被冷却的电子系统的制作方法
【专利说明】被冷却的电子系统
[0001]本申请是申请人“爱思欧托普有限公司”于2012年1月12日提交的、发明名称为“被冷却的电子系统”的发明专利申请201080031498.8(国际申请号:PCT/GB2010/000950)的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种用于容纳在运行时产生热的电子部件的模块或舱盒、一种冷却这种电子部件的方法、一种冷却电子装置的方法、一种被冷却的电子系统以及一种用冷却液体填充用于电子装置的容器的方法。例如，本发明尤其能够应用于计算机处理器和主板。
【背景技术】
[0003]电子部件和特别是计算机处理器在运行时产生热，这可以导致过热和对部件和随之系统的其它的部分的损坏。因此希望冷却所述部件以将热远离部件传递和使部件温度保持低于部件的正确且可靠的运行所规定的最大运行温度。
[0004]此问题具体涉及到数据处理或计算机服务器中心，其中，大量的计算机处理器共处一处并且用于在很长的一段时间内可靠且连续的运行。这些中心通常可以容纳多个服务器单元，所述多个服务器单元占据多个设备架并且填充一个或多个室。每个服务器单元容纳一个或多个服务器板。单独的个服务器板可以使几百瓦特的电功率作为热而耗散。在现有系统中，连续地传递热以便保持正确运行所需的能量可和使服务器运行所需的能量具有相同的数量级。
[0005]产生的热可以传递至处理器位于其中的建筑物外部的最终散热装置，例如传递至建筑物周围的大气空气。目前的实施通常依赖空气作为处理器和最终散热装置之间一个或多个级的传递介质。
[0006]但是，对于如此大量的热而言，难以将空气用作传递介质，而不在建筑物的基层结构上施加较大的限制。这是因为热传递的速率可以随着热源(例如服务器板，特别是计算机处理器)和最终散热装置之间温度差(ΛΤ)不断增大以及使热源和最终散热装置热连接的路径或多个路径的热阻的不断减小而增大。
[0007]—些用于处理该困难的已知技术被设计成控制容纳处理器的位置的环境条件。目前经常使用空气处理技术，例如:使局部空气温度降低以使局部温度差增大的空气的蒸汽压缩制冷(“空气调节装置”);以及使空气流速增大并且因此使热阻减小的空气加压(通过使用风扇)。还可以使用多个热交换级以便将从局部空气中提取出的热传递至诸如大气空气之类的最终散热装置。
[0008]但是，因为使用空气调节装置可能需要大量的电功率以运行，所以这些方法可能是无效的。由于局部温度和噪音，因此这些方法还可能使所述位置让人感到不愉快。
[0009]此外，可能必须限制空气流速和空气温度，例如使温度保持低于“露点”以防止从空气中凝结出来的水蒸汽，这可以损坏灵敏的电子部件。出于这些原因，目前服务器通常稀疏地分布以降低热密度和改进局部空气流动，由此减小热阻。
[0010]利用与电子部件接触的液体来冷却电子部件可以用于使服务器密度增大，使冷却成本降低或二者兼得。
[0011]在US-2007/109742和GB-A-2432460中描述用于利用液体冷却电子部件的现有技术。计算机处理器板容纳在密封容器内。优选为油的冷却剂液体栗送穿过容器。处理器板位于容器的底部处，并且蒸发器旋管定位在容器的顶部处，使得在冷却剂液体中产生对流。冷却剂液体被处理器板加热，并且生成的蒸气流动到冷凝器中。容器定位成使得内部的电路板位于水平面中以允许来自部件的热的对流。
[0012]利用冷凝器以提供制冷增加了系统的复杂性和成本，并且给系统实施又引入一些限制。
[0013]W0-2006/133429和US-2007/034360描述了一种用于冷却电子部件的替代性的已知方法。电子部件密封在填充有液体的容器内，并且导热板被设置为容器的与液体接触的部分。导热板将热从液体传导至容器外部。虽然这设计成用于独立运行，但是导热板可以联接于另一个热交换器以用于电子部件的附加冷却。
[0014]与要求栗送容器内的液体的方法相比，该替代性装置使系统的复杂性降低。但是，这并不显著地解决使热源和最终散热装置之间的热阻减小的困难。即使温度差增大，总热阻仍将是显著的。
【发明内容】
[0015]针对此背景，且在第一方面，本发明提供一种用于容纳一个或多个发热电子部件的可密封模块。该模块包括:外壳;热传递装置，该热传递装置具有传导表面，所述外壳和传导表面一起限定第一冷却液体可以位于其中的体积，热传递装置还限定用于接收第二冷却液体的通道，传导表面使体积和通道分开以允许热通过传导表面在体积和通道之间传导；以及电子部件，该电子部件位于体积中。传导表面或外壳的至少一部分成形成与电子部件的形状相符。
[0016]通过使外壳、传导表面或二者的形状符合电子部件的形状，第一冷却液体和第二冷却液体之间的热传递的效率显著提高。这使得能够使第一冷却液体保持为液体状态直到从电子部件输出较高水平的热。
[0017]在优选实施方式中，可密封模块还包括在使用时产生热的至少一个电子部件和位于体积中的第一冷却液体。
[0018]第二液体冷却剂被使得在通道中流动，从而与传导表面直接接触。优选地栗送第二液体冷却剂。通过从体积中的第一冷却液体传导到通道中的第二冷却液体的热传递使热阻显著地减小。这使热传递的效率提高，从而使这样的系统尺寸可变且能够应用于产生大量的热的系统，例如数据处理中心。此外，通过使用传导表面以传递热而获得的该系统的减小的热阻使冷却剂能够始终保持在液体状态，由此避免对使系统的复杂性和成本增加的蒸气循环制冷的需要。
[0019]此外，用于冷却的电力消耗通过减轻或甚至消除对蒸气压缩制冷的需要而降低。这还使电子部件和诸如服务器板之类的电子电路板的密度能够增大。
[0020]对于给定密度的服务器和部件，冷却系统从每个部件可取地排出足够的热以使所述部件保持在其预期运行温度范围内，但是不超过该范围。和产生较大量的热的那些装置相比，产生较少热的装置需要较少的冷却。低于令人满意的运行所需的水平的冷却通常将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，通道具有限定通道宽度的与传导表面接触的区域，并且其中，与传导表面的尺寸相比，最小通道宽度是显著的。
[0022]附加地或可替代地，通道沿着具有至少一个方向上的变化的路径与传导表面接合。优选地，路径具有直的部分，并且其中，最小通道宽度为路径的直的部分的长度的至少:10%，在其它实施方式中，最小通道宽度可以是通道的直的部分的长度的至少10% ; 20% ;30% ; 40% ;或50%。附加地或可替代地，路径包括主路径和支路径，支路径在至少一点处连接于主路径。液体的更多湍流可以改进热传递。
[0023]在第二方面，本发明提供冷却电子部件的方法，该方法包括:提供包括外壳和具有传导表面的热传递装置的模块，外壳和传导表面一起限定体积;将电子部件容纳在体积内；以第一冷却液体填充体积；以及通过传导表面在第一冷却液体和第二冷却液体之间传导热，第一冷却液体和第二冷却液体位于传导表面的两个侧面上。传导表面或外壳的至少一部分成形成与电子部件的形状相符。
[0024]优选地，将热从第一冷却液体传导至第二冷却液体的步骤构造成使得第一冷却液体和第二冷却液体保持在液体状态。
[0025]在本发明的第三方面，可以提供可密封模块套件，该可密封模块套件包括:外壳；热传递装置，该热传递装置具有传导表面，热传递装置构造成联接于外壳使得传导表面和外壳限定第一冷却液体可以位于其中的体积，热传递装置还限定用于接收第二冷却液体的通道，使得在热传递装置联接于外壳时，传导表面使体积和通道分开以允许通过传导表面在体积和通道之间传导热；以及电子部件，该电子部件位于体积中。传导表面或外壳的至少一部分成形成与电子部件的形状相符。
[0026]如通过以上详细说明的第一、第二或第三方面中的任何一个，许多附加特征可以应用于所详细说明的本发明。将在下面描述这些附加特征。
[0027]有利地，传导表面具有用于在体积和通道之间传导热的凸出到第一体积中的至少一个凸出部。使用至少一个凸出部使传导表面的表面面积增大并且可以允许传导表面和电子部件的形状之间的更接近的相符。这改进了热传导的效率。
[0028]在可密封模块包括电子部件的情况下，传导表面优选地具有用于在体积和通道之间传导热的凸出到第一体积中的至少一个凸出部，至少一个凸出部布置成与电子部件的形状相符。通过使部件和传导表面之间的空间减小;使总凸出部表面面积增大以使热流动路径中的热阻减小;使得用于有效冷却所需的冷却液体的体积较小；允许具有较差的传导性但是具有减少的成本或重量或二者兼具的材料(例如，塑料)的使用增加而进一步改进热传导效率。特别地，如果冷却液体与传导表面快速地接触，则改进冷却的效率。
[0029]可选地，传导表面由导热良好的合成塑料制成。附加地或可替代地，外壳可以由合成塑料制成。优选地，该合成塑料是绝热的。在实施方式中，热传递装置可以由合成塑料制成。
[0030]在一些实施方式中，可密封模块还包括部件散热装置，该部件散热装置联接于电子部件，具有布置成与传导表面的至少一个凸出部协作的至少一个凸出部。
[0031]有利地，传导表面的至少一个凸出部包括翅片装置。可替代地或附加地，传导表面的至少一个凸出部包括销钉装置。在优选实施方式中，至少一个凸出部包括销钉-翅片装置。销钉-翅片凸出部可以在高度上有变化。优选地，它们成形为矩形横截面的翅片。更优选地，凸出部不覆盖整个传导表面。
[0032]优选地，分流器位于体积中。该分流器可以采取挡板或其它的被动流动控制机构的形式。这种特征的目的是使液体的热的上升羽流转向远离部件的正上方，否则可能会过热。
[0033]可选地，多个电导体位于体积中，多个电导体布置成检测第一冷却液体的高度。这些电导体优选地采取向下延伸到体积中的模块的顶部处的一对杆的形式。这些电导体可以起到电容器的作用，(通过应用介电效应)其值随着液面变化而改变。通过附接合适的电子电路，可以推断用于第一冷却液体的液面。这使操作员能够知道何时液面低于对目前液体温度而言正常的高度并且指示泄漏的可能性。相同的装置可以用于在模块的初始填充(或加满)期间确定液面。
[0034]附加地或可替代地，外壳中的透明窗口用于直接观察液面。另一个可选改进将是将传感器和相关联电路建造到安装电子部件或与电子部件相邻的电路板中。
[0035]在传导表面限定通道的某些实施方式中，通道的形状布置成与电子部件的形状相符。这允许进一步改进第一冷却液体和第二冷却液体之间的热传递效率。
[0036]在优选实施方式中，热传递装置形成为一件式热传递装置。用于热传递装置的一件式组件可以不要求维护并且可以由通道预先形成到其中的冷板部分和焊接或否则粘附到冷板部分上的密封板构成。这消除螺钉和垫圈并且使液体泄漏的可能性降低。
[0037]在一些实施方式中，热传递装置还包括联接于传导表面并且限定用于接收第二冷却液体的通道的基部。
[0038]在一个实施方式中，外壳和传导表面限定内室，并且热传递装置还包括限定通道的外室。
[0039]使用外室有利地提供了紧凑的模块，该外室限定用于接收第二冷却液体的通道并且布置成与内壳协作以提供传导表面。这样一种装置可以附加地使通道的宽度能够限定或调节成满足热传递要求。可选地，外室由合成塑料制成。
[0040]有利地，可密封模块还包括覆盖外壳的至少一部分的隔离层。优选地，隔离层位于体积内。附加地或可替代地，可密封模块可以包括位于体积外部的覆盖外壳的至少一部分的隔离层。外部隔离层可以包括柔性泡沫。该柔性泡沫具有另一个优点:能够支承用于液体输入、输出或二者的连接器，同时允许使管为弯曲的元件。该柔性泡沫将通过允许滑动零件中的更大公差而使得插入到相关联的架中变得更容易。
[0041 ]优选地，多于一个电子部件可以位于体积中。在优选实施方式中，可密封模块包括多个电子部件一一该多个电子部件中的至少一个在使用时产生热，并且还包括保持多个电子部件的电路板。
[0042]通过将电路板浸没在精选的液体中，该电路板免受由于空气传播的污染物或否则从大气中凝结出来或在别处泄漏的水的损害。例如，出现在空气中或溶解在水中的污染物可以容易地侵蚀电路板上的细的电路线。此外，可以封装或冷却诸如电源、DC-DC变流器以及磁盘驱动器之类的其它的发热部件。在至少一个电子部件包括磁盘驱动器的情况下，磁盘驱动器优选为固态装置。具有移动零件的装置对浸没在液体中而言是不可取的。
[0043]第一冷却液体优选地占据可密封模块的体积的一部分，使得对液体遇热膨胀而言存在可用的体积而不使体积中的压力显著地增大。
[0044]优选地，可密封模块还包括定位在电路板和外壳之间的保护膜，保护膜布置成防止外壳和电路板之间的液体流动。这通过该不可取的路径使热阻增大并且使需要填充所述体积的冷却剂的体积减小，同时允许在电路板的后部上出现小型部件。在优选实施方式中，所述保护膜是可变形的。
[0045]有利地，电路板的至少一部分与外壳整体地形成在一起。电子电路板可以例如仅利用侧壁与模块外壳的部分形成一体。接着，互连件可以直接穿过电路板以出现在外壳的外表面上，从而不再需要在退出的点处将线缆与模块密封在一起。可选地，电路板和壁例如利用纤维玻璃模制而构造为单独的零件，因此又减少了密封问题。
[0046]在优选实施方式中，可密封模块还包括:模块的填充入口，该填充入口位于外壳中，并且液体可以通过该填充入口被接收到体积中；以及填充入口的密封件。这允许在现场用冷却液体对可密封模块体积快速填充或重新填充。
[0047]优选地，可密封模块包括减压阀，该减压阀位于外壳中并且布置成允许在体积内的压力超过预定限制时液体从体积流出。
[0048]可选地，所述通道具有限定通道宽度的与传导表面接触的区域，并且其中，与传导表面的尺寸相比，