被冷卻的電子系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】被冷卻的電子系統(tǒng)
[0001]本申請是申請人“愛思歐托普有限公司”于2012年1月12日提交的、發(fā)明名稱為“被冷卻的電子系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請201080031498.8(國際申請?zhí)?PCT/GB2010/000950)的分案申請。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于容納在運行時產(chǎn)生熱的電子部件的模塊或艙盒、一種冷卻這種電子部件的方法、一種冷卻電子裝置的方法、一種被冷卻的電子系統(tǒng)以及一種用冷卻液體填充用于電子裝置的容器的方法。例如，本發(fā)明尤其能夠應用于計算機處理器和主板。
【背景技術】
[0003]電子部件和特別是計算機處理器在運行時產(chǎn)生熱，這可以導致過熱和對部件和隨之系統(tǒng)的其它的部分的損壞。因此希望冷卻所述部件以將熱遠離部件傳遞和使部件溫度保持低于部件的正確且可靠的運行所規(guī)定的最大運行溫度。
[0004]此問題具體涉及到數(shù)據(jù)處理或計算機服務器中心，其中，大量的計算機處理器共處一處并且用于在很長的一段時間內(nèi)可靠且連續(xù)的運行。這些中心通常可以容納多個服務器單元，所述多個服務器單元占據(jù)多個設備架并且填充一個或多個室。每個服務器單元容納一個或多個服務器板。單獨的個服務器板可以使幾百瓦特的電功率作為熱而耗散。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，連續(xù)地傳遞熱以便保持正確運行所需的能量可和使服務器運行所需的能量具有相同的數(shù)量級。
[0005]產(chǎn)生的熱可以傳遞至處理器位于其中的建筑物外部的最終散熱裝置，例如傳遞至建筑物周圍的大氣空氣。目前的實施通常依賴空氣作為處理器和最終散熱裝置之間一個或多個級的傳遞介質。
[0006]但是，對于如此大量的熱而言，難以將空氣用作傳遞介質，而不在建筑物的基層結構上施加較大的限制。這是因為熱傳遞的速率可以隨著熱源(例如服務器板，特別是計算機處理器)和最終散熱裝置之間溫度差(ΛΤ)不斷增大以及使熱源和最終散熱裝置熱連接的路徑或多個路徑的熱阻的不斷減小而增大。
[0007]—些用于處理該困難的已知技術被設計成控制容納處理器的位置的環(huán)境條件。目前經(jīng)常使用空氣處理技術，例如:使局部空氣溫度降低以使局部溫度差增大的空氣的蒸汽壓縮制冷(“空氣調節(jié)裝置”);以及使空氣流速增大并且因此使熱阻減小的空氣加壓(通過使用風扇)。還可以使用多個熱交換級以便將從局部空氣中提取出的熱傳遞至諸如大氣空氣之類的最終散熱裝置。
[0008]但是，因為使用空氣調節(jié)裝置可能需要大量的電功率以運行，所以這些方法可能是無效的。由于局部溫度和噪音，因此這些方法還可能使所述位置讓人感到不愉快。
[0009]此外，可能必須限制空氣流速和空氣溫度，例如使溫度保持低于“露點”以防止從空氣中凝結出來的水蒸汽，這可以損壞靈敏的電子部件。出于這些原因，目前服務器通常稀疏地分布以降低熱密度和改進局部空氣流動，由此減小熱阻。
[0010]利用與電子部件接觸的液體來冷卻電子部件可以用于使服務器密度增大，使冷卻成本降低或二者兼得。
[0011]在US-2007/109742和GB-A-2432460中描述用于利用液體冷卻電子部件的現(xiàn)有技術。計算機處理器板容納在密封容器內(nèi)。優(yōu)選為油的冷卻劑液體栗送穿過容器。處理器板位于容器的底部處，并且蒸發(fā)器旋管定位在容器的頂部處，使得在冷卻劑液體中產(chǎn)生對流。冷卻劑液體被處理器板加熱，并且生成的蒸氣流動到冷凝器中。容器定位成使得內(nèi)部的電路板位于水平面中以允許來自部件的熱的對流。
[0012]利用冷凝器以提供制冷增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，并且給系統(tǒng)實施又引入一些限制。
[0013]W0-2006/133429和US-2007/034360描述了一種用于冷卻電子部件的替代性的已知方法。電子部件密封在填充有液體的容器內(nèi)，并且導熱板被設置為容器的與液體接觸的部分。導熱板將熱從液體傳導至容器外部。雖然這設計成用于獨立運行，但是導熱板可以聯(lián)接于另一個熱交換器以用于電子部件的附加冷卻。
[0014]與要求栗送容器內(nèi)的液體的方法相比，該替代性裝置使系統(tǒng)的復雜性降低。但是，這并不顯著地解決使熱源和最終散熱裝置之間的熱阻減小的困難。即使溫度差增大，總熱阻仍將是顯著的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]針對此背景，且在第一方面，本發(fā)明提供一種用于容納一個或多個發(fā)熱電子部件的可密封模塊。該模塊包括:外殼;熱傳遞裝置，該熱傳遞裝置具有傳導表面，所述外殼和傳導表面一起限定第一冷卻液體可以位于其中的體積，熱傳遞裝置還限定用于接收第二冷卻液體的通道，傳導表面使體積和通道分開以允許熱通過傳導表面在體積和通道之間傳導；以及電子部件，該電子部件位于體積中。傳導表面或外殼的至少一部分成形成與電子部件的形狀相符。
[0016]通過使外殼、傳導表面或二者的形狀符合電子部件的形狀，第一冷卻液體和第二冷卻液體之間的熱傳遞的效率顯著提高。這使得能夠使第一冷卻液體保持為液體狀態(tài)直到從電子部件輸出較高水平的熱。
[0017]在優(yōu)選實施方式中，可密封模塊還包括在使用時產(chǎn)生熱的至少一個電子部件和位于體積中的第一冷卻液體。
[0018]第二液體冷卻劑被使得在通道中流動，從而與傳導表面直接接觸。優(yōu)選地栗送第二液體冷卻劑。通過從體積中的第一冷卻液體傳導到通道中的第二冷卻液體的熱傳遞使熱阻顯著地減小。這使熱傳遞的效率提高，從而使這樣的系統(tǒng)尺寸可變且能夠應用于產(chǎn)生大量的熱的系統(tǒng)，例如數(shù)據(jù)處理中心。此外，通過使用傳導表面以傳遞熱而獲得的該系統(tǒng)的減小的熱阻使冷卻劑能夠始終保持在液體狀態(tài)，由此避免對使系統(tǒng)的復雜性和成本增加的蒸氣循環(huán)制冷的需要。
[0019]此外，用于冷卻的電力消耗通過減輕或甚至消除對蒸氣壓縮制冷的需要而降低。這還使電子部件和諸如服務器板之類的電子電路板的密度能夠增大。
[0020]對于給定密度的服務器和部件，冷卻系統(tǒng)從每個部件可取地排出足夠的熱以使所述部件保持在其預期運行溫度范圍內(nèi)，但是不超過該范圍。和產(chǎn)生較大量的熱的那些裝置相比，產(chǎn)生較少熱的裝置需要較少的冷卻。低于令人滿意的運行所需的水平的冷卻通常將消耗不必要的附加能量并且因此不是最佳地有效的。
[0021]有益地，通道具有限定通道寬度的與傳導表面接觸的區(qū)域，并且其中，與傳導表面的尺寸相比，最小通道寬度是顯著的。
[0022]附加地或可替代地，通道沿著具有至少一個方向上的變化的路徑與傳導表面接合。優(yōu)選地，路徑具有直的部分，并且其中，最小通道寬度為路徑的直的部分的長度的至少:10%，在其它實施方式中，最小通道寬度可以是通道的直的部分的長度的至少10% ; 20% ;30% ; 40% ;或50%。附加地或可替代地，路徑包括主路徑和支路徑，支路徑在至少一點處連接于主路徑。液體的更多湍流可以改進熱傳遞。
[0023]在第二方面，本發(fā)明提供冷卻電子部件的方法，該方法包括:提供包括外殼和具有傳導表面的熱傳遞裝置的模塊，外殼和傳導表面一起限定體積;將電子部件容納在體積內(nèi)；以第一冷卻液體填充體積；以及通過傳導表面在第一冷卻液體和第二冷卻液體之間傳導熱，第一冷卻液體和第二冷卻液體位于傳導表面的兩個側面上。傳導表面或外殼的至少一部分成形成與電子部件的形狀相符。
[0024]優(yōu)選地，將熱從第一冷卻液體傳導至第二冷卻液體的步驟構造成使得第一冷卻液體和第二冷卻液體保持在液體狀態(tài)。
[0025]在本發(fā)明的第三方面，可以提供可密封模塊套件，該可密封模塊套件包括:外殼；熱傳遞裝置，該熱傳遞裝置具有傳導表面，熱傳遞裝置構造成聯(lián)接于外殼使得傳導表面和外殼限定第一冷卻液體可以位于其中的體積，熱傳遞裝置還限定用于接收第二冷卻液體的通道，使得在熱傳遞裝置聯(lián)接于外殼時，傳導表面使體積和通道分開以允許通過傳導表面在體積和通道之間傳導熱；以及電子部件，該電子部件位于體積中。傳導表面或外殼的至少一部分成形成與電子部件的形狀相符。
[0026]如通過以上詳細說明的第一、第二或第三方面中的任何一個，許多附加特征可以應用于所詳細說明的本發(fā)明。將在下面描述這些附加特征。
[0027]有利地，傳導表面具有用于在體積和通道之間傳導熱的凸出到第一體積中的至少一個凸出部。使用至少一個凸出部使傳導表面的表面面積增大并且可以允許傳導表面和電子部件的形狀之間的更接近的相符。這改進了熱傳導的效率。
[0028]在可密封模塊包括電子部件的情況下，傳導表面優(yōu)選地具有用于在體積和通道之間傳導熱的凸出到第一體積中的至少一個凸出部，至少一個凸出部布置成與電子部件的形狀相符。通過使部件和傳導表面之間的空間減小;使總凸出部表面面積增大以使熱流動路徑中的熱阻減小;使得用于有效冷卻所需的冷卻液體的體積較??；允許具有較差的傳導性但是具有減少的成本或重量或二者兼具的材料(例如，塑料)的使用增加而進一步改進熱傳導效率。特別地，如果冷卻液體與傳導表面快速地接觸，則改進冷卻的效率。
[0029]可選地，傳導表面由導熱良好的合成塑料制成。附加地或可替代地，外殼可以由合成塑料制成。優(yōu)選地，該合成塑料是絕熱的。在實施方式中，熱傳遞裝置可以由合成塑料制成。
[0030]在一些實施方式中，可密封模塊還包括部件散熱裝置，該部件散熱裝置聯(lián)接于電子部件，具有布置成與傳導表面的至少一個凸出部協(xié)作的至少一個凸出部。
[0031]有利地，傳導表面的至少一個凸出部包括翅片裝置。可替代地或附加地，傳導表面的至少一個凸出部包括銷釘裝置。在優(yōu)選實施方式中，至少一個凸出部包括銷釘-翅片裝置。銷釘-翅片凸出部可以在高度上有變化。優(yōu)選地，它們成形為矩形橫截面的翅片。更優(yōu)選地，凸出部不覆蓋整個傳導表面。
[0032]優(yōu)選地，分流器位于體積中。該分流器可以采取擋板或其它的被動流動控制機構的形式。這種特征的目的是使液體的熱的上升羽流轉向遠離部件的正上方，否則可能會過熱。
[0033]可選地，多個電導體位于體積中，多個電導體布置成檢測第一冷卻液體的高度。這些電導體優(yōu)選地采取向下延伸到體積中的模塊的頂部處的一對桿的形式。這些電導體可以起到電容器的作用，(通過應用介電效應)其值隨著液面變化而改變。通過附接合適的電子電路，可以推斷用于第一冷卻液體的液面。這使操作員能夠知道何時液面低于對目前液體溫度而言正常的高度并且指示泄漏的可能性。相同的裝置可以用于在模塊的初始填充(或加滿)期間確定液面。
[0034]附加地或可替代地，外殼中的透明窗口用于直接觀察液面。另一個可選改進將是將傳感器和相關聯(lián)電路建造到安裝電子部件或與電子部件相鄰的電路板中。
[0035]在傳導表面限定通道的某些實施方式中，通道的形狀布置成與電子部件的形狀相符。這允許進一步改進第一冷卻液體和第二冷卻液體之間的熱傳遞效率。
[0036]在優(yōu)選實施方式中，熱傳遞裝置形成為一件式熱傳遞裝置。用于熱傳遞裝置的一件式組件可以不要求維護并且可以由通道預先形成到其中的冷板部分和焊接或否則粘附到冷板部分上的密封板構成。這消除螺釘和墊圈并且使液體泄漏的可能性降低。
[0037]在一些實施方式中，熱傳遞裝置還包括聯(lián)接于傳導表面并且限定用于接收第二冷卻液體的通道的基部。
[0038]在一個實施方式中，外殼和傳導表面限定內(nèi)室，并且熱傳遞裝置還包括限定通道的外室。
[0039]使用外室有利地提供了緊湊的模塊，該外室限定用于接收第二冷卻液體的通道并且布置成與內(nèi)殼協(xié)作以提供傳導表面。這樣一種裝置可以附加地使通道的寬度能夠限定或調節(jié)成滿足熱傳遞要求?？蛇x地，外室由合成塑料制成。
[0040]有利地，可密封模塊還包括覆蓋外殼的至少一部分的隔離層。優(yōu)選地，隔離層位于體積內(nèi)。附加地或可替代地，可密封模塊可以包括位于體積外部的覆蓋外殼的至少一部分的隔離層。外部隔離層可以包括柔性泡沫。該柔性泡沫具有另一個優(yōu)點:能夠支承用于液體輸入、輸出或二者的連接器，同時允許使管為彎曲的元件。該柔性泡沫將通過允許滑動零件中的更大公差而使得插入到相關聯(lián)的架中變得更容易。
[0041 ]優(yōu)選地，多于一個電子部件可以位于體積中。在優(yōu)選實施方式中，可密封模塊包括多個電子部件一一該多個電子部件中的至少一個在使用時產(chǎn)生熱，并且還包括保持多個電子部件的電路板。
[0042]通過將電路板浸沒在精選的液體中，該電路板免受由于空氣傳播的污染物或否則從大氣中凝結出來或在別處泄漏的水的損害。例如，出現(xiàn)在空氣中或溶解在水中的污染物可以容易地侵蝕電路板上的細的電路線。此外，可以封裝或冷卻諸如電源、DC-DC變流器以及磁盤驅動器之類的其它的發(fā)熱部件。在至少一個電子部件包括磁盤驅動器的情況下，磁盤驅動器優(yōu)選為固態(tài)裝置。具有移動零件的裝置對浸沒在液體中而言是不可取的。
[0043]第一冷卻液體優(yōu)選地占據(jù)可密封模塊的體積的一部分，使得對液體遇熱膨脹而言存在可用的體積而不使體積中的壓力顯著地增大。
[0044]優(yōu)選地，可密封模塊還包括定位在電路板和外殼之間的保護膜，保護膜布置成防止外殼和電路板之間的液體流動。這通過該不可取的路徑使熱阻增大并且使需要填充所述體積的冷卻劑的體積減小，同時允許在電路板的后部上出現(xiàn)小型部件。在優(yōu)選實施方式中，所述保護膜是可變形的。
[0045]有利地，電路板的至少一部分與外殼整體地形成在一起。電子電路板可以例如僅利用側壁與模塊外殼的部分形成一體。接著，互連件可以直接穿過電路板以出現(xiàn)在外殼的外表面上，從而不再需要在退出的點處將線纜與模塊密封在一起?？蛇x地，電路板和壁例如利用纖維玻璃模制而構造為單獨的零件，因此又減少了密封問題。
[0046]在優(yōu)選實施方式中，可密封模塊還包括:模塊的填充入口，該填充入口位于外殼中，并且液體可以通過該填充入口被接收到體積中；以及填充入口的密封件。這允許在現(xiàn)場用冷卻液體對可密封模塊體積快速填充或重新填充。
[0047]優(yōu)選地，可密封模塊包括減壓閥，該減壓閥位于外殼中并且布置成允許在體積內(nèi)的壓力超過預定限制時液體從體積流出。
[0048]可選地，所述通道具有限定通道寬度的與傳導表面接觸的區(qū)域，并且其中，與傳導表面的尺寸相比，