专利名称：可逆的两相和制冷回路的制作方法
技术领域：
本发明属于计算机系统设计领域。更特别地，本发明涉及用于笔记本式计算机的热管理技术。
背景技术：
计算机系统典型地包括多个电子组件(component)。这样的组件可以包括中央处理单元(CPU)、芯片组和存储器。在操作期间，所述组件散逸热。另外，对于特定的器件而言，交流(AC)输入功率向直流(DC)的转变或者电压的逐步升高或降低在计算机系统中产生热。如果CPU，或者任何其他电子组件，变得过热，性能可能受损，并且所述组件的寿命可能被缩短。
热管理系统典型地被用来从计算机系统去除热。热管理系统的一个实施例是制冷回路(refrigeration loop)。制冷回路典型地使用工作流体(例如氟里昂)来冷却系统的组件。蒸发器从所述元件获得(pick up)热。所述热使得工作流体从液体变相成为液体和蒸汽的混合物或者纯蒸汽。然后，作为压缩器来运作的泵将工作流体传送到热交换器。压缩器压缩气体或者提高气体的压力，这导致流体温度的提高。热交换器一般被耦合到风扇，所述风扇将热从工作流体排除到周围的空气中，使工作流体变成液体。然而，所述液体仍然处于高压力下。膨胀阀(expansion valve)将工作流体的压力降低，并且将所述工作流体返回到蒸发器，以完成所述回路。
热管理系统的另一个实施例是两相冷却回路(two-phase cooling loop)。像制冷回路一样，两相回路也使用泵来循环工作流体，以冷却系统的组件。两相回路一般使用例如水的工作流体。蒸发器从组件获得热。在蒸发器中，所述热使得工作流体形成蒸汽。所述工作流体从蒸发器被输出到热交换器、冷凝器或者散热器。热交换器一般被耦合到风扇，所述风扇将热从工作流体排除到周围的空气中。蒸汽在热交换器中冷凝，将工作流体转变回到液体。使用泵将工作流体驱使到蒸发器，以完成所述回路。所述制冷回路与所述两相回路之间的基本差别在于，所述制冷回路中的热交换器一般具有比所述两相回路中的热交换器更高的温度。
图1是可逆冷却回路的流程图；图2是制冷模式操作中的可逆冷却回路的实施方案；以及图3是两相模式操作中的可逆冷却回路的实施方案。
具体实施方案在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。然而，本领域的技术人员应该理解，在没有这些具体细节的情况下，可以实施本发明。在其他实例中，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免模糊本发明。
制冷回路提供比两相回路更好的冷却能力。然而，两相回路消耗较少的功率，因为两相回路中的泵只泵送(pump)具有液相的工作流体。相比之下，制冷回路中的泵泵送具有液相和汽相，或者只是汽相，的工作流体。此外，为了显著地提高蒸发器的温度，制冷回路中的泵对工作流体进行压缩。提高制冷回路中温度的原因将在下面更详细地描述。
热管理系统被设计来从热源提取热，通过工作流体将热传送到热交换器，并且在热交换器中将热去除。工作流体在热交换器的温度越高，热交换器越容易将热排除。对本发明的一个实施方案而言，将风扇耦合到热交换器，以在工作流体通过所述热交换器时对所述工作流体进行冷却。然而，在将热从热源提取并且将所述热传送到热交换器的过程中，工作流体经常损失一些能量。热的这种损失可以被描述为传热阻(heat transfer resistance)。
传热阻可以由以下方程式来定义θ＝ΔT/P这里，θ为传热阻，ΔT为源和目的地之间的温度差，而P为由热管理系统排除的功率。理想地，工作流体在热交换器的温度等于热源的温度。然而，由于像传导和对流这样的物理规律，这一点在实践中是很难达到。为了传送热，需要温度差异。而且，在从蒸发器到热交换器的传送中，热会损失。因此，即使热源的温度可以是100摄氏度，而热交换器中的工作流体可能只有50摄氏度。因为热交换器使用周围的空气来帮助冷却工作流体，如果热交换器中的温度低于或者等于周围空气的温度，则热交换器将不排除任何热。
传统的制冷回路通过在蒸发器和热交换器之间使用泵或者压缩器来帮助减轻传热阻的影响。传热阻等于温度上的变化除以所排除的功率或能量。因此，功率排除等于传热阻除以温度上的变化。由此可见，功率排除可以通过提高蒸发器和热交换器之间的工作流体的温度来增加。泵帮助提高工作流体的压力。根据工作流体的热力学性质，压力上的这种提高导致所述工作流体温度上的提高。
图1是包括两种操作模式的可逆回路的流程图，所述两种操作模式利用传统制冷回路和两相回路的特征。第一操作模式可以是制冷循环(cycle)，在功能性方面，所述制冷循环与传统制冷回路相类似的(comparable)。第二操作模式可以是两相回路，在功能性方面，所述两相回路与传统两相回路相类似的。对本发明的这个实施方案而言，所述制冷操作和两相操作是同一回路的部分，并且因此共享相同的组件和相同的工作流体。工作流体可以是水、醇(alcohol)和水的混合物、氟里昂、超临界二氧化碳或者任何其他制冷剂。
然而，所述制冷循环是在与所述两相循环相反的回路方向上运行。当希望功率节省时，可以使两相循环运行。另一方面，可以使制冷循环运行来最大化计算机系统的冷却能力。下面，在图2和图3中，将分别更详细地描述所述可逆回路的制冷操作和两相操作。
在操作110中，对计算机系统供电。所述计算机系统可以由电池或者AC电源供电。为了提高电池的放电周期，所述计算机系统可以在较低的频率下运行，以降低功率消耗。在操作120中，硬件检测电路可以确定所述计算机系统是由电池还是AC电源供电的。所述硬件检测电路可以包括常规的组合逻辑。可替换地，在操作120中，所述计算机系统可以使用软件来确定计算机系统的电源。
对本发明的一个实施方案而言，如果计算机系统由AC电源来供电，在操作130中则运行制冷循环来冷却所述系统。否则，如果计算机系统由电池来供电，在操作140中则运行两相循环来节省电源。
在操作145中，如果检测电路确定计算机系统已从电池电源切换到AC线路电源，则所述系统可以从两相循环切换到制冷循环。类似地，在操作135中，如果检测电路确定计算机系统已从AC线路电源切换到电池电源，则所述系统可以从制冷循环切换到两相循环。该切换简单地通过改变泵的旋转来实现。例如，所述泵可以从顺时针旋转改变成逆时针旋转。以每分钟的转数来测量的泵的转速在制冷模式中可以比在两相模式中高得多。
对本发明的另一个实施方案而言，所述计算机系统的总功率消耗在操作120中确定。所述总功率消耗可以通过硬件或者软件来确定。如果所述系统的功率消耗大于或者等于预定的阈值，则运行制冷循环130。否则，如果所述系统的功率消耗小于预定的功率阈值，则运行两相循环140。
对本发明的又一个实施方案而言，所述检测电路监视计算机系统或者计算机系统组件的温度。如果所述温度高于预定的阈值，则运行制冷循环130。另一方面，如果所述温度低于预定的阈值，则运行两相循环140。
对本发明的再一个实施方案而言，在操作120中，计算机系统监视计算机系统正在运行的应用。如果所述计算机系统检测到预定的应用正在运行，则运行制冷循环130。否则，运行两相循环140。
对本发明的再一个实施方案而言，如果计算机系统是在最高性能模式下，则运行制冷循环130。计算机系统可以被用户置于最高性能模式下，以充分利用CPU能力。
所述可逆回路利用相同的组件来执行制冷循环和两相循环。如图2和3所示的制冷循环和两相循环的组件包括蒸发器210、泵220、热交换器230、风扇235和膨胀阀240。蒸发器210被耦合到泵220和膨胀阀240。泵220被耦合到热交换器230。热交换器230被耦合到风扇235和膨胀阀240。
通过改变泵220的旋转方向，所述可逆回路可以在制冷循环和两相循环之间切换。如果泵220在第一方向上旋转，所述热管理系统则运行在制冷循环中。如果泵220在第二方向上旋转，所述热管理系统则运行在两相循环中。当运行在制冷循环中，泵220还可以在每分钟更高的转数(RPM)下运行。
对图2的制冷操作而言，蒸发器210被热耦合到热源。作为实施例，蒸发器210可以被放置在所述热源的顶部。所述热源可以是计算机系统的CPU。蒸发器210从所述热源获得热，加热所述工作流体。
所述工作流体在蒸发器210中变相。在抵达蒸发器之前，所述工作流体包括液相。当工作流体在蒸发器210获得热时，所述工作流体会沸腾并且形成蒸汽。于是，在从热源获得热之后，所述工作流体包括液相和汽相。泵220被耦合到蒸发器210，并且将离开蒸发器210的所述工作流体泵送到热交换器230。
泵220可以是齿轮泵、叶轮泵、再生泵(regenerator pump)、摆线泵(Gerotor pump)，或者允许可以切换旋转方向操作的任何其他泵。旋转的变化改变了入口和出口方向。与两相模式相比，在制冷模式中，泵的速度可以高得多。泵220压缩工作流体的液体和流体混合物。这一点具有提高所述工作流体压力的作用。当工作流体压力提高时，所述工作流体的温度也在饱和状态下提高。
在热交换器230或者冷凝器内部，工作流体中的热通过风扇235排除到周围的空气中，并且蒸汽冷凝。在冷凝期间，所述蒸汽被转变成液体。然后，膨胀阀240降低所述工作流体的压力来完成制冷循环。
对本发明的一个实施方案而言，膨胀阀240可以是止回阀样的设备，所述止回阀样设备允许工作流体在任一方向上流动。当工作流体在第一方向上流动时，膨胀阀240通过提供大的流动阻力来降低所述工作流体的压力。如果工作流体在相反的方向上流动时，膨胀阀240不影响所述工作流体的压力。
对本发明的另一个实施方案而言，膨胀阀240可以是主动(active)设备，例如致动器。检测电路对所述致动器提供有关热管理系统的操作模式的信息。如果可逆回路是在制冷模式中，当工作流体通过时，所述致动器降低所述工作流体的压力。
两相循环在图3中示出。所述两相循环在所述制冷循环的相反方向上运行。因此，在蒸发器210从热源获得热之后，工作流体向膨胀阀240而不是泵220移动。膨胀阀240允许所述工作流体通过膨胀阀240而没有显著的压力下降。因此，当所述可逆回路是在制冷循环中时，膨胀阀240仅在另一个方向上使工作流体的压力下降。
然后，热交换器230使工作流体中的蒸汽冷凝，并且通过风扇235将热从所述工作流体排除到周围的空气中。最后，泵220将工作流体泵送到蒸发器210来完成循环。只要计算机系统是在所述两相循环中，所述回路就可以无限地继续。
在前面的说明书中，本发明已参照其具体的示例性实施方案进行了描述。然而，应该清楚，在没有偏离所附的权利要求书中阐述的本发明更宽的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，所述说明书和附图应以说明性而非限制性的意义来对待。
权利要求
1.一种方法，包括确定计算机系统的功率消耗水平；如果所述功率消耗水平高于预定阈值，则以第一冷却循环冷却所述计算机系统；以及如果所述功率消耗水平低于所述预定阈值，则以第二冷却循环冷却所述计算机系统，其中所述第一冷却循环和所述第二冷却循环在冷却回路的相反方向上运行。
2.如权利要求1的方法，其中改变泵旋转方向使得所述计算机系统从所述第一冷却循环切换到所述第二冷却循环。
3.如权利要求2的方法，其中所述泵在所述第二冷却循环中需要较少的功率来运行。
4.如权利要求2的方法，其中所述泵传送工作流体。
5.如权利要求4的方法，其中在所述第一冷却循环中，所述泵传送包括液相和汽相的工作流体。
6.如权利要求4的方法，其中在所述第二冷却循环中，所述泵传送包括液相的工作流体。
7.如权利要求1的方法，其中所述计算机系统是笔记本式计算机。
8.如权利要求1的方法，其中所述计算机系统在由交流(AC)电源供电时具有比所述预定阈值高的功率消耗水平。
9.如权利要求1的方法，其中所述计算机系统在由电池供电时具有比所述预定阈值低的功率消耗水平。
10.一种方法，包括用制冷操作来冷却由交流(AC)电源供电的计算机系统；以及如果所述AC电源被改变成电池电源，则切换到两相操作来冷却所述计算机系统。
11.如权利要求10的方法，其中所述制冷操作比所述两相操作提供更强的冷却。
12.如权利要求10的方法，其中所述两相操作比所述制冷操作需要较少的功率来运行。
13.一种笔记本式计算机系统的热管理系统，包括热生成组件；蒸发器，所述蒸发器被耦合到所述组件来将热从所述组件去除，其中所述热通过工作流体来传送；以及泵，所述泵被耦合到所述蒸发器，以将所述工作流体从所述蒸发器传送到热交换器，其中所述泵在第一操作模式中将所述工作流体的温度提高，其中所述泵的旋转方向在第二操作模式中被逆转。
14.如权利要求13的热管理系统，还包括风扇，所述风扇被耦合到所述热交换器，以将热从所述工作流体排除到周围的空气中。
15.如权利要求14的热管理系统，其中所述工作流体包括水。
16.如权利要求14的热管理系统，其中所述工作流体在所述蒸发器内部变相，以变成水和蒸汽的混合物。
17.如权利要求15的热管理系统，其中所述工作流体还包括醇。
18.如权利要求16的热管理系统，其中所述蒸汽在所述热交换器中冷凝。
19.如权利要求13的热管理系统，还包括膨胀阀，所述膨胀阀被耦合到所述热交换器，以在所述第一操作模式中降低所述工作流体的压力。
20.如权利要求19的热管理系统，其中所述膨胀阀在第二操作模式中允许所述工作流体从所述蒸发器通到所述热交换器，其中所述工作流体在所述蒸发器的压力大约等于所述工作流体在所述热交换器的压力。
21.如权利要求13的热管理系统，其中所述泵是齿轮泵。
22.如权利要求13的热管理系统，其中所述泵是叶轮泵。
23.如权利要求13的热管理系统，其中所述泵是再生泵。
24.如权利要求13的热管理系统，其中如果所述笔记本式计算机系统由交流(AC)电源供电，则所述热管理系统被设置成所述第一操作模式。
25.如权利要求13的热管理系统，其中如果所述笔记本式计算机系统由电池电源供电，则所述热管理系统被设置成所述第二操作模式。
26.如权利要求13的热管理系统，其中如果所述笔记本式计算机系统的组件具有比预定阈值更高的温度，则所述热管理系统被设置成所述第一操作模式。
27.如权利要求13的热管理系统，其中如果预定的应用正在所述笔记本式计算机系统上执行，则所述热管理系统被设置成所述第一操作模式。
28.如权利要求13的热管理系统，其中所述组件是处理器。
29.一种热管理系统，包括通过冷却回路来冷却笔记本式计算机系统的装置，所述冷却回路具有第一操作和第二操作；以及在所述冷却回路中用于逆转工作流体的方向的装置，用来降低用来运行所述热管理系统的功率。
30.如权利要求29的热管理系统，还包括用于确定所述笔记本式计算机系统的电源的装置。
全文摘要
描述了一种用于笔记本式计算机系统的可逆冷却回路。具体地，在低功率水平下，执行两相流体冷却回路来节省电池寿命。在高功率水平下，执行制冷回路。
文档编号F25B9/00GK1882900SQ200480034129
公开日2006年12月20日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年10月1日
发明者希曼舒·波克哈纳 申请人:英特尔公司