CN101796635B - 冷却发热组件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冷却设备，包含散热器(2)，其包含第一表面(5)、第二表面(8)、至少一个吸热腔(9)、以及至少一个散热腔(10)，至少一个吸热腔(9)与第一表面(5)热接触，而至少一个散热腔(10)与第二表面(8)热接触且液压式耦合到至少一个吸热腔(9)。可利用多个流动型式将冷却流体(13)从吸热腔(9)驱动到散热腔(10)，以冷却第一表面(5)。

Description

冷却发热组件的方法和装置
技术领域
本发明涉及冷却设备、一体散热器、以及冷却热产生部件的方法。更具体而言，本发明涉及包含散热器的冷却设备，所述散热器包含第一表面、第二表面、至少一个吸热腔、以及至少一个散热腔，所述至少一个吸热腔与第一表面热接触，而所述至少一个散热腔与第二表面热接触且液压耦合至所述至少一个吸热腔。
背景技术
冷却一般的热产生组件，特别是半导体电路多年来已经是重要的问题。随着微处理器的晶体管密度及消耗功率的持续增加，为了进一步的性能发展，更加需要更低成本及更紧凑的微处理器冷却设备。特别对微处理器而言，其中的一个问题是，热产生在有限的物理空间中。因此，为了有效冷却，热需要散布到大得多的区域以进行更有效的冷却。
冷却热产生组件的一个实例为强制空气对流。举例而言，当前计算机系统的许多处理器由散热器冷却，其将处理器产生的热散布到较大的表面，然后利用电扇通过强制空气对流来冷却该较大的表面。
专利申请US 2007/0017659 A1公开了这样一种散热器，其具有密封于两个板之间的流体以及泵送机制，以致使流体于平面表面的多相流动。与散热器相接触的电子组件的热能经由工作流体从核心区域散布到整个散热器(heat spreader)，然后到散热片(heat sink)。位于两个板间的表面强化特征有助于从第一金属板到流体的热能转移。
虽然利用前述技术得到了从热产生组件到大得多的表面的改善的热流，但仍存在着提供用于冷却热产生组件的更好方法和装置的挑战。特别是，希望增加散热器的冷却效率，使得可能冷却更强大的热产生组件。相反地，应该降低给定的热产生组件的冷却设备所用的能量，以改善整体能量效率。此外，提供用于冷却具有可变负载的多个热源或热源网络的系统的方法和装置是一种挑战。
发明内容
根据本发明一个方面的一个实施例，提供一种冷却设备。该冷却设备包含散热器，其包含第一表面、第二表面、至少一个吸热腔以及至少一个散热腔，所述至少一个吸热腔与所述第一表面热接触，所述至少一个散热腔与所述第二表面热接触并液压式耦合到所述至少一个吸热腔。该冷却设备还包括至少一个热产生组件，布置为与所述散热器的第一表面热接触；冷却流体，至少部分填充所述吸热腔及所述散热腔；至少一个致动器，用于驱动所述冷却流体；以及控制器，用于为所述至少一个致动器产生至少一个控制信号，使得可利用多个流动型式驱动所述冷却流体通过所述至少一个吸热腔。
通过提供这样的散热器，该散热器具有吸热腔及分离的散热腔，这些腔液压式彼此耦合，且具有至少一个致动器用于驱动冷却流体，由此可产生冷却流体流过吸热腔的受控流动。具有分离的吸热腔及散热腔降低了散热器所含的冷却流体的体积，因而有可能避免降低泵对散热器的体积比，且可防止流体到散热腔途中的温度降低。通过以模块组件来实施分离的组件，使这些组件相分离在制造和集成中给出了更大的弹性。
根据本发明第一方面的实施例，冷却流体在至少一个吸热腔和至少一个散热腔之间振荡。通过使冷却流体在吸热腔和散热腔之间振荡，可实现冷却流体在两腔之间的受控移动和交换，因而将热从第一表面传递到第二表面。在这种情况下，优选的是，散热器包含两个散热腔以及至少两个致动器，且控制器适于利用两个不同流动型式驱动冷却流体，其中在第一流动型式，产生从第一散热腔通过至少一个吸热腔到第二散热腔的流动，且在第二流动型式，产生从第二散热腔通过至少一个吸热腔到第一散热腔的流动。以此方式，冷却流体在两个散热腔之间振荡，以交替方式将热传递其中一个，而吸热腔则持续地冷却。
替代地，所述散热器优选包含四个散热腔以及至少两个致动器，且所述控制器适于利用四个不同流动型式驱动所述冷却流体，其中，在第一流动型式，产生从第一散热腔通过所述至少一个吸热腔到第三散热腔的流动，在第二流动型式，产生从第二散热腔通过所述至少一个吸热腔到第四散热腔的流动，在第三流动型式，产生从第三散热腔通过所述至少一个吸热腔到第一散热腔的流动，并且在第四流动型式，产生从第四散热腔通过所述至少一个吸热腔到第二散热腔的流动。
通过利用四个散热腔和四个流动型式，冷却流体以交替方式分别从第一和第三散热腔以及第二和第四散热腔泵送通过吸热腔。结果，产生通过吸热腔的固定流动，而部分冷却流体总是停留在至少一个散热腔中驱散其能量。
作为另一替代，所述散热器优选包含多个散热腔，该多个散热腔具有多个致动器，其以基本放射布置的方式环绕所述至少一个吸热腔布置，且所述控制器适于利用多个不同流动型式驱动所述冷却流体，产生该冷却流体通过所述至少一个吸热腔的基本放射状振荡的流动。
通过在至少一个吸热腔中产生放射振荡，吸热腔的中心总是由冷却流体的恒常流动冷却，而储存于多个散热腔之一中的部分冷却流体则静止且驱散从吸热腔转移的热。
根据第一方面的另一实施例，散热器包含液压式互连腔的网络，该液压式互连腔的网络包含所述至少一个吸热腔及至少两个散热腔，该网络包含多个流动路径，每个流动路径连接到至少一个致动器，控制器适于利用多个流动型式使用所述网络的至少两个不同的流动路径来驱动所述冷却流体。
通过将多个液压互连腔布置为网络，例如阵列，利用多个流动通过网络根据需要在这些腔之间转移热，而进行更有效率的冷却。特别是，通过利用至少两个不同散热腔，可以与多个流动型式相关地以交替方式将热分散到替代的散热腔。
根据第一方面的另一实施例，至少一个散热腔包含至少一个薄膜，其耦合到所述至少一个致动器用于致动该至少一个薄膜，以驱动所述冷却流体流出或流入所述至少一个散热腔。通过利用耦合到致动器的薄膜，至少一个散热腔作用为泵，以驱动冷却流体流入或流出散热腔。
根据第一方面的另一实施例，冷却设备包含至少一个第一温度传感器，用以感测所述热产生组件的温度，所述至少一个第一温度传感器耦合到所述控制器，且所述控制器适于基于所感测的所述热产生组件的温度产生至少一个控制信号。通过提供并利用第一温度传感器，其提供从热产生组件到控制器的反馈，冷却设备的冷却性能可适于热产生组件的实际温度。
在这种情况下，所述冷却设备优选还包含至少一个第二温度传感器，用以感测所述至少一个散热腔的温度，所述至少一个第二温度传感器耦合到所述控制器，且所述控制器适于基于所感测的所述至少一个散热腔的温度产生至少一个控制信号。通过提供并利用第二温度传感器，其提供从散热腔到控制器的反馈，冷却设备的冷却性能可适于热产生组件和散热腔之间的实际温度差异。
根据第一方面的另一实施例，热产生组件包含多个区域及相关的温度传感器，所述多个温度传感器耦合到所述控制器，且所述控制器适于识别对应于所述多个区域的至少一个区域的至少一个热点，所述至少一个热点特征在于，具有的温度高于所述多个区域的平均温度，且所述控制器还适于基于至少一个识别的热点产生至少一个控制信号，使得所述冷却流体的流动在至少一个流动型式下被导向所述至少一个热点。
通过利用多个温度传感器识别热点，控制器可考虑热产生组件所产生热的空间分布，使得控制器产生导向热点的流动型式。
根据第一方面的另一实施例，所述散热器包含多个区域及相关的温度传感器，所述多个温度传感器耦合到所述控制器，且所述控制器适于识别所述散热器的至少一个冷区域，所述至少一个冷区域的特征在于，具有的温度低于所述多个区域的平均温度，且所述控制器还适于基于至少一个识别的冷区域产生至少一个控制信号，使得所述冷却流体的流动在至少一个流动型式下源自所述至少一个冷区域。
通过利用多个温度传感器识别散热器的冷区域，控制器可考虑散热器的散热空间分布，使得控制器产生源自冷区域的流动型式。
根据第一方面的另一实施例，所述散热器包含用于所述冷却流体的至少两个物理分离的流动路径，在第一流动型式，驱动所述冷却流体利用第一流动路径通过所述吸热腔，在第二流动型式，驱动所述冷却流体利用第二流动路径通过所述吸热腔。
通过利用冷却流体的物理分离的冷却路径，与不同流动型式相关联地，用于特定流动型式的冷却流体不与分离的流动型式的冷却流体混合，而改善互连的散热腔和吸热腔网络的热分布。
根据本发明第二方面的实施例，提供一种一体散热器。该一体散热器包含：至少一个吸热腔，具有第一表面，用于与热产生组件联结；至少一个散热腔，具有第二表面，用于与外部冷却剂联结，所述第二表面大于所述第一表面。所述散热器还包含冷却流体，至少部分地填充所述至少一个吸热腔及所述至少一个散热腔；至少一个流体互连，在所述至少一个吸热腔和所述至少一个散热腔之间；以及至少一个泵组件，用于利用所述冷却流体的强制移动，在所述至少一个吸热腔和所述至少一个散热腔之间产生多个流动型式。
通过提供包含至少一个吸热腔、至少一个散热腔、冷却流体、至少一个流体互连、以及至少一个泵组件的一体散热器，用以在腔之间产生不同流动型式，而产生热产生组件的自足冷却系统。
根据第二方面的另一实施例，所述至少一个泵组件包含至少一个薄膜，其布置于所述至少一个散热腔之中。通过在所述至少一个散热腔中提供薄膜，可实施一体散热器内部的泵机制。
根据第二方面的另一实施例，所述至少一个吸热腔或散热腔包含至少一个腔壁，所述腔壁具有表面强化特征，用于增加所述腔壁和所述冷却流体之间的热交换。所述墙壁将具有表面强化特征，例如网状结构，以增加通过散热器的热流动。
根据第二方面的另一实施例，所述吸热腔包含用于所述冷却流体的至少两个物理分离的流动路径。通过在至少一个吸热腔中提供至少两个物理分离的流动路径，可降低不同流动型式的冷却流体不期望的混合。
根据第二方面的另一实施例，所述吸热腔包含用于至少四个流体互连的至少四个端口，每个端口液压式连接到所述吸热腔的所述至少四个端口中的另一端口。通过将多端口吸热腔的每个端口与仅一个其它端口连接，可提供通过吸热腔的多个物理分离的流动路径。
根据本发明第三方面的实施例，提供了一种冷却热产生组件的方法，所述热产生组件与散热器的第一表面热接触，所述散热器具有包含冷却流体的多个腔。所述方法包含：确定所述第一表面或所述热产生组件的平均温度；确定所述热产生组件的至少一个热点的位置，所述至少一个热点具有高于所确定的平均温度的温度；将所确定的所述至少一个热点的位置映射到所述散热器的所述第一表面上的位置；产生至少一个第一控制信号，用于产生所述冷却流体通过所述多个腔穿过所映射的位置的第一流动型式；以及与所述至少一个第一控制信号交替地产生至少一个第二控制信号，用于产生所述冷却流体通过所述多个腔的第二流动型式，其使所述冷却流体返回到其初始位置。
通过执行根据第三方面的方法步骤，可实现对热产生组件的热点的有效冷却。
根据第三方面的另一实施例，在所述第二流动型式，所述冷却流体与所述第一流动型式交替地通过所述热点的所映射的位置。通过在第二流动型式中也通过映射到至少一个热点的位置，可实现对热点的持续冷却。
根据第三方面的另一实施例，所述方法还包含：确定所述多个腔中具有的温度低于所确定的平均温度的至少一个腔，其中，在产生至少一个第一控制信号的步骤中，所述冷却流体的所述第一流动型式源自确定具有低于平均温度的所述至少一个腔。通过使第一流动型式源自具有低于平均温度的腔，热源被冷却到可能的最低的温度。
附图说明
结合附图，参考以下根据本发明的对当前优选但示例性的实施例的详细说明，将更加了解本发明及其实施例。
图1为根据本发明实施例的通过冷却设备的截面示意图；
图2为根据本发明实施例的从上面通过一体散热器的截面示意图；
图3A至图3D示出根据本发明不同实施例的通过吸热腔的不同流动型式；
图4示出根据本发明实施例的包含若干热产生组件及冷却设备的刀片模块；
图5示出通过包含多个刀片的刀片系统的截面示意图；
图6为包含多个薄形刀片的刀片系统的截面示意图；
图7为包含多个热产生组件的热网络的示意图；
图8为根据本发明实施例的具有两个分离流动路径的散热腔的示意图；
图9为根据本发明实施例的具有四个分离流动路径的散热腔的示意图；以及
图10为根据本发明实施例利用图8的散热腔的冷却设备的示意图。
在附图中，相同的标号在不同实施例中用以表示类似的部件。此外，附加的字母形式的后缀用以区分类似部件群组中的各个部件。在对应说明中没有进行的区分的情况下，则可表示群组中的任何部件。
具体实施方式
图1显示通过冷却设备的截面示意图，该冷却设备包含处理器1、散热器2、以及两个致动器3a及3b。致动器3连接到控制器19并由其驱动，控制器19可为热冷却设备或处理器1的一体部分，或从其分开。处理器1安装于插槽4中，插槽4还包含电接触用以为处理器1提供电能和数据。典型地，处理器1将包含大量的接触，例如布置在所谓球栅阵列(BGA)中的数百个接触。处理器1还可通过任何其它已知技术直接或间接安装于印刷电路板(PCB)上。
处理器1具有上表面5，其用以驱散处理器1中包含的晶体管和其它电路所产生的能量。处理器1的上表面5与散热器2的第一表面6直接物理接触和热接触。上表面5和第一表面6尺寸大约相匹配，且具有例如大约1cm2的面积。散热器2还包含多个空气翅片7，其共同提供第二表面8。第二表面8远大于第一表面6。举例而言，散热器的足印约100cm2时，第二表面8可包含约1000cm2的面积。第二表面8可由图1未示出的冷却风扇来冷却。
为了允许从第一表面6向第二表面8的快速且高效的热转移，散热器2包含吸热腔9及两个散热腔10a和10b。吸热腔9和散热腔10a和10b由流体互连11a及11b液压式连接。致动器3a和3b可产生例如从散热腔10a通过吸热腔9到散热腔10b的流动。如图1所示，吸热腔9优选位于物理邻近热产生组件，在该例为处理器1，以降低其间的热阻。在呈现的实例中，吸热腔9通过相对薄的腔壁与处理器1的上表面5分隔。
在一个实例中，致动器3a将产生过压，而致动器3b将在冷却流体13中产生低压，至少部分地填充吸热腔9和散热腔10，导致在图1所示的冷却设备中由左到右的流动。在后续时期，致动器3b可产生过压，而致动器3a将产生低压，使得冷却流体13从散热腔10b通过吸热腔9流回到散热腔10a。通过将冷却流体13从一个散热腔10a移动到另一个散热腔10b，热可以期望的效率从第一表面6转移到第二表面8。
虽然图1显示冷却设备包含两个散热腔10a和10b，替代地，可使用连接到吸热腔9的单个散热腔10。举例而言，薄膜可以在单个散热腔10中分隔热的和冷的冷却流体13，所述冷却流体同时利用两个流体互连11a和11b泵送流入和流出吸热腔9。此外，取代利用两个致动器3a及3b，可利用单个致动器3和一个或更多排出口，以产生通过吸热腔9的两个或更多不同的流动型式。
在图1所呈现的设备中，吸热腔9和散热腔10a及10b都包含网状结构12，其增加这些腔的内表面并增加流体结构互动。于是，从散热器2的固体部分(特别是第一表面6)到冷却流体13的热转移，以及从冷却流体13到第二表面8的热转移大大增加。网状结构12可适于每个腔的形状及特性。举例而言，高密度网状结构12可用于相对较小的吸热腔9，而较低密度网状结构12可用于较大的散热腔10。
此外，散热器2的固体部分14有助于进一步从第一表面6到第二表面8分散热。特别是在冷却流体13的流动被阻挡或降低的情况下，处理器1的冷却可通过从第一表面6到散热器2的中央区域中布置的空气翅片7的热传导来实现。
图2显示从上面通过一体散热器2的截面示意图。散热器2包含在中心的一个吸热腔9，以及四个散热腔10a到10d。吸热腔9通过流体互连11a到11d连接至四个散热腔10a到10d。各流体互连11包含一体通道结构15及管区段16。通道结构15a到15d可蚀刻或冲压入散热器2的固体部分14中。管区段16可接合至固体部分14及散热腔10a到10d。
散热器2的不同部分可包含于单个板中，如图1所示，或包含于三个分离的板，两个上板17a和17b用于热分散，下板18用于热吸收，如图2所示。也就是，散热器2可为单个一体物理组件或包含两个或更多物理分离但互连单元的系统。
在下板18的吸热腔9和上板17a及17b的四个散热腔10a到10d之间的流体互连11a到11d可实现有效的热传导，该热传导比固态铜大40倍，这在第一表面6(其与处理器1的上表面5或任何其它热生组件接触)和第二表面8(例如附接到由强制空气对流所冷却的上板17a和17b的空气翅片7)之间产生热短路。此外，通过流体互连11，可得到向散热器2的最外面区域(即远离热产生组件)热传递的较低阻力。
为了促进改善从第一表面6到冷却流体13的热转移，网状结构12可蚀刻、电镀、模铸、或冲压入吸热腔9。同样地，网状结构12可形成于每个散热腔10a到10d中。整合至吸热腔9的网状结构12可物理连接腔的两个相对壁，因而产生从第一表面6到空气翅片7的额外热传导路径。在US2007/0017659 A1中进一步详细描述了此种和类似的网状结构12，也称为表面强化特征，上述专利通过援引纳入本文。
在图2所呈现的实例中，每个散热腔10a到10d包含薄膜20，其通过类活塞部件连接到内部或外部致动器3。通过在散热腔10中上下移动薄膜20，可在该散热腔中产生过压或低压。举例而言，如果在散热腔10a中产生过压，而在散热腔10c中产生低压，冷却流体13可产生从散热腔10a通过流体互连11a、吸热腔9、以及流体互连11c到散热腔10c的流动。替代地，薄膜20或其它泵送部件还可位于与散热腔10分开的组件中。
假设散热腔10a处呈现的冷却流体13相当冷，特别是其具有的温度低于散热器2其它区域中冷却流体13的温度，则产生冷却流体13的第一流动，其非常快地到达第一表面6，即仅利用中等泵位移和进而的功率，而在其途中没有显著的加热。实现中等泵位移的使用可归因于互连11a的低表面与体积比，其非网状的，与具有低表面与体积比的互连11a的热交换区域10a和9形成对比。此外，将在吸热腔9中加热到相对高的温度的冷却流体13，非常高效地传输到散热腔10c，沿窄的流体互连11c并无实质温度降低。因为吸热腔9和相对冷的冷却流体13之间的温度差异大，反之则是散热腔10c和相对暖的冷却流体13之间的温度差异大，所以热非常快速并高效地从第一表面6传走。
在上述实例中，加热的冷却流体13可暂时地保持在散热腔10c中，而产生例如从散热腔10b到散热腔10d的第二流动。利用多流动型式具有以下优点，部分的冷却流体13可以停留在一个散热腔中，例如散热腔10c，而通过吸热腔9的冷却流体13的流动可维持不中断，因而持续地冷却散热器2的第一表面6。
图1和图2中呈现的散热器2的设计包含相对大的固体部分14及相对窄的流体互连11。特别是，固体部分14相比于流体互连11占据了下板18的所示截面的更大的面积。这具有以下的附加优势，即使冷却流体13的流动被阻挡，例如因为一个或几个致动器3无效或故障，因为部分冷却流体13从一体散热器2漏走，或因为流体互连11之一被挡住，通过固体部分14之内的热传导仍可发生从第一表面6的热分散。因此，虽然在这种情况下散热器2的整体效应将大幅下降，但仍可为第一表面6上布置的热产生组件提供有限的冷却。
目前为止，描述了从热源将热散布到吸热腔9的相对大的第一表面6。然而，实际上，许多热产生装置沿其上表面5具有非均匀的热分布。举例而言，处理器1包含算术逻辑单元或处理器核心以及相对较大的高速缓冲存储器，其占据比处理器核心更大的面积。处理器1在对应于处理器核心的区域中将产生比对应于高速缓冲存储器的区域中大得多的热。相对地，高速缓冲存储器将占据有待冷却的上表面5的大部分面积。结果，热产生组件可包含一个或几个所谓的“热点”，其温度高于热产生组件的平均温度。举例而言，可确定在上表面5的不同区域中所测量的若干个温度的算术平均值。将这样的区域识别为热点，该区域具有的温度高于所确定的算数平均值预定义的绝对或相对量，例如高于5℃或高于测量温度的确定标准偏差。替代地，可确定温度分布的一个或若干个最大值。
图3A到图3D显示通过吸热腔9的不同流动型式，其可用以为许多热点产生有效的冷却流动。特别是，图3A显示布置在第一表面6的区域中的吸热腔9。第一表面6可对应于例如安装在第一表面6上的半导体芯片的晶片尺寸。流体互连11a到11d作为吸热腔9的入口及出口，并分别耦合到致动器3a到3d，虽然并未显示于图3A到3D。此外，固体部份14分隔吸热腔9内不同的流体路径，并且还作为热导体及表面强化特征。
在图3A所示的实例中，产生从流体互连11a及11b(作为流体入口)到流体互连11c及11d(作为流体出口)的第一流动型式。在图3A中未示出的第二流动型式为所示流动型式的反向，即流体互连11c及11d作为流体入口而流体互连11a及11b作为流体出口。因此，有效地产生在第一相中从左流到右而在第二相中从右流到左通过吸热腔9的振荡流动型式。
在第一表面6上呈现两个热点21a和21b。由于中心固体部份14和吸热腔9中冷却流体13内的压力分布轮廓，产生通过热点21a和21b的冷却流体13的相对快速的第一流动。第一流动具有的流速高于吸热腔9内冷却流体13的平均流速。布置在例如左、中心以及右固体部分14之间的相对冷的区域接收冷却流体的第二流动，其具有比第一流动更低的流速，并且不如所述的流动型式有效率地被冷却。相对地，需要实施高得多的泵送功率，来等同地冷却第一表面6的所有区域，造成整体冷却系统效能较差。
图3B显示具有四个热点21a到21d的第一表面6的不同配置。这里，利用不同流动型式来冷却热点21。在所示流动型式实例中，两个相对的流体互连11a及11d作为流体入口，而剩余的流体互连11b及11c作为流体出口。在所示实例中，冷却流体13的流动被中心固体部分14分岔开，于是在第一相中产生穿过所有热点21a到21d的冷却流体13的流动。在第二相，将图3B所示的流动方向反向，使得流体入口11a及11d作为流体出口，而流体互连11b及11c作为流体入口。如图3B进一步所示，可随着时间改变振荡轴，造成转动和振荡流动型式。举例而言，振荡轴可从第一对角方向经由水平方向和第二对角方向改变为垂直方向等。
图3C显示具有四个热点21a到21d的第一表面6的另外配置。在此配置中，布置在吸热腔9中心区域的固体部分14产生内部通道22a到22d。在所示配置中，第一内部通道22a导引冷却流体13穿过两个热点21a及21b，而第二内部通道22b导引冷却流体13穿过两个热点21c及21d。
在第一流动型式中，其类似于图3A所示的流动型式，冷却流体13从左到右泵送。在第二流动型式，冷却流体13的流动为反向，也就是，产生从右到左的流动。因此，在第一相，更有效率地冷却热点21a及21c，因其最靠近流体入口。热点21b及21d的冷却效率较差，因为当冷却流体13到达它们的位置时，已经被热点21a及21c预热过，而降低了进一步吸热的能力。在第二相，则相反，热点21b及21d的冷却效率较好，因其最靠近流体入口。
图3D显示第一表面6包含八个热点21的吸热腔9的另外配置。在图3D所示的配置中，每一个内部通道22中出现有两个热点21。此外，内部通道22在热点21的地方比在其它地方更窄，造成穿过热点21的加速流动。用以冷却所有热点21的流动型式类似于参照图3B所描述的型式。
取代于如图3C及图3D所示形成分离的内部通道22，可在靠近热点21的区域增加网状结构12的密度，并在第一表面的较冷区域降低上述密度。以此方式，冷却流体13的流速可适合于热产生组件的变化的冷却需求。
图3A及图3B的吸热腔9和流体互连11的物理配置与图3C及图3D所示的相同。这意味着，连接到冷却设备的控制器19可通过调适提供到致动器3的一个或若干控制信号，而从一个流动型式(例如线性流动型式)切换到另一流动型式(例如放射状流动型式)。特别是，图3A及图3B，或图3C及图3D所述的状况，可用于在不同的操作模式下操作相同的热产生组件。举例而言，具有多个处理器核心的处理器1并不是在所有时间都使用所有的处理器核心，这造成其上表面5处的不同的热分布。
操作冷却设备的方法可用来计算致动器3的控制信号，其在散热器2中使冷却流体13产生不同的流动。此类方法可用以根据需要调适冷却设备的配置。此方法可通过硬件或软件或其组合来实施，例如专用设计的控制器19或通用处理器1执行从某些存储介质(例如RAM、ROM或磁存储介质体)加载的计算机代码。
根据先进实施例，在热产生组件中，例如在处理器1的晶片上或其附近，包含一个或若干热传感器，其感测第一表面6的温度。此信息可提供给控制器19，其提供信号给致动器3，因而控制通过吸热腔9的流动型式。举例而言，如果控制器19识别出图3A所示配置中示出的热点21a比下部的热点21b要热得多，则相比于提供给致动器3b和3d的泵送驱动信号，将相对更高的泵送驱动信号提供给致动器3a和3c，因而使所用的整体流动型式适于当前需求。
替代地，或此外，还可以在散热器2、吸热腔9、或散热腔10上或其中提供温度传感器。提供给控制器19的温度信息可用以识别散热器2的较冷区域，其可用作为冷却流体13的源来冷却热点21。以此方式，例如通过确定散热器哪侧提供冷空气或液体作为二次冷却，控制器可自动地确定最佳配置。
图4显示所谓刀片(blade)26的顶视图和截面图，其为计算机印刷电路板，具有约30mm高的特别薄的形状因子(form factor)。图4显示散热器2的可能配置，其特别适于冷却刀片26的热产生组件。在此配置中，包含散热腔10的上板17布置在冷却板23上，冷却板23与印刷电路板24相对，印刷电路板24载有一个或若干热产生组件。冷却板23作为图4所示设备的散热区域，即，在刀片26操作期间，热从热产生组件转移到冷却板23，热产生组件具有高于冷却板23的温度。上板17相对于印刷电路板24的尺寸延伸出一宽大区域，且在印刷电路板24上安装的组件的最高表面上方具有垂直空隙(clearance)。
在图4所示实例中，仅有布置在散热器2中心的中央处理器1与第一表面6在散热器2的吸热腔9的区域中热接触。吸热腔9利用四个流体互连11热耦合到冷却板23。此外，二级热源25(例如逻辑芯片)与导热材料(例如铜)所制的空气翅片7热接触，其将二级热源25耦合到上板17。
薄膜20及致动器3布置在冷却板23周边，且可在上板17内产生振荡且选择性方位转动的流动型式。此外，流体互连11在上板17和下板18之间产生通道，下板18包含处理器1区域中的吸热腔9。以此方式，处理器1的上表面5上呈现的热点可以通过相对快速的冷却流体13流动来非常有效地冷却，而将热散布于具有大的多的横截面积的冷却板23的范围则导致较慢的流动。
此外，冷却可通过不同方式或其组合达成。特别是，图4所示的刀片26可由通过空气翅片7的气流30来冷却。在所示实例中，气流30还用于冷却三级热源31，其具有分离的翼式空气冷却器和存储器模块32。此外或替代地，可通过来自冷却板23的热传导或辐射来执行冷却，冷却板23可布置在例如刀片笼架或进一步的热交换器的底座部分上。
图5显示包含若干刀片26的计算机系统的配置。如图5所示，刀片26的冷却板23被布置成顶部对顶部，并由刀片笼架28的冷板27分隔。刀片笼架28的冷板27包含二级冷却电路，例如水冷却系统。冷板27包含具有的温度低于冷却板23温度的冷却剂，其将热从刀片26的散热器的冷却板23传递到外部冷却器。同时，笼架28和刀片26之间不需要流体连接，容许各个刀片26的直接插入和移除。以此方式，可以构建并有效冷却包含大量刀片26的计算机系统。选择性地，刀片可布置成底部对顶部，或在印刷电路板两侧都具有较高功率耗散组件，以进一步增加集成密度。
图6显示包含多个所谓薄形状因子的刀片26的另一刀片系统。薄形状因子的刀片的高度少于30mm，使得图5所示布置可能无法用于部分空气冷却。因此，根据图5，实际上所有耗散在印刷电路板24上的热，通过冷却流体13直接从热产生组件转移到冷板27，即不利用单独的下板18或空气翅片7。为了优化来自处理器1的热通量，在其区域中使用高密度网12a作为吸热腔9，而在另一区域中使用较低密度网12b作为散热腔10。吸热腔9和耗散腔10结合在一个散热器平面，其平均地分散热负载，使其能有效地转移透过散热器和冷板27之间的热界面。利用这样的布置，刀片组件和刀片间距可竖直地压缩到每个印刷电路板约5mm，如果电路板两侧皆安装有组件及散热器平面。
图7显示包含多个热源的热网络。在此布置中，多个吸热腔9和散热腔10可通过多个流体互连11来互连。多个薄膜泵29连接到热网络，并容许产生通过网络的多个流动型式。以此方式，可有效地控制类似阵列结构的吸热腔9和散热腔10，以将数个热产生组件(例如处理器1和二级热源25)产生的热分散到相对较大的区域。热可均匀地分散于整个热网络，或替代地，被导向冷却能力增加的区域。举例而言，较高体积的冷却流体13可泵送到靠近冷却空气入口的散热腔10。
依据阵列的实际布局，不需要针对每个散热腔10实施单独的薄膜泵29。举例而言，第一列包含薄膜泵29a、散热腔10a和10c、以及吸热腔9a，而第二列包含薄膜泵29b、散热腔10b及10d、以及吸热腔9b，第一列和第二列共同操作，共享两个薄膜泵29a及29b。这可通过利用流体互连11(特别是管区段16)连接下散热腔10c及10d而实现。在此方式中，冷却流体13从散热腔10a经由第一吸热腔9a泵送到散热腔10c，冷却流体13还从散热腔10d经由第二吸热腔9b泵送到散热腔10b。
同时，或替代此冷却流体13的流动，可通过薄膜泵29c及29d产生对应于网络的行的另一流动型式。这将会冷却被置于那个行中的两个处理器1及两个二级热源25。吸热腔9c及9d可配置成与吸热腔9a及9b不同，以使其适于二级热源25的热要求。在所示实例中，它们连接到两个流体互连11，而吸热腔9a及9b的每一个连接到四个流体互连11。此外，散热腔10g及10h小于图7所示的其它散热腔10，因为二级热源25产生减少的热。一般而言，取代或除了使冷却流体13所用的流动路径适于不同流动型式，还可通过控制器19使泵送通过吸热腔9或散热腔的冷却流体13的量适于不同流动型式。
图8显示吸热腔9的替代设计。特别是，根据图8的吸热腔9包含两个单独的流动路径33a及33b，其物理地彼此分离，但又都与吸热腔9的热点21热接触。热点21可布置于流动路径33a及33b会聚的中心区域。吸热腔9包含四个流体端口34a到34d，其分别作为第一和第二流动路径33a及33b的流体入口和流体出口。
通过交替致动沿第一流动路径33a的第一流动与沿第二流动路径33b的第二流动，可实现从热点21的放射状热分布。也就是，虽然第一和第二流动为交替的，但热点21持续地被冷却。
图9显示根据本发明实施例的吸热腔9的另一实施例。特别是，根据图9的吸热腔9包含四个单独的区域35a到35d，其通过分隔壁36彼此物理地分隔。区域35a到35d每一个包含两个流体端口34，其作为到特定区域的入口及出口。
图9所示吸热腔9的实施例表示具有四个隔离流动路径33的八端口放射吸收器。根据图9的流动路径33都是放射状地且水平地分布。举例而言，沿流动路径33a及33c的第一和第三流动可以在第一流动型式中实现，而冷却流体13的第二及第四流动可在沿流动路径33b及33d的第二流动型式中实现。
可使用交替的控制信号用以实施通过图9所示的吸热腔9的更复杂的流动型式。举例而言，在第一四相流动型式中，每个区域35a到35d可提供有冷却流体13，在各相中顺序环绕腔。在替代的四相流动型式中，在第一相中吸热腔9的第一和第三区域35a及35c可提供有沿第一方向的冷却流体13，接着在第二相中向第二和第四区域35b及35d提供冷却流体13。在第三和第四相，重复第一和第二相的流体型式，但冷却流体13的流动取向相反。
图10显示利用根据图8的吸热腔9的冷却设备。吸热腔9的四个流体端口34a到34d连接到四个散热腔10a到10d。利用与散热腔10a到10d连接的致动器3a到3d，通过以交替方式驱动致动器3a和3c以及致动器3b和3d，实现从吸热腔9的周期性放射状有效热分散。
虽然参考上述不同实施例描述了冷却设备的不同方面和特征，然而本领域技术人员可将本文公开的任何特征与其他特征或其组合相结合。特别是，参考单个吸热腔9所描述的流动型式，还可用于互连了多个吸热腔9的网络或阵列，反之亦然。
此外，虽然为方便说明参考单平面架构描述了上述冷却设备，但相同或类似的技术可应用于多层级设计，其中若干热产生组件可彼此堆叠，而由包含一个或若干吸热腔9的冷却板分隔。

Claims (19)

1.一种冷却设备，包含：
散热器(2)，包含第一表面(5)、第二表面(8)、至少一个吸热腔(9)以及至少一个散热腔(10)，所述至少一个吸热腔(9)与所述第一表面(5)热接触，所述至少一个散热腔(10)与所述第二表面(8)热接触并液压式耦合到所述至少一个吸热腔(9)；
至少一个热产生组件(1)，布置为与所述散热器(2)的第一表面(5)热接触；
冷却流体(13)，至少部分填充所述吸热腔(9)及所述散热腔(10)；
至少一个致动器(3)，用于驱动所述冷却流体(13)；以及
控制器(19)，用于为所述至少一个致动器(3)产生至少一个控制信号，使得可利用多个流动型式驱动所述冷却流体(13)通过所述至少一个吸热腔(9)，
其中所述冷却设备包含至少一个第一温度传感器，用以感测所述热产生组件的温度，所述至少一个第一温度传感器耦合到所述控制器(19)，且所述控制器(19)适于基于所感测的所述热产生组件的温度产生至少一个控制信号。
2.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述冷却流体(13)在所述至少一个吸热腔(9)和所述至少一个散热腔(10)之间振荡。
3.如权利要求2所述的冷却设备，其中，所述散热器(2)包含两个散热腔(10a，10b)以及至少两个致动器(3)，且所述控制器(19)适于利用两个不同流动型式驱动所述冷却流体(13)，其中，在第一流动型式，产生从第一散热腔(10a)通过所述至少一个吸热腔(9)到第二散热腔(10b)的流动，并且在第二流动型式，产生从所述第二散热腔(10b)通过所述至少一个吸热腔(9)到所述第一散热腔(10a)的流动。
4.如权利要求2所述的冷却设备，其中，所述散热器(2)包含四个散热腔(10a，10b，10c，10d)以及至少两个致动器(3)，且所述控制 器(19)适于利用四个不同流动型式驱动所述冷却流体(13)，其中，在第一流动型式，产生从第一散热腔(10a)通过所述至少一个吸热腔(9)到第三散热腔(10c)的流动，在第二流动型式，产生从第二散热腔(10b)通过所述至少一个吸热腔(9)到第四散热腔(10d)的流动，在第三流动型式，产生从第三散热腔(10c)通过所述至少一个吸热腔(9)到第一散热腔(10a)的流动，并且在第四流动型式，产生从第四散热腔(10d)通过所述至少一个吸热腔(9)到第二散热腔(10b)的流动。
5.如权利要求2所述的冷却设备，其中，所述散热器(2)包含多个散热腔(10)，该多个散热腔(10)具有多个致动器(3)，其以基本放射布置的方式环绕所述至少一个吸热腔(9)布置，且所述控制器(19)适于利用多个不同流动型式驱动所述冷却流体(13)，产生该冷却流体(13)通过所述至少一个吸热腔(9)的基本放射状振荡的流动。
6.如权利要求1所述的冷却设备，其中，所述散热器(2)包含液压式互连腔的网络，该液压式互连腔的网络包含所述至少一个吸热腔(9)及至少两个散热腔(10)，该网络包含多个流动路径，每个流动路径连接到至少一个致动器(3)，所述控制器(19)适于利用多个流动型式使用所述网络的至少两个不同的流动路径来驱动所述冷却流体(13)。
7.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述至少一个散热腔(10)包含至少一个薄膜(20)，其耦合到所述至少一个致动器(3)用于致动该至少一个薄膜(20)，以驱动所述冷却流体(13)流出或流入所述至少一个散热腔(10)。
8.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述冷却设备还包含至少一个第二温度传感器，用以感测所述至少一个散热腔(10)的温度，所述至少一个第二温度传感器耦合到所述控制器(19)，且所述控制器(19)适于基于所感测的所述至少一个散热腔(10)的温度产生至少一个控制信号。
9.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述热产生组件包含多个区域及相关的温度传感器，所述多个温度传感器耦合到所述控制器(19)，且所述控制器(19)适于识别对应于所述多个区域的至少一个区域的至少 一个热点(21)，所述至少一个热点(21)特征在于，具有的温度高于所述多个区域的平均温度，且所述控制器(19)还适于基于至少一个识别的热点(21)产生至少一个控制信号，使得所述冷却流体(13)的流动在至少一个流动型式下被导向所述至少一个热点(21)。
10.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述散热器(2)包含多个区域及相关的温度传感器，所述多个温度传感器耦合到所述控制器(19)，且所述控制器(19)适于识别所述散热器(2)的至少一个冷区域，所述至少一个冷区域的特征在于，具有的温度低于所述多个区域的平均温度，且所述控制器(19)还适于基于至少一个识别的冷区域产生至少一个控制信号，使得所述冷却流体(13)的流动在至少一个流动型式下源自所述至少一个冷区域。
11.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述散热器(2)包含用于所述冷却流体(13)的至少两个物理分离的流动路径，在第一流动型式，驱动所述冷却流体(13)利用第一流动路径通过所述吸热腔(9)，在第二流动型式，驱动所述冷却流体(13)利用第二流动路径通过所述吸热腔(9)。
12.一种冷却设备，包含：
一体散热器(2)，该一体散热器(2)包含：
至少一个吸热腔(9)，具有第一表面(5)，用于与热产生组件联结；
至少一个散热腔(10)，具有第二表面(8)，用于与外部冷却剂联结，所述第二表面(8)大于所述第一表面(5)；
冷却流体(13)，至少部分地填充所述至少一个吸热腔(9)及所述至少一个散热腔(10)；
至少一个流体互连(11)，在所述至少一个吸热腔(9)和所述至少一个散热腔(10)之间；以及
至少一个泵组件，用于利用所述冷却流体(13)的强制移动，在所述至少一个吸热腔(9)和所述至少一个散热腔(10)之间产生多个流动型式；
冷却流体(13)，至少部分填充所述吸热腔(9)及所述散热腔(10)；
至少一个致动器(3)，用于驱动所述冷却流体(13)；以及 
控制器(19)，用于为所述至少一个致动器(3)产生至少一个控制信号，使得可利用多个流动型式驱动所述冷却流体(13)通过所述至少一个吸热腔(9)，
其中所述冷却设备包含至少一个第一温度传感器，用以感测所述热产生组件的温度，所述至少一个第一温度传感器耦合到所述控制器(19)，且所述控制器(19)适于基于所感测的所述热产生组件的温度产生至少一个控制信号。
13.如权利要求12所述的一体散热器(2)，其中所述至少一个泵组件包含至少一个薄膜(20)，其布置于所述至少一个散热腔(10)之中。
14.如权利要求12或13所述的一体散热器(2)，其中所述至少一个吸热腔(9)或散热腔(10)包含至少一个腔壁，所述腔壁具有表面强化特征，用于增加所述腔壁和所述冷却流体(13)之间的热交换。
15.如权利要求12至13中任一项所述的一体散热器(2)，其中所述吸热腔(9)包含用于所述冷却流体(13)的至少两个物理分离的流动路径。
16.如权利要求15所述的一体散热器(2)，其中所述吸热腔(9)包含用于至少四个流体互连(11)的至少四个端口，每个端口液压式连接到所述吸热腔(9)的所述至少四个端口中的另一端口。
17.一种冷却热产生组件的方法，所述热产生组件与散热器(2)的第一表面(5)热接触，所述散热器(2)具有包含冷却流体(13)的多个腔，一控制器(19)用于为用于驱动所述冷却流体(13)的至少一个致动器(3)产生至少一个控制信号，使得可利用多个流动型式驱动所述冷却流体(13)通过所述至少一个吸热腔(9)其中所述冷却设备包含至少一个第一温度传感器，用以感测所述热产生组件的温度，所述至少一个第一温度传感器耦合到所述控制器(19)，且所述控制器(19)适于基于所感测的所述热产生组件的温度产生至少一个控制信号，所述方法包含：
确定所述第一表面(5)或所述热产生组件的平均温度；
确定所述热产生组件的至少一个热点(21)的位置，所述至少一个热 点(21)具有高于所确定的平均温度的温度；
将所确定的所述至少一个热点(21)的位置映射到所述散热器(2)的所述第一表面(5)上的位置；
产生至少一个第一控制信号，用于产生所述冷却流体(13)通过所述多个腔穿过所映射的位置的第一流动型式；以及
与所述至少一个第一控制信号交替地产生至少一个第二控制信号，用于产生所述冷却流体(13)通过所述多个腔的第二流动型式，其使所述冷却流体(13)返回到其初始位置。
18.如权利要求17所述的方法，其中在所述第二流动型式，所述冷却流体(13)与所述第一流动型式交替地通过所述热点的所映射的位置。
19.如权利要求17或18所述的方法，还包含：确定所述多个腔中具有的温度低于所确定的平均温度的至少一个腔，其中，在产生至少一个第一控制信号的步骤中，所述冷却流体(13)的所述第一流动型式源自确定具有低于平均温度的所述至少一个腔。 
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