用于发热设备的液体冷却系统的制作方法

本申请要求2017年2月3日递交的美国临时申请No.62/454,321以及2017年7月19日递交的美国临时申请No.62/534,316的优先权，这两篇临时申请整体通过引用的方式并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及用于发热电子设备的液体冷却系统。更具体地，本发明涉及用于液体冷却系统的改进的冷板。

背景技术：

计算机或其他发热电子设备运行期间，必须快速有效地带走中央处理器(CPU)或其他处理单元(如图形处理单元(GPU))内产生的热量，以将温度保持在制造商规定的设计范围内。液体冷却系统已被用来通过使冷却液循环通过冷板来冷却发热电子设备，冷板将热量从发热电子设备传送到冷却液，然后再传送到热量可以被排出的热交换器。

与空气冷却系统相比，液体冷却系统提高了冷却系统的冷却性能。但是，随着CPU、GPU和其他发热电子设备的速度不断加快，它们产生的热量越来越多，需要更大的冷却能力。因此，需要继续提高液体冷却系统的冷却能力，同时最小化其尺寸、封装(footprint)和成本。本公开涉及一种具有改进的冷板设计的液体冷却系统。

技术实现要素：

在一方面中，本公开涉及一种用于液体冷却系统的冷板，配置用于冷却发热电子部件。所述冷板可包括：热交换界面，具有第一表面和与所述第一表面相对、用于接触所述发热电子部件的第二表面。所述冷板还可包括从所述第一表面延伸的多个平行翅片，多个翅片限定多个通道。所述冷板可进一步包括横向于所述多个通道在所述多个翅片中形成的多个槽。所述冷板还可包括向下延伸到所述多个槽中的多个屏障壁。所述冷板还可进一步包括密封件，所述密封件具有配置用于将冷却液导向所述多个通道的入口通道。

本公开的另一方面涉及一种使用液体冷却系统冷却发热电子部件的方法。所述方法可包括将冷却液泵送到冷板。所述冷板可包括热交换界面，该热交换界面具有第一表面和与所述第一表面相对、用于接触所述发热电子部件的第二表面。所述冷板还可包括从所述第一表面延伸的多个平行翅片，多个翅片限定多个通道。所述冷板可进一步包括横向于所述多个通道在所述多个翅片中形成的多个槽。所述冷板还可包括向下延伸到所述多个槽中的多个屏障壁，以及密封件，所述密封件具有配置用于将冷却液导向所述多个通道的入口通道。所述方法还可包括：引导所述冷却液通过所述密封件的入口通道，分流所述冷却液流，使其从所述多个通道的中间流走向下流到通道，使得将热量从所述发热电子设备转移到所述冷却液，其中，所述冷却液在所述屏障壁下流动时，所述屏障壁扰乱所述冷却液的层流并产生所述冷却液的湍流。所述方法可进一步包括：从所述多个通道的每端的出口通道收集所述冷却液，并将所述冷却液供应至热交换器，在所述热交换器从所述冷却液转移所述热量。

本公开的另一方面涉及一种用于发热电子部件的液体冷却系统。所述液体冷却系统可包括冷板。所述冷板可包括热交换界面，该热交换界面具有第一表面和与所述第一表面相对、用于接触所述发热电子部件的第二表面。所述冷板还可包括从所述第一表面延伸的多个平行翅片，多个翅片限定多个通道。所述冷板可进一步包括横向于所述多个通道在所述多个翅片中形成的多个槽。所述冷板可进一步包括向下延伸到所述多个槽中的多个屏障壁，以及密封件，所述密封件具有配置用于将冷却液导向所述多个通道的入口通道。所述冷却液循环通过所述多个通道时，来自所述发热电子设备的热量可以转移到冷却液。所述系统还可包括流体连接至所述冷板的热交换器，所述冷却液循环通过所述热交换器时，所述热交换器从所述冷却液转移走热量。所述系统可进一步包括泵，所述泵流体连接至所述冷板以及所述热交换器，所述泵使所述冷却液循环通过所述冷板以及所述热交换器。

本公开的另一方面涉及一种用于液体冷却系统的冷板，配置用于冷却发热电子部件。所述冷板可包括热交换界面，所述热交换界面具有第一表面和与所述第一表面相对、用于接触所述发热电子部件的第二表面。所述冷板还可包括从所述第一表面延伸的多个平行翅片，多个翅片限定多个通道。所述冷板可进一步包括横向于所述多个通道在所述多个翅片中形成的多个槽。所述冷板还可包括向下延伸到所述多个槽中的多个屏障壁。所述冷板可进一步包括密封件，所述密封件具有配置用于将冷却液导向所述多个通道的入口通道。所述多个槽可包括两个内槽，所述多个屏障壁包括两个内屏障壁。

本公开的另一方面涉及一种使用液体冷却系统冷却发热电子部件的方法。所述方法可包括：将冷却液泵送到冷板。所述冷板可包括热交换界面，所述热交换界面具有第一表面和与所述第一表面相对、用于接触所述发热电子部件的第二表面。所述冷板还可包括从所述第一表面延伸的多个平行翅片，多个翅片限定多个通道。所述冷板可进一步包括横向于所述多个通道在所述多个翅片中形成的多个槽。所述冷板还可包括向下延伸到所述多个槽中的多个屏障壁，以及密封件，所述密封件具有配置用于将冷却液导向所述多个通道的入口通道。所述方法还可包括：引导所述冷却液通过所述密封件的入口通道，分流所述冷却液流，使其从所述多个通道的中间流走，向下流动到通道，使得能够将热量从所述发热电子设备转移到所述冷却液，其中，当所述冷却液在所述屏障壁下流动时，所述屏障壁扰乱所述冷却液的层流并产生所述冷却液的湍流。所述方法可进一步包括从所述多个通道的每端的出口通道收集所述冷却液，并将所述冷却液供应至热交换器，在所述热交换器处从所述冷却液转移所述热量。所述多个槽可包括两个内槽，所述多个屏障壁可包括两个内屏障壁。

本发明的一个目标可以是为液体冷却系统提供改进的冷板设计，它比目前的冷板设计更有效(例如，更高的传热性能)，可以以低成本生产，从而实现高产量。本发明的另一个目标是创建冷板设计，该设计易于使用和实现，并且需要低水平的维护或根本不需要维护。创建冷板设计可以是本发明的另一个目标，该冷板设计可以与现有的CPU类型一起使用，并且可以在现有的计算机系统中使用。

附图说明

图1是根据本公开的液体冷却系统的一种实施例的透视图，该系统可包括一种示例性冷板实施例。

图2是根据本公开的液体冷却系统的另一种实施例的透视图，该系统可包括一种示例性冷板实施例。

图3是显示沿图2的板3-3的液体冷却系统的横截面视图的简化示意图。

图4是根据一种示例性实施例的冷板的透视图。

图5是图4的冷板的另一透视图。

图6是根据一种示例性实施例的液体冷却系统中冷板的示意性横截面视图。

图7是用于对比试验的参考冷板的透视图。

图8是用于对比试验的参考冷板的图片。

图9是根据一种示例性实施例的冷板的图片。

图10是根据一种示例性实施例的屏障壁插入翅片槽中的图9的冷板的图片。

图11是根据一种示例性实施例的冷板的密封件。

图12是根据一种示例性实施例的冷板的图片。

图13是根据一种示例性实施例的图12的冷板的密封件。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的实施例，其示例在附图中说明。在可能的情况下，在整个附图中，相同的参考标记用来指代相同或类似的零件。

图1显示了液体冷却系统10的一个说明性示例。如图1所示，液体冷却系统10可包括冷板12、储液罐14、液体泵16以及热交换器或散热器18，这些部件可以进行流体连接。冷板12能够安装到电子发热设备(未显示)上，例如，CPU、GPU或其他处理单元。储液罐14可作为其余部件中不能容纳的过多冷却液的存储单元，也可用于排出系统中的空气，以便向系统中加注冷却液。热交换器18可配置用于通过风扇20将空气吹过热交换器18，从循环通过的冷却液中排出热量。如图1所示，液体冷却系统10的各个部件可以通过设计用于循环冷却液的管道或导管相互连接。

图2和图3显示了液体冷却系统110的另一说明性示例。如图2和3所示，液体冷却系统110可包括储液罐114，可由配置用于安装电机的双侧底盘外壳限定。在所示的实施例中，储液罐114具有圆锥状圆形结构，并具有沿壳体轴向延伸的加强肋。能够想到可使用储液罐114的其他配置。例如，在设计和可能注射成型或铸造储液罐时，可采用其他形状，如圆柱形、圆形或圆锥状矩形或圆柱形、矩形或甚至椭圆形或三角形。

尽管图2或3中未显示，储液罐114的外壳可具有入口和出口，用于使液体循环通过热交换器(未显示)，该热交换器可与热交换器18相比(见图1)。对于一些实施例，热交换器可被视为液体冷却系统110的部件，而对于其他实施例，热交换器可被视为独立的部件。入口和出口可沿储液罐114壳体的任何适当表面设置。热交换器可位于液体冷却系统110附近或远处，这取决于发热电子设备和相关计算机系统的设置。在一些实施例中，热交换器可以紧邻储液罐114放置，从而潜在地消除了对热交换器与入口和出口之间的任何管道的需要。这样的实施例为液体冷却系统110提供了非常紧凑的配置。

如图2和3所示，液体冷却系统110可包括泵116。泵116可包括位于泵室122内的叶轮120，该泵室122可至少部分地由叶轮盖124限定。叶轮盖124可包括出口126，该出口126与叶轮120的圆周相切。因此，泵116可用作离心泵。如图3所示，泵室46可在叶轮盖124对面的一侧对储液罐114开放，从而使冷却液从储液罐114直接流至泵室122。

液体冷却系统110还可以包括位于泵室122和冷板112之间的中间构件128。如图3所示，中间构件128和冷板112可限定热交换室130。中间构件128可配备入口通道132，用于将通过出口126排出的冷却液从泵室122引导到热交换室130。中间构件128可配备一个或多个出口通道134，用于将冷却液从热交换器室130导出。在一些实施例中，一个或多个出口通道134可将冷却液引导回储液罐114，冷却液可以从所述储液罐114循环通过热交换器。在其他实施例中，一个或多个出口通道134可以引导冷却液直接回到热交换器，冷却液在该热交换器处一旦冷却可以循环回到储液罐114。在一些实施例中，一个出口通道134可将冷却液引导回储液罐114，而另一个出口通道134可将冷却液引导至热交换器。在一些实施例中，中间构件128和叶轮盖124可以形成为一个部件。

储液罐114的外壳在上侧的中央可有一个凹槽136。凹槽136可配置为容纳用于驱动泵116的叶轮120的电机的定子138。叶轮120可连接到电机转子140的轴上。凹槽136可包括孔、四个侧壁、底部和从凹槽136底部向外延伸朝向凹槽136的孔的圆形套管142。圆形套管142的内部(见图3)可配置为容纳电机的转子140。因此，可在位于圆形套管142内部(浸没在冷却液中)的转子140和位于圆形套管142外部周围的凹槽40中的定子138之间实现液体密封分割。因此，对于这种实施例，定子138不需要与冷却液分开密封。

冷板112可包括具有第一表面146和第二表面150的热交换界面144，第一表面146具有从第一表面向中间构件128延伸的多个翅片148，第二表面150与第一表面146相对，且被配置为接触发热电子设备152。在一些实施例中，冷板112可以由铜板制成，并且多个翅片可以通过刮削(skiving)工艺形成。可以预见到，可使用其他合适的金属来形成包括热交换界面144和/或多个翅片的冷板112。

图4显示了冷板212示例性实施例的透视图，该冷板212能够与液体冷却系统的其他冷板互换，包括例如液体冷却系统10的冷板12、液体冷却系统110的冷板112。如图4所示，冷板212可包括具有第一表面246以及第二表面250的热交换界面244，第一表面246具有从第一表面246延伸的多个平行翅片248，第二表面250与第一表面246相对，且配置为接触发热电子设备(图中未示出)。多个平行翅片248可限定相邻翅片之间的多个平行通道。多个翅片248可通过任何适当的工艺形成，包括例如刮削。

冷板212还包括横向定位到多个翅片248上的多个槽252。槽252的数量可能会有所不同，例如，如图4所示，冷板212可包括共四个槽252，两个内槽252a和两个外槽252b。在另一个示例中，如图12所示，冷板212′的另一示例性实施例包括两个内槽252a，没有外槽。槽252的深度可小于多个翅片248的高度。例如，在一些实施例中，槽的深度可以是多个翅片高度的约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。如图4所示，槽252的深度对于所有槽252可以相同。在其他实施例中，槽252的深度可以不同。例如，内槽252a的深度可以大于或小于外槽252b的深度。槽252的宽度也可以不同。图9是冷板212的图片，显示了多个翅片和槽。

如图4所示，冷板212还可包括多个屏障壁258。屏障壁258的数量可对应于槽252的数量。例如，如图4所示，冷板212可具有四个屏障壁258，两个内屏障壁258a和两个外屏障壁258b。如图12所示，冷板212′可具有两个屏障壁258，例如，两个内屏障壁258a，无外屏障壁。屏障壁258的深度可对应于槽的深度，以便在屏障壁258定位在槽中时，屏障壁258完全向下延伸到槽252底部。屏障壁258的宽度可与槽的宽度相对应，以便在不弯曲或损坏任何翅片248的情况下轻松安装屏障壁259。

在一些实施例中，如图4所示，屏障壁可形成为板254的一部分，板254配置为位于多个翅片248的顶部。板254可由基本上平面的薄片或板状元件256形成，并且多个屏障壁258可以垂直于平面元件朝向多个翅片248向下延伸。板254可包括平面元件256中的一个或多个开口。例如，如图4所示，板254可包括位于内屏障壁258a之间的中央开口260。中央开口260可具有沿Y轴大致延伸板254宽度的细长矩形形状。在一些实施例中，如图4所示，中央开口260的两侧上可以是内屏障壁258a另一侧的附加开口。这些附加开口的形状和尺寸与中央开口260相似。图10是冷板212的图片，其中屏障壁258安装在槽252中。

图5显示了冷板212，其中板254位于多个翅片248的顶部，以便将多个屏障壁258插入多个槽252中。如图5所示，沿Y轴的板254的宽度基本上等于沿Y轴的多个翅片248的宽度，而沿X轴的板254的长度可小于沿X轴的多个翅片248的长度。

当安装在液体冷却系统(例如，10或110)中时，冷板212可以被连接使得中央开口260以流体方式连接到输送冷却液的入口通道。因此，冷却液能够分布在中央开口260的整个横截面积区域，并被引导到所有的多个翅片248。冷却液一旦进入多个翅片248之间的多个通道，就会从中央开口260向两个方向分开流动。例如，图6是说明冷却液通过冷板212的代表性流动路径的示意性横截面示意图。如图6所示，冷却液可以通过中央开口260进入多个翅片248，然后分流。如图6所示，向下延伸至槽252中的屏障壁258充当障碍物，迫使冷却液围绕屏障壁流动。通过改变屏障壁周围的流动方向，湍流引入冷却液流中。增加冷却液流动中的湍流是有益的，因为它打破了层流，引起冷却液流动中更多的湍流。这是有益的，因为当冷却液流经通道时，它往往会变得更为层流，产生沿翅片形成的流体边界层，而该边界层充当降低翅片和冷却液之间的传热速率的阻隔物。因此，通过在冷却液的流动路径中引入屏障壁，打破了层流，引入了湍流，提高了翅片与冷却液之间的传热速率。应理解的是，可使用其他术语(例如，导向器、分流器或湍流效应器)代替屏障壁。

如图6所示，一旦冷却液的流动分流，每一流动路径都在内屏障壁258a周围转向，然后在外屏障壁258b转向，两者都能够通过打破冷却液的层流而充当湍流效应器。能够预想到，可沿冷却液体的流动路径调节槽252和屏障壁258的定位。例如，在其他实施例中，内屏障壁258a可以离中央开口260更远，以减少内屏障壁258a与外屏障壁258b之间的距离，并因此减少层流在层流被外屏障壁258b扰乱之前建立的可用距离。还可预想到，在其他实施例中，可增加额外或更少的屏障壁。例如，可以在内屏障壁和外屏障壁之间增加中间屏障壁。在另一个示例中，如图12所示，可以移除外屏障壁，并且仅使用两个内屏障壁258a通过破坏冷却液的层流来充当湍流效应器。

如图6所示，冷却液可在各个端部处从多个翅片248中排出，冷却液可在所述各个端部处通过出口通道262收集和排出。

图6显示了结合到与液体冷却系统110类似的液体冷却系统中的冷板212，其中泵和储液罐位于冷板上方。应理解，本文所述的冷板212的操作、性能和流动路径特性也适用于液体冷却系统的其他实施例，包括液体冷却系统10、110。

屏障壁258和/或板254可由能够作为冷却液屏障的任何合适材料制造，包括金属(例如铜、不锈钢、锌、铬)、复合材料或聚合物(例如橡胶)。尽管图5或6中没有显示，冷板212可包括密封件或垫圈，其设计用于定位在多个翅片248的顶部，对于一些实施例，定位在板254顶部，设计用于将冷却液导向中央开口260、附加开口和/或出口通道262。例如，图11显示了设计用于定位在多个翅片248顶部的密封件的一个实施例。密封件可包括被设计用于使冷却液分布到多个翅片248的中间并通过中央开口的入口通道和中央通道，对于一些实施例，该密封件包括板254。如图11所示，密封件还可包括位于相对端的两个出口通道，其设计用于从多个翅片248中排出冷却液。

在一些实施例中，密封件可制造为包括屏障壁258。例如，密封件可由聚合物或其他能够进行液体密封的合适的橡胶类材料制成，但其刚性足以使屏障壁能够保持其结构。例如，图13所示的密封件300形成有两个内屏障壁258a，位置与图12所示的冷板212′的内槽252a相对应。

在一些实施例中，屏障壁258可为独立壁，位于通过将密封件至于多个翅片248顶部而固定到位的槽中。在一些实施例中，屏障壁258可由垫圈或粗制O形圈形成，该垫圈或粗制O形圈向下旋入槽中。应理解，屏障壁可由能够使冷却液转向的任何合适材料形成。

为了量化冷板212提供的传热性能改善，进行了对比试验。图7显示用于测试的参考冷板300的透视图，图8显示用于测试的参考冷板的图片。如图7和图8所示，与冷板212不同，参考冷板300没有槽，也没有设计用于产生湍流破坏层流的屏障壁。

两个冷板212和300在试验台系统上使用相同的垫圈(见图11)进行分流流动，每个冷板都连接到相同的液体冷却系统，该系统具有用于循环冷却液的泵和用于排放热量的热交换器。每一块冷板都被连接到对于两个测试都在相同水平上运行的发热设备(CPU)上。结果表明，图7和图8所示的参考冷板的热阻为0.031℃/W，而图5所示的冷板212的热阻为0.027℃/W。因此，冷板212的热阻比参考冷板低0.004℃/W，这相当于冷板热阻降低约13％。热阻的降低说明了冷板212比参考冷板对热传递的阻力更小，因此能够比参考冷板更有效地传递热量。在试验过程中，还测量了整个液体冷却系统的性能，并确定了使用参考冷板300运行的整个系统的热阻为0.091℃/W，而使用冷板212运行的整个系统的热阻为0.088℃/W。还测量了热交换器的热阻，对于两个试验基本相同为0.06℃/W。因此，整体系统性能的改善可归因于冷板212。

上述描述是为了说明而呈现。并不详尽，也不限于所公开的精确形式或实施例。考虑到所公开实施例的规范和实践，实施例的修改、改编和其他应用将显而易见。此外，虽然本文已经描述了说明性实施例，但范围包括具有基于本公开的等效元件、修改、省略、组合(例如，跨不同实施例的方面)、改编和/或修改的任何和所有实施例。权利要求中的元件应基于权利要求中所用的语言进行广泛解释，而不限于本说明书中或在本申请的审查中所述的示例，这些示例应被解释为非排他性的。此外，所公开方法的步骤可以以任何方式修改，包括重新排序步骤和/或插入或删除步骤。

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根据本文所公开的实施例的规范和实践来看，其他实施例是显而易见的。本说明书和实施例仅作为示例，所公开的实施例的真实范围和精神由以下权利要求指示。