專利名稱：冷卻系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從電子設(shè)備、模塊和系統(tǒng)中除去熱量的冷卻組件及其它裝置。尤其是，這個發(fā)明涉及用于從一個或者多個電子機(jī)架的一個或者多個電子子系統(tǒng)的熱生成部件中提取熱量的增強(qiáng)的冷卻系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，由于電子芯片設(shè)備的電路密度增加以便實(shí)現(xiàn)越來越塊的處理速度，所以存在相應(yīng)增加的、對于除去由這些設(shè)備生成的熱量的需要。因?yàn)殡娐吩O(shè)備被更緊密地封裝在一起，以及因?yàn)殡娐繁旧硪栽絹碓礁叩臅r(shí)鐘頻率進(jìn)行操作，所以出現(xiàn)了增加的熱量需要。盡管如此，同樣已知的是，失控的熱狀況和由芯片生成的過多熱量是導(dǎo)致芯片設(shè)備故障的主要原因。此外，可以預(yù)料到，對從這些設(shè)備中除去熱量的需要將會無限地增加。因此，可以看出，提供用于電子電路設(shè)備的有用冷卻機(jī)構(gòu)是大而重要的需要。
新的每一代計(jì)算機(jī)都繼續(xù)提供增加了的速度和功能。在大多數(shù)情況下，這已經(jīng)通過增加了的功率損耗和增加了的封裝密度的組合來實(shí)現(xiàn)。最后結(jié)果已經(jīng)增加了在各級封裝處的熱流。例如，今天許多大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通用封裝配置是多抽屜機(jī)架，其中每個抽屜包含一個或者多個處理器模塊以及諸如存儲器、電源和硬盤驅(qū)動器設(shè)備之類的相關(guān)聯(lián)電子設(shè)備。這些抽屜是可移除單元，以便如果單個抽屜發(fā)生了故障，則可以現(xiàn)場除去和替換該抽屜。與這個配置有關(guān)的問題是，在電子抽屜級別處的熱流量增加使得越來越難以通過簡單的空氣冷卻來耗散熱量。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)通過一個冷卻系統(tǒng)來克服，而且該冷卻系統(tǒng)提供了另外的優(yōu)點(diǎn)，所述冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑分配單元，該冷卻劑分配單元包含第一換熱器、第一冷卻回路和至少一個第二冷卻回路，第一冷卻回路接收設(shè)備冷卻劑，并且使其中的至少一部分通過第一換熱器，所述至少一個第二冷卻回路向至少一個電子子系統(tǒng)提供系統(tǒng)冷卻劑，并且在第一換熱器中將熱量從至少一個電子子系統(tǒng)排出到第一冷卻回路中的設(shè)備冷卻劑；以及至少一個與所述至少一個電子子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的熱耗散單元，每個熱耗散單元包含第二換熱器、所述至少一個第二冷卻回路中的第二冷卻回路、以及第三冷卻回路，該第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給第二換熱器，第三冷卻回路循環(huán)在所述至少一個電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑，并且在第二換熱器中將熱量從所述至少一個電子子系統(tǒng)排出到該第二冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑。
在另一個方面，提供了一種受冷卻的電子系統(tǒng)。所述受冷卻的電子系統(tǒng)包括至少一個包含多個電子子系統(tǒng)的電子機(jī)架，以及冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑分配單元和多個熱耗散單元。冷卻劑分配單元包括第一換熱器、第一冷卻回路和多個第二冷卻回路。第一冷卻回路接收設(shè)備冷卻劑，并且使其中的至少一部分通過第一換熱器。多個第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給多個電子子系統(tǒng)中的至少一些電子子系統(tǒng)，并且在第一換熱器中將熱量從所述至少一些電子子系統(tǒng)排出到第一冷卻回路中的設(shè)備冷卻劑。每個熱耗散單元與所述至少一些電子子系統(tǒng)中的相應(yīng)一個電子子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，而且每個單元包括第二換熱器、所述多個第二冷卻回路中的第二冷卻回路、以及第三冷卻回路。該第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給第二換熱器，而且第三冷卻回路循環(huán)在相應(yīng)電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑，并且在第二換熱器中將熱量從該電子子系統(tǒng)排出到第二冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑。
還描述和要求保護(hù)了制造用于電子子系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的方法和用于冷卻包含多個電子子系統(tǒng)的電子機(jī)架的方法。
此外，通過本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。此處詳細(xì)描述了本發(fā)明的其它實(shí)施例和方面，而且這些其它實(shí)施例和方面被認(rèn)為是所要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。


在說明書的結(jié)束處的權(quán)利要求中特別指出和清楚地要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述及其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中在附圖中圖1描述了諸如計(jì)算機(jī)機(jī)房水調(diào)節(jié)單元(CRWCU)之類的、用于冷卻計(jì)算環(huán)境中的一個或多個電子機(jī)架的傳統(tǒng)的冷卻劑分配單元；圖2是電子機(jī)架中的電子抽屜及其冷卻系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示意圖，其中該冷卻系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的、具有設(shè)備冷卻劑回路和系統(tǒng)冷卻劑回路的冷卻劑分配單元；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個方面、用于電子機(jī)架中的電子子系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示意圖，該冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑分配單元和包含所述電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)(conditioned)冷卻劑回路的熱耗散單元；圖4A描述了根據(jù)本發(fā)明的一個方面、過濾在圖3的冷卻系統(tǒng)的受調(diào)節(jié)冷卻劑回路內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑的方法的一個實(shí)施例；圖4B描述了根據(jù)本發(fā)明的一個方面、被示為與要冷卻的電子模塊相耦接的圖4A中的熱耗散單元部件的一個實(shí)施例；圖5A描述了根據(jù)本發(fā)明的一個方面、過濾在圖3的冷卻系統(tǒng)的受調(diào)節(jié)冷卻劑回路內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑的方法的替換實(shí)施例；圖5B描述了根據(jù)本發(fā)明的一個方面、被示為與要冷卻的電子模塊相耦接的在過濾了受調(diào)節(jié)冷卻劑之后的熱耗散單元部件的一個實(shí)施例；圖6A是根據(jù)本發(fā)明一個方面的微尺度(micro-scaled)冷卻結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施例的截面正視圖，所述微尺度冷卻結(jié)構(gòu)與電子模塊耦接，用于將熱量從模塊的集成電路芯片排出到微尺度冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑。
圖6B是根據(jù)本發(fā)明一個方面的微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的替換實(shí)施例的截面正視圖，所述微尺度冷卻結(jié)構(gòu)與其上具有多個集成電路芯片的基板相耦接，并通過不可滲透的屏障層將受調(diào)節(jié)冷卻劑與集成電路芯片相分離。
圖6C是根據(jù)本發(fā)明一個方面的微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施例的截面正視圖，所述微尺度冷卻結(jié)構(gòu)與其上具有多個集成電路芯片的基板相耦接，其中通過直接受調(diào)節(jié)冷卻劑浸入來冷卻所述集成電路芯片。
具體實(shí)施例方式
此處使用的“電子子系統(tǒng)”包含任何外殼、隔箱、抽屜、刀片等，它們包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個或多個熱生成部件或者需要冷卻的其它電子系統(tǒng)。術(shù)語“電子機(jī)架”包括任何機(jī)柜、機(jī)架、刀片式服務(wù)器系統(tǒng)等，它們具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者電子系統(tǒng)中的熱生成部件，并且可以是例如具有高、中或者低端處理性能的獨(dú)立計(jì)算機(jī)處理器。在一個實(shí)施例中，電子機(jī)架可能包含多個電子子系統(tǒng)，每個電子子系統(tǒng)具有一個或多個需要冷卻的熱生成部件。每個熱生成部件可以包含電子設(shè)備、電子模塊、集成電路芯片等。此處使用的“微尺度冷卻結(jié)構(gòu)”是指具有200微米或者更少的特征尺寸的冷卻結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻劑的一個示例是水。然而，可容易地使此處公開的概念適于利用其它類型的冷卻劑在冷卻系統(tǒng)的設(shè)備側(cè)、系統(tǒng)側(cè)、和受調(diào)節(jié)冷卻劑側(cè)上使用。例如，一種或者多種冷卻劑可以包含鹽水、碳氟化合物液體、液態(tài)金屬、或者其它類似的冷卻劑或者制冷劑，并同時(shí)仍然保持本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和獨(dú)特特征。
如上面簡要所述的，計(jì)算機(jī)設(shè)備(主要是處理器)的功率等級再次上升到了不能再簡單地進(jìn)行空氣冷卻的級別。這些部件將很可能被水冷。由處理器耗散的熱量可以經(jīng)由水冷卻式冷板傳輸?shù)剿?。通?？稍诳蛻粑恢?即，數(shù)據(jù)中心)處使用的設(shè)備水不適合于在這些冷板中使用。首先，冷凝形成是個考慮因素，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心水的溫度(范圍從7℃到15℃)遠(yuǎn)低于機(jī)房露點(diǎn)(通常為18-23℃)。其次，設(shè)備水的相對差的質(zhì)量(在化學(xué)、清潔度等方面)影響了系統(tǒng)可靠性。因此，所希望的是利用這樣的水冷卻/調(diào)節(jié)單元，其往返于電子子系統(tǒng)之間循環(huán)較高質(zhì)量的水，并且將熱量排到數(shù)據(jù)中心水中。此處使用的“設(shè)備水”或者“設(shè)備冷卻劑”在一個示例中是指這個數(shù)據(jù)中心的水或者冷卻劑，而“系統(tǒng)冷卻劑”是指在冷卻劑分配單元和要冷卻的電子子系統(tǒng)之間循環(huán)的受冷卻/調(diào)節(jié)的冷卻劑，且“受調(diào)節(jié)”冷卻劑是指在給定電子子系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的冷卻劑。
現(xiàn)在參考附圖，其中在不同的附圖中使用的相同參考數(shù)字指示相同或者相似的部件。圖1描述了用于計(jì)算機(jī)機(jī)房的冷卻劑分配單元100的一個實(shí)施例。冷卻劑分配單元傳統(tǒng)上是一個相對大的單元，其占據(jù)超過現(xiàn)在被認(rèn)為是兩個滿的電子機(jī)柜的地方。冷卻單元100內(nèi)有電源/控制元件112、儲存器/膨脹箱113、換熱器114、泵115(經(jīng)常伴有冗余的第二泵)、設(shè)備水(或者地點(diǎn)或客戶服務(wù)水或冷卻劑)入口116和出口117供應(yīng)管道、經(jīng)由聯(lián)接器120和管線122將水引導(dǎo)到電子機(jī)柜130的供應(yīng)多支管118、以及經(jīng)由管線123和聯(lián)接器121引導(dǎo)來自電子機(jī)柜130的水的返回多支管119。每個電子機(jī)架包括多個電子抽屜或者多個電子子系統(tǒng)135。
圖2示意性地說明了圖1中的冷卻系統(tǒng)的操作，其中將液體冷卻冷板155顯示為與電子機(jī)架130內(nèi)的電子抽屜135的電子模塊150相耦接。在由冷卻劑分配單元100中的換熱器114、管線122、123和冷板155定義的系統(tǒng)冷卻劑回路內(nèi)，經(jīng)由通過泵115泵送的系統(tǒng)冷卻劑、通過冷板155從電子模塊150中除去熱量。系統(tǒng)冷卻劑回路和冷卻劑分配單元被設(shè)計(jì)成向電子設(shè)備提供具有受控的溫度和壓強(qiáng)、以及受控的化學(xué)性質(zhì)和清潔度的冷卻劑。此外，系統(tǒng)冷卻劑與最終將熱量所傳輸?shù)降?、在管線116、117中的較不受控制的設(shè)備冷卻劑物理分離。在諸如圖2所述的系統(tǒng)中還不需要過濾結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)橄到y(tǒng)冷卻劑回路具有足夠大以允許殘留微粒碎片自由地流過該回路的、用于流體流動的特征尺寸。例如，在由紐約Armonk的國際商業(yè)機(jī)器公司所提供的ES/9000系統(tǒng)中采用了具有1.65毫米直徑通道的冷板。
如所述的那樣，當(dāng)設(shè)計(jì)者致力于不斷增加的計(jì)算性能時(shí)，處理器功率級別繼續(xù)上升。預(yù)計(jì)電子模塊的功率級別會大大地超過傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)，并且甚至超過傳統(tǒng)的液體冷卻冷板概念。為了解決這些將來的冷卻需要，正在開發(fā)微尺度冷卻結(jié)構(gòu)。New Hampshire(新罕布什爾州)Claremont的Mikros Manufacturing公司和德國Berlin(柏林)的ATOTECH銷售了具有這樣結(jié)構(gòu)的兩個示例。在本領(lǐng)域中還可以使用微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的其它示例。這些微尺度冷卻結(jié)構(gòu)具有比先前采用的冷板小一個數(shù)量級以上的特征尺寸。此外，微尺度結(jié)構(gòu)具有數(shù)量級等于或者小于下述這樣的顆粒的最小尺寸，這些顆粒定期地循環(huán)通過諸如圖1和2所述的冷卻系統(tǒng)中的系統(tǒng)冷卻劑。在可用的微尺度結(jié)構(gòu)中，特征尺寸當(dāng)前在從50到100微米(微米)的范圍內(nèi)，而且可以隨著技術(shù)的成熟可進(jìn)一步減少。在這些小的寬度尺度上，強(qiáng)制進(jìn)行液體清潔。在這樣的尺寸上，微尺度冷卻結(jié)構(gòu)可以更象過濾器而不是象散熱器那樣起作用，由此抑制了冷卻。
一種對該問題的解決方案是在圖1和2的冷卻組件中的系統(tǒng)冷卻劑側(cè)引入過濾器。不幸的是，這將會是不合需要的，這是因?yàn)樗鼘黾宇~外的壓降并且需要持續(xù)的維護(hù)。因此，在一個方面中，本發(fā)明的一個目的是創(chuàng)建與電子子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的隔離的子組件，其與系統(tǒng)冷卻劑回路熱接觸并且被設(shè)計(jì)和制造為容納諸如上面所述的、微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的微尺度方面。
圖3描述了實(shí)現(xiàn)這個目的的冷卻系統(tǒng)的一個實(shí)施例。這個冷卻系統(tǒng)或者裝置包括冷卻劑分配單元100和一個或多個熱耗散單元195。每個熱耗散單元195與計(jì)算環(huán)境下的電子機(jī)架130中的相應(yīng)電子子系統(tǒng)或者抽屜135相關(guān)聯(lián)。冷卻劑分配單元100又包括第一換熱器114、第一冷卻回路116、117、和一個或多個第二冷卻回路122、123。第一冷卻回路116、117接收設(shè)備冷卻劑，并且使其中的至少一部分通過第一換熱器114。每個第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給至少一個電子子系統(tǒng)135，并且在第一換熱器114中將熱量從電子子系統(tǒng)135排出到第一冷卻回路116、117中的設(shè)備冷卻劑。系統(tǒng)冷卻劑經(jīng)由泵115在第二冷卻回路122、123內(nèi)循環(huán)。
每個熱耗散單元195與相應(yīng)的電子子系統(tǒng)135相關(guān)聯(lián)，并且包括第二換熱器160、一個或者多個第二冷卻回路中的第二冷卻回路122、123、第三冷卻回路170、以及微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180。第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給第二換熱器160，而第三冷卻回路通過微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180循環(huán)在至少一個電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑，并且在第二換熱器160中排出來自電子子系統(tǒng)135中的熱生成部件190(例如，電子模塊)的熱量。熱量在換熱器中被排出到第二冷卻回路122、123中的系統(tǒng)冷卻劑。受調(diào)節(jié)的冷卻劑經(jīng)由泵175、通過熱耗散單元195中的第三冷卻回路170進(jìn)行循環(huán)。在最初并入其中的、共同轉(zhuǎn)讓并一起提交的申請“Cooling Apparatus For An Electronics SubsystemEmploying A Coolant Flow Drive Apparatus Between Coolant FlowPaths”中提供了適當(dāng)?shù)谋?75的一個示例。在一個示例中，第三冷卻回路是閉合回路流動通路，由此最小化了一旦如下所述過濾了受調(diào)節(jié)的冷卻劑時(shí)顆粒進(jìn)入冷卻回路的機(jī)會。
有利的是，第三冷卻回路與冷卻組件中的系統(tǒng)冷卻劑物理隔離。第三冷卻回路是單獨(dú)的專用回路或者子組件，其被局部化于電子子系統(tǒng)處，尤其是被局部化于要被冷卻的、諸如其中的電子模塊之類的一個或者多個熱生成部件處。第三冷卻回路及其相關(guān)聯(lián)的部件包含這樣的子組件，其被制造為從顆粒和材料相容性(即，腐蝕)的觀點(diǎn)上來看創(chuàng)建了原始的環(huán)境。冷卻子組件195被設(shè)計(jì)為一旦進(jìn)行了操作就是封閉的系統(tǒng)(即，在現(xiàn)場不開放的系統(tǒng))。作為現(xiàn)場的封閉子系統(tǒng)，可以在組裝期間管理顆粒污染。
圖4A和5A描述了用于例如在熱耗散單元的制造期間過濾熱耗散單元內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑的替換組件。在圖4A中，圖3中的系統(tǒng)子組件195被示為與電子模塊190相關(guān)聯(lián)，該電子模塊190可以與微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180集成或者耦接到微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180。該子組件包括兩個三向閥200，其在這個示例中被打開以允許冷卻劑流過過濾器210而不是流過微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180。經(jīng)由三向閥200、通過換熱器、第三冷卻回路170和過濾器210由泵175泵送的受調(diào)節(jié)冷卻劑被提純到用于特定應(yīng)用的期望級別。要注意到，過濾器210可以是被設(shè)計(jì)為以期望的方式凈化流過第三冷卻回路170的受調(diào)節(jié)冷卻劑的任何過濾機(jī)構(gòu)，并且可以包括微粒過濾(例如，由制造和組裝工藝所導(dǎo)致的)以及化學(xué)過濾(例如，從冷卻劑中除去不想要的腐蝕性組分)。一旦過濾了，就手動或者自動地調(diào)節(jié)閥門200，以便從第三冷卻回路170中除去過濾器210，由此允許受調(diào)節(jié)的冷卻劑借助于泵175(參見圖4B)流過微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180和換熱器160。
圖5A描述了用于過濾在圖3的冷卻子組件195的回路170內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑的替換方法。在這個實(shí)施例中，采用了連接/斷開連接聯(lián)接器220來將過濾器210連接到第三冷卻回路170。過濾器210又可以包含任何用于從流過第三冷卻回路170的受調(diào)節(jié)冷卻劑中除去例如不合需要的顆粒和化學(xué)組分的任何過濾機(jī)構(gòu)。在足夠長的時(shí)間段內(nèi)由泵175泵送冷卻劑通過換熱器160、第三冷卻回路170和過濾器210，以便實(shí)現(xiàn)期望的冷卻劑純凈級別。
如圖5B所示，在已經(jīng)恰當(dāng)?shù)剡^濾了受調(diào)節(jié)的冷卻劑之后，除去過濾器210，并且再次使用聯(lián)接器220將微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180插入到第三冷卻回路中。在所示實(shí)施例中，假定電子模塊190與微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180集成或者耦接到微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180。圖6A-6C中描述了各種用于將結(jié)構(gòu)180耦接到電子模塊的實(shí)施例，并且在下面對其進(jìn)行進(jìn)一步論述。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注意到此處所提供的是采用三個不同的冷卻回路的冷卻組件。第一冷卻回路和第二冷卻回路與冷卻劑分配單元相關(guān)聯(lián)，該冷卻劑分配單元包括流體到流體換熱器，以允許熱量從第二冷卻回路內(nèi)的系統(tǒng)冷卻劑傳輸?shù)降谝焕鋮s回路內(nèi)的設(shè)備冷卻劑。一個或多個熱耗散單元或者冷卻子組件與例如電子機(jī)架中的一個或多個電子子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。每個熱耗散單元包括相應(yīng)的第二冷卻回路和第三冷卻回路，在一個示例中第三冷卻回路包含隔離的閉合回路流動通路。熱耗散單元還包括第二流體到流體換熱器，其允許將熱量從第三冷卻回路內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑排出到第二冷卻回路內(nèi)的系統(tǒng)冷卻劑，以便傳輸?shù)嚼鋮s劑分配單元。有利的是，通過分隔開受調(diào)節(jié)的冷卻劑、系統(tǒng)冷卻劑和設(shè)備冷卻劑，每個冷卻劑回路可以具有不同屬性或者特征的冷卻劑。這些不同的特征可以包括下述不同方面·冷卻劑純度——其允許在第三冷卻回路內(nèi)使用較高純度的冷卻劑，在系統(tǒng)冷卻劑回路內(nèi)使用較不純凈的冷卻劑，以及在設(shè)備冷卻劑回路內(nèi)使用也較不純凈的冷卻劑。在熱耗散單元的第三冷卻回路中，尤其是當(dāng)與小尺度冷卻結(jié)構(gòu)(即，通道、噴嘴、噴口、散熱片等)一起使用時(shí)，期望有高純度的冷卻劑以防止污染物妨礙例如微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的操作。
·冷動劑壓強(qiáng)——其允許例如第三冷卻回路內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑處于低于大氣壓的壓強(qiáng)下，而第二冷卻回路和第一冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑和設(shè)備冷卻劑則保留在大氣壓下或者高于大氣壓。這允許例如受調(diào)節(jié)冷卻劑具有不同于系統(tǒng)冷卻劑的沸點(diǎn)。
·冷卻劑相變——第三冷卻回路允許受調(diào)節(jié)冷卻劑在兩相冷卻方法下使用，同時(shí)保持系統(tǒng)冷卻劑和設(shè)備冷卻劑為單相冷卻劑。
·冷卻劑流動速率——其可以與冷卻系統(tǒng)中的各種冷卻劑的不同壓強(qiáng)和相變溫度相關(guān)。此外，所希望的是采用比例如通過包含系統(tǒng)冷卻劑的第二冷卻回路的流動速率更低的流過微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的流動速率。
冷卻劑化學(xué)性質(zhì)——其允許在冷卻系統(tǒng)的各個冷卻回路中采用不同的冷卻劑液體化學(xué)性質(zhì)。例如，可以在第一和第二冷卻回路中采用僅僅具有不同純度的水作為設(shè)備冷卻劑和系統(tǒng)冷卻劑，而第三冷卻回路可以采用電介質(zhì)作為受調(diào)節(jié)冷卻劑。例如，在其中受調(diào)節(jié)冷卻劑直接地與正被冷卻的電子子系統(tǒng)中的一個或者多個集成電路芯片接觸的實(shí)施例中，這可能是有利的。
如所述的那樣，圖6A-6C描述了用于將微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180耦接到電子子系統(tǒng)中的一個或者多個熱生成部件的各個實(shí)施例。在圖6A中，電子模塊190包括其上布置了多個集成電路芯片192的基板191。模塊蓋193將集成電路芯片裝入在模塊190內(nèi)。模塊190被示出為與微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180機(jī)械耦接，其中受調(diào)節(jié)冷卻劑(未示出)經(jīng)由入口181和出口184流過該微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180。模塊蓋193和微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180由這樣的材料制造，該材料適合于易于從集成電路芯片192到流過微尺度結(jié)構(gòu)的受調(diào)節(jié)冷卻劑的熱量傳輸。作為一種增強(qiáng)，微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180可以是作為現(xiàn)場可替換單元的熱耗散單元的一部分。在這樣的情況下，可以在第二冷卻回路中采用連接/斷開連接聯(lián)接器，以便將系統(tǒng)冷卻劑耦接到新替換的熱耗散單元，而不需要打開包含流過微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180的受調(diào)節(jié)冷卻劑的第三冷卻回路。
圖6B描述了與芯片組件耦接的微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的替換實(shí)施例，所述微尺度冷卻結(jié)構(gòu)在此處被稱為近似直接冷卻劑浸入。在這個實(shí)施例中，冷卻結(jié)構(gòu)180’與其上有多個集成電路芯片192的基板191耦接。多層不可滲透的屏障194駐留在集成電路芯片上，并且保護(hù)所述芯片以防止受調(diào)節(jié)冷卻劑流過微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180’。受調(diào)節(jié)冷卻劑經(jīng)由微尺度管口183流到不可滲透的屏障194上，所述微尺度管口183與經(jīng)由入口181接收受調(diào)節(jié)冷卻劑的供應(yīng)多支管182流體相通。受調(diào)節(jié)冷卻劑經(jīng)由微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180’中的出口184從集成的組件中流出。利用這個實(shí)施例，可以采用任何類型的冷卻劑，而水是其中的一個示例。有利的是，液體與集成電路芯片近似直接接觸，但是保持與其隔離。在題為“Electronic Device Substrate Assembly With ImpermeableBarrier And Method Of Making”的美國專利US 6,587,345中和題為“Electronic Device Substrate Assembly With Multilayer ImpermeableBarrier And Method Of Making”的美國專利申請2004/0012914A1中更詳細(xì)地描述了近似直接集成的冷卻結(jié)構(gòu)和模塊組件的示例，這兩個文獻(xiàn)通過引用全部并入在此。
圖6C描述了用于集成微尺度冷卻結(jié)構(gòu)和集成電路組件的另一個附加實(shí)施例。這個實(shí)施例被稱為直接冷卻劑浸入，這是因?yàn)槭苷{(diào)節(jié)冷卻劑直接沖擊基板191上布置的多個集成電路芯片192上。如圖所示，微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180’又包括微尺度管口183，其提供來自供應(yīng)多支管182的受調(diào)節(jié)冷卻劑，所述供應(yīng)多支管182與耦接到相應(yīng)熱耗散單元的第三冷卻回路的入口181流體相通。圖6C中的微尺度冷卻結(jié)構(gòu)180’包括出口184，其與例如圖3中的熱耗散單元195的第三冷卻回路170流體相通。利用直接冷卻劑浸入，基板和冷卻組件是一個集成單元，而且在受調(diào)節(jié)冷卻劑和集成電路芯片之間不存在流體屏障。通過使用這樣選擇以便不損壞集成電路芯片的電介質(zhì)冷卻劑，這是有可能的。在最初并入的、題為“Cooling Apparatus And Method For AnElectronics Module Employing An Integrated Heat ExchangeAssembly”的共同轉(zhuǎn)讓并共同提交的申請中提供了集成的微尺度冷卻結(jié)構(gòu)和電路子組件的更詳細(xì)論述。
雖然此處已經(jīng)詳細(xì)地描繪和描述了優(yōu)選實(shí)施例，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然可以進(jìn)行各種修改、添加、替換等而不背離本發(fā)明的精神，而且它們因此應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是在所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種冷卻系統(tǒng)，包含冷卻劑分配單元，所述冷卻劑分配單元包含第一換熱器、第一冷卻回路和至少一個第二冷卻回路，第一冷卻回路接收設(shè)備冷卻劑，并且使其中的至少一部分通過第一換熱器，所述至少一個第二冷卻回路向至少一個電子子系統(tǒng)提供系統(tǒng)冷卻劑，并且在第一換熱器中將熱量從所述至少一個電子子系統(tǒng)排出到第一冷卻回路中的設(shè)備冷卻劑；以及至少一個與所述至少一個電子子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的熱耗散單元，每個熱耗散單元包含第二換熱器、所述至少一個第二冷卻回路中的第二冷卻回路、以及第三冷卻回路，該第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給第二換熱器，第三冷卻回路循環(huán)在所述至少一個電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑，并且在第二換熱器中將熱量從所述至少一個電子子系統(tǒng)排出到第二冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其中，第三冷卻回路中的受調(diào)節(jié)冷卻劑和第二冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑在至少一個特征方面不同，所述至少一個特征包含下述中的至少一個冷卻劑純度；冷動劑壓強(qiáng)；冷卻劑流動速率；冷卻劑相變溫度；和冷卻劑化學(xué)性質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的冷卻系統(tǒng)，其中，第二冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑和第一冷卻回路中的設(shè)備冷卻劑在至少一個特征方面不同，所述至少一個特征包含下述中的至少一個冷卻劑純度；冷動劑壓強(qiáng)；冷卻劑流動速率；冷卻劑相變溫度；和冷卻劑化學(xué)性質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1、2或者3所述的冷卻系統(tǒng)，其中，每個熱耗散單元中的第三冷卻回路包含布置在所述至少一個電子子系統(tǒng)內(nèi)的、隔離的封閉回路流體通路。
5.如權(quán)利要求4所述的冷卻系統(tǒng)，其中，每個熱耗散單元還包括至少一個微尺度冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻劑泵，該冷卻劑泵用于通過所述第三冷卻回路中的封閉回路流體通路在第二換熱器和微尺度冷卻結(jié)構(gòu)之間移動受調(diào)節(jié)冷卻劑。
6.如權(quán)利要求5所述的冷卻系統(tǒng)，其中，所述微尺度冷卻結(jié)構(gòu)耦接到至少一個電子子系統(tǒng)中的至少一個熱生成部件，以便于將其中的熱量排出到第三冷卻回路的封閉回路流體通路中的受調(diào)節(jié)冷卻劑。
7.如權(quán)利要求6所述的冷卻系統(tǒng)，其中，每個熱耗散單元包含現(xiàn)場可替換單元，而且其中所述微尺度冷卻結(jié)構(gòu)與熱生成部件的表面機(jī)械耦接，所述熱生成部件包含電子模塊。
8.如權(quán)利要求6或者7所述的冷卻系統(tǒng)，其中，所述至少一個熱生成部件包含至少一個集成電路芯片，而且其中所述第三冷卻回路內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑與所述至少一個電子子系統(tǒng)中的至少一個集成電路芯片直接接觸。
9.如權(quán)利要求1到8中任何一個所述的冷卻系統(tǒng)，其中，所述受調(diào)節(jié)冷卻劑包含電介質(zhì)流體或者純凈水。
10.如權(quán)利要求6、7或者8所述的冷卻系統(tǒng)，其中，所述至少一個熱生成部件包含至少一個集成電路芯片，而且其中每個熱耗散單元還包括導(dǎo)熱流體屏障，其用于分離開第三冷卻回路中的受調(diào)節(jié)冷卻劑和所述至少一個集成電路芯片。
11.一種受冷卻的電子系統(tǒng)，包含至少一個電子機(jī)架，其包含多個電子子系統(tǒng)；以及冷卻系統(tǒng)，其包含冷卻劑分配單元，所述冷卻劑分配單元包含第一換熱器、第一冷卻回路和多個第二冷卻回路，第一冷卻回路接收設(shè)備冷卻劑，并且使其中的至少一部分通過第一換熱器，所述多個第二冷卻回路向多個電子子系統(tǒng)中的至少一些電子子系統(tǒng)提供系統(tǒng)冷卻劑，并且在第一換熱器中將熱量從所述至少一些電子子系統(tǒng)排出到第一冷卻回路中的設(shè)備冷卻劑；以及多個熱耗散單元，每個熱耗散單元都與所述至少一些電子子系統(tǒng)中的相應(yīng)一個相關(guān)聯(lián)，每個熱耗散單元包含第二換熱器、所述多個第二冷卻回路中的第二冷卻回路、以及第三冷卻回路，該第二冷卻回路向第二換熱器提供系統(tǒng)冷卻劑，第三冷卻回路循環(huán)相應(yīng)電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑，并且在第二換熱器中將熱量從該電子子系統(tǒng)排出到第二冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑。
12.一種冷卻至少一個電子子系統(tǒng)的方法，所述方法包含提供冷卻劑分配單元，所述冷卻劑分配單元包含第一換熱器、第一冷卻回路和至少一個第二冷卻回路，所述第一冷卻回路接收設(shè)備冷卻劑，并且使其中的至少一部分通過第一換熱器，所述至少一個第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給至少一個電子子系統(tǒng)，并且在第一換熱器中將熱量從該至少一個電子子系統(tǒng)排出到第一冷卻回路中的設(shè)備冷卻劑；以及提供至少一個與所述至少一個電子子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的熱耗散單元，每個熱耗散單元包含第二換熱器、所述至少一個第二冷卻回路中的第二冷卻回路、和第三冷卻回路，該第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給第二換熱器，第三冷卻回路循環(huán)在所述至少一個電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑，并且在第二換熱器中將熱量從該至少一個電子子系統(tǒng)排出到第二冷卻回路中的系統(tǒng)冷卻劑。
全文摘要
提供了一種用于電子機(jī)架中的一個或多個子系統(tǒng)的冷卻方法。該冷卻方法采用冷卻劑分配單元(100)和熱耗散單元(195)。冷卻劑分配單元具有第一換熱器(114)、第一冷卻回路(116、117)和第二冷卻回路(122，123)。第一冷卻回路使設(shè)備冷卻劑通過第一換熱器，而且第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給電子子系統(tǒng)，并且在第一換熱器中將熱量從子系統(tǒng)排出到設(shè)備冷卻劑。熱耗散單元(195)與該電子子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，并且包括第二換熱器(160)、第二冷卻回路(122，123)、和第三冷卻回路(170)。第二冷卻回路將系統(tǒng)冷卻劑提供給第二換熱器，而且第三冷卻回路循環(huán)在該電子子系統(tǒng)內(nèi)的受調(diào)節(jié)冷卻劑，并且在第二換熱器中將熱量從電子子系統(tǒng)排出到系統(tǒng)冷卻劑。
文檔編號F25D23/12GK101091424SQ200580042255
公開日2007年12月19日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者萊維·坎貝爾, 朱兆凡, 邁克爾·埃爾斯沃斯, 馬德胡蘇丹·英加爾, 羅格·施米德, 羅伯特·西蒙斯 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司