CN100531541C

CN100531541C - 热交换组件和生产该组件的方法

Info

Publication number: CN100531541C
Application number: CNB2006101030921A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·E·西蒙斯; 小迈克尔·J·埃尔斯沃思; 罗杰·R·施米特; 马杜萨丹·K·艾延加尔; 利瓦伊·A·坎贝尔; 理查德·C·褚
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: TW200727121A; CN1976570A; US7272005B2; US20070121294A1

Abstract

一种用于冷却系统的热交换组件，包括第一冷却回路和第二冷却回路，该热交换组件包括壳体，该壳体包括第一冷却剂入口和出口以及第二冷却剂入口和出口，它们分别与第一和第二冷却回路和多个热交换单元流体连通。每个热交换单元包括第一组和第二组冷却剂流动通道，所述通道与各单元的不同对平行面表面相交，第二组冷却剂流动通道以横向于第一组冷却剂流动通道的方向延伸。热交换单元设置在该壳体中，并且第一组流动通道与第一冷却剂入口和出口沿第一公共方向流体连通，第二组流体通道与壳体的第二冷却剂入口和出口沿第二公共方向流体连通。

Description

热交换组件和生产该组件的方法

相关申请的交叉引用

本申请包含与下述专利申请的主题相关的主题，下述申请与本申请一样都转让给相同的受让人，下述申请的完整内容通过引用的方式结合于此：

“用于采用集成热交换组件的电子模块的冷却装置和方法”，Campbell等，序列号No.11/008,359，2004年12月9日提交；

“用于在冷却剂流动通道之间采用冷却剂流动驱动装置的电子子系统的冷却装置”，Campbell等，序列号No.11/008,732，2004年12月9日提交；以及

“在电子机柜的电子子系统中采用闭环冷却剂通路和微型冷却结构的冷却系统和方法”，Campbell等，序列号No.11/008,771，2004年12月9日提交；

技术领域

本发明目的在于冷却组件和其他用于从电子设备、模块和系统中移除热量的装置。更具体地说，本发明涉及一种增强的热交换组件、冷却系统和方法，用于从一个或多个电子机柜的一个或多个电子子系统的发热部件中抽取热量。

背景技术

众所周知，随着电子芯片设备的电路密度增加以获得更快的处理速度，对应地也需要移除由这些装置产生的热量。由于电路装置更紧密地封装在一起并且也由于电路本身以增加的更高时钟频率进行操作，所以散热的需求也不断增加。不过，也已公知的是，由芯片产生的超出范围的热状态和过量的热是芯片装置出现故障的主要原因。而且，可预计从这些装置中移除热量的需求将会无限地增加。因此，可以看到大量且明显地需要为电子电路装置提供有用的冷却机制。

每一代新的计算机持续提供增加的速度和功能。在多数情况下，这是通过将增加的能量消耗与增加的封装密度相结合而实现的。最终结果就是在各种封装程度下的增加的热流率。例如，目前的所有大型计算机系统的普通封装结构是多抽屉式机柜，每个抽屉包含一个或多个处理器模块以及相关的电子部件，诸如存储器、电源和硬盘驱动器。这些抽屉是可拆卸的单元，从而在单个抽屉出现故障的情况下，可现场拆卸和替换该抽屉。采用这种结构的问题在于，电子抽屉等级中的热流率的增加导致更加难于通过简单的空气冷却消散热量。

发明内容

通过用于具有第一冷却回路和第二冷却回路的冷却系统的热交换组件可克服现有技术中的缺点并且带来其他优点。该热交换组件包括壳体和设置在所述壳体中的多个热交换单元。该壳体包括第一冷却剂入口、第一冷却剂出口、第二冷却剂入口和第二冷却剂出口，所述第一冷却剂入口和所述第一冷却剂出口设计成与所述第一冷却回路流体连通，所述第二冷却剂入口和所述第二冷却剂出口设计成与所述第二冷却回路流体连通。每个热交换单元包括具有第一组冷却剂流动通道和第二组冷却剂流动通道的结构，限定在所述结构中的第一组冷却剂流动通道与所述结构的第一对平行面表面相交，限定在所述结构中的第二组冷却剂流动通道与所述结构的第二对平行面表面相交。所述第二组冷却剂流动通道以横向于所述第一组冷却剂流动通道的方向延伸，并且，所述热交换单元设置在所述壳体中，并且其第一组冷却剂流动通道在所述壳体的第一冷却剂入口和第一冷却剂出口之间并与第一公共方向朝向一致，其第二组冷却流体通道与所述壳体的第二冷却剂入口和第二冷却剂出口流体连通并与第二公共方向朝向一致。

在另一方面，提供一种受冷却的电子系统，包括至少一个电子机柜，其包括多个电子子系统；和冷却系统，该系统用于多个电子子系统的至少一个电子子系统。所述冷却系统包括经由热交换组件连接的第一冷却回路和第二冷却回路。所述热交换组件包括：壳体和设置在所述壳体中的多个热交换单元。该壳体包括第一冷却剂入口和出口以及第二冷却剂入口和出口。所述第一冷却剂入口和所述第一冷却剂出口与所述第一冷却回路流体连通，所述第二冷却剂入口和所述第二冷却剂出口与所述第二冷却回路流体连通。每个热交换单元是具有第一组冷却剂流动通道和第二组冷却剂流动通道的结构，限定在所述结构中的第一组冷却剂流动通道与所述结构的第一对平行面表面相交，限定在所述结构中的第二组冷却剂流动通道与所述结构的第二对平行面表面相交，其中，所述第二组冷却剂流动通道以横向于所述第一组冷却剂流动通道的方向延伸，并且其中，所述热交换单元设置在所述壳体中，并且其第一组冷却剂流动通道与所述壳体的第一冷却剂入口和第一冷却剂出口沿第一公共方向流体连通，其第二组冷却流体通道与所述壳体的第二冷却剂入口和第二冷却剂出口沿第二公共方向流体连通。

在另一方面，提供一种制造用于冷却系统的热交换组件的方法，该系统包括第一冷却回路和第二冷却回路。所述方法包括设置壳体，该壳体包括第一冷却剂入口、第一冷却剂出口、第二冷却剂入口和第二冷却剂出口，所述第一冷却剂入口和所述第一冷却剂出口设计成与所述第一冷却回路流体连通，所述第二冷却剂入口和所述第二冷却剂出口设计成与所述第二冷却回路流体连通；以及将多个热交换单元设置在所述壳体中，每个热交换单元包括具有第一组冷却剂流动通道和第二组冷却剂流动通道的结构，限定在所述结构中的第一组冷却剂流动通道与所述结构的第一对平行面表面相交，限定在所述结构中的第二组冷却剂流动通道与所述结构的第二对平行面表面相交，其中，所述第二组冷却剂流动通道以横向于所述第一组冷却剂流动通道的方向延伸，并且其中，所述热交换单元设置在所述壳体中，并且其第一组冷却剂流动通道与所述壳体的第一冷却剂入口和第一冷却剂出口沿第一公共方向流体连通，其第二组冷却流体通道与所述壳体的第二冷却剂入口和第二冷却剂出口之间的第二公共方向朝向一致。

另外，其他特征和优点通过本发明的技术实现。本发明的其他实施例和方面在这里进行详细说明并且被认为是要求权利的本发明的一部分。

附图说明

本发明的主题被特定指出并且体现在权利要求书中。本发明的上述内容和其他目的、特征和优点可从下述结合附图的详细说明清楚得知，其中：

图1描述传统的冷却剂分配单元，诸如计算机室水调节单元(CRWCU)，用于冷却计算环境的一个或多个电子机柜；

图2是电子机柜的电子抽屉和用于此的冷却系统的一项实施例的示意图，该冷却系统采用具有装置冷却剂回路和系统冷却剂回路的传统冷却剂分配单元。

图3是根据本发明一个方面的电子机柜的电子子系统的冷却系统的一项实施例示意图，其包括冷却剂分配单元和热消散单元，该热消散单元包括电子子系统中的经调节冷却剂回路；

图4A描述根据本发明一个方面的过滤图3的冷却系统的经调节冷却剂回路中的经调节冷却剂的方法的一项实施例；

图4B描述根据本发明一个方面的图4A的热消散单元部件的一项实施例，其如图所示连接于有待冷却的电子模块；

图5A描述根据本发明一个方面的过滤图3的冷却系统的经调节冷却剂回路中的经调节冷却剂的方法的替换实施例；

图5B描述根据本发明一个方面的在过滤经调节冷却剂之后的热消散单元部件的一项实施例，其如图所示连接于有待冷却的电子模块；

图6A是根据本发明一个方面的连接于电子模块的微型冷却结构的一项实施例的横截面正视图，用于间接将模块的集成电路芯片的热量排放到微型冷却结构中的经调节冷却剂；

图6B是根据本发明一个方面的微型冷却结构的替换实施例的横截面正视图，该结构连接于其上具有多个集成电路芯片的基板，经调节的冷却剂通过不可渗透的隔离层与集成电路芯片隔离开；

图6C是根据本发明一个方面的微型冷却结构的替换实施例的横截面正视图，该结构连接于其上具有多个集成电路芯片的基板，其中集成电路芯片通过经调节冷却剂的直接渗入而得以冷却；

图7是根据本发明一个方面的能够在冷却系统中使用的平面热交换器的一项实施例的横截面正视图；

图8是根据本发明一个方面的冷却系统的热交换组件的热交换单元的一项实施例的绘示，多个热交换单元以5×5的排列布置在热交换组件中；

图9是根据本发明一个方面的组装热交换组件的一项实施例的等轴视图；

图10是根据本发明一个方面的图9的热交换组件的基部壳体的一项实施例的等轴视图；

图11是根据本发明一个方面的用于热交换组件的热交换单元的一项实施例的等轴视图；

图12A是根据本发明一个方面的如图11所示的一个热交换单元的一项实施例的等轴视图，其如图所示设置在热交换单元接收空间上方，该空间由四个定位支柱限定在基部壳体中；

图12B是示出根据本发明一个方面的热交换单元置于由所示定位支柱限定的热交换单元接收空间中，该图是图12A的结构的等轴视图；

图12C是示出根据本发明一个方面的图12A和12B的热交换单元和基部壳体的等轴视图，该图示出热交换单元设置在从基部壳体的内表面凸起的定位支柱之间；

图13是根据本发明一个方面的热交换组件的一项实施例的局部分解视图；

图14A是根据本发明一个方面的用于热交换组件的热交换单元的替换实施例的俯视等轴视图；

图14B是根据本发明一个方面的图14A的热交换单元的仰视等轴视图；

图15是根据本发明一个实施例的如图14A和14B所示的两个邻近热交换单元的一项实施例的等轴视图，其在基部壳体上方分解示出，并示出各部件的彼此相对以及相对于基部壳体的凸纹结构的位置；以及

图16是根据本发明一个方面的组装而成的热交换组件的一项实施例的剖视图。

具体实施方式

如这里所使用的，“电子子系统”包括任何的壳体、间隔、抽屉、刀片等，其中包含需要冷却的计算机系统或其他电子系统的一个或多个发热部件。术语“电子机柜”包括任何框架、机柜、刀片服务器系统等，具有计算机系统或电子系统的发热部件，并且可以是例如具有高、中或低端处理能力的独立计算机处理器。在一项实施例中，电子机柜可以包括多个电子子系统，每个系统具有一个或多个需要冷却的发热电子部件。每个“发热电子部件”可包括电子装置、电子模块、集成电路芯片等。如这里所使用的，“微型冷却结构”表示具有200微米或更小的特性尺寸的冷却结构。

根据本发明的一个方面的冷却系统中的冷却剂的一项实例是水。但是，这里所公开的概念适于与冷却系统的装置侧、系统侧和经调节的冷却剂侧的其他类型冷却剂共同使用。例如，一种或多种冷却剂可包括盐水、碳氟化合物、液体金属或其他类似的冷却剂，或制冷剂，同时仍然保持本发明的优点和独特特征。

如上文所述，计算机装置(主要是处理器)的能量水平再次提升至无法简单地由空气冷却的程度。各部件很可能由水冷却。由处理器消散的热量可通过由水冷却的冷却板装置传递至水。一般在客户端(即，数据中心)提供的装置用水不适合在这些冷却板中使用。首先，由于数据中心处的水温范围为从7℃到15℃且远低于屋内露点(一般为18-23℃)，所以冷凝形成是个主要问题。其次，装置用水的相对低的质量(在化学性质、清洁度等方面)会影响系统的可靠性。因此，理想的是利用水冷却/调节单元，该单元向/从电子子系统循环高质量的水并且使热量进入数据中心处的水中。如这里所用，在一个实例中，“装置用水”或者“装置冷却剂”指代该数据中心用水或冷却剂，而“系统冷却剂”指代在冷却剂分配单元与有待冷却的电子子系统之间循环的冷却/调节水，“经调节的冷却剂”指代在给定电子子系统中循环的冷却剂。

现在将参照附图，其中在所有不同附图中使用的相同附图标记指代相同或类似的部件。图1描述计算机室的冷却剂分配单元100的一项实施例。冷却剂分配单元传统上是比较大的单元，其将占据超过一个电子框架的面积。在冷却单元100中的是动力/控制元件112、蓄水池/膨胀箱113、热交换器114、泵115(通常还带有冗余第二泵)、装置用水(或者现场或者客户服务用水或冷却剂)入口116和出口117供给管道、将水经由偶联管120和管线122导引至电子框架130的供给歧管118、以及导引水经由管线123和偶联管121离开电子框架130的返回歧管119。每个电子机柜包括多个电子抽屉或者多个电子子系统135。

图2示意性地示出图1的冷却系统的操作，其中由液体冷却的冷却板装置155如图所示与电子机柜130中的电子抽屉135的电子装置150相连。热量经由系统冷却剂从电子装置150中移除，该系统冷却剂通过系统冷却剂回路中的冷却板155经由泵115提供，该回路由冷却剂分配单元100的热交换器114、管线122、123以及冷却板155限定。系统冷却剂回路和冷却剂分配单元设计成向电子设备提供具有受控温度和压力以及受控化学性质和清洁度的冷却剂。而且，系统冷却剂与管线116、117中受控较弱的装置冷却剂物理隔离，而热量也会最终传递至该管线中。由于系统冷却剂回路具有用于流体流动的特性尺寸，该尺寸大小足以允许剩余的微粒残余自由地流过该回路，所以在诸如图2所示的系统中不需要过滤。例如，将具有1.65毫米直径的通道的冷却板装置应用于纽约Armonk的国际商业机器公司提供的ES/9000系统中。

如上所述，随着设计师不断追求计算性能，处理器耗能水平持续增加。电子模块耗能水平预计将超过传统空气冷却技术的能力，甚至将超过传统液体冷却冷却板的概念。为了解决这些未来的冷却需求，正在开发微型的冷却结构。这种结构的两个实例由新罕布什尔的Claremont的MikrosManufacturing，Inc.和德国柏林的ATOTECH提供。微型冷却结构的其他实例也已在本领域公知。这些微型冷却结构的特性尺寸小于先前采用的冷却板一个数量级以上。而且，微型结构的最小尺寸大约为或者小于通常循环流过如图1和2所示的冷却系统的系统冷却剂的微粒的数量级。在现有微型结构中，特性尺寸通常的范围为50-100微米(micron)，随着技术的成熟还可进一步减小。在这些小宽度的尺寸下，液体的清洁度是至关重要的。在这种尺寸下，微型冷却结构更像一个过滤器而不是散热器，由此抑制冷却。

该问题的一种解决方案是将过滤器放入图1和2的冷却组件的系统冷却剂侧。遗憾的是，并不希望如此，因为这样将增加额外的压力降并且需要不断的维护。因此，本发明一方面的目的是提供一种与电子子系统相关的隔离子组件，其与系统冷却剂回路热接触，同时设计并制造成适应如上所述的微型冷却结构的微尺度方面。

图3描述实现这一目的的冷却系统的一项实施例。该冷却系统或装置包括冷却剂分配单元100和一个或多个散热单元195。每个散热单元195与计算环境的电子机柜130的各个电子子系统或者抽屉135相关联。冷却剂分配单元100还包括第一热交换器114、第一冷却回路116、117和一个或多个第二冷却回路122、123。第一冷却回路116、117容纳装置用冷却剂并且使其中的至少一部分通过第一热交换器114。每个第二冷却回路向至少一个电子子系统135提供系统冷却剂并且将第一热交换器114的热量从电子子系统135排出至第一冷却回路116、117中的装置冷却剂。系统冷却剂经由泵115在第二冷却回路122、123中循环。

每个散热单元195与各个电子子系统135相关联并且包括第二热交换器160、一个或多个冷却回路的第二冷却回路122、123、第三冷却回路170和微型冷却结构180。第二冷却回路向第二热交换器160提供系统冷却剂，第三冷却回路通过微型冷却结构180循环至少一个电子子系统中的经调节冷却剂并且将第二热交换器160中的热量从电子子系统135的发热部件190(例如，电子模块)中排出。热交换器中的热量被排出到第二冷却回路122、123的系统冷却剂中。经调节的冷却剂经由泵175流过散热单元195的第三冷却回路170循环。适当的泵175的一个实例设置在初始记载的、共同转让的申请“用于在冷却剂流动路径之间采用冷却剂流动驱动装置的电子子系统的冷却装置”。在一个实例中，第三冷却回路使封闭的回路流体路径，由此使微粒一旦在经调节的冷却剂已经如上所述被过滤时进入冷却回路的机会变为最小。

有利地，第三冷却回路与冷却组件的系统冷却剂物理隔离。第三冷却回路是分离的、专用的回路或者位于电子子系统的子组件中，尤其是位于有待冷却的一个或多个发热部件中，诸如电子模块。第三冷却回路和相关的部件包括一子组件，从微粒与物质兼容性(即，是否腐蚀)的观点来看，该组件制造成产生初始环境。冷却子组件195设计为操作时的闭合系统(即，在现场不开启的系统)。由于在现场是闭合系统，所以微粒污染可在组装期间进行控制。

图4A和5A描述用于过滤散热单元中的经调节冷却剂的替换组件，例如，在该单元的制造期间。在图4A中，图3的系统子组件195如图所示与电子模块190相关联，该模块可与微型冷却结构180相集成或者连接。该子组件包括两个三通阀200，在该实例中，三通阀被开启以允许冷却剂流过过滤器210而不是微型冷却结构180。经调节的冷却剂经由三通阀200在泵175的作用下流过热交换器、第三冷却回路170和过滤器210，并且被净化为适应于特定应用的理想程度。注意，过滤器210可以是任何过滤机构，其用于净化以理想方式流过第三冷却回路170的经调节冷却剂，并且可包括微粒过滤(由例如制造和组装过程造成)，以及化学过滤(例如，从冷却剂中移除无益的腐蚀性元素)。一旦被过滤，阀200由手工或者自动调节为从第三冷却回路170中移去过滤器210，由此允许经调节的冷却剂借助泵175流过微型冷却结构180和热交换器160(参见图4B)。

图5A描述用于过滤在图3的冷却子组件195的回路170中的经调节冷却剂的替换方法。在该实施例中，连接/断开偶联件220用于将过滤器210连接至第三冷却回路170。过滤器210还可包括任何过滤机构，用于从流过第三冷却回路170的经调节冷却剂中移除例如无益微粒和化学物质。冷却剂在泵175的作用下经过足够长的时间流过热交换器160、第三冷却回路170和过滤器210，以实现理想程度的冷却剂纯度。

如图5B所示，在经调节的冷却剂已经被适当过滤后，过滤器210被拆下，微型冷却结构180通过再次使用偶联件220插入第三冷却回路。在所示的实施例中，电子模块190假定集成于或者连接于微型冷却结构180。用于电子模块的偶联结构180的各项实施例如图6A-6C所示，并将在后文进行进一步的讨论。

本领域技术人员应该注意，其中设置的是采用三种不同冷却回路的冷却组件。第一、装置冷却回路和第二、系统冷却回路与冷却剂分配单元相关联，该单元包括液体-液体热交换器，从而允许将第二冷却回路中的系统冷却剂的热量传送至第一冷却回路中装置冷却剂中。一个或多个散热单元或冷却子组件与例如电子机柜的一个或多个电子子系统相关联。每个散热单元包括各个第二、系统冷却回路和第三、受调节的冷却回路，其在一个实例中包括隔离、闭路的流动路径。散热单元还包括第二流体-流体热交换器，该交换器允许热量从第三、受调节的冷却回路的受调节的冷却剂中排出至第二、系统冷却回路中的系统冷却剂，从而传送到冷却剂分配单元。有利地，通过分离经调节的冷却剂、系统冷却剂和装置冷却剂，每个冷却剂回路可具有属性或特性不同的冷却剂。这些不同的特性可包括不同的：

·冷却剂纯度-允许在第三冷却回路中使用较高纯度的冷却剂，在系统冷却剂回路中使用纯度稍低的冷却剂，并且在装置冷却剂回路中使用纯度更低的冷却剂。高纯度的冷却剂可理想地用于散热单元的第三冷却回路中，尤其是当与小型冷却结构(即，通道、喷嘴、孔等)使用时，防止污染物干扰例如微型冷却结构的操作。

·冷却剂压力-允许例如第三冷却回路中的受调节冷却剂的压力小于大气压力，同时第二冷却回路和第一冷却回路中的系统冷却剂和装置冷却剂处于或高于大气压。这允许例如受调节的冷却剂与系统冷却剂的沸点不同。

·冷却剂相位变化-第三冷却回路允许在受调节的冷却剂中采用两相冷却方式，同时将系统冷却剂和装置冷却剂保持为单相冷却剂。

·冷却剂流率-与冷却系统中的各种冷却剂的不同压力和相位变化温度相关。而且，通过微型冷却结构的流率理想地低于通过例如包含系统冷却剂的第二冷却回路的流率。

·冷却剂化学性质-允许不同的冷却剂流体化学性质用于冷却系统的各种冷却回路中。例如，水可用于第一和第二冷却回路以作为装置冷却剂和系统冷却剂，只是纯度不同，而第三冷却回路可采用绝缘体作为受调节的冷却剂。例如，在经调节的冷却剂直接接触正在受冷却的电子子系统的一个或多个集成电路芯片的实施例中，这是有利的。

如上所述，图6A-6C描述将微型冷却结构180连接于电子子系统的一个或多个发热部件的各种实施例。在图6A中，电子模块190包括基板191，该基板上具有多个集成电路芯片192。模块盖193将集成电路芯片封装在模块190中。所述的模块190机械连接于微型冷却结构180，经调节的冷却剂(未示出)经由入口181和出口184流过该结构。模块盖193和微型冷却结构180由适当的材料制成，这种材料需要有利于将热量从集成电路芯片192传递至流过微型结构的经调节的冷却剂。作为一种改进方案，微型冷却结构180可以是作为现场可更换单元的散热单元的一部分。在这种情况下，连接/断开偶联器可用于第二冷却回路中从而将系统冷却剂耦合至新替换的散热单元，同时不需要打开包含流过微型冷却结构180的经调节冷却剂的第三冷却回路。

图6B描述连接于芯片组件的微型冷却结构的替换实施例，在这里指代为接近直接式冷却剂渗入。在该实施例中，冷却结构180’连接于其上具有多个集成电路芯片192的基板191。多层不可渗透的隔板194位于集成电路芯片上方并且保护芯片不与流过微型冷却结构180’的受调节冷却剂接触。受调节的冷却剂经由微型孔眼183流至不可渗透的隔板194上，所述孔眼与经由入口181接收经调节冷却剂的供给歧管182流体连通。经调节的冷却剂经由微型冷却结构180’中的出口184从集成组件中流过。对于该实施例，任何类型的冷却剂都可采用，其一例如水。有利地，液体接近直接地接触集成电路芯片，但是仍然与其隔离。接近直接接触的集成冷却结构和模块组件的实例详细记载在共同转让的美国专利No.US 6,587,345“具有不可渗透隔板的电子装置基板组件和其制造方法”和美国专利申请No.2004/0012914 A1“具有多层不可渗透隔板的电子装置基板组件和其制造方法”，这两个申请的全部内容通过引用的方式结合于此。

图6C描述将微型冷却结构与集成电路组件进行集成的另一附加实施例。该实施例被称为直接冷却剂渗入，这是因为经调节的冷却剂直接冲击设置在基板191上的多个集成电路芯片192。如图所示，微型冷却结构180’还包括微型孔眼183，其从供给歧管182提供经调节的冷却剂，该歧管与连接于各个散热单元的第三冷却回路的入口181流体连通。图6C中的微型冷却结构180’包括出口184，该出口与例如图3的散热单元195的第三冷却回路170流体连通。对于直接冷却剂渗入来说，基板和冷却组件为一个集成单元，在经调节的冷却剂与集成电路芯片之间不设置流体隔板。这一点是可能，需要通过使用选定为不会损坏集成电路芯片的绝缘冷却剂。在初始结合的、共同转让申请“对于采用集成热交换组件的电子模块的冷却装置和方法”中更加详细地讨论了集成微型冷却结构和电路子组件。

图7-15描述根据本发明多个方面的热交换组件的各种实施例，该组件可用作例如以上所述冷却系统中的散热单元的第二流体-流体热交换器。当这样使用时，热交换组件允许热量从第三、受调节的冷却回路中的受调节冷却剂排出到第二、系统冷却剂回路中的系统冷却剂中，以传递到冷却剂分配单元(参见图3)。这一冷却系统的一个结果就是，在分配给电子子系统的第三、经调节冷却回路(即，具有流过微型冷却结构的经调节冷却剂的经调节冷却回路)中流动的冷却剂的温度将高于在各个第二、系统冷却回路中的系统冷却剂。经调节冷却剂与系统冷却剂之间的这一温度差异如这里所述对冷却系统的温度造成影响，并且必须被最小化。为了实现这一目的，理想的是，第二冷却剂-冷却剂热交换尽可能有效地将热量从第三、经调节的冷却回路中的经调节冷却剂传递到第二、系统冷却回路中的系统冷却剂。同样理想的是，热交换组件尽可能地小。

如图7所示，可在如这里所述的冷却系统中采用的一种热交换方案是双侧冷却板700，该冷却板具有分离的冷却通道705、710和散热片720，其在公共中心板730的相对侧上提供传热表面。在该实施例中，第三经调节冷却回路中的经调节冷却剂(即，流过微型冷却机构的冷却剂)通过热交换组件一侧上的冷却剂通道710进行流通，而各个第二、系统冷却回路中的系统冷却剂通过热交换器700的相对侧上的流动通道705进行流通。虽然如图7所示的这种冷却板热交换器能够发挥作用，但是在许多应用中不会带来理想的有效性和可伸缩性。

公开在图8-15中的是增强热交换组件的各种实施例，其尤其宜于用作图3-6C的冷却系统中的第二流体-流体热交换器，虽然该热交换组件并不局限于这种冷却系统应用。

图8描述根据本发明一个方面的模块式热交换组件的一项实施例。该热交换组件整体标注为800，包括多个热交换单元810。在所描述的实施例中，5×5排列的热交换单元810布置在热交换组件800中的公共平面上。应该指出，这里提供的概念并不局限于这种5×5结构。而且，热交换组件的模块化允许热交换组件容易地构成并且改变尺寸以适应任何需要的场合。例如，热交换组件可包括任何采用n×n×1方式阵列布置的热交换单元，或者任何n×m×j方式布置的热交换单元。

作为特定实例，每个热交换单元可包括尺寸为大概25mm×25mm×25mm的立方体热交换单元以作为用于流体-流体热交换组件的基本构造块。每个热交换单元具有第一组冷却剂流动通道，该通道穿过例如热交换单元的第一对平行面表面，以及第二组冷却剂流动通道，该通道穿过热交换单元的第二对平行面表面，该表面的高度或者平面位于限定在热交换单元中的第一组冷却剂流动通道的高度或平面之间(即，成交叉梳状)。在一项实施例中，由此形成的热交换单元是整体的、交叉流动的热交换器，第一和第二冷却流穿过该交换器。

在图3-6C的应用中，第一冷却流可包括例如各个第二、系统冷却回路中的系统冷却剂，而第二冷却流可以是冷却系统的第三、经调节冷却回路中的经调节冷却剂。在一项实施例中，在具有穿过微型冷却结构的经调节冷却剂的第三、经调节冷却回路中的流率低于穿过各个第二、系统冷却回路的系统冷却剂的流率。

当如图8所示组装成热交换组件时，热交换单元的第一组冷却剂流动通道沿着第一公共方向定向，热交换单元的第二组冷却剂流动通道沿着第二公共方向定向。在所示的实施方式中，这些组流动通道相互横过和正交。通过将第一组冷却剂流动通道横向于第二组冷却剂流动通道定向，可获得最优的传热特性。

已经分析比较了图7所示的双侧冷却板热交换设计与图8所示的多单元热交换组件的温度损失。对于所检验的情况，多单元热交换组件导致与设置第二流体-流体热交换器相关的温度损失显著减小(例如，实现温度损失大概一半的减小)，以及穿过热交换器的显著减小的压力降。

图9描述根据本发明的组装热交换组件的一项实施例，其整体标注为800。该热交换组件800包括基部壳体900和盖板905。基部壳体900具有第一冷却剂入口910和第一冷却剂出口915，在所示实施例中，该出口和入口设置在基部壳体900的两个平行面表面上，在一个实施例中可以是共轴的。类似地，基部壳体900包括第二冷却剂入口920和第二冷却剂出口925，它们也设置在基部壳体900的两个不同平行面表面中，如图所示也可以是共轴的。第一冷却剂入口910和第一冷却剂出口915设计为与采用热交换组件的冷却系统的第一冷却回路流体连通(例如，如图3-6C所示穿过冷却系统的各个第二、系统冷却回路)，第二冷却剂入口920和第二冷却剂出口925设计成与连接于热交换组件的第二冷却回路流体连通(诸如图3-6C所示的冷却系统的第三、经调节冷却回路)。

虽然这里参照图3-6C的特定冷却系统进行说明，但是本领域技术人员应该注意，这里所示的热交换组件可用于需要流体-流体热交换器的任何冷却系统。虽然未示出，但是这里所述的热交换组件可与有待冷却的发热部件分离设置，例如利用连接于所述部件的微型冷却结构，或者热交换组件本身可按要求连接于发热部件和冷却结构。

图10示出基部壳体900的另一实例。除了具有上述第一冷却剂入口910、第一冷却剂出口915、第二冷却剂入口920和第二冷却剂出口925，该基部壳体还包括多个从壳体900的内基部表面突出的定位销1000。这些定位销1000位于实际或虚构网格1010的交叉点处，该网格的尺寸和方向适于接收n×n排列的热交换单元。在一项实施方式中，各个定位销1000的横截面可以是十字形的，并提供通道以在组件中定位各个热交换单元。销1000由锡焊料或铜焊料预涂，从而当热交换单元已经位于壳体中时，热交换组件可被加热至回流温度，由此将热交换单元锡焊或铜焊定位，并且提供隔板以将第一入口和出口之间以及第二入口和出口之间的冷却剂流隔开。

图11描述根据本发明一个方面的一个热交换单元810的等轴视图。在该实施例中，单元810是整体结构，由诸如铜的金属制成，其形状为立方体。不过，该单元也易于形成任何矩形形状。在所示的实施例中，第一组流动通道1100设置为多排并且从第一表面延伸穿过热交换单元810到达其平行面表面。类似地，第二组流动通道1110设置为多排并且从热交换单元的另一表面延伸到达其平行面表面。如图所示，第一对表面和第二对表面相互正交，第一组冷却剂流动通道和第二组冷却剂流动通道相互横向和正交。而且，如图所示的第一组冷却剂流动通道的流动通道排与第二组冷却剂流动通道的流动通道排形成交叉平面并构成整体结构。

图12A-12C示出单独热交换单元810，该单元位于从壳体900的基部延伸出来的定位/隔离销1000之间的位置。定位销位于基部壳体中的单元的每个角落，当组装完成时热交换单元将占据该基部壳体。如所述，每个定位销的横截面是十字形的并且预涂焊料以加热后沿着热交换单元的每个垂直和水平边缘形成锡焊或铜焊连接，由此在邻近热交换单元的邻近相对面表面之间形成中间冷却剂夹层，以及隔板，从而防止第一和第二冷却剂流穿过热交换组件相互混合。

图13示出根据本发明一个方面的热交换组件的局部分解透视图。如图所示，该组件包括基部壳体900，5×5排列的热交换单元810，和盖板905。本领域技术人员还应注意，热交换组件易于配置以容纳以上述方式组装的任何n×m×j阵列的热交换单元。所示的5×5×1的排列只是用于举例的目的。

图14A和14B描述根据本发明一个方面的热交换单元的替换实施例，该单元总体标注为1400。在该实施例中，每个单元设置有键1410和对应的键槽1420，它们位于四个表面的每个上，第一组冷却剂流动通道和第二组冷却剂流动通道延伸穿过其中。每个垂直定向的键1410的尺寸可置入邻近热交换单元的垂直定向的键槽1420中，邻近热交换单元的每个垂直定向键的尺寸适于位于第一热交换单元的垂直定向键槽中，如图15所示。每个热交换单元还包括基座1430，其尺寸可将该单元定位于阵列在壳体基部1500上的对应凸纹结构1510中(参见图15)。垂直延伸的键部分和键槽的每个都是预涂焊料的，并作为热交换单元的地面处的基座，以及如图9和13所示的盖905中的顶座(未示出)。在热交换组件组装之后，热交换组件被加热以回流焊料并且将各单元密封定位在组件中。

图15示出两个邻近的热交换单元1400，它们位于基部壳体1500由凸纹结构1510限定的对应区段中。键部分和键槽允许各单元以互锁的方式进行组装，互锁之后，整个组件被加热以回流焊料并且形成热交换芯部，同时实现第一和第二冷却流的隔离。

本领域技术人员应该通过上述说明注意到，如这里所述的经组装和密封的模块热交换单元在邻近单元的相对面表面之间会形成薄的冷却剂夹层。通过这样制造热交换芯部，则不需要一个单元的第一组冷却剂流动通道完全与热交换芯部中的各邻近单元的第一组冷却剂流动单元对齐，类似地，也不需要一个单元的第二组冷却剂流动通道完全与热交换芯部中的各邻近单元的第二组冷却剂流动单元对齐。这尤其是重要的，在一组或两组冷却剂流动通道的流动通道的特性直径范围为200微米或更小的情况下。在图8-15所示的实施例中，第一组冷却剂流动通道可包括大型冷却剂流动通道(例如，范围为1-5毫米)，而第二组冷却剂流动通道的流动通道的特性直径处于微型范围(即，每个小于200微米)。这些流动通道可通过EDM从相对平行面表面钻穿块结构而形成在整体块结构中。

通过其他实例，图16示出组装后的热交换组件的横截面剖视图，该组件包括基部壳体900，该壳体中定位有5×5排列的热交换单元810。基部壳体900还包括第一冷却剂入口910、第一冷却剂出口915、第二冷却剂入口920和第二冷却剂出口925。各定位销定位热交换单元810，并且限定第一冷却剂入口夹层1610、第一冷却剂出口夹层1615，和邻近热交换单元的邻近相对面表面之间的第一冷却剂中间夹层1612，该夹层通过单元810中的第一组冷却剂流动通道从第一冷却剂入口910到第一冷却剂出口915横穿组件。类似地，限定有第二冷却剂入口夹层1620、第二冷却剂出口夹层1625和第二冷却剂中间夹层1622。这些夹层经由穿过热交换单元810的第二组冷却剂流体通道进行流体连通。

虽然这里已经详细说明了优选实施例，但是本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种改进、添加和替换，因此这些都可被视为处于如随后的权利要求限定的发明范围中。

Claims

1.一种用于包括第一冷却回路和第二冷却回路的冷却系统的热交换组件，该热交换组件包括：

壳体，该壳体包括第一冷却剂入口、第一冷却剂出口、第二冷却剂入口和第二冷却剂出口，所述第一冷却剂入口和所述第一冷却剂出口设计成与所述第一冷却回路流体连通，所述第二冷却剂入口和所述第二冷却剂出口设计成与所述第二冷却回路流体连通；以及

设置在所述壳体中的多个热交换单元，每个热交换单元包括具有第一组冷却剂流动通道和第二组冷却剂流动通道的结构，限定在所述结构中的第一组冷却剂流动通道与所述结构的第一对平行面表面相交，限定在所述结构中的第二组冷却剂流动通道与所述结构的第二对平行面表面相交，其中，所述第二组冷却剂流动通道以横向于所述第一组冷却剂流动通道的方向延伸，并且其中，所述热交换单元设置在所述壳体中，并且其第一组冷却剂流动通道与所述壳体的第一冷却剂入口和第一冷却剂出口沿第一公共方向流体连通，其第二组冷却剂流动通道与所述壳体的第二冷却剂入口和第二冷却剂出口沿第二公共方向流体连通。

2.根据权利要求1所述的热交换组件，其特征在于，所述多个热交换单元的每个包括整体结构，并且其中对于每个热交换单元来说，所述第一组冷却剂流动通道的流动通道具有第一最小直径，所述第二组冷却剂流动通道的流动通道具有第二最小直径，其中，所述第一最小直径大于所述第二最小直径。

3.根据权利要求2所述的热交换组件，其特征在于，每个热交换单元是立方体整体结构或矩形整体结构之一，并且其中，所述多个热交换单元固定地设置在所述壳体中，邻近热交换单元的相对面表面相互间隔从而限定至少一个中间冷却剂夹层，并且其中每个中间冷却剂夹层与所述第一组冷却剂流动通道或所述第二组冷却剂流动通道流体连通。

4.根据权利要求3所述的热交换组件，其特征在于，所述壳体还包括从其内部基表面凸起的定位销，并且其中所述定位销具有间距且其大小能够将多个热交换单元容纳其间，至少一个定位销邻近至少两个热交换单元的至少一个角部，其中封住流体的密封位于每个定位销与其邻近的热交换单元之间。

5.根据权利要求1所述的热交换组件，其特征在于，每个热交换单元的至少一个表面上设置有键和键槽的至少一种，一个热交换单元的至少一个键和键槽的尺寸、位置和形状能够与邻近热交换单元的至少一个表面上的至少一个对应键槽和键相配合，其中每个键和对应的键槽对将所述热交换单元以固定的阵列保持在所述壳体中。

6.根据权利要求5所述的热交换组件，其特征在于，所述壳体的内基部表面还包括用于容纳和定位所述多个热交换单元的凸纹结构，并且其中每个热交换单元包括基座，其尺寸能够将所述热交换单元设定成相对于所述壳体中的凸纹结构部分固定的位置。

7.根据权利要求1所述的热交换组件，其特征在于，对于每个热交换单元，所述第一组冷却剂流动通道以多个第一排多个冷却剂流动通道形式设置在所述结构中，其中，所述第二组冷却剂流动通道以多个第二排多个冷却剂流动通道形式设置在所述结构中。

8.根据权利要求7所述的热交换组件，其特征在于，对于每个热交换单元，所述第一组冷却剂流动通道的多个第一排和所述第二组冷却剂流动通道的多个第二排在所述结构中相互交叉，并且其中所述第二组冷却剂流动通道的多个第二排流动通道的至少一些排包含的流动通道多于所述第一组冷却剂流动通道的每个第一排流动通道中的流动通道的数量，并且其中所述第一组冷却剂流动通道的流动通道具有第一最小直径，所述第二组冷却剂流动通道的流动通道具有第二最小直径，其中所述第一最小直径大于所述第二最小直径。

9.一种受冷却的电子系统，包括：

至少一个电子机柜，其包括多个电子子系统；和

冷却系统，该系统用于所述至少一个电子机柜的多个电子子系统的至少一个电子子系统，所述冷却系统包括经由热交换组件连接的第一冷却回路和第二冷却回路，所述热交换组件包括：

10.根据权利要求9所述的受冷却电子系统，其特征在于，所述多个热交换单元的每个包括整体结构，并且其中对于每个热交换单元来说，所述第一组冷却剂流动通道的流动通道具有第一最小直径，所述第二组冷却剂流动通道的流动通道具有第二最小直径，其中，所述第一最小直径大于所述第二最小直径。

11.根据权利要求10所述的受冷却电子系统，其特征在于，每个热交换单元是立方体整体结构或矩形整体结构之一，并且其中，所述多个热交换单元以固定关系设置在所述壳体中，邻近热交换单元的相对面表面相互间隔从而限定至少一个中间冷却剂夹层，并且其中每个中间冷却剂夹层与所述第一组冷却剂流动通道或所述第二组冷却剂流动通道流体连通。

12.根据权利要求11所述的受冷却电子系统，其特征在于，所述壳体还包括从其内部基表面凸起的定位销，并且其中所述定位销具有间距且其大小能够将多个热交换单元容纳其间，至少一个定位销邻近至少两个热交换单元的至少一个角部，其中封住流体的密封位于每个定位销与其邻近的热交换单元之间。

13.根据权利要求9所述的受冷却电子系统，其特征在于，每个热交换单元的至少一个表面上设置有键和键槽的至少一种，一个热交换单元的至少一个键和键槽的尺寸、位置和形状能够与邻近热交换单元的至少一个表面上的至少一个对应键槽和键相配合，其中每个键和对应的键槽对将所述热交换单元以固定的阵列保持在所述壳体中。

14.根据权利要求13所述的受冷却电子系统，其特征在于，所述壳体的内基部表面还包括用于容纳和定位所述多个热交换单元的凸纹结构，并且其中每个热交换单元包括基座，其尺寸能够将所述热交换单元设定成相对于所述壳体中的凸纹结构部分固定的位置。

15.根据权利要求9所述的受冷却电子系统，其特征在于，对于每个热交换单元，所述第一组冷却剂流动通道以多个第一排多个冷却剂流动通道形式设置在所述结构中，并且其中，所述第二组冷却剂流动通道以多个第二排多个冷却剂流动通道形式设置在所述结构中。

16.根据权利要求15所述的受冷却电子系统，其特征在于，对于每个热交换单元，所述第一组冷却剂流动通道的多个第一排和所述第二组冷却剂流动通道的多个第二排在所述结构中相互交叉，并且其中所述第二组冷却剂流动通道的多个第二排流动通道的至少一些排包含的流动通道数量多于所述第一组冷却剂流动通道的每个第一排流动通道中的流动通道的数量，并且其中所述第一组冷却剂流动通道的流动通道具有第一最小直径，所述第二组冷却剂流动通道的流动通道具有第二最小直径，其中所述第一最小直径大于所述第二最小直径。

17.一种制造用于冷却系统的热交换组件的方法，该系统包括第一冷却回路和第二冷却回路，所述方法包括：

设置壳体，该壳体包括第一冷却剂入口、第一冷却剂出口、第二冷却剂入口和第二冷却剂出口，所述第一冷却剂入口和所述第一冷却剂出口设计成与所述第一冷却回路流体连通，所述第二冷却剂入口和所述第二冷却剂出口设计成与所述第二冷却回路流体连通；以及

将多个热交换单元设置在所述壳体中，每个热交换单元包括具有第一组冷却剂流动通道和第二组冷却剂流动通道的结构，限定在所述结构中的第一组冷却剂流动通道与所述结构的第一对平行面表面相交，限定在所述结构中的第二组冷却剂流动通道与所述结构的第二对平行面表面相交，其中，所述第二组冷却剂流动通道以横向于所述第一组冷却剂流动通道的方向延伸，并且其中，所述热交换单元设置在所述壳体中，并且其第一组冷却剂流动通道在所述壳体的第一冷却剂入口和第一冷却剂出口之间沿第一公共方向流体连通，其第二组冷却剂流动通道在所述壳体的第二冷却剂入口和第二冷却剂出口之间沿第二公共方向流体连通。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述每个热交换单元包括整体结构，其中所述第一组冷却剂流动通道的流动通道具有第一最小直径，所述第二组冷却剂流动通道的流动通道具有第二最小直径，其中，所述第一最小直径大于所述第二最小直径。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，每个热交换单元的结构是立方体整体结构或矩形整体结构之一，并且其中，所进行的设置还包括将所述多个热交换单元以固定关系设置在所述壳体中，邻近热交换单元的相对面表面相互间隔从而限定至少一个中间冷却剂夹层，其中每个中间冷却剂夹层与所述第一组冷却剂流动通道或所述第二组冷却剂流动通道流体连通，并且其中，所述方法还包括环绕每个中间冷却剂夹层形成防水的密封。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，形成所述防水密封包括将所述壳体或者所述多个热交换单元的至少一部分预涂焊料，并且加热所述热交换组件从而回流所预涂的焊料并且环绕每个中间冷却剂夹层形成防水密封，所述夹层限定于所述壳体中间隔的邻近热交换单元的相对面表面之间。