CN1527928A - 控制集成电路器件的温度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制集成电路器件的温度的装置和方法，该设置包括一个制冷剂系统(20)，该系统具有一个包含制冷剂的制冷剂回路(30)、一个蒸发器(40)、一个压缩机(60)和一个冷凝器(70)。冷凝器具有一个可控变速风机，以使制冷剂的温度保持在预定值。在用于冷却集成电路器件的制冷系统中，一种用于控制制冷剂压力的方法是在预定位置将制冷剂温度与预定值相比较，并改变对冷凝器的冷却程度。

Description

控制集成电路器件的温度的装置和方法

技术领域

本发明总体上涉及一种如计算机的微处理器这样的集成电路器件，更具体地说，涉及将这样的器件冷却到环境温度以下、以提高工作效率和工作速度的冷却方法。

背景技术

在电子工业界人们已熟知，将集成电路器件冷却到环境温度之下可大大提高这样的器件的工作效率和工作速度。这种冷却对构成现代计算机的心脏—微处理器来说尤为有益。例如，现已发现，通过将微处理器冷却到-40℃或更低温度可极大地改善台式计算机的性能。

在本领域已知有各种方法和装置可排除集成电路器件产生的热。例如本发明的受让人KryoTech有限公司在此前已研制了一种用于冷却台式计算机中的集成电路器件的制冷系统。这种制冷系统是通过使制冷剂流体循环到与微处理器接合的热头上而起作用的。

当制冷剂在制冷系统的闭合回路中循环流动时，热头限定了一条使制冷剂通过的流动通路。由于这种设计，使热头起到一个蒸发器的作用，制冷剂流体在热头处从液态转变成气态形式。按照已知的热力学原理，热量因而被从微处理器的部位处排除。由压缩机从蒸发器中抽取的气态制冷剂被送回到冷凝器，并在冷凝器处排除热量。

本领域的专业人员可理解到，由于尺寸的限制需要使制冷系统较小，同时制冷剂的容量就较低。这样，环境空气温度的略微变化就会直接影响到系统的性能。例如，环境温度降低，就会使风机连续运行，以从冷凝器的气态制冷剂中排除更多的热量。这就导致了冷凝器中的液态制冷剂处于低温和低压状态。假如可用制冷剂的容量小，那么即使环境温度略微降低都会过度地减小液态制冷剂的压力，并大大降低制冷系统的冷却能力。

发明内容

在一个方面，本发明提供一种由一个制冷系统冷却的集成电路器件。在该实施例中，制冷系统包括一个包含制冷剂的制冷剂回路、一个蒸发器、一个压缩机和一个冷凝器。

蒸发器与集成电路器件热接触并限定了一条用作制冷剂通路的流动通道，以排除集成电路器件发出的热量。压缩机提高了从蒸发器流出的制冷剂的压力。冷凝器位于压缩机和蒸发器之间，并包括一个用于强迫空气通过冷凝器的变速风机。一个与制冷剂热接触的温度传感器向一个控制器发送用于改变风机转速的信号，以使制冷剂保持在预定的温度。

本发明的其它方面提供了一个用于冷却集成电路器件的制冷剂系统。该制冷剂系统包括一个包含制冷剂的制冷剂回路、一个蒸发器、一个压缩机和一个冷凝器。

蒸发器与集成电路器件热接触，并具有一个入口静压腔和一个出口静压腔。蒸发器还在入口静压腔和出口静压腔之间限定了一条流动通道，制冷剂流过该流动通道，以吸收集成电路器件发出的热量，并使制冷剂转变成气态。压缩机具有吸气口和排气口，并且制冷剂回路连接蒸发器出口静压腔与压缩机吸气口。气态制冷剂通过压缩机，然后以较高压力排出。冷凝器连接在压缩机排气口和蒸发器入口静压腔之间。冷凝器包括一个变速风机，用以排除来自通过冷凝器的气态制冷剂的热量，并使气态制冷剂转变成液态。与制冷剂热接触的温度传感器向控制器提供用于改变风机转速的信号，以使制冷剂保持在预定的温度。

在某些典型的实施例中，温度传感器测量冷凝器和蒸发器之间的制冷剂的温度。在其它典型实施例中，制冷剂回路包括冷凝器和蒸发器之间的一条毛细管，它用于对从冷凝器流向蒸发器的制冷剂进行限流。毛细管使进入该毛细管的制冷剂压力大于225磅/英寸²是最为理想的。

本发明的再一个方面是提供一种用于冷却集成电路器件的方法。该方法使用在整个制冷剂回路中循环制冷剂的制冷系统，该制冷剂回路包括一个压缩机、一个冷凝器和一个蒸发器。该方法通过提供一种可操作地使空气通过冷凝器的变速风机来控制制冷剂的压力，排除制冷剂中的热量。该方法在预定位置处检测制冷剂的温度，并将该温度与预定值相比较。如果该温度超过预定值，表明制冷剂压力太高，则该方法提高风机的可变转速，以降低温度。如果预定值超过该温度，表明制冷剂压力过低，则该方法降低风机的可变转速，以升高温度。在一个典型实施例中，该预定位置处于冷凝器和蒸发器之间。

下面将更详细地讨论本发明的其它目的、特征和方面。

附图说明

本发明全部可公开的内容，包括对于本领域的普通专业人员来说是最佳实施方式都在说明书的其余部分中更详细地提出，包括附图部分。其中：

图1是构成本发明的具有制冷系统的计算机的透视图；

图2是安装在图1的计算机内的制冷系统的示意图；

图3是用在图2的制冷系统中的优选控制电路的原理图。

在本说明书和附图中，相同的附图标记表示本发明相同或类似的特征或部件。

具体实施方式

现在参照附图中所示的一个或多个实例，对本发明的优选实施例进行详细说明。每个实例都是为了对本发明进行举例说明，而不是对本发明的限制。事实上，在不脱离本发明的范围和精神的情况下对本发明所做的改进和变换，对本领域的专业人员来说都是显而易见的。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征也可用于另一个实施例，从而可再产生另外一个实施例。

因此，本发明将包括所有落入权利要求书和它们的等同物的范围内的这些改进和变型。

图1表示构成本发明的具有制冷系统20的计算机10。制冷系统20的运行是为了冷却集成电路器件，如计算机的微处理器12(图2)。但应理解到，本发明不限于冷却微处理器12，而同样可用于冷却任何能从较低的运行温度中受益的集成电路器件。

如图所示，计算机10主要包括一块母板14、各种其它器件、电源16和外壳18。母板14为各种电子元件，包括微处理器12提供一个集中平台。

参照图1和2，制冷系统20的主要构成包括一个制冷剂回路30、一个蒸发器40、一个压缩机60和一个冷凝器70。

制冷剂回路30包括用铜、不锈钢或合成材料制成的柔性管32，用以连接制冷系统20中串连连接的各个部件。柔性管32包含在整个制冷系统20中循环的制冷剂34，如R404a，R507a，或其它适用的替代物。在循环期间，制冷剂34在气态和液态之间变化，以交替吸收和释放热量。用绝缘材料36包住含有制冷剂34的制冷剂回路30部分的柔性管以防止出现凝水，制冷剂34的温度低于当地环境的露点温度。

制冷剂回路30的长度和内径取决于在制冷系统20中的位置。例如，在冷凝器70和蒸发器40之间的制冷剂回路30变细，以形成毛细管38。在本优选实施例中，毛细管38大约有10英尺长，其内径大约为0.026英寸。在这种结构中，毛细管38可确保制冷剂的入口压力大于110磅/英寸²，最好在225磅/英寸²与250磅/英寸²之间。本领域的普通专业人员应理解到，具有不同热需求的集成电路器件所需要的柔性管32的长度和内径是不同的，而这些不同属于本发明的范围。

在计算机10的微处理器12的该实例中，蒸发器40直接被安装在集成电路器件上。蒸发器40由高导热性材料，如黄铜或铜制成，以使微处理器12的热传递最大化。蒸发器40包括用于接收制冷剂34的入口静压腔42。入口静压腔42通向流动通道44，该流动通道横贯蒸发器40的内部并为制冷剂34提供最大的表面积。流动通道44终止于用于将制冷剂34从蒸发器40中排出的出口静压腔46。

安装组件50固定地将蒸发器40连接到微处理器12上。一般说来，安装组件50包括一个上段52和一个下段53，所述上段和下段由紧固件54，例如穿过接合凸缘延伸的螺栓固定。其它的紧固方法是现有技术中已知的，并在本发明的范围之内。安装组件50以这种方式限定了一个包围蒸发器40和微处理器12的气密室56，以使冷却部件与环境空气隔绝。埋置在上段52和下段53内的加热元件58使安装组件50的外表面保持在当地环境的露点温度之上，从而可防止出现凝水。

上面对蒸发器40和安装组件50进行的说明只是为了举例说明，而不是对本发明范围的限制。在由Lewis S.Wayburn，Derek E.Gage，Andrew M.Hayes和R.Walton Barker于2001年7月24日申请的、受让人为KryoTech有限公司的、题为“集成电路冷却装置”的待审查的专利申请中更详细地描述了蒸发器和安装组件的优选结构，该专利也共同作为参考文献。

压缩机60包括一个吸气口62和一个排气口64并连接在蒸发器出口静压腔46。本领域的普通专业人员可理解到，压缩机60的作用是提高气态制冷剂34的压力。由于有恒压电源(图中未示出)，所以压缩机60以恒定的速率运转，尽管在某些实施例中，也可采用变速率压缩机。

冷凝器70串连地连接在压缩机60和蒸发器40之间。冷凝器70包括一个冷却盘管72、一个温度传感器74、一个控制器76和一个变速风机78。冷却盘管72由高导热性材料，如黄铜、铝、不锈钢或铜制成，以最大程度地提高从冷凝器70至环境的热传递。温度传感器74可以是热电偶或是其它用于在预定位置处测量制冷剂温度的适当替代物。在一个实施例中，温度传感器74与在冷凝器70和蒸发器40之间的制冷剂回路30热接触。温度传感器74周围的绝缘材料75使温度传感器74能在不穿透制冷剂回路30的情况下精确地测量制冷剂回路30内的制冷剂温度。温度传感器74响应离开冷凝器70的制冷剂的温度，向控制器76提供电信号82(图3中示出)。

在一个实施例中，控制器包括一个脉宽调制电路80(图3)，用于根据来自温度传感器74的电信号82对风机78的转速进行比例控制。变速风机78迫使环境空气通过冷却盘管72，以将热量从冷凝器70传递给环境。

制冷系统20可以是能以最小的修改就能安装到集成电路器件上的售后部件。例如，再参照图1，制冷系统20可安装在靠近计算机外壳18的地方。制冷剂回路30可通过一条热总线92将制冷剂34提供给微处理器12和使制冷剂34返回，该热总线92穿过计算机外壳18内的开口94延伸。然后，安装组件50固定到微处理器12上，以确保蒸发器40定位在可冷却微处理器12的位置上。

现在将参照图2和3更详细地描述制冷系统20的运行过程。从蒸发器40开始，液态制冷剂34通过入口静压腔42进入蒸发器40，制冷剂34在此膨胀并进入流动通道44内。液态制冷剂34的膨胀降低了制冷剂的压力，使液态制冷剂34转变成气态。在一个实施例中，气态制冷剂34流经流动通道44，以快速地将蒸发器40冷却到接近-40℃。蒸发器40的传热表面将来自微处理器12的热量传递给气态制冷剂34。同时，埋置在安装组件50的外表面上的加热元件58可确保安装组件50的外部保持在当地露点温度之上，以防止出现凝水。

气态制冷剂34在出口静压腔46处流出流动通道44并通过制冷剂回路30流到压缩机60。压缩机60提高气态制冷剂34的压力，然后气态制冷剂34在很高的温度和压力下被排出压缩机排气口64。

加压和加热后的气态制冷剂34经制冷剂回路30流到冷凝器70内的冷却盘管72(图中示出)。当加热后的气态制冷剂34流过冷却盘管72时，变速风机78迫使周围空气通过冷却盘管72，并且周围空气将气态制冷剂34中的热量散发到环境中。当气态制冷剂34冷却时，制冷剂34冷凝成液态。

液态制冷剂34流出冷凝器70后，再通过制冷剂回路30。经保温的温度传感器74测量制冷剂回路的温度，并从而测出液态制冷剂的温度，然后向控制器76发送表明离开冷凝器70的液态制冷剂34的温度的电信号82。

现在参照图3，控制器电路80将来自温度传感器74的电信号82与由用户选择的预定温度相比较，以改变变速风机的转速。运算放大器84将来自温度传感器的电信号82放大，并将放大的信号传送给脉宽调制器86的输入端。在这些优选实施例中，运算放大器84产生一个大约在0和5伏之间的比例信号。脉宽调制器86接收运算放大器84的输出并产生方波，该方波的占空比与输入值成正比。

当工作循环为“on”时，脉宽调制器86的输出被传送给可导电的场效应晶体管88的栅极。通过调节风机78的转速，控制器76调节由风机强迫通过冷却盘管72的周围空气的量，从而控制离开冷凝器70的液态制冷剂34的温度和压力。

再参照图2，液态制冷剂34通过制冷剂回路30后进入毛细管38。毛细管38的较长长度和缩小的内径限制了液态制冷剂34的流量，从而在毛细管38的入口处产生所需的更高压力，制冷剂通过该入口流到蒸发器40，该制冷循环不断重复进行。

因此，可以看出，上面对本发明的一个或多个优选实施例进行了描述。应理解到，本发明的任何及所有等同的方案都包括在本发明的精神和范围内。所描述的这些实施例都只为举例说明，而不是对本发明的限制。因此，本发明的普通专业人员可理解到，由于对进行各种变换，所以本发明不限于这些实施例。因此，可以预期到，任何及所有这些实施例都包括在本发明范围内，即落入所附权利要求书的文字及其等同物的范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制集成电路器件的温度的装置，所述装置包括：

一个包含制冷剂的制冷剂回路；

一个在所述制冷剂回路中的蒸发器，其中所述蒸发器与所述集成电路器件热接触，其中所述蒸发器限定出所述制冷剂的流动通道，以排除所述集成电路产生的热量；

一个在所述制冷剂回路中的压缩机，它用于提高离开所述蒸发器的所述制冷剂的压力；

一个在所述制冷剂回路中并位于所述压缩机和所述蒸发器之间的冷凝器，其中所述冷凝器具有一个变速风机，它运行时可迫使空气通过所述冷凝器，并将热量从所述冷凝器传递到环境中；

一个与所述制冷剂热接触的温度传感器；及

一个与所述温度传感器运行通讯的控制器，它用于控制所述变速风机，以使所述制冷剂保持在预定温度。

2.按照权利要求1所述的装置，其中所述温度传感器与所述冷凝器和所述蒸发器之间的所述制冷剂热接触。

3.按照权利要求1所述的装置，其中所述制冷剂回路包括一个与所述蒸发器相连的毛细管，用于限制从所述冷凝器流向所述蒸发器的所述制冷剂的流动。

4.按照权利要求3所述的装置，其中所述压缩机使进入所述毛细管的制冷剂产生大于225磅/英寸²的压力。

5.一种用于冷却集成电路器件的制冷剂系统，所述制冷剂系统包括：

一个包含制冷剂的制冷剂回路；

一个与所述集成电路器件热接触的蒸发器，所述蒸发器具有一个入口静压腔、一个出口静压腔，并在所述入口静压腔和出口静压腔之间限定了一条流动通道，其中所述制冷剂流过所述流动通道，以吸收来自集成电路器件的热量，从而将所述制冷剂转变成气态；

一个具有一个吸气口和一个排气口的压缩机，其中所述制冷剂回路将所述蒸发器出口静压腔与所述压缩机吸气口流体连接，其中所述气态制冷剂通过所述压缩机并以更高的压力排出；

一个在所述压缩机排气口和所述蒸发器入口静压腔之间、被流体连接在所述制冷剂回路中的冷凝器，所述冷凝器包括一个变速风机，该变速风机使空气通过所述冷凝器，以排除流过所述冷凝器的所述气态制冷剂中的热量，从而将所述气态制冷剂转变成液态；

一个与所述制冷剂热接触的温度传感器；及

一个与所述温度传感器运行通讯的控制器，用于控制所述变速风机，以使所述制冷剂保持在预定温度。

6.按照权利要求5所述的装置，其中所述温度传感器与所述冷凝器和所述蒸发器之间的所述制冷剂热接触。

7.按照权利要求5所述的装置，其中所述制冷剂回路包括一个与所述蒸发器的入口静压腔相连的毛细管，用于限制从所述冷凝器流向所述蒸发器的入口静压腔的所述制冷剂的流动。

8.按照权利要求7所述的装置，其中所述压缩机使进入所述毛细管的制冷剂产生大于225磅/英寸²的压力。

9.一种在用于冷却集成电路器件的制冷系统中控制制冷剂压力的方法，所述制冷系统在整个制冷剂回路中循环制冷剂，该冷却循环包括一个压缩机、一个冷凝器和一个蒸发器，所述方法包括如下步骤：

(a)提供一个风机，用于使空气吹过所述冷凝器，以排除来自所述制冷剂的热量，其中所述风机能以变速运转；

(b)在预定位置检测所述制冷剂的温度；

(c)将所述制冷剂的所述温度与预定值相比较；

(d)如果所述温度超过所述预定值，表明所述制冷剂压力过高，则提高所述风机的所述可变速度，以减小所述温度；及

(e)如果所述预定值超过所述温度，表明所述制冷剂压力过低，则减小所述风机的所述可变速度，以提高所述温度。

10.按照权利要求9所述的方法，其中所述预定位置在所述冷凝器和所述蒸发器之间。

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