专利名称：用于冷却电子系统的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及电子部件的冷却，尤其涉及用于冷却电子部件的风扇的使用。
背景技术：
例如高功率密度器件(HPDD)的电子部件的冷却是设计计算机服务器、军用航空电子设备、医疗成像设备、和使用高功率密度的电子器件的其它设备时的重要考虑因素，该高功率密度器件包括例如高功率密度的集成电路(IC)和中央处理单元(CPU)。在此使用的术语“HPDD(高功率密度器件)”指的是具有超过每平方厘米10瓦的热通量的发热器件。除了具有变化的热通量之外，HPDD具有影响冷却需求的不同的允许峰值温度。电子系统被设计用于更大的计算速度和功率，但覆盖区域更小。这些设计目标导致HPDD在小面积/体积内产生大量的热量。热量的发散是重要的，以便避免IC和CPU老化。一些电子系统的功率密度高达大约每平方厘米200瓦(W/sq-cm)，并且趋向于更大。除了由于发热引起的热量发散需求之外，箱体的尺寸限制了现有设计中的急待解决的问题。例如，常规的计算机服务器一般使用容纳在高度限制为1.75英寸的箱体内的电路板，称为1U应用，其中多个电路板彼此叠置在框架中。通常的电子部件的周围使用温度不超过120摄氏度并且结温限制大约为90摄氏度，冷却系统用于将HPDD的热量传递给周围环境。通常的冷却系统包括风扇、风机、散热件、和制冷系统，当传热需求增加时它们往往增加了整体尺寸。
因此，存在着提供一种用于包括高功率密度器件的电子部件的有效的热控制系统的需要。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种用于冷却多个电子部件的冷却系统，该冷却系统包括集中化的源，其包括构造成便于输送冷却介质流的至少一个微冷却器；和构造成便于再分配所述冷却介质以便流经所述电子部件的多个挡板。所述电子部件位于箱体内。
在另一方面中，本发明提供了一种用于冷却多个电子部件的冷却系统，该电子部件包括至少一个CPU和其余的电子部件组件，该冷却系统包括集中化的源，其包括构造成将冷却介质流输送到CPU并且产生冷却介质的出口流。该冷却系统还包括多个挡板，其构造成以便再分配出口流从而冷却其余的电子部件组件，其中CPU和其余的电子部件组件位于箱体内。
在再一方面中，本发明提供了一种用于冷却多个电子部件的方法，其包括输送来自至少一个微冷却器的冷却介质并且借助多个挡板再分配该冷却介质以便流经该电子部件。
在又一方面中，本发明提供了一种用于冷却多个电子部件的方法，该电子部件包括至少一个CPU和其余的电子部件组件，该方法包括输送来自集中化的源的冷却介质并且在CPU上分配冷却介质以及产生出口流。该方法还包括借助多个挡板再分配出口流以便流经其余的电子部件组件。
在附图中，相同的附图标记表示相似的部件，其中图1示出了用于电子部件的示意性的冷却系统；图2示出了用于电子部件的示意性的第二冷却系统；图3示出了用于电子部件的示意性的第三冷却系统；图4示出了用于电子部件的示意性的第四冷却系统；图5示出了用于电子部件的示意性的第五冷却系统；图6示出了用于电子部件的示意性的第六冷却系统；图7示出了用于电子部件的示意性的第七冷却系统；和图8示出了用于电子部件的示意性的第八冷却系统。
具体实施例方式
以下描述了用于冷却多个电子部件的冷却系统。该冷却系统包括构造成用于输送冷却介质流的集中化的源以及构造成用于在电子部件上再分配冷却介质的多个挡板。电子部件位于箱体内。图1示出了用于冷却电子部件的示意性的冷却系统2。电子部件封装在箱体4内。冷却系统2包括集中化的源12，其构造成用于在箱体4内的电子部件上输送冷却介质流。
在一些实施例中，电子部件包括高功率密度器件，例如在计算机服务器系统中使用的高档的集成电路(IC)，其使用至少一个风扇，例如微压缩机，以下称为微冷却器和高通量的热交换器。该风扇的尺寸确定成用于尺寸限制为1.75英寸的应用(“1U”应用)。在一些实施例中，该风扇的尺寸可以确定为2U应用。在一些实施例中，集中化的源12包括至少一个微冷却器。如图1所示，集中化的源12包括两个风扇，例如微冷却器13和14。微冷却器13和14设计成以足够高的压力输送高通量的冷却介质例如空气，以便克服系统内的压力损失。在此使用的术语“高通量的空气”指的是，数量级大约微至少25CFM(立方英尺每分钟)的空气流。
在本文所述的实施例中，其中设置有电子部件的箱体4是计算机服务器的盒体。箱体4构造成具有底表面6、(未示出的)顶表面、以及两个侧壁8和10。尽管在此所示的实施例将计算机服务器盒体描述成示意性的高功率密度器件，但是应当理解所披露的冷却系统还可应用于其它高功率密度器件，例如军用航空电子设备、医疗成像部件和设备。在此所述的电子部件是发热器件。这些部件需要被冷却到特定温度以便延长寿命且增加其性能。
电子部件通常包括例如多个中央处理单元(CPU)20和22、硬盘驱动器28、和电源单元36。箱体4还可包括其它部件，其包括但不限于(未示出的)图象处理卡。在使用中，来自微冷却器13和14的例如空气的冷却介质首先吹过CPU20和22并形成出口流24。冷却系统还可包括收敛通道16和18，其中CPU20和22(相对于集中化的源12)串联地布置在收敛管道17内，该收敛管道17由垂直布置的实心的收敛通道16和18形成。在(未示出的)替代实施例中，CPU20和22定位成与集中化的源12并联。
收敛管道17确保了即使当一个微冷却器损坏时，CPU也能接受到至少一部分的冷却介质流。CPU是服务器盒体中功率密度最高的器件，并且需要一有效的冷却系统来延长CPU20和22的寿命。因此，在冷却系统2中，如图1所示，冷却介质首先吹过CPU20和22。冷却介质的温度在微冷却器13和14的入口是最低的。
设置有收敛通道16和18的实施例提供了当冷却介质流过第一CPU20时的速度增加。增加的速度增强了传热系数。尽管冷却介质的温度随冷却介质流经收敛通道16和18而增加，然而第二CPU22的冷却仍然是有利的，这特别是由于传热系数的增大而实现的。在这种结构中，收敛通道16和18相对于CPU20和22的角度是相同的。在另外的一些实施例中，如图2所示，其中两个微冷却器均工作，该角度可改变为以便使得来自一个微冷却器的一部分冷却器流在通常从一个收敛板偏转之后直接流向CPU22。图2示出了示意性的第二冷却系统46，其中收敛通道16与收敛通道18相比(相对于CPU20和22)具有更宽的角度。在工作中，来自微冷却器13的流19流向CPU20。来自微冷却器14的流21的一部分撞击到收敛通道16上并且引导到CPU22。本领域的普通技术人员应当理解，相同结构的冷却系统可设置用于一个、两个、或大于两个的CPU。在一些实施例中，为了代替在一直线上对准地串联布置CPU，CPU可以布置成围绕一直线串联布置，而且是交错的布置。
图1所示的冷却系统2包括多个挡板30和32以便将出口流24再分配给其余的电子部件的组件，(例如所示的磁盘驱动器和电源单元36)。在一个实施例，挡板30和32均垂直地设置并且在箱体4的厚度范围26内延伸。在图1所示的特定实施例中，挡板30包括穿孔的板或网孔，该板或网孔大致是中空的。在此限定的“大致是中空的”是具有优化的开放区域以便冷却介质流的一部分移动到箱体4中的下游区域34，以便冷却一些其它的(未示出的)电子部件。在一些其它的实施例中，流过下游区域34不比在箱体的其它区域中流动更重要，挡板30可按另外的方式制成实心薄板。在图1所示的实施例中，挡板32是实心的金属薄板并且设置成相对于挡板30呈一角度。挡板30作为偏转器，以便使得冷却流体移动到需要冷却的区域，例如电源单元36和例如为磁盘驱动器28的储存器单元。
出口流24的一部分38借助穿孔的挡板30偏转，并且其余部分流经挡板30并且流向下游区域34，以便冷却其它的一些电子部件，如果设置有这些部件的话。偏转的冷却介质的一部分38吹过磁盘驱动器28，并且一旦该冷却介质流过磁盘驱动器28，流股42流向电源单元36。
图3示出了示意性的第三冷却系统50，其中箱体4包括与图1所示的相似的电子部件。在图3所示的该示意性的冷却系统中，挡板30没有装接到箱体4的侧壁8上。挡板32和30与箱体4的侧壁8隔开一距离，并形成间隙52以便冷却介质的流动。挡板32在箱体4的厚度范围26内垂直地设置并且作为偏转器。挡板30可以是如上所述的穿孔的板或网孔。在该实施例中，依据箱体4的下游区域34的冷却需要，挡板30可替代地作为实心板。一个实心板的示例是下游区域34的冷却需要由流经间隙52的冷却介质的量充分地实现的实施例。在工作中，出口流24的一部分流向下游区域34。出口流24的其余部分由实心的挡板32偏转并且流过图2所示的磁盘驱动器28和电源单元36。流经间隙52的旁通流股54还可借助多个小挡板56、58、60偏转，这确保了旁通流股54更有效地分布在下游区域34中。
图4示出了用于冷却电子部件的示意性的第四冷却系统70。如图4所示，该冷却系统包括三个挡板，其中第一挡板72设置在平行于冷却介质流的水平位置。该水平的挡板72还可称为水平分离器，其设置为具有箱体4的高度26的一半。挡板72通常将来自微冷却器13和14的出口流24分成两个流股，即上流股71和下流股78。水平的挡板72固定到第二挡板70上，该挡板70垂直地设置。垂直挡板70固定到箱体4的(未示出的)顶表面和侧壁8上，并且固定到垂直挡板70上。水平挡板72和垂直挡板70连接到第三挡板74和第四挡板76上。第三挡板74垂直设置并且固定到底表面4上。第三挡板74的高度通常等于在设置水平挡板72处的高度。在工作中，上流股71偏转并且流过磁盘驱动器28和电源单元36。下流股78继续流向下游区域34以便冷却位于该区域内的电子部件。
在图4所示的结构中的每一挡板有助于有效地再分配来自CPU20和22的出口流24。上流股71撞击到挡板70，其阻挡箱体4的在水平挡板72之上的顶半部。在撞击之后，该流股如图所示地沿箭头75偏转。第四挡板76是偏转器，该挡板76还使得朝向电源单元36的流动偏转。第四挡板76可以是与水平挡板72连接的垂直壁并且固定到箱体4的底表面4上。挡板的该实施例确保了所有的下流股78移动到下游区域34并且防止下流股78朝向电源单元36或磁盘驱动器28的任何回混。
在图1-4所示的所有实施例中，CPU串联布置。另外，CPU还可在下游区域34中并联布置。在该结构中，下流股78用于冷却布置在下游区域34中的CPU。(未示出的)收敛且随后发散的部分设置在CPU上游，CPU的并联布置确保了CPU均匀地冷却，即使在一个微冷却器损坏时也是如此。该收敛(或收敛-发散)部分可相对于该挡板具有任何相对的位置，但是必须在CPU的上游。
图5示出了用于冷却电子部件的示意性的第五冷却系统80。与图1所示的结构相似，电子部件包括多个中央处理单元(CPU)20和22、电源单元36、磁盘驱动器28。冷却系统80还包括与CPU和磁盘驱动器28平行的两个挡板83和81，由此形成用于空气流的通道。在该实施例中，微冷却器13和14位于箱体4内。由于空气吸入，因此微冷却器13和14的吸入侧处于低于周围压力的低压。靠近磁盘驱动器28的壁11构造成具有多个开口，以便周围空气86流入箱体4内。由于磁盘驱动器28两侧的压力低于在微冷却器吸入口的压力，因此空气经壁11中的开口被吸入并且由挡板85偏转。挡板85、83、81形成了用于空气流86再循环返回微冷却器13和14的吸入口的流动路径88。如图5所示，再循环流2分别经流股82和84循环返回到微冷却器13和14的吸入口。应当理解，在所示的实施例80中箱体4的矩形形状还可用于图1-4和6-8所示的其它挡板布置。
图6示出了示意性的第六冷却系统89，其中CPU20和22相对于集中化的源12并联布置。来自微冷却器13和14的空气如图6所示地吹过CPU20和22。
图7示出了用于冷却电子部件的示意性的第七冷却系统90。该电子部件包括多个中央处理单元(CPU)20和22、电源单元36、磁盘驱动器28。箱体4还可包括其它部件，其包括但不限于图象处理卡。该冷却系统包括集中化的源12，其包括两个微冷却器13和14。该冷却系统还包括多个挡板92、94、96、98。挡板可包括分开的单元，或者该挡板可包括一个整体的结构。CPU20和22串联地布置在箱体4的下游区域34中。挡板92和94垂直地布置，分隔开来自每一微冷却器13和14的流动。来自微冷却器14的流动106如图7所示地直接吹过CPU20和22。来自微冷却器13的流动108由挡板96和98偏转，以便流过电源单元36和磁盘驱动器28。挡板96是实心板或穿孔板或网孔，这取决于冷却CPU20和22的冷却介质的量的需求。挡板92和94可围绕接点100、102、104移动，以便92和94的位置可在一个微冷却器损坏时进行调节。
图8示出了示意性的第八冷却系统，其中挡板的结构构造成便于使得更多的流动流过CPU20和22。挡板112、96、98定位在微冷却器13的出口116的中部。这种布置使得来自微冷却器13的流动的一半以及来自微冷却器14的整个流动流向CPU20和22。在接点100处，一个附加的挡板114设置成垂直来自微冷却器13的流动。附加的挡板114使得来自微冷却器13的流动偏转以便流向CPU20和22。挡板112可在接点100、116、118处移动，接点118处于微冷却器14的出口的中心。在该实施例中，在微冷却器13和14中的任一个损坏时，冷却系统仍可有效地工作。在工作中，如果微冷却器14损坏，如图8所示的挡板结构可借助附加的挡板114从而使得来自处于工作状态的微冷却器13的流动的一部分流过CPU20和22。在本发明在此所述的所有实施例中，箱体4大致没有冷却介质的再循环的容器内滞流，由此增大了冷却效率。
在此所示的冷却系统可有效地保持电子部件温度范围处于限制值内，由此增加部件的工作寿命。在此所述的该冷却系统将CPU的温度保持在大约78摄氏度以下，磁盘驱动器28的温度在大约55摄氏度以下，电源单元36的温度保持在大约50摄氏度以下。
在此所述的用于冷却电子部件的方法参照以上实施例进行了描述。一种用于冷却多个电子部件的方法，其包括输送来自集中化的源的冷却介质并且借助多个挡板再分配流经该电子部件的冷却介质。
在用于冷却多个电子部件的方法的另一示例中，电子部件包括至少一个CPU和其余的电子部件组件，该冷却介质由集中化的源产生。冷却介质首先分配经过CPU，由此形成出口流。该出口流随后借助多个挡板再分配以便流经其余的电子部件组件。
尽管本发明参照实施例进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可进行不同的改变和等效变型。此外，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，还可进行多种变型以便使得特定情况或材料适应本发明的技术启示。因此，本发明旨在不限于所示和所述的实现本发明的最佳实施例，而是包括落在权利要求书中的所有实施例。而且，术语“第一”、“第二”等的使用不表明顺序或重要性，而只是用于区别。
部件表2 冷却系统4 箱体6 箱体的底表面8 箱体侧面10 箱体侧面12 集中化的源13 微冷却器14 微冷却器16 空气收敛通道17 空气收敛管道18 空气收敛通道19 流经20的流动20 CPU21 流经22的流动22 CPU24 出口流26 箱体的高度28 磁盘驱动器30 挡板32 挡板34 下游区域36 电源线38 偏转流股40 偏转流动42 来自磁盘驱动器的流动
44 出口流46 冷却系统50 冷却系统52 挡板与侧面之间的间隙54 流经该间隙的流动56 挡板58 挡板60 挡板68 冷却系统(在图4中更正)70 垂直挡板72 水平挡板74 第三挡板76 第四挡板80 冷却系统81 挡板82 再循环到1384 再循环到1485 挡板86 空气流88 空气流89 冷却系统90 冷却系统92 挡板94 挡板96 挡板98 挡板100 枢转点102 枢转点104 枢转点106 枢转点108 枢转点110 冷却系统
112 挡板114 枢转点116 枢转点118 枢转点
权利要求
1.一种用于冷却多个电子部件的冷却系统，该冷却系统包括集中化的源(12)，其包括构造成便于输送冷却介质流的至少一个微冷却器(13)；和构造成便于再分配所述冷却介质以便流经所述电子部件的多个挡板；其中，所述电子部件位于箱体(4)内。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该电子部件从以下组中选择，该组包括中央处理单元(CPU)20、磁盘驱动器(28)、储存器卡、图象处理卡、电源单元(36)、及其组合。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该集中化的源包括至少两个微冷却器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该箱体包括计算机服务器盒体。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该电子部件包括至少一个中央处理单元(CPU)。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该电子部件包括至少两个中央处理单元(CPU)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括至少两个收敛通道，其构造成将该冷却介质的所述流动引导流经所述中央处理单元(CPU)。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该挡板构造成便于使得该冷却介质的所述流动的一部分流经该挡板并且使得其余部分偏转。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述挡板中的至少一个与该冷却介质的所述流动平行。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述中的至少一个使得该冷却介质的所述流动水平地分成上流股和下流股。
全文摘要
一种用于冷却多个电子部件的冷却系统，该冷却系统包括集中化的源(12)，其包括构造成便于输送冷却介质流的至少一个微冷却器(13)；和构造成便于再分配所述冷却介质以便流经所述电子部件的多个挡板；其中，所述电子部件位于箱体(4)内。
文档编号H05K7/20GK1779597SQ20051011332
公开日2006年5月31日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年9月29日
发明者S·戴, P·J·J·默勒克, C·巴兰 申请人:通用电气公司