CN208207714U - 一种液体冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液体冷却系统，包括一个或多个冷却中枢和一个或多个传热装置。其中传热装置具有节点和通路组成的内部路径，其中有两相工作流体。节点和路径构成的网络以链路方式运作，使得两相工作流体从电子设备内部的发热元件吸收热量，并将热量传递至冷却中枢。中枢‑链路结构将发热元件和冷却源之间直接的几何关联解除耦合关系，从而得到更高程度的设计自由度、空间管理和冷却冗余。

Description

一种液体冷却系统

技术领域

本实用新型涉及一种液体冷却系统，特别涉及一种中枢-链路液体冷却系统，属于热管理技术领域。

背景技术

计算机系统里运行元件会产生大量热量，其中包括中央处理器、图像处理器、内存、储存系统等等。在许多数据中心，计算机服务器阵列设置于封闭环境内，需要相应的热管理方案收集电子系统产生的热量并且将热量排放到数据中心的外部。但是，典型的热管理系统较为复杂并且效率不高，传统技术应用空气冷却进行热管理，在元件层级上往往不能满足功耗需求，同时会消耗大量的电力和水资源，对于数据中心的日常运行是很大的成本支出。采用液态冷媒的液冷系统同空气冷却系统相比具备更高的传热性能，同时其能量消耗也很低，在近年开始被逐渐采用。但是，考虑到液冷系统在安全性、可靠性和维护性等方面还存在的问题，其广泛应用特别是在大型数据中心的应用还存在巨大的挑战。

计算机系统里产生的热量如果处理不适当会导致元件寿命的大幅缩短、永久性的破坏以及数据丢失。传统的热管理系统驱动冷媒(气体、液体或者二者混合)进入放置计算机系统的机壳内部，同计算机元件在本地进行热交换，然后被引导至系统外部，进行下一阶段的热交换，直至最终将热量排放到数据中心外部。这意味着冷却部件会与电子元件共同占有系统机壳内部空间，电子元件的放置同冷媒通道会相互干涉，这往往是造成电子系统内部冷却不足的根本原因。一些设计采用冷板或虹吸式热管储存并循环液体或其它冷却介质，与电子系统元件进行直接热交换，可以减少系统内部空间占用，但是当电子系统内部有多个发热元件时，元件之间的复杂布局使得连接冷却液体回路依旧占用很多系统内部空间。同时，为了形成液体冷却回路，必须在各个冷却部件之间连接，这样，在运行过程中经历内部高压和长期的腐蚀，发生漏液的风险很高，会对计算机服务器产生致命危险。

一些技术通过将计算机系统甚至整个服务器机柜浸入到非导电性的液态冷却液中，从而避免复杂的冷却回路布局和漏液风险，但是又带来材料匹配和操作维护困难的问题。

还有一些技术采用热传导器件，例如热管，或者固态导热材料将热量从计算机元件传导至计算机机壳外部的冷却部件上，这些热传导器件往往包括多个热管，并且需要弯折热管躲避电子元件并最终连接到外部冷却部件上，实际上并没有减少冷却系统的内部空间占用比例。热管的导热性能受限于内壁微结构产生的毛细管力大小，会随着热管的管径减小、长度增加而减小，同时它的传热方向和重力间的角度(从90°到-90°)也会影响热管导热性能。除此以外，热管的形状通常为管状，与平板形状的电子元件和冷却部件相接触的时候，需要另外加上转接部件，这些转接部件会带来更多的热阻和传热性能限制。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种紧凑的、综合性液体冷却系统，在很多情况下，具备很高的热传导效率和能量利用效率。另外，本实用新型还提供一种液体冷却系统的机械结构，适用于复杂的、具有多个发热元件和多个辅助元件的计算机系统布局。本实用新型还提供一种液体冷却设置方式，可以提供一种冷却冗余，用于单一计算机系统的单一元件或者分布于大型计算数据中心的群集系统，该冷却冗余系统不会增加系统结构的复杂度或备用部件的使用。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种液体冷却系统，适用于一个或多个发热元件的计算机系统，所述液体冷却系统包括至少一个冷却中枢和多个热流链路；其中，热流链路构建于至少一个散热装置，该散热装置包括一组毛细微槽道，做为导引内部的两相工作流体流动的通道，该散热装置还包括一组连接微槽道的连接点，称之为节点；这些由两个或多个微槽道交汇点形成的节点可以位于吸热区域，也可以位于放热区域；所述散热装置位于计算机元件和冷却中枢之间，由一个基体和置于该基体内的自组织热动力学系统(“SOTS”)所组成，关于SOTS的描述及定义，参考美国专利申请号15/060,426；冷却中枢包括一种液体冷却介质，用于吸收通过SOTS传输过来的、产生于计算机元件的热量，并耗散出去；冷却中枢包括一个进口和一个出口，用于循环液态冷却介质；

在毛细微槽道内部封闭有两相流体，作为热量载体，该两相流体在SOTS微槽道网络中流动，于计算机元件和冷却中枢之间形成热流链路，所述SOTS微槽道网络具备一些节点，分别附着于计算机元件和冷却中枢；当两相流体流经附着于计算机元件的节点时，会吸收热量，然后经由微槽道所形成的通路，到达附着于冷却中枢的节点，释放热量；在冷却中枢中，有其他液体冷却介质吸收热量，并进一步耗散出去；在冷却中枢中的其他液体冷却介质可以是单相或两相冷却流体，它们同SOTS微槽道网络中的两相流体是相互分离的；

热量在计算机元件和SOTS之间、SOTS和冷却中枢之间，都是通过热传导方式传递；SOTS内部的两相流体通过热传导、对流、相变或者以上方式的混合等方式吸收或耗散热量；一个同冷却中枢相串联的、位于远端的散热装置将液态冷却介质收集到的热量散发到外界；通过一个泵系统，液态冷却介质在冷却中枢与上述散热装置之间进行循环，并且由这个泵系统在多个冷却中枢之间分配液态冷却介质。

在一些实施例中，设置有热动力系统、装置和部件，通过封闭有两相流体的流体回路，将一个电子系统中的发热元件所产生的热量耗散到一个或多个热量耗散区域；在此后的论述中，该电子系统可以是任意种类的电子系统；如台式计算机、笔记本计算机、服务器、游戏主机、平板电脑、机顶盒、电视机、显示器、掌上设备、媒体播放器或其它在使用过程中会产生热量的类似系统，都可以作为所述电子系统的具体实例；在此处描述的实施例中，基于当地条件(包括温度、压力、两相流的物理相等)，以自组织方式，在一组热量吸收节点和一组热量耗散节点之间，可以高效地实现热传导；在一些实施例中，通过把吸热和放热区域分裂成众多子区域来保证所形成的热力学系统具备临界自组织性，这些子区域分别由毛细管槽道网络连接的节点来代表，封闭于毛细管槽道网络的两相工作流体通过这些节点，在各分支槽道网络间进行质量和能量的交互；例如，在同一区域的一组节点中可以再分出一组节点，只要同一区域内的节点之间没有直接连接在一起。

在SOTS中，两相工作流体会发生相变，例如从液态到气态，这些相变会频繁、随机发生，由于发生相变时所伴随的非常明显的体积变化，导致毛细槽道内的质量流动发生“跳跃”；自组织临界点代表一种状态，在该状态下，SOTS网络内部的流体流动达到一个尺度不变点，此时的SOTS网络需要具备合适的微槽道布局和连接拓扑结构，从而可以把随机的“跳跃”分散到整个网络中；这种质量传递，也受闭合流体回路中的毛细管作用所影响，可以几乎消除重力对两相工作流体在节点之间流动的影响。更多关于当前所述系统、装置、方式的主旨和优势会在以下文本中进行具体论述。

在一些实施例中，所述SOTS传热装置会分配一组节点-通路网络到一个计算机系统里的独立的发热元件，从而在该发热元件与一个或多个冷却中枢间提供一组热流链路。一个链路包括一个附着于计算机元件的节点、一个附着于冷却中枢的节点、以及连接这两个节点的有热交互的通路；第一个两相工作流体作为载体从计算机元件处吸收一部分热量，移动至冷却中枢处，再释放热量；为了持续地吸收和转移热量，第二个两相工作流体载体将回填附着于计算机元件的空的节点；所述两相工作流体的移动和回填是由节点间的压力差驱动的，这些压力差由当地条件所决定，其中包括温度、物理相和热流强度。所述节点-通路网络的拓扑结构，结合冷热源的分布，其目的是使得SOTS装置内部的热量和质量流动在全局上具备自组织临界性质。

通过使用SOTS传热装置所提供的一组热流链路，液体冷却介质以及它的封装单元可以置于计算机系统外部，或者以最小的空间占有率置于计算机系统内部。

在一个实施例中，SOTS传热装置由固体壳体构成，在壳体内集成了一组微槽道。在一些例子中，壳体的最小厚度可以达到1mm。SOTS通过它的微槽道在其径向上从热源向外传输热量。SOTS可以被设置成占有非常少量的计算机系统内部空间(即，SOTS可以占用1mm的高度，而服务器1U的总高为44.5mm)。SOTS传热装置可以在三个维度上集成微槽道，从而在整体上适形，贴附于具有不同高度的计算机元件。

在一个实施例中，一个传热装置可以做成平板形状的固体，贴附于多个冷却中枢。例如，一个SOTS可以贴附到N个中枢，它们的对应关系可以表示为“1：N”。在很多实施例中，一个冷却中枢有一个液体冷却介质的进口和一个出口。在一个计算机系统中，冷却中枢可以有多个接触区域用以接触一个或多个SOTS冷却装置，或者，冷却中枢本身由几个相互连接的独立模块组成，这些模块的连接方式可以是串联也可以是并联，它们都置于同一个计算机系统内，在上述情况下，即使一个冷却中枢与一个或多个SOTS接触连接，它仍然被视为一个中枢。多个或“M”个计算机元件可以与一个SOTS传热装置进行传热接触，它们之间的关系可表示为“M：1”。通过一个SOTS传热装置在“M”个计算机元件和“N”个冷却中枢之间构建链接，则计算机元件和冷却中枢之间的数量对应关系可以表示为“M：N”，这个关系可以解释为：“M”个电子元件中的任意一个由“N”个冷却中枢进行冷却，同时，“N”个冷却中枢中的任意一个在同时冷却“M”个电子元件。通过这种方式，所述系统可以实现对任意一个元件进行N重的冷却冗余，同时，当系统中有“M”个N重冗余冷却的电子元件时，冷却中枢的总数仍然为N，而不是MxN个。

液体冷却介质在各个中枢之间的流动是由一个泵系统驱动的，通过该系统，液体冷却介质被输送到冷却中枢，收集经由SOTS传热装置传导的、源自于电子计算机元件产生的热量，然后再循环到一个散热装置将热量释放出去，如此循环往复，形成一个闭合的流动回路。在某些例子中，一个冷却中枢形成一个处于吸热区域和散热区域之间的闭合液体回路。

在一些实施例中，一个集群式系统包括“L”个形制接近的电子计算机系统，每个计算机系统有“M”个发热元件，并由“N”个冷却中枢进行冷却，即上述“M：N”关系。所有“L”个计算机系统中的第一个冷却中枢可以相互串联形成第一个液体冷却回路，以相同方式去处理第二个、第三个、直至第N个冷却中枢，这样一个计算机系统中的N个冷却中枢分别处于N个冷却回路上。这个集群式系统中的所有的元件与冷却回路之间形成数量关系“LxM：N”，即，“LxM”个元件中的一个元件是由“N”个冷却回路共同冷却的，同时，“N”个冷却回路中的一个冷却回路同时冷却“LxM”个电子元件。通过这样的设置，每一个独立的电子元件都有N重的冷却回路冗余，而总数为“LxM”的电子元件只需要“N”个冷却回路就可以实现每个元件的N重冗余，而不是需要“LxMxN”个冷却回路。在之后的内容里对这一点会有更详尽的讨论。

在一些实施例中，每一个独立的冷却回路使用一个泵系统来驱动液体冷却介质的循环，如上所述的实施例中，一个计算机系统里的电子元件可以实现相同的“M:N”的泵冗余，或者对一个集群系统，实现“LxM：N”的泵冗余。

在其它一些实施例中，独立的冷却回路以并联方式进行组合，连接到一个分流器上，同时这个分流器使用了“K”个冗余泵组在各个冷却回路中进行液体的分配和循环。通过这样的方式，一个计算机系统里的元件可以获得“M：K”形式的泵冗余，同时还有“M：N”形式的冷却回路冗余；或者在一个集群式系统里，实现“LxM：K”形式的泵冗余，再加上“LxM：N”形式的冷却回路冗余。

通过一种混合冷却系统，还可以获得如下所述的优势，例如，主要的发热元件是由如上所述的液体冷却系统进行冷却，同时一些非关键的元件(例如，绝缘栅双击晶体管，电压调节模组，等等)和内置的外围设备(例如，电源，存储设备，扩展卡，等等)，由于相对主要的电子元件，发热量较小从而通过风扇驱动空气进行冷却。

所述液体冷却系统也可以通过液体冷却介质的相变从冷却中枢处吸收和传导热量，这种方式与之前所述的基于液体冷却介质强制对流传热的方式有所不同。封闭有相变液体冷却介质的壳体可以在内壁上增加微结构，利用毛细管力来驱使液体流动，并维持与热传导装置相邻的汽液界面上的蒸发。

下面通过附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明，但并不意味着对本实用新型保护范围的限制。实施例中的实施条件和装置除非特别注明，均为本领域常规的实施条件和市场上可采购的常规的装置。

附图说明

图1A是本实用新型一种液体冷却系统的结构示意图。

图1B是本实用新型一种在吸热区域和放热区域之间显示有通过微槽道形成的节点-通路网络的液体冷却系统的结构示意图。

图1C是本实用新型一种中枢位于一个计算机系统内部的中枢-链路液体冷却系统的俯视结构示意图。

图1D是本实用新型一种中枢位于一个计算机系统内部的液体冷却系统的侧视结构示意图。

图2A是本实用新型一种安装于一个形制为1U的计算机系统内部的液体冷却系统。

图2B是本实用新型一种中枢-链路液体冷却系统和一个形制为1U的计算机系统的展开视图。

图2C是本实用新型一种传热装置的透视图。

图2D和2E是本实用新型一种冷却中枢和它的安装机构的实施例。

图2F是本实用新型安装于一种电子系统的传热装置的终端视角示意图。

图2G-2I是本实用新型冷却中枢的一个实施例。

图2J和2K是本实用新型一个自组织的热动力学系统(“SOTS”)的传热装置和一个冷却中枢之间的安装方法的实施例。

图3A是本实用新型一种安装于1U计算机系统的液体冷却系统的透视图。

图3B为图3A所示液体冷却系统的展开示意图。

图4A和4B是本实用新型另外一种液体冷却系统实施例的透视示意图，其中SOTS传热装置与冷却中枢集合成一个整体。

图4C是本实用新型一种应用了两相流体作为冷却介质的液体冷却系统的局部透视图。

图4D是图4C中的冷却中枢的代表性的横切面图。

图5A是本实用新型一种混合冷却系统的透视图，该系统同时应用液体和空气作为冷却介质，安装于一个电子系统内部。

图5B是本实用新型一种传热装置的透视图。

图5C是图5A所示的混合冷却系统的俯视图。

图5D是本实用新型一种冷却中枢的透视图。

图6A是本实用新型一种连接单一SOTS传热装置的液体冷却系统的透视图。

图6B本实用新型是一种与电子系统相分离的液体冷却系统的透视图。

图7A是本实用新型一种嵌入基体板内部的SOTS的结构示意图。

图7B是本实用新型一种应用了脉动热管的传热装置的平面示意图。

图7C是本实用新型一种演示传热装置和冷却中枢之间非直接接触的平面示意图。

图7D是本实用新型采用其它传热设备的一种液体冷却系统。

图8A是本实用新型一种按照液体冷却系统结构设置元件位置的计算机系统的透视图。

图8B是图8A中的计算机系统的展开示意图。

图9是本实用新型一种采用了多个计算机刀片共享一个冷却中枢方式的刀片服务器的透视示意图。

图10A和10B是本实用新型一种集群式计算机系统的冷却冗余的结构示意图。

图10C是本实用新型一种集群式计算机系统的冷却冗余、泵冗余的结构示意图。

具体实施方式

图1A是本实用新型一种液体冷却系统的结构示意图，图1B是本实用新型一个在吸热区域和放热区域之间显示有通过微槽道形成的节点-通路网络的液体冷却系统的结构示意图，其中包括一个计算机系统，一个SOTS传热装置110，冷却中枢120和121，散热装置150，以及泵153和154。该计算机系统包含多个发热元件，例如131，132和133。该计算机系统的集成电路板(PCB)130上有多个电子元件，包括扩展卡、存储设备、以及其他外围设备。SOTS传热装置110既可以独立，也可以分立。在运行当中的计算机元件所产生的热量通过SOTS传热装置110传递到冷却中枢120和121，其中SOTS传热装置110与计算机系统不相干涉。例如，SOTS中的微槽道111，112，113和114连接了贴附于元件131的相关节点和贴附于冷却中枢120和121的相关节点，所形成的链路定义了这样的热流通路，即，封闭于SOTS当中的两相工作流体从元件131那里吸取热量，流动到相应连接的冷却中枢120和121，然后把热量传导给封闭于冷却中枢内部的液体冷却介质。需要注意，在图1A和1B中揭示的链路仅为示意性的表示，而实际分布是由计算机系统的结构以及与之相匹配的“中枢-链路”冷却系统所决定的。冷却中枢中的冷却介质通过回路151和152进行循环，这两个回路分别由泵153和154驱动。液体冷却介质吸收来自于相接触的链路的热量、从冷却中枢120和121流动到散热装置150，在这个地方通过热交换把热量耗散到外部环境中去，然后液体冷却介质被输送返回冷却中枢。在一些实施例中，回路151和152是完全闭合的，在应用之前，液体冷却介质事先充入到回路151和152中。在一些例子中，系统可以增加一个存储罐，用以提供、补充液体冷却介质。所示SOTS传热装置110可以视为一个具有多个微槽道、封闭两相工作流体的网络系统的载体。例如，如图所示，包括115和116在内的四个节点位于元件131的相邻区域，需要注意的是，所述节点是在SOTS传热装置110的固体壳体内部，由元件131产生的热量首先通过SOTS传热装置110和元件131的接触面传导过去，然后通过SOTS传热装置110壳体进行热传导，最后再由封闭在微槽道中的两相流体所吸收。特别的，节点115提供了三种连接，包括经由微槽道141连到节点122、经由微槽道142连到节点123、以及经由微槽道143连接到节点124，其中，节点122和123是位于冷区中枢120毗邻区域的，节点124是位于冷区中枢121毗邻区域的。需要注意的是，在一些实施例中，节点的连接以及路线需要遵照一定的原则设计以确保SOTS传热装置110当中发生的热量和质量流动是自组织的。例如，毗邻于同一个计算机元件的节点不能进行直接连接，同时，一个节点与另外一个节点之间最多只有一个通路连接。在一些实施例中，每一个节点可以与位于不同区域的至少两个节点相连接。在图1A和1B中，没有把SOTS传热装置110的所有节点都演示出来。如图所示，一些以“x”终止的连接路线表示与相关节点的连接并没有画出来。需要注意的是，并非所有的链路具有元件和冷却中枢之间的热量流动。例如，由于所述微槽道网络闭合的本质，在毗邻冷却中枢120的节点与毗邻元件131的节点之间所形成的链路，总是会有一些被两相流体的回流所占据。同时，伴随两相流体流动的热流或者回流会在同一链路里、不同的时间段上发生。也就是说，所述微槽道系统中的两相工作流体的流动在两个方向上都会发生。

在一些实施例中，冷却中枢120可以如图1C和1D所示是固定在计算机PCB板130上的，结合SOTS传热装置110作为热流链路的载体，冷却中枢120的布局和形制可以设计成为与电子计算机元件(如中央处理器160)之间的几何干涉最小。在一些实施例中，SOTS传热装置110可以同时贴附于多个计算机元件，并且通过一些加工方法制成可以同时贴合不同高度的计算机元件，这些加工方法包括161所示的压铸、弯折等工艺，或者工件集成工艺，如162所示焊接和锡焊，或如163所示的用导热介质材料进行粘合，或者以上所有方式的混合引用。通常情况下，处理器160在系统里发热量最大，因此需要最紧密的表面接触，从而使得接触面处的接触热阻非常小，提供有效的传热性能。其它元件，例如电压调整器164，跟处理器160相比产生的热量相对较小，而且通常有更大的安全工作温度阈值，因此它们与SOTS传热装置110之间的接触可以采用精度较小的方式，例如162中的锡焊、161中的弯折、或者163所示的导热界面材料。

在一些实施例中，优选设计使得SOTS传热装置110和冷却中枢120之间的接触面积远大于SOTS传热装置110和发热元件131、132和133(如图1A所示)之间的接触面积。通过这种通用的设计方式，在元件131、132和133处的非常集中的热量扩散到冷却中枢120上，其热流密度会减小，如此以来，SOTS传热装置110和冷却中枢120之间的接触热阻会在整个热流路径上贡献很小的温度梯度，因为接触热阻通常与散热面积成反比。另外，在一些实施例中，SOTS传热装置110和冷却中枢120可以通过焊接或锡焊的方式集合成一个整体，从而减小接触热阻，提高热传导性能。需要注意的是，图1A至1D仅示例性的展示了计算机系统及其元件、SOTS传热装置110、和冷却中枢120之间的相对关系，实际应用中的放置方式和几何形状关系会随具体系统设置的变化而变化。

如图2A所示，是本实用新型一个安装于一个形制为1U的计算机系统内部的液体冷却系统，展示了一种液体冷却系统的实施例，用于双处理器计算机系统，例如一个采用开放计算项目(Open Compute Project-OCP)设定形制的系统。其中，SOTS传热装置210贴附于一个中央处理器和相对应的电压调节器上，用螺丝212进行紧固。SOTS传热装置210可以将其几何形状制成避开内存组260，然后延伸到机箱壳体220的两个边缘，通过托架250紧固到自封闭冷却介质的冷却中枢240，两者之间有热接触。SOTS传热装置210可以在不同的位置有不同的厚度，例如，覆盖CPU的216区域具有5mm厚度，从而保持必要的强度和刚性来提高平整度、与CPU进行紧密接触。同时，SOTS传热装置210上的其他区域厚度在2mm左右，以获得较好的塑形性和较小的高度，可以在系统形制内适形的贴服不同元件的高度。如图2A所示，两个独立的冷却中枢240和248可以对称的置于机壳220的两侧。冷却介质通过进口242流入冷却中枢240，在冷却中枢240循环，然后通过出口244流出。SOTS传热装置210将发热元件，如CPU，产生的热量，同时传导至冷却中枢240和248。通过使用两个独立的冷却中枢，当其中一个冷却回路失效，计算机系统仍然能够由另外一个冗余冷却回路进行冷却。

继续参考图2A，辅以图2B-2F，这些图展开揭示了所述液体冷却系统，其中SOTS传热装置210通过机壳220两侧边的开口，紧固到冷却中枢240和248上。在一些实施例中，冷却中枢240和248是固定在机壳220上的，附加的托架222用于封闭冷却中枢240，同时加强机壳220的结构强度。整个机构可以进一步利用一些托架悬挂到服务器机柜上。在一些实施例中，SOTS传热装置210有吸热区域215和放热区域214，其中，放热区域214与冷却中枢240和248之间的接触面积比吸热区域215与电子元件之间的接触面积要大很多。SOTS传热装置210可以是一个完全封闭的两相流体传热装置，它利用一个嵌入固体基体的、具有“节点-通路”结构的毛细管微槽道的网络系统，在其中封闭了离散的(汽液)两相流体，作为能量载体。在吸热区域215所吸收的热能驱动两相流动，同时，所述“节点-通路”网络的拓扑结构利用节点布局和连接的复杂性，使得所驱动的两相流动具备全局自组织的临界特性，在该自组织临界状态下，SOTS传热装置210的吸热区域215和放热区域214之间的热传导稳定而且高效。托架250(图2A)用于实现放热区域214和冷却中枢240之间的紧密接触。调整螺丝254可以通过孔252将托架250拉向冷却中枢240，从而将放热区域214压至冷却中枢240上以获得两者之间的紧密的面接触。SOTS传热装置210的弯折和厚度允许放热区域214在系统的宽度方向上有一定移动自由度，以弥补加工和组装过程中的误差。

图2G至2I展示了一种图2A中冷却中枢240的实施例，在一个实施例中，一个中空体246通过挤压的方式成形，作为例子，图2I展示了这样一个挤压工件的横截面图，该横截面图是沿图2H中的A-A线截取的。图2I是一种挤压件轮廓的实例。端口封盖245，247通过焊接或粘接与中空体246连接。端口封盖245给定了一个进口242和一个出口244。液体冷却介质通过进口242流入，流向端口封盖247，然后转向返回出口244。242和244在运行期间或不同运行过程中可以互换进口和出口的功能。在一个实施例中，中空体246由挤压工艺制成，该工艺过程可以较低成本加工形成无缝的液体流动腔体，通过焊接连接的端口封盖245和247可以提供结实而又长效的永久性接口，用以防止压力下漏液。在一些例子中，冷却中枢240以及有漏液可能的部分可以被放置在计算机系统机壳外部，用以防止漏液发生时造成的电子系统损坏。

在一些实施例中，中空体246设置一个或多个槽道256，或沿246延伸的管路。在槽道或管路256中设有冷却翅片260，冷却翅片260通过金属挤压的方式塑形，通过冷却翅片260可以提供更多的热交换面积，从而提高冷却中枢240的腔体和内部循环的冷却介质之间的传热效率。

图2J和2K展示了一种可供选择的、SOTS传热装置210和冷却中枢240之间的紧固方式，冷却中枢240可以固定在系统机壳220的侧壁268上，一个平板式的扣件260通过一个铰链262固定在冷却中枢240上，一个锁存264和它的扣件固定在侧壁268上，用于作用于冷却中枢240将其固定在侧壁268上。一个锁存扣266可以加在锁存264上提供固锁的力量将扣件260压向冷却中枢240，使得SOTS传热装置210和冷却中枢240之间的接触更紧密。需要注意的是，紧固方式没有局限于如图2B、2J和2K所示的方式，考虑的接触紧密度、热插拔组件、和维护性等因素要求，所述中枢-链路式的液体冷却系统应根据具体电子系统的设计需求进行相应的紧固方式设计。

为了实现特定终端用户所需求的高等级的系统可服务性，在一种实施例中可采用另外一种SOTS的设计方式，如图3A和3B中的310所示。SOTS传热装置310采用了一种不同的3D弯折方式，使得用户可以更容易的接触到内部元件，包括内存312。如图所示，SOTS传热装置310有一个空缺区域314，其位置可以使得SOTS传热装置310绕开内存312，但同时在内存上所作的相应操作不用移除SOTS传热装置310。通过这种方式，SOTS传热装置310可以根据特定的计算机结构进行定制，同时满足更换部件等操作所需要的较为简单容易的元件可操作性。此外，可以加载更多的类似314的空缺部分以满足内存312以外的更多部件的相似需求。

参考图4A和4B，在一些实施例中，冷却中枢412和传热装置410可以通过直接焊接或锡焊的方式整合成一个整体。在一些实施例中，冷却中枢412和传热装置410甚至可以加工成为一体从而减小接触热阻。图4A和4B展示了一个例子，其中传热装置410与冷却中枢412直接接触，然后直接组装在计算机系统414内形成一个整体。

在一些实施例中，除了采用对流式液体冷却，还可以采用其它散热原理的冷却介质。图4C和4D展示了一种可选设计，在冷却中枢里使用相变介质。交界面426是冷却中枢420与传热装置410的紧固接触面，热量通过交界面426传入中枢420，使得冷却中枢420内部微结构内的液态冷却介质发生相变，成为气态并集中在冷却中枢420的上部430区域，液态冷却介质432会被微结构428内的毛细管力吸入、填补由于蒸发所造成的空位。气态的冷却介质通过出口422离开冷却中枢主体，然后在第二阶段的热交换过程中释放热量、冷凝回液态。冷凝后的液态介质会通过进口424返回冷却中枢主体，从而整个流动形成一个闭合回路。在一些实施例中，所述两相冷却回路中会有一个压缩阶段，使得返回的液体介质温度低于环境温度，或者可采用另外一种方式，即，将蒸发过程产生的气态介质压缩到高温高压，加大与周边环境的温差，从而可以使用较小型的换热器进行冷凝。

图5A至5D描述了另外一种将冷却中枢540设置于计算机机壳520内部的实施例，所示系统500采用了空气冷却和液体冷却同时存在的混合式冷却方式，风扇单元590用于冷却布置在风道上的内存524、存储系统516和其它外围设备，SOTS传热装置510和冷却中枢540用于冷却两个处理器和电压调节器。如图所示，冷却中枢540是低高度的、通过金属挤压方式成形的部件，其高度可以控制在10mm以内。它被固定在系统机壳520的底部，可以通过预装的方式与机壳成为一个整体，所述预装方式包括焊接、锡焊、粘接、螺丝紧固以及其它机械或化学紧固方式。SOTS传热装置510可以设置成延伸出PCB板的边缘、直至足够接触冷却中枢540。冷却系统总厚可以被控制1.5个英寸以内，在一些实施例中，SOTS传热装置510和冷却中枢540的总厚可以进行相应的控制，使得它们安装在1U的计算机服务器系统内部后，总厚相对于系统高度占比小于28％。有两个U形液体冷却回路，一个通过542口进入、从541口流出，另一个从543口进入、从544口流出。多个流体回路可以保证，在一个循环泵出现灾难性故障时，有冷却冗余。

图6A和6B展示了一种实施例，其中SOTS传热装置610同PCB板630的尺寸接近，它可以同时覆盖所有PCB板上的主要发热元件。SOTS传热装置610有开口区域640和642，其大小、形状和位置可以使得内存、连接插口、和其它一些部件伸出到SOTS传热装置610上方。液体冷却回路由一个托件620和流体管路622组成，该液体冷却回路的路径根据计算机系统的结构和PCB板630上的电子元件的布局而预先设计，在一些例子中，路径的设计以实现优化系统空间利用率为目标。流体管路622可以进行弯折使得流体路径躲开计算机机壳650内部一些部件的阻碍，在安装至SOTS传热装置610前，通过挤压或锡焊的方式固定在托件620上。在一个范例性实施例中，流体管路622锡焊在SOTS传热装置610上以获得更好的热传导效果和结构一致性。在一些实施例中，在不同应用环境下，同一个PCB板可以用在不同的计算机系统配置。在一些例子中，液体回路的路径会根据系统的机械结构做相应的变化，例如涉及计算机元件的位置和布局、PCB 630的大小和形状、以及计算机机壳650。SOTS传热装置610的形状可以根据PCB制定，从而可以在多种计算机系统配置中重复使用，只要这些配置使用了同种规格的PCB板。因此，图6A和6B所示的600系统针对变化的计算机系统配置，提供了一种低成本、灵活度高的液体冷却方案。虽然所示系统600仅采用了一个液体冷却回路，需要注意的是，该系统可以根据需求和必要性改为具备冗余冷却的设计，而且这种改变几乎不需要对系统进行重整。液体回路不需要限制在置于SOTS传热装置610的上部，它可以置于SOTS传热装置610底部或者任意一个部分，以满足热传导所需。

如图7A所示，是本实用新型一个嵌入基体板内部的SOTS的结构示意图；图7A展示了一个嵌入基体板710内部的、SOTS系统700的机械结构示意图，吸热节点720、721和722设置毗邻于PCB板上的发热元件。其中，吸热节点720和721属于同一组别的吸热节点，它们把相毗邻的计算机元件区域分成独立的子区域，然后从这些子区域吸收来自于元件的热量。冷却节点740被置于毗邻冷源的区域，这些吸热节点和冷却节点之间由毛细微槽道群750进行连接，这些微槽道是嵌刻在基体板710里的，它们可以通过激光切割、蚀刻、机加工、电火花加工或其它适合的加工工艺，在基体板710上成形。图7A示意性的展示了吸热节点720、721和722与冷却节点740之间的连接，并非所有的连接都在图7A中表示出来。

在一些实施例中，SOTS网络系统的复杂结构可以做一些简化，例如图7B所示，整个网络的拓扑结构简化成为常规的闭合回路脉动热管(OHP)。同标准热管相比，脉动热管有较高的散热性能并且可以处理更高的热流通量。脉动热管是一种被动式的传热装置，不需要泵或功率输入。其中热经由封闭工作流体在蒸发端(即，接触发热元件的部分)和冷凝端(即，接触冷源的部分)之间的振荡运动进行传导。第一加热区域760被设置毗邻于发热元件，把热量从附在PCB上的发热元件处带走，第一冷却区域770毗邻于冷源。毛细槽道730形成一个闭合回路，该形制通常被称为平板脉动热管。将毛细槽道730进行多次弯折，作为传热通道把热量从第一加热区域760处传导至第一冷却区域770处，然后再进一步耗散到冷却介质上。

如图7C所示，在一些实施例中，SOTS传热装置710上的某些区域718可能不适合直接接触冷源，在这些情况中，可以采用一些相对成本较低的传热设备，例如热管780，放在SOTS传热装置710和一个或多个远端冷源770之间进行热传导。在一些实施例中，即使710的基本壳体覆盖了整个PCB板，SOTS传热装置710的网络系统却只覆盖PCB的有限区域，即，阴影区712，大部分PCB上的发热元件都在该区域内。例如，一个小热源762距离冷源772非常远，无法对其提供足够的冷却，与其拓展一个特殊的SOTS传热装置710网络使其延伸到小热源762处进行散热，不如使用一个独立的热传导设备782，绑定在SOTS传热装置710的上表面去改善这一小热源区域的散热。所述独立的热传导设备782通常是热管、脉动热管、或其它传热组件，可以使得所述小热源被SOTS传热装置710和冷源772冷却。通过这种方法，一个标准的系统700可以根据计算机架构快速定制设置，即使这一计算机架构偏离于一个特定SOTS传热装置710已设定的集成方式。

在一些实施例中，如图7D所示，一个远端热源764，例如扩展卡，会加入到计算机系统里，它仍然需要紧固在SOTS传热装置710上的冷源724进行冷却。在这种情况下，一个独立的传热设备，例如一个热管780，可以用来把热量从第一加热区域764传递到SOTS传热装置710。也就是说，SOTS传热装置710和与它相紧固的冷源724作为一个冷却中枢，直接的或间接的冷却计算机发热元件。因此，系统700是可以定制安装，以适应不同计算机架构。

如图8A和8B所示，PCB 805以及它的元件，其中包括一个或多个CPU 806、一个或多个内存807，这些组件可以按照仅适合中枢-链路式液体冷却系统800的结构和方向进行设计定位。即，与PCB 805相关联的元件所产生的热量，通过SOTS传热装置810被传导至冷却中枢820，然后经由冷却介质循环通过系统机壳边缘处的冷却中枢820并最终耗散到外界。SOTS传热装置810把热量从发热元件，例如一个或多个CPU 806，传导至冷却中枢820。基于固体传导的冷却扣件830把热量从一个或多个内存807传导至冷却中枢820。例如，冷却扣件830可以与一个或多个内存807接触通过传导方式吸热，然后将所吸收热量同样通过固体传导的方式传递到冷却中枢820。该系统可以采用两个或更多独立液体回路来提供冗余。需要指出的是，所述计算机和中枢-链路式液体冷却系统800的设置和布局有很多变化，但是仍然在本实用新型所揭示的设计思路范围内。

图9展示了一种液体冷却系统900的实施例，应用于刀片服务器902。在一些例子中，多个服务器刀片910一个挨一个竖直放置，然后置于两个冷板920之间。冷板920作为冷却中枢，由服务器刀片910集群共享，SOTS传热装置912和冷却扣件914作为热传导装置，在该设置中的使用方法与图8A和8B中所描述的SOTS传热装置810和冷却扣件830相似。也就是说，服务器刀片910中主要发热元件所产生的热量通过SOTS传热装置912和冷却扣件914传递到冷板920。一个金属管922可以通过嵌刻、紧固、接触或者粘接等方式与冷板920的金属板体做成一个整体。在该设置中，液体冷却介质经由金属管922所定义的流动路径循环，其中包括一个或多个入口924和出口926。需要注意的是，冷板920在图9中仅为示例性的设计，有很多种其它方式可以将冷板制成冷却中枢、与一个或多个SOTS传热装置912和(或者)冷却扣件914联合使用。通过在多个服务器刀片910之间共享冷板920，冷却系统900的结构可以高度简化并且易于维护。

为了获得冷却冗余，但同时不需要引入整个备份冷却系统，对于一个集群计算机系统需要在机柜层面上采用一种“共享”设置方式。如图10A所示，机柜1010组装多个节点服务器1020，整个机柜可以由几个并行冷却回路1021和1022冷却(如图10B所示，有四个并行回路)，同时每个液体回路会跨越经过多个节点服务器1020。在一些例子中，对于每个节点服务器，它的电子元件由两个并行冷却回路1021和1022进行冷却，即使一个回路出现故障，另外一条回路仍然可以继续给节点服务器提供充分冷却，直至故障回路被修复。由机柜产生的热量，可以通过热交换器1030耗散到第二阶段的冷却回路中，最后通过冷却系统1032排放到外界。图10A和10B所示的所有计算机元件可以拥有相同的液体冷却回路冗余和泵系统冗余。

图10C是另外一种提供冷却冗余的冷却系统的实施例。跨越经过多个节点计算机的液体回路1021和1022连接到一个通用的分流器1040，该分流器1040收集并分配液体冷却介质。分流器1040收集到的液体冷却介质通过一个泵1024和一个可选择添加的冗余泵1025驱动，进入热交换器1030，在这里，从服务器1020收集到的热量可以传导至第二冷却系统1032，然后，冷却之后的液体冷却介质被驱动送回分流器1040并重新分配到每一个液体回路。

通过这种方法，形成一个简单的、具备中枢-链路结构的冷却系统，该系统可以很容易地进行定制设置、规模化、同时给计算机系统的发热元件提供冗余冷却。此外，该系统所提供的冗余特性可以设置采用混合冷却介质，维护简单。最后，中枢-链路冷却系统1000可以非常简单地根据不同计算系统架构进行定制配置，甚至在安装阶段，可以通过加装扩展中枢、热管、或者其它散热装置，根据需要实时进行配置。

根据一些实施例，一个液体冷却系统包括第一冷却中枢、传热装置例如SOTS、和循环泵。第一冷却中枢包括第一冷却介质，例如纯液态或者两相流体。传热装置具备大量的内部毛细管槽道，形成一个封闭的节点-通路网络，并有第一两相工作流体在其中循环运动。该传热装置与第一冷却中枢之间通过固体热传导进行热量交互，即，传热装置与第一冷却中枢之间为面接触，其它可选择的方式包括将传热装置通过焊接、粘接、或一体成形等方式与第一冷却中枢做在一起。循环泵同第一冷却中枢之间有流体交互，用于将第一冷却介质循环经过第一冷却中枢。

冷却中枢包括第一接口端和第二封闭端，冷却中枢主体可由金属挤压方式成形，具备一个或多个中空槽道，称之为管路。冷却中枢的一端用一个封盖封闭，同时该封盖可使冷却中枢内管道间流体相通。在另一端，或者是接口端，包括接口和相关连接设施，可以给冷却中枢内部的中空槽道提供液体进口和出口。

在沿冷却中枢内部管路的轴向方向设有多个翅片，这些翅片可以在冷却中枢加工过程中，例如在金属挤压过程中，一起加工出来，这些加入的翅片可以增加传热效果，优于不加翅片的设计。

传热装置内部的毛细管槽道形成一个具有节点和通路的网络结构，该结构可以使得网络内部的两相工作流体流动具备自组织临界性。也就是说，由节点和通路构成的网络允许其中的两相工作流体在毛细管力和SOTS节点压力差下进行运动。在一些例子中，第二传热装置，例如热管，可以集成到SOTS传热装置上，作为辅助调整热量流动。当一个电子系统具有一个发热元件，距离其它主要发热元件较远的时候，上述方式会非常有用。在这种情况下，用一个热管在所述远端发热元件和SOTS传热装置之间建立热传递。

在一些实例中，一个传热装置可以有第一平面和第二平面，这两个平面不在同一个平面内。这种方式可以使得传热装置可同时接触多个发热元件，这些元件以PCB板为基准面，有不同的高度。这种方式也可以允许传热装置接触多个相互垂直或有角度的发热元件和冷却中枢。

一个二级热交换器可以用于将热量从冷却中枢中的第一冷却介质的热量传递到外界环境中去。在一些例子中，这个热交换发生在电子系统壳体外部。当使用两相流体作为冷却中枢中的冷却介质时，冷却中枢需要连结一个冷凝器，用于将气态的冷却介质冷凝至液态。

在一些例子中，一个电子系统可以增加第二冷却中枢和第二传热装置，用以提供冷却冗余。另外，冷却中枢可以给多个电子系统提供冷却，例如一个服务器机柜上的多个计算机系统。

与在此描述的系统一起，提供了一种方法，包括提供一个传热装置与第一电子装置的一个或多个发热元件进行接触。该传热装置包括两相工作流体，并且该传热装置设定了一个内部流体流动网络。所述方法进一步包括一个冷却中枢，与传热装置的至少一个部分有表面接触，该冷却中枢包括第一冷却介质。在使用时，所述方法包括：通过传热装置内的两相工作流体将热量传递到冷却中枢中的第一冷却介质，然后通过一个和冷却中枢热连接的换热器，将热量耗散至外部环境。

在一些实例中，提供了一个第二传热装置与第二电子设备(例如，第二个计算机设备)中的一个或多个发热元件相接触，其中第二传热装置包括第二两相工作流体和设定的内部流体流动通路。所述第二传热装置与冷却中枢进行表面接触，从而使得冷却中枢可以对第一电子系统和第二电子系统提供热传导。通过这种方法，单个冷却中枢可以用来冷却多个电子设备。

在一些实例中，第二传热装置可以用于接触第一电子系统内不同的(不同于第一传热装置所接触的)一个或多个发热元件，然后与冷却中枢有热连接。这样，一个单一电子设备内部的多个发热元件(通过传热装置)耦合到同一个冷却中枢来传递热量。

在一些实例中，一个系统包括一个冷却流体回路，其中含有第一两相冷却介质。该冷却流体回路包括：一个定义了内部流体路径的冷却中枢；一个用于驱动第一两相冷却介质在闭合回路中循环的泵；以及一个冷凝器，用于将第一两相流体介质从气态冷凝为液态。该系统进一步包括一个传热装置，其中容纳了第一两相工作流体，并且由一个定义了内部毛细槽道网络的基体组成，该内部毛细槽道构成的网络是闭合于外部的。该传热装置通过与冷却中枢接触传热，把热量从传热装置内部的第一两相工作流体传递到冷却中枢内部的第一两相冷却流体。

在一些实例中，有第二传热装置与冷却中枢进行接触传热。也就是说，多个传热装置共用一个通用冷却中枢。传热装置可以置于第一个电子系统内部，然后第二传热装置置于第二电子系统内部。

在一些例子中，有第二传热装置与冷却中枢进行接触传热，该第二传热装置可置于同第一传热装置相同或不同的电子系统。可选的，用一个热管可用于与冷却中枢传热接触。

在一些实施例中，一个传热装置与一个电子系统内的印刷电路板上的两个或更多发热元件同时接触，该传热装置可以定义第一区域用于吸热和第二区域用于放热，其内部的毛细槽道可以定义两个区域之间热量和质量流动路径，并且这些槽道在位于区域内的节点处进行交汇。

该传热装置可以设置成为紧固于一个电子系统内部，然后与附于一个印刷电路板上的一个或多个发热元件进行表面接触。

在使用过程中，当电子系统内部的发热元件产生热量，这些热量被导至与发热元件相接触的传热装置的固体外壳，然后被传热装置内部的微槽道中循环的两相工作流体吸收，被两相工作流体吸收的热量会在传热装置内部不同位置造成不均匀的温度和压力上升，同时还有在随机位置发生的随机的相变。所述两相工作流体在内部压力差、以及伴随相变发生的突然的体积变化等因素所驱动，适当的微槽道布局、连接拓扑、以及工作流体类型，可以使得所述的热量和质量流动在某个临界点上具备整体的自组织性，该临界点代表了一个高效的、动态稳定的热传导。

所述两相工作流体，不论是气态部分还是液态部分，动态随机的通过多种热传导机制将热量传递至冷却中枢，这些传热机制包括：传导、对流、相变、以及它们之间的混合方式。然后，冷却中枢通过对流(单相冷却流体)或者通过相变(两相冷却流体)，传热给冷却中枢内部的冷却介质。一个或多个泵驱动冷却中枢内部的冷却介质进行循环，将冷却介质所吸收热量传递至一个热交换器。在一些情况下，冷却中枢内部的冷却介质是两相流体，在吸收足够热量后发生相变，需用一个冷凝器将冷却介质冷凝回液态。

虽然本实用新型的保护主题用特定的结构特征和/或方法进行了限定，要理解的是，本实用新型的保护主题不限于权利要求所描述的具体特征或行为。相反，权利要求中描述的特定结构特征和方法仅是本实用新型的示例。

Claims (14)

1.一种液体冷却系统，包括：

含有第一冷却介质的第一冷却中枢；

具有内部毛细槽道的第一传热装置，所述内部毛细槽道构成一个节点-通路网络，并且含有第一两相工作流体，其特征在于，第一传热装置与第一冷却中枢之间有传导式的热交互；并且，

设有第一循环泵，与第一冷却中枢之间有流体交互，所述第一循环泵用于循环第一冷却中枢内部的第一冷却介质，形成第一冷却回路。

2.如权利要求1所述的液体冷却系统，其特征在于，第一冷却中枢有第一接口端和第二封闭端，第一冷却中枢包括一个主体，其中具有贯穿的第一管路和第二管路，第一管路和第二管路在第二封闭端口处有流体交互，同时具有与第一管路关联的第一接口，以及和第二管路关联的第二接口。

3.如权利要求1所述的液体冷却系统，其特征在于，所述第一冷却中枢中沿第一管路和第二管路的径向延伸有翅片。

4.如权利要求1所述的液体冷却系统，其特征在于，所述内部毛细槽道构成一个节点和通路的网络结构，用以使得其中的两相流体流动具备自组织临界性。

5.如权利要求1所述的液体冷却系统，其特征在于，进一步包括一个分立的传热装置，集成到第一传热装置上，用于调节热量流动。

6.如权利要求1所述的液体冷却系统，其特征在于，第一传热装置具备一个第一平表面和一个第二平表面，用于传导不在同一平面内的热量。

7.如权利要求1所述的液体冷却系统，其特征在于，进一步包括一个第二热交换器，用于将第一冷却介质中的热量传导至周边环境。

8.一种液体冷却系统，包括：

闭合流体回路，具有第一两相冷却流体，并且包括：

冷却中枢，具有内部流体路径；

冷凝器，用于将第一两相冷却流体从气态冷凝至液态；

第一传热装置，具有第一两相工作流体并包括一个具有内部槽道网络的基体，其中内部毛细槽道形成一个热流链路网络；并且，其特征在于，所述第一传热装置与冷却中枢有热接触，把热量传递至第一两相冷却流体。

9.如权利要求8所述的液体冷却系统，其特征在于，进一步包括第二传热装置与冷却中枢进行热接触。

10.如权利要求9所述的液体冷却系统，其特征在于，第一传热装置位于第一电子系统内部，第二传热装置位于第二电子系统内部。

11.如权利要求8所述的液体冷却系统，其特征在于，进一步包括一个泵，用于在闭合流体回路中循环第一两相冷却流体。

12.如权利要求8所述的液体冷却系统，其特征在于，进一步包括一个压缩机，用于压缩第一两相冷却流体。

13.如权利要求8所述的液体冷却系统，其特征在于，传热装置与安装于一个印刷电路板上的一个或多个发热元件有热接触。

14.如权利要求8所述的液体冷却系统，其特征在于，传热装置被设置安装于一个电子系统内部，与该电子系统内部、安装于一个印刷电路板上的一个或多个发热元件有表面接触。