CN101179920A - 冷却发热设备的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气/流体冷却系统。在一个实施例中，用于从发热设备消散热量的装置包括基座、耦合到基座的基于空气的冷却路径，以及耦合到基座的基于流体的冷却路径，其中该基座具有热耦合到发热设备的第一侧，该基于空气的冷却路径用于通过空气散除至少部分热量，以及该基于流体的冷却路径用于通过流体散除至少部分热量。基于空气的冷却路径和基于流体的冷却路径可以同时或单独操作，以散除发热设备的热量，并且允许进入冷却系统以用于例如维护、维修和升级。

Description

冷却发热设备的装置和方法
技术领域
本发明总体涉及一种微处理器和集成电路，更具体地是涉及冷却集成电路(IC)芯片。
背景技术
近年来，已经看出朝向大功率微处理器芯片的发展。这种发展又促进了对用于散除芯片热量的高性能冷却系统(例如，散热器)的关注，这是因为更高功率的芯片在运行中将产生更多的热量。如果这些热量没有完全消散，芯片就很可能出现故障。
用于散除微处理器芯片的热量的两种普通系统利用空气或者流体作为传热装置，来除去芯片的热量。虽然两种系统都运作良好，但是它们却都存在若干缺陷。例如，空冷系统体积较大并且噪声大，并且具有大功率密度的芯片(例如，超过100W/cm2)难以利用空冷系统进行冷却。对于流体冷却系统，虽然其体积通常较小、较安静并且比空冷系统效率更高，但是却更加复杂并且执行和维护的成本较高。此外，泄漏的危险限制了流体冷却系统的广泛应用。
空气冷却法是在最低端和中级计算机和服务系统中默认的冷却方法。空气冷却通常受到制造者的喜爱，这是因为它可以在所有的环境下操作并且允许服务器的灵活安装和处理，而没有复杂的管道装置。但是，在采用许多服务器的数据中心，该空气冷却系统将承受尤其大的热负载。因此，在数据中心环境下，选择另外提供流体冷却是有益的，它不仅仅是更加有效的冷却方法，而且在电力和基础结构方面来说成本较低。
因此，需要一种可以选择性地通过空气和/或流体从发热设备中散热的冷却系统。
发明内容
本发明涉及一种空气/流体冷却系统。在一个实施例中，用于从发热设备消散热量的装置包括：基座，其具有热耦合到发热设备的第一侧；耦合到基座的空气冷却路径，其用于通过空气散除至少部分的热量；以及耦合到基座的流体冷却路径，其用于通过流体散除至少部分的热量。空气冷却路径和流体冷却路径可以同时或单独操作，以散除发热设备的热量，并且允许进入冷却系统以例如维护、维修和升级。
附图说明
因此，参照附图示出的实施例，将更加具体地描述上述简要说明的本发明，并可以获知和理解本发明上述实施例。但是，应当注意，附图仅仅示出了本发明的典型实施例，因此不认为限制了发明的范围，本发明可以承认其它等效实施例。
图1是根据本发明的示出空气/流体冷却系统的一个实施例的横截面图；
图2是根据本发明的示出空气/流体冷却系统的第二实施例的横截面图；
图3是示出在图2的冷却系统中使用的流体通道的一个实施例的透视图；
图4是根据本发明的示出空气/流体冷却系统的第三实施例的横截面图；
图5是根据本发明的示出空气/流体冷却系统的第四实施例的横截面图；
图6是根据本发明的示出实现空气/流体冷却系统的刀片中心型冷却系统的一个实施例的示意图；
图7是根据本发明的示出空气/流体冷却系统的第五实施例的横截面图；以及
图8是根据本发明的示出空气/流体冷却系统的第六实施例的横截面图。
为了便于理解，在可能的情况下使用相同的参考标记来表示附图中共用的相同元件。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明的空气/流体冷却系统用于对发热设备(例如，微处理器芯片)散热。本发明的实施例可以称为“水辅助”或“流体辅助”冷却。本发明的实施例利用空气或流体来除去芯片的热量，从而使得该冷却系统的冷却效率最大。而且，在该冷却系统的空气或流体部分之一将要失效的情况下，第二部分作为后备，允许该冷却系统继续运行。
图1是根据本发明的示出一种空气/流体冷却系统100的一个实施例的横截面图。如图所示，可以布置该冷却系统100，以从微处理器芯片102或其它发热设备中散热。
该冷却系统100包括基座104、多个散热片1061-106n(以下统称为“散热片106”)，以及至少一个流体通道1081-108n(以下统称为“流体通道108”)。
基座104被构造成与芯片102直接热接触(例如，通过热界面，未示出)。为此，基座104至少包括第一较平坦表面104a，该表面适于与芯片102接触。在一个实施例中，基座104包括由导热材料制成的实心块，该导热材料例如铜、铝、金刚石、碳化硅、铬、镍、铁或这些材料的组合物。在另一实施例中，该基座包括热管(未示出)或蒸气室110，该蒸气室110由基座104的中空内部部分组成，其部分地填充有水或其它普通两相材料。
在一个实施例中，散热片106耦合到基座104的第二较平坦的表面104b(也就是，与第一较平坦表面104a相对地设置)，并且处于与基座104基本垂直的方向。在另一实施例中，该散热片106可以耦合到基座104的第一较平坦表面104a、或者耦合到基座104的侧部。该散热片106沿基座104的长度方向彼此隔开，使得在每对散热片106之间产生间隔。
流体通道108邻近基座104设置，并且在一个实施例中，流体通道108位于两个散热片106之间。在一个实施例中，流体通道108固定到基座104，例如通过焊料或聚合物粘结剂。流体通道108基本上为管状，并且适于在其中流通流体。为此，每个流体通道108都包括入口108a和出口108b。流体通过流体通道108从入口108a流通到出口108b，以使得当流体流出流体通道108时，传送给流通流体的热量被传送出冷却系统100。在一个实施例中，流体通道108由金属构成。在一个实施例中，通过流体通道108流通的流体包括水基冷却剂、高压空气、压缩空气、蒸气、碳氟化合物、碳氢化合物、氦、氢、氧、氮、二氧化碳或致冷剂。
在运行中，热量通过热界面从芯片102传送到基座104。然后，基座104将热量散布到散热片106以及流体通道108。传送到散热片106的热量随后通过空气从冷却系统100中消散(也就是，在一个或多个风扇(未示出)的协助下)，同时传送到流体通道108的热量通过位于其中的流体消散。在一个实施例中，空气冷却路径和流体冷却路径同时工作，以从芯片102散热。在另一实施例中，空气冷却路径和流体冷却路径中的仅仅一个在给定的时间工作。在该实施例中，冷却系统100可以从使用一个冷却路径转变到使用另一个，同时对设备的冷却一直进行(也就是，不会中断运行)。
因此，冷却系统100给微处理器芯片和其它发热设备提供了高性能的冷却。通过提供空气冷却和流体冷却，相比于现有的散热器技术，就可以更快速和更有效地实现发热设备的散热。而且，提供两种冷却路径(也就是，一种是空气冷却路径，一种是流体冷却路径)允许撤换或孤立其中一个冷却路径，而同时另一个处于运行中。例如，为了维护和维修的目的、或者对元件热交换、或者其中一个冷却路径失效时，这是有益的。此外，对于流体通道使用金属减少了流体泄漏到芯片102中的可能性。尤其是，在除了连通(其在一个实施例中完全位于冷却系统100的外侧)的位置，从冷却系统100泄漏流体的可能性大大降低，从而减小了由于泄漏而使得芯片故障的危险程度。
图2是根据本发明的示出空气/流体冷却系统200的第二实施例的横截面图。同冷却系统100一样，可以布置冷却系统200，以消散来自微处理器芯片202或其它发热设备的热量。
还是与冷却系统100相似，冷却系统200包括基座204、多个散热片2061-206n(以下统称为“散热片206”)，以及至少一个流体通道2081-208n(以下统称为“流体通道208”)。
基座204被构造成与芯片202直接热接触(例如，通过热界面，未示出)。为此，基座204至少包括第一较平坦表面204a，该表面适于与芯片202接触。在一个实施例中，基座204包括由导热材料制成的实心块，该导热材料例如铜、铝、金刚石、碳化硅、铬、镍、铁或这些材料的组合物。在另一实施例中，该基座包括热管(未示出)或蒸气室210，该蒸气室210由基座204的中空内部部分组成，其部分地填充有水或其它普通两相材料。
在一个实施例中，散热片206耦合到基座204的第二较平坦的表面204b(也就是，与第一较平坦表面204a相对地设置)，并且处于与基座204基本垂直的方向。在另一实施例中，该散热片206可以耦合到基座204的第一较平坦表面204a、或者耦合到基座204的侧部。该散热片206沿基座204的长度方向彼此隔开，使得在每对散热片206之间产生间隔。
流体通道208邻近基座204设置，并且在一个实施例中，流体通道208位于两个散热片206之间。在一个实施例中，每个流体通道208都基本为U型，并且包括入口208a和出口208b。例如，图3是示出了在图2的冷却系统200中使用的流体通道208的一个实施例的透视图。因此，在一个实施例中，流体通道208的位置使得入口208a和出口208b之一邻近基座204设置，同时入口208a和出口208b靠着散热片206基本上位于同一平面。散热片206和流体通道208之间的紧密耦合在它们之间提供了更好的热耦合。在一个实施例中，流体通道208由金属构成。在一个实施例中，通过流体通道208流通的流体包括水基冷却剂、高压空气、压缩空气、蒸气、碳氟化合物、碳氢化合物、氦、氢、氧、氮、二氧化碳或致冷剂。
流体通道208的形状和位置使得流体通道208被选择性地插入或拆除。因此，不同于图1所示出的冷却系统100，冷却系统200可以升级并可以变化、后期部署，以包括更多或更少的流体通道208。
图4是根据本发明的示出空气/流体冷却系统400的第三实施例的横截面图。同冷却系统100和200相同，可以布置冷却系统400以消散来自微处理器芯片402或其它发热设备的热量。
还是与冷却系统100和200相似，冷却系统400包括基座404、多个散热片4061-406n(以下统称为“散热片406”)，以及至少一个流体通道4081-408n(以下统称为“流体通道408”)。
基座404被构造成与芯片402直接热接触(例如，通过热界面，未示出)。为此，基座404至少包括第一较平坦表面404a，该表面适于与芯片402接触。在一个实施例中，基座404包括由导热材料制成的实心块，该导热材料例如铜、铝、金刚石、碳化硅、铬、镍、铁或这些材料的组合物。在另一实施例中，该基座包括热管(未示出)或蒸气室410，该蒸气室410由基座404的中空内部部分组成，其部分地填充有水或其它普通两相材料。
在一个实施例中，散热片406耦合到基座404的第二较平坦的表面404b(也就是，与第一较平坦表面404a相对设置)，并且处于与基座404基本垂直的方向。在另一实施例中，该散热片406可以耦合到基座404的第一较平坦表面404a、或者耦合到基座404的侧部。该散热片406沿基座404的长度方向以彼此隔开，使得在每对散热片406之间产生间隔。
流体通道408邻近基座404设置，并且在一个实施例中，流体通道408耦合到基座404的第一较平坦的表面404a(也就是，在基座的耦合有芯片402一侧)。在一个实施例中，每个流体通道408基本上为管状，并且包括入口408a和出口408b。在一个实施例中，流体通道408利用铜焊料、导热聚合物或其它合适的粘合方法中的至少一种固定到基座404。用于将流体通道408固定到基座404的方法提供了机械支撑并且在流体通道408和基座404之间提供有效的热接触。
在另一个实施例中，基座404的第一较平坦表面404a包括流体通道408的第一壁4121，同时流体通道408的第二壁4122、第三壁4123和第四壁4124中的至少一个壁由柔性材料组成。这将使得基座404(在一些实施例中包括蒸气室410)位于邻近用于保持处理器和其它部件(未示出)的插板的位置。也就是，流体通道408的第二壁4122、第三壁4123和第四壁4124可以相对于插板上突出的部件弯曲，同时仍然可以使流体紧密接触基座404地流过其中。在一个实施例中，流体通道408由金属构成。在一个实施例中，通过流体通道408流通的流体包括水基冷却剂、高压空气、压缩空气、蒸气、碳氟化合物、碳氢化合物、氦、氢、氧、氮、二氧化碳或致冷剂。
图5是根据本发明的示出空气/流体冷却系统500的第四实施例的横截面图。如图所示，可以布置冷却系统500以消散来自微处理器芯片502或其它发热设备的热量。
冷却系统500包括基座504、多个散热片5061-506n(以下统称为“散热片506”)，以及至少一个流体通道508。
基座504被构造成与芯片502直接热接触(例如，通过热界面，未示出)。为此，基座504至少包括第一较平坦表面504a，该表面适于与芯片502接触。在一个实施例中，基座504包括由导热材料制成的实心块，该导热材料例如铜、铝、金刚石、碳化硅、铬、镍、铁或这些材料的组合物。在另一实施例中，该基座包括热管(未示出)或蒸气室510，该蒸气室510由基座504的中空内部部分组成，其部分地填充有水或其它普通两相材料。
在一个实施例中，散热片506耦合到基座504的第二较平坦的表面504b(也就是，与第一较平坦表面504a相对地设置)，并且处于与基座504基本垂直的方向。在另一实施例中，该散热片506可以耦合到基座504的第一较平坦表面504a、或者耦合到基座504的侧部。该散热片506沿基座504的长度方向彼此隔开，使得在每对散热片506之间产生间隔。
在一个实施例中，流体冷却剂508邻近芯片502地耦合到基座504的第一较平坦表面504a。在一个实施例中，流体冷却剂508是常规流体冷却系统，其包括它自身的流体散热片5121-512n(以下统称为“散热片512”)、流体入口514和流体出口516，从而提高冷却系统500的性能。在一个实施例中，通过流体通道508流通的流体包括水基冷却剂、高压空气、压缩空气、蒸气、碳氟化合物、碳氢化合物、氦、氢、氧、氮、二氧化碳或致冷剂。
图6是示出空气/流体冷却系统600的一个实施例的示意图，该冷却系统600例如用来冷却刀片中心计算系统。
冷却系统600包括刀片中心602和耦合到刀片中心602的流体总管604。刀片中心602包括底盘606，该底盘606包括多个底板，每个底板的尺寸都适合容纳刀片服务器。在图6的示例中，刀片中心602对于最大为八个刀片的服务器具有八个底板；两个刀片服务器6081和608n(由网状线示出，这里统称为“刀片服务器608”)插入到底板中，并且六个底板是空的。本领域的技术人员应当理解，刀片中心602可以用于任意数量的刀片服务器608，并且不受所示示例的限制。
每个刀片服务器608都作为一个独立的计算单元，其包括自身的处理器、存储装置、存储器、网络控制器、操作系统、应用以及冷却系统(未示出)。在一个实施例中，用来冷却每个刀片服务器608的冷却系统是空气/流体冷却系统。在一个实施例中，用来冷却刀片服务器608的空气/流体冷却系统包括参考之前的附图描述的空气/流体冷却系统100、200、400或500中的任意一个。如上所述，刀片服务器608可从底盘606中移除，以使得可以选择性地增加或减少刀片中心602的刀片服务器608。
总管604包括流体入口610、空气入口612、流体出口614、出口616以及多个软管6181-618n(以下统称为“软管618”)。软管618将总管604耦合到刀片服务器608的空气/流体冷却系统，从而允许流体通过空气/流体冷却系统流通。
因此，通过简单的将总管604连接到刀片服务器608的空气/流体冷却系统，冷却系统600允许在刀片中心计算系统中进行流体冷却，同时刀片中心计算系统运行。此外，空气入口612和出口616允许流体从空气/流体冷却系统以及软管618中排出(例如，通过空气清除)，从而与冷却系统600断开，而且同时刀片中心计算系统运行。在上述两种情况下(也就是，流体冷却能力的连接和断开)，刀片中心计算系统继续利用每个单独刀片服务器608中的空气冷却来运行。当刀片中心计算系统运行时，这种增加或减小辅助冷却性能的能力可以证实在紧要使命系统下是特别有利的，在所述紧要使命系统中，必须能够进入多单元系统中的单个单元(例如，为了维护或维修的需要)。
此外，流体冷却能力的增加可以允许风扇调整速度，用来传送通过单个刀片服务器608中的空气/流体冷却系统的空气，这又减小了冷却系统600所产生的噪音量并且将热量释放给外界。这在用来冷却数据中心或服务器场的十分大的冷却系统的情况下是特别有利的，其中刀片服务器608可以大到一英尺高、一至二英尺宽。
图7是根据本发明的示出空气/流体冷却系统700的第五实施例的示意图。如图所示，可以布置冷却系统700以消散来自微处理器芯片702或其它发热设备的热量。
冷却系统700包括基座704、多个散热片7061-706n(以下统称为“散热片706”)，以及多个流体通道7081-708n(以下统称为“流体通道708”)。
基座704被构造成与芯片702直接热接触(例如，通过热界面，未示出)。为此，基座704至少包括第一较平坦表面704a，该表面适于与芯片702接触。在该实施例中，基座704包括蒸气室710，该蒸气室710由基座504的中空内部部分组成，其部分地填充有水或其它普通两相材料。
在一个实施例中，散热片706耦合到基座704的第二较平坦的表面704b(也就是，与第一较平坦表面704a相对地设置)，并且处于与基座704基本垂直的方向。在另一实施例中，该散热片706可以耦合到基座704的第一较平坦表面704a、或者耦合到基座704的侧部。该散热片706沿基座704的长度方向彼此隔开，使得在每对散热片706之间产生间隔。
在一个实施例中，流体通道708被嵌入或设置为穿过蒸气室710。在一个实施例中，通过流体通道708流通的流体包括水基冷却剂、高压空气、压缩空气、蒸气、碳氟化合物、碳氢化合物、氦、氢、氧、氮、二氧化碳或致冷剂。
图8是根据本发明的示出空气/流体冷却系统800的第六实施例的示意图。如图所示，可以布置该冷却系统800以消散来自微处理器芯片802或其它发热设备的热量。
冷却系统800包括基座804、多个散热片8061-806n(以下统称为“散热片806”)，以及多个流体通道8081-808n(以下统称为“流体通道808”)。
基座804被构造成与芯片802直接热接触(例如，通过热界面，未示出)。为此，基座804至少包括第一较平坦表面804a，该表面适于与芯片802接触。在该实施例中，不同于图7中示出的实施例，该基座804包括导热材料的实心块，所述材料例如为铜、铝、金刚石、碳化硅、铬、镍、铁或这些材料的组合物。
在一个实施例中，散热片806耦合到基座804的第二较平坦的表面804b(也就是，与第一较平坦表面804a相对地设置)，并且处于与基座804基本垂直的方向。在另一实施例中，该散热片806可以耦合到基座804的第一较平坦表面804a、或者耦合到基座804的侧部。该散热片806沿基座804的长度方向彼此隔开，使得在每对散热片806之间产生间隔。
在一个实施例中，流体通道808被嵌入或设置为穿过基座804的实心块。在一个实施例中，通过流体通道808流通的流体包括水基冷却剂、高压空气、压缩空气、蒸气、碳氟化合物、碳氢化合物、氦、氢、氧、氮、二氧化碳或致冷剂。
应当理解，在所有的实施例中，流体通道都与芯片-空气热交换器热接触，从而允许流体通过流体通道流通时排出热量。
尽管本发明主要描述的是计算机工业领域的内容(例如，用于冷却高性能信息处理器)，但是本领域的技术人员应当理解的是，例如这里所描述的双重空气/流体冷却系统可以有利的应用于其它多种领域，包括航天和飞行器冷却系统、维护面板等等。
因此，这里公开的冷却系统更加有效地从发热设备中消散热量，其中发热设备例如IC芯片。本发明的多个实施例利用空气和流体从芯片中消散热量，从而使得冷却系统的冷却效率最大化。此外，在冷却系统的空气或流体组成之一失效的情况下，第二组成作为后备，允许该冷却系统继续运行。
虽然上述内容关于本发明的优选实施例，但是可以在不脱离本发明的基本范围的情况下设计出本发明的其它和进一步的实施例，并且其范围由紧随其后的权利要求书所确定。

Claims (20)

1.一种用于散除来自发热设备的热量的装置，其包括：
基座，该基座具有热耦合到所述发热设备的第一侧；
耦合到所述基座的基于空气的冷却路径，以用于通过空气散除至少部分热量；以及
耦合到所述基座的基于流体的冷却路径，用于通过流体散除至少部分热量。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述基座包括实心块，该实心块由铜、铝、金刚石、碳化硅、铬、镍或铁中的至少一种构成。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述基座包括蒸气室。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述基座包括热管。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述基于空气的冷却路径包括：
耦合到所述基座的多个散热片，该多个散热片中的每一个被设置在与所述基座基本垂直的方向。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述基于流体的冷却路径包括：
位于两个所述多个散热片之间的至少一个流体通道，该至少一个流体通道适于从入口到出口流通流体。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述流体是以下至少一种：水基冷却剂、高压空气、压缩空气、蒸气、碳氟化合物、碳氢化合物、氦、氢、氧、氮、二氧化碳或致冷剂。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述至少一个流体通道由金属构成。
9.如权利要求6所述的装置，其中所述至少一个流体通道是大致管状。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述至少一个流体通道被固定到所述基座。
11.如权利要求6所述的装置，其中所述至少一个流体通道是大致U形形状。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述至少一个流体通道可以选择性地从所述装置中拆除。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述基于流体的冷却路径包括至少一个耦合到所述基座的流体通道，该至少一个流体通道适于从入口到出口流通流体。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述至少一个流体通道包括：
由所述基座的第一侧构成的第一壁；
耦合到所述第一壁的第二壁；
耦合到所述第一壁的第三壁；以及
耦合到所述第二壁和所述第三壁的第四壁，
其中所述第二壁、第三壁和第四壁中的至少一个由柔性材料构成。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述基于流体的冷却路径耦合到总管。
16.如权利要求1所述的装置，其中所述发热设备是一种集成电路芯片。
17.一种冷却发热设备的方法，其包括：
提供一种基座，该基座具有热耦合到所述发热设备的第一侧；
提供耦合到所述基座的基于空气的冷却路径，以用于通过空气散除至少部分热量；以及
提供耦合到所述基座的基于流体的冷却路径，用于通过流体散除至少部分热量。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：
在给定时间运行所述基于空气的冷却路径和所述基于流体的冷却路径中的至少一个，以散除来自所述发热设备的热量。
19.如权利要求17所述的方法，还包括：
利用所述基于空气的冷却路径冷却所述发热设备；以及
在所述基于空气的冷却路径运行时，隔离所述基于流体的冷却路径。
20.如权利要求17所述的方法，还包括：
利用所述基于流体的冷却路径冷却所述发热设备；以及
在所述基于流体的冷却路径运行时，进入所述基于空气的冷却路径。
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