根据本公开的各方面的各种不同的多孔材料的热分散器模式的冷却系统的剖视图；
9.图3是根据本公开的各方面的具有带三种不同类型的喷嘴的冲击流体系统的冷却系统的立体图；
10.图4a是根据本公开的各方面的空间上不均匀的多孔热分散器的俯视图，其覆盖有示出了热分散器的孔隙率作为径向位置的函数的曲线图；
11.图4b是根据本公开的各方面的包括空间上不均匀的多孔热分散器的冷却系统的立体图；
12.图5a至图5d呈现了根据本公开的各方面的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冷却系统具有对应的代表性类型的单组分、多组分单相和多相多孔分散器射流和喷雾冲击冷却系统；
13.图6a至图6f呈现了根据本公开的各方面的具有各种冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板正交的单个冲击流；
14.图7a至图7f呈现了根据本公开的各方面的具有各种冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板正交的多个冲击流；
15.图8a至图8f呈现了根据本公开的各方面的具有各种不同的冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板成倾斜角度的单个冲击流；
16.图9a至图9f呈现了根据本公开的各方面的具有各种不同的冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板成倾斜角度的多个冲击流；以及
17.图10是比较了各种冷却系统的预测努塞尔数的图表，每个冷却系统具有单相射流冲击热传递。
具体实施方式
18.在附图中重复的特征利用相同的附图标记来标记，在附图中，公开了用于从电路板上的一个或更多个热源、比如电力电子装置中移除热的冷却系统20的示例实施方式。这种冷却系统20在热管理很重要并且需要在宽范围的温度和条件下操作的汽车应用中可能是特别有用的。本主题的冷却系统20可以用于例如冷却用于发动机、变速器、音频装置/视频装置、hvac装置和/或另一车辆部件的电子控制器中的热源。本主题的冷却系统20可以特别适合于采用氮化镓和/或碳化硅开关的新一代电力转换器，这些新一代电力转换器具有相对较小的形状因子并且其产生的热量所集中的位置可以是精确已知的。
19.尽管现有的冷却技术解决了热传递系数的最大化以提高冷却性能，但是要付出一定的代价，可以提高性能的另一方面是使可用表面积最大化。这可以通过使用传导性多孔结构、比如开孔泡沫或纤维介质作为被动热分散器来实现。在这种多孔介质的微观结构的可制造性和定制方面的最新进展似乎是一种很有前途的技术，可以利用该技术使它们与射流或喷雾一起工作，以显着提高热管理系统的整体冷却性能。本公开的目的是提供这种新颖的热去除或热管理系统的设计，该系统结合了涉及射流或喷雾的单相或多组分和多相(沸腾或蒸发相变)冷却方法的优点以及导热、结构刚性、但高度开放(高孔隙率)的多孔热分散器的优点。
20.在若干应用中对高(空间)密度热源进行有效冷却一直是持续的挑战。多年来，有若干技术试图解决这个问题，并且已经在优化热管理系统方面取得了进展。与其他强制对流冷却方案相比，冲击冷却系统具有独特的优势，这是因为在冲击停滞区域中和在冲击停滞区域周围获得了显着更高的热传递系数。由于通过潜热交换去除的额外热量以及在沸腾过程期间相关的其他相关机制，通过冲击液体的沸腾/冷凝引入相变还有助于热传递增强。在其他情况下，据报道，如果经过细心加工以具有高孔径和大比表面积，则高度多孔(80％至90％或更大的孔隙率)表现为出色的热分散器。然而，从这些技术中的任一种技术单独获
得的热传递性能的提高很容易被冷却系统的复杂性或相关的压力下降所抵消。冲击冷却系统中高传导性开放式多孔热分散器的存在不仅期望将与单独系统中的每个系统相关的热传递增强方面的优势附加地组合，而且还具有组合的冷却技术所独有的其他有益特性。这些有益特性中的一些有益特性包括在冲击流期间壁射流区域中的流动湍流显着增加，该壁射流区域为热传递性能远低于停滞点处的热传递性能的区域。除了显着增加整体热传递率外，这还有助于减少整体泵送工作和使用的冷却剂。此外，例如在停滞区域具有低孔隙率以及在停滞点下游具有精心加工的孔隙率的空间变化的多孔分散器可以进一步充分组合下游湍流水平增加的优势和相对未受干扰的冲击射流下的高停滞热传递系数的优势。对于喷雾冲击系统，多孔分散器的存在还增加了能够用于冷却或蒸发的总表面积，以使系统的质量或重量略有增加，从而提高了这种紧凑型冷却模块的整体热传递性能。
21.本公开提供了一种冷却系统20形式的混合热管理系统，该冷却系统20涉及冲击冷却和多孔热分散器。在下面列出并用示意图图示出了两个构成实体的各种组合。
22.图1示出了也可以被称为冷却模块20的示例性冷却系统20，冷却系统20具有导热材料、比如金属的基板22。基板22也可以被称为冲击板22，特别是在流体被引导成直接冲击基板的情况下可以被称为冲击板22。基板22限定了与一个或更多个热源10热传导连通的第一表面24。如图1中所示，热源10可以与基板22直接物理接触。替代性地，导热装置和/或物质可以在热源10与基板22之间延伸。例如，可以使用导热膏来增强热源10与基板22之间的热传导。诸如热管之类的其他装置可以在热源10与基板22之间传递热量，从而允许第一热源10与基板22物理地间隔开。热源10可以是半导体开关，比如基于si、sic和/或gan的装置。热源10也可以是其他装置，比如例如电容器、电感器和/或变压器。基板22还限定了与第一表面24相反的第二表面26，并且构造成将来自第一热源10的热量传递通过基板22并且传递到与第二表面26接触的流体中。换句话说，第一基板22优选地由相对薄的片材形成，该片材足够厚以保持结构刚度，但是足够薄以使热直接通过第一基板22在第一表面24与第二表面26之间有效地传导。
23.在一些实施方式中，壳体、比如也可以被称为顶板28的限制板28覆盖在基板22上并且在限制板28与基板22的第二表面26之间限定有腔室30。在其他实施方式中，可以不使用这种限制板28。例如，本公开的冷却设备可以设置在更大的壳体内，或者冷却设备可以是不受限制的并且暴露于环境大气中。喷嘴32a、32b、32c与流体供应导管36流体连通以用于将冷却流体接纳到冷却系统20中。一个或更多个出口36构造成用于将流体排出腔室30。如图1的示例中所示，一个或更多个出口36可以在限制板28与基板22之间延伸。替代性地或附加地，一个或更多个出口36主要包括通过限制板28和/或基板22中的任一者或两者的通道。喷嘴32a、32b、32c构造成将冷却流体的冲击流作为射流和/或喷雾引导到多孔热分散器40上，该多孔热分散器40设置在腔室30内并与热源10热连通。
24.在一些实施方式中，并且如图1中所示，多孔热分散器40设置在基板22的第二表面26上直接与一个或更多个热源10对向。在一些实施方式中，一个或更多个热源10可以设置在腔室30内。例如，热源10中的一者或更多者可以浸没在冷却流体中。
25.在一些实施方式中，冷却系统20仅具有一个喷嘴32a、32b、32c。替代性地，冷却系统20可以具有两个或更多个喷嘴32a、32b、32c。在一些实施方式中，多孔热分散器40由导热材料制成，比如由金属、金属合金、碳/石墨和/或陶瓷制成。在一些实施方式中，多孔热分散
器40包括多孔介质，该多孔介质是纤维、泡沫、针翅矩阵(pin-fin matrix)或非结构化的(unstructred)。然而，多孔热分散器40可以由任何多孔材料制成。
26.在一些实施方式中，喷嘴32a、32b、32c构造成将流体引导为射流，该射流包括单一组分的液体或气体(包括空气)或液体混合物，比如水-乙二醇或其他一种或更多种冷却剂。替代性地或附加地，喷嘴32a、32b、32c可以构造成将流体引导为喷雾，该喷雾包括单一组分的液体或气体(比如空气)或液体混合物，比如水-乙二醇或其他一种或更多种冷却剂。
27.在一些实施方式中，喷嘴32a、32b、32c构造成将流体引导为射流或喷雾，该射流或喷雾包括处于非相变模式或处于蒸发/沸腾相变模式的流体。冷却系统20可以构造成使得全部或部分冷却流体在多孔热分散器40上或在多孔热分散器40内经历从液体到气体的相变。例如，冷却剂可以包括在接触多孔热分散器40时容易经历从液体到气体的相变的制冷剂，从而从中去除热量。在一些实施方式中，冷却系统20可以在冷却剂容易经历从液体到气体的相变的范围内的温度和/或压力下操作。例如，在冷却剂包括水的情况下，冷却系统20可以在大气压下或接近大气压下操作，并且多孔热分散器40处于高于100℃的温度。对于需要较低操作温度的应用，可以使用不同的冷却剂、比如r134或r410a制冷剂。
28.在一些实施方式中，喷嘴32a、32b、32c构造成将流体以正交的方式引导至冲击板、比如基板22的第二表面26。在一些实施方式中，喷嘴32a、32b、32c构造成将流体以倾斜的角度引导至冲击板、比如基板22的第二表面26。
29.在一些实施方式中，热源10与流体和多孔热分散器40直接接触。换句话说，冷却系统20可以使用直接浸没冷却来使热源10冷却。替代性地或附加地，热源10可以通过诸如基板22之类的导热分隔件与流体和多孔热分散器40分隔开。换句话说，冷却系统20可以使用间接浸没冷却来使热源10冷却。
30.在一些实施方式中，多孔热分散器40在空间上是均匀的和各向同性的。换句话说，多孔热分散器40可以具有在两个或更多个正交方向的每个正交方向上是均匀或一致结构的结构。例如，多孔热分散器40可以包括具有一致宏观结构的泡沫。替代性地，多孔热分散器40可以是各向异性的。例如，多孔热分散器40可以具有空间变化的微观结构和/或孔隙率。在一些实施方式中，多孔热分散器40具有整体式结构。
31.在一些实施方式中，冷却系统20包括多个离散的多孔热分散器40，离散的多孔热分散器40中的每个多孔热分散器构造成从单个共用的热源10传导热量。例如，多孔热分散器40可以全部安装在单个共用的热源10上或以其他方式与单个共用的热源10热相关。替代性地，离散的多孔热分散器40中的每个多孔热分散器可以构造成从多个独立的热源10传导热量。例如，多孔热分散器40中的每个多孔热分散器可以安装在一个或更多个对应的热源10上或以其他方式与一个或更多个对应的热源10热相关。在一些实施方式中，在多孔热分散器40与热源10之间可以存在一对一的对应关系。替代性地，热源10中的两个或更多个热源可以与热分散器40中的单个共用的热分散器相关联。替代性地或附加地，热分散器40中的两个或更多个热分散器可以与热源10中的单个共用的热源相关联。
32.在一些实施方式中，并且如例如在图1中所示，多孔热分散器40可以安装在围封件、比如腔室30内。替代性地，多孔热分散器40可以安装在至少部分地暴露于环境大气的完全或部分限制的布置结构内。在一些实施方式中，多孔热分散器40可以具有完全暴露于环境大气的完全无限制的布置结构。
33.本公开提供了一种具有多孔热分散器40的射流冲击系统，在该射流冲击系统中，具有已知流速和温度的流体(气体、液体或液体混合物)流过导管(或入口歧管)并通过特定形状(比如圆形、椭圆形、正方形、矩形圆柱体或圆锥/截头锥体)的一个或更多个喷嘴32a、32b、32c进入冷却模块并通过多孔热分散器(针翅矩阵、纤维、泡沫或非结构化)冲击到底板上。喷雾冷却可以在初级流体的给定平均质量流率下操作，或仅使用雾化流体操作，该雾化流体在其朝向冲击板22的运动期间可能会夹带一些初级(或周围)流体与之一起。系统20可以在不同的限制模式下操作，包括完全限制(顶板28在喷嘴32a、32b、32c的出口的水平处或附近)、部分限制(一个或更多个喷嘴32a、32b、32c朝向热分散器40部分地穿透)以及无限制(无顶板28)模式。射流喷嘴32a、32b、32c可以定向成与基板和多孔热分散器正交(垂直)或成任意角度。在多射流冲击条件下，喷嘴32a、32b、32c可以各自以与基板22成不同的角度操作。在直接浸没冷却中，热源10或需要被冷却的部件与多孔分散器40和冷却流体直接接触。在间接浸没冷却中，传导性基板22将热源10与冷却剂隔开，并且多孔分散器40安装在基板上。为了使热源的阵列或矩阵冷却，多个射流中的单个射流可以与安装在受热区域中的每个受热区域上的单个多孔热分散器或单独的多孔热分散器或离散的多孔热分散器组结合使用。多孔热分散器可以旋拧、焊接、焊合、钎焊至基板或热源或使用适当的(导热)粘合剂铺设在基板或热源上。在单相冷却中，否则将在热源区域周围集中的热负荷通过多孔介质中的传导而被分散，并损失到冷却剂中。在过冷或饱和冲击沸腾条件下，多孔介质会产生额外的成核位置并提高潜热交换(通过蒸发)，同时增强其他沸腾机制、比如瞬态淬火(单相对流热传递至离开的气泡的空隙)。高度开放(高孔隙率)的多孔介质的存在还有助于提高靠近热源的湍流水平，并且因此增强对流热传递。流体(或在沸腾条件下与蒸汽一起)通过沿着基板放置的一个或更多个出口平行于喷嘴32a、32b、32c，或以另一适当的取向离开冷却模块，以通过热交换器和冷凝器(用于两相冷却)被再循环(在液体冷却的情况下)，或损失到周围环境中(在空气冷却的情况下)。取决于在两相冷却模式中的操作期间入口流体的温度，可能需要或可能不需要冷凝器。在入口流体基本过冷的程度下，在多孔热分散器、基板或热源上形成的气泡可以冷凝成自由流，并且可能需要热交换器将流体循环回喷射导管和喷嘴32a、32b、32c。对于地面应用，冷却模块20可以使用沿着重力方向(即，直地向上或直地向下)定向或与重力方向成角度地定向的射流操作，并且对于微重力和空间应用，可以以任何任意定向的射流操作。
34.本公开还提供了具有多孔热分散器40的喷雾冲击系统，在该喷雾冲击系统中，一对流体涉及初级(载体)流体、通常为气体(或者在某些情况下为液体)和另一部分或完全不混溶材料(液体或液体混合物)的次级(分散)流体。具有已知流速和温度的初级流体流过导管(或连接至多个喷嘴32a、32b、32c的入口歧管)并通过特定形状(比如圆形、椭圆形、正方形、矩形圆柱体或圆锥/截头锥体)的一个或更多个喷嘴32a、32b、32c进入冷却模块并通过多孔热分散器(针翅矩阵、纤维、泡沫或非结构化)冲击到底板上。具有已知流速、温度、所需体积百分比(参照初级流体)及液滴尺寸分布的分散流体也通过相同的单个或阵列或喷嘴32a、32b、32c进入冷却模块。次级流体液滴或雾可以在喷嘴32a、32b、32c处雾化或形成或者液滴可以在喷嘴32a、32b、32c之前产生，并且部分或完全不混溶的流体混合物从喷嘴32a、32b、32c喷射以冲击到多孔热分散器40、基板22和/或热源10上。该系统可以在不同的限制模式下操作，包括完全限制(顶板28在喷嘴32a、32b、32c的出口的水平处)、部分限制(喷嘴
32a、32b、32c朝向多孔分散器40部分地穿透)和无限制(即，没有限制顶板28)模式。喷嘴32a、32b、32c可以与基板22和多孔热分散器正交(垂直)地或以任意角度定向。在多喷雾冲击条件期间，喷嘴32a、32b、32c可以各自以与基板22成不同的角度操作。在直接浸没冷却中，热源10或需要被冷却的部件与多孔分散器40和冷却流体直接接触。在间接浸没冷却中，传导性基板22将热源与冷却剂隔开，并且多孔分散器40安装在基板22上。为了使热源的阵列或矩阵冷却，多个射流中的单个射流可以与安装在加热区域中的每个加热区域上的单个多孔热分散器或单独的多孔热分散器40或离散的多孔热分散器40的组结合使用。多孔热分散器40可以旋拧、焊接、焊合、钎焊至基板22或热源10或使用适当的(导热)粘合剂铺设在基板22或热源10上。在非蒸发冷却期间，否则会在热源区域周围集中的热负荷通过多孔介质中的传导分散，并损失到冷却剂中。液滴(通常是具有比初级流体更好的热冷却特性的流体)可以在冲击板22和多孔分散器40上形成薄液膜并在操作期间重新分布，最终通过出口中的一个或更多个出口被去除。在过冷或饱和蒸发喷雾冷却条件期间，多孔介质增加了能够用于蒸发的总表面积，并且液滴在与多孔介质和基板或热源的过热部分接触时从液体相变为蒸汽。高度开放(高孔隙率)的多孔介质的存在还有助于提高靠近热源的湍流水平，并且因此增强对流热传递。载体流体(或在蒸发喷雾冷却条件下与蒸汽一起)通过沿着基板放置的一个或更多个出口平行于喷嘴或以其他适当的取向离开冷却模块，以通过热交换器和冷凝器(用于蒸发冷却)被再循环，或损失到周围环境中(在空气/水滴冷却的情况下)。取决于蒸发冷却模式中操作期间入口流体的温度，可能需要或可能不需要冷凝器。在初级相的入口基本过冷的程度下(与次级流体的饱和温度相比)，在多孔热分散器、基板或热源上形成的蒸汽可以冷凝成自由流，并且可能需要热交换器将流体循环回喷雾导管和喷嘴。在出口处或出口之外，在流体再循环到冷却模块中之前，使用适当的气体-液体或液体-液体过滤器、旋风分离器或其他分离装置将次级流体与初级流体分离。对于地面应用，冷却模块可以使用沿着重力方向定向或与重力方向成角度地定向的喷雾操作，并且对于微重力和空间应用，可以以任何任意定向的喷雾操作。
35.本公开的冷却系统20包括冲击流体系统30，该冲击流体系统30具有一个或更多个喷嘴32a、32b、32c，喷嘴32a、32b、32c构造成将冷却流体的冲击流引导到多孔热分散器40上。
36.提供了几种不同分类的冲击流体系统30，包括：
37.(a)使用具有例如圆柱形、平行六面体或截头锥体(圆锥)形式的一个或更多个喷嘴32a、32b、32c的单组分射流冲击。
38.(i)以单相流操作的单个或多个、正交的或倾斜的射流冲击，该射流冲击采用气体、液体或液体混合物；
39.(ii)以多相流操作的单个或多个、正交的或倾斜的射流冲击，该射流冲击涉及在多孔分散器和冲击表面上的过冷或饱和沸腾，并且采用液体或液体混合物；以及
40.(iii)采用气体或液体的、并且有沸腾相变或没有沸腾相变的完全或部分限制、或无限制的单个或多个、正交的或倾斜的射流冲击。
41.(b)使用具有例如圆柱形、平行六面体或截头锥体(圆锥)形式的一个或更多个喷嘴32a、32b、32c的多组分喷雾冲击。
42.(i)以非蒸发流操作的单个或多个、正交的或倾斜的喷雾冲击，该喷雾冲击采用气
体为主要(载体)组分，并且液体或液体混合物为分散液滴/雾化组分；
43.(ii)采用气体为主要(载体)组分并且液体或液体混合物为分散液滴/雾化组分操作的单个或多个、正交的或倾斜的喷雾冲击，并且涉及在与多孔热分散器和冲击表面接触时液滴的蒸发；以及
44.(iii)完全或部分限制或无限制的单个或多个、正交的或倾斜的喷雾冲击，并且有蒸发相变或没有蒸发相变。
45.提供了若干不同类别的多孔热分散器40，包括：
46.(a)空间均质、异质或局部均质但空间变化的多孔介质；
47.(b)开孔泡沫、纤维、针翅矩阵、非结构化的或其组合；
48.(c)多孔热分散器完全或部分覆盖(仅停滞或壁射流区域)需要冷却的区域或延伸超过需要冷却的区域；
49.(d)多孔热分散器以直接浸没冷却构型直接安装在发热部件上，或以间接浸没冷却构型安置在分离的传导性材料上；以及
50.(e)由诸如铝、铜或其他金属、金属合金、碳或石墨以及陶瓷之类的导热材料制成的多孔结构。
51.图2a至图2c示出了用于多孔热分散器40的多孔材料的不同示例。具体地，图2a示出了示例冷却系统20，该冷却系统20包括用作多孔热分散器40的针翅矩阵类型的多孔材料。所图示的针翅矩阵包括杆或针的矩阵，该杆或针的矩阵包括竖向地并平行于冷却剂流动的方向延伸的第一网格、以及水平地或正交于第一网格延伸的第二网格，其中，第一网格和第二网格各自在多个层中的每一层处的节点处相交。图2b示出了示例性冷却系统20，该冷却系统20包括用作多孔热分散器40的开孔泡沫型多孔材料。图2c示出了示例性冷却系统20，该冷却系统20包括用作热分散器40的纤维材料类型的多孔材料。应当理解的是，这些仅仅是示例，并且可以在多孔热分散器40中使用其他布置结构或其他类型的多孔材料，并且多孔热分散器40可以包括两种或更多种不同类型的多孔材料。
52.图3示出了示例性冷却系统20，该冷却系统20具有带有三种不同类型的喷嘴32a、32b、32c的冲击流体系统30。具体地，图3示出了具有三种不同类型的喷嘴32a、32b、32c的示例冷却系统20，该喷嘴32a、32b、32c用于具有多孔热分散器40的射流或喷雾冲击冷却系统。图3中示出的三种不同类型的喷嘴包括圆形/椭圆形(圆柱形)喷嘴32a、正方形/矩形(平行六面体)喷嘴32b以及圆锥形(截头锥体)形喷嘴32c。圆形/椭圆形(圆柱形)喷嘴32a沿着轴线延伸，并且在垂直于轴线的平面中具有恒定的圆形或椭圆形横截面形状。类似地，正方形/矩形(平行六面体)喷嘴32b沿着轴线延伸，并且在垂直于轴线的平面中具有恒定的正方形或矩形横截面形状。锥形(截头锥体)形状的喷嘴32c沿着轴线延伸，并具有沿着轴线逐渐变小的截头圆锥形状。
53.在一些实施方式中，多孔热分散器40在流体冲击该多孔热分散器的第一位置处具有第一孔隙率，并且在与第一位置间隔开的第二位置处具有比第一孔隙率小的第二孔隙率。第一孔隙率可以选择成优化初始热传递，同时提供冷却流体以流动到多孔热分散器40中。较低的第二孔隙率可以提供增强的流动特性，该第二孔隙率可以选择成优化在这样的第二位置处的冷却。在一些实施方式中，多孔热分散器40在第三位置处具有比第二孔隙率大的第三孔隙率，该第三位置与第一位置进一步间隔开，使得第二位置位于第一位置与第
三位置之间。这种更大的第三孔隙率可以提供来自冲击射流和通过第二位置的增强的冷却剂流动，这可以提高多孔热分散器40的整体冷却能力。在图4a中示出了这种构型的示例，图4a示出了具有空间上不均匀的多孔结构的多孔热分散器40的示例性实施方式，该多孔热分散器40覆盖有曲线图50，曲线图50示出了热分散器40的孔隙率作为径向位置的函数，该径向位置沿着垂直于在冲击射流中的流体流延伸的半径。具体地，曲线图50指示了多孔热分散器40的孔隙率作为径向位置r的函数，该径向位置r最大至热分散器40的全径向宽度r(即，r/r的范围在0与1之间)。图4b是冷却系统20的立体图，该冷却系统20包括图4a中所示的空间上不均匀的多孔热分散器40。应当理解的是，其他布置结构或构型可以用于构造空间上不均匀的多孔热分散器40，比如在平行于冲击射流中的流体流动的方向上具有变化的孔隙率设计。
54.图5a至图5d呈现了根据本公开的各方面的冷却系统20的示意性剖切侧视图，多个冷却系统20中的每个冷却系统具有对应的代表性类型的单相、多组分单相和多相多孔分散器射流和喷雾冲击冷却系统。
55.图5a示出了在构造成用于单相冷却的多孔分散器40上的单组分射流冲击。可以使用冷却流体，比如空气或其他气体；液体，比如水、介电冷却剂和/或不同液体的混合物。在该示例中，冷却流体被从喷嘴34引导到多孔热分散器40上并被引导通过多孔热分散器40。
56.图5b示出了在构造成用于多相(例如，相变或沸腾)冷却的多孔分散器40上的单组分射流冲击。可以使用冷却流体，该冷却流体可以是液体，比如水、介电冷却剂和/或不同液体的混合物。在该示例中，冷却流体被从喷嘴34引导到多孔热分散器40上并被引导通过该多孔热分散器，其中，气泡60由在多孔热分散器40上或在多孔热分散器40内沸腾的冷却流体形成。
57.图5c示出了在构造成用于非蒸发喷雾冷却的多孔分散器40上的多组分射流冲击。诸如空气或其他气体之类的初级流体与次级流体一起从单个共用的喷嘴一起喷射。次级流体可以是液体，比如水、介电冷却剂和/或不同液体的混合物。在该示例中，初级冷却流体和次级冷却流体被从喷嘴34引导到多孔热分散器40上并被引导通过多孔热分散器40。次级流体采用由初级流体携带的喷雾液滴62的形式。
58.图5d示出了在构造成用于多相(例如，相变或沸腾)冷却的多孔分散器40上的多组分射流冲击。诸如空气或其他气体之类的初级流体与次级流体一起从单个共用的喷嘴一起喷射。次级流体可以是液体，比如水、介电冷却剂和/或不同液体的混合物。在该示例中，初级冷却流体和次级冷却流体被从喷嘴34引导到多孔热分散器40上并被引导通过该多孔热分散器。次级流体的喷雾液滴可以蒸发或沸腾以在多孔热分散器40上或在多孔热分散器40内形成气体64。
59.图6a至图6f呈现了根据本公开的各方面的具有各种冲击流构型的冷却系统20的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与目标、比如基板20正交的冲击流。
60.图6a示出了根据本公开的一方面的具有无限制的浸没冷却的冷却系统20。具体地，图6a示出了冷却系统20，在该冷却系统20中，冷却流体的单个射流被从喷嘴32a、32b、32c引导到单个多孔热分散器40上并被引导通过单个多孔热分散器40。图6a的无限制的浸没冷却系统20包括与多孔热分散器40直接接触的热源10。具体地，热源10延伸穿过基板22中的孔或孔口。这样的无限制的浸没冷却系统20可以具有其他布置结构，例如没有基板22。
此外，热源10可以不包括原始热源。例如，热源10可以是与原始热源、比如产生热的电子装置热连通的热分散器。图6b示出了具有无限制的浸没冷却的示例性冷却系统20，该冷却系统20与图6a的冷却系统20相似或相同，但是冷却流体的射流被引导到多个离散的多孔热分散器40上并且/或者被引导通过多个离散的多孔热分散器40，所述多个离散的多孔热分散器40各自与热源10直接接触。
61.图6c示出了根据本公开的一方面的具有受限制的浸没冷却的冷却系统20。具体地，图6c示出了冷却系统20，在该冷却系统20中，冷却流体的单个射流被从喷嘴32a、32b、32c引导到单个多孔热分散器40上并被引导通过单个多孔热分散器40。在基板22与限制板28之间限定有包含多孔热分散器40的限制空间。类似于图6a的布置结构，图6c的受限制的浸没冷却系统20包括与多孔热分散器40直接接触的热源10。图6d示出了具有无限制的浸没冷却的示例性冷却系统20，该冷却系统20与图6c的冷却系统20相似或相同，但冷却流体的射流被引导到多个离散的多孔热分散器40上并且/或者被引导通过多个离散的多孔热分散器40，所述多个离散的多孔热分散器40各自与热源10直接接触。
62.图6e示出了根据本公开的一方面的具有非接触的(受限制或不受限制的)浸没冷却的冷却系统20。具体地，图6e示出了冷却系统20，在该冷却系统20中，冷却流体的单个射流被从喷嘴32a、32b、32c引导到单个多孔热分散器40上并被引导通过单个多孔热分散器40，该单个多孔热分散器40通过基板22与热源10间隔开。换句话说，基板22将热量从热源10传导至多孔热分散器40。类似于图6c的布置结构，多孔热分散器40可以由限制板28限制。替代性地，类似于图6a的布置结构，多孔热分散器40可以是不受限制的。图6f示出了示例性冷却系统20，该冷却系统20具有与图6e的冷却系统20相似或相同的非接触(受限制或不受限制的)浸没冷却，但冷却流体的射流被引导到多个离散的多孔热分散器40上并且/或者被引导通过多个离散的多孔热分散器40，所述多个离散的多孔热分散器40各自与热源10间接热接触。
63.图7a至图7f呈现了根据本公开的各方面的具有各种冲击流构型的冷却系统20的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板正交的多个冲击流。
64.图7a示出了与图6a的冷却系统20相似或相同的冷却系统，但是具有三个喷嘴32a、32b、32c，三个喷嘴32a、32b、32c各自将冷却流体的流引导到单个共用的多孔热分散器40上。类似地，图7b示出了与图6b的冷却系统20相似或相同的冷却系统，但具有三个喷嘴32a、32b、32c，三个喷嘴32a、32b、32c各自将冷却流体的流引导到对应的离散的多孔热分散器40上。应当理解的是，三个喷嘴32a、32b、32c的数量仅仅是示例，并且可以使用任何数目的喷嘴32a、32b、32c。
65.图7c示出了与图6c的冷却系统20相似或相同的冷却系统，但是具有三个喷嘴32a、32b、32c，三个喷嘴32a、32b、32c各自将冷却流体的流引导到单个共用的多孔热分散器40上。类似地，图7d示出了与图6d的冷却系统20相似或相同的冷却系统，但具有三个喷嘴32a、32b、32c，三个喷嘴32a、32b、32c各自将冷却流体的流引导到对应的离散的多孔热分散器40上。应当理解的是，三个喷嘴32a、32b、32c的数量仅仅是示例，并且可以使用任何数目的喷嘴32a、32b、32c。
66.图7e示出了与图6e的冷却系统20相似或相同的冷却系统，但是具有三个喷嘴32a、32b、32c，三个喷嘴32a、32b、32c各自将冷却流体的流引导到单个共用的多孔热分散器40
上。类似地，图7f示出了与图6f的冷却系统20相似或相同的冷却系统，但具有三个喷嘴32a、32b、32c，三个喷嘴32a、32b、32c各自将冷却流体的流引导到对应的离散的多孔热分散器40上。应当理解的是，三个喷嘴32a、32b、32c的数量仅仅是示例，并且可以使用任何数目的喷嘴32a、32b、32c。
67.在一些实施方式中，并且如图6a至图6f和图7e至图7f中所示，喷嘴32a、32b、32c中的一些喷嘴或全部喷嘴可以构造成沿与基板22正交和/或与热源10正交的方向上引导对应的冷却流体的射流。
68.图8a至图8f呈现了根据本公开的各方面的冷却系统20的示意性剖切侧视图，每个冷却系统20具有各种冲击流构型，每个冲击流构型具有与基板22成倾斜角度θ的单个冲击流。图8a至图8f中的每一者示出了与图6a至图6f中的对应的布置结构相似或相同的布置结构，但喷嘴32a、32b、32c构造成以与基板22和/或热源10倾斜的角度引导对应的冷却流体的射流。
69.图9a至图9f呈现了根据本公开的各方面的具有各种冲击流构型的冷却系统20的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板22成倾斜角度θ的多个冲击流。图9a至图9f中的每一者示出了与图7a至图7f中的对应的布置结构相似或相同的布置结构，但喷嘴32a、32b、32c构造成以与基板22和/或热源10倾斜的角度引导对应的冷却流体的射流。
70.图10示出了曲线图100，曲线图100图示出了在具有和不具有多孔(泡沫)热分散器40的情况下单相射流冲击热传递下测量的和预测的努塞尔数(nu)与实验数据和经验模型的比较。曲线图100绘制了nu/pr^.42，或(努塞尔数nu)除以普朗特数(pr)^0.42与各种冷却系统构型的雷诺数(re)。绘制点102、104、106、108示出了没有泡沫热分散器并且普朗特数(pr)分别为3.5、3.8、3.9和4.1的冷却系统的实验结果。使用具有代表性的多孔介质进行计算流体动力学(cfd)模拟，以研究对受限制的射流冲击冷却性能的影响。在绘制点110和112中表示了cfd模拟。绘制点110示出了普朗特数(pr)为6.3且没有多孔热分散器40的冷却系统的cfd模拟结果。绘制点112示出了普朗特数(pr)为6.3并具有多孔热分散器40的冷却系统的cfd模拟结果。绘制点114示出了说明实验得出的结果的相关性的曲线，并且绘制点116示出了说明没有多孔热分散器40的cfd得出结果的相关性的曲线。
71.换句话说，对于没有多孔热分散器40的相同系统分别进行实验和单独的模拟，并且将无量纲热传递系数(努塞尔数nu)与文献中的实验数据和经验模型进行比较以用于验证。从图10可以看出，对于没有多孔泡沫热分散器40的情况的预测与文献完全一致，从而验证了本练习中采用的计算方法。还可以看出，对于具有多孔热分散器40的代表性情况计算预测的努塞尔数几乎是没有热分散器40的情况的努塞尔数的两倍。nu/pr^.42值(与努塞尔数直接成正比，其中，普朗特数(pr)保持不变)在有泡沫与没有泡沫(即没有多孔热分散器40和有多孔热分散器40)的情况之间从大约21增加到大约41。这加强了本公开的冷却系统20的有效性。此外，这些结果表明使用本公开的冷却系统20可能获得100％或更多的潜在热传递增强。
72.已经出于说明和描述的目的提供了对实施方式的前述描述。该描述不意在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常并不限于该特定实施方式，而是，即使没有具体示出或描述，特定实施方式的各个元件或特征在适用的情况下是可互换的，并且可以在选定实施方式中使用。特定实施方式的各个元件或特征也可以以许多方式变化。这些
变型并不被认为是偏离本公开，并且所有这些改型均意在被包括在本公开的范围内。