專利名稱：用于立式板卡型計算機系統(tǒng)的機架中的集成式熱交換器的制作方法
背景本發(fā)明涉及用于冷卻電子和其它發(fā)熱設(shè)備的系統(tǒng)，更具體地說涉及用于對垂直成排地設(shè)置在機架或機柜中的電子設(shè)備附近流動的空氣進行冷卻的系統(tǒng)。
計算機工業(yè)在過去的幾十年中的成長已經(jīng)是非常顯著的。許多新的計算機設(shè)計組合了多個計算機/處理器板卡(board)來構(gòu)造“高端”計算機和“服務(wù)器”。由于占地面積的需求，計算機板卡時常配置為垂直地“疊置”在機架或機柜中。許多現(xiàn)有的包含在這種立式機架中的用于電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)并不能提供充分的冷卻。在許多這些冷卻系統(tǒng)中，空氣被抽吸到包含計算機板卡的機架或機柜的底部，并且垂直地移動穿過機柜，從而逐步地冷卻相應(yīng)的計算機板卡。在這種設(shè)計中，安裝在機架“較高處”的板卡比那些朝著底部安裝的板卡接受溫度更高的空氣，因為這些空氣已經(jīng)通過一個或多個板卡，并且吸收了來自一個或多個板卡的熱量。因此，“較高處”的板卡沒有被溫度更高的氣流充分冷卻。
同時正不斷地引入更新的更大功率的微處理器，但這種更高的性能通常伴隨著顯著增加的發(fā)熱。因而，這些新的處理器配置將熱負(fù)荷提高到“單獨的”空氣冷卻不能提供足夠的冷卻能力來防止這些“疊置”的計算機過熱的臨界點。結(jié)果，“疊置”的服務(wù)器可能必須以降低的處理速度來運轉(zhuǎn)，以限制熱負(fù)荷，這則削弱了性能。
另外，現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)具有相當(dāng)有限的冷卻能力。例如，許多現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)具有大約80瓦/平方英尺(W/ft2)的熱密度，但某些仍在研制的冷卻系統(tǒng)據(jù)說擁有高達150W/ft2的熱密度。然而，即使具有這些熱密度的冷卻系統(tǒng)，可能也不會有效地冷卻現(xiàn)有工藝水平的電子設(shè)備。
很明顯的是，如果不充分冷卻設(shè)備，那么設(shè)備中的電子部件的內(nèi)部溫度將在相對較短的時間周期內(nèi)顯著增加，這可能導(dǎo)致顯著下降的系統(tǒng)性能，并且在某些情況下，導(dǎo)致部件或整個系統(tǒng)的失效。即使在并不削弱系統(tǒng)性能的情況下，低效率的冷卻也可能會不必要地提高冷卻設(shè)備的成本。因而，目前仍存在對一種可對垂直成排地設(shè)置在機架中的計算機板卡進行充分且有效冷卻的冷卻系統(tǒng)的需求。
概要一種用于對發(fā)熱物體，例如位于機架中的計算機板卡進行冷卻的系統(tǒng)，包括里面設(shè)有發(fā)熱物體的機殼。機殼具有空氣入口和空氣出口，并且風(fēng)扇將氣流引入到空氣入口中，穿過機殼，并排出空氣出口。風(fēng)扇可位于空氣入口或出口附近，或者可在入口和出口處使用多個風(fēng)扇。熱交換器位于機殼中，使得熱交換器和發(fā)熱物體保持間隔開的關(guān)系。移動穿過或經(jīng)過發(fā)熱物體的空氣被加熱，并且熱交換器在空氣離開機殼之前除去熱量。
在某些示例性的實施例中，熱交換器位于空氣入口的附近。在其它實施例中，熱交換器位于空氣出口的附近，或熱交換器位于機殼的入口和出口處。通常多個發(fā)熱物體垂直地位于機殼中，并且多個熱交換器位于機殼中，使得熱交換器以間隔開的關(guān)系位于相鄰的發(fā)熱物體之間。
附圖簡介通過閱讀以下詳細(xì)描述，并參照附圖將可以清楚了解本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點，其中

圖1是示意性地顯示了一種用于冷卻機柜中的發(fā)熱物體的系統(tǒng)的透視圖。
圖2是示意性地顯示了一種用于冷卻機柜中的發(fā)熱物體的備選系統(tǒng)的透視圖。
圖3和圖4分別是示意性地顯示了用于冷卻機柜中的發(fā)熱物體的另一系統(tǒng)地正視圖和側(cè)視圖。
雖然本發(fā)明允許各種變型和備選形式，但是，通過附圖中的示例已經(jīng)顯示了其特定實施例，并且將在這里進行詳細(xì)描述。然而應(yīng)該懂得，這里特定實施例的描述并不意圖將本發(fā)明限定在所公開的特定形式上，相反，本發(fā)明旨在覆蓋處于所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有改型、等效形式和備選形式。
詳細(xì)描述下面將描述本發(fā)明的說明性的實施例。為了清楚起見，在本說明書中沒有描述實際實現(xiàn)的所有特征。當(dāng)然應(yīng)該懂得，在任何這種實際實施例的研制中，必須做出許多實施例專有的決策，以獲得研究者的特定目的，例如與系統(tǒng)相關(guān)且與商業(yè)相關(guān)的約束適應(yīng)性，其將根據(jù)實施例而變化。此外，應(yīng)該懂得，這種研制工作是復(fù)雜且耗時的，但仍然是本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員在獲益于本說明書的條件下所承擔(dān)的日常工作。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，其顯示了冷卻系統(tǒng)10的一個實施例，其用于冷卻成排地設(shè)置在機殼例如機柜16中的發(fā)熱物體12。發(fā)熱物體通常由包括機架機柜16中的電子組件，例如電路板組件。冷卻系統(tǒng)包括風(fēng)扇14，其將氣流沿著箭頭15的方向通過入口而引入到機柜16中，向上并穿過機柜16，并通過出口而離開機柜16。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，風(fēng)扇14可定位在引導(dǎo)氣流穿過機柜16的任何位置，而且可使用多個風(fēng)扇。氣流15在穿過每排設(shè)備時冷卻電子設(shè)備12。對電子設(shè)備12的冷卻導(dǎo)致流動的氣流的溫度增加，使得離開機柜16的頂部出口的氣流19比進入機柜16的空氣入口的氣流溫度更高。當(dāng)氣流穿過定位在每排電子設(shè)備12之間的熱交換器20時，氣流本身被冷卻。熱交換器20與設(shè)備12間隔開，從而在設(shè)備12和熱交換器20之間限定了空氣間隙。當(dāng)氣流19經(jīng)過頂部熱交換器18和向外離開機柜16中的部件時，氣流19還被冷卻，使其不會對室內(nèi)空調(diào)增加任何不必要的熱負(fù)荷。
圖2中顯示了另一系統(tǒng)10A，其中熱交換器22位于第一熱負(fù)荷或發(fā)熱裝置12的前面或在其之前。如圖2中所示，可將前熱交換器22放置風(fēng)扇14和第一發(fā)熱裝置12之間。這允許空氣在進入到發(fā)熱裝置中或其周圍之前進行“預(yù)冷卻”。在典型的情形下，風(fēng)扇14將氣流沿著箭頭15的方向，通過空氣入口向上引入到機柜16中。氣流首先經(jīng)過前熱交換器22，在此處，其在與發(fā)熱裝置12發(fā)生接觸之前進行冷卻?，F(xiàn)在已預(yù)冷卻的空氣然后向上流動，穿過和/或圍繞發(fā)熱裝置12，并在穿過頂部熱交換器18并經(jīng)由空氣出口離開機柜16之前，可選地穿過一個或多個補充的中間熱交換器20。如之前所述，包含頂部熱交換器18可允許離開機柜16的氣流19在進入到室內(nèi)之前進行冷卻，從而最大程度地減小熱負(fù)荷對室內(nèi)空調(diào)的影響。如圖2中所示，發(fā)熱裝置12和相應(yīng)的熱交換器18，20，22保持間隔開的關(guān)系，從而在發(fā)熱物體12和相鄰的熱交換器之間限定了空氣間隙。
圖3和圖4示意性地顯示了另一示例性的冷卻系統(tǒng)10B的正視圖和側(cè)視圖。如圖所示，冷卻系統(tǒng)10B包括在前熱交換器22前面或在其之前間隔開地布置的第一風(fēng)扇14。系統(tǒng)10B還包括垂直設(shè)置(一個裝置12定位在另一裝置的上面)在機柜16中的多個發(fā)熱裝置12，其中一個或多個熱交換器20之間留有必要的間隙，以便獲得最有效的冷卻，并且頂部熱交換器18在發(fā)熱裝置12的下游間隔開，但仍保留在機柜16中。在各裝置12和相鄰的熱交換器20之間限定了空氣間隙。在系統(tǒng)10B的頂端靠近機柜的空氣出口處設(shè)有第二風(fēng)扇，24，其可安裝在機柜16的外部，或者可選地包含在機柜16中。第二風(fēng)扇24的使用允許已經(jīng)被頂部熱交換器18冷卻的空氣被向上抽吸和/或遠(yuǎn)離機柜16和封裝在機柜中的部件，從而有助于最大程度地減小在室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)上增加的額外的熱負(fù)荷。在運轉(zhuǎn)過程中，氣流被第一風(fēng)扇14抽吸到系統(tǒng)10B中，并在箭頭15的方向上移動。氣流被引導(dǎo)向上，穿過機柜，并在穿過每排裝置時對發(fā)熱裝置12進行冷卻。當(dāng)氣流通過前熱交換器20以及穿過或圍繞散布在裝置12之間的其它熱交換器20時，這種氣流本身被進一步冷卻。然后當(dāng)其穿過或圍繞頂部熱交換器18時，該氣流被最后冷卻一段時間，并被第二風(fēng)扇24向上抽吸而離開機柜16，并將空氣推動離開機柜16和容納在機柜中的部件。
如圖3和圖4中所示，可將第二風(fēng)扇24直接連接到機柜16上。作為備選，并且是同樣可接受的是，可將風(fēng)扇24容納在機柜16的上部分中，例如介于頂部熱交換器18和機柜頂部面板的空氣出口之間。同樣可接受的是，可將第二風(fēng)扇24與機柜16間隔開一定的距離，其范圍可在幾個毫米至更大的距離，這將取決于風(fēng)扇24的強度。例如，可將第二風(fēng)扇24從頂板結(jié)構(gòu)懸吊出來，或者可以作為現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的一部分或添加到現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)中。
圖1-4顯示了各具有多個發(fā)熱物體和熱交換器的示例性系統(tǒng)。其它實施例包括單個的熱交換器，例如前熱交換器22，其位于發(fā)熱裝置例如一排計算機板卡的下游。這種冷卻系統(tǒng)尤其可用于幫助冷卻不需要一個以上熱交換器的發(fā)熱設(shè)備，以進行有效且高效的冷卻。本發(fā)明的另一優(yōu)點是，它是可升級的也就是說，可隨著計算機尺寸和架構(gòu)的規(guī)定而漸增地添加了許多熱交換器。如此處所用詞語“下游”指在另一物體后面的物體，而詞語“上游”指其在另一物體之前(但不必直接在其之前)的物體。在示例中，參看圖1，熱交換器20處于風(fēng)扇14的“下游”，而風(fēng)扇14處于發(fā)熱物體12的“上游”。
在某些示例性的實施例中，熱交換器是放置在每排垂直定向的計算機板卡或其它發(fā)熱裝置之后的氣流中的微通道式制冷劑熱交換器。利用這些微通道熱交換器，熱交換器就通過在空氣與下一組計算機板卡接觸之前將熱量傳遞到制冷劑中(之后將其抽走)，從而冷卻來自各組計算機板卡的熱空氣。
在某些示例性的實施例中，所使用的制冷劑是不導(dǎo)電的雙相制冷劑，其用作替代水的備選冷卻介質(zhì)，這樣制冷劑的泄漏不會引起電短路或相似危害的風(fēng)險。由于使用微通道線圈，并且因為制冷劑在其蒸發(fā)時吸收大量的熱量，所以，這類制冷劑允許在相同的空間獲得更好的傳熱能力。雙相制冷劑的使用允許熱交換器基本上在等溫下操作，這為計算機板卡提供了均勻的空氣溫度。這種系統(tǒng)的使用還允許獲得比使用水或其它單相流體時更小的“占地面積”。
上面所公開的具體實施例僅僅是說明性的，因為本領(lǐng)域中的技術(shù)人員在受益于本文所傳授知識的條件下，可以不同但等效的方式對本發(fā)明進行修改和實踐。此外，除了如所附權(quán)利要求中所述的以外，這里所顯示的結(jié)構(gòu)或設(shè)計細(xì)節(jié)沒有限制性。因此上面所公開的具體實施例顯然可進行變更或修改，并且所有這些變型都被認(rèn)為處于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，這里所尋求的保護如所附權(quán)利要求所述。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，包括機殼，所述機殼具有空氣入口和空氣出口；位于所述機殼中的發(fā)熱物體；風(fēng)扇，其用于將氣流引入到所述空氣入口中，穿過所述機殼，并排出所述空氣出口；和熱交換器，其位于所述機殼中，使得所述熱交換器和所述發(fā)熱物體保持間隔開的關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，多個發(fā)熱物體垂直地位于所述機殼中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器位于所述空氣入口的附近。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器位于所述空氣出口的附近。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)扇位于所述空氣出口的附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)扇位于所述空氣入口的附近。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)扇位于所述空氣入口的附近，并且第二風(fēng)扇位于所述空氣出口的附近。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，多個發(fā)熱物體垂直地位于所述機殼中，并且多個熱交換器位于所述機殼中，使得熱交換器以間隔開的關(guān)系而位于相鄰的發(fā)熱物體之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器包含微通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器包含制冷劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑是雙相制冷劑。
12.一種用于冷卻發(fā)熱物體的系統(tǒng)，包括機殼，所述機殼具有空氣入口和空氣出口；位于所述機殼中的發(fā)熱物體；用于將氣流引入到所述空氣入口中、穿過所述機殼、并排出所述空氣出口的裝置；和用于從流過所述機殼的空氣中除去熱量的裝置。
13.一種用于對位于機殼中的發(fā)熱物體進行冷卻的方法，所述方法包括將熱交換器定位在所述機殼中，使得所述熱交換器與所述發(fā)熱物體間隔開；和將氣流引入到所述空氣入口中，穿過所述機殼，并排出所述空氣出口，使得所述熱交換器從流過所述機殼的空氣中除去熱量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述熱交換器的定位包括，將熱交換器定位在所述空氣入口的附近。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述熱交換器的定位包括，將熱交換器定位在所述空氣出口的附近。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，多個發(fā)熱物體垂直地位于所述機殼中，其中，所述熱交換器的定位包括將熱交換器定位在相鄰的發(fā)熱物體之間，使得所述熱交換器和所述發(fā)熱物體彼此間隔開。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，引入氣流包括，將風(fēng)扇定位在所述空氣入口的附近。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，引入氣流包括，將風(fēng)扇定位在所述空氣出口的附近。
全文摘要
一種用于對發(fā)熱物體(12)，例如位于機架中的計算機板卡進行冷卻的系統(tǒng)，其包括里面設(shè)有發(fā)熱物體的機殼(16)。機殼具有空氣入口和空氣出口，并且風(fēng)扇(14)將氣流引入到空氣入口中，穿過機殼，并排出空氣出口。熱交換器(20)位于機殼中，使得熱交換器和發(fā)熱物體保持間隔開的關(guān)系。移動穿過或經(jīng)過發(fā)熱物體的空氣被加熱，并且熱交換器在空氣離開機殼之前除去熱量。
文檔編號H05K7/20GK101044811SQ200580035498
公開日2007年9月26日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月14日
發(fā)明者S·馬達拉, S·西拉托, T·哈維, D·貝爾 申請人:利伯特公司