CN115379714A - 用于芯片的基于多个通道的冷却设备 - Google Patents

Abstract

公开了用于冷却芯片的多通道冷板，其中，第一组冷却通道作为主冷却通道，并且第二组冷却通道作为次和/或备用冷却通道。两组冷却通道彼此流体地隔离，使得来自一组通道的冷却流体无法与另一冷却通道的冷却流体流动或混合。当散热需求增加或当主冷却通道不能适当管理芯片的热条件时，可以操作次冷却通道。

Description

用于芯片的基于多个通道的冷却设备

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及先进的微芯片(诸如在数据中心内的服务器中使用的微芯片)的增强的且可靠的冷却。

背景技术

冷却是计算机系统和数据中心设计中的突出因素。封装在服务器内部的诸如高性能处理器的高性能电子部件的数量稳定地增加，从而增加了在服务器的正常操作期间产生和耗散的热量。这些处理器的正常操作高度依赖于其产生的热量的可靠移除。由此，处理器的适当冷却可以提供高的整体系统可靠性。

电子设备冷却对于计算硬件和诸如CPU服务器、GPU服务器、存储服务器、联网设备、边缘和移动系统、车载计算盒等的其它电子设备是非常重要的。所有这些设备和计算机都用于关键业务，并且是公司日常业务运营的基础。需要改进硬件部件和电子设备封装的设计以持续地支持性能要求。这些电子设备冷却变得越来越具有挑战性，通过持续地提供经过适当设计和可靠的热环境来确保这些电子设备的适当工作。

许多先进的芯片，尤其是高功率密度芯片，需要液体冷却。这些芯片非常昂贵，因此需要尽最大努力来确保从这些芯片的适当散热。而且，液体冷却设备必须是高度可靠的，因为任何不规则散热都可能导致芯片的损失，从而导致在替换操作期间可用处理时间的损失，并且甚至可能影响由损失的芯片处理的服务水平协议。

虽然液体冷却解决方案必须提供所需的热性能和可靠性，但是由于数据中心可能具有数千个需要液体冷却的芯片，必须保持所以液体冷却系统的成本是可接受的。液体冷却系统的成本可包括引入冗余以提高可靠性的成本。另外，由于不同的芯片具有不同的冷却要求，因此期望提供可适应于这些不同要求的冷却设计。

发明内容

为解决现有技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种用于冷却微芯片的冷板、一种用于冷却微芯片的冷却系统。

本发明提出一种用于冷却微芯片的冷板，包括导热板组件，所述导热板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，并且还具有进口端口和返回端口，其中所述进口端口用于将冷却流体递送到所述第一组冷却通道，所述返回端口用于从所述第一组冷却通道移除蒸汽，并且其中，所述第二组冷却通道与所述第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自所述第一组冷却通道的所述冷却流体流入所述第二组冷却通道。

在一些实施方式中，所述第二组冷却通道包括多个隔离的独立密封腔，每个密封腔形成两相蒸发和冷凝室。

在一些实施方式中，每个所述隔离的独立密封腔包括芯吸块。

在一些实施方式中，所述第二组冷却通道包括联接到冷却流体入口和返回出口的多个次冷却通道。

在一些实施方式中，所述第一组冷却通道的每个所述冷却通道包括翅片，并且所述第二组冷却通道的每个所述冷却通道不具有翅片。

在一些实施方式中，所述第一组冷却通道中的所述冷却通道与所述第二组流体通道中的所述冷却通道交错。

在一些实施方式中，所述第一组冷却通道中的所述冷却通道的横截面具有与所述第二组冷却通道中的所述冷却通道的对应横截面不同的尺寸。

在一些实施方式中，所述第一组冷却通道中的所述冷却通道的覆盖区具有与所述第二组冷却通道中的所述冷却通道的对应覆盖区不同的尺寸。

在一些实施方式中，所述导热板组件包括：接触板；上板；芯部，所述芯部夹在所述接触板与所述上板之间，其中，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道形成在所述芯部内；以及主冷却流体供应歧管，所述主冷却流体供应歧管形成在所述接触板或所述上板中的一个中。

在一些实施方式中，所述芯部包括形成波纹的交替的脊和槽。

在一些实施方式中，所述波纹是偏斜的，使得所述第一组冷却通道中的冷却通道具有与所述第二组冷却通道中的所述冷却通道不同的尺寸。

在一些实施方式中，所述冷板还包括形成在所述接触板或所述上板中的一个中的次冷却流体供应歧管；并且其中，所述主冷却流体供应歧管流体地联接到所述第一组冷却通道，并且所述次冷却流体供应歧管流体地联接到所述第二组冷却通道。

在一些实施方式中，所述第一组冷却通道构造用于选自泵送单相冷却、泵送两相冷却、无泵单回路热虹吸冷却的热循环，并且所述第二组冷却通道构造用于选自泵送单相冷却、泵送两相冷却、无泵单回路热虹吸冷却的热循环，所述第二组冷却通道的所述热循环不同于所述第一组冷却通道的所述热循环。

在一些实施方式中，所述第二组冷却通道包括与递送到所述第一组冷却通道的所述冷却流体不同的次流体。

本发明还提出了一种用于冷却微芯片的冷却系统，包括：

冷板组件，所述冷板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，其中，所述第二组冷却通道与所述第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自所述第一组冷却通道的所述冷却流体流入所述第二组冷却通道中；

主冷凝器；

主供应管线，所述主供应管线流体地联接在所述主冷凝器与所述第一组冷却通道之间；

主返回管线，所述主返回管线流体地联接在所述主冷凝器与所述第一组冷却通道之间。

在一些实施方式中，所述的冷却系统，还包括：

次冷凝器；

次供应管线，所述次供应管线流体地联接在所述次冷凝器与所述第一组冷却通道之间；泵，所述泵联接到所述次供应管线；以及

次返回管线，所述次返回管线流体地联接在所述次冷凝器与所述第一组冷却通道之间。

在一些实施方式中，所述第二组冷却通道包括多个隔离的独立密封腔，每个密封腔均形成两相蒸发和冷凝室。

在一些实施方式中，所述冷板组件包括：接触板；上板；芯部，所述芯部夹在所述接触板与所述上板之间；其中，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道形成在所述芯部内。

在一些实施方式中，所述的冷却系统，还包括：至少一个进入歧管，所述至少一个进入歧管形成在所述接触板或所述上板中的一个中；和至少一个返回歧管，所述至少一个返回歧管形成在所述接触板或所述上板中的一个中。

在一些实施方式中，所述冷板组件还包括与所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道物理接触的至少一个热散发器。

附图说明

在附图中，通过示例而非限制的方式示出了本发明的实施方式，在附图中，同样的附图标记指代相似的元件。

图1是示出了根据一个实施方式的数据中心设施的示例的框图。

图2是示出了根据一个实施方式的电子机架的示例的框图。

图3是示出了根据一个实施方式的冷板构造的示例的框图。

图4是示出了根据实施方式的冷板的横截面的概念示意图。

图5是根据实施方式的具有波纹结构的冷板的总体示意图。

图6示出了根据实施方式的冷板，其中，二次冷却通道是独立的蒸发室。

图7是根据实施方式的具有热散发器的冷板的俯视图。

图8示出了根据所公开的实施方式的冷板中的流体流动和分布。

图9示出了根据实施方式的采用冷板的冷却系统的总体概览。

图10是示出了根据实施方式的冷却系统的操作的总体示意图。

具体实施方式

将参考下文讨论的细节描述本发明的各种实施方式和方面，附图将示出各种实施方式。以下描述和附图是对本发明的说明，不应被解释为限制本发明。描述许多具体细节以提供对本发明的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，为了提供本发明实施方式的简明讨论，不描述公知或常规细节。

说明书中对“一个实施方式”或“一种实施方式”的引用意味着结合实施方式描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施方式中。短语“在一个实施方式中”在说明书中的不同位置的出现不一定都指同一实施方式。

所公开的实施方式提供了用于电子设备的增强冷却系统，该增强冷却系统可以包括单芯片模块(SCM)、芯片上系统(SoC)、多芯片模块(MCM)、系统级封装(SIP)等。为了简洁期间，这些在本文中被称为微芯片或简单地称为芯片，但是任何这样的引用应当被理解为包括这些和类似变型中的任何一个。可以理解，这种设备甚至在封装设备本身的不同区域内也可能具有不同的冷却要求。即，封装的不同区域可能需要不同的散热速率。

公开了冷却方案，该冷却方案提供了提高的可靠性和散热能力。冗余设计可以用于根据需要提高散热速率或者当一个冷却系统失效时提供备用冷却。所公开的实施方式还使得能够在封装的不同区域定制不同的散热速率。以下公开内容通过提供关于所公开的实施方式的示例应用的背景信息开始，然后继续公开具体实施方式。虽然该示例涉及数据中心内的操作，但是所公开的实施方式不限于数据中心。

图1是示出了根据一个实施方式的数据中心或数据中心单元的示例的框图。在该示例中，图1示出了数据中心的至少一部分的俯视图。参考图1，根据一个实施方式，数据中心系统100包括通过网络(例如，因特网)向各种客户端提供数据服务的信息技术(IT)部件、设备或仪器101-102(例如计算机服务器或计算节点)的一排或更多排的电子机架。在该实施方式中，每排包括诸如电子机架110A-110N的电子机架的阵列。然而，可以实施更多或更少排的电子机架。通常，排101-102平行对齐，前端彼此面对，后端彼此背对，在它们之间形成过道103，以允许管理人员在其中行走。然而，也可以应用其它构造或布置。例如，两排电子机架可以背靠背面对彼此，而不在它们之间形成过道，同时它们的前端则背对彼此。电子机架的后端可以联接到房间冷却液歧管。

在一个实施方式中，每个电子机架(例如，电子机架110A-110N)均包括壳体，以容纳在其中操作的堆叠布置的若干IT部件。电子机架可以包括冷却液歧管、若干服务器插槽(例如，构造有相同或类似形状因子的标准搁架或机箱)以及若干能够插入到服务器插槽中和从服务器插槽移除的服务器机箱(也称为服务器刀片或服务器搁架)。每个服务器机箱代表具有一个或更多个处理器、存储器和/或持久性存储设备(例如，硬盘)的计算节点，其中，计算节点可以包括在其中操作的一个或更多个服务器。至少一个处理器附接到液体冷板(也称为冷板组件)，以接收冷却液。另外，一个或更多个可选的冷却风扇与服务器机箱相关联，以向包含在其中的计算节点提供空气冷却。注意，冷却系统120可以联接到诸如数据中心系统100的多个数据中心系统。

在一个实施方式中，冷却系统120包括连接到建筑/房屋容器外部的冷却塔或干式冷却器的外部液体回路。冷却系统120可以包括但不限于蒸发冷却、自由空气、对大的热质的排斥和废热回收设计。冷却系统120可包括或联接到提供冷却液的冷却液源。

在一个实施方式中，每个服务器机箱模块化地联接到冷却液歧管，使得可以从电子机架移除服务器机箱而不影响电子机架中的剩余服务器机箱和冷却液歧管的操作。在另一实施方式中，每个服务器机箱均通过快速释放联接组件联接到冷却液歧管，该快速释放联接组件具有服务器液体进口连接器和服务器液体出口连接器，服务器液体进口连接器和服务器液体出口连接器联接到柔性软管，以将冷却液分配到处理器。服务器液体进口连接器经由机架液体进口连接器从安装在电子机架的后端上的冷却液歧管接收冷却液。服务器液体出口连接器经由机架液体出口连接器，将携带从处理器交换的热量的较暖或较热液体排放到冷却液歧管，然后回到电子机架内的冷却剂分配单元(CDU)。

在一个实施方式中，布置在每个电子机架的后端上的冷却液歧管联接到液体供应管线132(也称为房间供应歧管)，以接收来自冷却系统120的冷却液。冷却液通过液体分配回路分配，该液体分配回路附接到其上安装有处理器的冷板组件，以从处理器中移除热量，冷板构造为类似于散热器，其中附接或嵌入液体分配管。由此产生的，携带着从处理器交换的热量的较暖或较热的液体经由液体返回管线131(也称为房间返回歧管)递送回到冷却系统120。

液体供应/返回管线131-132称为数据中心或房间液体供应/返回管线(例如，全局液体供应/返回管线)，该管线将冷却液供应到排101-102的所有电子机架。液体供应管线132和液体返回管线131联接到位于每个电子机架内的CDU的热交换器，从而形成主回路。热交换器的次回路联接到电子机架中的每个服务器机箱，以将冷却液递送到处理器的冷板。

在一个实施方式中，数据中心系统100还包括可选的气流递送系统135，以产生气流，使气流穿过电子机架的服务器机箱的空气空间，以交换由于计算节点(例如，服务器)由于计算节点的操作而产生的热量，并且将交换热量的气流排出到外部环境或冷却系统(例如，空气-液体热交换器)以降低气流的温度。例如，空气供应系统135产生凉/冷空气的气流，以从过道103循环通过电子机架110A-110N，以带走交换的热量。

冷气流通过电子机架的前端进入电子机架，并且暖/热气流从电子机架的后端离开电子机架。具有交换的热量的暖/热空气从房间/建筑排出，或使用诸如空气-液体热交换器的单独的冷却系统冷却。由此，该冷却系统是混合液体-空气冷却系统，其中，由处理器产生的热量的一部分经由对应的冷板被冷却液移除，而处理器(或其它电子设备或处理装置)产生的热量的剩余部分则通过气流冷却移除。此外，液体冷却可以是其中流体以液相或气相流动的多相系统。

图2是示出了根据一个实施方式的电子机架的框图。电子机架200可以表示如图1所示的任何一个电子机架，例如电子机架110A-110N。参考图2，根据一个实施方式，电子机架200包括但不限于CDU 201、机架管理单元(RMU)202和一个或更多个服务器机箱203A-203E(统称为服务器机箱203)。服务器机箱203可以分别从电子机架200的前端204或后端205插入到服务器插槽阵列(例如，标准搁架)中。注意，尽管在此示出了五个服务器机箱203A-203E，但是电子机架200内可以维持有更多或更少的服务器机箱。还应注意，CDU 201、RMU 202和/或服务器机箱203的特定位置仅出于说明的目的而示出；也可以实施CDU 201、RMU 202和/或服务器机箱203的其它布置或构造。在一个实施方式中，电子机架200可以向环境开放或者部分地被机架容器容纳，只要冷却风扇可以产生从前端到后端的气流即可。

另外，对于至少一些服务器机箱203，可选的风扇模块(未示出)与服务器机箱相关联。每个风扇模块包括一个或更多个冷却风扇。风扇模块可以安装在服务器机箱203的后端上或电子机架上，以产生气流，气流从前端204流动、行进穿过服务器机箱203的空气空间并且存在于电子机架200的后端205处。

在一个实施方式中，CDU 201主要包括热交换器211、液体泵212和泵控制器(未示出)以及一些其它部件，诸如贮液器、电源、监测传感器等。热交换器211可以是液体-液体或多相热交换器。热交换器211包括具有入口端口和出口端口的第一回路，入口端口和出口端口具有第一对液体连接器，该第一对液体连接器联接到外部液体供应/返回管线131-132以形成主回路。联接到外部液体供应/返回管线131-132的连接器可以布置或安装在电子机架200的后端205上。液体供应/返回管线131-132(也称为房间液体供应/返回管线)可以如上所述联接到冷却系统120。如下面在公开冷板的具体实施方式时将示出的，液体供应/返回管线131-132的布置可以加倍以提供两个独立的冷却回路。一个回路可以连续操作，而第二回路可以在需要额外的冷却能力时或者作为备用操作。

另外，热交换器211还包括具有两个端口的第二回路，两个端口具有联接到液体歧管225(也称为机架歧管)以形成次回路的第二对液体连接器，该次回路可以包括将冷却液供应到服务器机箱203的供应歧管(也称为机架液体供应管线或机架供应歧管)和将较暖液体返回到CDU 201的返回歧管(也称为机架液体返回管线或机架返回歧管)。注意，CDU 201可以是任何种类的市售或定制的CDU。由此，CDU 201的细节在本文中将不进行描述。

每个服务器机箱203可以包括一个或更多个IT部件(例如，中央处理单元或CPU、通用/图形处理单元(GPU)、存储器和/或存储设备)。每个IT部件可以执行数据处理任务，其中IT部件可以包括安装在存储设备中、加载到存储器中并且由一个或更多个处理器执行以执行数据处理任务的软件。服务器机箱203可以包括联接到一个或更多个计算服务器(也称为计算节点，诸如CPU服务器和GPU服务器)的主机服务器(称为主节点)。主机服务器(具有一个或更多个CPU)通常通过网络(例如，因特网)与客户端接口连接，以接收对特定服务的请求，特定服务诸如为存储服务(例如，诸如备份和/或恢复的基于云的存储服务)、执行应用以执行某些操作(例如，作为软件即服务或SaaS平台的一部分的图像处理、深度数据学习算法或建模等)。响应于该请求，主机服务器将任务分配给由主机服务器管理的计算节点或计算服务器中的一个或更多个(具有一个或更多个GPU)。计算服务器执行实际任务，可能在操作期间产生热量。

电子机架200还包括可选的RMU 202，构造为提供并管理供应到服务器203和CDU201的电力。RMU 202可以联接到电源单元(未示出)以管理电源单元的功耗。电源单元可以包括必要的电路(例如，交流(AC)到直流(DC)或DC到DC电源转换器、电池、变压器或调节器等)，以向电子机架200的其余部件供电。

在一个实施方式中，RMU 202包括优化模块221和机架管理控制器(RMC)222。RMC222可以包括监测器，其监测电子机架200内的各种部件的操作状态，例如计算节点203、CDU 201和风扇模块。具体地，监测器从表示电子机架200的操作环境的各种传感器接收操作数据。例如，监测器可以接收表示处理器、冷却液和气流的温度的操作数据，该操作数据可以经由各种温度传感器来捕获和收集。监测器还可以接收表示由风扇模块和液体泵212产生的风扇功率和泵功率的数据，该风扇功率和泵功率可以与它们各自的速度成比例。这些操作数据被称为实时操作数据。注意，监测器可以实施为RMU 202内的单独模块。

基于操作数据，优化模块221使用预定优化函数或优化模型执行优化，以导出风扇模块的一组最佳风扇速度和液体泵212的最佳泵速，使得液体泵212和风扇模块的总功耗达到最小，同时与液体泵212和风扇模块的冷却风扇相关联的操作数据在它们各自的设计规范内。一旦确定了最佳泵速和最佳风扇速度，RMC 222就基于最佳泵速和风扇速度构造液体泵212和风扇模块的冷却风扇。

作为示例，基于最佳泵速，RMC 222与CDU 201的泵控制器通信以控制液体泵212的速度，液体泵的速度又控制供应到液体歧管225以分配到至少一些服务器机箱203的冷却液的液体流率。类似地，基于最佳风扇速度，RMC 222与每个风扇模块通信以控制风扇模块的每个冷却风扇的速度，该风扇的速度又控制风扇模块的气流速率。注意，每个风扇模块可以用其特定的最佳风扇速度单独控制，并且不同风扇模块和/或在同一风扇模块中的不同冷却风扇可以具有不同的最佳风扇速度。

注意，如图2所示的机架构造仅是为了说明的目的而示出和描述的；其它构造或布置也是适用的。例如，CDU 201可以是可选单元。服务器机箱203的冷板可以联接到机架歧管，该机架歧管可以直接联接到房间歧管131-132而不使用CDU。尽管未示出，电源单元可以布置在电子机架200内。电源单元可以被实施为与服务器机箱相同或类似的标准机箱，其中，电源机箱可以被插入任意标准搁架中，这替换任意服务器机箱203。另外，电源机箱还可以包括备用电池单元(BBU)，其在主电源不可用时向服务器机箱203提供电池电源。BBU可以包括一个或更多个电池包，并且每个电池包包括一个或更多个电池单元、以及用于对电池单元进行充电和放电的必要的充电和放电电路。

图3是示出了根据一个实施方式的芯片冷板构造的框图。芯片/冷板组件300可以表示如图2所示的服务器机箱203的任何处理器/冷板结构。参考图3，芯片301插入到安装在印刷电路板(PCB)或母板302上的插口上，该印刷电路板或母板联接到数据处理系统或服务器的其他电气部件或电路。芯片301还包括附接到该芯片的冷板303，该冷板联接到机架歧管，该机架歧管例如经由盲配连接器联接到液体供应管线132和/或液体返回管线131。由芯片301产生的一部分热量被冷板303移除。剩余部分的热量进入到下方或上方的空气空间中，可以由冷却风扇304产生的气流移除。注意，虽然对于供应液体示出了单个箭头并且对于返回液体示出了单个箭头，但是下面公开的一些实施方式可能需要两个单独的液体供应管线和两个单独的液体返回管线。

图4是根据实施方式以横截面示出的多通道冷板403的概念表示，该多通道冷板403放置在芯片450顶部上。冷板403的主体可以由例如金属(诸如铜或铝)的导热材料或硅制成。冷板403可以通过不同的封装装置附接到芯片或压靠在芯片450上，但是附接的封装装置与所公开的实施方式无关。

多个通道在单个冷板内制作，其中，不同的通道根据不同的热设计起作用。通道可以沿着冷板的整个覆盖区分布，该覆盖区可以覆盖芯片的整个区域。在所公开的实施方式中，多个通道可定制用于操作两种不同的相变冷却剂或两种不同的冷却模式，由此主冷却通道和次冷却通道构造用于根据不同的热循环操作。两种冷却剂可以独立地分布在两个不同的冷却循环系统中，例如一个无泵，一个由泵主动驱动。两个冷却系统可以选自各种热循环，诸如泵送单相或两相冷却、无泵单回路热虹吸系统、两相蒸发介电冷却剂等，并且冷却剂可以包括水或其它类型的相变冷却剂。在一个实施方式中，该设计包括在单个冷却设备中共存的3D蒸汽室以及相变通道(热虹吸管)。3D蒸汽室可以不同地起作用以执行来自再循环冷却通道的不同速率或不同能力的散热。在这种布置中，3D蒸汽室是独立的自主冷却室，而相变通道由冷却系统主动冷却，该冷却系统从通道移除蒸汽并将冷却的液体递送到通道。

通过具有两个不同的冷却通道循环，冷板可以以不同的模式操作。例如，一个冷却循环可以作为主冷却循环操作并连续运行，而第二个冷却循环可以作为备用循环，当主冷却失效时操作。在另一个示例中，主冷却可以连续操作，而第二冷却在每当芯片经历高处理需求并因此产生更多热量时，作为增强器操作。在又一示例中，每个冷却剂类型的通道的尺寸和数量可以根据芯片的设计而分布在板的区域上，使得增强处理的区域获得增加的冷却速率，而低散热的区域获得较少的冷却。在另外的示例中，两个通道的横截面和/或覆盖区是不同的，例如，主冷却循环的通道大于备用或增强通道的通道。

回到图4所示出的示例，冷板403具有两个入口端口410和420。板还具有两个出口端口，但是在该特定视图中无法看到它们。在该示例中，主端口410是主冷却系统的端口，并且经由主歧管414向主通道412提供冷却流体。主通道412可包括微翅片以增强热传递，并且主冷却系统可以是无泵两相冷却系统(例如，两相热虹吸系统)。次端口420经由次歧管424将冷却流体递送到次通道422。如图示出，次通道422可以是没有微翅片的开放通道，或者可以包括类似于主通道412的翅片，并且次冷却系统可以是泵送两相冷却系统。而且，如图4示出，次通道422比主通道412小，即占据较少的面积。主通道412可以作为芯片的主冷却系统连续地操作。次通道422可以作为增强器或备用冷却系统操作，该增强器或备用冷却系统仅在需要额外的冷却时或主冷却系统失效时操作。

由此，通常提供冷板，包括导热板组件，该导热板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，并且还具有用于将冷却流体递送到第一组冷却通道的进口端口和用于从第一组冷却通道移除蒸汽的返回端口，并且其中，第二组冷却通道与第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自第一组冷却通道的冷却流体流入第二组冷却通道。第二组冷却通道还可联接到冷却流体入口和返回出口。第一组冷却通道的每个冷却通道均可包括翅片，而第二组冷却通道的每个冷却通道可具有或不具有翅片。第一组冷却通道中的冷却通道可与第二组冷却通道中的冷却通道交错。

图5示出了实施方式的示例，该实施方式是类似于波纹卡纸的波纹形式的结构。冷板503由与芯片550物理接触的接触板534构成。芯单元530夹在接触板534与上板532之间。芯单元530被成形为交替的脊和槽，从而形成波纹。波纹的一侧形成用于主冷却系统的通道，例如通道512，而另一侧形成用于次冷却系统的通道，例如通道522。因此，主通道和次通道是交错的。在所示出的示例中，波纹是均匀的，使得通道都具有相同的尺寸。在另一个示例中，波纹可以是偏斜的，使得主冷却上的通道具有与次冷却的通道不同的尺寸。

在图5所示出的示例中，朝向接触板534开口的波纹由#1指代，并且使主冷却流体经由通向入口410的歧管514循环。在该视图中无法看到出口。相反，朝向上板532开口的波纹由#2指代，并且使次冷却流体经由通向入口420的歧管524循环。在该视图中无法看到次出口。如图5的标注所示，在一个示例中，在标记为#1的波纹内添加翅片536，而不向标记为#2的波纹添加翅片。相反，在其它实施方式中，翅片536也可包括在标记为#2的波纹中。

通过所公开的实施方式，提供了导热板组件，包括：接触板；上板；芯部，该芯部夹在接触板与上板之间，其中，第一组冷却通道和第二组冷却通道形成在芯部内；以及主冷却流体供应歧管，该主冷却流体供应歧管形成在接触板或上板中的一个中，并且其中，第二组冷却通道与第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自第一组冷却通道的冷却流体流入第二组冷却通道中。芯部可包括形成波纹的交替的脊和槽。而且，波纹可偏斜，使得第一组冷却通道中的冷却通道具有与第二组冷却通道中的冷却通道不同的尺寸。

图6是结合有两种不同冷却方法的多通道冷板的另一实施方式的横截面。该特定示示出出为利用波纹结构，但是特征可以结合在本文公开的任何结构或其他合适的结构中。在该实施方式中，由#1标识的主冷却通道是设计用于热虹吸的纯蒸发通道，而标识为#2的次冷却通道设计用于两相冷却，其中，蒸发和冷凝都发生在每个通道内部。

在冷板603中，接触板634可结合有入口歧管614，该入口歧管将冷却流体从入口端口610递送到主通道612。接触板634物理地接触芯片650以从芯片移除热量。冷却通道612作为蒸发通道操作，并且通过可以结合在上板632中的出口歧管616将蒸汽收集到出口端口618。如标注所示，主通道可以结合有冷却翅片636。

芯单元630形成为波纹结构，其中，一侧形成主冷却通道，而相对侧形成次冷却通道。在该示例中，波纹是不对称的或偏斜的，使得主冷却通道的尺寸不同于次通道的尺寸。在该特定的图中，所示的次通道大于主通道，但是通道可以具有相同的尺寸，或者主通道可以大于次通道。在图6的实施方式中，次冷却通道被设计为全两相通道，使得蒸发和冷凝在通道自身内发生。因此，没有为次通道提供流体供应端口或返回端口，次通道可以是独立的密封腔。如虚线标注所示，每个次通道的底部可以包括芯吸块639，芯吸块可以保持冷却液。当冷却液变热时，冷却液蒸发并朝向通道的顶部上升，在该处冷却液接触上板632并冷凝。在冷凝时，液体返回到芯吸块639，如弯曲箭头所示。为了增强冷凝，散热器638接触并冷却上板632。散热器638可以是空气或液体冷却的散热器。因此，在该实施方式中，每个次通道622的底部从芯片提取热量，并且需要对每个通道的顶部进行液体或空气冷却以使得能够冷凝。

在点划线标注示出的可选实施方式中，次冷却通道形成为3D蒸汽室。每个通道是独立的自主冷却单元，该自主冷却单元包括蒸发室642和附接到冷却薄板646的蒸发-冷凝管644。当蒸发室642中的液体变热时，该液体蒸发并在管644中上升。管由薄板646冷却，从而也作为冷凝器，其中薄板作为翅片。冷凝液体返回到蒸发室642。因此，在该实施方式中，冷却液仅从主冷却通道612供应和返回，而没有向次冷却通道622提供供应和返回管线，因为它们是独立的。

通过本公开，通常提供冷板，包括导热板组件，该导热板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，并且还具有进口端口和返回端口，该进口端口用于将冷却流体递送到第一组冷却通道，该返回端口用于将蒸汽从第一组冷却通道移除，并且其中，第二组冷却通道与第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自第一组冷却通道的冷却流体流入第二组冷却通道，其中，第二组冷却通道包括多个隔离的独立密封腔，每个独立密封腔均形成两相蒸发和冷凝室。每个隔离的独立密封腔可以包括芯吸块。

可以理解，主通道和次通道的散热速率和能力可以不同。因此，冷板的散热在冷板的表面上是不均匀的。在某些应用中，这种不均匀的散热是可接受的或者甚至可能是期望。然而，存在期望均匀散热的应用。图7中示出了提高散热均匀性的实施方式。

图7是冷板703的俯视图。冷板703可为本文所示出的任何实施方式，且具有主通道712(可包括翅片736)和次通道722。另外，冷板703的每侧均结合有热散发器752，该热散发器可以是例如导热板，诸如铜板。热散发器752用于在两个不同的冷却通道之间扩散热量，由此使在冷板703的表面上热量均匀。另外，当次通道不工作时，来自次通道下方区域的热量可以被主通道移除，因为热量将由热散发器752传导。相反，如果主通道的冷却系统失效并且次通道作为备用容量操作，则来自不起作用的主通道下方的区域的热量将由热散发器752向次通道传导。

因此，通常提供冷板，包括导热板组件，该导热板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，并且还具有用于将冷却流体递送到第一组冷却通道的进口端口和用于从第一组冷却通道移除蒸汽的返回端口，并且其中，第二组冷却通道与第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自第一组冷却通道的冷却流体流入第二组冷却通道，并且其中，冷板组件还包括与第一组冷却通道和第二组冷却通道物理接触的至少一个热散发器。

图8是冷板的俯视图，示出了在主通道和次通道中产生冷却流体流动的方法。在该图中，次通道中的流体流动与主通道中的流动方向相反，但是流动也可以方向相同。而且，在一些实施方式中，流体歧管可以结合到热散发器中。主冷却通道812的流体流动由虚线箭头示出，而次冷却通道822的流体流动由点划线箭头示出。翅片836增强了主通道812中的冷却流体的热量收集。

图9是示出了根据本文公开的实施方式的利用多通道冷板903的冷却系统的示例的示意图。虽然冷板903可以根据本文公开的任何实施方式构造，但是在图9的示例中，冷板903结合了在热虹吸两相无泵热循环上操作的主冷却通道，而次冷却通道在相变泵送热循环上操作。当然，这仅仅是一个示例，并且可以使用其他热循环。

在图9中，冷却流体从冷凝器970经由进入管线972提供到冷板903的入口端口910。在进入管线972中流动的冷却流体可以是任何选自标准冷却剂的液体冷却剂。在主冷却通道912中流动的冷却流体转化为蒸汽，并且蒸汽从出口916经由返回管线974返回到冷凝器970。类似地，冷却流体由泵988从次冷凝器980通过进入管线982泵送到冷板的入口端口920。冷却流体在次通道922中流动并蒸发。蒸汽从出口923经由返回管线982返回到冷凝器980。通过启动泵，次冷却系统通电，或者作为备用冷却或者根据需要增强散热。

可以看出，公开了用于微芯片的冷却系统，包括：冷板组件，该冷板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，其中，第二组冷却通道与第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自第一组冷却通道的冷却流体流入第二组冷却通道中；主冷凝器；主供应管线，该主供应管线流体地联接在主冷凝器与第一组冷却通道之间；以及主返回管线，该主返回管线流体地联接在主冷凝器与第一组冷却通道之间。系统还可包括：次冷凝器；次供应管线，该次供应管线流体地联接在次冷凝器与第一组冷却通道之间；泵，该泵联接到次供应管线；以及次返回管线，该次返回管线流体地联接在次冷凝器与第一组冷却通道之间。可选地，第二组冷却通道包括多个隔离的独立密封腔，每个密封腔形成两相蒸发和冷凝室。

图10示出了多通道系统的操作，其中，在同一冷板上操作的两个单独的冷却系统采用两个热循环。如10指示，在该特定实施方式中，主系统利用无泵热循环，例如热虹吸循环。次系统利用泵送相变热循环。如12指示，在正常操作期间，泵关闭(即空闲)，两个系统中的循环可通过对流而自然地发生。当需要增强的或备用的冷却时，如14指代，泵通电，以便机械地迫使流体流入次冷却通道。根据16中的指示，次系统中的冷却剂的沸点应当低于主冷却系统中的冷却剂的沸点。

由此，通过所公开的实施方式，提供了微芯片冷板，具有第一组冷却流体通道和第二组流体通道，第二组流体通道与第一组流体通道流体地隔离，使得来自第一组冷却通道的冷却流体无法进入第二组流体通道，并且在第二组冷却通道中流动的冷却流体无法进入第一组流体通道。第一组冷却通道中的冷却通道可与第二组流体通道中的冷却通道交错。

根据另外的实施方式，进入歧管在第一组的冷却通道之间分配冷却流体，并且返回歧管收集来自第一组的冷却通道的蒸汽并将蒸汽引导到冷凝器。第二组冷却通道中的冷却通道可以是独立的两相室，或者可以具有冷却流体进口和蒸汽出口。当第二组冷却通道包括流体入口和蒸汽出口时，期望包括泵以将冷却流体递送到第二组冷却通道。

根据所公开的实施方式，提供了微芯片冷却系统，包括主冷凝器；冷板包括多个主冷却通道和多个次冷却通道，次冷却通道与主冷却通道流体地隔离；主进入管道联接在主冷凝器与主冷却通道的进口端口之间，并且返回管道联接在主冷凝器与主冷却通道的出口端口之间。

在前述说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施方式描述了本发明的实施方式。但是很明显，在不背离所附权利要求书所阐述的本发明的更宽泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改。因此，说明书和附图应被认为是例示性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.用于冷却微芯片的冷板，包括导热板组件，所述导热板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，并且还具有进口端口和返回端口，其中所述进口端口用于将冷却流体递送到所述第一组冷却通道，所述返回端口用于从所述第一组冷却通道移除蒸汽，并且其中，所述第二组冷却通道与所述第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自所述第一组冷却通道的所述冷却流体流入所述第二组冷却通道。

2.根据权利要求1所述的冷板，其中，所述第二组冷却通道包括多个隔离的独立密封腔，每个密封腔形成两相蒸发和冷凝室。

3.根据权利要求2所述的冷板，其中，每个所述隔离的独立密封腔包括芯吸块。

4.根据权利要求1所述的冷板，其中，所述第二组冷却通道包括联接到冷却流体入口和返回出口的多个次冷却通道。

5.根据权利要求1所述的冷板，其中，所述第一组冷却通道的每个所述冷却通道包括翅片，并且所述第二组冷却通道的每个所述冷却通道不具有翅片。

6.根据权利要求1所述的冷板，其中，所述第一组冷却通道中的所述冷却通道与所述第二组流体通道中的所述冷却通道交错。

7.根据权利要求6所述的冷板，其中，所述第一组冷却通道中的所述冷却通道的横截面具有与所述第二组冷却通道中的所述冷却通道的对应横截面不同的尺寸。

8.根据权利要求6所述的冷板，其中，所述第一组冷却通道中的所述冷却通道的覆盖区具有与所述第二组冷却通道中的所述冷却通道的对应覆盖区不同的尺寸。

9.根据权利要求1所述的冷板，其中，所述导热板组件包括：接触板；上板；芯部，所述芯部夹在所述接触板与所述上板之间，其中，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道形成在所述芯部内；以及主冷却流体供应歧管，所述主冷却流体供应歧管形成在所述接触板或所述上板中的一个中。

10.根据权利要求9所述的冷板，其中，所述芯部包括形成波纹的交替的脊和槽。

11.根据权利要求10所述的冷板，其中，所述波纹是偏斜的，使得所述第一组冷却通道中的冷却通道具有与所述第二组冷却通道中的所述冷却通道不同的尺寸。

12.根据权利要求10所述的冷板，还包括形成在所述接触板或所述上板中的一个中的次冷却流体供应歧管；并且其中，所述主冷却流体供应歧管流体地联接到所述第一组冷却通道，并且所述次冷却流体供应歧管流体地联接到所述第二组冷却通道。

13.根据权利要求1所述的冷板，其中，所述第一组冷却通道构造用于选自泵送单相冷却、泵送两相冷却、无泵单回路热虹吸冷却的热循环，并且所述第二组冷却通道构造用于选自泵送单相冷却、泵送两相冷却、无泵单回路热虹吸冷却的热循环，所述第二组冷却通道的所述热循环不同于所述第一组冷却通道的所述热循环。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的冷板，其中，所述第二组冷却通道包括与递送到所述第一组冷却通道的所述冷却流体不同的次流体。

15.用于冷却微芯片的冷却系统，包括：

冷板组件，所述冷板组件结合有第一组冷却通道和第二组冷却通道，其中，所述第二组冷却通道与所述第一组冷却通道流体地隔离，使得防止来自所述第一组冷却通道的所述冷却流体流入所述第二组冷却通道中；

主冷凝器；

主供应管线，所述主供应管线流体地联接在所述主冷凝器与所述第一组冷却通道之间；

主返回管线，所述主返回管线流体地联接在所述主冷凝器与所述第一组冷却通道之间。

16.根据权利要求15所述的冷却系统，还包括：

次冷凝器；

次供应管线，所述次供应管线流体地联接在所述次冷凝器与所述第一组冷却通道之间；

泵，所述泵联接到所述次供应管线；以及

次返回管线，所述次返回管线流体地联接在所述次冷凝器与所述第一组冷却通道之间。

17.根据权利要求15所述的冷却系统，其中，所述第二组冷却通道包括多个隔离的独立密封腔，每个密封腔均形成两相蒸发和冷凝室。

18.根据权利要求15所述的冷却系统，其中，所述冷板组件包括：接触板；上板；芯部，所述芯部夹在所述接触板与所述上板之间；其中，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道形成在所述芯部内。

19.根据权利要求18所述的冷却系统，还包括：至少一个进入歧管，所述至少一个进入歧管形成在所述接触板或所述上板中的一个中；和至少一个返回歧管，所述至少一个返回歧管形成在所述接触板或所述上板中的一个中。

20.根据权利要求15-19中任一项所述的冷却系统，其中，所述冷板组件还包括与所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道物理接触的至少一个热散发器。

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