两相浸没式冷却装置的制作方法

本发明是关于使用流体散热的领域，特别是关于两相浸没式冷却装置的循环消散电子元件产生的热量的冷却流体。

背景技术：

1、随着集成电路(ic)晶片(例如中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、现场可程序化逻辑门阵列(fpga)和特殊应用集成电路(asic)、包含这些晶片的模块以及包含这些模块的系统(例如服务器系统)的处理速度和性能的提升，晶片、模块和系统在运行过程中产生的热量也会增加。热量的产生会使晶片、模块和系统的温度升高，且如果热量不能有效消散，则晶片、模块和系统的可靠性和性能就会降低。

2、在服务器应用中，处理器及其相关电子元件(例如记忆体、硬盘、电源供应器等)被封装于堆叠在机架或框架内的可移除节点结构中。在其他实施方式中，电子元件可位于机架或框架内的固定位置。为了防止服务器过热，在一些实施方式中，使用浸没式冷却系统来冷却服务器，以将处理器及其相关电子元件保持在允许的运作温度范围内，并减轻因过热而导致的临时故障或永久性故障。

3、广义地来说，有两种不同类型的浸没式冷却技术：单相浸没式冷却和两相浸没式冷却。

4、对于单相浸没式冷却，在一种实施方式中，工作流体通过泵浦主动地循环进出具有电子元件的槽体以进行冷却。来自计算机装置的热量被工作流体吸收并传递到排热装置(例如散热器、干式冷却器、液-液热交换器或冷却塔)，然后冷却的工作流体再循环回到槽体。

5、对于两相浸没式冷却，流体池的工作流体通过液-气相变在具有电子元件的浸没槽中被动地循环以进行冷却。一般来说，工作流体具有相对低的沸点。热量被浸没的电子元件周围的流体吸收，从而形成蒸汽气泡。气泡沸腾或蒸发成气体，从而将热量带离电子元件。蒸汽上升到流体池上方，且蒸汽在流体池与比汽化的气体更冷的热交换器(至少一冷凝器)接触。蒸汽冷凝回液体并滴回流体池中以进行回收。

6、沸腾和冷凝传热效能取决于表面结构和润湿性，并且可以热传递曲线表示，其中热通量绘制为表面过热(superheat)δt的函数(定义为用于沸腾的饱和液体与表面之间的温差)或表面过冷(subcooling)δt的函数(定义为用于冷凝的冷凝表面与蒸汽之间的温差)。在低过热下，热量主要通过自然对流传递。随着过热的增加，蒸汽气泡在成核沸腾起始点(onset of nucleate boiling，onb)形成。随着过热的进一步增加，大量的蒸汽气泡成核、增长、聚结并从受热面离开。当气泡的浮力胜过表面张力时，气泡就会离开表面。蒸汽气泡的离开会导致液体的显著运动，从而有助于热对流传递，其导致热通量和传热系数(heattransfer coefficient，htc)急剧上升，其定义为热通量除以过热，h＝q/δt。随着过热的进一步增加，由于成核位点尺寸范围的扩大，加热表面上更多潜在的成核位点被活化。最终，大量蒸汽气泡共同导致加热表面和大量液体之间形成蒸汽膜(vapor blanket)，导致表面和大量液体之间的热阻急剧增加，其中在导致表面和大量液体之间沸腾传热恶化(boiling crisis)伴随着表面温度的显著升高。

7、在两相浸没式冷却系统中使用的浸没式槽体可包含一盖子，以防止蒸汽从浸没式槽体中逸散出。对于这样的实施方式，虽然气泡能以较高的速率形成以提升流体流量，然随着浸没槽体中的压力增加，同时考虑到流体沸点的增加，可能需要额外的控制以通过可程序化逻辑控制器进行程序安排来监测和调节温度、压力等，从而增加了复杂性和成本。

8、或者，盖子可不与两相浸没式冷却系统一起使用。对于这样的实施方式，其与具有盖子的两相浸没式冷却系统相比来说，气泡不会以较高的速率形成，流体流量不会增加，并且流体的蒸发会增加。

技术实现思路

1、本发明的各方面在于提供一种用以将电子元件产生的热量消散的两相浸没式冷却装置以及两相浸没式冷却系统。

2、根据本发明的一方面，两相浸没式冷却装置包含一冷却剂槽、至少一冷凝器以及一热传递促进器。冷却剂槽用以将一工作流体容置于其中且具有一开口、多个侧墙以及相对于开口的一底面。这些侧墙从底面的一表面周边向上延伸，且一液体区以及一蒸汽区由开口、这些侧墙和底面形成。工作流体容置于液体区中且蒸汽区邻近于开口。蒸汽区与液体区流体连通。所述至少一冷凝器至少部分地设置于蒸汽区中。所述至少一冷凝器与蒸汽区热连通。热传递促进器完全设置于含有工作流体的液体区中且具有一定向流开口、多个围墙以及相对于定向流开口的一上表面。这些围墙从上表面的一表面周边向下延伸。这些围墙中至少一者与上表面包含至少一转向流孔。一增压区以及一沸腾区的一增压隔室由上表面、这些围墙以及定向流开口形成。增压区靠近上表面形成。至少一转向流孔设置于增压区中。增压区与沸腾区流体连通。

3、热传递促进器的定向流开口以及冷却剂槽的底面在其之间形成一加速流区，从而沸腾区与加速流区流体连通。热传递促进器的这些围墙中的至少一者与对应于所述至少一围墙的冷却剂槽的这些侧墙中的至少一者形成至少一循环流区。所述至少一循环流区与加速流区流体连通。

4、根据本发明所述的装置的另一方面，两相浸没式冷却装置还包含至少一散热件。所述至少一散热件用以可分离地装设于热传递促进器且至少部分地设置于沸腾区内。围绕所述至少一散热件的工作流体的多个部分从所述至少一散热件吸收足够的热量以形成多个蒸汽气泡。这些蒸汽气泡被转向至所述至少一转向流孔。所述至少一转向流孔用以使通过其中的这些蒸汽气泡坍缩。

5、根据本发明所述的装置的另一方面，所述至少一散热件包含以下至少一者：包括至少一中央处理器(central processing unit，cpu)的模块，包括至少一图形处理器(graphics processing unit，gpu)的模块，包括至少一现场可程序化逻辑门阵列(fieldprogrammable gate array，fpga)的模块，包括至少一特殊应用集成电路(applicationspecific ic，asic)的模块，包括产生足够热量以在沸腾区中形成多个蒸汽气泡的至少一发热件的模块，或前述任意组合。根据本发明所述的装置的再另一方面，热传递促进器至少部分地在沸腾区内还包含一机架、一框架或者机架或框架的任意组合中的至少一者，且所述至少一散热件包含具有至少一发热件以及至少一导流板的一服务器，其中至少一导流板包含至少一开口部以及至少一穿孔部。所述至少一穿孔部的数量为两个，且所述至少一穿孔部位于所述至少一开口的相对侧，从而服务器用以可分离地装设于机架、框架或其任意组合。所述至少一开口部用以供工作流体流过其中，以带走来自服务器的所述至少一发热件的热量。所述至少一穿孔部用以供工作流体流过所述至少一穿孔部的多个穿孔，以形成至少一定向子流通道，并加强通过所述至少一开口带走来自所述至少一发热件的热量。

6、根据本发明所述的装置的另一方面，增压隔室中的温度和压力大于所述至少一循环流区中的温度和压力。从而，最大化工作流体对热量的吸收以及加强这些蒸汽气泡的成核和增长，并通过加速流区加速从禁至少一循环流区至沸腾区的流体循环。

7、根据本发明所述的装置的再另一方面，至少一转向流孔使邻近于所述至少一冷凝器的这些蒸汽气泡转向。从而，最大化地使蒸汽逐滴冷凝成液体回到包含工作流体的液体区，并循环工作流体。

8、根据本发明所述的装置的另一方面，热传递促进器还包含至少一定位件。定位件用以分别定位所述至少一转向流孔以使所述至少一转向流孔不设置于液体区中，定位所述至少一转向流孔以使所述至少一转向流孔至少部分地设置于液体区中，并定位所述热传递促进器以使热传递促进器完全地设置于包含工作流体的液体区中，从而形成所述增压区与所述沸腾区、所述加速流区以及所述至少一循环流区。

9、根据本发明所述的装置的另一方面，所述至少一转向流孔的形状包含四边形，且所述至少一转向流孔设置于这些围墙中的至少一者。根据本发明所述的装置的再另一方面，上表面包含至少一锥台状部分，所述至少一转向流孔的形状包含四边形，且所述至少一转向流孔设置于所述至少一锥台状部分的至少一侧。

10、根据本发明所述的装置的另一方面，所述至少一冷凝器包含一冷凝工作流体、一入口、一出口以及一外部冷源。外部冷源用以冷却冷凝工作流体且与出口和入口流体连通。

11、根据本发明所述的装置的再另一方面，冷却剂槽和热传递促进器包含以下至少一者：碳钢材料、铝材料、不锈钢材料、金属粉末涂层材料、铝粉涂层材料、玻璃材料或前述任意组合。

12、根据本发明的一方面，两相浸没式冷却系统包含一两相浸没式冷却装置以及至少一散热件。两相浸没式冷却装置包含一冷却剂槽、至少一冷凝器以及一热传递促进器。冷却剂槽用以将一工作流体容置于其中且具有一开口、多个侧墙以及相对于开口的一底面。这些侧墙从底面的一表面周边向上延伸，且一液体区以及一蒸汽区由开口、这些侧墙和底面形成。工作流体容置于液体区中且蒸汽区邻近于开口。蒸汽区与液体区流体连通。所述至少一冷凝器至少部分地设置于蒸汽区中。所述至少一冷凝器与蒸汽区热连通。热传递促进器完全地设置于含有工作流体的液体区中并具有一定向流开口、多个围墙以及相对于定向流开口的一上表面。这些围墙从上表面的一表面周边向下延伸。这些围墙中至少一者与上表面包含至少一转向流孔。包括一增压区以及一沸腾区的一增压隔室由上表面、这些围墙以及定向流开口形成。增压区邻近于上表面形成。所述至少一转向流孔设置于增压区中。增压区与沸腾区流体连通。

13、至少一散热件用以可分离地装设于热传递促进器且至少部分地位于沸腾区内。围绕所述至少一散热件的工作流体的多个部分从所述至少一散热件吸收足够的热量以形成多个蒸汽气泡。这些蒸汽气泡被转向至所述至少一转向流孔。所述至少一转向流孔用以使通过其中的这些蒸汽气泡坍缩。

14、热传递促进器的定向流开口以及冷却剂槽的底面在其之间形成一加速流区，从而沸腾区与加速流区流体连通。热传递促进器的这些围墙中的至少一者与对应于所述至少一围墙的冷却剂槽的这些侧墙中的至少一者形成至少一循环流区。所述至少一循环流区与加速流区流体连通。

15、根据本发明所述的系统的另一方面，所述至少一散热件包含以下至少一者：包括至少一中央处理器(cpu)的模块，包括至少一图形处理器(gpu)的模块，包括至少一现场可程序化逻辑门阵列(fpga)的模块，包括至少一特殊应用集成电路(asic)的模块，包括产生足够热量以在沸腾区中形成多个蒸汽气泡的至少一发热件的模块，或前述任意组合。根据本发明再另一方面所述的系统，热传递促进器至少部分地在沸腾区内还包含一机架、一框架或者机架或框架的任意组合中的至少一者，且所述至少一散热件包含具有至少一发热件以及至少一导流板的一服务器，所述至少一导流板包含至少一开口部以及至少一穿孔部。所述至少一穿孔部的数量为两个，且所述至少一穿孔部位于所述至少一开口的相对侧，从而服务器用以可分离地装设于机架、框架或其任意组合。所述至少一开口部用以供工作流体流过其中，以带走来自服务器的该至少一发热件的热量。所述至少一穿孔部用以供工作流体流过所述至少一穿孔部的多个穿孔，以形成至少一定向子流通道，并加强通过所述至少一开口带走来自所述至少一发热件的热量。

16、根据本发明所述的系统的另一方面，增压隔室中的温度和压力大于所述至少一循环流区中的温度和压力。从而，最大化工作流体对热量的吸收以及加强这些蒸汽气泡的成核和增长，并通过加速流区加速从所述至少一循环流区至沸腾区的流体循环。

17、根据本发明所述的系统的再另一方面，至少一转向流孔使邻近于所述至少一冷凝器的这些蒸汽气泡转向。从而，最大化地使蒸汽逐滴冷凝成液体回到含有工作流体的液体区，并循环工作流体。

18、根据本发明所述的系统的另一方面，热传递促进器还包含至少一定位件。定位件用以分别定位所述至少一转向流孔以使所述至少一转向流孔不设置于液体区中，定位所述至少一转向流孔以使所述至少一转向流孔至少部分地设置于液体区中，并定位热传递促进器以使热传递促进器完全地设置于包含工作流体的液体区中，从而形成增压区与沸腾区、加速流区以及所述至少一循环流区。

19、根据本发明所述的系统的另一方面，所述至少一转向流孔的形状包含四边形，且至少一转向流孔设置于这些围墙中的至少一者。根据本发明所述的系统的再另一方面，上表面的形状包含至少一锥台状部分，至少一转向流孔的形状包含四边形，且所述至少一转向流孔设置于至少一锥台状部分的至少一侧。

20、根据本发明所述的系统的另一方面，至少一冷凝器包含一冷凝工作流体、一入口、一出口以及一外部冷源。外部冷源用以冷却冷凝工作流体，且外部冷源与出口和入口流体连通。

21、以上关于本
技术实现要素：
的说明及以下实施方式的说明是用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。