CN1979380A - 混合冷却系统中的嵌入式热管 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却一发热装置的系统的一个实施例包含：一基座，其适合于耦合到所述发热装置；一外壳，其耦合到所述基座；一液体通道，其形成在所述基座与所述外壳之间，其中一热传递液体可循环通过所述液体通道以去除所述发热装置产生的热量；和一热管，其安置在所述液体通道内，其中所述热管增加了所述热传递液体暴露于的热传递表面面积。其中，所述热管有利地增加了所述热传递液体暴露于的所述热传递表面面积，并在所述热传递表面面积上有效地扩散所述发热装置产生的热量。结果是相对于现有技术冷却系统增强了通过所述液体通道的热传递。

Description

混合冷却系统中的嵌入式热管
技术领域
本发明大体上涉及用于冷却计算机硬件的系统，且更明确地说涉及一种混合冷却系统中的嵌入式热管。
背景技术
图1是说明用于冷却计算机系统中的发热电子装置(例如图形处理单元(GPU))的现有技术冷却系统100的等距视图。如图所示，冷却系统100在特性上包含吹风机/风扇106、翼片109和底板111。通常，例如使用帮助将GPU产生的热量传递到底板111的热粘接剂或具有热性质的润滑脂将冷却系统100热耦合到GPU。冷却系统100还可包含散热片盖(未图示)，所述散热片盖尤其防止微粒和其它污染物进入吹风机/风扇106，和防止从吹风机/风扇106吹出的空气逃逸冷却系统100。散热片盖连同翼片109和底板111一起界定复数个空气通道108。
吹风机/风扇106经配置以迫使空气通过底板111上方的空气通道108，使得GPU产生的热量被传递到空气。受热的空气接着退出冷却系统100，如流线114所描绘，藉此将GPU产生的热量耗散到外部环境中。此过程冷却了GPU，防止装置在操作期间过热。所属领域的技术人员将了解，空气通道108通常经配置以使用最有效地从GPU去除热量的方式在底板111上方引导从吹风机/风扇106吹出的空气并将其引导到外部环境中。
图2是说明计算机系统200(例如台式计算机、膝上型计算机、服务器、大型机、机顶盒和类似物)的示意图，所述计算机系统200中并入有用于冷却GPU216的常规冷却系统100。如图所示，计算装置200包含外壳201，外壳201内驻存有母板204。安装在母板204上的是中央处理单元(CPU)206、用于冷却CPU206的处理器冷却器208、用于从计算装置200去除热量的系统风扇210，和一个或一个以上外围组件接口(PCI)卡212，其每一者均与位于外壳201背部中的槽介接。母板204进一步并入有图形卡202，其使计算装置200能够迅速处理用于图形密集应用程序(例如游戏应用程序)的图形相关数据。图形卡202包括一印刷电路板，所述印刷电路板上安装有复数个电路组件(未图示)，例如存储器芯片和类似物。另外，图形卡200包含安装到图形卡202的一个面的用于处理图形相关数据的GPU216。
因为GPU216的计算要求通常相当大，所以GPU216在操作期间趋于产生大量热量。如果产生的热量没有适当地消散，那么GPU216的性能会降级。出于这个原因，将经配置以从GPU216去除热量的冷却系统100耦合到GPU216。
这些常规的吹风机/风扇冷却系统的一个缺点在于，随着处理器功能变得越来越强大并产生更多热量，风扇必须以很高的速度运转以产生冷却处理器所必需的通过空气通道和散热片上方的气流。高速运转趋于产生大量使计算机用户厌烦的不希望的噪声。而且在某些情况下，这些类型的常规冷却系统甚至可能不能满足某些高性能处理器的散热要求。进一步使这些问题复杂的事实是，在处理器功能正变得越来越强大时，计算装置内用于冷却系统的可用空间一般没有增加。因此，需要充分改进冷却系统的效率以维持与处理器的发展同步。
液体冷却系统开始出现作为常规吹风机/风扇冷却系统的可行的替代物。与可比较的空气冷却系统相比，液体冷却系统以高得多的速率消散热量。然而，典型的液体冷却系统由较大的泵驱动，这些较大的泵倾向于频繁发生故障且趋于消耗大量功率。而且，这些系统趋于使用大量以较高流动速率循环的液体，因此必须频繁补充或更换。
为了克服这些挑战中的某些挑战，在2004年4月12日申请的题为“System forEfficiently Cooling a Processor”的美国第10/822,958号专利申请案中揭示一种混合冷却系统，所述申请案以引用的方式并入本文中。图3是这种混合冷却系统300的等距视图。类似于系统100，混合冷却系统300可适合于用在任何类型的适当计算装置中。如图所示，混合冷却系统300可包含(但不限于)风扇散热片302和混合冷却模块304。如下文进一步详细描述，风扇散热片302和混合冷却模块304可独立地或组合地操作以从计算机系统内的处理器或其它发热装置中消散热量。
以类似于图1的冷却系统100的方式配置风扇散热片302，且所述风扇散热片302包括(但不限于)风扇308、壁306和底板318。冷却系统300还包含散热片盖320，所述散热片盖320尤其防止微粒和其它污染物进入风扇308，和防止从风扇308吹出的空气逃逸系统300。散热片盖320连同风扇散热片302的壁306和底板318一起界定复数个空气通道322。
混合冷却模块304适合于与风扇散热片302集成。混合冷却模块304热耦合到底板318的一部分，且包含(但不限于)液体通道312、进口314、出口316和复数个空气通道310。混合冷却模块304耦合到一泵，所述泵适合于使热传递液体(例如，水或任何其它适于传递热的液体)循环通过包含液体通道312的闭合回路。如图3所示，泵在将液体供应回混合冷却模块304之前使来自混合冷却模块304的液体循环通过一热交换器。进口314和出口316经配置以便分别供应和去除到达液体通道312的热传递液体。空气通道310适合于耦合到空气通道322并将来自风扇308的受迫空气传送到局部环境。空气通道310定位在液体通道312的上方和周围，使得液体通道312大体上封闭在空气通道310内。
在冷却处理器或其它发热装置时，风扇308迫使空气通过风扇散热片302的空气通道322和混合冷却模块304的空气通道310，从而使处理器产生的热量随着空气通过底板318上方而传递到空气。受热的空气接着退出系统300，如流线324所描绘，藉此将处理器产生的热量消散到局部环境中。另外，如先前描述，泵使热传递液体循环通过混合冷却模块304的液体通道312，且处理器产生的热量传递到循环的热传递液体以及传递到空气通道310中的空气。液体通道312适合于将热传递液体传送通过一下游热交换器，所述热交换器从热传递液体将热量消散到局部环境中。
风扇散热片302和混合冷却模块304可独立地或组合地实施以从处理器消散热量，以便用最有效的方式从处理器消散热量。举例来说，风扇散热片302可经实施以消散所产生的大部分热量，混合液体冷却模块304可经实施以消散较少量热量，且风扇散热片302与混合冷却模块304消散的热量的比例可动态调节。或者，风扇散热片302与混合冷却模块304中的一者可实施为用于热消散的主要构件，同时根据需要实施另一机构以消散过量的热量。
使用混合冷却系统300的一个缺点是，当泵未运转且没有热传递液体循环通过液体通道312时，因为由风扇散热片302提供的空气冷却限于未由液体通道312阻隔的空气通道310、322，所以失去了大量冷却能力。在其它混合冷却系统配置中，风扇散热片和液体冷却模块可“堆叠”，使得风扇散热片安置在混合冷却模块的顶部上。在这些配置中，当泵未运转且没有热传递液体循环通过液体通道时，液体通道中停留的液体类似于绝热器而起作用，并妨碍处理器或其它发热装置与风扇散热片空气通道的壁之间的热传递，从而大大降低混合冷却系统的冷却效率。另外，当这种“堆叠的”混合冷却系统安装在外围组件互连(PCI)槽中时，高度限制成为关注的问题。因此，可减小风扇散热片空气通道的高度以允许系统配合在所分配的空间内。减小空气通道的高度减小了空气通道的有效热传递面积，从而进一步降低了混合冷却系统的冷却效率。
如上文所说明，此项技术中需要的是一种尤其在系统的液体冷却部分不处在使用中时增加混合冷却系统的效率的方式。
发明内容
一种用于冷却发热装置的系统的一个实施例包含：一基座，其适合于耦合到所述发热装置；一外壳，其耦合到所述基座；一液体通道，其形成在所述基座与所述外壳之间，其中一热传递液体可循环通过所述液体通道以去除所述发热装置产生的热量；和一热管，其安置在所述液体通道内，其中所述热管增加了所述热传递液体暴露于的热传递表面面积。其中，所述热管有利地增加了所述热传递液体暴露于的热传递表面面积，并在所述热传递表面面积上有效地扩散所述发热装置产生的热量。结果是相对于现有技术冷却系统增强了通过液体通道的热传递。
附图说明
图1是说明用于冷却处理器的现有技术系统的等距视图。
图2是说明适合于与根据本发明一个实施例的用于冷却处理器的系统一起使用的计算装置的示意图。
图3是说明用于冷却发热电子装置的现有技术混合冷却系统的等距视图。
图4A到4C是根据本发明一个实施例的具有嵌入式热管的混合冷却系统的各种视图/示意图。
图5是根据本发明另一个实施例之具有嵌入式热管的混合冷却系统。
具体实施方式
图4A是根据本发明一个实施例的混合冷却系统400的分解等距视图。混合冷却系统400经配置以热耦合并结构上耦合到印刷电路板(PCB)(例如图形卡402或图2的图形卡202)，且以计算机系统(例如，图2的计算机系统200)实施。图形卡402安装在顶侧，且包含GPU416(图4C中更清楚地描绘)和其它组件，例如存储器单元(未图示)和电源(未图示)。优选地，图形卡402经配置以经由标准外围组件互连PCI槽而连接到计算机系统。此外，混合冷却系统400经配置使得当其被安装到图形卡402时，冷却系统400和图形卡402将充分地配合在计算机系统的一个标准PCI槽内。在替代实施例中，混合冷却系统400可经配置以耦合到任何类型的PCB以用于冷却安装在所述电路板上的发热电子装置，例如加速图形端口(AGP)卡。
混合冷却系统400包含(但不限于)基座405、盖410、风扇415、混合冷却模块420、热管425、散热片430、热交换器(如图3所示)和泵(如图3所示)。基座405、混合冷却模块420、热管425和散热片430由例如铝或铜的导热材料制成。盖410和风扇415可由塑料或任何其它适当材料制成。
基座405的底侧热耦合到GPU416以便传导操作期间由GPU416产生的热。基座405也可热耦合到图形卡402上的其它发热电子装置(例如存储器单元和电源)以同样传导由那些电子装置产生的热。散热片430(也展示于图4B中)通过所述存储器单元中的至少一些存储器单元和GPU416的至少一部分而耦合到基座405的顶侧，以准许由这些装置产生的且通过基座405传递的热被传递到通过风扇415而受迫穿过散热片430内的空气通道的空气。可在散热片430下方安置第二热管(未图示)以改进整个散热片430上的热分布。如本文更详细描述，风扇415迫使空气穿过混合冷却模块420的空气通道420e以准许由GPU416产生的热被去除并传递到局部环境。
图4B是没有盖410的混合冷却系统400的俯视图，其中隐线展示嵌入式热管425和GPU416。图4C是混合冷却系统400的截面示意图。如图所示，混合冷却模块420耦合到基座405的顶侧且横向地安置在GPU416上方的基座405上。混合冷却模块420安装到基座405上使得在基座405与混合冷却模块420之间形成液体通道420d。在其间安置密封件(未图示)以防止液体通道420d内的热传递液体440(例如，水)泄漏。或者，混合冷却模块420可具有其自身的基座，所述基座与混合冷却模块420的顶部420f之间形成液体通道，且混合冷却模块420可在安装在基座405上之前被密封。混合冷却模块420包含液体进口420a和液体出口420b。进口420a经由管道(未图示)耦合到泵的出口，且出口420b经由管道(未图示)耦合到热交换器的进口。泵和热交换器可位于计算机底盘201中图形卡402的远侧或在计算机底盘201外部。复数个翼片420c形成在混合冷却模块420的顶部420f中。翼片420c和顶部420f形成穿过混合冷却模块420的空气通道420e，其可由盖410覆盖。在一个实施例中，混合冷却模块420为集成式零件，但在替代实施例中，混合冷却模块420的组件(例如，翼片420c和顶部420f)可为以某种技术上可行的方式耦合在一起的单独元件。
热管425安置在液体通道420d中。优选地，热管425按压配合到液体通道420d中以确保与基座405和混合冷却模块420的顶部420f的良好接触。热管425甚至可按压配合到使热管425从原始圆形横截面变形为大体上椭圆形横截面的程度(如图4C中所示)，以较好地确保基座405与混合冷却模块420的项部420f之间的耦合。也可用热粘接剂或焊料将热管425热耦合到基座405和混合冷却模块420。热管425形成为大体上“U”形，使得热管425的一部分可大体上延伸液体通道420d的每一侧的长度。或者，热管425可沿着纵轴大体上为“S”形以增加与热传递液体440的接触面积。如图4B中最为清楚地展示，混合冷却模块420优选地相对于GPU416而安置，使得热管425的弯曲部分位于GPU416上方。热管425的外部表面可具有纹理以增加从热管425到热传递液体440的热传递速率。热管425的运作是常规的且是所属领域的技术人员众所周知的。
在一个实施例中，热管425是被动式热传递装置，其使用双相流(two-phase flow)来实现极其高的导热性。热管425包含蒸汽室424和毛细结构(wick structure)425w，所述毛细结构425w通过使用毛细管力将液体4251(例如，水)汲取到热源499(由GPU416产生且被传递穿过基座405的热产生)。液体4251在被加热时在毛细结构425w中蒸发，且所产生的蒸汽425v逃逸到热管425的蒸汽室424，蒸汽425v在蒸汽室424中接着由于所产生的压力梯度而受迫到达热管425的较冷区域以便凝结。凝结的液体接着经由毛细管作用返回热源499。电子冷却应用中热管的设计和实施方案的进一步细节可参阅Scott D.Garner、P.E.的题为“Heat Pipes for Electronics Cooling Applications”的论文，其可从 http://www.electronics-cooling.com/resources/EC_Articles/Sep96_02.htm获得，所述论文以引用的方式并入本文中。
现将描述混合冷却系统400的操作。来自GPU416且穿过混合冷却模块420的热流由热路径435a和435b表示。热从GPU416传递穿过基座405，并到达热管425。所述热使毛细结构425w中的液体4251蒸发。蒸汽425v受迫离开GPU416而向图4B中所示的热管425的较冷区域行进。随着蒸汽425v行进穿过热管425，热穿过热管425的侧部而传递到在液体通道420d内循环的热传递液体440(当泵运转时)，如热路径435b所描绘。传递到热传递液体440的热被传送到热交换器，在热交换器中热消散到局部环境中。热也穿过热管425的项部而传递到混合冷却模块420的项部420f，如热路径435a所描绘。热继续穿过顶部420f到达翼片420c，在翼片420c中热传递到通过风扇415而受迫穿过空气通道420e的空气。所述热随后同样消散出去而进入局部环境中。当泵未运转且没有热传递液体440循环通过液体通道420d时，热仅沿着热路径435a行进，如上文所述。
当泵不起作用和起作用时，在液体通道420d中安置热管425均相对于冷却系统300而改进了冷却系统400的热传递能力。当泵不起作用时，热管425保持操作(由于其为被动式装置)且因此提供GPU416与翼片420c之间的直接热路径435a。因此，与现有技术混合冷却系统300相比，热管425充分改进了穿过液体通道420d到达翼片420c的热传递，在现有技术混合冷却系统300中，如先前所述，不循环的热传递液体充当绝热器并阻止GPU与系统的风扇散热片部分之间的热传递。当泵起作用时，热管425的侧部增加循环液体440对着暴露的热传递表面面积，藉此与现有技术系统相比增加了经由热路径435b向热传递液体进行热传递的速率。
在替代实施例中，可将热管425添加到仅液体的冷却系统500的液体通道中，藉此实现增加对循环热传递液体440的热传递面积的益处，如上文所述。举例来说，如图5所示，可使用外壳520替代混合冷却模块420，外壳520的顶部与基座405之间界定液体通道420d。热管425嵌入在液体通道420d中，如本文先前所述。同样，在操作中，热从GPU416传递穿过基座405，并到达热管425。所述热使毛细结构425w中的液体4251蒸发。蒸汽425v受迫离开GPU416而向热管425的较冷区域行进。随着蒸汽425v行进穿过热管425，热穿过热管425的侧部而传递到在液体通道420d内循环的热传递液体440，如热路径435b所描绘。
在另一替代实施例中，混合冷却系统可经配置以耦合到除GPU以外的发热电子装置，例如中央处理单元(CPU)、特殊应用集成电路(ASIC)、另一类型的专用处理单元、存储器元件和类似物。
尽管上文已参照特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离所附权利要求书中陈述的本发明的较广义精神和范围的情况下，对所述特定实施例作出各种修改和变化。因此，应在说明性而非限定性意义上考虑以上描述和附图。

Claims (10)

1.一种用于冷却—发热装置的系统，所述系统包括：
一基座，其适合于耦合到所述发热装置；
一外壳，其耦合到所述基座；
一液体通道，其形成在所述基座与所述外壳之间，其中一热传递液体可循环通过所述液体通道以去除所述发热装置产生的热量；和
一热管，其安置在所述液体通道内，其中所述热管增加了所述热传递液体暴露于的热传递表面面积。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括复数个耦合到所述外壳的一第一侧的翼片，其中所述外壳具有一形成所述液体通道的一部分的第二侧。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述复数个翼片和所述外壳形成一集成式零件。
4.根据权利要求2所述的系统，其进一步包括一风扇，所述风扇经配置以迫使空气通过界定在所述翼片之间的空气通道。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述热管大体上为U形。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述热管大体上延伸所述流体通道的长度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述热管耦合到所述外壳和所述基座，使得所述热管从一圆形横截面变形为一椭圆形横截面。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述热管的一外部表面是具有纹理的。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述发热装置是一图形处理单元。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述发热装置是一中央处理单元、一特殊应用集成电路或一存储器装置。
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