用于使用相变材料的冷却设备的方法和装置制造方法
【专利摘要】在一些实施例中，公开了具有金属氢化物的冷却装置。
【专利说明】用于使用相变材料的冷却设备的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及冷却系统，特别是使用诸如金属氢化物的相变材料的冷却系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0002]本发明的实施例在附图的图示中通过示例而非限制的方式示出，在附图的图中相同附图标记表示相似的部件。
[0003]图1是根据一些实施例的冷却装置的透视图。
[0004]图2示出了根据一些实施例的氢气从容器A移动到容器B的能量转移过程。
[0005]图3示出了根据一些实施例的氢气从容器B移动到容器A的对环境的受控能量释放。
[0006]图4是根据一些实施例的具有电可控隔膜阀的冷却系统的示意图。
[0007]图5是示出了根据一些实施例的在示例中在室温下在PEM膜的任一侧作为时间的函数的H2的压力图。
[0008]图6是示出了根据一些实施例的针对H2通过图5的隔膜进行传输的电流对比时间的视图。
【具体实施方式】
[0009]小的形状因数设备(例如智能电话和平板计算机)可能会受外皮温度人体工程学极限和内部部件结温度的热制约。工业设计趋势是在提高性能的同时将这些装置制造得尽可能的薄。使装置变薄并且提高性能的综合影响恶化了热问题，使得外皮温度(Tskin)成为主要的制约。热工程师优化它们的设计(部件放置，热量分布，热控制算法)，但是期望的性能极限在这些较薄的系统中可能仍是不足的。
[0010]改进的热技术包括利用相变材料(PCM)来储存在装置升温时的散热，以吸收在例如视频会议的涡轮(处理器加速)偏移或扩展的高端性能期间的热量。PCM的一种示例是例如二十烷的石蜡，其在37摄氏度下熔化。熔点可以基于例如Tskin的制约而选择。为了具有竞争力，电子平台应该设计成限制它们的外皮温度。用于玻璃的典型人体工程学的Tskin极限是40摄氏度，并且对于诸如铝的金属是38摄氏度。在相变熔化过程期间(固体到液体)，用于石腊的蓄能能力或潜热是大约200J/gram。在处理固体/液体PCM时的问题是由于它们在熔化时变成液体，因此它们通常必须被容纳。此外，这种PCM的热传导率可能是极低的(0.25W/m开氏温度)。所以有效地利用这种PCM可能需要使用散热器和密封容器。传统的PCM潜热也可能并非很引人注目。此外，熔化过程很少受到控制。因此，希望有新的方法。
[0011]在一些实施例中，公开了冷却(或传热)装置，其使用可控的蓄能过程，使得在电子系统中当用于部件的扩展性能需要时可以迅速地移除热量。例如，这种公开的系统在容许的极限内可用来保持它们的Tskin和部件结温度(TJ)。在一些实施例中，例如金属氢化物的相变材料(其从固体变化到气体并且返回到固体)可用于在潜热相变转换期间迅速地吸收能量，并且在一些实施例中，将其传送离开区域(或部件)以被冷却。
[0012]图1示出了根据一些实施例的冷却系统。通常包括第一容器(容器A)，第二容器(容器B)、可控阀以及通过可控阀将容器A流体地耦合到容器B的管。容器A包括金属氢化物(例如MmNi4.15Fe0.85)，并且容器B也包括金属氢化物。在一些实施例中，容器B具有诸如LaNi4.8Sn 0.2的金属氢化物，其可以具有比容器A低的相关联的相变温度。这些AB5金属氢化物或其它金属氢化物可以储存相对大量的热能，例如，是现在使用的从固体转变到液体的诸如石蜡的PCM材料的热能的3到4倍。
[0013]另外参考图2和3，第一容器(A)从用于计算平台装置(例如智能电话、平板计算机、PC、服务器等)的电子部件(例如CPU或SoC芯片)热导热量。在消耗大量功率的高性能偏移期间，热量可以被传导离开芯片，从而将增加的能量消散到容器A中的金属氢化物(例如，AB5金属氢化物)。(注意为了易于说明，而使用简单的芯片，但是应该意识到任何热功率源都可以使用本文论述的方法进行冷却。冷却容器或其组合可以安装到电子设备或其它设备的任何希望的部分。)
[0014]容器应该由合适的结构制成，例如容器设计成在预期最坏情况的温度和压力下可靠地容纳氢气。虽然这种典型的情况少有，如果没有用于这种技术的液体容纳需求，将仍然需要合理地容纳氢气(H2)。一个方法可以使用非常薄的不锈钢容器以容纳金属氢化物，其通常具有粉末形式。容器可以小型化以安装在小的形状因数平台上，例如智能电话、平板计算机，或其它小的移动电子设备，如图3所示。
[0015]在一些实施例中，芯片可按下面的方式被冷却。最初，容器A中的金属氢化物(MHA)充满H2,而容器中B的金属氢化物(MHB)十分缺乏H2。此外，阀关闭使得H2不能在容器之间流动。当需要芯片的额外冷却时，阀被电子控制以允许H2通过，来进行按需冷却。可使用任何适当的控制管理装置，例如在电子设备中的专用控制电路或一些其它控制块。例如，许多计算平台具有热管理系统，其可用于电子地控制阀以按需要冷却芯片。控制器可以监视容器A上的温度。一旦加热到预定值，阀可被打开，或它可以通过位于装置内的部件或其它位置的其它传感器来控制。
[0016]当阀打开时，氢气迅速地从充满的MHA放出，从而增加容器A中的压力，然后移动到容器B，在那里被吸收。在容器A中的解吸期间，过程是吸热的，通过容器和平台的热特性控制，这样净能量吸收到金属氢化物粉末中。净效果是对通过热传导联系到容器A的部件(例如芯片)的冷却。在容器B中，压力增加直到获得在两容器之间的平衡压力，并且MHB完全充满氢。此时阀可以再一次关闭。
[0017]在典型的循环中，在高功率产生情况(例如处理器加速情况)结束之后，容器A中的吸热反应冷却芯片。当容器B中的金属氢化物吸收H2，反应是放热的，从而释放能量，但是以减小的压力和温度。在针对容器B材料的降低的相变温度的情况下，在容器B周围所产生的温度可以比用于激活容器A中的金属氢化物的温度低得多。容器B可以位于远离高功耗电子部件的平台的冷却部分，在那里热量可以更容易消散。可以观察到在管内没有可观的热量或冷却发生，确切地，反应发生在金属氢化物所位于的容器A和B中。
[0018]可以使用任何适当的阀结构。例如，可以是机械阀，例如电致动的机械阀，或者可选地，可使用电子致动的可渗透高分子电解质膜(PEM)作为阀。这在图4中示出。
[0019]图4示出了金属氢化物热交换装置，如本文教导的，利用氢核交换膜(例如，类似那些在燃料电池中使用的)实施的阀。当用作燃料电池时，氢核交换膜以下面的方式工作。氢气暴露在燃料电池阳极侧的催化剂上，其将两个电子分离离开两个氢核。对于这样的两个分子，在阳极的分离可以通过以下方程来表示:
[0020]阳极:2H2— 4H++4e_
[0021]氢核通过例如高分子电解质膜(PEM)的隔膜渗透到在相对侧的阴极。并行地，电子穿过围绕隔膜的电路移动到阴极，而空气暴露于阴极催化剂，从而在氧、氢核和形成水的电子之间发生反应。
[0022]阴极:02+4H++4e—2H2O
[0023]总体:2H2+02— 2 H2O
[0024]通过围绕隔膜的并联电路移动到阴极的电子产生势能，其驱动过程。
[0025]另一方面，有关本公开，如果过程是反向的，并且电压施加在电路两端，当H2通过隔膜从阴极渗透到阳极时，H2的流动可以被控制。所以，当PEM用作阀时，例如如图4所示，当高功率事件(例如，处理器芯片在超高等级下被驱动)将要发生时(或甚至在它刚发生以后)，电压被驱动在隔膜两端，从而允许H2气体从容器A流动到容器B。如上述论述的过程，这导致在容器A中的金属氢化物吸热地改变相，从而释放它的H2,并且实质上潜热经由H2气体从容器A转移到容器B。这将迅速地从芯片，或从任何热安装到容器A的热源散热。
[0026]当系统处于较低活性，或冷却之后，容器A中的金属氢化物可被重新带电。在PEM两端的极性反向，从而允许控制H2以相反方向返回到容器A。
[0027]所以，能够看出由于PEM，H2的流动可以在正反向方向被电子地控制。另一个能力是能够停止H2通过隔膜在长时间段内的流动。这可以通过断开电路并将电压降到零来实现。此外，如果H2在一侧(例如在容器A侧)被耗尽，流动将下降到零，并且尽管有电压电位，然而也没有H2传输。
[0028]作为示例，并且参考图5和6，Naf1n膜用于PEM阀以使用恒定电压+/-1OOmV控制H2的流动。不同的电压将改变流速，并且当电路断开时，H2不能通过阀流动。在该示例中，经过大约2700秒的间隔，在容器A中的H2被耗尽，在容器A中的压力下降到接近零的情况下，电流降低到零。在那时，电路断开，并且没有H2通过隔膜。在大约1900秒以后，施加的极性被反向，并且过程依次反向。
[0029]在该示例中，使用金属氢化物存储能量芯片可以冷却到40摄氏度大约1800秒，这相对于在没有它们的情况下仅仅数秒。不同的目标可以根据设计和温度极限来选择。
[0030]在一些实施方式中，这种可控的储能系统可以仅仅在必要时被激活，以控制芯片，或在平台上的其它部件的加热和冷却，并且防止Tskin热点在高性能使用(例如极端平台功率徒增或用于像视频会议或其它高性能应用之类的应用的扩展性能)期间偏移。容器A应该定位于平台上的热源附近。容器B可以位于平台的冷却区域，并且如果需要在H2吸收和解吸过程期间Tskin温升最小化，则分布开较大的面积。理想方案可以是获得遍布设备的同表皮温度，保持低于人体工程学极限。在容器A和B之间没有实际的传热发生，H2的传输仅仅是由于在能量交换期间的压差。
[0031]如图3所示，在容器B顶上，使用固体/液体或固体/固体PCM的另一个相变材料可以施加于容器B，以帮助减轻轻微的放热反应。这些PCM可以是塑性晶体、聚乙醇、或其它PCM。在容器A和B中的金属氢化物可以是不同的，并由此可以产生不同量的H2。在这种情况下，在每个容器中的金属氢化物的量将是不同的，使得所产生的H2量通过在两个容器中吸收的H2量来平衡，用于最有效率的使用。此外，添加剂(例如聚四氟乙烯或铝)可以添加到容器内的金属氢化物中，以增加各自的热传导率。
[0032]在之前的说明书和随后的权利要求中，以下术语应该如下解释:可使用术语“耦合”和“连接”以及它们的派生词。应当理解的是这种术语不意味着互相作为同义词。相反地，特别是在实施例中，“连接”用来表示两个或多个部件彼此直接物理或电接触。“耦合”用来表示两个或多个元件共同工作或互相作用，但是它们可以或可以不直接物理或电接触。
[0033]本发明不局限于描述的实施例，而是可以在附加权利要求的精神和范围内改变和变化来实现。例如，应该理解本发明可以应用于各种形式的半导体集成电路(“1C”)芯片。这些IC芯片的示例包括而不限于处理器、控制器、芯片组部件、可编程逻辑阵列(PLA)、存储芯片、网络芯片、PMIC等。
[0034]也可以理解在一些附图中，信号导线表示线路。一些信号导线可能较粗以表示更多组成的信号通路，具有标签数以表示多个组成的信号通路，和/或具有在一端或多端的箭头以表示主要的信息流动方向。然而这不应该以限制的方式被解释。相反，这样附加的细节可以用于与一个或多个示例性实施例联系，以便于更容易理解电路。任何表示的信号线，不管是否具有附加信息，实际上都可以包括一个或多个信号，其可以在多个方向行进并且可以以任何适当类型的信号方案来实施，例如利用不同对、光导纤维线路、和/或单端线路实施的数字或模拟线路。
[0035]应该理解，虽然已经给出示例的尺寸/模式/值/范围，但是本发明并不限于此。如随着时间制造技术(例如，光刻术)的成熟，可以预期较小尺寸的器件被制造。此外，众所周知的电源/接地到IC芯片及其它部件可以在图内示出，或为了例示和讨论的简单，而可以不必在图内示出以便不模糊本发明。此外，布置可以以方框图形式示出，以免使本发明模糊，并且由于相对于这样方框图布置的实施方式的细节情况高度地依赖于在实施本发明内的平台，即这样的细节应该最好在本领域技术人员的范围内。在具体细节(例如，电路)被阐述以便描述本发明实施例的示例的情况下，对于本领域技术人员明显的是本发明可以在没有这些具体细节或改变这些细节的情况下来实施。说明书由此被认为是说明性的而非限制性的。
【权利要求】
1.一种装置，包括: 具有金属氢化物的容器；所述容器被安装到表面，以通过从所述金属氢化物中释放出的氢将热量传导离开所述表面。
2.如权利要求1所述的装置，还包括通过可控阀流体耦合到所述第一容器的第二容器。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述第二容器包括吸收从所述第一容器中的所述金属氢化物中释放出的氢的物质。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述物质包括第二金属氢化物，所述第二金属氢化物具有与所述第一金属氢化物相同或比所述第一金属氢化物低的相变温度。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述第二金属氢化物包括LaNi4.8Sn0.2。
6.如权利要求2所述的装置，其中所述阀是PEM阀。
7.如权利要求2所述的装置，还包括控制器，用以与功率骤增事件相关联地打开所述阀。
8.如权利要求2所述的装置，其中所述第二容器具有热安装到其表面的至少一部分的固液相变材料。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述固液相变材料包括石蜡。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述金属氢化物包括MmNi4.15Fe0.85。
11.一种计算平台，包括: 芯片封装；以及 具有金属氢化物的容器；所述容器热传导地安装到所述芯片封装的表面，以将热量传导离开所述芯片封装。
12.如权利要求11所述的计算平台，还包括通过可控阀流体耦合到所述第一容器的第二容器。
13.如权利要求12所述的计算平台，其中所述第二容器包括吸收从所述第一容器中的所述金属氢化物中释放出的氢的物质。
14.如权利要求13所述的计算平台，其中所述物质包括第二金属氢化物，所述第二金属氢化物具有与所述第一金属氢化物相同或比所述第一金属氢化物低的相变温度。
15.如权利要求14所述的计算平台，其中第二金属氢化物包括LaNi4.8Sn0.2。
16.如权利要求12所述的计算平台，其中所述阀是PEM阀。
17.如权利要求12所述的计算平台，还包括控制器，用以与对于所述芯片封装的功率骤增事件相关联地打开所述阀。
18.如权利要求11所述的计算平台，其中所述金属氢化物包括MmNi4.15Fe0.85。
19.一种计算平台,包括: 处理器芯片； 具有第一金属氢化物的第一容器，所述第一容器被安装成将热量传导离开所述处理器芯片并进入所述第一容器中；以及 具有第二金属氢化物的第二容器，所述第二容器通过可控阀流体耦合到所述第一容器。
20.如权利要求19所述的计算平台，其中所述处理器芯片是用于平板计算机或智能电 话的SOC芯片。
【文档编号】F25B23/00GK104302991SQ201380017294
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】D·钱德兰, D·J·纳尔逊, M·蒂鲁马拉, A·库马尔, A·塔莱卡尔 申请人:英特尔公司