CN117546616A - 用于浸没式冷却的计算机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种浸没式冷却热管理系统i(500)，包括与生热电子部件(524)热耦合的热管道(526)。热管道具有通道的第一纵向端处的入口以及通道的相对的第二纵向端处的出口。生热电子部件在入口和出口之间纵向地与通道热耦合。通道的出口相对于重力方向高于入口。

Description

用于浸没式冷却的计算机的系统和方法

背景技术

背景和相关技术

计算设备在使用过程中会产生大量热量。计算部件容易受到热量的损坏，通常需要冷却系统在繁重的处理或使用负载期间将部件温度保持在安全范围内。液体冷却可以有效地冷却部件，因为液体工作流体比空气或气体冷却具有更多的热质量。通过允许蒸发的流体从液体中上升，可以将液体工作流体保持在较低的温度。冷却液中的蒸汽会对工作流体的冷却性能产生不利影响。蒸汽可以冷凝并返回浸没箱中。

发明内容

在一些实施例中，浸没式冷却热管理系统包括与生热电子部件热耦合的热管道。该热管道在通道的第一纵向端具有入口，在通道相对的第二纵向端具有出口。该生热电子部件在入口和出口之间与该通道纵向热耦合。相对于重力方向，该通道的出口高于入口。

在一些实施例中，热管理系统包括浸没室、位于浸没室中的工作流体、生热部件和热管道。工作流体具有液相和气相。生热部件定位在工作流体的液相中，并固定在衬底上。热管道在第一纵向端具有入口，在相对的第二纵向端具有出口。热管道连接并定位在衬底上，使得生热电子部件纵向位于入口和出口之间，以加热工作流体的一部分液相，并工作流体通过热管道的纵向流动。

在一些实施例中，热管理系统包括浸没室、位于浸没室中的工作流体、第一生热电子部件、第二生热电子部件和热管道。工作流体具有液相和气相，气相在液相上方形成一个顶空。第一生热部件定位在工作流体的液相中，并固定到衬底上。热管道在第一纵向端具有入口，在相对的第二纵向端具有出口。热管道连接并定位在衬底上，使得第一生热电子部件纵向位于进口和出口之间，以加热工作流体的一部分液相，并引导工作流体通过热管道的纵向流动。第二生热部件定位在工作流体的液相中，并固定在热管道外部的衬底上，邻近入口，使得工作流体的纵向流动冷却第二生热电子部件。

本发明内容旨在以简化的形式引入一些概念，在下面具体实施方式中进一步描述。本概述并非旨在确定权利要求主题的关键特征或基本特征，也并非旨在用作确定权利要求主题范围的辅助工具。

附加的特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分从描述中显而易见，或者可以通过实践本文的教导得知。本公开的特征和优点可以通过所附权利要求中特别指出的仪器和组合的装置来实现和获得。本公开的特征将从下面的描述和所附权利要求中变得更加明显，或者可以通过实践下文所阐述的本公开得知。

附图说明

为了描述本公开的上述和其他特征的获得方式，将通过参考其在附图中示出的具体实施例来呈现更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中相同的元件已由相同的参考编号指定。虽然一些附图可能是概念的示意或内容的夸张表示，但至少一些附图可以按比例绘制。理解到附图描绘的一些示例实施例，将通过使用以下附图对实施例进行更具体和详细的描述和解释：

图1是浸没式冷却系统的侧面示意图；

图2是根据本公开的至少一个实施例的具有外部冷凝器的浸没式冷却系统的侧面示意图；

图3是根据本公开的至少一个实施例的具有热管道的服务器计算机的透视图；

图4是根据本公开的至少一个实施例的具有柱状压差的热管理系统的示意图；

图5是根据本公开的至少一个实施例的具有多个热管道的热管理系统的示意图；

图6-1是根据本公开的至少一个实施例的热管道的透视图；

图6-2是图6-1的热管道的横向剖视图；

图7是根据本公开的至少一个实施例的圆形热管道的横向剖视图；

图8-1是根据本公开的至少一个实施例的翅片式热管道的横向剖视图；

图8-2是图8-1的热管道的翅片的侧视图；

图9是根据本公开的至少一个实施例的带有蒸汽室的热管道的横向剖视图；

图10是根据本公开的至少一个实施例的具有互补热表面特征的热管道的横向剖视图；

图11是根据本公开的至少一个实施例的具有热管道的热管理系统的示意图；以及

图12是根据本公开的至少一个实施例的倾斜热管道和生热电子部件的侧视图。

具体实施方式

本公开总体上涉及用于电子设备或其它生热部件的热管理的系统和方法。浸没室将生热部件包围在液体工作流体中，液体工作流体从生热部件传导热量以冷却生热部件。当工作流体吸收来自生热部件的热量时，工作流体的温度升高。在一些实施例中，工作流体汽化，将蒸汽引入工作流体的液体中。

在诸如云计算中心的大型计算中心、数据处理中心、数据存储中心或其他计算设施中，浸没冷却系统为各种操作负载下的许多计算部件提供了一种高效的热管理方法。在一些实施例中，浸没冷却系统包括浸没室中的工作流体和冷凝器，以从工作流体的蒸汽中提取热量。冷凝器然后将工作流体的气相冷凝成液相，并将液体工作流体返回到浸没室。在一些实施例中，液体工作流体从生热部件中吸收热量，一个或多个流体管道将浸没室外的热液体工作流体引导到散热器或温度较低的区域，以冷却液体工作流体。

传统的浸没冷却系统100，如图1所示，包括浸没箱102，浸没箱102中含有浸没室104和浸没室104中含有冷凝器106，浸没室104含有工作流体，该工作流体中有液态工作流体108和蒸汽工作流体110部分。液态工作流体108产生浸没浴112，其中定位有多个生热部件114以加热支撑件116上的液态工作流体108。

现在参考图2，根据本公开的浸没冷却系统200包括限定浸没室204的浸没箱202，工作流体位于浸没室204中。工作流体在液态工作流体208相和蒸汽工作流体210相之间转换，以从浸没室204中的热部件或生热部件214中移除热量。液态工作流体208相对于气态环境(例如，蒸汽工作流体210)能更高效地接收来自生热部件214的热量，并且，在转换到蒸汽工作流体210时，蒸汽工作流体210可以从浸没箱202移除，由冷凝器206冷却和冷凝以从工作流体中提取热量，并且液态工作流体208可以返回到液态浸没浴212。

在一些实施例中，液体工作流体208的浸没浴212具有设置在液体工作流体208中的多个生热部件214。液体工作流体208围绕生热部件214的至少一部分以及附接到生热部件214的其他物体或部件。在一些实施例中，生热部件214定位在液体工作流体208中的一个或多个支撑件216上。支撑件216可将一个或多个生热部件214支撑在液体工作流体208中，并允许工作流体围绕生热部件214移动。在一些实施例中，支撑件216是导热的，以从生热部件214传导热量。(多个)支撑件216可以增加有效表面积，液体工作流体208可以通过对流冷却从该有效表面积移除热量。

在一些实施例中，生热部件214包括电子或计算部件或电源。在一些实施例中，生热部件214包括计算机设备，例如独立的个人计算机或服务器刀片计算机。在一些实施例中，一个或多个生热部件214包括散热片或附接到生热部件214的其他设备，以传导走热能并有效地增加生热部件214的表面积。在一些实施例中，生热部件214包括电动机。

如上所述，将液态工作流体208转化为气相需要输入热能以克服汽化的潜热，这可能是是增加工作流体的热容量和从生热部件中移除热量的有效机制。因为蒸汽工作流体210在液态工作流体208中上升，所以蒸汽工作流体210可以从室的顶部空间中的浸没室204中提取。冷凝器206将蒸汽工作流体210的一部分冷却回液态工作流体208中，从系统中移除热能并将工作流体重新引入液态工作流体208的浸没浴212中。冷凝器206将来自工作流体的热能辐射或以其他方式倾倒到周围环境或管道中，以将热能从冷却系统带走。

在传统的浸没冷却系统中，将液冷式冷凝器集成到浸没箱和/或浸没室中，以有效地从工作流体中移除热能。在根据本公开的一些实施例中，用于计算设备热管理的浸没冷却系统200允许至少一个浸没箱202和/或浸没室204连接到外部冷凝器206并与外部冷凝器206流体连通。在一些实施例中，浸没冷却系统包括将浸没箱202连接到冷凝器206并允许蒸汽工作流体210从浸没箱202和/或浸没室204进入冷凝器206的蒸汽回流管路218和将浸没箱202连接到冷凝器206并允许液体工作流体208返回到浸没箱202和/或浸没室204的液体回流管路220。

蒸汽回流管路218可以比工作流体的沸腾温度冷。在一些实施例中，蒸汽工作流体的一部分凝结在蒸汽回流管路218中。在一些实施例中，蒸汽回流管路218可以定向成一定角度，使得蒸汽回流管路218不垂直于重力方向。冷凝的工作流体继而可以根据蒸汽回流管路218的斜率方向，被向后排放到浸没箱202或是向前排放到冷凝器206。在一些实施例中，蒸汽回流管路218包括液体收集管线或阀，例如放气阀，其允许冷凝的工作流体收集和/或返回到浸没箱202或冷凝器206。在一些示例中，浸没冷却系统200包括空气冷却冷凝器206。空气冷却冷凝器206可能需要风扇或泵来迫使环境空气通过一个或多个热管或翅片，以将热量从冷凝器传导到空气。

在一些实施例中，蒸汽气泡通过液体工作流体的运动可以通过浸没室中液体工作流体中的流体阻力和/或相对柱状压力引导液体工作流体的流动。与向静态液体工作流体的热传递相比，当液体工作流体流过生热组分时，液体工作流体对流冷却生热组分更为有效。例如，流动的液体工作流体提供了较薄的边界层，并且强制对流将更有效地排出蒸汽气泡并防止薄膜沸腾。在具有过冷液体工作流体(例如，冷却到沸腾温度以下)的实施例中，例如液体回流管路中的过冷冷凝液，液体工作流体可以提供甚至更大的冷却能力。

图3是具有热管道326的服务器计算机324的透视图，该热管道326用于冷却服务器计算机324的生热电子部件314。在一些实施例中，热管道326与生热电子部件314热耦合，以引导液体工作流体308流过生热电子部件314的散热器328。生热电子部件314，例如中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、联网设备、电源或另一个相对大功率的电子部件，与散热器328热耦合，以在操作期间从生热电子部件314中移除产生的热量。

在一些实施例中，热管道326与生热电子部件314热耦合。例如，热管道326可与生热电子部件314接触。在一些示例中，热管道326可通过位于热管道326与生热电子部件314之间的热胶被热耦合至生热电子部件314。在一些示例中，热管道326可通过位于热管道326与生热电子部件314之间的液相金属被热耦合至生热电子部件314。在一些示例中，热管道326可通过位于热管道326与生热电子部件314之间的热扩散器被热耦合至生热电子部件314。在一些实施例中，热管道326可以通过位于热管道326和生热电子部件314之间并与之接触的散热器328被热耦合至生热电子部件314。

在一些实施例中，散热器328固定在生热电子部件314上，热管道326固定在服务器计算机324或其他计算设备的衬底330(例如主板)上，以将热管道326定位在生热电子部件314和散热器328周围。在一些实施例中，散热器328与热管道326集成和/或部分集成，使得散热器328和热管道326固定在生热电子部件314上。

在一些实施例中，计算设备包括多个生热电子部件314和小于所有的多个生热电子部件与热管道326热耦合。例如，热管道326可定位在计算设备上以引导流体流过和/或经过CPU和GPU。在一些实施例中，仅有一个生热电子部件314或计算设备的生热电子部件的类型与热管道326热耦合。例如，热管道326可定位在计算设备上以引导液体仅流过CPU和/或仅流经CPU。

热管道326具有位于热管道326的第一纵向端的入口332，以及位于热管道326的第二纵向端的出口334。通道336在纵向上连接入口332和出口334，以允许工作流体流经热管道326并从生热电子部件314排出热量。在一些实施例中，热管道326在纵向上具有恒定的横截面积。在一些实施例中，热管道326在纵向上的横截面积变化。例如，随着工作流体沸腾，热管道326可朝向出口334增加横截面积，以适应其中工作流体体积的增加。例如，热管道326可在朝向出口334的减小横截面积或锥度，以在工作流体沸腾时加速其中的工作流体的流动。

图4是浸没室404的示意图，该浸没室404具有与热管道426热耦合的生热电子部件414。当生热电子部件414加热在冷却容积438中的液态工作流体408时，液态工作流体408可能会沸腾。当液态工作流体408沸腾并转化为蒸汽工作流体410的气泡时，冷却容积438中(以及冷却容积之上)的工作流体柱的密度减小。例如，液态工作流体408可能是蒸汽工作流体410的密度的大约100倍或更大。热管道426限制工作流体在冷却容积438中的运动，并且仅允许工作流体的基本垂直运动。在液态工作流体408比蒸汽工作流体410的密度大100倍的示例中，将液体工作流体408的一部分沸腾以便将冷却体积438改变为50％液体工作流体408和50％蒸汽工作流体410，使冷却体积438的密度降低49.5％。

蒸汽工作流体410的气泡上升到生热电子部件414上方的气泡容积440中。在一些实施例中，气泡的路径被热管道426限制。生热电子部件414周围的冷却容积438和包含气泡的生热电子部件414上方的气泡容积440的密度小于生热电子部件下方的液体容积442。围绕热管道426的液体工作流体408的柱状压力444对热管道426中的流体施加压力，以使流体在热管道426中沿纵向移动。热管道426外部的液态工作流体408与热管道426内部的混合液态工作流体408和蒸汽工作流体410的相对柱状压力444在热管道426中的工作流体上产生净力。随着生热电子部件414加热并沸腾热管道426中的液态工作流体408，热管道426中的蒸汽工作流体410的比例增加，这导致热管道426中的工作流体上的净力增加，进一步加速热管道426中的工作流体以增加流体流动和冷却能力。通过这种方式，热管道作为热虹吸管运行，该热虹吸管至少部分地基于生热电子部件414产生的热量来加速流体流动并增强冷却。

为了维持相对柱状压力444，生热电子部件414可使液体工作流体迅速沸腾。例如，生热电子部件414可具有至少400瓦的峰值工作功率。在其他示例中，生热电子部件414可具有至少600瓦的峰值工作功率。在其他示例中，生热电子部件414可具有至少800瓦的峰值工作功率。在其他示例中，生热电子部件414可具有至少1000瓦的峰值工作功率。

在一些实施例中，生热电子部件414的工作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少摄氏0.10°(C)。例如，生热电子部件的工作温度可以是60.1℃，以及工作流体的沸腾温度可以是60℃。在一些实施例中，生热电子部件414的工作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少1.0℃。在一些实施例中，生热电子部件414的工作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少10℃。在一些实施例中，生热电子部件414的工作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少15℃。在一些实施例中，生热电子部件414的操作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少20℃。

现在参考图5，在一些实施例中，热管理系统500包括服务器计算机524或其上固定有热管道526的其他计算设备。如本文所述，在一些实施例中，热管道526固定到计算设备的主板或其他衬底530上。在一些实施例中，热管道526集成到固定到生热电子部件514上的散热器中。来自生热电子部件514的热量可以沸腾热管道526中的液体工作流体508的一部分，以加速工作流体通过热管道526。该净力至少部分基于相对柱状压力。

在一些实施例中，蒸汽工作流体510的蒸汽气泡在从热管道526的出口534流出之后被允许分散在液体工作流体508中。在一些实施例中，热管道526延伸到液体工作流体508的液面546以限制热管道526中的蒸汽气泡。通过限制和/或防止蒸汽气泡从热管道526移出，直到进入浸没室504的顶空548，使热管道526中的工作流体的密度最小化。由于由生热电子部件514使液体工作流体508沸腾而产生的所有蒸汽气泡被限制在热管道中，相对柱状压力最大化。因此，流体流量增加。

热管道526可通过降低热管道526中的工作流体的密度来加速穿过其中的工作流体。流体流动可通过将冷却器液体工作流体508从浸没浴中朝向生热电子部件514流动来增加冷却能力。在一些实施例中，服务器计算机524或其它计算设备的次级生热电子部件550从被吸入热管道的入口532中的液体工作流体508的流动中获得额外的冷却。

次级生热电子部件550可以在热管道526下方和/或邻近热管道入口532而被定位在服务器计算机524或其他计算设备(例如，在同一主板或其他衬底上)上管道管道。热管道526将液体工作流体508吸入入口532，并且邻近入口532的液体工作流体508的引导流动可冷却邻近入口532的次级生热电子部件550。

图6-1和图6-2分别是具有集成式散热器628的热管道626的实施例的透视图和横向剖视图。图6-1示出了移除了热管道的顶部表面的热管道626的实施例。热管道626可放置在散热器628周围或与散热器628集成。在一些实施例中，散热器628包括一个或多个热表面特征，以将热量从生热电子部件散发到热管道626内部的工作流体中。热表面特征可包括翅片652、杆、热管、蒸汽室、网状物、海绵、表面纹理或增加散热器628和/或热管道626的表面积和/或热传递速率的任何其他特征。

在一些实施例中，位于散热器628和/或热管道626中的热表面特征以纵向重叠生热电子部件。例如，热管道626可以在纵向方向654上比生热电子部件(例如处理器)长。热表面特征(例如，翅片652)可以仅位于生热电子部件所在的散热器和/或热管道的第一纵向部分656中，以接收和传递来自生热电子部件的热量。热管道626可以不具有热表面特征，或在不接触或重叠生热电子部件的热管道626的第二纵向部分658中具有较少或较小的热表面特征。从不接触或重叠生热电子部件的热管道626的(多个)第二纵向部分658消除或减少热表面特征，这可以减少工作流体的阻力并允许更快的流体流过热管道626。

现在参考图6-2，在一些实施例中，热表面特征从热管道626的内表面660突出到热管道626的内部区域662中，以将热量传递到其中的工作流体。热表面特征可以不接触相对的内表面(例如，在图6-2中与散热器628相对)，并且在热管道626中创建多个通道。具有多个封闭的通道阻碍液体流体流动，并且会增加热管道中变干的风险。

热管道可具有多种横截面形状中的任何一种(例如，垂直于纵向)。在一些实施例中，热管道具有横截面形状，该横截面形状为矩形、正方形、三角形、五边形、六边形、其他规则多边形、弯曲、圆形、椭圆形、不规则或其组合。例如，热管道可具有横截面形状，该横截面形状至少部分地与一个或多个热表面特征的形状相关。图7是根据本公开的热管道726的另一个实施例的横截面图。在至少一个实施例中，热表面特征为形成固定到散热器的弧形的导电杆764(或纵向的一系列杆)，而热管道726具有圆形的横截面形状，以互补地遵循弧形的曲线。

图8-1是根据本公开的热管道826的另一个实施例的横横截面图。在至少一个实施例中，热表面特征(例如，翅片852)接触内表面860的第一侧和内表面862的相对的第二侧两者。在这样的实施例中，热表面特征(例如，翅片)可以产生隔离通道836，其抑制流体在横向方向上的流动并有干涸的风险。如图8-2中的翅片852的侧视图所示，在一些实施例中，热表面特征可以在其中具有孔866，以允许液体工作流体通过热管道的通道的横向运动。

热管道可包括一个或多个热表面特征，以促进液体工作流体从内表面的多于一侧沸腾。在一些实施例中，例如图9中横截面所示的，蒸汽室968定位在热管道926的内表面960上，以传递和/或传播来自生热电子部件914的热量。蒸汽室968经过内表面960的至少一部分传递来自生热电子部件914的热量，以均匀加热液体工作流体908并沸腾液体工作流体908。在一些实施例中，热表面特征定位在内表面960与生热电子部件914相对的一侧，使得热表面特征的增加的表面积导致液体工作流体908从邻近生热电子部件914的较热侧和与具有热表面特征的生热电子部件914相对的较冷侧均匀加热。在至少一个实施例中，如图9所示，热表面特征(例如，蒸汽室968)位于热管道中的至少一个纵向位置的所有内表面上。例如，热管道926的整个内表面960可以是蒸汽室968。在一些示例中，蒸汽室968纵向地位于生热电子部件914所在的热管道926的纵向部分中(例如，图6-1的第一纵向部分656)，蒸汽室968包裹在内表面960周围并且然后在生热电子部件914所在的热管道926纵向部分终止之前(例如，不位于图6-1的第二纵向部分658中)。

液体工作流体908的均匀加热可同等地促进液体工作流体908的汽化，使蒸汽工作流体910的蒸汽气泡带走液体工作流体908。因为蒸汽工作流体910在热管道926中的运动(和较低密度)建立了通过热管道926的流动，液体工作流体908沿热管道926逆流将不利地影响热管理系统的冷却能力。在一些实施例中，热管道926具有足够的横截面积以允许流体流动并防止干涸，同时不具有过多的横截面积以允许液体工作流体908逆流。虽然在整个横截面积中促进蒸汽工作流体910有助于防止逆流，但互补的表面特征也可以限制热管道926开放的横截面面积并且促进夹带。

例如，图10是具有互补热表面特征1052-1、1052-2的热管道1026的实施例的横向剖视图。在一些实施例中，热管道1026具有内表面的底侧1060-1(邻近生热电子部件1014)上的第一热表面特征1052-1和内表面的顶侧1060-2上的第二热表面特征1052-2。内表面的相对侧或相邻侧上的热表面特征1052-1、1052-2可以彼此互补，以便针对内表面的底侧1060-1上的第一热表面特征1052-1与内表面的顶侧1060-2上的第二热表面特征1052-2之间的通道1036保持基本恒定的间隙1070。例如，从内表面的顶部1060-2突出的翅片可被定位在从内表面的底侧1060-1突出的翅片之间的间距1072中。通过使第一热表面元素1052-1和第二热表面特征1052-2具有相同的间距1072，可以保持恒定的间隙1070。

现在参考图11，根据本公开的一些热管理系统1100使用沸腾时的工作流体密度的变化来在浸没室1104中产生压差。在一些实施例中，热管理系统1100使用浸没室1104中的压差来引导或吸取液体工作流体1108从浸没室1104的特定区域或体积。例如，如在此所描述的，可以选择热管道1126的入口1132的形状，以跨一个或多个次级生热电子部件吸取液体工作流体1108。例如，喇叭形或宽入口1132可以跨服务器计算机1124或其他计算设备从更大的区域吸取液体工作流体1108，以主动地迫使液体流过次级生热电子部件1150。在另一示例中，喇叭形或宽入口1132可将液体工作流体1108吸入热管道1126中，该热管道随后在流动方向上变窄，以通过Venturi效应加速流体以增加冷却能力。

在一些实施例中，热管道1126的入口1132位于浸没室1104中，以从浸没室1104中的特定位置吸取液体工作流体1108。例如，入口1132可被引导向浸没室1104的区域，该区域远离服务器计算机的次级生热电子部件1150或浸没室1104中的任何其它生热电子部件，以吸取较冷的液体工作流体1108。在至少一个示例中，热管道1126的入口1132位于邻近液体回流管路1120的出口处。返回的液体工作流体1108(例如，从冷凝器1106返回)可能是过冷的，低于浸没室1104中的液体工作流体1108的温度。位于具有最冷液体工作流体的区域中的液体工作流体1108将为与热管道1126连接和/或进行热传导的生热电子部件提供更为有效的冷却。

虽然已经描述了热管理系统的实施例，其中热管道通常相对于重力垂直定向以允许蒸汽气泡上升，但是在一些实施例中，热管道和生热电子部件的至少一部分可以相对于重力成角度以允许蒸汽气泡在热管道中远离生热电子部件上升。

图12示出服务器计算机主板或其它衬底1230的实施例，该衬底相对于重力倾斜，以将热管道1226的至少一部分垂直地定位在生热电子部件1214的上方。当生热电子部件1214在热管道1226中沸腾液体工作流体1208时，蒸汽工作流体1210将沿重力方向上升并远离生热电子部件1214的表面。虽然这可以限制和/或防止部件干燥，但相对于重力方向过大的倾斜角度1274会引导液体工作流体1208的逆流并限制和/或防止夹带。在一些实施例中，生热电子部件1226和/或生热电子部件1214相对于重力的倾斜角度1274在0°至10°之间。在一些实施例中，热管道1226和/或生热电子部件1214相对于重力的倾斜角1274小于5°。在一些实施例中，热管道1226和/或生热电子部件1214相对于重力的倾斜角1274小于2.5°。

工业适用性

本公开总体上涉及用于电子设备或其它生热部件的热管理的系统和方法。浸没室将生热部件包围或部分包围在液体工作流体中，液体工作流体从生热部件传导热量以冷却生热部件。当工作流体吸收来自生热部件的热量时，工作流体的温度升高并且工作流体可能汽化，将蒸汽引入工作流体的液体中。蒸汽将由于重力相反方向的浮力而上升，从液体工作流体中上升并进入液体工作流体上方的顶空。

根据本公开的浸没式冷却系统包括浸没室，工作流体位于浸没室中。工作流体在液相和气相之间转换，以从腔室中的热或生热部件中移除热量。液相更有效地接收来自组分的热量，并且在转换到气相时，工作流体可以被冷却和冷凝以在工作流体以较低温度返回到液体浸没浴之前从工作流体中提取热量。

在一些实施例中，液体工作流体的浸没浴具有定位在液体工作流体中的多个生热部件。液体工作流体围绕生热部件以及附接到生热部件的其他物体或部件。在一些实施例中，生热部件定位在液体工作流体中的一个或多个支撑件上。在一些示例中，支撑件是计算设备的主板。支撑件可以将一个或多个生热部件支撑在液体工作流体中，并允许工作流体围绕生热部件移动。在一些实施例中，支撑件是导热的，以从生热部件传导热量。支撑件可以增加有效表面积，工作流体可以通过对流冷却从该有效表面积中移除热量。在一些实施例中，一个或多个生热部件包括附接到生热部件的散热器或其它装置，以传导走热能并有效地增加生热部件的表面积。

如上所述，将液态工作流体转化为气相需要输入热能以克服汽化的潜热，并且可以是增加工作流体的热容量并从生热部件中移除热量的有效机制。因为蒸汽在液态工作流体中上升，所以工作流体的气相积聚在腔室的上部蒸汽区域中。传统上，冷凝器将工作流体的部分蒸汽冷却回液相，从系统中移除热能并将工作流体重新引入液态工作流体的浸没浴中。冷凝器将热能从工作流体辐射或以其他方式倾倒到环境或管道中，以将热能从冷却系统带走。

在一些实施例中，蒸汽气泡通过液态工作流体的运动可以通过浸没室中液态工作流体中的流体阻力和/或相对柱状压力引导液态工作流体的流动。在一些实施例中，液态工作流体在邻近生热部件的工作流体的冷却容积中接收热量。冷却容积是邻近生热部件的工作流体(包括液相和气相)的区域，负责生热部件的对流冷却。在一些实施例中，冷却容积是生热部件5毫米(mm)以内的工作流体的容积。

工作流体的沸腾温度低于生热部件经历热损伤的阈值温度。例如，生热部件可以是经历高于100℃(C)损伤的计算部件。在一些实施例中，工作流体的沸腾温度小于生热部件的阈值温度。在一些实施例中，工作流体的沸腾温度小于约90℃。在一些实施例中，工作流体的沸腾温度小于约80℃。在一些实施例中，工作流体的沸腾温度小于约70℃。在一些实施例中，工作流体的沸腾温度小于约60℃。在一些实施例中，工作流体的沸腾温度至少为约35℃。在一些实施例中，工作流体包括水。在一些实施例中，工作流体包括乙二醇。在一些实施例中，工作流体包括水和乙二醇的组合。在一些实施例中，工作流体是水溶液。在一些实施例中，工作流体是电子液体，例如可从3M获得的FC-72或FC-3284，或类似的非导电流体。在一些实施例中，工作流体是烃或醇。在一些实施例中，位于工作流体中的浸没冷却系统的生热部件、支撑件或其他部件在其表面上具有成核位点，可促进工作流体在工作流体沸腾温度或低于工作流体沸腾温度的蒸汽气泡的成核。

在一些实施例中，热管理系统包括与生热电子部件热耦合的热管道，以引导液体工作流体流过生热电子部件的散热器。生热电子部件，例如中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、联网设备、电源或另一个相对高功率的电子部件与散热器热耦合，以在生热电子部件产生热量时将热量从其移除。

在一些实施例中，散热器固定在生热电子部件上，热管道固定在计算设备的衬底(例如主板)上，以将热管道定位在生热电子部件和散热器周围。在一些实施例中，散热器与热管道和/或热管道的一部分集成，使得散热器和热管道固定在生热电子部件上。

在一些实施例中，计算设备包括多个生热电子部件并且小于所有的多个生热电子部件与热管道热耦合。例如，热管道可以定位在计算设备上以引导流体流过和/或经过CPU和GPU。在一些实施例中，只有一个生热电子部件或一种计算设备的生热电子部件的类型与热管道热耦合。例如，热管道可以定位在计算设备上，以引导流体流过和/或只经过CPU。

热管道具有位于热管道的第一纵向端的入口和位于热管道的第二纵向端的出口。纵向上的通道连接入口和出口，以允许工作流体流过热管道并从生热电子部件排出热量。在一些实施例中，热管道在纵向上具有恒定的横截面积。在一些实施例中，热管道在纵向上的横截面积变化。例如，热管道可以朝向出口的横截面积增加，以适应随着工作流体沸腾而其中工作流体体积的增加。例如，热管道可以朝向出口的横截面积减小，以在工作流体沸腾时加速其中的工作流体的流动。

当生热电子部件加热冷却容积中的液态工作流体时，液态工作流体可能会沸腾。当液态工作流体沸腾并转化为蒸汽工作流体的气泡时，冷却容积中(以及冷却容积上方)的工作流体柱的密度降低。例如，液态工作流体可能比蒸汽工作流体的密度大约为100倍或更高。热管道限制工作流体在冷却容积中的运动，并且仅允许工作流体的基本垂直运动，并且从热管道外部的液态工作流体的静压隔离热管道中的两相工作流体。在液态工作流体比蒸汽工作流体的密度高100倍的示例中，沸腾一部分液体工作流体以将改变冷却体积为50％液体工作流体和50％蒸汽工作流体，使冷却体积的密度降低49.5％。

蒸汽工作流体的气泡上升到生热电子部件上方的气泡容积中。在一些实施例中，气泡的路径被热管道限制。生热电子部件周围的冷却容积和包含气泡的生热电子部件上方的气泡容积比生热电子部件下方的液体容积密度小。热管道周围的液体工作流体的柱状压力对热管道内的流体施加压力，使流体在热管道内沿纵向移动。热管道外的液体工作流体对混合液体工作流体和热管道内的蒸汽工作流体的相对柱状压力在热管道的工作流体上产生净力。随着生热电子部件加热并沸腾热管道中的工作流体，热管道中的蒸汽工作流体的比例增加，这使得热管道中的工作流体上的净力增加，进一步加速热管道中的工作流体以增加流体流动和冷却能力。通过这种方式，热管道作为热虹吸管运行，至少部分地根据生热电子部件产生的热量加速流体流动以及增加冷却。

为了维持相对柱状压力，生热电子部件可以快速地沸腾液体工作流体。例如，生热电子部件可以具有至少400瓦的峰值工作功率。在其他示例中，生热电子部件可以具有至少600瓦的峰值工作功率。在其他示例中，生热电子部件可以具有至少800瓦的峰值工作功率。在其他示例中，生热电子部件可以具有至少1000瓦的峰值工作功率。

在一些实施例中，生热电子部件的工作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少10℃。例如，生热电子部件的工作温度可以是60℃，并且工作流体的沸腾温度可以是50℃。在一些实施例中，生热电子部件的工作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少15℃。在一些实施例中，生热电子部件的工作温度可以高于工作流体的沸腾温度至少20℃。

在一些实施例中，热管理系统包括具有固定于其上的热管道的服务器计算机或其它计算设备。如本文所述，在一些实施例中，热管道被固定到计算设备的主板或其它衬底上。在一些实施例中，热管道被集成到固定到生热电子部件上的散热器中。来自生热电子部件的热量可以沸腾热管道中的一部分液态工作流体，以加速工作流体通过热管道。其中的净力至少部分地基于相对柱状压力。

在一些实施例中，蒸汽气泡在离开热管道的出口后被允许分散在液体工作流体中。在一些实施例中，热管道至少延伸到液体工作流体的液位以限制热管道中的蒸汽气泡。通过限制和/或防止蒸汽气泡在热管道外的移动，直到进入浸没室的顶空，使热管道中的工作流体的密度最小化。由于生热电子部件沸腾的液体工作流体产生的蒸汽气泡被封闭在热管道中，相对柱状压力最大化。因此，流体流量增加。

热管道可以通过降低热管道中的工作流体的密度来加速工作流体通过。流体流动可以通过从浸没浴中向生热电子部件流动较冷的液体工作流体来增加冷却能力。在一些实施例中，服务器计算机或其它计算设备的次级生热电子部件从吸入热管道入口的液体工作流体的流动中接收额外的冷却。

次级生热电子部件可以位于服务器计算机或其他计算设备上(例如，在同一主板或其他衬底上)，位于热管道下方和/或邻近热管道入口。热管道将液体工作流体吸入入口，以及邻近入口的液体工作流体的引导流动可以冷却邻近入口的次级生热电子部件。

热管可以放置在散热器周围或与散热器集成。在一些实施例中，散热器包括一个或多个热表面特征，用于将热量从生热电子部件散发到热管内部的工作流体中。热表面特征可以包括翅片、杆、热管、蒸汽室、网状物、海绵、表面纹理或任何其他增加散热器和/或热管的表面积和/或传热速率的特征。

在一些实施例中，热表面特征位于散热器和/或热管道中，以纵向重叠生热电子部件。例如，热管道在纵向上可能比生热电子部件长，例如处理器。热表面特征可能仅位于生热电子部件所在的散热器和/或热管道的纵向部分中，以接收和传递来自生热电子部件的热量。热管道可能缺乏热表面特征，或者在不接触或重叠生热电子部件的热管道的纵向部分中具有较少或较小的热表面特征。从不接触或重叠生热电子部件的热管道的纵向部分消除或减少热表面特征可以减少对工作流体的阻力，并允许更快的流体流过热管道。

热表面特征，在一些实施例中，从热管道的内表面突出到热管道的内部区域，以将热量传递到其中的工作流体。热表面特征可能不接触相对的内表面，以及在热管道中创建多个通道。多个通道阻碍液体流体流动，以及可能增加热管道中干燥的风险。

热管道可具有多种横截面形状中的任何一种(例如，垂直于纵向)。在一些实施例中，热管道具有横截面形状，该横截面形状为矩形、正方形、三角形、五边形、六边形、其他规则多边形、弧形、圆形、椭圆形、不规则或其组合。例如，热管道可具有横截面形状，该横截面形状至少部分地与一个或多个热表面特征的形状相关。在至少一个实施例中，热表面特征形成一个固定到散热器的弧形的导电杆(或纵向的一系列杆)，而热管道具有圆形的横截面形状，以互补地遵循弧形的曲线。

在至少一个实施例中，热表面特征部接触内表面的第一侧和内表面的相对的第二侧。在这样的实施例中，热表面特征部(例如翅片)可以形成隔离通道，从而抑制流体在横向上的流动以及有干涸的风险。热表面特征部可以在其中有孔，以允许液体工作流体通过热管道的通道的横向运动。

热管道可包括一个或多个热表面特征，以促进液态工作流体从内表面的多于一侧沸腾。在一些实施例中，蒸汽室定位在热管道的内表面上，以传递和/或传播来自生热电子部件的热量。蒸汽室将来自生热电子部件的热量跨整个内表面(横截面)传递，以平等地加热液态工作流体并沸腾液态工作流体。在一些实施例中，热表面特征定位在与生热电子部件相对的内表面的一侧，使得热表面特征的增加表面积造成工作流体从邻近生热电子部件的较热侧和具有热表面特征的生热电子部件的相对较冷侧的平等的加热。

液体工作流体的均匀加热也可能平等地促进液体工作流体的汽化，导致液体工作流体有蒸汽工作流体的蒸汽气泡夹带。因为蒸汽工作流体在热管道中的运动(和较低密度的)决定了通过热管道的流量，液体工作流体沿热管道的逆流将不利地影响热管理系统的冷却能力。在一些实施例中，热管道具有足够的横截面积以允许流体流动并防止干涸，同时没有太多的横截面积以允许液体工作流体逆流。虽然在整个横截面积中促进蒸汽气泡可以帮助防止逆流，但互补的表面特征也可以限制热管道的开放横截面积并促进夹带。

在一些实施例中，热管道具有内表面的顶侧和内表面的底侧(邻近生热电子部件)上的热表面特征。相对侧或相邻侧上的热表面特征可以彼此互补，以在内表面的顶侧上的第一热表面特征和内表面的底侧上的第二热表面特征之间保持基本恒定的间隙。例如，从内表面的顶侧突出的翅片可以定位在从内表面的底侧突出的翅片之间的间距中。

热管理系统，根据本公开，使用沸腾时工作流体密度的变化来在浸没室中产生压差。在一些实施例中，热管理系统使用浸没室中的压差来引导或吸取流体从浸没室的特定区域或容积中。例如，可以选择热管道的入口的形状，以跨一个或多个次级生热电子部件吸取液体工作流体，如本文所述。例如，喇叭形或宽入口可以跨服务器计算机或其他计算设备从更大的区域吸取液体工作流体，以主动地迫使液体流过次级生热电子部件。在另一个示例中，喇叭形或宽入口可以将液体工作流体吸入热管道，随后在流动方向上变窄，通过文丘里效应加速流体以增加冷却能力。

在一些实施例中，热管道的入口位于浸没室中，以从浸没室中的特定位置吸取液体工作流体。例如，入口可朝向浸没室的远离浸没室中的服务器计算机或任何其他生热电子的次级生热电子部件的区域，以吸取较冷的液体工作流体。在至少一个示例中，热管道的入口位于邻近液体回流管路出口的位置。返回的液体工作流体(例如，从冷凝器返回)可被过冷到低于浸没室中液体工作流体的温度。位于具有最冷液体工作流体的区域中的液体工作流体将为连接到和/或热管道的导热。

虽然已经描述了热管理系统的实施例，其中热管道通常相对于重力垂直定向以允许蒸汽气泡上升，但是在一些实施例中，热管道和生热电子部件的至少一部分可以相对于重力成角度以允许蒸汽气泡在热管道中远离生热电子部件上升。

例如，服务器计算机主板或其他衬底可以相对于重力倾斜，以将热管道的至少一部分垂直定位在生热电子部件上方。当生热电子部件将热管道中的液体工作流体煮沸时，蒸汽工作流体将沿重力方向上升并远离生热电子部件的表面。虽然这可以限制和/或防止部件干燥，但相对于重力方向过大的倾斜角度会引导液体工作流体的逆流并限制和/或防止夹带。在一些实施例中，热管道和/或生热电子部件相对于重力的倾斜角度在0°至10°之间。在一些实施例中，热管道和/或生热电子部件相对于重力的倾斜角度小于5°。在一些实施例中，热管道和/或生热电子部件相对于重力的倾斜角度小于2.5°。

本公开涉及用于冷却计算机或计算设备的生热部件的系统和方法，至少根据以下部分提供的示例：

[A1]在一些实施例中，浸没式冷却热管理系统包括与生热电子部件热耦合的热管道。热管道在通道的第一纵向端具有入口，在通道的相对的第二纵向端具有出口。生热电子部件在入口和出口之间与通道纵向热耦合。通道的出口相对于重力方向高于入口。

[A2]在一些实施例中，[A1]的热管道在横截面为多边形。

[A3]在一些实施例中，[A1]或[A2]的热管理系统包括在热管道的内表面上的至少一个热表面特征。

[A4]在一些实施例中，[A3]的热表面特征位于邻近生热电子部件的热管道的内表面的底侧上并与之接触。

[A5]在一些实施例中，[A3]的热表面特征位于热管道的所有内表面中在热管道中的至少一个纵向位置处。

[A6]在一些实施例中，[A3]至[A5]中任何一个的热表面特征是蒸汽室。

[A7]在一些实施例中，[A1]至[A6]中任何一个的入口是喇叭形的。

[A8]在一些实施例中，[A1]至[A7]中任何一个的出口是锥形的。

[A9]在一些实施例中，[A1]至[A8]中任何一个的热管道在纵向上的横截面积增加。

[B1]在一些实施例中，热管理系统包括浸没室、位于浸没室中的工作流体、生热部件和热管道。工作流体具有液相和气相。生热部件定位在工作流体的液相中，并固定在衬底上。热管道在第一纵向端具有入口，在相对的第二纵向端具有出口。热管道连接到衬底并定位在衬底上，使得生热电子部件纵向位于入口和出口之间，以加热工作流体的一部分液相，并引导工作流体通过热管道的纵向流动。

[B2]在一些实施例中，[B1]的工作流体具有50℃到90℃之间的沸腾温度。

[B3]在一些实施例中，[B1]或[B2]的生热部件具有至少400瓦的峰值工作功率。

[B4]在一些实施例中，生热部件的工作温度至少比工作流体的沸腾温度高0.10℃。

[B5]在一些实施例中，[B1]至[B4]中任何一个的液相密度是气相密度的至少100倍或以上。

[C1]在一些实施例中，热管理系统包括浸没室、位于浸没室中的工作流体、第一生热电子部件、第二生热电子部件和热管道。工作流体具有液相和气相，气相限定液相上方的顶空。第一生热部件定位在工作流体的液相中并固定在衬底上。热管道在第一纵向端具有入口，在相对的第二纵向端具有出口。热管道连接到衬底并定位在衬底上，使得第一生热电子部件纵向位于入口和出口之间，以加热工作流体的液相的一部分，并引导工作流体的纵向流动通过热管道。第二生热部件位于工作流体的液相中并固定在热管道外部的衬底上，邻近入口，使得工作流体的纵向流动冷却第二生热电子部件。

[C2]在一些实施例中，[C1]的出口定位在顶空中。

[C3]在一些实施例中，[C1]或[C2]的第一生热电子部件和第二生热电子部件是计算设备的一部分，并且入口被定向成远离计算设备。

[C4]在一些实施例中，第二生热电子部件定位在热管道中。

[C5]在一些实施例中，[C1]至[C4]中任何一个的热管理系统包括来自冷凝器的液体回流管路，并且入口朝向液体回流管路的出口定向。

[C6]在一些实施例中，[C1]至[C5]中的任一衬底和热管都以小于10°的重力方向的倾斜角度定向。

词语“一”、“一个”和“该”意在表示在前面的描述中存在一个或多个元素。术语“包括”和“具有”意在具有包容性，意在表示除了列出的元素之外还可能存在其他元素。此外，应当理解，对本公开的“一个实施例”的参考并不意在被解释为排除同样包含所述特征的其他实施例的存在。例如，关于本文中的实施例描述的任何元素可以与本文中描述的任何其他实施例的任何元素组合。本文中陈述的数字、百分比、比率或其他值意在包括该值，以及与所述值“大约”或“近似”的其它值，如本公开的实施例所涵盖的本领域普通技术人员所理解的。因此，所述值应被广泛地解释为足以包括至少足够接近所述值以执行期望的功能或实现期望的结果的所述值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。

本领域普通技术人员应当意识到鉴于本公开内容，等效构造并不背离本公开内容的精神和范围，并且在不背离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本文公开的实施例进行各种改变、替换和改动。等效构造，包括功能性“功能性限定”条款，旨在覆盖本文描述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效结构和提供相同功能的等效结构。申请人的明确意图是不针对任何权利要求调用功能性限定或其他功能性权利要求，除了其中“装置用于”一词与相关联的功能一起出现的权利要求。每一项添加，删除和修改落入权利要求的含义和范围内的实施例将被权利要求所包含。

应当理解的是，前面描述中的任何方向或参考框架仅仅是相对方向或运动。例如，对“前”和“后”或“顶端”和“底部”或“左”和“右”的任何引用仅仅是对相关元素的相对位置或运动的描述。

本公开可以在不背离其精神或特征的情况下以其它具体形式实施。所描述的实施例被认为是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附的权利要求指示，而非由前面的描述指示。在权利要求书的含义和等同范围内的变化包含在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种浸没式冷却热管理系统，包括：

热管道，其具有通道的第一纵向端处的入口，以及所述通道的相对的第二纵向端处的出口，

生热电子部件，其在所述入口和所述出口之间纵向地与所述通道热耦合；

其中所述热管道与所述生热部件热耦合，并且所述出口相对于重力方向高于所述入口。

2.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述热管道在横截面为多边形。

3.根据权利要求1或2所述的热管理系统，进一步包括在所述热管道的内表面上的至少一个热表面特征。

4.根据权利要求3所述的热管理系统，其中所述至少一个热表面特征被定位在并且接触所述热管道的邻近所述生热电子部件的内表面的底侧上。

5.根据权利要求3所述的热管理系统，其中所述至少一个热表面特征在所述热管道中的至少一个纵向位置处被定位在所述热管道的全部所述内表面上。

6.根据权利要求3所述的热管理系统，其中所述至少一个热表面特征是蒸汽室。

7.根据前述权利要求中任一项所述的热管理系统，其中所述入口是喇叭形的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的热管理系统，其中所述出口是锥形的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热管理系统，其中所述热管道的横截面积在纵向上增大。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热管理系统，进一步包括：

浸没室；

位于所述浸没室中的工作流体，所述工作流体具有液相和气相；以及

其中所述热管道连接至并被定位在衬底上，使得所述生热电子部件纵向地位于所述入口和所述出口之间，以加热所述工作流体的所述液相的一部分以及促使工作流体通过所述热管道的纵向流动。

11.根据权利要求10所述的热管理系统，其中所述工作流体的沸腾温度在50℃与90℃之间。

12.根据权利要求10或11所述的热管理系统，其中所述生热部件具有至少400瓦的峰值工作功率。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的热管理系统，其中所述生热电子部件的工作温度比所述工作流体的所述沸腾温度大至少0.10℃。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的热管理系统，其中所述液相的密度比所述气相的密度大至少100倍。

15.根据前述权利要求中任一项所述的热管理系统，进一步包括：

第二生热电子部件，位于所述工作流体的所述液相中并且被固定在所述衬底上并邻近所述入口，使得工作流体的所述纵向流动冷却所述第二生热电子部件。