用于电子器件的热虹吸系统的制作方法

用于电子器件的热虹吸系统的制作方法
【专利摘要】一种热虹吸系统包括冷凝器、蒸发器以及将所述冷凝器流体耦合到所述蒸发器的冷凝物管线。冷凝物管线可以是具有平行通路的管道，可用于将液体冷凝物从冷凝器输送至蒸发器并且将蒸汽从蒸发器输送至冷凝器。所述蒸发器可被集成到所述管道中。所述冷凝器可利用成角度的芯来构造。整个组件可利用单一材料(例如，铝)来构造，并且可在单个钎焊操作中被钎焊在一起。
【专利说明】用于电子器件的热虹吸系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及从电子器件去除热的热虹吸系统。

【背景技术】
[0002]计算机用户常常关注于计算机微处理器的速度(例如，兆赫和千兆赫)。许多人忘记了这种速度常常伴随着成本一更高的功耗。这种功耗还生成热。这是因为按照简单的物理定律，所有功率不得不去往某处，并且该某处最终是转化为热。安装在单个主板上的一对微处理器可汲取几百瓦特或更多的功率。对于大型数据中心中的许多计算机，需要将这一数字乘以几千(或几万)，由此可以容易地理解可生成的热的量。当并入支持关键负载所需的所有辅助设备时，数据中心中的关键负载所消耗的功率的影响常常被加剧。
[0003]可使用许多技术来冷却位于服务器机架托盘上的电子器件(例如，处理器、存储器以及其它生成热的器件)。例如，可通过在器件上方提供冷却气流来创建强制对流。位于器件附近的风扇、位于计算机服务器机房中的风扇和/或位于与电子器件周围的空气流体连通的管道系统中的风扇可强制冷却气流经过容纳器件的托盘上方。在一些情况下，服务器托盘上的一个或多个部件或器件可能位于托盘的难以冷却的区域中；例如，强制对流不太有效或者不可用的区域。
[0004]不充分和/或不足的冷却的结果可能是托盘上的一个或多个电子器件由于器件的温度超过最大额定温度而发生的故障。尽管某些冗余可能被内置于计算机数据中心、月艮务器机架、甚至各个托盘中，但器件由于过热而发生的故障仍可能带来速度、效率和花费方面的极大成本。
[0005]热虹吸管是利用经受相变的流体来操作的热交换器。液体形式的流体在蒸发器中被蒸发，并且通过来自蒸发器的蒸汽形式的流体将热携带到冷凝器。在冷凝器中，蒸汽冷凝，然后液体形式的流体经由重力返回到蒸发器。因此，流体在蒸发器与冷凝器之间循环，而无需机械泵。


【发明内容】

[0006]如上所述，电子器件(例如，诸如处理器和存储器的计算机部件)生成热。可使用热虹吸系统来从这样的电子器件去除热。尽管已提出了一些系统来从计算机部件去除热，但服务器机架环境中的有限可用空间给热虹吸系统设计带来附加挑战。另外，为了商业适用性，热虹吸管需要高效地操作。
[0007]描述若干方法，这些方法可单独使用或组合使用以便提高效率。可使用具有平行通路的管道来将液体冷凝物从冷凝器输送至蒸发器并且将蒸汽从蒸发器输送至冷凝器。蒸发器可被集成到管道中。所述冷凝器可利用成角度的芯来构造。整个组件可利用单一材料(例如，铝)来构造，并且可在单个钎焊操作中被钎焊在一起。蒸发器承载板可沿着中心轴线施加压力。
[0008]在一个方面，一种热虹吸系统包括冷凝器、蒸发器以及将所述冷凝器流体耦合到所述蒸发器的冷凝物管线。所述冷凝物管线包括管道，该管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相对横侧并且平行于所述中心通路延伸的一对外侧通路。所述中心通路被定位成将汽相的工作流体从所述蒸发器输送至所述冷凝器。所述一对外侧通路被定位成将液相的所述工作流体从所述冷凝器输送至所述蒸发器。
[0009]实现方式可包括以下特征中的一个或多个。所述管道可以是扁平的矩形主体，所述主体的宽度大于其高度。所述外侧通路可与所述矩形管道的侧壁相邻地定位。所述中心通路可从所述矩形管道的顶壁延伸至底壁。所述管道可包括被定位在所述中心通路中并沿着所述管道的长度延伸的支柱。所述一对外侧通路可具有所述中心通路的约5-25%的横截面积。所述管道可以是统一钎焊主体。所述蒸发器可包括蒸发器盘，该蒸发器盘具有相对于所述中心通路的底部凹陷的表面。所述一对外侧通路中的每一个可具有定位在所述蒸发器盘上方或者与所述蒸发器盘相邻定位的孔。所述蒸发器可包括从蒸发器盘向上伸出的多个翅片。
[0010]在另一方面，一种热虹吸系统包括冷凝器、蒸发器以及将所述冷凝器流体耦合到所述蒸发器的冷凝物管线。所述蒸发器包括蒸发器盘以及从所述蒸发器盘向上延伸的多个突起，所述蒸发器盘具有相对于所述冷凝物管线的底板凹陷的表面，所述突起的顶部被定位于所述冷凝物管线的所述底板以上。
[0011]实现方式可包括以下特征中的一个或多个。所述多个突起可包括多个翅片。所述多个翅片可基本上平行布置。所述翅片具有沿着其长度的起伏。所述起伏可具有介于1和2_之间的间距以及介于0.1和0.5_之间的幅度。所述蒸发器的顶板可与所述中心通路的顶部齐平。所述蒸发器和冷凝物管线可以是统一钎焊主体。所述蒸发器盘和突起可以是铜。所述冷凝物管线可以是管道，该管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相对横侧并且平行于所述中心通路延伸的一对外侧通路，所述中心通路可被定位成将汽相的工作流体从所述蒸发器输送至所述冷凝器，所述一对外侧通路可被定位成将液相的所述工作流体从所述冷凝器输送至所述蒸发器。所述一对外侧通路中的每一个可具有定位在所述蒸发器盘上方或者与所述蒸发器盘相邻定位的孔。
[0012]在另一方面，一种热虹吸系统包括蒸发器、冷凝器和冷凝物管线。所述冷凝器包括主体，该主体具有带有开口的第一侧面、在所述主体的与所述第一侧面相反的一侧的第二侧面、从所述开口朝着所述第二侧面延伸的中心通道以及从所述中心通道横向延伸的多个平行腔室。所述中心通道和所述多个平行腔室的底板倾斜，使得所述中心通道的更靠近所述第二侧面的末端高于所述中心通道在所述开口处的末端。所述冷凝物管线将所述冷凝器的所述开口流体耦合到所述蒸发器。
[0013]实现方式可包括以下特征中的一个或多个。所述冷凝物管线可包括管道，该管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相对横侧并且平行于所述中心通路延伸的一对外侧通路，所述中心通路可被定位成将汽相的工作流体从所述蒸发器输送至所述冷凝器，并且所述一对外侧通路可被定位成将液相的所述工作流体从所述冷凝器输送至所述蒸发器。所述主体可包括腔以及将所述腔分割成所述多个平行腔室的多个壁。多个导热翅片可从所述主体向外伸出。多个导热翅片可从所述主体垂直伸出。所述多个导热翅片的顶部可位于水平面上。所述中心通道和所述多个平行腔室的所述底板可相对于水平面按照1° -30° (约7.5° )的角度倾斜。
[0014]在另一方面，一种组装热虹吸系统的方法包括:提供冷凝器、蒸发器和冷凝物管线；以及在单个钎焊工艺中同时对所述冷凝器、所述蒸发器和所述冷凝物管进行钎焊以形成统一主体。
[0015]实现方式可包括以下特征中的一个或多个。所述冷凝器、所述蒸发器和所述冷凝物管线可由铝构成。所述冷凝器和所述冷凝物管线可由铝构成，并且所述蒸发器可包括铜蒸发器盘。所述单个钎焊工艺可以是将所述冷凝器、所述蒸发器和所述冷凝物管线同时加热至介于约580和620°C之间的温度。
[0016]可实现以下优点中的一个或多个。热虹吸系统可被装入服务器机架的有限水平和垂直空间内。可在蒸发器中蒸发器接触电子器件的区域上方维持液体薄层，从而降低蒸发器的热阻以从电子器件吸收热。蒸发器中伸出到流体高度以上的翅片可改善热传递和/或降低对热虹吸系统的安装角度的敏感度。所述成角度的芯可通过(除了别的以外)将更多冷凝物翅片暴露于蒸汽来增强热特性。大致矩形的挤压管道与先前系统相比可减少零件数，从而降低制造成本并且增加产量。例如，单一材料构造还可通过允许整个系统被钎焊为单个单元(可降低泄漏的可能性)来降低制造复杂度。大致矩形的挤压管道可提供优异的形状因数(例如，功能相似，但无关材料占据的空间较少)。
[0017]在附图以及下面的描述中阐述了一个或多个实现方式的细节。本发明的其它方面、特征和优点将从所述描述和附图以及权利要求书而显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1示出服务器机架以及被配置为安装在机架内的服务器机架子组件的侧视图。
[0019]图2和图3示出服务器机架子组件的侧视图和俯视图。
[0020]图4示出服务器机架子组件的透视图(但省略了印刷电路板和热生成元件以提供更多框架的示图)。
[0021]图5示出热虹吸系统的透视图。
[0022]图6示出冷凝物/蒸汽管线的横截面图，其可以是沿图5的线6-6截取的视图。
[0023]图7是安装托架的透视图。
[0024]图8示出蒸发器的实现方式的横截面正视图。
[0025]图9A和图9B示出来自热虹吸系统的蒸发器的实现方式的横截面侧视图，其可以分别是沿图8的线9A-9A和9B-9B截取的视图。
[0026]图9C示出图9A和图9B的蒸发器的实现方式的等距剖视图。
[0027]图9D示出图9A和图9B的蒸发器的实现方式的俯视图。
[0028]图9E示出图6A和图6B的蒸发器的实现方式中的蒸发器翅片的实现方式的细节图。
[0029]图10和图11示出来自热虹吸系统的冷凝器的横截面侧视图。
[0030]图12和图13示出图8和图9的热虹吸系统的横截面俯视图。
[0031]图14示出来自热虹吸系统的冷凝器的剖面透视图。
[0032]图15示出热虹吸系统的分解透视图。
[0033]图16和图17示出冷凝器的另一实现方式的横截面俯视图和侧视图。
[0034]图18示出其它冷凝器的剖面透视图。
[0035]图19是冷凝器中的腔室的横截面展开俯视图。
[0036]图20示出冷凝器的另一实现方式的横截面俯视图。
[0037]图21示出图20中的冷凝器的实现方式的横截面侧视图。
[0038]各个图中的相似附图标记指示相似元件。

【具体实施方式】
[0039]本文献讨论一种热虹吸系统，其可被实现为从电子器件，例如计算设备的部件(诸如，处理器或存储器)去除热。该热虹吸系统的蒸发器接触电子器件以使得电子器件经历传导热传递效应。因此，该热虹吸系统可用作电子器件的热沉，降低电子器件过热并因此发生故障的可能性。
[0040]具体地讲，该热虹吸系统可被安装在服务器机架子组件上或与服务器机架子组件集成以便于插入服务器机架中。服务器机架子组件可包含或支撑许多热生成电子器件，并且热虹吸系统的蒸发器可接触这些电子器件中的一个或多个。另外，该热虹吸系统可被安装在电路卡组件、子卡和/或承载热生成电子器件的其它板上。
[0041]图1示出示例系统100，其包括服务器机架105(例如，13英寸或19英寸服务器机架)以及安装在机架105内的多个服务器机架子组件110。尽管示出单个服务器机架105，但服务器机架105可以是系统100内的许多服务器机架中的一个，该系统100可包括包含各种机架安装计算机系统的服务器群(server farm)或托管设施(co-locat1nfacility)。另外，尽管示出多个服务器机架子组件110安装在机架105内，但可能仅存在单个服务器机架子组件。通常，服务器机架105限定多个狭槽107，这些狭槽按照有序且重复的方式布置在服务器机架105内，并且各个狭槽107是机架中对应服务器机架子组件110可被置于其中和被移除的空间。例如，服务器机架子组件可被支撑在从机架105的相对侧面伸出的导轨112上，并且所述导轨可限定狭槽107的位置。狭槽以及服务器机架子组件110可按照图示的水平布置方式(相对于重力)取向。另选地，狭槽107以及服务器机架子组件110可垂直(相对于重力)取向，但这将需要对下述的蒸发器和冷凝器结构进行一些重新配置。在狭槽水平取向的情况下，它们可垂直地堆叠在机架105中，而在狭槽垂直取向的情况下，它们可水平地堆叠在机架105中。
[0042]例如作为较大型数据中心的一部分，服务器机架105可提供数据处理和存储能力。在操作中，数据中心可连接到网络，并且可接收并响应于来自网络的各种请求以检索、处理和/或存储数据。例如，在操作中，服务器机架105通常促进通过网络与用户接口的信息通信，所述用户接口由请求由在数据中心中的计算机上运行的应用提供的服务的用户的web浏览器应用生成。例如，服务器机架105可提供或帮助提供使用web浏览器的用户访问互联网或万维网上的网站。
[0043]服务器机架子组件110可以是可安装在服务器机架中的各种结构中的一个。例如，在一些实现方式中，服务器机架子组件110可以是能够可滑动地插入服务器机架105中的“托盘”或托盘组件。术语“托盘”不限于任何特定布置方式，而是应用于主板或者附属于主板的用于将主板支撑在机架结构中的适当位置的其它相对平坦的结构。在一些实现方式中，服务器机架子组件110可以是服务器底座或者服务器容器(例如，服务器箱)。在一些实现方式中，服务器机架子组件110可以是硬盘驱动器笼(hard drive cage)。
[0044]参照图2、图3和图4，服务器机架子组件110包括框架或笼120、支撑在框架120上的印刷电路板122 (例如，主板)、安装在印刷电路板122上的一个或多个热生成电子器件124 (例如，处理器或存储器)以及热虹吸系统130。一个或多个风扇126也可安装在框架120 上。
[0045]框架120可包括或者就是平坦结构，主板122可被置于并安装在该平坦结构上，以使得技术人员可抓住框架120以将主板移动到位并将其固定在机架105内的适当位置。例如，可通过诸如将框架120滑入狭槽107中并且在服务器机架子组件110的相对侧面在机架105中的一对导轨上方，来将服务器机架子组件110水平安装在服务器机架105中(很像将午餐托盘滑入自助食堂机架中)。尽管图2和图3示出框架120在主板122下方延伸，但框架可具有其它形式(例如，通过将它实现为围绕主板的外围框架)，或者可被被除去以使得主板本身被设置在机架105中(例如，可滑动地接合机架105)。另外，尽管图2将框架120示出为平板，但框架120可包括从平板的边缘向上伸出的一个或多个侧壁121 (参见图4)，并且平板可以是顶部闭合或者顶部打开的盒子或笼子的底板。
[0046]图示的服务器机架子组件110包括安装有各种部件(包括热生成电子器件124)的印刷电路板122 (例如，主板)。尽管示出一个主板122安装在框架120上，但取决于特定应用的需求，多个主板可安装在框架120上。在一些实现方式中，一个或多个风扇126可被置于框架120上，以使得空气在服务器机架子组件110的前边缘(当子组件110被安装在机架105中时该前边缘更靠近机架105的前面)处(图3的左手侧)进入，流过(参见图4中的箭头A)主板并且流过主板122上的一些热生成部件，并在后边缘(当子组件110被安装在机架105中时该后边缘更靠近机架105的后面)处(图3的右手侧)从服务器机架组件110排出。一个或多个风扇126可通过托架127被固定到框架120。因此，风扇126可从框架120区域内抽拉空气，并在空气变暖之后将其推出机架105。主板122的下侧可通过间隙与框架120分离。
[0047]如图2-5所示，热虹吸系统130包括蒸发器132、冷凝器134以及将蒸发器区域132连接到冷凝器134的冷凝物/蒸汽管线136。冷凝物/蒸汽管线136包括至少两个平行通路(例如，三个平行通路)。
[0048]在图6所示的实现方式中，冷凝物/蒸汽管线136包括中心通路138a和两个外侧通路138b。两个外侧通路138b被定位在中心通路138a的相对横侧，并平行于中心通路138a延伸。具体地讲，外侧通路138b可与提供冷凝物/蒸汽管线136的管道的侧壁136a相邻地定位。另外，外侧通路138b可与提供冷凝物/蒸汽管线136的管道的底部底板相邻地定位。在操作中，中心通路138a将汽相的工作流体从蒸发器132输送至冷凝器130，而一对外侧通路138b将液相的工作流体从冷凝器130输送至蒸发器132。
[0049]冷凝物/蒸汽管线136可被构造成扁平的矩形主体，其宽度W(垂直于蒸发器的长轴测量)大于其高度Η(垂直于印刷电路板的表面测量)。如图6所示，蒸发器132和冷凝物/蒸汽管线136可包括多个隔板，包括两个外侧隔板136b。各个外侧隔板136b与侧壁136a和底壁137b之间的体积限定外侧通路138b。外侧隔板136b之间、顶壁137a与底壁137b之间的体积可限定中心通路138a。
[0050]在一些实现方式中，多个隔板还包括中心隔板135。中心隔板135可从冷凝物/蒸汽管线136的顶壁137a延伸至底壁137b。如图6所示，中心隔板135将中心通路138a分割成两个或更多个通路。中心隔板135可以是从顶壁137a延伸至底壁137b的支柱，以提供提闻的结构强度和稳定性。
[0051]一对外侧通路138a—起可为中心通路138b的横截面积的约5_25%，例如，各个外侧通路138a为中心通路138b的宽度的约三分之一。外侧隔板136a可设置在中心隔板136b的相对横侧，并平行于中心隔板136b铺设。
[0052]返回图2、图5和图6，蒸发器132接触电子器件124以使得通过传导热传递将热从电子器件124汲取至蒸发器132。具体地讲，蒸发器132的底部接触电子器件124的顶部。在操作中，来自电子器件124的热导致蒸发器132中的工作流体蒸发。然后蒸汽穿过冷凝物/蒸汽管线136，特别是穿过中心通路138b到达冷凝器134。从冷凝器134向外辐射热到(例如)由一个或多个风扇126吹送或抽吸的横穿冷凝器134空气中，导致工作流体冷凝。冷凝的工作流体可穿过冷凝物/蒸汽管线136,特别是穿过外侧通路138a流回蒸发器132。
[0053]可通过朝着电子器件124向蒸发器132施加推动力的安装托架150来使蒸发器132与电子器件124热接触。安装托架150可通过紧固件152附接到印刷电路板122。
[0054]参照图2、图5和图7，安装在电路板122上的安装托架可具有向下延伸的突起154(例如，对蒸发器132的中心施加更大压力的凸块)。在一些实现方式中，突起154可(例如)沿着冷凝物/蒸汽管线136的纵向轴线伸长。突起154可跨越蒸发器132的长度(平行于冷凝物/蒸汽管线136的通路测量)。另外，突起154可横跨蒸发器132的宽度(垂直于冷凝物/蒸汽管线136的通路测量)居中。这种配置沿着蒸发器的中心线施加更大的压力，并且可防止蒸发器132的底部远离电子器件124的顶部弯曲。维持蒸发器132的底部与电子器件124的顶部之间的良好接触可提高冷却效率。
[0055]如图5和图7的实现方式中所示，安装托架150包括水平延伸的横档155。向下延伸的突起154形成在横档155的底表面上。横档155在从横档155向下延伸的两个侧凸缘156之间水平延伸。当安装在电路板122上时，侧凸缘156可搁在电子器件124的任一侧上。倚靠侧凸缘56的弹簧157将安装托架150向下推。
[0056]如图2和图3所示，冷凝器134可设置在所述一个或多个风扇126中的一个或多个与蒸发器132相反的一侧。另选地或另外地，冷凝器134可设置在所述一个或多个风扇126中的一个或多个与蒸发器132相同的一侧。冷凝物/蒸汽管线136可在风扇126下方延伸。
[0057]如图2所示，冷凝物/蒸汽管线136的一部分133可成微小(非零)角度，以使得重力导致冷凝的工作流体穿过冷凝物/蒸汽管线136流回蒸发器132。所述角度可相对于水平面为1° -30° (例如，7.5° )。由于框架120在操作中通常被水平固定，所以所述角度可相对于框架表面为1° -30°。因此，在一些实现方式中，冷凝物/蒸汽管线136的至少一部分133不平行于框架120的主表面。例如，冷凝物/蒸汽管线136的冷凝器侧端可比冷凝物/蒸汽管线136的蒸发器侧端高约1-5_(例如，2_)。然而，冷凝物/蒸汽管线136也可为水平的，或者甚至可成微小负角(但正角具有利用重力改善液体从冷凝器向蒸发器的流动的优点)。由于单个主板上可存在多个热生成电子器件，所以主板上可存在多个蒸发器，其中各个蒸发器对应于单个电子器件。如图2和图3所示，存在第一蒸发器132和第二蒸发器132以及第一电子器件124和第二电子器件124。将第一蒸发器连接到第二蒸发器的冷凝物/蒸汽管线136可为水平的，或者可具有微小的正角(其中蒸发器132和管道136的远离冷凝器130的一端比另一蒸发器低)。
[0058]在操作期间，冷凝器内部的液体的顶表面将比蒸发器中的顶表面液体高度高(例如，高I至1mm)。这可更容易通过成微小(正的非零)角度的冷凝物/蒸汽管线136来实现，但是对于水平或成微小负角的冷凝物/蒸汽管线136，鉴于热虹吸系统的预期热传输要求适当选择工作流体的热和机械性能也可实现这一点。
[0059]在操作期间，液相的工作流体可填充冷凝物/蒸汽管线136的外侧通路138a的内部体积的至少底侧部分(其中所述底侧部分从冷凝器延伸至蒸发器区域)，并且汽相的工作流体可穿过冷凝物/蒸汽管线136的中心通路138b。另外，液相的工作流体可通过一个或多个孔139从外侧通路138a流到中心通路138b中。液相的工作流体可填充冷凝器124的内部体积的至少底侧部分。外侧通路138a的一些部分可输送蒸汽。由于中心通路138b与外侧通路138a通过外侧隔板136a的壁分离，可减小在相反方向上流动的液相工作流体与汽相工作流体之间的剪切应力，因此改善了向蒸发器的冷凝物流动并提高了效率。
[0060]在一些实现方式中，冷凝器134可设置在比蒸发器132高的高度，使得液相的工作流体填充冷凝物/蒸汽管线136的内部体积的一部分(即，外侧通路138a)，并且使得在操作期间从冷凝器132至蒸发器134液相的顶表面相对于水平面具有非零角度，并且汽相的工作流体可穿过冷凝物/蒸汽管线136的内部体积的一部分(即，中心通路138b)，所述部分从冷凝器132延伸至蒸发器134。
[0061]图2-4示出具有多个蒸发器132的热虹吸系统130 ;各个蒸发器132可接触不同的电子器件124，或者多个蒸发器132可接触同一电子器件(例如，如果电子器件特别大或者具有多个热生成区域的话)。如图2-4所示，多个蒸发器132可通过冷凝物/蒸汽管线136串联连接到冷凝器134，即，第一冷凝物/蒸汽管线将冷凝器连接到第一蒸发器，并且第二冷凝物/蒸汽管线将第一蒸发器连接到第二蒸发器。另选地，多个蒸发器132中的一些或全部可通过冷凝物/蒸汽管线136并联连接到冷凝器134，即，第一冷凝物/蒸汽管线将冷凝器连接到第一蒸发器，并且第二冷凝物/蒸汽管线将冷凝器134连接到第二蒸发器。串联实现方式的优点是管道较少，而并联管道的优点在于管道宽度可较小。
[0062]图2-4和图6示出热虹吸系统130，其中具有中心通路以及定位在中心通路的相对横侧的一对外侧通路的扁平的矩形主体用于从冷凝器134至蒸发器132的冷凝物流动以及用于从蒸发器132至冷凝器134的蒸汽流动。因此，在此实现方式中，蒸发器132与冷凝器134之间的流体耦合由组合的冷凝物和蒸汽传递管线构成。组合的冷凝物和蒸汽传递管线的潜在优点在于该管线可连接到冷凝器的一侧，从而与带有用于蒸汽的单独管线的系统相比降低了系统的垂直高度(因为蒸汽管线通常耦合到蒸发器的顶部或附近)。冷凝物/蒸汽管线136可以是(例如)铜或铝的管道或管子。
[0063]另外，冷凝物/蒸汽管线136可通过金属挤压工艺来制造。冷凝物/蒸汽管线136与冷凝器124的完整组件可具有有限数量的零件，例如，蒸汽管线135被构造成扁平的矩形主体，这与其中冷凝物/蒸汽管线未被构建成扁平的矩形主体的类似系统相比可减少零件数。零件数的减少可导致更低的制造复杂度、更低的制造成本以及更高的制造产量。
[0064]图8和图9A-9E示出热虹吸系统130，其中蒸发器132包括腔室146和多个蒸发器翅片142。外壳可包括基部140以及固定到基部140的壳体144。壳体144可由冷凝物/蒸汽管线136的管道提供。开口 145可形成在冷凝物/蒸汽管线136的底表面中。基部140与冷凝物/蒸汽管线136邻接并围绕开口 145。开口 145可具有与基部相同的形状(例如，正方形)。壳体144内部基部140以上所密封的体积提供用于冷凝器132的腔室146。
[0065]基部140的顶表面提供蒸发器盘143。即，顶表面140包括i)相对于中心通路138b的底部凹陷并且ii)其中收集液相的工作流体160的部分。例如，蒸发器盘的顶表面可相对于中心通路138b的底部凹陷约Imm至5mm(例如，2mm)。
[0066]蒸发器翅片142从蒸发器盘143向上伸出，以使得它们高于中心通路138b的底部。当液相的工作流体溢出蒸发器盘143时，它淹没内侧通路138b的底部部分。因此，内侧通路138b的底部可被视作淹没区(floodplain)。另外，这确保了蒸发器翅片142保持仅局部浸没在液相的工作流体中。
[0067]外壳可以是扁平的矩形主体，其外部尺寸与冷凝物/蒸汽管线136的外部尺寸相同。外壳还可包括冷凝物/蒸汽管线136的外侧通路138a和中心通路138b的延伸。
[0068]基部140可由与外壳相同的材料(例如，铝)形成。另选地，基部140可由不同的导热材料(例如，铜)形成。外壳(例如，基部140的底部)可直接接触电子器件124(例如，电子器件124的顶表面)。另选地，外壳(例如，基部140的底部)可通过例如导热垫或层的导热界面材料141 (例如，导热油脂或粘合剂)连接到电子器件124 (例如，电子器件124的顶表面)ο
[0069]蒸发器翅片142接触外壳的底部内表面(例如，基部140的顶表面)。蒸发器翅片从蒸发器盘143向上伸出。因此，蒸发器翅片142提供将热从基部140传递至工作流体160的热传导区域。翅片142的顶部可伸出到冷凝物/蒸汽管线136的底板以上。
[0070]翅片可基本上平行地布置。在一些实现方式中，翅片大致平行于中心通路136b的宽度(即，垂直于冷凝物/蒸汽管线136的长度)延伸。
[0071]另外，蒸发器翅片142可被配置为通过毛细管作用将工作流体160抽离基部140。例如，蒸发器翅片142可模压或者说压印有特征(例如，沟槽)，其趋于将工作流体向上抽。
[0072]在一些实现方式中，翅片可沿其长度具有起伏。这些起伏可具有介于Imm和2mm之间的间距以及介于0.1与0.5mm之间的幅度。如图9E所示，这些起伏可导致一些液相的工作流体160通过毛细管作用顺着翅片142上移。这可通过将翅片142的更多表面积暴露于液相的工作流体而提高蒸发器132的效率。
[0073]翅片可由与蒸发器相同的材料(例如，铝)构造而成。另选地，翅片可由不同的导热材料(例如，铜)构造而成。
[0074]腔室146可包括外侧通路138a和中心通路138b的延伸。腔室146的顶部可与中心通路138b的顶部齐平。多个孔139形成在外侧通路138a中翅片142以上的区域中。尽管图9A和图9D示出两个孔139,但可存在两个以上的孔。
[0075]在操作中，液体形式的工作流体160从外侧通路138a流到中心通路138b和蒸发器盘143中。工作流体160可流过孔139并且流到蒸发器翅片142上(参见图9A、图9D和图9E)。工作流体可填充基部140与外侧通路138a的底部之间的体积，从而在蒸发器翅片142上形成工作流体的薄层162。具体地讲，薄层162可形成在翅片的起伏之间的谷中。剩余工作流体可顺着外侧通路138a向下流向另一蒸发器132。通过创建工作流体160的薄层162，蒸发器的热阻有效地降低(因为工作流体可从薄层更容易地蒸发，从而允许更大的热传递)。
[0076]现在转向冷凝器132，冷凝器132包括多个腔室以及多个导热翅片。腔室可平行并且垂直地延伸。腔室的顶端可封闭(即，不存在将腔室的顶端互连的顶部联箱)。
[0077]图10-14示出冷凝器134的第一实现方式，该冷凝器134具有主体170，在该主体170中形成有腔174，腔中的多个壁172将腔174分割成多个平行的垂直延伸的腔室174a。腔室174a可平行并且垂直地延伸。腔室174a的顶端可封闭(即，不存在将腔室174a的顶端互连的顶部联箱)。壁172用作冷凝表面并且通过所述主体将来自蒸汽的热传导至翅片。
[0078]腔174还包括中心通道176，该中心通道176具有朝向主体170的外部的开口以耦合到冷凝物管线136。垂直延伸的腔室174a可从中心通道176横向延伸，并且腔室174a可平行于主体170的长轴延伸(即，主体具有大于其宽度的长度，并且长轴沿着该长度)。中心通道176可垂直于长轴横向延伸。当冷凝器134被安装在框架上时，中心通道176可从主体170的前面朝着后面铺设。第一组垂直延伸的腔室174可从中心通道176的第一侧横向延伸，并且第二组多个垂直延伸的腔室174可从中心通道176的相对第二侧横向延伸。主体170可大致为长方体，但其它形状也是可能的。
[0079]冷凝器134的此实现方式具有从主体170向外伸出的多个导热翅片180。例如，翅片180可从主体170垂直伸出。翅片180可以是大致平坦的窄片。翅片180可彼此平行地从主体170伸出，并且可沿着其平坦主表面的法向按照规则间距间隔开。在一些实现方式中，翅片180至少包括从主体170的顶表面向上伸出的第一多个翅片180a。在一些实现方式中，翅片180还包括从主体170的底表面向下伸出的第二多个翅片180b。
[0080]当冷凝器134被安装在框架上时，翅片180可按照其长度平行于或者大致平行于由风扇生成的气流的方向延伸的方式(例如，按照其长度从主体170的前面朝着后面铺设的方式)取向。翅片180可按照其长轴垂直于腔室174a和/或主体170的长轴或者与腔室174a和/或主体170的长轴成微小角度的方式取向。
[0081]返回图2，冷凝器134可搁在框架120上，并且从主体170的底表面向下伸出的翅片180b可在主板122的平面下方伸出。这可提高翅片的可用表面积，以提高冷凝器134的辐射效率。这还可有助于限制冷凝器134的垂直高度，以使得热虹吸系统130与服务器机架环境中可用的有限高度兼容。例如，从托盘的底部至导热翅片的顶部的总高度可为至多6英寸(例如,至多4英寸)。
[0082]如图10和图11的实现方式中所示，外侧通路138a可在垂直方向上比中心通路138b低的位置处连接到冷凝器134的腔174。在垂直方向上，中心通路138b的底部可与外侧通路138a的顶部一样高。
[0083]参照图10，腔174的底板175可倾斜，使得与冷凝物/蒸汽管线136邻接的侧面175a在垂直方向上比在腔174与冷凝物/蒸汽管线136相反的一侧的侧面175b低。腔174的底板175可相对于水平面按照1° -30° (例如，7.5° )的角度倾斜。由于在操作中翅片180通常垂直伸出，所以腔174的底板175可相对于翅片180成60° -89°的角度。在一些实现方式中，腔174的底板175按照与冷凝物/蒸汽管线136的部分133相同的角度倾斜。
[0084]中心通路138b的流体高度和垂直偏移可被设定为使得朝着外侧通路138a的开口至少部分地被液体覆盖，并且朝着中心通路138b的开口仅暴露于蒸汽。腔174的倾斜的底板175可导致液相的工作流体汇集在冷凝物/蒸汽管线136附近的腔174中，这增大了通向外侧通路138a的入口仍被液相的工作流体覆盖的可能性。另外，腔174的倾斜的底板175可增加在与冷凝物/蒸汽管线136相反一端的那部分腔174中的汽相工作流体的比例，从而保持该区域中的更多翅片180暴露于汽相的工作流体。
[0085]参照图15，蒸发器132、冷凝器134和冷凝物/蒸汽管线136可由相同的材料(例如，铝)构造而成。利用相同的材料构造蒸发器132、冷凝器134和冷凝物/蒸汽管线136可降低制造复杂度。例如，蒸发器132、冷凝器134和冷凝物/蒸汽管线136可在单个钎焊工艺中形成，其中所有这三个零件被同时加热至足以将零件钎焊在一起的温度。例如，对于铝，可将所有零件加热至介于约580-620°C的温度。这样得到了不太可能产生泄漏的统一零件。另外，减少钎焊步骤数量可降低制造成本。
[0086]另选地，蒸发器132的一部分(例如，蒸发器的接触热生成电子器件124的底部底板)可由不同的材料(例如，铜)构造而成。这种配置也可一定程度地降低制造复杂度，因为冷凝器134和冷凝物/蒸汽管线136仍可以在单个钎焊工艺中形成在一起。
[0087]图16-18示出冷凝器134的第二实现方式，该冷凝器134也具有从主体170向外伸出的多个导热翅片180。然而，在此实现方式中，垂直延伸的腔室174a从中心通道176垂直延伸。具体地讲，主体可包括:底部联箱190，其包含中心通道176 ;以及多个管道192，其从底部联箱190垂直伸出并包含垂直延伸的腔室174a。冷凝物管线136与冷凝器134的底部联箱190流体耦合。
[0088]各个腔室174a可由它自己形成，并且形成垂直延伸的腔室174a的边界的壁172可以是管道192的壁。腔室174a可垂直于主体170的长轴延伸。尽管垂直延伸的腔室174a连接到底部联箱190，但腔室174a的顶端可封闭，即，冷凝器134不包括顶部联箱。
[0089]翅片180可从主体170水平(例如，从管道192水平)伸出。翅片180可平行于底部联箱190的长轴延伸。翅片180可以是大致平坦的窄片。翅片180可彼此平行地从主体170伸出，并且可沿着其平坦主表面的法向按照规则间距间隔开(例如，垂直间隔开)。
[0090]当冷凝器134被安装在框架上时，翅片180可按照其长度平行于或者大致平行于由风扇生成的气流的方向延伸的方式(例如，按照其长度从主体170的前面朝着后面铺设的方式)取向。翅片180可按照其长轴平行于腔室174a的长轴的方式取向。
[0091]在冷凝器的任一实现方式中，冷凝器134的主体170和翅片180 二者可由具有与铝相当或更好的良好导热性(例如，至少200W/mK)的材料形成。可使用镍镀来将翅片180焊接到主体170，或者可将翅片180钎焊到主体170。
[0092]参照图20-21，在冷凝器的另一实现方式中，腔室174a的远离中心通道176的末端可通过通道178a连接。通道178a通过通道178b流体连接到中心通道176的远离外管138a的末端。通道178a和178b可比腔室174a短，例如，通道178a可连接到腔室174a的底部。可选地，附加横向延伸的腔室178c可被定位于通道178b上方以提供用于冷凝的附加表面积。或者，冷凝器可类似于图10-14所示的实现方式来构造。这种配置的潜在优点在于在高流量下，原本将在腔室174a的远离中心通道176的末端堆积并且由于蒸汽流而无法流回的流体可相反流过通道178a和178b并因此返回到向外的外侧通路138a。
[0093]参照图13、图16、图19和图20，可选地，冷凝器的至少一些内表面(例如，界定腔174的表面)可被纹理化。纹理化可应用于冷凝器的任一实现方式。腔174提供由基本上垂直的内表面(例如，壁172之一的表面)界定的内部体积。内表面的纹理化可包括向内伸出到内部体积中的起伏。所述起伏可沿着垂直第一轴线均匀，并且可沿着垂直于垂直第一轴线的第二轴线伸出到内部体积中。起伏的峰可沿着垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线(例如)按照规则间距间隔开。第三轴线可平行于主体170和/或腔室174a的长轴。各个腔室174a可具有沿着第三轴线的长度和沿着第二轴线的宽度，所述长度大于所述宽度。所述起伏可平滑，例如，在沿着第二轴线的表面上没有不连续。
[0094]所述起伏可具有沿着第三轴线介于0.1和Imm之间的间距并且可具有沿着第二轴线介于0.1和Imm之间的幅度。在一些实现方式中，间距与幅度之比介于约1:1至2:1之间。在一些实现方式中，所述起伏可形成正弦波。在一些实现方式中，所述起伏由其中dK/dS等于恒定值的多个弯曲段形成，其中K是起伏的曲率半径的倒数，并且S是沿着弯曲段的距离。起伏的其它形状也是可能的。这些起伏可导致形成在垂直内表面上的冷凝工作流体的膜变薄，从而降低冷凝器的热阻。
[0095]工作流体可以是具有低毒性的不易燃的介电流体，但诸如甲醇、乙醇或丙酮的烃类也可以是合适的。可选择工作流体的组成以及热虹吸系统的内压以将蒸发器中的工作流体的沸点设置在电子器件的期望的操作温度左右，例如，30-100°C左右(例如45-55°C )。工作流体的示例包括由杜邦公司(DuPont)销售的Vextral XF、由3M公司销售的FlourinetElectronic Liquid FC-72 以及由 3M 公司销售的 Novec 7100。
[0096]热虹吸系统130的整个内部(包括蒸发器132、冷凝器134和蒸汽/冷凝物管线136的内部)被真空填充并密封。可抽吸初始真空来实现0.05毫巴(5Pa)以下的内部绝对压力以从热虹吸系统130去除空气，然后可将工作流体引入热虹吸系统130中。
[0097]尽管上面描述了服务器机架子组件，但所述热虹吸系统可用于安装在并非服务器机架子组件的一部分的主板上(例如，台式计算机中的主板上)的热生成电子器件，或者可用于非安装在主板上的热生成电子器件。在一些实现方式中，蒸发器翅片可用多孔芯吸材料代替。
[0098]描述了本发明的许多实施例。然而，将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改。因此，其它实施例在所附权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种热虹吸系统,所述热虹吸系统包括: 冷凝器； 蒸发器；以及 将所述冷凝器流体耦合到所述蒸发器的冷凝物管线，所述冷凝物管线包括管道，所述管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相对横侧并且平行于所述中心通路延伸的一对外侧通路，所述中心通路被定位成将汽相的工作流体从所述蒸发器输送至所述冷凝器，所述一对外侧通路被定位成将液相的工作流体从所述冷凝器输送至所述蒸发器。
2.根据权利要求1所述的热虹吸系统，其中，所述管道包括扁平的矩形主体，所述主体的宽度大于其高度。
3.根据权利要求2所述的热虹吸系统，其中，所述外侧通路与所述矩形管道的各侧壁相邻地定位。
4.根据权利要求1所述的热虹吸系统，其中，所述一对外侧通路具有所述中心通路的约5-25%的横截面积。
5.根据权利要求1所述的热虹吸系统，其中，所述蒸发器包括蒸发器盘，所述蒸发器盘具有相对于所述中心通路的底部凹陷的表面。
6.根据权利要求5所述的热虹吸系统，其中，所述一对外侧通路中的每一个具有定位在所述蒸发器盘上方或者与所述蒸发器盘相邻定位的孔。
7.一种热虹吸系统，所述热虹吸系统包括: 冷凝器； 蒸发器；以及 将所述冷凝器流体耦合到所述蒸发器的冷凝物管线， 其中，所述蒸发器包括蒸发器盘以及从所述蒸发器盘向上延伸的多个突起，所述蒸发器盘具有相对于所述冷凝物管线的底板凹陷的表面，所述多个突起的顶部被定位于所述冷凝物管线的所述底板以上。
8.根据权利要求7所述的热虹吸系统，其中，所述多个突起包括多个翅片。
9.根据权利要求8所述的热虹吸系统，其中，所述翅片具有沿着其长度的起伏。
10.根据权利要求12所述的热虹吸系统，其中，所述起伏具有介于I和2_之间的间距以及介于0.1和0.5mm之间的幅度。
11.根据权利要求12所述的热虹吸系统，其中，所述蒸发器的顶板与所述中心通路的顶部齐平。
12.—种热虹吸系统，所述热虹吸系统包括: 蒸发器； 冷凝器，所述冷凝器包括主体，所述主体具有带有开口的第一侧面、在所述主体的与所述第一侧面相反的一侧的第二侧面、从所述开口朝着所述第二侧面延伸的中心通道以及从所述中心通道横向延伸的多个平行腔室，其中，所述中心通道和所述多个平行腔室的底板倾斜，使得所述中心通道的更靠近所述第二侧面的末端高于所述中心通道在所述开口处的末端；以及 将所述冷凝器的所述开口流体耦合到所述蒸发器的冷凝物管线。
13.根据权利要求12所述的热虹吸系统，其中，所述主体包括腔以及将所述腔分割成所述多个平行腔室的多个壁。
14.根据权利要求12所述的热虹吸系统，所述热虹吸系统还包括从所述主体垂直伸出的多个导热翅片，其中，所述多个导热翅片的顶部位于水平面上。
15.根据权利要求12所述的热虹吸系统，其中，所述中心通道和所述多个平行腔室的所述底板相对于水平面按照1° -30°的角度倾斜。
16.根据权利要求12所述的热虹吸系统，其中，所述角度为约7.5°。
17.—种组装热虹吸系统的方法，所述方法包括: 提供冷凝器、蒸发器和冷凝物管线；以及 在单个钎焊工艺中同时对所述冷凝器、所述蒸发器和所述冷凝物管进行钎焊以形成统一主体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述冷凝器、所述蒸发器和所述冷凝物管线由铝构成。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述冷凝器和所述冷凝物管线由铝构成，并且其中，所述蒸发器包括铜蒸发器盘。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述单个钎焊工艺包括将所述冷凝器、所述蒸发器和所述冷凝物管线同时加热至介于约580和620°C之间的温度。
【文档编号】H05K7/20GK104364728SQ201380030890
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年7月9日 优先权日:2012年7月12日
【发明者】杰里米·赖斯, 杰弗里·S·斯伯丁, 胡安·D·恩古彦 申请人:谷歌公司