CN101346056A - 用于冷却发热设备的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于发热设备的冷却系统，包括：冷却剂液体；蒸发器，用于保存冷却剂液体和加热冷却剂液体；所述蒸发器接近发热设备以用于驱除不需要的热量。该冷却系统还包括：多个管，用于为蒸发器所产生的冷却剂液体和气体提供流动路径；换热器，所述管穿过换热器以冷却冷却剂液体。所述换热器包括：贮存器、冷却剂和用于加热气体使得气体膨胀并且将冷的冷却剂液体推回到蒸发器的加热元件。该加热元件可位于贮存器内。

Description

用于冷却发热设备的方法和系统
技术领域
本发明广泛地涉及微电子电路的冷却设备领域，并且更具体地涉及无源冷却热沉(heat sink)。
背景技术
例如微处理器芯片的电子芯片产生大量热量。随着处理功率增加，芯片产生更多的热量，这会破坏芯片中的电子电路；因此，冷却芯片很重要。已经开发出很多冷却方法以用于直接冷却热芯片，热沉就是其中之一。一般来说，热沉分为两类：有源热沉和无源热沉。有源热沉使用风扇或其它有源器件冷却芯片以从芯片驱除热量。无源热沉不使用风扇进行冷却，而是依靠设计所提供的环境条件冷却芯片。
有源热沉，因为它们使用风扇或其它机制，所以需要消耗一些能量以便冷却芯片。另外，将运动部件(风扇)引入冷却设备增加了潜在故障机构。一些无源热沉通过使用冷却液而不是风扇来冷却热的芯片，来解决这些问题。使用液体不是没有其问题。在无源热沉技术的一个最新方案中，HeatlaneTM热管设备(Heatlane是TS Heatronics公司的商标)依靠液体和气体在设备的蒸发部分内来回运动的不稳定、振荡交换。这是有问题的，因为热的液体和气体可能返回蒸发部件中。另外，使用HeatlaneTM时，通过风扇将空气吹过空气换热器，这就需要消耗能量来冷却芯片。热管使用毛细管将液体返回到蒸发部件。此技术在现代系统中达到了其极限——由于在一个热管中可用的冷却剂不够，需要在单个芯片上使用多个热管。
因此，需要一种更好的无源冷却方法和装置以用于产生更多热量的芯片。
发明内容
简要地，根据本发明的实施例，一种用于发热设备的冷却系统包括：冷却剂液体；蒸发器，用于保存冷却剂液体和加热冷却剂液体；所述蒸发器接近发热设备以用于驱除不需要的热量。该冷却系统还包括：多个管，用于为蒸发器所产生的冷却剂液体和气体提供流动路径；换热器，所述管穿过换热器以冷却冷却剂液体和气体。所述换热器包括：贮存器、冷却剂、和用于加热气体使得气体膨胀并且将冷却剂液体推回到蒸发器的加热元件。该加热元件可位于贮存器内。
另外，根据本发明的实施例的冷却系统可包括止回阀、气阱和冷却剂返回管。该冷却系统还可包括位于蒸发器内远离管的挡板。
根据本发明实施例的方法提供了以下步骤：加热包含在接近设备的蒸发器中的冷却剂液体；蒸发该冷却剂液体以将用于把热的冷却剂液体和气体泵吸到蒸发器外的气体释放到换热器中；在一个或多个管中将来自于冷却剂液体和气体的热量传递到换热器；在换热器的贮存器中收集凝结的冷却剂液体和冷却的气体；使用加热元件加热冷却的气体和液体；以及使用所产生的加热的气体将凝结的冷却剂液体返回给蒸发器。
附图说明
为了描述前述和其它示例性目的、方面和优点，参考附图具体描述本发明的示例性实施例，在附图中：
图1示出根据本发明实施例的冷却系统，其加热系统在上行循环中；
图2示出根据本发明实施例的冷却系统，其加热系统在下行循环中；
图3示出根据本发明实施例的气阱；
图4示出根据本发明实施例的仅使用一个管的冷却系统；
图5示出根据本发明实施例的双管设计；
图6示出根据本发明实施例的同轴抽气泵(return pump)设计；
图7示出根据本发明另一实施例的图1中的冷却系统，而没有止回阀和第三个管；以及
图8为示出执行根据本发明实施例的冷却方法的步骤的流程图。
具体实施方式
本申请描述了一种用于例如电子芯片的发热设备的冷却系统。特别地，一种冷却剂被煮沸的双相系统提供了一种用于将大量热量从热芯片驱除的方法。这提供了一种保证冷却剂的循环的新颖方法，确保蒸发器永远不会蒸干。这与热管形成了对照，热管使用毛细管将液体返回到蒸发部件。
参考图8，过程开始于步骤S805，此时发热设备通过其表面或界面材料将热量传导至填满液态冷却剂液体的蒸发器。在步骤S810，对蒸发器中冷却剂的直接加热导致蒸发器中冷却剂的蒸发，通过冷却剂的蒸发所需的热量吸热。在步骤S820中，热的冷却剂气体和所拖带的液体迅速被泵出蒸发器进入换热器。发生“泵”效应是因为蒸发的气体充当了泵，使得热气体和所拖带的液体向上通过换热器。蒸发的冷却剂和热液体在压力作用下冒泡，穿过换热器中的冷却剂，将其热量传递给换热器的冷却剂和金属管。在步骤S830，冷却剂被冷却，并且一旦冷却，变冷、凝结的冷却剂和冷却气体就收集在贮存器中。
然后，在步骤S840中，当蒸发器中冷却剂水平过低，或者冷却剂温度过高时，贮存器中凝结的冷却剂和气体中的加热元件被激活。在步骤S850中，这使得换热器中气体产生、变热并且膨胀。膨胀的气体推动凝结的冷却剂通过管快速重新注入蒸发器中。可以使用外部传感器确定何时温度过高。冷却剂的注入需要加到系统的能量或热量很小。凝结的液体返回需要的地方，正好到达发热设备，例如芯片的表面界面。在步骤S860中，迅速去激活(deactivate)加热元件，并且该循环重复，热的气态的冷却剂和所拖带的热液体从蒸发器被泵出到换热器。
我们现在描述在冷却剂向上流到换热器的“上行”循环中冷却系统的更具体操作。图1示出根据本发明实施例的冷却系统100。循环开始于准平衡状态下的系统100，冷却剂103在蒸发器106中蒸发，并且气体被推动着穿过困在换热器管102、104中的冷却剂103。加热元件105此刻是关断的。
与芯片101或其它发热设备热接触良好(非常接近)地设置蒸发器106。蒸发器106可以是具有穿过它的金属热导体的腔室，或者可以是细金属管作为蒸汽发生器。应该优化蒸发器106以尽可能快地沸腾尽可能多的冷却剂。可以为冷却剂而设计、优化特殊涂层和结构，这在沸腾领域是公知的。蒸发器表面可以是平坦带有特殊涂层的，或者也可以进一步优化，使其具有翼片或者管脚结构以在贮槽内产生更大的表面面积。
随着芯片101变热，从芯片101发出的不期望的热量加热蒸发器106中的液态冷却剂103。优选地选择冷却剂或冷却液103使其具有高汽化热和低沸点。冷却剂还应具有高蒸汽压以使得泵吸特征能顺利工作。并且，它还应该在足够低的温度沸腾以冷却芯片。冷却剂103的实例可以是以下之一：1)压力低于一个大气压下的水——尽管水具有很低的蒸汽压并且可能不能顺利工作；2)丁烷；3)任何商用制冷剂；4)氯甲烷；5)八(8)巴压强下的氨；6)(在制冷中使用的)氨氢混合物；7)3M的HFE-7000，沸点为34摄氏度；8)100mm汞柱压力下的甲醇，在室温下沸腾；或9)液态二氧化碳。应注意，其它具有良好蒸汽压、低沸点和好环保特性的液体可用在本发明的实施例中。
随着液态冷却剂103变热，它的一部分蒸发。例如，100mm汞柱压力下的甲醇在室温下立即沸腾并且迅速产生压力。HFE-7000在一个大气压下大约34摄氏度时沸腾，对冷却发热的芯片101来说温度足够低了。HFE-7000不是易燃的、不是温室气体，也不是有毒的；因此，它很适合在此应用中使用。被加热气体的较低的密度和由该气体施加的压力使得它上升并且额外拖带一些液体103进入换热器108。蒸发的气体充当了泵，使得热的气体和拖带的液体103向上通过换热器管102和104。气体和液体都以此方式被同时传递到换热器108。
通过运送热气体和液体103，与单纯使用液体相比，可以更有效率地传递大量的热量。随着热气体强行通过液体103，在换热器管102和104中穿过冷却剂103向上冒泡，一些液体必然朝着换热器108中的贮存器向上移动。这类似于咖啡过滤器，热气体冒着泡通过液柱。气体的泵吸将发生在它从蒸发器106的高压移动到换热器108中的低压时。最佳的填充比(液态冷却剂对气体)取决于系统并且可以由实验确定。由重力所驱动的压力差和咖啡过滤器似的“气泡泵”机制推动热冷却剂进入换热器108。
但是，也可以仅使用一个管而不是两个管。或者，可以采用一打或更多管。在图1的实例中管102和104优选地是薄壁的并且直径小，大约八分之一英寸到八分至三英寸(1/8”到3/8”)，以高效地传导热量。
热的液体和气体103被向上引导至换热器108的较冷区域，在那里被冷却并且凝结。然后一些被冷却、凝结的液体103收集在换热器贮存器110中。贮存器110是冷却腔或者是管——优选是金属管的集合。腔110保持为冷的，因为它位于换热器108或散热器之内或接近换热器108或散热器。不像HeatlaneTM，系统100使得气体的热气泡或汽穴强行通过换热器108中的冷却剂103。在压力作用下此热气体被强制向贮存器110运动，在那里它可通过将其热量传递给冷却剂103或直接传递给换热器108中的管壁而在路上冷却和凝结。
冷却系统100仅需要一个有源元件——间歇使用的加热元件、电线或筒形(cartridge)加热器105，以将冷却的凝结液体103返回给蒸发器106。液体103可以通过第三根管112返回。第三根管112是返回管，将冷却的液体103返回蒸发器106。如果返回管112足够长并且足够高，重力自身就可保证冷的液体103返回到蒸发器106。但是，在此实施例中，我们关注于用于微处理器的设计，尺寸小是必要的。加热冷却的气体或煮沸一些冷却剂使得气体膨胀，从而将冷却剂103移动(注入)回蒸发器106。这需要很少的能量——由芯片101发出的总能量中的小部分。在贮存器110中迅速加热气体不会可感地加热(任何地方的)冷却剂液体。仅产生和加热足以移动液体103通过返回管112的气体。
在本实施例中，我们可以有两个无源的移动部件，限制液体流动的止回阀114和116的开和关。在本实例中，止回阀可以是球型的。无源止回阀114、116提高了设备的效率，但是如果返回管112关闭，系统110的工作不需要它们。此类型的阀是无源的，类似于心脏中工作的瓣膜。可以使用有源阀，但是这将耗费成本、更易发生故障、并且需要控制机制。注意到，这些是系统100的优选方式，而不是必须方式。如所示的系统100没有任何移动部件或阀也可工作，如图7中所示。仅在采用返回管的实施例中才需要止回阀。例如，图4中的样本没有阀。
之前提到的HeatlaneTM设备依靠液体和气体在设备的蒸发部分内来回运动的不稳定、振荡交换。设计系统100使得热量从蒸发器106到换热器108单向流动。系统100通过煮沸在低温沸腾的液体进行冷却。所产生的热气体均匀地被推过换热器以被冷却和凝结。
因此，不像HeatlaneTM设备，系统100利用了热气体和液体向系统100的较冷部分的几乎单向的流动。本系统100不需要重力来工作，仅关于重力合理放置贮存器的入口和出口。事实上，不需要单向止回阀114和116。在设备中放置它们是为了提高效率。参考图7，示出了没有阀114、116和第三根管的系统700。没有了第三根管112和止回阀114、116，冷却剂可以通过换热器108倒流，加热最冷的液体，并且将液态冷却剂103的很大一部分返回给蒸发器106。这会导致蒸发器106中的冷却剂103的平均温度与先前讨论的实施例相比较高，但是它仍将提供冷却。(没有第三根管112和止回阀114、116的实施例作为实例被示出并且以甲醇和HFE-7000度量。)参见图4，示出仅有一根管的冷却剂系统。
此系统100使用加热器105驱动循环。加热器105可以是钨或钛加热线的线圈，但是更可能是具有足够表面积和适当涂层的加热器筒，以迅速加热液体，并且间歇地以脉动方式使用以将冷却的凝结的液体103返回给蒸发器106。如果实施闭环控制，加热器105也可以兼任具有内置热电偶的热传感器或液体检测器。或者，可以不管冷却的状态而周期地激活加热器105，或者也可以通过一些其它外部传感器或触发事件来激活它。一些实例是：蒸发器中的液体水平降低到最小阈值以下或者温度传感器达到最大阈值温度。存在激活加热器105的其它简单的方法。一个选项是，如果芯片是微处理器，其温度传感器可以检测贮槽(boiler)即将干涸并且要求更多冷却剂103——就像在如今的个人计算机中它要求风扇控制器更快旋转一样。
图2中示出系统100的“下行”循环，其中，冷却的凝结冷却剂103返回到蒸发器106。加热元件105接通(或处于其间歇“开”的相位)。这产生热量，导致气体膨胀并且将冷却的冷却剂103“推”回蒸发器106。冷却剂103快速向下流并且返回管112以再次填充蒸发器106。马上，蒸发器106中热的液体103会被泵吸到换热器110。将热的液体移出蒸发器增强了蒸发的冷却能力。利用冷的液体返回到蒸发器，整个系统压力降低，并且冷却剂103在蒸发器106中立即开始沸腾。不打算让加热器105做除了产生热气体以强制冷却剂返回蒸发器106之外的任何事。止回阀116自动处于关闭位置，禁止冷却剂103流出散热器104返回蒸发器106。
现在参考图3，示出了可以与系统100一起使用的气阱300的图示。气阱300有助于使冷却剂在换热器管道中向上运行，尤其是当使用大口径管道时。气阱300防止液体由于重力原因而回流。如果管的直径大是有帮助的，但是一般来说是不必要的。如果提供气阱，气压将顶住液柱。没有气阱300，气体可能充满管，足以使液体自由落回，这是不希望的。每个上行管102、104可具有阱，或者所有上行管可通向带有阱的一根大管。
参考图4，示出了根据本发明实施例的仅使用一根管440的冷却剂系统400。管440直径大约3/8”，并且位于LytronTM换热器410内，并填以大约0.5L的液体甲醇420。管440的每端插入直径厚于管440的硼硅(boro-silica)管450。两个硼硅管450中的每一个都附接于包含3英寸长、直径3/8英寸的不锈钢加热器筒430的腔室上。在本实施例中，一个加热器筒模拟芯片的热量并且以数百瓦的功率连续运转。另一个周期性地脉动并且充当抽气泵。
图5是在双管设计500中两个管的截面图。一个管540将加热的液体和气体传导至换热器108，而另一个管560(返回管)将冷却的液体和气体返回到蒸发器106。脉冲泵动作与前面描述的相同；贮存器中的加热元件具有纵向止回阀。图6示出根据本发明的另一个实施例的同轴管道。图6的管道具有单管的外观，但如所示是同轴的。此同轴管实现可用于诸如图1所示的实施例中，例外是返回管与上行管是同轴的。此同轴系统较易于配置。
参考图4，大部分热量在向上进入换热器的第一根管420中散发，尤其是在换热器410中。热耗散在干燥的管中迅速降低，如在“Heat andMass Transport”，Incroppera and De Witt教科书，Wiley著，2002，第612页中所描述的。见图4，最好管道的很大部分包含液态冷却剂，特别是在从蒸发器106通向上的最左侧的管420中。如果热气体的气泡上升通过液态冷却剂103，则热传递是最好的。如果管变干，仅包含气体，则热传递和耗散迅速降低。在图4中的样本实例中，在低于150瓦时，重力自己就承担了大部分工作，并且泵490几乎不进行泵吸。在大于200瓦时，具有上升汽穴的冷却剂103的剧烈卷吸溢出并且凝结到抽气泵贮存器490中。在大于300瓦时，系统接近临界热通量(CHF)并且变得难以工作。此系统通过“池沸腾”工作，就像在茶壶中一样。CHF是高于它则池沸腾无法发生的点，并且芯片热量通过一层气体而被隔绝。CHF的一个简单实例是，如果将茶壶下的热量开到足够大，底部将熔化，即使茶壶中还有液体。壶底部和内部的水之间的蒸汽层隔绝了热源并且池沸腾停止。
在此甲醇测试中，压力从不超过一个大气压并且一般将保持为大大低于一个大气压。在测试的参数内，CHF在大约300瓦附近，并且冷却无法持续。改进贮槽的已知方法可容易地提高此最大通量。
图6中示出优选的泵系统。同轴抽气泵设计600示出位于返回管560内的脉冲泵680。返回管560位于“上行”管540内。脉冲泵680与先前描述的加热元件相同，适于将来自散热器中贮存器的冷却剂返回给蒸发器。泵680，象图5中的泵一样，位于凝结的冷却剂103在返回管560内的位置。此同轴实现方案比图5的系统和图4的单管系统更简单更高效。
因此，在描述了目前认为的优选实施例的同时，本领域技术人员将理解，可以在本发明的精神内作出其它实施例。

Claims (20)

1.一种用于发热设备的冷却系统，该系统包括：
冷却剂；
蒸发器，用于保存和加热冷却剂；所述蒸发器接近发热设备的表面以用于驱除由所述发热设备产生的不期望的热量；
多个管，用于为冷却剂和蒸发器所产生的气体提供流动路径；每个管具有连接到所述蒸发器的第一末端；以及
换热器，所述多个管穿过该换热器以冷却冷却剂，所述换热器包括：
换热器内的贮存器，连接到多个管中每一个的第二末端；
贮存器内的冷却剂；以及
加热元件，用于加热贮存器中的冷却剂，其中，热量使得冷却剂气体膨胀并且强迫冷却剂回到蒸发器，以用于冷却所述发热设备的表面。
2.如权利要求1的冷却系统，其中，所述加热元件位于所述贮存器内。
3.如权利要求1的冷却系统，还包括换热器中的多个单向止回阀，以用于限制冷却剂的流动。
4.如权利要求1的冷却系统，还包括在所述多个管中的至少一个管中的气阱。
5.如权利要求1的冷却系统，其中，所述蒸发器包括一个腔，腔表面设计有能增强冷却剂的池沸腾的微结构。
6.如权利要求1的冷却系统，还包括冷却剂返回管，其具有连接到换热器贮存器的第一末端和连接到蒸发器的第二末端。
7.如权利要求6的冷却系统，还包括在所述冷却剂返回管中的多个单向止回阀，用于限制冷却剂从换热器流动到蒸发器。
8.如权利要求1的冷却系统，其中，所述蒸发器包括一个腔，其具有穿过它的金属热导体。
9.如权利要求1的冷却系统，其中，所述蒸发器是多个金属管。
10.如权利要求1的冷却系统，其中，所述冷却剂可以从以下构成的组中的任何一个中选择：在低于一个大气压的压力下的水；丁烷；任何商用制冷剂，例如含氯氟烃；氯甲烷；8巴压力下的氨；氨氢混合物；以及液态二氧化碳。
11.如权利要求1的冷却系统，其中，所述为来自蒸发器的冷却剂和气体提供流动路径的多个管是薄壁的并且具有小直径。
12.如权利要求1的冷却系统，其中，所述加热元件是加热器筒。
13.如权利要求1的冷却系统，其中，在闭环系统中所述加热元件包括热传感器。
14.如权利要求13的冷却系统，其中，所述加热元件也是闭环系统中的液体检测器。
15.一种用于冷却发热设备的方法，该方法包括步骤：
蒸发放置在发热设备的表面附近的蒸发器中的加热的冷却剂，用于从冷却剂释放气体，其中，所述气体用于将加热的冷却剂和气体从蒸发器泵吸出来并且进入位于蒸发器之上的换热器；
在多个管中将加热的冷却剂和气体传递到换热器；
冷却换热器中的冷却剂和气体；
在换热器内的贮存器中收集冷却的冷却剂和气体；
激活用于加热贮存器中的冷却的冷却剂和气体并且使气体膨胀的加热元件；
使用加热的气体推动液体下行流经多个管来将冷却的冷却剂返回给蒸发器；以及
在收到触发事件时去激活所述加热元件，所述触发事件包括蒸发器中冷却剂的状态的指示符。
16.如权利要求15的方法，其中，所述蒸发步骤包括冷却剂的池沸腾。
17.如权利要求15的方法，其中，所述返回步骤包括通过冷却剂返回管返回变冷的冷却剂。
18.如权利要求17的方法，其中，所述返回步骤还包括在冷却剂返回管中使用多个单向止回阀限制冷却剂向蒸发器的流动。
19.如权利要求15的方法，其中，所述激活步骤还包括通过外部传感器激活所述加热元件。
20.如权利要求15的方法，其中，所述激活步骤还包括在预定的时间经过的基础上间歇地激活所述加热元件。
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