專利名稱：模塊化毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，具體地說(shuō)涉及適用于高密度計(jì)算機(jī)服務(wù)器的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)和組件。
背景技術(shù)：
近來(lái)的市場(chǎng)需求已引導(dǎo)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)出具有更高電路密度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如，許多硬件供應(yīng)商例如惠普、IBM、康柏和戴爾提供了高密度的機(jī)架安裝型服務(wù)器(rack-mounted server)，其使得可以在單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)架內(nèi)容納大量服務(wù)器。這些機(jī)架安裝型服務(wù)器的底座被構(gòu)造成具有特定的外形參數(shù)(form factor)，所述參數(shù)針對(duì)于其中將安裝服務(wù)器的的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)架而設(shè)計(jì)。在一種構(gòu)造中，使用了稱為“1U”外形參數(shù)的超薄外形參數(shù)。根據(jù)1U外形參數(shù)，每個(gè)服務(wù)器的底座高度僅有1.75英寸。在另一種稱為“2U”外形參數(shù)的構(gòu)造中，每個(gè)服務(wù)器的底座高度是3.5英寸。
計(jì)算機(jī)服務(wù)器中的組件正在以越來(lái)越高的頻率運(yùn)行，使用更小的管芯尺寸和更密集的壓縮型電路。結(jié)果，這些組件(尤其是微處理器)產(chǎn)生了大量熱量，必須從底座排除這些熱量以使所述組件不會(huì)過(guò)熱。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，這是通過(guò)強(qiáng)制性空氣對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所述空氣對(duì)流使用一個(gè)設(shè)置在底座內(nèi)部或者連接到底座的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇，通過(guò)底座吸引空氣經(jīng)過(guò)所述組件，從而將熱量傳遞離開(kāi)電路組件。為了進(jìn)一步促進(jìn)熱量排除處理，經(jīng)常將散熱片安裝到各種高功率電路組件上，以提高自然或強(qiáng)制性的對(duì)流傳熱過(guò)程。例如，通常使用包括一列鰭片的散熱片來(lái)冷卻桌面系統(tǒng)、工作站和基座安裝型服務(wù)器(pedestal-mounted server)中的微處理器，其中所述鰭片高約1-2英寸。散熱片與它們安裝在其上的組件相比提供了大得多的表面積。
1U和2U外形參數(shù)的低型(low profile)給熱工程師制造了幾個(gè)問(wèn)題。由于內(nèi)在的高度限制，散熱片的使用通常限制為具有低型的那些散熱片，這種散熱片由于較小的表面積，與較高的散熱片比起來(lái)效率較低。而且，為了通過(guò)強(qiáng)制性空氣對(duì)流來(lái)提供足夠的冷卻，需要足夠的氣流；1U底座所具有的高度限制可能會(huì)嚴(yán)重地限制能夠傳遞通過(guò)系統(tǒng)的空氣量。
盡管在許多情況下散熱片具有優(yōu)勢(shì)，但是它們產(chǎn)生了顯著的氣流限制，極大地減少了通過(guò)計(jì)算機(jī)底座的氣流量。它們還占用了可以由其他系統(tǒng)組件使用的空間。另外，由于風(fēng)扇片的面積大約與(當(dāng)具有不同直徑的風(fēng)扇以相同速度旋轉(zhuǎn)時(shí))所產(chǎn)生的氣流量成正比，因此，1U和2U外形參數(shù)中所使用的較小的風(fēng)扇與在具有較大外形參數(shù)的系統(tǒng)中所具有的風(fēng)扇相比吸引了較少的空氣。結(jié)果，在多微處理器1U構(gòu)造中使用散熱片可能行不通。在其他情形下，必須將多處理器對(duì)齊以提供經(jīng)過(guò)所有微處理器之上的足夠的氣流，這可能會(huì)限制電路設(shè)計(jì)。
為了解決前述問(wèn)題，人們已經(jīng)提出了包含很大的平面熱導(dǎo)管的熱冷卻系統(tǒng)，用于將能量傳遞到1U底座中的另一個(gè)位置，在該位置處可以更容易地散發(fā)能量。熱導(dǎo)管是這樣的設(shè)備，其通過(guò)蒸發(fā)液體并使得其以蒸汽形式而從熱源流走，從而提供了傳熱機(jī)制。然后在離熱源一定距離處將熱蒸汽冷凝成液體，隨后將之返回，一般是通過(guò)吸液材料(wickingmaterial)。吸液材料從熱源延伸到熱導(dǎo)管的冷凝區(qū)域。由于大多數(shù)液體的蒸發(fā)潛熱的巨大價(jià)值，可以傳遞大量的熱而幾乎沒(méi)有熱阻抗。
一種這樣的熱導(dǎo)管系統(tǒng)是修正的毛細(xì)抽吸循環(huán)(CPL)。需要遠(yuǎn)端冷卻時(shí)經(jīng)常使用CPL。CPL與標(biāo)準(zhǔn)熱導(dǎo)管的區(qū)別在于吸液材料僅僅位于蒸發(fā)器部位；因此，由于吸液材料中減短的液體流路徑，對(duì)液體流的阻抗要小得多。將吸液材料只設(shè)置在蒸發(fā)器部位還使得可實(shí)現(xiàn)靈活的傳輸線路，可以路由繞過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的任何組件。


參考下面的詳細(xì)描述，結(jié)合附圖，本發(fā)明的前述方面以及隨之而來(lái)的許多優(yōu)點(diǎn)將更易于被認(rèn)識(shí)到并被理解，其中圖1是示出了毛細(xì)抽吸循環(huán)(CPL)冷卻系統(tǒng)的示意圖；
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性蒸發(fā)器實(shí)施例的分解等角視圖；圖2B是示出了設(shè)置在圖2A所示的蒸發(fā)器的底部?jī)?nèi)的吸液結(jié)構(gòu)的等角視圖；圖2C是圖2A的實(shí)施例在裝配后的等角視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性蒸發(fā)器實(shí)施例的分解等角視圖；圖3B是圖3A的實(shí)施例在裝配后的等角視圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性細(xì)線冷凝器(slim-line condenser)的頂側(cè)分解等角視圖；圖4B是圖4A的冷凝器的下側(cè)等角切面視圖；圖4C是圖4A的冷凝器裝配后的等角視圖；圖4D是圖4A的冷凝器的平面視圖，示出了工作液體穿過(guò)冷凝器時(shí)的流動(dòng)路徑；圖5A是包括圖4A的冷凝器的冷卻設(shè)備的分解等角視圖；圖5B是圖5A的冷卻設(shè)備裝配后的等角視圖；圖6A是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性冷凝器的等角視圖；圖6B是圖6A的冷凝器的等角分割視圖；圖7A是根據(jù)本發(fā)明的第三示例性冷凝器的前視圖；圖7B是圖7A的冷凝器的平面視圖；圖8是1U底座計(jì)算機(jī)服務(wù)器的等角視圖，其中實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的第一示例性CPL冷卻系統(tǒng)實(shí)施例；圖9是圖8的CPL冷卻系統(tǒng)的多個(gè)組件的前視圖；圖10是1U底座的等角視圖，其中實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的第二示例性CPL冷卻系統(tǒng)實(shí)施例；圖11是1U底座計(jì)算機(jī)服務(wù)器的等角視圖，其中實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的第三示例性CPL冷卻系統(tǒng)實(shí)施例；并且圖12是圖11的CPL冷卻系統(tǒng)的多個(gè)組件的前視圖。
具體實(shí)施例方式
在下面的描述中，給出了大量的具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的透徹理解。然而，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到?jīng)]有這些具體細(xì)節(jié)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)細(xì)節(jié)，或者利用其他方法組件等也可實(shí)施本發(fā)明。在其他情形下，未詳細(xì)示出或描述一些公知結(jié)構(gòu)或操作以免混淆本發(fā)明的各實(shí)施例的多個(gè)方面。
在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的引用意味著結(jié)合該實(shí)施例而描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性至少包含在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中。因此，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中不同地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”未必都指同一個(gè)實(shí)施例。而且，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中可以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合多個(gè)具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性。
本發(fā)明涉及一種模塊化毛細(xì)抽吸循環(huán)(CPL)熱冷卻系統(tǒng)，其將熱量從計(jì)算機(jī)底座內(nèi)設(shè)置的高功率電路組件(例如微處理器)傳遞到底座內(nèi)部或外部的其他位置，在該位置，通過(guò)冷凝CPL的工作液體，可以比較容易地排除所述熱量。CPL是一種熱管理系統(tǒng)，其通過(guò)工作液體的相變，將工作液體從(多個(gè))熱獲取設(shè)備(例如蒸發(fā)器)抽吸到(多個(gè))熱輻射設(shè)備(例如冷凝器)。毛細(xì)作用然后又促進(jìn)了冷凝液體回流到蒸發(fā)器。
圖1中示出了典型的CPL系統(tǒng)。該CPL系統(tǒng)包括蒸發(fā)器10和冷凝器12，二者通過(guò)蒸汽傳輸線路14和液體傳輸線路16而連接。蒸發(fā)器10包括設(shè)置在其某個(gè)部分中的吸液結(jié)構(gòu)(wick structure)20，并耦合到熱源22，例如微處理器。在所示出的實(shí)施例中，冷凝器12還用作兩相蓄液池。
可選地，所述系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)與冷凝器分離的蓄液池。在其他實(shí)施例中，CPL系統(tǒng)還可包括一個(gè)或多個(gè)液體從屬冷卻器和/或隔離體(未示出)。
CPL系統(tǒng)以如下方式操作。熱源22產(chǎn)生的熱量由蒸發(fā)器10的某部分所接收，使得保持在吸液結(jié)構(gòu)20的頂部的新月形層24中的液體蒸發(fā)成蒸汽26。然后借助于溫度引發(fā)的壓力梯度，使得蒸汽26通過(guò)蒸汽傳輸線路14而傳輸?shù)嚼淠?2，所述壓力梯度是由蒸發(fā)器10中的蒸汽的溫度(高溫度)和冷凝器12中的蒸汽的溫度(較低的溫度)之間的差引起的。冷凝器12由熱排除裝置28維持在較低的溫度，這通常是通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若干延伸表面(鰭片)可以設(shè)置在冷凝器的表面上，以輔助熱排除過(guò)程。相應(yīng)地，進(jìn)入較低溫度的冷凝器12后，蒸汽26冷凝成冷凝液30，包括形成在冷凝器的頂部?jī)?nèi)表面和側(cè)壁上的薄膜或液滴。液體32然后通過(guò)液體傳輸線路16而傳回到蒸發(fā)器10以完成循環(huán)。
如其名稱所暗示的那樣，毛細(xì)抽吸循環(huán)使用毛細(xì)作用來(lái)使得循環(huán)中的液體被抽吸。這是通過(guò)使用吸液結(jié)構(gòu)20來(lái)實(shí)現(xiàn)的。更具體地說(shuō)，在吸液結(jié)構(gòu)頂部的新月形液氣邊界處產(chǎn)生了壓力差。這一壓力差使得液體32被抽吸到吸液結(jié)構(gòu)20中，同時(shí)液體在吸液結(jié)構(gòu)的頂部蒸發(fā)成蒸汽26。
隨著液體32蒸發(fā)成蒸汽26，熱量被傳遞離開(kāi)熱源22，傳遞速度基于液體蒸發(fā)潛熱以及液體通過(guò)循環(huán)的流動(dòng)速度。在一個(gè)實(shí)施例中，所述液體是水，其具有2258-2432kJ/kg(970-1052Btu/lbm)的蒸發(fā)潛熱。按照類(lèi)似的方式，隨著蒸汽在冷凝器12中重新冷凝成液體，按照液體蒸發(fā)潛熱和液體通過(guò)循環(huán)的流動(dòng)速度的函數(shù)排除熱量。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了模塊化的CPL實(shí)施例，其中在CPL循環(huán)中可適當(dāng)?shù)厥褂枚鄠€(gè)組件，并且各種系統(tǒng)組件可由提供類(lèi)似功能的其他系統(tǒng)組件所替代。例如本發(fā)明提供的模塊化CPL冷卻系統(tǒng)可包括各種類(lèi)型的蒸發(fā)器、冷凝器、蓄液池和傳輸線路構(gòu)造，并可構(gòu)造成工作在單處理器和多處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。
根據(jù)本發(fā)明第一示例性蒸發(fā)器實(shí)施例的蒸發(fā)器40示出在圖2A-C中。蒸發(fā)器40包括一個(gè)兩部分外殼構(gòu)造，其包括具有空腔44的底部42，為頂蓋46所覆蓋以形成密封空間。液體通過(guò)液體注入口48而進(jìn)入蒸發(fā)器，同時(shí)蒸汽通過(guò)蒸汽排出口50離開(kāi)蒸發(fā)器。蒸發(fā)器還包括吸液結(jié)構(gòu)52，設(shè)置在空腔44的下部。在一個(gè)實(shí)施例中，吸液結(jié)構(gòu)52包括大量熔結(jié)金屬粉末，其提供了很高的毛細(xì)抽吸能力。在較低功率的應(yīng)用中(即可使用相對(duì)較低的液體流動(dòng)速度的應(yīng)用中)，吸液結(jié)構(gòu)52可包括線網(wǎng)。當(dāng)使用熔結(jié)金屬粉末時(shí)，空腔44的下部可用該粉末填充，然后加熱，產(chǎn)生結(jié)合到底部42的熔結(jié)金屬粉末層，如圖2B所示。
優(yōu)選地，用于蒸發(fā)器中的組件以及CPL系統(tǒng)中其他組件的材料應(yīng)該選擇為與系統(tǒng)中所使用的工作液體相容的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，工作液體包括水。相應(yīng)地，蒸發(fā)器的組件和其他系統(tǒng)組件應(yīng)該由不會(huì)因?yàn)樗拇嬖诙趸蜃冑|(zhì)的材料制成。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，底部42和頂蓋46中的每一個(gè)都由銅制成，而吸液結(jié)構(gòu)52包括熔結(jié)銅粉。
另一個(gè)考慮是在此討論的各實(shí)施例可能工作在亞大氣壓(即真空)條件下。通過(guò)工作在較小的壓力下，降低了液體的飽和溫度(液體從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟臏囟?。這使得所述(多個(gè))組件的表面被冷卻到在較低的溫度下工作。例如，如果使用了大氣壓下的水，則正在被冷卻的組件例如微處理器的表面溫度將不得不高于水的沸點(diǎn)100℃(212°F)以上。然而，將系統(tǒng)壓力降低到0.3bar(4.35psi)會(huì)導(dǎo)致69.10℃(156.38°F)的飽和溫度。因此，將要冷卻的組件的工作溫度將根據(jù)工作壓力而下降。為了提供亞大氣壓循環(huán)，必須密封循環(huán)中的各種工作空間。因此，頂蓋46需要固定到底部42的邊緣部分以形成密封件。如圖2A-C所示，可以使用多個(gè)緊固件54將頂蓋46固定到底部42。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用墊圈(未示出)來(lái)確保密封件的形成。在另一個(gè)實(shí)施例中，頂蓋和底部可以使用密封銅焊或焊接來(lái)固定。
設(shè)計(jì)亞大氣壓CPL系統(tǒng)時(shí)，在密封考慮之外，還需要考慮結(jié)構(gòu)因素。例如，底部42和頂蓋46中的一個(gè)或二者可包括多個(gè)柱子56，用于確保當(dāng)密封空間內(nèi)的壓力減小時(shí)該空間不會(huì)坍塌。柱子56還通過(guò)從熱源導(dǎo)熱來(lái)輔助工作液體的蒸發(fā)。
第二示例性蒸發(fā)器60實(shí)施例示出在圖3A-B中。蒸發(fā)器60包括其中設(shè)置了空腔64的底部62、吸液結(jié)構(gòu)66、頂蓋68、液體注入口70和蒸汽排出口72。如圖所示，頂蓋68包括多個(gè)凹痕，以鞏固頂蓋并防止它在向蒸發(fā)器60應(yīng)用真空狀態(tài)時(shí)坍塌。與前面一樣，可使用多個(gè)緊固件(未示出)或者密封銅焊或焊接來(lái)將頂蓋68固定到底部62，以形成密封空間。
一般地，實(shí)施例40和60中的每一個(gè)都以和上面參考圖1所討論的蒸發(fā)器10相似的方式工作。實(shí)施例40的組件一般使用機(jī)加工工藝、沖壓工藝和/或鑄造工藝來(lái)形成。實(shí)施例60的組件可以使用沖壓工藝而從適當(dāng)?shù)慕饘倨纬?。理想地，?yīng)該使用具有良好的熱傳導(dǎo)性和液體相容性的材料，例如銅合金。
第一示例性冷凝器實(shí)施例80的細(xì)節(jié)示出在圖4A-5D中。冷凝器80包括開(kāi)溝的底部元件82，裝配時(shí)蓋板84設(shè)置于其上。蓋板84包括蒸汽注入口86、一對(duì)液體排出口88L和88R以及裝料口90。如圖4B所示，在一個(gè)實(shí)施例中，蓋板84包括多個(gè)柱子92，用于鞏固蓋板并防止當(dāng)冷凝器80使用于亞大氣壓CPL系統(tǒng)中時(shí)蓋板發(fā)生坍塌。所述柱子還通過(guò)有效地將熱量傳導(dǎo)到冷凝器之外，用作為形成冷凝液的成核(nucleation)位置，并且為流過(guò)它們的蒸汽提供了有效的霧沫分離器(entrainment trap)。蓋板84還包括孔洞94和多個(gè)緊固件間隔孔96。
如圖4A和4D所示，開(kāi)溝的底部元件82包括多個(gè)側(cè)壁，構(gòu)造成引導(dǎo)冷凝在冷凝器80的中央冷凝區(qū)域中的液體通過(guò)液體排出口88L和88R流出。這些側(cè)壁包括外部側(cè)壁98、左內(nèi)側(cè)壁100L、右內(nèi)側(cè)壁100R、左毛細(xì)側(cè)壁102L、右毛細(xì)側(cè)壁102R、流體轉(zhuǎn)向側(cè)壁104以及通孔側(cè)壁106。外部側(cè)壁和左右毛細(xì)側(cè)壁102L及102R分別形成很細(xì)的毛細(xì)溝道108L和108R。開(kāi)溝底部元件82還包括通孔110和多個(gè)凸起112，其構(gòu)造成孔模式，與蓋板84中的各個(gè)緊固件孔96對(duì)齊；每個(gè)凸起都包括間隔孔113，在裝配冷凝器時(shí)緊固件桿部通過(guò)這些間隔孔113(未示出緊固件)。
如圖4D所示，冷凝器80以下述方式操作。蒸汽26通過(guò)蒸汽注入口86進(jìn)入冷凝器。然后蒸汽在蓋板84的下側(cè)以及冷凝器的各個(gè)側(cè)壁上冷凝到中央冷凝區(qū)域中，形成了液體32。然后借助于液體排出口外側(cè)的較低的壓力(相對(duì)于冷凝器內(nèi)部的壓力)以及毛細(xì)溝道108L和108R產(chǎn)生的毛細(xì)作用，通過(guò)液體排出口88L和88R，將液體32抽吸到冷凝器之外。
注意，在一個(gè)實(shí)施例中，存在一對(duì)區(qū)域114L和114R，其中不會(huì)出現(xiàn)蒸汽或液體。這些區(qū)域用來(lái)將位于冷凝器中央的蒸汽/液體混合物與毛細(xì)溝道108L和108R中的液體熱隔離開(kāi)來(lái)。
裝料口90用來(lái)將使用冷凝器80的CPL系統(tǒng)中的工作液體裝填到冷凝器80中?？梢钥吹?，將通過(guò)將冷凝器豎立(即圖4D所示的構(gòu)造)并用工作液體填充冷凝器的下部來(lái)裝填冷凝器。冷凝器對(duì)稱的構(gòu)造應(yīng)該能確保兩個(gè)毛細(xì)溝道都可以用工作液體適當(dāng)?shù)匮b填。工作液體將對(duì)稱地流出液體排出口，進(jìn)入到(多個(gè))液體傳輸線路，并浸透CPL系統(tǒng)蒸發(fā)器中的(多個(gè))吸液結(jié)構(gòu)，從而提供了對(duì)CPL系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)难b填操作。
當(dāng)用于CPL系統(tǒng)中時(shí)，冷凝器80的中央冷凝部分還用作為蓄液池。這使得可在CPL中保持穩(wěn)定的溫度和壓力條件，并且還有助于適應(yīng)功率波動(dòng)。
為了獲得改進(jìn)的性能，冷凝器80可耦合到一個(gè)散熱設(shè)備，例如散熱片。優(yōu)選地，經(jīng)由散熱片的熱量排除可以通過(guò)使得空氣在散熱片上流過(guò)而得以改進(jìn)。示例性熱量排除設(shè)備120示出在圖5A和5B中，其包含冷凝器80并提供了前述功能。熱量排除設(shè)備120包括散熱片122、馬達(dá)124以及環(huán)形離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子組合件126，其中環(huán)形離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子組合件126包括多個(gè)放射狀設(shè)置在該轉(zhuǎn)子的中心周?chē)娘L(fēng)扇葉片。在一個(gè)實(shí)施例中，散熱片122包括連接到底盤(pán)130的一列針128。散熱片通過(guò)多個(gè)緊固件(未示出)耦合到蓋板84，其中緊固件的頭部位于所述針列中所限定的間隔132內(nèi)。利用穿過(guò)3個(gè)穿孔支座136的3個(gè)緊固件(未示出)，將馬達(dá)124固定到散熱片122。然后在馬達(dá)軸138處將環(huán)形離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)子組合件126固定到馬達(dá)124。
熱量排除設(shè)備120以下述方式工作。熱量通過(guò)蓋板84從冷凝器80傳到散熱片122的底部130。熱量然后流到散熱片中的針列。隨著馬達(dá)124轉(zhuǎn)動(dòng)離心風(fēng)扇葉片組合件126，使得空氣流過(guò)針列128從而使其冷卻。被加熱的空氣然后從風(fēng)扇葉片向外排出。如果希望的話，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管將所排出的空氣引導(dǎo)到所期望的排出口。
第二示例性冷凝器實(shí)施例140示出在圖6A和6B中。冷凝器140包括主體142，主體142包括空腔144，蒸汽通過(guò)蒸汽注入口146進(jìn)入空腔144，并且，液體32通過(guò)液體排出口148流出空腔144。在一個(gè)實(shí)施例中，包括多個(gè)鰭片151的散熱片150被集成到主體142中?？蛇x地，散熱片可作為獨(dú)立部件而附接到主體142。外框152設(shè)置在空腔144之上，以在將該外框裝配到主體142后形成一個(gè)被包圍的空間，外框152包容被集成的、包括多個(gè)鰭片155的散熱片154。出于亞大氣壓實(shí)施例和成核改善中的結(jié)構(gòu)性考慮，主體142還包括多個(gè)柱子156。
隨著蒸汽26通過(guò)蒸汽注入口146進(jìn)入空腔144，它在空腔的上部的壁上冷凝成薄膜或液滴；最后該薄膜或液滴落到空腔的下部并形成液體32，液體32通過(guò)液體排出口148流出空腔。散熱片150和154的鰭片的很大的表面積有助于將冷凝器140保持在低工作溫度上，從而提高了冷凝過(guò)程的效率。
第三示例性冷凝器實(shí)施例160示出在圖7A和7B中。冷凝器160包括具有螺旋狀構(gòu)造的單圈管道162以及軸向設(shè)置在該管道周?chē)亩鄠€(gè)環(huán)行鰭片164。冷凝器160還包括蒸汽注入口166以及液體排出口168。工作時(shí)，蒸汽26進(jìn)入蒸汽注入口166，并開(kāi)始在管道162的內(nèi)壁上冷凝。蒸汽冷凝時(shí)，它轉(zhuǎn)換成液滴并最終沿著管道壁滾落，聚集在管道的較低的前部(即圖7A中管道的右側(cè)部分)。冷凝的工作液體然后通過(guò)液體排出口168流出冷凝器。
根據(jù)本發(fā)明的第一示例性CPL系統(tǒng)實(shí)施例180示出在圖8和9中。如圖8所示，CPL系統(tǒng)180可以實(shí)現(xiàn)在容納于1U底座182中的計(jì)算機(jī)服務(wù)器內(nèi)。計(jì)算機(jī)服務(wù)器包括各種計(jì)算機(jī)電路和印刷電路板(PCB)，包括耦合到模塊化處理器板的一對(duì)處理器184A和184B。注意，計(jì)算機(jī)服務(wù)器的組件中的若干個(gè)組件例如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器PCB、電連接器、主板等已從圖8所示的構(gòu)造中去除，以更加清楚。CPL系統(tǒng)180包括一對(duì)蒸發(fā)器60A和60B，二者安裝到各處理器184，以使得每個(gè)處理器的頂表面熱耦合到該處理器所安裝到的蒸發(fā)器的底部62。在可選的構(gòu)造中，可以使用各種傳熱化合物來(lái)改進(jìn)蒸發(fā)器底部和處理器之間的熱耦合。
蒸發(fā)器的蒸汽排出口72通常通過(guò)一對(duì)活動(dòng)的蒸汽傳輸線路部分187和188連接到T型連接件186。該T型連接件的公共端口連接到活動(dòng)蒸汽傳輸線路190，其具有連接到冷凝器80的蒸汽注入口86的排出側(cè)。冷凝器80是熱量排除設(shè)備120的一部分，如上參考圖5A和5B所述。冷凝器80的液體排出口88L和88R連接到各液體傳輸線路192和194的第一端。液體傳輸線路192的另一端連接到蒸發(fā)器60A的液體注入口70，而液體傳輸線路194的另一端連接到蒸發(fā)器60B的液體注入口70。
CPL系統(tǒng)180的前視圖示出在圖9中。重要的是需要認(rèn)識(shí)到根據(jù)本發(fā)明的CPL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮該系統(tǒng)中所使用的組件的前端構(gòu)造。一般地，機(jī)架安裝型服務(wù)器例如1U和2U服務(wù)器被配置成水平疊放的多個(gè)服務(wù)器。如圖9所示，冷凝器的位置使得它具有與蒸發(fā)器和傳輸線路相似的高度。這減少了系統(tǒng)壓力損失，提高了系統(tǒng)效率。
第二CPL系統(tǒng)實(shí)施例200示出在圖10中。1U服務(wù)器的右側(cè)部分中的許多組件與上述參考圖8所述的組件基本相同；相應(yīng)地，這些組件共享圖8和10中相同的標(biāo)號(hào)。CPL系統(tǒng)200包括3個(gè)冷凝器140A、140B和140C，其具有和上面參考圖6A和6B所討論的冷凝器140相似的構(gòu)造。與CPL系統(tǒng)180相同，蒸汽26通過(guò)蒸汽排出口72離開(kāi)蒸發(fā)器60A和60B，通過(guò)蒸汽傳輸線路187和188流入T形連接件186。T形連接件186連接到活動(dòng)蒸汽傳輸線路202的一端。該蒸汽傳輸線路的另一端連接到集合管204，其將蒸汽分成3個(gè)部分。集合管204的輸出分支耦合到冷凝器140A、140B和140C的各蒸汽注入口146。一個(gè)具有類(lèi)似構(gòu)造的集合管(未示出)將所述冷凝器的液體排出口148連接到活動(dòng)液體傳輸線路206的一端，而該液體傳輸線路的另一端連接到T形連接件208。T形連接件208的分支連接到各液體傳輸線路210和212的端頭，同時(shí)所述液體傳輸線路的端頭連接到蒸發(fā)器60A和60B的各液體注入口70。
CPL系統(tǒng)200還包括多個(gè)軸向風(fēng)扇214。這些風(fēng)扇用于將空氣抽吸經(jīng)過(guò)冷凝器的鰭片，從而冷卻冷凝器并改進(jìn)系統(tǒng)的熱排除能力。一般地，軸向風(fēng)扇214將位于底座的外部中。
第三示例性CPL系統(tǒng)實(shí)施例220示出在圖11和12中。圖11右側(cè)部分的許多組件與上述CPL系統(tǒng)180中所使用的組件類(lèi)似；這些組件共享圖8和11中相同的標(biāo)號(hào)。與CPL系統(tǒng)180相同，蒸汽26通過(guò)蒸汽排出口72流出蒸發(fā)器60A和60B，通過(guò)蒸汽傳輸線路187和188流入T形連接件186。T形連接件186連接到活動(dòng)蒸汽傳輸線路222的一端。該蒸汽傳輸線路的另一端連接到冷凝器160的蒸汽注入口166。耦合到馬達(dá)124的離心風(fēng)扇126位于冷凝器160內(nèi)，并用于使得空氣流過(guò)鰭片164，以改進(jìn)冷凝器在由馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的冷凝功能。
冷凝器的液體排出口168通過(guò)液體傳輸線路228連接到蓄液池226的注入口224。該蓄液池的排出口229通過(guò)液體傳輸線路232連接到T形連接件230。T形連接件230的分支連接到各液體傳輸線路234和236的端頭，同時(shí)所述液體傳輸線路的端頭連接到蒸發(fā)器60A和60B的各液體注入口70。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了若干優(yōu)點(diǎn)。例如，現(xiàn)有技術(shù)中通常使用大散熱片以冷卻微處理器。這些散熱片通常很笨重并且可能在強(qiáng)制性對(duì)流環(huán)境中產(chǎn)生振動(dòng)。而且，在底座產(chǎn)生振動(dòng)的環(huán)境例如其中安裝了多個(gè)服務(wù)器的機(jī)架型構(gòu)造中，所引發(fā)的與散熱片的重量相聯(lián)合的對(duì)底座的振動(dòng)與震動(dòng)可能會(huì)損壞處理器。通過(guò)使用活動(dòng)傳輸線路，組件之間耦合的振動(dòng)可以被大大減小。而且，由于CPL系統(tǒng)不使用大散熱片，而只具有附接到處理器的蒸發(fā)器組件，因此可以減少前述振動(dòng)問(wèn)題。另外，CPL系統(tǒng)使得可以將熱量轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底座中比較好地構(gòu)造來(lái)用于排熱的位置。結(jié)果，可以對(duì)更高密度的服務(wù)器構(gòu)造進(jìn)行充分冷卻以用于高可靠性操作。本發(fā)明還避免了熱導(dǎo)管系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)。尤其是，由于CPL系統(tǒng)具有較少的吸液結(jié)構(gòu)，因此減小了工作液體可感觸到的壓力損失，從而增大了熱容量和最大熱傳輸距離。
盡管以優(yōu)選實(shí)施形式及對(duì)其的修改來(lái)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會(huì)理解到，可以在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明做出許多其他的修改。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)被上述描述所限制，而完全由對(duì)所附的權(quán)利要求的參考來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，包括第一蒸發(fā)器，其熱耦合到第一半導(dǎo)體熱源，該蒸發(fā)器包括空腔并具有液體注入口和蒸汽排出口，工作液體在該空腔中從液態(tài)蒸發(fā)成蒸汽態(tài)，所述液體注入口用于接收液態(tài)的該工作液體，并且所述工作液體以蒸汽態(tài)的形式從所述蒸汽排出口離開(kāi)所述蒸發(fā)器；第一吸液結(jié)構(gòu)，具有用于接收液態(tài)的所述工作液體的輸入側(cè)，并包括多個(gè)毛細(xì)溝道，用于通過(guò)毛細(xì)傳輸機(jī)制將所述工作液體抽吸到所述蒸發(fā)器中；第一冷凝器，用于將所述工作液體從蒸汽態(tài)冷凝成液態(tài)，并具有蒸汽注入口和液體排出口，所述蒸汽注入口用于接收蒸汽態(tài)的所述工作液體，并且所述工作液體以液態(tài)形式流出所述冷凝器；蒸汽傳輸線路，可操作地將所述蒸發(fā)器的所述蒸汽排出口耦合到所述冷凝器的所述蒸汽注入口；以及液體傳輸線路，可操作地將所述冷凝器的所述液體排出口耦合到所述蒸發(fā)器的所述液體注入口。
2.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中所述第一吸液結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述蒸發(fā)器的所述空腔內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中所述第一冷凝器還包括內(nèi)部空腔，其中以液態(tài)形式保持了一定量的工作液體，從而用作除了冷凝器之外的蓄液池。
4.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，還包括蓄液池，其具有注入口和排出口，所述注入口通過(guò)所述液體傳輸線路的第一部分可操作地耦合到所述第一冷凝器的所述液體排出口，并且所述排出口通過(guò)所述液體傳輸線路的第二部分耦合到所述蒸發(fā)器的所述液體注入口。
5.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中所述第一吸液結(jié)構(gòu)包括一定量的熔結(jié)材料。
6.如權(quán)利要求5所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中所述熔結(jié)材料包括熔結(jié)銅。
7.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中所述第一吸液結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在所述蒸發(fā)器內(nèi)的網(wǎng)狀材料。
8.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，還包括第二蒸發(fā)器，其熱耦合到第二半導(dǎo)體熱源，所述第二蒸發(fā)器包括空腔并具有液體注入口和蒸汽排出口，工作液體在該空腔中從液態(tài)蒸發(fā)成蒸汽態(tài)，所述液體注入口用于接收一部分液態(tài)的所述工作液體，并且一部分所述工作液體以蒸汽態(tài)的形式從所述蒸汽排出口離開(kāi)所述第二蒸發(fā)器；第二吸液結(jié)構(gòu)，具有用于接收液態(tài)的所述工作液體的輸入側(cè)，并包括多個(gè)毛細(xì)溝道，用于通過(guò)毛細(xì)傳輸機(jī)制將所述工作液體抽吸到所述蒸發(fā)器中；蒸汽傳輸線路連接段，可操作地將所述第二蒸發(fā)器的所述蒸汽排出口耦合到所述蒸汽傳輸線路；以及液體傳輸線路連接段，可操作地將所述第二蒸發(fā)器的所述液體注入口耦合到所述液體傳輸線路。
9.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，還包括熱耦合到所述冷凝器的散熱片。
10.如權(quán)利要求9所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，還包括相對(duì)于所述散熱片而設(shè)置的風(fēng)扇，以當(dāng)所述風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)將空氣抽吸經(jīng)過(guò)所述散熱片。
11.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中所述工作液體包括水。
12.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，還包括第二冷凝器，用于將一部分所述工作液體從蒸汽態(tài)冷凝成液態(tài)，并具有蒸汽注入口和液體排出口，所述蒸汽注入口用于接收蒸汽態(tài)的所述工作液體，并且所述工作液體以液態(tài)形式流出所述第二冷凝器；蒸汽傳輸線路連接段，可操作地將所述第二冷凝器的所述蒸汽注入口耦合到所述蒸汽傳輸線路；以及液體傳輸線路連接段，可操作地將所述第二冷凝器的所述液體排出口耦合到所述液體傳輸線路。
13.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中所述液體傳輸線路和所述蒸汽傳輸線路中的每一個(gè)的至少一部分是活動(dòng)的。
14.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)抽吸循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其中，所述冷卻系統(tǒng)的組件被構(gòu)造成工作在具有1U外形參數(shù)的計(jì)算機(jī)服務(wù)器中。
15.一種冷凝器，包括單圈管道，具有螺旋型構(gòu)造，并包括注入口和排出口，所述注入口用于接收蒸汽態(tài)的工作液體，并且所述工作液體以液態(tài)形式從所述排出口離開(kāi)所述冷凝器；以及多個(gè)鰭片，設(shè)置在所述單圈管道的中心線周?chē)?br> 16.如權(quán)利要求15所述的冷凝器，還包括低型的離心風(fēng)扇，設(shè)置在所述單圈管道內(nèi)，并可操作地耦合到所述單圈管道，所述低型離心風(fēng)扇包括耦合到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的馬達(dá)，所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子包括多個(gè)風(fēng)扇葉片，當(dāng)所述風(fēng)扇葉片由所述馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得空氣流過(guò)所述多個(gè)鰭片，從而輔助了從所述冷凝器排除熱量。
18.一種薄型冷凝器，包括蓋板；開(kāi)溝底部元件，具有沿著其外圍延伸的外壁，所述蓋板固定到所述開(kāi)溝底部元件以形成密封空腔，所述開(kāi)溝底部元件還包括至少一個(gè)這樣的內(nèi)壁，該內(nèi)壁的一部分設(shè)置成大致與所述外壁的一部分相鄰，從而形成毛細(xì)溝道，所述至少一個(gè)內(nèi)壁將所述密封空腔劃分成冷凝區(qū)域和所述毛細(xì)溝道；蒸汽注入口，可操作地耦合到所述密封空腔，用于接收蒸汽態(tài)的工作液體；以及第一液體排出口，可操作地耦合到所述毛細(xì)溝道的排出端，所述工作液體從該第一液體排出口離開(kāi)所述冷凝器。
19.如權(quán)利要求18所述的薄型冷凝器，還包括裝料口，可操作地耦合到所述冷凝器，以使得可將所述工作液體裝填到所述冷凝器。
18.如權(quán)利要求18所述的薄型冷凝器，還包括延伸穿過(guò)所述冷凝區(qū)域的孔洞。
19.如權(quán)利要求18所述的薄型冷凝器，其中所述至少一個(gè)內(nèi)壁包括被構(gòu)造成將所述毛細(xì)溝道與所述冷凝區(qū)域熱隔離的部分。
20.如權(quán)利要求18所述的薄型冷凝器，其中所述至少一個(gè)內(nèi)壁包括這樣的部分，其被對(duì)稱地構(gòu)造，以形成設(shè)置在中央的冷凝區(qū)域，該區(qū)域連接到設(shè)置在所述冷凝區(qū)域的第一側(cè)上的第一毛細(xì)溝道，并連接到設(shè)置在所述冷凝區(qū)域與所述第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)上的第二毛細(xì)溝道。
21.如權(quán)利要求20所述的薄型冷凝器，還包括第二液體排出口，其可操作地耦合到所述第二毛細(xì)溝道的排出端。
22.如權(quán)利要求18所述的薄型冷凝器，還包括多個(gè)柱子，設(shè)置在所述冷凝區(qū)域內(nèi)，延伸在所述開(kāi)溝底部元件和所述蓋板之間。
23.如權(quán)利要求18所述的薄型冷凝器，還包括熱耦合到所述蓋板的散熱片。
24.如權(quán)利要求23所述的薄型冷凝器，其中所述散熱片包括底板，該底板具有從其處向上延伸的多個(gè)針。
25.如權(quán)利要求23所述的薄型冷凝器，還包括離心風(fēng)扇，該風(fēng)扇包括環(huán)形風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有沿著所述散熱片的外圍而設(shè)置的多個(gè)風(fēng)扇葉片，以在旋轉(zhuǎn)時(shí)將空氣抽吸經(jīng)過(guò)所述散熱片。
26.一種蒸發(fā)器，包括底部，在其外圍部分內(nèi)具有一個(gè)空腔，并被構(gòu)造成熱耦合到半導(dǎo)體熱源；頂蓋，固定到所述底部的所述外圍部分以形成密封空間，工作液體在該密封空間中蒸發(fā)；液體注入口，可操作地耦合到所述密封空間，以接收液態(tài)的所述工作液體；蒸汽排出口，可操作地耦合到所述密封空間，所述工作液體從該排出口以蒸汽態(tài)離開(kāi)所述蒸發(fā)器；以及吸液結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述空腔的一部分內(nèi)，具有在其上形成了新月形的所述工作液體的頂表面，并具有底表面，通過(guò)毛細(xì)機(jī)制以及壓力差，所述工作液體被抽吸進(jìn)入所述底表面，其中所述壓力差形成在所述新月形的所述工作液體的壓力以及所述密封空間中的所蒸發(fā)的工作液體的壓力之間。
27.如權(quán)利要求26所述的蒸發(fā)器，還包括多個(gè)結(jié)構(gòu)性元件，延伸在所述底部和所述頂蓋之間，以在所述蒸發(fā)器工作時(shí)防止所述密封空間坍塌，使得所述工作液體的蒸發(fā)發(fā)生在亞大氣壓條件下。
28.如權(quán)利要求26所述的蒸發(fā)器，其中所述吸液結(jié)構(gòu)包括一定量的熔結(jié)材料。
29.如權(quán)利要求27所述的蒸發(fā)器，其中所述熔結(jié)材料包括熔結(jié)銅。
30.如權(quán)利要求27所述的蒸發(fā)器，其中所述底部和所述頂蓋中的每一個(gè)都包括沖壓金屬組件。
全文摘要
模塊化CPL冷卻系統(tǒng)將熱量從底座中的高功率電路組件(22)傳遞到底座內(nèi)部或外部的其他位置，在該位置處可以更容易地排除熱量。所述CPL冷卻系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器(10)，其通過(guò)活動(dòng)的液體傳輸線路和蒸汽傳輸線路(16、14)連接到一個(gè)或多個(gè)冷凝器(12)。每個(gè)冷凝器(10)中都設(shè)置了吸液結(jié)構(gòu)(20)。吸液結(jié)構(gòu)(20)基于毛細(xì)機(jī)制和壓力差，將液態(tài)的工作液體(例如水)抽吸到蒸發(fā)器(10)中，所述壓力差跨越形成在吸液結(jié)構(gòu)(20)的上表面上的液體/蒸汽界面處的新月形。在這一界面處，液體蒸發(fā)，并從熱源(22)吸收能量。該能量由蒸汽傳輸?shù)嚼淠?12)，在此處工作液體重新冷凝成液體，從而釋放了能量。
文檔編號(hào)H05K7/20GK1556911SQ02818561
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月20日
發(fā)明者賈森·切瑟, 巴雷特·法納夫, 斯蒂夫·蒙哥馬利, 法納夫, 蒙哥馬利, 賈森 切瑟 申請(qǐng)人:英特爾公司