CN101053290A - 沉浸式冷却设备 - Google Patents

Abstract

一种用于冷却散热元件的器件，包括具有至少一个侧壁(14)、封闭容积(28)、扩展容积(29)的主体(10)，设置在该封闭容积(28)内的一定量的传热流体(16)，以及用于将该传热流体从该封闭容积释放到该扩展容积中的装置(433、533)。当释放到该扩展容积中时，该传热流体能够接触该散热元件。

Description

沉浸式冷却设备

技术领域

电子系统变得更加紧凑，因此仍然希望增加离开散热元件的传热速率。空气或水冷却的散热器可以固定于散热元件，以有助于冷却散热元件。通常，热界面材料用在散热器和散热元件之间。热界面材料的热阻能够显著地影响该散热元件和环境之间的整个热阻。

背景技术

散热元件直接浸没在传热流体中的沉浸式没冷却在冷却散热元件中具有很多优点。例如，沉浸式冷却使热界面材料被取消。

虽然流体浸没传热技术已经用于较大规模电子系统，但是在小型电子器件，例如个人计算机中的流体浸没传热技术的使用受到限制。沉浸式冷却系统通常需要综合的硬件和复杂的密封以及排气操作的组合。因此仍然需要提供在制造过程中或由终端用户容易安装的不昂贵的沉浸式冷却元件。

发明内容

本发明一般地涉及用于冷却电子元件的装置，更具体地说，涉及将电子元件浸没在冷却流体中的装置。一方面，本发明提供用于浸没散热元件的不昂贵的装置。该装置容易在制造过程中或容易由终端用户安装。

一方面，本发明提供一种用于冷却散热元件的器件，其包括具有至少一个侧壁和可破裂的密封件的主体，该侧壁和可破裂的密封件合作以形成封闭的容积。该可破裂的密封件具有贴紧该封闭容积的内表面和外表面。一定量的传热流体设置在该封闭容积内。在一些实施例中，该器件包括用于击破该密封件的装置，使得传热流体能够接触该散热元件。

在一些实施例中，该传热流体包括至少下面其中一种流体：全氟化碳、氢氟烃、氢氟醚和全氟化酮。在某些实施例中，该可破裂的密封件包括下述至少一种薄膜：聚合物薄膜、金属箔和多层阻挡层薄膜。该可破裂的密封件。该可破裂的密封件可以具有小于侧壁的爆破强度。在一些实施例中，该侧壁包括下述至少一种薄膜：聚合物薄膜、金属箔和多层阻挡层薄膜。

在一些实施例中，包括撞击表面的穿刺件用于击破该可破裂的密封件。该撞击表面可以位于该封闭容积内。在一些实施例中，该撞击表面位于靠近该可破裂密封件的外表面。

在一些实施例中，该可破裂密封件固定于侧壁。在另一些实施例中该可破裂的密封件是可除去的。

在一些实施例中，反应金属设置在该封闭容积内以清除氧气。在一些实施例中吸收剂设置在该封闭容积内。

连接界面或其他连接装置可以用于将主体固定于基底上或散热装置上。一些实施例还包括沸腾强化物和热界面材料。

在一些实施例中，该装置用作热虹吸管，作为较大的冷却系统的一部分，或作为计算机中的元件。

本发明还提供一种用于冷却散热元件的器件(article)，其包括具有至少一个侧壁、封闭的容积、扩展的容积的主体，设置在该封闭容积中的一定量的传热流体，以及用于从该封闭的容积向该扩展的容积释放该传热流体的装置。当该传热流体放到该扩展的容积中时，能够接触该散热装置。

本发明还提供一种用于安装用于冷却该散热元件的器件的方法。该方法包括将主体固定于支撑该散热元件的基底。该主体包括至少一个侧壁、和与该侧壁合作以形成封闭的容积的可破裂的密封件，以及设置在该封闭容积内的一定量的传热流体。固定该主体之后，该密封件被击破，以使该传热流体能够接触该散热元件。

术语“可破裂的密封件”是指能够破裂、断裂、撕裂或通过应用手动力可除去而不损坏附近元件的材料。该手动力可以施加于例如穿刺件或拉片，以破裂、断裂、撕裂或除去该密封件。

附图说明

图1是设置在基底上的本发明示范性实施例的透视图；

图2是图1所示示范性实施例放置在基底上并击破密封件之前沿A-A剖面线的剖视图；

图3是图1所示示范性实施例放置在基底上并击破该密封件之后沿A-A剖面线的剖视图；

图4是在间隔件内具有穿刺件的本发明示范性实施例的剖视图；

图5是在封闭容积内具有穿刺件的本发明示范性实施例的剖视图；

图6A是在封闭容积内具有系绳和连接沸腾强化物的弹簧件的本发明示范性实施例的剖视图；

图6B是连接于基底并击破密封件之后的图6A所示的示范性实施例的剖视图；

图7A是具有柔性侧壁的本发明示范性实施例的剖视图；

图7B是连接于基底并击破密封件之后的图7A所示的示范性实施例的剖视图。

这些理想化的图未按比例绘制，并且仅仅旨在说明本发明，而不是限制本发明。

具体实施方式

图1示出设置在基底上的本发明示范性实施例的透视图。如图1所示，主体10固定于基底12。该主体10具有容纳传热流体的内部容积，该传热流体与固定在基底12上的散热元件(未示出)接触。在一些实施例中，该主体10直接固定于传热元件。

在一些实施例中流体导管13可以连接于主体10，使得该主体10内的传热流体与其他冷却元件，例如冷凝器或热交换器，流体连通。该导管13可以是圆筒形的，如图1所示。可选地，该导管可以是本领域技术人员熟知的任何形状或结构，例如包括，正方形、长方形或卵形。

在另一些实施例中，主体10内的传热流体不与外部冷却元件流体连接。在这些实施例中，通过具有起蒸发器作用的第一区和起冷凝器作用的第二区，该主体10可以用作热虹吸管。在这样的实施例中，该主体10可以具有可扩展的侧壁，使得该主体内的压力在工作期间保持基本恒定。

图2是图1所示示范性实施例放置在基底上并击破密封件之前沿A-A剖面线的剖视图。如图2所示，该主体10具有侧壁14和可破裂的密封件18。该侧壁14和可破裂密封件18一起形成封闭的容积28和扩展的容积29。一定量的传热流体16设置在该封闭容积28内。

图2还示出连接界面20。该连接界面20可以用来将该主体10固定于基底。该连接界面20还可以用来形成该主体10和基底之间的密封以防止流体渗漏。该连接界面20可以是粘结胶带、密封剂、粘结胶、弹性垫圈、O形环或本领域技术人员所熟知的任何其他材料，以形成用于保持流体的有效密封。

可选地，该主体10可以直接固定于基底或散热装置而没有连接界面20。例如，焊接或用机械夹紧装置能够将主体10直接固定于基底。在一些实施例中，机械紧固件用于将主体10固定于基底。

图3是图1所示示范性实施例放置在基底上并击破密封件之后沿A-A剖面线的剖视图。如图3所示，传热流体16容纳在封闭容积28和扩展容积内。该传热流体16接触固定于散热元件26的沸腾强化物22。热界面材料24设置在该沸腾强化物22和散热元件26之间。在可选实施例中，不存在沸腾强化物22和热界面材料24。

该侧壁14可以是刚性材料、柔性材料或刚性与柔性材料的结合。合适用作侧壁的材料包括，例如，金属、玻璃、陶瓷、塑料、聚合物薄膜以及多层阻挡层薄膜，诸如通常用在食品包装的，特别是用聚先胺或聚酰亚胺做衬里的包装的多层阻挡层薄膜。

术语多层阻挡层薄膜是指金属、塑料或纤维素层(例如，箔、薄膜和纸)的组合。金属、塑料或纤维素层的组合可以包括多层不同材料，例如与塑料层组合的金属。金属、塑料或纤维素层的组合还可以包括多层相同的材料，例如两层塑料。

在本发明中所用的多层阻挡层薄膜包括具有例如通过涂覆、层压、共挤压或淀积相互固定的各层的多层薄膜，。在本发明中所用的多层阻挡层薄膜可以包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酯、尼龙、聚乙烯-乙酸乙烯酯、聚偏二氯乙烯、聚酰胺、或聚亚酰胺。在一些实施例中，使用具有一层金属，例如铝的多层阻挡层混合结构。用于本发明侧壁的多层阻挡层薄膜和其他薄膜公开在美国专利4,997,032号(Danielson等人)和5,411,077号(Tousignant)中，其内容结合于此共参考。

在一些实施例中，侧壁用冲压金属、机加工的金属和塑料其中之一制造，该塑料例如是，聚碳酸酯、尼龙、丙烯酸、丙稀腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”)、酚醛树脂、聚烯烃、聚氨酯、聚苯硫醚以及诸如聚醚醚酮(“PEEK”)的聚芳醚酮。

在一些实施例中，所选的侧壁是介电的以保护邻近的电子仪器。在一些实施例中，该侧壁至少部分地根据整个材料的热梯度选择。在一些实施例中，该侧壁至少部分地根据材料的透气性选择。在一些实施例中，至少该侧壁的一部分是基本透明的，使得能够可视地检查该封闭的容积。基本透明的侧壁也能够用来增强该主体的可视外观。在一些实施例中，侧壁材料是阻燃材料。

在一些实施例中，该侧壁是柔性的，使得当来自散热元件的热通量变化时该主体的内部压力能够保持基本不变。在另一些实施例中，该侧壁是刚性的，并且在散热装置的整个工作温度范围该内部压力可以保持基本不变。在再一些实施例中，侧壁是刚性的，并且当来自散热元件的热通量变化时，由于将固定件经由导管13连接于该主体10，该主体的内部压力能够保持基本不变。

可以用于可破裂密封件的能够穿刺、破裂、撕裂或容易除去的材料包括，例如，聚合物薄膜、金属箔和多层阻挡层薄膜。在一些实施例中，该可破裂的密封件用具有低透气性的材料制造。在一些实施例中，用于可破裂密封件的材料的爆破强度小于用作侧壁材料的爆破强度。

在一些实施例中，该主体包果在密封的多层阻挡层薄膜中。该多层阻挡层薄膜使该主体能够包裹在具有最少量不希望的气体的环境中。在一些实施例中，在将主体密封在包裹中之前该多层阻挡层薄膜充以惰性气体或基本上抽成真空。通过将该主体密封在基本惰性环境中。可以使用具有稿透气性的可破裂密封件，不使相当大量不希望的气体进入该主体的封闭容积。在这样的实施例中，该可破裂密封件可以用容易击破的薄聚合物薄膜制造。

0在本发明中所用的传热流体可以是能够传热的任何流体，包括水、空气、诸如酒精的易挥发流体以及本领域技术人员熟知的电子冷却流体。在一些实施例中，传热流体是介电的、阻燃的，并且在散热元件的工作温度下具有明显的蒸气压力。

在一些实施例中，该传热流体是导热的、化学惰性的、基本无气体的并且热稳定的。在其另一些施例中，该传热流体的沸点是或低于该传热流体的工作温度，使得该靠近该散热元件附近的部分流体在传热时被蒸发。该传热流体可以选自下面的代表性类型：氟化的直链、支链或环状的烷烃、醚、酮、叔胺和氨基醚及其混合物。虽然也可以使用部分氟化的流体，但是在一些实施例中，本发明使用全氟化的流体。全氟化的流体可以是直链的、支链的、环状的，或其组合。在一些实施例中，全氟化的流体可以饱和的，也就是没有乙烯的、乙炔的和方向族的不饱和。骨架链可以包括在碳氟化合物族之间具有稳定键的链状氧和/或三价氮杂环原子，并且不干扰该化合物的惰性。在一些实施例中，使用离析的或不离析的氢氟乙烯。在另一些实施例中使用全氟化的酮。

用于本发明的合适的氟化流体或其混合物的代表性例子可以从明尼苏达州圣保罗市的3M公司得到，并且以各种商品名销售，包括例如：2003年1月发布公开在第98-0212-2249-7号3M公司产品公告上的“3MBRAND FLUORINERT ELECTRONIC LIQUIDS”和“3M BRANDNOVEC ENGINEERED FLUIDS”。用于本发明其他可地到的含氟化合物是从自意大利的Bolatte市的Solvay Solexis S.p.A可得到的，商品名为“GALDEN PFPE：HEAT TRANSFER FLUIDS”和商品名为“H-GLADEN ZT HEAT TRANSFER FLUID”的其他氢氟醚。用于本发明的传热流体包括氢氟烃化合物，例如从特拉华州Wilmington市的DuPont公司以商品名“VERTREL SPECIALTY FLUIDS”和“SUVAREFEIGERANTS”销售的氢氟烃化合物。

合适的沸腾强化物的说明性的例子包括，例如，碳泡沫材料、散热器，例如能增大沸腾表面面积、由传热金属或合成材料制成的平板、针鳍阵列、槽阵列和其他三维结构。这些增强还可以通过利用微孔涂层、调制的微型折叠结构、或毛细结构进一步增强，这些结构通过促进成核作用或阻碍导致表面变干的流体动力机制增强沸腾传热。在另一个实施例中，沸腾强化物是施加在散热元件26上的涂层并且不存在热界面材料24。

该热界面材料24可以是低温焊料或本领域熟知的任何常规的热化合物。在一些实施例中，该热界面材料是低熔点共晶合金，例如在热界面材料的工作温度下保持液态的铟基共晶合金。从性能的观点这种材料是希望的，但是当在其熔化状态暴露在空气中时遭受氧化作用。由于本发明形成的封闭环境能够用于控制热界面材料暴露于氧气中的程度，因此氧化作用减小到最小。

散热元件26可以是半导体，例如，中央或图形处理单元、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、存储器模块或专用集成电路(ASIC)。在其他实施例中，该散热元件26可以是硬盘驱动器、电源、变压器、激光二极管阵列、发光二极管这列(LED)、卤素灯或本领技术人员熟知的任何其他散热元件。该散热元件还可以是不发热结构，例，如连接于诸如半导体的发热装置的集成式散热器(HIS)。

图4是在任选间隔件417内具有穿刺件430的本发明示范性实施例的剖视图。该间隔件417与侧壁414一体地形成，或能够固定于侧壁414。在一些实施例中，该间隔件417用不同于侧壁414的材料制造。例如，该间隔件414可以用比较刚性的材料制造，以便于更好地密封在主体410和基质之间。而且，侧壁414可以用比较柔软的材料制造，以便于该封闭容积内的压力波动或便于该密封件418的穿刺。

如图4所示，该穿刺件430具有撞击表面432。在一些实施例中，该撞击表面432形成尖点。该穿刺件430可以设置成以便远端延伸超过该间隔件417的下表面419。当主体410放置在基底上时，远端433接触该基底，因此使该穿刺件430相对于密封件418移动，使得撞击表面432接触并穿刺该密封件418，使封闭容积428和扩展容积429连接。

在一些实施例中，该远端433延伸超过连接界面420，因此在连接主体时该远端433是接触该基底的第一元件。在这样的实施例中，连接时主体410可以颠倒以防止传热流体416进入该扩展容积429并潜在地泄漏。

在另一些实施例中，该远端设置在大致与该连接界面420齐平或低于该连接界面。在这样的实施例中，该连接界面420或间隔件417可以用可压缩材料制造。通过在主体上施加力，或者该连接界面420，或者该间隔件417的压缩将使得穿刺件430相对于该密封件418移动，因此该撞击表面432接触并穿刺该密封件418，使得该封闭容积428连接于该扩展容积429。

图5是在封闭容积528内具有穿刺件530的本发明示范性实施例的剖视图。该穿刺件530具有撞击表面532和远端533。通过对远端533施加力，该撞击表面532将接触并穿刺该密封件518，使得该封闭的容积528连接于该扩展的容积529。在侧壁514上的穿刺件密封件531防止传热流体516通过该侧壁514溢出。在另一个实施例中，该穿刺件的远端固定在该侧壁的内表面，并且不延伸通过或超过该侧壁。侧壁上的力使得侧壁弯曲，因此朝着该可破裂的密封件518移动该穿刺件并击破该密封件。

图6A是具有连接沸腾强化物的弹簧件和在封闭容积内的系绳的本发明示范性实施例的剖视图。图6B是连接于基底并击破密封件之后的图6A所示的示范性实施例的剖视图。如图6A和6B所示，系绳640可以用于使密封件618被击破。该系绳640的第一端被固定于该可破裂的密封件618，并且该系绳的第二端可以固定于该侧壁614。如图6B所示，该主体可以临时或永久变形，使系绳640击破该密封件618。可选地，该系绳640可以延伸通过该侧壁使得它能够用手动拉到该主体610的外面。

可以采用本领域的技术人员已知的用于击破内部密封件的其他技术。例如，在另一些实施例中，该可破裂的密封件延伸通过侧壁并且能够被击破或用手抓住并拉动从主体外面连接于该密封件的接片而拆下。在又一些实施例中，该可破裂密封件的爆破强度足够低，使得施加于主体上的压力引起该封闭容积上的压力增大，并破裂该可破裂的密封件。

图6A和6B还示出一个实施例，其使用固定夹642以将沸腾增强固材料622定于主体610。热界面材料624可以固定于该沸腾强化物622。使用固定夹以便于在固定于基底612的散热装置626上放置沸腾强化物。在一些实施例中，该固定夹用有弹性但是柔软的材料制造，使得沸腾强化物622和热界面材料624能够相对于主体610移动。该固定夹可以用金属、塑料或其他材料制造，用于连接本领域技术人员熟知的元件。

主体10还可以包含少量的易反应的金属652，例如活性镍，旨在清除在制造时可能存在于主体10内的氧气，或者在安装该装置时可能进入主体内的氧气。主体10可以包含少量的吸收剂650，例如活性碳或其他合适的物质，以清除少量的易挥发物质，例如低分子量聚合物、UV稳定剂或增塑剂，这些物质是随着时间流逝从与流体接触的物质中提取的或在沸腾表面的崩解作用(disrupting performance)下沉积。

图7A是具有柔性侧壁的本发明示范性实施例的剖视图。如图7A所示，该主体710可以具有用凸缘744固定于间隔件717的柔软的侧壁714。在一些实施例中，该容性柔性侧壁714包括至少两个在其边缘相互粘接以形成密封件715的基本平面的材料片。在这样的实施例中，侧壁714可以包括能够相互热连接的可热密封薄膜。在又一些实施例中，该可热密封薄膜可以热粘接于该凸缘744。在其他实施例中，该侧壁714用本领域技术人员已知的任何方式固定于间隔件717，包括例如，粘结、机械固定。

连接界面720用于将主体710连接于基底或散热元件。该封闭容积728和扩展容积729通过击破该可破裂的密封件718而连接，并且使传热流体716流进该扩展容积729中。该可破裂的密封件718可以用上面所述的任何方法击破。在一些具有诸如主体710的柔性侧壁的实施例中，该可破裂的密封件718通过增大在封闭容积728上的压力而破裂。该压力可以通过用手挤压该主体710的柔性侧壁714增大。

图7B是连接于基底并击破密封件之后的图7A所示的示范性实施例的剖视图。如图7B所示，该主体710用连接界面720固定于基底712。诸如中央处理器的散热元件26，被固定在基底712上。诸如微孔涂层的沸腾强化物722施加于散热元件726。在可破裂的密封件718拆下或破裂之后，传热流体716能够进入该扩展容积729并且接触该沸腾强化物722。

应当理解，虽然与本发明的结构细节和功能一起在上面的描述和例子中提出了本发明的许多特征和优点，但是该公开的内容只是说明性的。对于从细节，特别是可破裂的密封件和侧壁的形状、尺寸和结构，以及在本发明的原理内所用的方法，到用权利要求中所用的术语表示的全部内容，以及这些结构和方法的等同物，都是可以变化的。

Claims (35)

1.一种用于冷却散热元件的器件，包括：

包括至少一个侧壁和可破裂的密封件的主体，该侧壁和该可破裂的密封件合作以形成封闭的容积，所述可破裂的密封件具有内表面和外表面，内表面贴紧所述封闭容积；以及

设置在该封闭容积内的一定量的传热流体。

2.如权利要求1所述的器件，其中所述传热流体包括下面至少其中一种流体：全氟化碳、氢氟烃、氢氟醚和全氟化酮。

3.如权利要求1所述的器件，其中所述可破裂的密封件包括下面至少其中一种薄膜：聚合物薄膜、金属箔和多层阻挡薄膜。

4.如权利要求3所述的器件，其中所述可破裂的密封件的爆破强度小于所述侧壁的爆破强度。

5.如权利要求1所述的器件，其中所述侧壁包括以下至少一种：聚合物薄膜、金属箔和多层阻挡薄膜。

6.如权利要求5所述的器件，其中所述侧壁的至少一部分是基本透明的。

7.如权利要求1所述的器件还包括至少一个穿刺件，该穿刺件包括撞击表面。

8.如权利要求7所述的器件，其中所述撞击表面设置在所述封闭容积内。

9.如权利要求7所述的器件，其中所述撞击表面设置在接近所述可破裂的密封件的所述外表面处。

10.如权利要求1所述的器件，其中所述可破裂的密封件固定于所述侧壁。

11.如权利要求1所述的器件，其中所述可破裂的密封件是可除去的。

12.如权利要求1所述的器件，还包括至少一根系绳，其一端固定于所述密封件。

13.如权利要求1所述的器件，还包括用于击破所述密封件的装置。

14.如权利要求1所述的器件，还包括设置在所述封闭容积中的活性金属。

15.如权利要求1所述的器件，还包括设置在所述封闭容积中的吸收材料。

16.如权利要求1所述的器件，还包括将所述主体固定于基底或散热元件的连接界面。

17.如权利要求1所述的器件，还包括将所述主体固定于基底或散热元件的连接装置。

18.如权利要求1所述的器件，还包括沸腾强化物，其包括碳泡沫材料和微孔涂层的至少其中之一。

19.如权利要求18所述的器件，还包括固定于所述沸腾强化物的至少一部分的热界面材料。

20.如权利要求19所述的器件，其中所述热界面材料包括共晶合金。

21.如权利要求1所述的器件，还包括由固定夹固定于所述主体的沸腾强化物。

22.一种热虹吸管，包括根据权利要求1的器件。

23.一种冷却系统，包括根据权利要求1的器件。

24.一种计算机，包括根据权利要求1的器件。

25.一种用于冷却散热元件的器件，包括：具有至少一个侧壁、封闭容积、扩展容积的主体；设置在所述封闭容积内的一定量的传热流体；以及用于将所述传热流体从所述封闭容积释放到所述扩展容积的装置。

26.如权利要求25所述的器件，其中所述传热流体包括下面至少其中一种流体：全氟化碳、氢氟烃、氢氟醚和全氟化酮。

27.如权利要求25所述的器件，其中所述侧壁包括下面至少其中一种薄膜：聚合物薄膜、金属箔和多层阻挡薄膜。

28.一种冷却系统，包括根据权利要求25的装置。

29.一种计算机，包括根据权利要求25的装置。

30.一种安装用于冷却散热元件的器件的方法，包括：

将主体固定于支撑该散热元件的基底，所述主体包括至少一个侧壁和与该侧壁合作以形成封闭容积的可破裂的密封件，以及设置在所述封闭容积中的一定量的传热流体；以及

击破所述密封件，以使所述传热流体接触所述散热元件。

31.如权利要求30所述的方法，还包括将沸腾强化物固定于所述散热元件。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述沸腾强化物用包含共晶合金的热界面材料固定于所述散热元件。

33.如权利要求31所述的方法，其中所述沸腾强化物焊接于所述散热元件的至少一部分。

34.如权利要求30所述的方法，其中所述散热元件包括集成电路。

35.如权利要求30所述的方法，还包括将冷凝器设置成与所述主体流体连通。

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