专利名称：电子器件的保护系统和方法
技术领域：
本公开涉及诸如数据中心、电池和功率变换器之类的发热电子器件，以及用灭火冷却剂冷却所述器件的系统和方法。
背景技术：
在电子器件的几乎每种现代应用中，散热对设计人员而言是一个重要的考虑因素。在便携式和手持装置中，例如，希望在增添功能的同时使装置小型化，这增加了热功率密度，使得对装置内的电子器件和电池的冷却更具挑战性。随着台式计算机、数据中心和通信中心的计算能力的增强，散热量也随之增加。电力电子器件如插电式电动汽车或混合动力汽车中的牵引逆变器、风轮机、列车发动机、发电机以及各种工业方法利用在越来越高的电流和热流下运行的晶体管。因此，诸如个人计算机之类的器件与风扇一起运行，这些风扇通过空气冷却诸如微处理器、存储器、电源等元件所产生的热量。作为多个电子器件大网络的通信中心和数据中心利用大的分散配置型空调系统，该系统可由对供应至器件的空气进行冷却的多个风扇、鼓风机、压缩机和泵构成。许多热传递方法通常使热量移动至外部空气或地下水中。电力电子器件通常利用施加至散热器的大型鼓风机，所述散热器附接至由半导体器件构成的电力电子器件模块。对于此类器件而言，使用液体冷却日益普遍。在许多电力电子器件中，所需功率密度使得对位于其内的元件进行空气冷却不切实际。在大的数据和通信中心中，液体冷却正在许多热传递方法中替代空气，以便提高能量效率。尽管有时使用水或水基系统，但通常使用介电热传递介质，因为其在使用过程中或在渗漏的情况下不导电。通常，介电介质在接收和释放热量时会在套环内蒸发和冷凝。这些介质包括(例如)全氟化碳(PFC)，包括全氟聚醚(PFPE)、全氟胺(PFA)和全氟醚(PFE)；氢氟醚(HFE)；氢氟烃(HFC)；硅树脂和烃类。在一些电子器件中，由器件产生的热量可达到阈值，在该阈值处，发热会自动加速或处于所谓的逸出状态。对于(例如)诸如电池之类的器件或失效时变热的器件而言，这可能是个问题。过热可损坏电子器件，或在起火或爆炸的情况下可扩散导致大范围的损坏和损伤。对于诸如业务关键数据中心或应急功率变换器的高价值器件而言，其通常具有辅助灭火系统，该系统可在检测到火焰时将其扑灭，以保护人员、信息和昂贵设备。此类灭火系统通常靠近液体冷却系统设置，并且通常将卤代化学物质用作灭火剂。三氟溴甲烷是一种常见的试剂，其高度消耗臭氧，因此蒙特利尔议定书规定停止其生产。不消耗臭氧的PFC和 HFC可表现出高达50，000年的大气寿命值，从而导致高的全球变暖潜能值(“GWP”)。GWP 是在指定的整合时间范围上相对于由一(1)千克CO2所致的变暖而言，由释放一(1)千克样品化合物所致的合计潜在变暖。
发明内容
期望具有还提供防火的热管理系统。还期望具有包括不会损坏电子元件的灭火剂的热管理系统。另外，期望具有包括冷却剂、灭火剂组合的热管理系统，所述冷却剂、灭火剂组合具有低全球变暖潜能值。在一个方面，提供了一种保护系统，其包括发热电子设备；包括至少一种再循环热管理流体的热管理系统，所述热管理系统设计用于传递来自发热电子设备的热量；和位于热管理系统中的阀门，其被设计为响应于刺激而使热管理流体的至少一部分通过阀门从热管理系统转移，并且到达发热电子设备上或附近的火焰，其中所述热管理流体包含灭火剂。在另一方面，提供了一种对电子设备进行热管理和防火的方法，其包括提供电子设备；用包括至少一种再循环热管理流体的热管理系统对电子设备进行热管理；感测电子设备中或附近的火焰；响应于对电子设备中或附近火焰的感测而打开热管理系统中的阀门；将热管理流体通过阀门从热管理系统转移到电子设备上或附近的火焰；和扑灭火焰， 其中所述热管理流体包含灭火剂。在本公开中“发热电子器件”是指单独的电子设备(例如个人计算机、手持电话、锂离子电池等)、这些设备内的元件(例如IC芯片、功率晶体管等)以及包括许多电子设备的系统(例如数据中心、通信中心等)；“热管理流体”和“传热流体”以及“传热介质”在本文中可互换使用，并且是指可将热量从一个位置传递到另一个位置的流体；并且“热接触”是指两种具有不同温度的元件靠近彼此设置使得热量可从较热元件流向较冷元件的状态。所提供的保护系统可使用热管理流体对发热电子器件提供热传递。另外，这些系统可使用这样的流体，其具有高传热能力但具有低环境影响(就全球变暖潜能而言为臭氧消耗能力)，并且对敏感电子器件具有惰性。这些系统还可响应于刺激而转移到至少某些电子器件上，并且可扑灭火焰并终止自加速发热。因此，所述流体具有双重功能-其可用作热管理流体，但也可避免对目前用于诸如数据中心之类的器件的单独的昂贵防火系统的需求。上述发明内容并非旨在描述本发明每种实施方式的每个公开的实施例。以下的
和具体实施方式
更具体地举例说明示例性实施例。
图1为空气冷却数据中心布局的示意图。图2为诸如图1所描述的典型空气冷却数据中心的传热路径的示意图。图3为所提供的用于电子器件的保护系统的一个实施例。
具体实施例方式下面的描述参照作为本说明书一部分的附图，附图中以图示方式示出了若干具体实施例。应当理解，在不偏离本发明的范围或精神的前提下可以考虑其他的实施例并进行实施。因此，以下的具体实施方式
不应被理解成具有限制性意义。除非另外指明，否则在所有情况下，说明书和权利要求书中用来表述特征尺寸、量和物理特性的所有数字均应理解为由术语“约”来修饰。因此，除非另外指明，上述说明书和所附权利要求书中给出的数值参数均为近似值，利用本发明公开内容的教导，本领域技术人员根据所需获得的特性，这些近似值可有所不同。通过端值表示的数值范围包括该范围内的所有数字(如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。本文描述了一种用于电子器件的保护系统。该系统可防止电子器件过热，并且可响应于刺激而将包含灭火剂的热管理流体引导至电子器件上，从而扑灭任何源于过热的火焰或火。该保护系统包括发热电子器件。该发热电子器件可为包括通常产生热量的电子元件的任何电子器件或系统。示例性发热电子元件包括半导体集成电路(IC)、电化学电池、功率晶体管、电阻器和电致发光元件。电子器件可包括但不限于微处理器、用于制造半导体器件的晶片、功率控制半导体、电化学电池(包括锂离子电池)、配电开关装置、电源变压器、 电路板、多芯片模块、封装或未封装半导体器件、半导体集成电路、燃料电池、激光器(常规二极管或激光二极管)、发光二极管(LED)和用于大功率应用(例如混合动力或电动汽车) 的电化学电池。其他器件包括个人计算机、微处理器、服务器、移动电话和个人数字助理。数据中心(其为计算机系统和相关元件的集合)，例如通常包括冗余或备用电源、冗余数据通信连接件、环境控制件(包括例如空气调节和灭火件)和安全装置的通信和存储系统，也涵盖在所提供的保护系统的范围内。电子器件包括热管理系统，该热管理系统包括至少一种再循环热管理流体。热管理流体包含灭火剂。热管理系统被设计为将来自发热电子器件的热量传递至冷凝器或热交换器。热管理系统可以被动方式或使用诸如泵之类的机械设备来使热管理流体再循环。被动式再循环系统通过这样工作，其将来自电子器件的热量传递至热管理流体，直至该热管理流体蒸发，使得加热的蒸汽进入冷凝器，蒸汽在此处将其热量传递至冷凝器表面并且冷凝回液体，然后使冷凝液体回流到与电子器件相接触的热管理流体中。用于电化学电池的示例性被动式热管理系统描述于例如U. S. S. N. 11/969，491 (Jiang等人)中。被动式热管理系统可包括例如单相或双相浸没冷却。在其他实施例中，热管理系统可包括泵送双相系统。热管理系统还可包括用于管理传热流体的设备，包括(例如)泵、阀门、流体容纳系统、 压力控制系统、冷凝器、热交换器、热源、散热器、制冷系统、主动温度控制系统、温度和/或压力传感器、火焰传感器、二氧化碳传感器和被动温度控制系统。所提供的系统可包括不易燃的、惰性的、非水传热介质。所谓不易燃的是指介质不易助燃。所谓惰性的是指在系统的正常运行条件下，介质实质上不与系统或电子器件的元件反应。对于需要惰性流体的传热处理而言，可使用碳氟化合物或氢氟烃。也可使用通常具有低毒性、对皮肤基本无刺激性、无化学反应性、不易燃(例如根据ASTM D-3278-96 e_l“Flash Point of Liquids by Small Scale Closed-Cup Apparatus (通过小亥丨J度闭杯闪点测试器测定液体的闪点)”测定未表现出闪点)，并且具有高介电强度的碳氟化合物流体。诸如全氟化碳、氢氟烃、全氟酮、全氟聚醚、全氟醚和氢氟醚之类的碳氟化合物流体可提供不消耗同温层中的臭氧的额外优点。发达国家已根据1987蒙特利尔议定书停止了对诸如氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃 (HCFC)之类的臭氧消耗性化学物质的生产。用于致冷、气溶胶、热管理流体和其他应用的替代化学物质受到不能使用溴和氯的制约，这些替代化学物质包括氢氟烃(HFC)，其具有既定的良好性能并且具有可接受的臭氧消耗性质。近来，全球环境团体已将其注意力转向日益
6紧迫的全球变暖问题。根据1997京都议定书和2006欧盟含氟温室气体法规，具有高全球变暖潜能值(GWP)的材料必须由具有低全球变暖潜能值的材料替代。下表1 (来自P. Tuma, Proceedings, SEMI-THERM, 2008年3月，第173-179页)列出了各种热管理流体的全球变暖潜能值(GWP)。M 1热管理流体的全球变暖潜能倌(GWP)
权利要求
1.一种保护系统，所述保护系统包括 发热电子器件；包括至少一种再循环热管理流体的热管理系统，所述热管理系统被设计用于传递来自所述发热电子器件的热量，和阀门，位于所述热管理系统中，被设计为响应于刺激而使得所述热管理流体的至少一部分通过所述阀门从所述热管理系统转移，并且到达所述发热电子器件上或附近的火焰上，其中所述热管理流体包含灭火剂。
2.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述发热电子器件包括具有电子元件的数据中心。
3.根据权利要求2所述的保护系统，其中所述电子元件包括电力电子器件、电化学电池或服务器。
4.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述电子器件是封闭的。
5.根据权利要求4所述的保护系统，其中所述热管理系统冷却封闭的电子器件内部的空气。
6.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述热管理系统冷却与所述电子器件接触的空气。
7.根据权利要求1所述的保护系统，其中热管理系统与所述电子器件的至少一部分直接接触。
8.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述热管理流体的全球变暖潜能值低于约10。
9.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述热管理流体包含碳氟化合物。
10.根据权利要求9所述的保护系统，其中所述碳氟化合物包括全氟酮。
11.根据权利要求10所述的保护系统，其中所述全氟酮包括
12.根据权利要求1所述的保护系统，所述保护系统还包括传感器。
13.根据权利要求12所述的保护系统，其中所述刺激启动所述传感器。
14.根据权利要求13所述的保护系统，其中所述传感器与所述阀门电子通信。
15.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述刺激为检测到火焰。
16.一种电子设备的热管理和防火的方法，所述方法包括 提供电子器件；用包括至少一种再循环热管理流体的热管理系统对所述电子器件进行热管理； 感测所述电子器件中或附近的火焰；响应对所述电子器件中或附近的火焰的感测而打开所述热管理系统中的阀门； 通过所述阀门将热管理流体从所述热管理系统转移到所述电子器件上或附近的火焰上；和扑灭所述火焰，其中所述热管理流体包含灭火剂。
17.根据权利要求16所述的热管理和保护电子器件的方法，其中所述电子设备包括数据中心。
18.根据权利要求17所述的热管理和保护数据中心的方法，其中所述热管理系统包括全球变暖潜能值低于约10的热管理流体。
19.根据权利要求18所述的热管理和保护数据中心的方法，其中所述热管理流体包含碳氟化合物。
20.根据权利要求19所述的热管理和保护数据中心的方法，其中所述碳氟化合物包括全氟酮。
21.根据权利要求20所述的热管理和保护数据中心的方法，其中所述全氟酮包括
全文摘要
本发明提供了发热电子器件的保护系统和方法，其包括为灭火剂或可扑灭火焰的热管理流体。所提供的系统和方法包括再循环热管理流体。所述流体循环通过包括至少一个阀门的导管。所述阀门可响应于诸如火焰或火之类的刺激而打开，使所述流体转移到所述发热电子器件上或转移到火焰上。
文档编号H05K7/20GK102461354SQ201080026342
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月1日 优先权日2009年4月21日
发明者菲利普·E·图玛 申请人:3M创新有限公司