CN1991680B - 用于冷却产热部件的装置和系统 - Google Patents

Abstract

公开的装置和系统用于冷却产热部件。该装置可以包括安装板，其与电路板的顶表面刚性连接，该安装板位于产热电路板部件的上方，和热沉，其具有第一和第二端。该热沉配置成与该安装板通过界面连接，以便在该产热电路板部件上提供下向力。该装置还包括至少一个波纹管设备，其将热量转移头和热沉的第一端耦连，其中该波纹管设备配置成将下向力从安装板传递到产热部件的顶表面，并使热量转移头与产热部件的顶表面保持顺应。该系统包括电路板、多个产热电路板部件和上述的装置。

Description

用于冷却产热部件的装置和系统

技术领域

本发明涉及从部件除去过多的热量，更具体地，涉及通过将热量传导到具有多余冷却能力的区域除去电路板部件的过多热量。

背景技术

在具有有限空间要求的计算机中，部件的冷却是设计的一个关键部分。部件冷却需要与其它的设计限制条件，例如空间要求和连通性要求相平衡。结果，热敏感部件，例如硬盘驱动器和处理器，可以使得对部件冷却折衷而被定位。热敏感部件可以是，但不仅限于，任何通过除去过多的热量可以受益的部件，其中所除去的热量多于通过典型的对流或强制通风冷却所能够除去的热量。

冷却不充分的热敏感部件的运行效率会降低。冷却不充分的热敏感部件还会过早地失效。过早的部件失效和低效工作会降低计算机的可靠性和市场销售，从而导致计算机销售商的利润下降。

使用强制通风或对流进行冷却的典型方法可能不能充分冷却热敏感部件。由于空间限制或成本原因，使用定向通道或叶片的强制通风冷却可能不会有效。由于长期能量成本、可靠性降低、噪音考虑等，通过更大风扇或附加风扇增强冷却可能也不是有效的解决办法。

由于空间限制，给热敏感部件添加热沉(heat sink)也是不可能的。如果热敏感部件位于冷却能力不足以使添加热沉起效的位置，则给热敏感部件添加热沉也不会有效。

上述关于冷却热敏感部件的问题在具有极端空间限制的计算机或其它电子设备中，例如机架安装叶式服务器(rack-mounted bladeservers)、膝上电脑等，更加严重。此外，计算机，例如膝上电脑，使用低能量的限制使得通过增大风扇尺寸或添加风扇来解决冷却问题成为一种不吸引人的解决方法。

解决产热部件冷却问题的另一种方法是使用热导管(heat pipe)。热导管是一种将热量从一个点转移到另一个点的简单的机械设备。典型的热导管包括密封的热室，其容纳一种可蒸发的流体。当产热部件加热热导管时，流体蒸发，从流体的表面释放热量。蒸发的流体移动到分开的区域，在该处热量被传递给冷却设备，例如热沉。气体冷却、凝结，重力将冷凝的蒸气拖回到热源。

已经证实，热导管是一种非常有效的冷却电路板上产热部件的方法。热导管对于中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)特别有效。影响热导管效率的一个因素是向与产热部件接合的热量转移头(heattransfer tip)提供足够的下向力(downward force)的能力。为了有效地转移热量，热量转移头必须保持与产热部件接触。下向力可保证充分的接触。

一般地，下向力是由多个紧固机构提供的，例如耦连热导管与电路板的螺钉。然而，紧固机构会产生问题并使热量转移头不能完全与产热部件接合。通常，一个紧固机构用比另一个更大的扭矩加以固定会导致热量转移头不能与产热部件保持平行关系，而是产生空隙。因为气体是热的不良导体，所以该空隙会大大降低热导管的效率。

从前述的讨论应当显见，需要一种装置和方法，用于将热量从产热部件传导到计算机内具有多余冷却能力的区域。有利地，这种装置和系统可以使热量转移头与产热部件保持充分的接触。

发明内容

本发明是响应本技术的当前状况，特别是响应本技术中通过当前可以获得的冷却系统尚没有完全解决的问题和需要而提出的。因此，本发明的提出是为了提供一种用于冷却产热电子部件的装置和系统，其克服了许多或者所有的本技术中的上述缺点。

用于冷却产热电子部件的装置具有安装板，其与电路板的顶表面刚性连接，该安装板位于产热电路板部件的上面，和热沉，其具有第一和第二端，该热沉配置成与该安装板接合，从而在产热电路板部件上提供下向力。

在一个实施例中，该装置还包括至少一个波纹管设备，其将热量转移头与热沉的第一端耦连，该波纹管设备配置成将下向力从安装板传递到产热部件的顶表面，并保持该热量转移头顺从于产热部件的顶表面的平面。

该装置还包括热导管，其具有热室，该热室具有一种可蒸发流体，并配置成将热量从产热电路板部件转移走。在进一步的实施例中，该装置包括圆柱体(cylinder)和第二波纹管设备，其中该圆柱体被配置成可滑动地与热导管的内表面接合，并保持恒定的热室体积，该第二波纹管设备与热沉的第二端耦连，并配置成可以伸缩，以便使热室保持恒定的热室体积。

在一个实施例中，该装置包括多个从热沉向外延伸并且被配置成增大热沉表面积的热翼片。在进一步的实施例中，该装置还包括芯结构，其与热沉的内表面耦连并配置成输送流体。波纹管和热量转移头可以主要由导热金属形成，例如但不仅限于，铝、铜、铝-铜合金、银、金、钨和铍。而且，该装置可以包括多个波纹管设备，每一个波纹管设备将热量转移头与热沉耦连，该热沉配置成冷却多个产热电路板部件。

本发明的系统还可用于冷却产热电子部件。特别地，在一个实施例中，该系统包括电路板、多个产热电路板部件和该装置。

在整个说明书中，提到的特点、优点或类似的语言并不暗示本发明可以实现的所有特点和优点应当存在于或者只存在于本发明的任何一个单一的实施例中。相反，应当理解，特点、优点等语言意味着，联系实施例说明的具体特点、优点或特征包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，对于特点、优点和相似语言的讨论可以是，但并不仅限于，参考同一实施例。

而且，在一个或多个实施例中，本发明所述的特点、优点和特征可以按照任何合适的方式加以组合。相关领域的技术人员会意识到，在没有某一特殊实施例的一个或多个特殊特点、优点的情况下，也可以实现本发明。另外，在某些实施例中可以实现额外的特点和优点，它们可能不是存在于本发明的所有实施例中。

通过下文的描述和附加权利要求书，或者通过在实践下文所提出的本发明的过程中，将能够更加明显地理解本发明的这些特点和优点。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，通过参考在附图中图解的具体实施例对上面做过简要说明的本发明进行更详细的说明。应当理解，这些附图只是描绘本发明的典型实施例，因此不应当认为对本发明的方面构成限制，通过使用这些附图对本发明进行更加明确而详细的说明和解释，其中：

图1a是图解具有根据现有技术的部件的典型电路板的示意性框图的侧视图；

图1b是图解具有根据现有技术的部件的典型电路板的示意性框图的顶视图；

图2a是根据现有技术的用于冷却产热部件的系统的剖面图；

图2b是图解根据现有技术的向一个部件施加不均匀下向力的一个实例的侧视图；

图3是根据本发明的用于冷却部件的系统的剖面图；

图4是根据本发明的用于冷却部件的系统的一个可选择实施例的剖面图；

图5是根据本发明的用于冷却多个部件的系统的剖面图。

具体实施方式

在整个说明书中，“一个实施例”、“某一实施例”或类似语言表示，联系该实施例说明的特殊特点、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，所出现的短语“一个实施例”、“某一实施例”或类似语言可以，但不必须，都参考同一个实施例。

而且，在一个或多个实施例中，本发明所述的特点、结构或特征可以按照任何合适的方式加以组合。在下面的说明中，提供了大量特殊的细节，例如编程实例、软件模块、用户选择、网络处理、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等，从而能够完全理解本发明的实施例。然而，相关领域的技术人员会意识到，在没有一个或多个特殊细节的情况下，或者通过其它的方法、部件、材料等，也能够实现本发明。另外，在其他情况下，没有显示或者详细说明众所周知的结构、材料或操作，以避免模糊本发明的各个方面。

图1a是具有部件的典型电路板102的侧视图。图1b是具有部件的电路板102的顶视图。电路板102可以是服务器、膝上电脑、工作站或其它电子设备的一部分。电路板102包括一个或多个产热部件104。在一个实施例中，产热部件104是硬盘。在另一个实施例中，产热部件104是处理器。在另外的实施例中，产热部件104是随机存取存储器(“RAM”)芯片。本领域的技术人员会意识到其它的产热部件，其中除去多余的热量是有利的。

电路板102包括其它的部件106。部件106可以是电阻器、电容器、集成电路、处理器、存储器等等。部件106位于电路板102上，借助气流108或空气循环加以冷却。气流108可以用风扇、对流冷却或其它典型计算机冷却方法的强制空气冷却而引起。部件106相对于产热部件104定位使得产热部件104具有比用于部件106的气流108或冷却更小的气流110或冷却能力。

在一个实施例中，电路板102是具有有限空间要求的叶式服务器的一部分。在这种叶式服务器中，由于空间限制和布局需要，对产热部件104的冷却比对其它部件106的冷却更加困难。增加对产热部件104的冷却对于提高热敏感部件的性能、延长寿命或提高可靠性而言是所希望的。由于空间限制、能量限制或噪音限制，通过增大产热部件104的气流110来增强冷却可能比较困难。例如，增大用于冷却的风扇的尺寸会使能量成本超过期望的或要求的限制，或者可能使噪音水平增大到超过可以接收的界限。在另一个实例中，空间限制可能阻碍使用叶片或输送管向产热部件104输送更多的气流108。在其它的实施例中，电路板102是膝上电脑、服务器、工作站、台式电脑、数字化视频光盘(“DVD”)播放器或其它电子设备的一部分。

图2a是根据现有技术的用于冷却产热部件104的系统200的剖面图。在一个实施例中，系统200包括电路板102和至少一个产热电路板部件(下文称作“部件”)104。在图示实施例中，部件104包括坐落在插座202内的中央处理单元(CPU)。当前，处理器被配置成具有各种不同的插座构型。插座构型一般由CPU设计加以确定。然而，不管插座202的构型如何，冷却设备通常与CPU耦连。

适合用于冷却该部件104的冷却设备的实例包括热沉(heatsink)、具有风扇的热沉、热导管、水冷系统、氟里昂冷却系统等。在图示实施例中，系统200用热导管204冷却。热导管204一般包括与热导管204的第一端耦连的热量转移头206。该热量转移头206配置成将热量从部件104转移走。

安装板208保持热导管204相对于部件104的位置。热导管204可以和安装板208固定耦连，或者选择地，热导管204可以可拆卸地与安装板208耦连。紧固设备210将安装板208固定在多个支座(standoff)212上，该支座进一步与电路板102或母板相连。类似地，电路板102可以和壳罩(case)214相连。

通过紧固在电路板102上的安装板208向部件的顶表面施加下向力。不幸的是，紧固设备210可能用不同大小的扭矩扣紧或加固，结果导致向部件104施加不均匀的力。

图2b是显示根据现有技术的向部件104施加了不均匀下向力的一个实例的侧视图。如图所示，由于前面讨论的由安装板208施加的不均匀力，使得热量转移头206没有完全与部件104的顶表面接合。在部件104和热量转移头206之间可能出现空隙214，从而大大降低热导管204的效率。空气是热的不良导体，因此部件104与热量转移头206之间的空隙214是不希望的。

图3是图解根据本发明的用于冷却部件104的系统300的剖面图的示意性框图。在一个实施例中，系统300被配置成向热量转移头206提供下向力，从而确保完全顺应的热量转移头206与部件104接口。如这里所用的，术语“下向力”是指朝向电路板102的力。

在一个实施例中，术语“顺应”是指第一平面与第二平面基本上共面。例如，热量转移头206的底表面或面对部件的表面与部件104的顶表面相顺应，当这两个表面共面时。热量转移头206与部件104之间顺应的一个好处是，当向热量转移头206施加下向力时，不会在热量转移头206和部件104之间产生空隙。

在进一步的实施例中，系统300包括热导管302，其配置成提供下向力。热导管302可以包括柔性的波纹管设备304，其配置成将下向力从热导管302和安装板210转移到热量转移头206。波纹管设备(下文称作“波纹管”)304被配置成活节结合(articulate)，以便使热量转移头206与部件104保持顺应的接口。如这里所用的，术语“波纹管”是指柔性的手风琴状设备，其允许沿着水平和垂直方向运动。波纹管304可以按照与弹簧相似的方式发挥作用，因此可以配置成具有在部件104上施加选择的下向力的预定的“刚度(spring rate)”。

如上面参考图2b说明的，施加给紧固设备210的不均匀扭矩会导致热导管302与部件104配置关系不垂直。波纹管304允许在热量转移头206与部件104保持顺应或共面的情况下，热量转移头302不与部件104垂直。在一个实施例中，波纹管用薄的柔性金属形成，柔性金属被选择为能够在部件104上提供足够的力。在一个实施例中，足够的力大约为20 PSI

在进一步的实施例中，热导管302包括热室306，其位于容器308内。热室306是由外部容器308形成的整体而密封的单元。该热室306也可以用可滑动的芯309形成，其可以容纳可蒸发流体。在一个实施例中，热室306配置成具有恒定的体积。

为了保持恒定的体积，芯309与容器308可滑动地耦合。在一个实施例中，芯209包括毛细成芯材料，其配置成输送流体。芯可以用一种烧结多孔材料形成，如钢、铝、镍、铜和陶瓷。此外，芯可以用烧结粉、有槽管、筛眼或布形成。芯被配置成产生毛细压力，以将流体从流体被冷凝的区域输送回流体蒸发的区域。芯309与热量转移头206在底表面311接触。

顶表面311可以焊接在热量转移头206上以便使离开热量转移头206的热流最大化。图示的实施例图解了热量转移头206和底表面311之间的小空隙，这只是出于例证的目的。如上所述，热量转移头206和底表面311可以机械地紧固在一起，由此不产生空隙。

为了在波纹管304收缩时，使热室306保持恒定的体积，可以将第二波纹管310与容器308的第二端耦连。波纹管304和310响应安装板208施加的下向力而伸缩。波纹管304和310可以焊接在容器308上。在一个实例中，当紧固设备210向下扭转时，热导管302压缩第一波纹管304并在部件104上施加该下向力。同时，热室306随后向上推帽件312，并伸长第二波纹管304。

如本领域众所周知的，在确定热室306内所用的可蒸发流体量时，热室306的体积是关键的。部件104的工作温度连同体积的仔细平衡必须被计算以确保热导管的效率。在安装板208和热导管压缩波纹管304以便提供必需的下向力的同时，系统300有利地使热室306保持恒定的体积。

图4是根据本发明的用于冷却部件104的系统400的一个可选择实施例的侧视图。在一个实施例中，系统400包括具有单波纹管304构型的热导管402。热导管402可以配置成具有整体容器404，其与上文参考图3示出的不同，没有上波纹管。热导管402可以包括恒定体积的热室306，其与热量转移头206机械耦连，并且配置成可滑动地与容器404的内表面接合。

在一个实施例中，热室306选择具有的体积略小于容器404的体积，从而当安装板208固定在电路板102上，随后容器404压缩波纹管304时，芯的头406刚好与容器404的顶内表面接触。选择地，芯309可以用可压缩的材料形成，以便当安装板208固定于电路板102上时，能够顺应容器404的收缩体积。

图5是根据本发明的用于冷却多个部件104的系统500的剖面图。在一个实施例中，系统500被配置成冷却多个部件104，例如双处理器计算系统中的多个处理器。选择地，多个部件104可以包括不同的部件，例如处理器和芯片集北桥(north bridge)。而且，部件104可以被配置成具有不同的高度。如所示出的，系统500示出了多个相似的部件，然而，例如，处理器和图形处理单元有可能具有相对于电路板102不同的高度。

多部件热导管502的波纹管304被配置成通过以压缩风琴或弹簧相似的方式，与不同高度的部件104接合。热导管502还可以配置成具有恒定体积的热室504，其中所选的体积能够保持可蒸发流体的稳态冷凝/蒸发反应。选择地，热室504可以具有可变的体积。

在一个实施例中，热导管502包括多个冷却翼片506。冷却翼片506可以用导热金属，例如铝或铜形成。冷却翼片506与热导管502耦连。用于耦连冷却翼片506的方法的实例包括定位焊接、软焊和形成具有集成冷却翼片506的热导管502。冷却翼片506配置成用于增大热导管502的表面积，以便增大将热量散发到气氛中的面积。冷却翼片506还可以分别和图3和4的热导管302、403耦连。冷却翼片506对于冷却产热部件领域的技术人员而言是熟知的，因此这里不再进行进一步的讨论。

在不背离本发明精神和主要特征的前提下，本发明可以用其它特殊的形式加以实现。所述的实施例应当看作都只是举例说明，而没有限制意义。因此，本发明的范围由附加权利要求确定，而不是前面的说明。在与权利要求等同的意义和范围内进行的所有改变都在本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种冷却产热部件的装置，该装置包括：

安装板，其与电路板的顶表面刚性连接，该安装板位于产热部件的上方；

位于产热部件的顶表面上的热量转移头；

热沉，其具有第一和第二端，该热沉配置成与该安装板通过界面连接，以便在该产热部件上提供下向力；和

至少一个柔性的波纹管设备，其将热量转移头和热沉的第一端耦连，该波纹管设备配置成将下向力从安装板传递到产热部件的顶表面，并保持热量转移头与产热部件的顶表面的平面顺应。

2.根据权利要求1的装置，其中该热沉包括热导管，其配置有热室，该热室具有可蒸发液体并配置成将热量从产热部件转移走。

3.根据权利要求2的装置，其中该热室进一步包括圆柱体，其配置成与热导管的内表面滑动接合，并维持恒定的热室体积。

4.根据权利要求1的装置，进一步包括第二波纹管设备，其与热沉的第二端耦连，并配置成可伸缩以便使热室保持恒定的热室体积。

5.根据权利要求1的装置，进一步包括多个热翼片，其从热沉向外延伸，并配置成增大热沉的表面积，以便从热沉散发热量。

6.根据权利要求1的装置，进一步包括芯结构，其与热沉的内表面耦连，并配置成输送流体。

7.根据权利要求1的装置，其中该波纹管和该热量转移头由导热金属形成。

8.根据权利要求7的装置，其中导热金属选自：铝、铜、铝-铜合金、银、金、钨和铍。

9.根据权利要求1的装置，进一步包括多个波纹管设备，每一个波纹管设备都将一个热量转移头与热沉耦连，该热沉配置成用于冷却多个产热部件。

10.一种用于冷却多个产热电路板部件的系统，该系统包括：

电路板；

多个产热电路板部件；

安装板，其与电路板的顶表面刚性连接，该安装板位于产热电路板部件的上方；

位于产热电路板部件的顶表面上的热量转移头；

热沉，其具有第一和第二端，该热沉被配置成与该安装板通过界面连接，以便在该产热电路板部件上提供下向力；和

至少一个柔性的波纹管设备，其将热量转移头和热沉的第一端耦连，该波纹管设备被配置成将下向力从安装板传递到产热电路板部件的顶表面，并保持热量转移头与产热电路板部件的顶表面的平面顺应。

11.根据权利要求10的系统，其中该热沉包括热导管，其配置有热室，该热室具有可蒸发液体，并配置成将热量从产热电路板部件转移走。

12.根据权利要求11的系统，其中该热室进一步包括圆柱体，其配置成与热导管的内表面滑动接合，并维持恒定的热室体积。

13.根据权利要求10的系统，进一步包括第二波纹管设备，其与热沉的第二端耦连，并配置成可伸缩以便使热室保持恒定的热室体积。

14.根据权利要求10的系统，进一步包括多个热翼片，其从热沉向外延伸，并配置成增大热沉的表面积，以便从热沉散发热量。

15.根据权利要求10的系统，进一步包括芯结构，其与热沉的内表面耦连，并配置成输送流体。

16.根据权利要求10的系统，其中该波纹管和该热量转移头由导热金属形成。

17.根据权利要求16的系统，其中导热金属选自：铝、铜、铝-铜合金、银、金、钨和铍。

18.根据权利要求10的系统，进一步包括多个波纹管设备，每一个波纹管设备都将一个热量转移头与热沉耦连，该热沉配置成用于冷却多个产热电路板部件。

19.一种冷却产热部件的装置，该装置包括：

安装板，其与电路板的顶表面刚性连接，该安装板位于产热部件的上方；

热沉，其具有第一和第二端，该热沉被配置成与该安装板通过界面连接，以便在该产热部件上提供下向力；

位于产热部件的顶表面上的热量转移头；

第一柔性的波纹管设备，其将热量转移头与热沉的第一端耦连，该波纹管设备配置成将下向力从安装板传递到产热部件的顶表面，并保持热量转移头与产热部件的顶表面的平面顺应；和

第二柔性的波纹管设备，其与热沉的第二端耦连，并配置成可以伸缩以便使热室保持恒定的热室体积。

20.一种使用热沉冷却多个产热部件的装置，该装置包括：

安装板，其与电路板的顶表面刚性连接，该安装板位于产热部件的上方；

热沉，其具有第一和第二端，该热沉被配置成与该安装板通过界面连接，以便在该产热部件上提供下向力；和

分别位于多个产热部件的顶表面上的多个热量转移头；

多个柔性的波纹管设备，每一个波纹管设备都将一个热量转移头和热沉耦连，该波纹管设备配置成将下向力从安装板传递到产热部件的顶表面，并保持热量转移头与产热部件的顶表面的平面顺应。

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