TWI629859B - 用於電子裝置之熱虹吸系統 - Google Patents

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Abstract

一種熱虹吸系統包含一冷凝器、一蒸發器及將該冷凝器流體耦合至該蒸發器之一冷凝物管路。該冷凝物管路可為具有並列通道之一管道，其可用於將液體冷凝物從該冷凝器運送至該蒸發器及將蒸汽從該蒸發器運送至該冷凝器。該蒸發器可整合至該管道中。該冷凝器可構造有一成角度芯。整個總成可使用一單個材料(例如，鋁)構造並可在一單個硬焊操作中硬焊在一起。

Description

用於電子裝置之熱虹吸系統
本發明係關於用於將熱從電子裝置移除之熱虹吸系統。
電腦使用者通常關注電腦微處理器之速度(例如，兆赫及千兆赫)。許多人忘了此速度通常是有代價的--更高之功率消耗。此功率消耗亦產生熱。此係因為依據簡單物理定律，所有功率需轉移至某處且某處最終係轉換為熱。安裝在單個母板上之一對微處理器可消耗數百瓦或更大之功率。將該數字乘以數千(或數萬)以計及大型資料中心中之許多電腦且將很快瞭解可產生之熱之數量。當併入支援臨界負載所需之所有輔助設備時，資料中心中之臨界負載所消耗之功率效應通常加倍。
許多技術可用於冷卻位於伺服器機架托盤上之電子裝置(例如，處理器、記憶體及其他產熱裝置)。舉例而言，可藉由在裝置上方提供冷卻氣流而形成强制對流。位於裝置附近之風扇、位於電腦伺服器機房中之風扇及/或位於與圍繞電子裝置之空氣流體連通之風道系統中之風扇可在含有裝置之托盤上方强制形成冷卻氣流。在一些實例中，伺服器托盤上之一或多個組件或裝置可位於托盤之難以冷卻區域中，舉例而言，强制對流並非特別有效或無法獲得之區域。
冷卻不足及/或不充分之後果可能係托盤上之一或多個電子裝置歸因於裝置溫度超過最大額定溫度而故障。雖然可在電腦資料中心、 伺服器機架及甚至個別托盤中建構特定冗餘，但是歸因於過熱之裝置故障可在速度、效率及費用方面付出很大的代價。
熱虹吸管係使用經歷相變之流體操作之熱交換器。液態流體在蒸發器中蒸發且由氣態流體將熱從蒸發器運送至冷凝器。在冷凝器中，蒸汽冷凝且液態流體隨後經由重力返回至蒸發器。因此，流體在蒸發器與冷凝器之間循環而無需機械泵。
如上所述，電子裝置(例如，諸如處理器及記憶體之電腦組件)產生熱。熱虹吸系統可用於將熱從此一電子裝置移除。雖然已提出用於將熱從電腦組件移除之一些系統，但是伺服器機架環境中可用之有限空間給熱虹吸系統設計帶來額外挑戰。此外，針對商業適用性，熱虹吸管需高效運作。
描述數種方法，其等可個別或組合使用以改良效率。具有並列通道之管道可用於將液體冷凝物從冷凝器運送至蒸發器及將蒸汽從蒸發器運送至冷凝器。蒸發器可整合至管道中。冷凝器可構造有成角度芯。整個總成可使用單個材料(例如，鋁)構造並可在單個硬焊操作中硬焊在一起。蒸發器負載板可沿著中心軸施加壓力。
在一態樣中，熱虹吸系統包含冷凝器、蒸發器及將冷凝器流體耦合至蒸發器之冷凝物管路。冷凝物管路包含管道，該管道具有中心通道及定位在中心通道之相對側邊上且平行於中心通道延伸之一對外通道。中心通道經定位以將氣相之工作流體從蒸發器運送至冷凝器。 該對外通道經定位以將液相之工作流體從冷凝器運送至蒸發器。
實施方案可包含下列特徵之一者或多者。管道可為平坦化矩形主體，該主體具有大於其高度之寬度。外通道可定位為鄰近矩形管道之側壁。中心通道可從矩形管道之頂壁延伸至底壁。管道可包含定位在中心通道中且沿著管道之長度延伸之撐桿。該對外通道可具有中心 通道之大約5%至25%之截面面積。管道可為單一硬焊主體。蒸發器可包含具有相對於中心通道之底部內凹之表面之蒸發盤。該對外通道之各者可具有定位在蒸發盤上方或鄰近蒸發盤之孔隙。蒸發器可包含從蒸發盤向上突出之複數個鰭片。
在另一態樣中，熱虹吸系統包含冷凝器、蒸發器及將冷凝器流體耦合至蒸發器之冷凝物管路。蒸發器包含具有相對於冷凝物管路之底面內凹之表面之蒸發盤，及從蒸發盤向上延伸之複數個突部，鰭片之頂部定位在冷凝物管路之底面上方。
實施方案可包含下列特徵之一者或多者。複數個突部可包含複數個鰭片。複數個鰭片可實質並列配置。鰭片具有沿著其等之長度之波動。波動可具有介於1mm與2mm之間之節距及介於0.1mm與0.5mm之間之振幅。蒸發器之頂面可與中心通道之頂部平齊。蒸發器及冷凝物管路可為單一硬焊主體。蒸發盤及突部可為銅。冷凝物管路可為管道，該管道具有中心通道及定位在中心通道之相對側邊上且平行於中心通道延伸之一對外通道，中心通道可經定位以將氣相之工作流體從蒸發器運送至冷凝器且該對外通道可經定位以將液相之工作流體從冷凝器運送至蒸發器。該對外通道之各者可具有定位在蒸發盤上方或鄰近蒸發盤之孔隙。
在另一態樣中，熱虹吸系統包含蒸發器、冷凝器及冷凝物管路。冷凝器包含主體，該主體具有：第一側，其具有開口；第二側，其在主體與第一側相對之一側上；中心溝道，其從開口朝向第二側延伸；及複數個並列腔室，其從中心溝道側向延伸。中心溝道及複數個並列腔室之底面傾斜為中心溝道更靠近第二側之末端高於中心溝道在開口處之末端。冷凝物管路將冷凝器之開口流體耦合至蒸發器。
實施方案可包含下列特徵之一者或多者。冷凝物管路可包含管道，該管道具有中心通道及定位在中心通道之相對側邊上且平行於中 心通道延伸之一對外通道，中心通道可經定位以將氣相之工作流體從蒸發器運送至冷凝器且該對外通道可經定位以將液相之工作流體從冷凝器運送至蒸發器。主體可包含腔及將腔劃分為複數個並列腔室之複數個壁。複數個導熱鰭片可從主體向外突出。複數個導熱鰭片可從主體垂直突出。複數個導熱鰭片之頂部可位於水平面中。中心溝道及複數個並列腔室之底面可相對於水平傾斜成1°至30°、大約7.5°之角度。
在另一態樣中，一種組裝熱虹吸系統之方法包含提供冷凝器、蒸發器及冷凝物管路及在單個硬焊製程中同時將冷凝器、蒸發器及冷凝物管路硬焊以形成單一主體。
實施方案可包含下列特徵之一者或多者。冷凝器、蒸發器及冷凝物管路可由鋁組成。冷凝器及冷凝物管路可由鋁組成且蒸發器可包含銅蒸發盤。單個硬焊製程可將冷凝器、蒸發器及冷凝物管路同時加熱至介於大約580℃與620℃之間之溫度。
可實現下列優點之一者或多者。熱虹吸系統可裝配在伺服器機架之有限水平及垂直空間內。在蒸發器中可在蒸發器接觸電子裝置之區域上方維持薄層液體，因此減小蒸發器對來自電子裝置之熱之吸收之熱阻。在液面上方突出之蒸發器中之鰭片可改良熱傳遞及/或減小對熱虹吸系統之安裝之角度之敏感性。成角度芯可尤其藉由將更多冷凝鰭片暴露於蒸汽而提高熱效能。與先前系統相比，大致矩形之擠製管道可减少零件數，因此降低製造成本及增大產率。單個材料構造亦可例如藉由允許整個系統硬焊為單個單元(其可降低泄漏之可能性)而减小製造複雜性。大致矩形之擠製管道可提供優越的形狀因子，例如，較小空間為異物佔據的類似功能性。
在下文附圖及描述中說明一或多個實施方案之細節。可從描述及附圖以及從技術方案中瞭解本發明之其他態樣、特徵及優點。
100‧‧‧系統
105‧‧‧伺服器機架
107‧‧‧槽
110‧‧‧伺服器機架子總成
112‧‧‧軌
120‧‧‧框架/架子
121‧‧‧側壁
122‧‧‧印刷電路板/母板
124‧‧‧產熱電子裝置
126‧‧‧風扇
127‧‧‧支架
130‧‧‧熱虹吸系統
132‧‧‧蒸發器
133‧‧‧部分
134‧‧‧冷凝器
135‧‧‧中心隔板
136‧‧‧冷凝物/蒸汽管路
136a‧‧‧側壁
136b‧‧‧外隔板
137a‧‧‧頂壁
137b‧‧‧底壁
138a‧‧‧外通道
138b‧‧‧中心通道
139‧‧‧孔隙
140‧‧‧底座
141‧‧‧導熱介面材料
142‧‧‧蒸發器鰭片
143‧‧‧蒸發盤
144‧‧‧殼
145‧‧‧開口
146‧‧‧腔室
150‧‧‧安裝支架
152‧‧‧緊固件
154‧‧‧向下延伸突部
155‧‧‧橫桿
156‧‧‧側凸緣
157‧‧‧彈簧
160‧‧‧工作流體
162‧‧‧薄層
170‧‧‧主體
172‧‧‧壁
174‧‧‧腔
174a‧‧‧垂直延伸腔室
175‧‧‧底面
176‧‧‧中心溝道
178a‧‧‧溝道
178b‧‧‧溝道
178c‧‧‧側向延伸腔室
180‧‧‧鰭片
180a‧‧‧鰭片
180b‧‧‧鰭片
190‧‧‧底部集管
192‧‧‧管道
A‧‧‧箭頭
H‧‧‧高度
W‧‧‧寬度
圖1繪示伺服器機架及經組態以安裝在機架內之伺服器機架子總成之側視圖。
圖2及圖3繪示伺服器機架子總成之側視圖及俯視圖。
圖4繪示伺服器機架子總成之透視圖(但省略印刷電路板及產熱元件以提供更多框架視圖)。
圖5繪示熱虹吸系統之透視圖。
圖6繪示冷凝物/蒸汽管路之截面圖，其可為沿著圖5之線6-6取得之視圖。
圖7係安裝支架之透視圖。
圖8繪示蒸發器之實施方案之截面正視圖。
圖9A及圖9B繪示熱虹吸系統之蒸發器之實施方案之截面側視圖，其可分別係沿著圖8之線9A-9A及9B-9B取得之視圖。
圖9C繪示圖9A及圖9B之蒸發器之實施方案之等角剖視圖。
圖9D繪示圖9A及圖9B之蒸發器之實施方案之俯視圖。
圖9E繪示圖6A及圖6B之蒸發器之實施方案中之蒸發器鰭片之實施方案之詳圖。
圖10及圖11繪示熱虹吸系統之冷凝器之截面側視圖。
圖12及圖13繪示圖8及圖9之熱虹吸系統之截面俯視圖。
圖14繪示熱虹吸系統之冷凝器之剖視透視圖。
圖15繪示熱虹吸系統之分解透視圖。
圖16及圖17繪示冷凝器之另一實施方案之截面俯視圖及側視圖。
圖18繪示另一冷凝器之剖視透視圖。
圖19係冷凝器中之腔室之截面展開俯視圖。
圖20繪示冷凝器之另一實施方案之截面俯視圖。
圖21繪示圖20中之冷凝器之實施方案之截面側視圖。
不同附圖中之相同參考符號指示相同元件。
本文獻討論可實施以將熱從電子裝置(例如，諸如處理器或記憶體之計算設備之組件)移除之熱虹吸系統。熱虹吸系統之蒸發器接觸電子裝置使得電子裝置經歷導熱傳遞效應。因此，熱虹吸系統可充當電子裝置之散熱器，减小電子裝置過熱及隨後故障之可能性。
特定言之，熱虹吸系統可安裝在伺服器機架子總成上或與其整合以插入伺服器機架。伺服器機架子總成可含有或支撑許多產熱電子裝置且熱虹吸系統之蒸發器可接觸電子裝置之一者或多者。此外，熱虹吸系統可安裝在攜載產熱電子裝置之電路卡總成、子卡及/或其他板上。
圖1繪示例示性系統100，其包含伺服器機架105(例如，13英吋或19英吋伺服器機架)及安裝在機架105內之多個伺服器機架子總成110。雖然繪示單個伺服器機架105，但是伺服器機架105可為系統100內之許多伺服器機架之一者，其可包含含有不同機架安裝之電腦系統之伺服器群或主機代管(co-location)設施。此外，雖然多個伺服器機架子總成110繪示為安裝在機架105內，但是可能僅存在單個伺服器機架子總成。通常，伺服器機架105界定按有序及重複方式配置在伺服器機架105內之多個槽107，且各槽107係可將相應伺服器機架子總成110放置其中並從其中移除之機架中之空間。舉例而言，伺服器機架子總成可支撐在從機架105之相對側突出並可界定槽107之位置之軌112上。槽及伺服器機架子總成110可定向為所示之水平配置(相對於重力)。或者，槽107及伺服器機架子總成110可垂直定向(相對於重力)，但是此可能要求下文所述之蒸發器及冷凝器結構之一些重組態。在槽水平定向的情况下，其等可垂直堆疊在機架105中，且在槽垂直定向的情况下，其等可水平堆疊在機架105中。
伺服器機架105舉例而言作為更大資料中心之部分可提供資料處理及儲存容量。在操作中，資料中心可連接至網路並可接收及回應來自網路之不同請求以擷取、處理及/或儲存資料。在操作中，舉例而言，伺服器機架105通常促進經由網路與由請求由運行在資料中心中之電腦上之應用程式提供之服務之使用者之網頁瀏覽器應用程式產生之使用者介面傳達資訊。舉例而言，伺服器機架105可提供或幫助提供使用網頁瀏覽器之使用者以存取網際網路或全球資訊網上之網站。
伺服器機架子總成110可為可安裝在伺服器機架中之多種結構之一者。舉例而言，在一些實施方案中，伺服器機架子總成110可為可滑動插入伺服器機架105之「托盤」或托盤總成。術語「托盤」不限於任意特定配置，而是適用於母板或附屬於母板用於將母板支撑在機架結構中之適當位置之其他相對平坦結構。在一些實施方案中，伺服器機架子總成110可為伺服器機箱或伺服器容器(例如，伺服器箱)。 在一些實施方案中，伺服器機架子總成110可為硬碟架。
參考圖2、圖3及圖4，伺服器機架子總成110包含框架或架子120、支撐在框架120上之印刷電路板122(例如，母板)、安裝在印刷電路板122上之一或多個產熱電子裝置124(例如，處理器或記憶體)及熱虹吸系統130。一或多個風扇126亦可安裝在框架120上。
框架120可包含或簡單為可將母板122放置並安裝其上之平坦結構，使得框架120可被技術人員握住以將母板移至適當位置並將其固持在機架105內之適當位置。舉例而言，可諸如藉由將框架120滑動至槽107中及在伺服器機架子總成110之相對側上之機架105中之一對軌上方滑動框架120--極像將餐盤滑入餐盤架中而將伺服器機架子總成110水平安裝在伺服器機架105中。雖然圖2及圖3繪示在母板122下方延伸之框架120，但是框架可具有其他形式(例如，藉由將其實施為圍繞母板之周邊框架)或可免除使得母板本身位於(例如，可滑動地接 合)機架105。此外，雖然圖2將框架120繪示為平板，但是框架120可包含從平板之邊緣向上突出之一或多個側壁121(見圖4)且平板可為封頂或開頂箱或架子之底面。
所繪示之伺服器機架子總成110包含其上安裝多種組件(包含產熱電子裝置124)之印刷電路板122(例如母板)。雖然將一個母板122繪示為安裝在框架120上，但是取决於特定應用之需求，多個母板可安裝在框架120上。在一些實施方案中，可將一或多個風扇126放置在框架120上使得當子總成110安裝在機架105中時，空氣在更靠近機架105之正面之伺服器機架子總成110之前緣(在圖3中之左手側)進入，在母板上方及母板122上之產熱組件之一些上方流動(見圖4中之箭頭A)，且當子總成110安裝在機架105中時，在更靠近機架105之背面之後緣(在圖3中之右手側)從伺服器機架總成110排出。可藉由支架127將一或多個風扇126固定至框架120。因此，風扇126可將空氣從框架120區域內引出並在空氣變熱後將空氣推出機架105外。可藉由間隙將母板122之下側與框架120分開。
如圖2至圖5中所示，熱虹吸系統130包含蒸發器132、冷凝器134及將蒸發器區域132連接至冷凝器134之冷凝物/蒸汽管路136。冷凝物/蒸汽管路136包含至少兩個並列通道，例如三個並列通道。
在圖6中所示之實施方案中，冷凝物/蒸汽管路136包含中心通道138a及兩個外通道138b。兩個外通道138b定位在中心通道138a之相對側邊上且平行於中心通道138a延伸。特定言之，外通道138b可定位為鄰近提供冷凝物/蒸汽管路136之管道之側壁136a。此外，外通道138b可定位為鄰近提供冷凝物/蒸汽管路136之管道之底部底面。在操作中，中心通道138a將氣相之工作流體從蒸發器132運送至冷凝器130且該對外通道138b將液相之工作流體從冷凝器130運送至蒸發器132。
冷凝物/蒸汽管路136可構造為平坦化矩形主體，具有大於其高度 H(垂直於印刷電路板之表面量測)之寬度W(垂直於蒸發器之長軸量測)。如圖6中所示，蒸發器132及冷凝物/蒸汽管路136可包含複數個隔板，包含兩個外隔板136b。各外隔板136b與側壁136a及底壁137b之間之容積界定外通道138b。外隔板136b之間、頂壁137a與底壁137b之間之容積可界定中心通道138a。
在一些實施方案中，複數個隔板亦包含中心隔板135。中心隔板135可從冷凝物/蒸汽管路136之頂壁137a延伸至底壁137b。如圖6中所示，中心隔板135將中心通道138a分為兩個或更多個通道。中心隔板135可為從頂壁137a延伸至底壁137b以提供改良之結構強度及穩定性之撐桿。
該對外通道138a合起來可為中心通道138b之截面面積之大約5%至25%，例如，各外通道138a為中心通道138b之寬度之大約三分之一。外隔板136a可位於中心隔板136b之相對側邊上且平行於中心隔板136b延伸。
返回圖2、圖5及圖6，蒸發器132接觸電子裝置124使得藉由導熱傳遞將熱從電子裝置124引至蒸發器132。特定言之，蒸發器132之底部接觸電子裝置124之頂部。在操作中，來自電子裝置124之熱導致蒸發器132中之工作流體蒸發。蒸汽隨後穿過冷凝物/蒸汽管路136，特定而言穿過中心通道138b至冷凝器134。熱輻射離開冷凝器134(例如)進入橫穿冷凝器134之一或多個風扇126吹起或牽引的空氣中，導致工作流體冷凝。冷凝的工作流體可透過冷凝物/蒸汽管路136(特定而言透過外通道138a)流回至蒸發器132。
可藉由將蒸發器132朝向電子裝置124施加推力之安裝支架150使蒸發器132與電子裝置124熱接觸。可藉由緊固件152將安裝支架150附接至印刷電路板122。
參考圖2、圖5及圖7，如安裝在電路板122上之安裝支架可具有 向下延伸突部154，例如施加更大量之壓力至蒸發器132之中心之凸塊。在一些實施方案中，突部154可例如沿著冷凝物/蒸汽管路136之縱軸伸長。突部154可跨越蒸發器132之長度(平行於冷凝物/蒸汽管路136之通道量測)。此外，突部154可跨蒸發器132之寬度(垂直於冷凝物/蒸汽管路136之通道量測)居中。此組態沿著蒸發器之中心線施加更大量之壓力並可防止蒸發器132之底部彎曲遠離電子裝置124之頂部。維持蒸發器132之底部與電子裝置124之頂部之間之良好接觸可改良冷卻效率。
如圖5及圖7之實施方案中所示，安裝支架150包含水平延伸之橫桿155。向下延伸突部154形成在橫桿155之底部表面上。橫桿155在從橫桿155向下延伸之兩個側凸緣156之間水平延伸。當被安裝在電路板122上時，側凸緣156可座落在電子裝置124之任一側上。可抵著側凸緣56承載之彈簧157向下推動安裝支架150。
如在圖2及圖3中所示，冷凝器134可位於一個或多個風扇126之一者或多者與蒸發器132相對之一側上。或者或此外，冷凝器134可位於一個或多個風扇126之一者或多者與蒸發器132相同之一側上。冷凝物/蒸汽管路136可在風扇126下方延伸。
如圖2中所示，冷凝物/蒸汽管路136之一部分133可處於小(非零)角度使得重力導致冷凝的工作流體透過冷凝物/蒸汽管路136流回至蒸發器132。角度可為相對於水平之1°至30°，例如7.5°。由於在操作時通常將框架120水平固持，故角度可為相對於框架之表面之1°至30°。 因此，在一些實施方案中，冷凝物/蒸汽管路136之至少一部分133不平行於框架120之主表面。舉例而言，冷凝物/蒸汽管路136之冷凝器側末端可在冷凝物/蒸汽管路136之蒸發器側末端上方大約1mm至5mm，例如2mm。但是，冷凝物/蒸汽管路136亦可為水平或甚至處於小負角(但是正角提供改良液體從冷凝器至蒸發器之流動之重力之優 點)。由於在單個母板上可能存在多個產熱電子裝置，故在母板上可能存在多個蒸發器，其中各蒸發器對應於單個電子裝置。如圖2及圖3中所示，存在第一蒸發器132及第二蒸發器132以及第一電子裝置124及第二電子裝置124。將第一蒸發器連接至第二蒸發器之冷凝物/蒸汽管路136可為水平或可具有小正角(蒸發器132及管道136距離蒸發器130更遠之末端低於另一蒸發器)。
在操作期間，冷凝器內液體之頂部表面將高於蒸發器中之頂部表面液體高度例如達1mm至10mm。這可更容易地用小(正的非零)角度之冷凝物/蒸汽管路136來達成，但是針對水平或小負角之冷凝物/蒸汽管路136，這仍可藉由適當選擇熱虹吸系統之預期熱傳輸要求方面之工作流體之熱性質及機械性質來達成。
在操作期間，液相之工作流體可填充冷凝物/蒸汽管路136之外通道138a之內部容積之至少底部部分，底部部分從冷凝器延伸至蒸發器區域，且氣相之工作流體可穿過冷凝物/蒸汽管路136之中心通道138b。此外，液相之工作流體可透過一或多個孔隙139從外通道138a流動至中心通道138b中。液相之工作流體可填充冷凝器124之內部容積之至少底部部分。外通道138a之某個部分可運送蒸汽。歸因於藉由外隔板136a之壁將中心通道138b與外通道138a分開，在相反方向上流動之液相與氣相工作流體之間之剪應力可减小，因此改良至蒸發器之冷凝流並改良效率。
在一些實施方案中，冷凝器134可位於高於蒸發器132之高度使得液相之工作流體填充冷凝物/蒸汽管路136之內部容積之一部分，即外通道138a，且使得在操作期間，液相之頂部表面具有從冷凝器132至蒸發器134相對於水平之非零角，且氣相之工作流體可穿過冷凝物/蒸汽管路136之內部容積之一部分，即中心通道138b，從冷凝器132延伸至蒸發器134之部分。
圖2至圖4繪示具有多個蒸發器132之熱虹吸系統130；各蒸發器132可接觸不同電子裝置124，或(例如)若電子裝置特別大或具有多個產熱區域，則多個蒸發器132可接觸相同電子裝置。如圖2至圖4中所示，可藉由冷凝物/蒸汽管路136將多個蒸發器132串聯連接至冷凝器134，即，第一冷凝物/蒸汽管路將冷凝器連接至第一蒸發器且第二冷凝物/蒸汽管路將第一蒸發器連接至第二蒸發器。或者，可藉由冷凝物/蒸汽管路136將多個蒸發器132之一些或所有並聯連接至冷凝器134，即，第一冷凝物/蒸汽管路將冷凝器連接至第一蒸發器且第二冷凝物/蒸汽管路將冷凝器134連接至第二蒸發器。串聯實施方案之優點係更少管道，而並聯管道之優點係管道寬度可較小。
圖2至圖4及圖6繪示熱虹吸系統130，其中具有中心通道及定位在中心通道之相對側邊上之一對外通道之平坦化矩形主體用於從冷凝器134至蒸發器132之冷凝流且用於從蒸發器132至冷凝器134之蒸汽流。因此，在此實施方案中，蒸發器132與冷凝器134之間之流體耦合由組合之冷凝物及蒸汽傳遞管路組成。組合之冷凝物及蒸汽傳遞管路之潛在優點在於管路可連接至冷凝器之側面，减小系統相對於具有用於蒸汽之單獨管路之系統之垂直高度，此係因為蒸汽管路通常耦合至蒸發器之頂部或其附近。冷凝物/蒸汽管路136可為例如銅或鋁之管道或管線。
此外，可藉由金屬擠壓製程製造冷凝物/蒸汽管路136。冷凝物/蒸汽管路136及冷凝器124之完整總成可具有有限數量之零件，例如，蒸汽管路135構造為平坦化矩形主體，其可相比於其中冷凝物/蒸汽管路非建構為平坦化矩形主體之類似系統而減少零件數。零件數之减少可導致較低製造複雜性、較低製造成本及較高製造產率。
圖8及圖9A至圖9E繪示其中蒸發器132包含腔室146及複數個蒸發器鰭片142之熱虹吸系統130。外殼可包含底座140及固定至底座140之 殼144。可藉由冷凝物/蒸汽管路136之管道提供殼144。可在冷凝物/蒸汽管路136之底部表面中形成開口145。底座140鄰接冷凝物/蒸汽管路136並環繞開口145。開口145可能為與底座相同之形狀，例如，正方形。在殼144內密封在底座140上方之容積提供冷凝器132之腔室146。
底座140之頂部表面提供蒸發盤143。即，頂部表面140包含一部分：i)其相對於中心通道138b之底部內凹，及ii)其中液相之工作流體160聚集。舉例而言，蒸發盤之頂部表面可相對於中心通道138b之底部內凹達大約1mm至5mm，例如2mm。
蒸發器鰭片142從蒸發盤143向上突出使得其等在中心通道138b之底部上方。當液相之工作流體溢流出蒸發盤143時，其淹沒內部通道138b之底部區段。因此，內部通道138b之底部可被視作漫灘(floodplain)。此外，此確保蒸發器鰭片142保持僅部分浸沒在液相之工作流體中。
外殼可為與冷凝物/蒸汽管路136之外尺寸相同之外尺寸之平坦化矩形主體。外殼亦可包括冷凝物/蒸汽管路136之外通道138a及中心通道138b之延伸部。
底座140可由與外殼相同之材料(例如，鋁)形成。或者，底座140可由不同之導熱材料(例如，銅)形成。外殼(例如，底座140之底部)可直接接觸電子裝置124，例如，電子裝置124之頂部表面。或者，可藉由導熱介面材料141(例如，導熱墊或導熱層，例如導熱膏或粘合劑)將外殼(例如，底座140之底部)連接至電子裝置124(例如，電子裝置124之頂部表面)。
蒸發器鰭片142接觸外殼之底部內表面，例如底座140之頂部表面。蒸發器鰭片從蒸發盤143向上突出。因此，蒸發器鰭片142提供導熱區域，其將熱從底座140傳遞至工作流體160。鰭片142之頂部可在冷凝物/蒸汽管路136之底面上方突出。
鰭片可實質並列配置。在一些實施方案中，鰭片大致上平行於中心通道136b之寬度延伸，即垂直於冷凝物/蒸汽管路136之長度延伸。
此外，蒸發器鰭片142可經組態以藉由毛細管作用牽引工作流體160遠離底座140。舉例而言，蒸發器鰭片142可壓印或銘印有其他特徵，例如凹槽，其易於向上牽引工作流體。
在一些實施方案中，鰭片可具有沿著其等之長度之波動。波動可具有介於1mm與2mm之間之節距及介於0.1mm與0.5mm之間之振幅。如圖9E中所示，此等波動可導致液相之工作流體160之一些藉由毛細管作用沿著鰭片142向上移動。此可藉由將鰭片142之更大表面積暴露給液相之工作流體而改良蒸發器132之效率。
鰭片可由與蒸發器相同之材料(例如，鋁)構成。或者，鰭片可由不同之導熱材料(例如，銅)構成。
腔室146可包括外通道138a及中心通道138b之延伸部。腔室146之頂部可與中心通道138b之頂部平齊。複數個孔隙139形成在鰭片142上方之區域中之外通道138a中。雖然圖9A及圖9D繪示兩個孔隙139，但是可能存在多於兩個孔隙。
在操作中，液態之工作流體160從外通道138a流動至中心通道138b及蒸發盤143中。工作流體160可流動穿過孔隙139並流動至蒸發器鰭片142上(見圖9A、9D及9E)。工作流體可填充底座140與外通道138a之底部之間之容積，藉此在蒸發器鰭片142上形成工作流體之薄層162。特定言之，薄層162可形成在鰭片之波動間之谷中。其餘工作流體可沿著外通道138a向下流動至另一蒸發器132。藉由形成工作流體160之薄層162，有效减小蒸發器之熱阻(此係因為工作流體可更易於從薄層蒸發，從而允許更大熱傳遞)。
現參考冷凝器132，冷凝器132包含複數個腔室及複數個導熱鰭 片。腔室可並列及垂直延伸。腔室之頂部末端可閉合，即，不存在互連腔室之頂部末端之頂部集管。
圖10至圖14繪示冷凝器134之第一實施方案，其具有：主體170，其具有形成在其中之腔174；及複數個壁172，其在該腔中將該腔174劃分為複數個並列垂直延伸腔室174a。腔室174a可並列及垂直延伸。腔室174a之頂部末端可閉合，即，不存在互連腔室174a之頂部末端之頂部集管。壁172充當冷凝表面且透過主體將來自蒸汽之熱傳導至鰭片。
腔174亦包含中心溝道176，其具有至耦合至冷凝物管路136之主體170之外部之開口。垂直延伸腔室174a可從中心溝道176側向延伸且腔室174a可平行於主體170之長軸延伸(即，主體具有大於其寬度之長度且長軸係沿著該長度)。中心溝道176可垂直於長軸側向延伸。當冷凝器134被安裝在框架上時，中心溝道176可從主體170之正面朝向背面延伸。第一組垂直延伸腔室174可從中心溝道176之第一側側向延伸且第二組複數個垂直延伸腔室174可從中心溝道176之相對第二側側向延伸。主體170可為大致矩形固體，但是其他形狀係可行的。
冷凝器134之此實施方案具有從主體170向外突出之複數個導熱鰭片180。舉例而言，鰭片180可從主體170垂直突出。鰭片170可為大致平坦的窄片。鰭片180可從主體170彼此並列突出且可沿著垂直於其等之平坦主表面之方向按規則間距分隔開。在一些實施方案中，鰭片180包含從主體170之頂部表面向上突出之至少第一複數個鰭片180a。 在一些實施方案中，鰭片180亦包含從主體170之底部表面向下突出之第二複數個鰭片180b。
當冷凝器134被安裝在框架上時，鰭片180可定向為其等長度平行於或大致平行於由風扇產生之氣流之方向延伸，例如，其等長度從主體170之正面朝向背面延伸。鰭片180可定向為其等長軸垂直於腔室 174a及/或主體170之長軸或與之成小角度。
返回圖2，冷凝器134可靜置在框架120上且從主體170之底部表面向下突出之鰭片180b可在母板122之平面下方突出。此可改良鰭片用於改良冷凝器134之輻射效率之可用表面積。此亦可協助限制冷凝器134之垂直高度使得熱虹吸系統130與伺服器機架環境中可得之有限高度相容。舉例而言，從托盤之底部至導熱鰭片之頂部之總高度可為最大6英吋，例如最大4英吋。
如圖10及圖11之實施方案中所示，外通道138a可在垂直低於中心通道138b之位置上連接至冷凝器134之腔174。中心通道138b之底部可與外通道138a之頂部垂直齊平。
參考圖10，腔174之底面175可傾斜，側面175a在垂直於低於腔174與冷凝物/蒸汽管路136相對之側上之側175b之位置上鄰接冷凝物/蒸汽管路136。腔174之底面175可相對於水平傾斜成1°至30°，例如7.5°之角度。由於在操作中，鰭片180通常垂直突出，故腔174之底面175可相對於鰭片180成60°至89°之角度。在一些實施方案中，腔174之底面175傾斜成與冷凝物/蒸汽管路136之部分133相同之角度。
可設定中心通道138b之液面及垂直偏移使得至外通道138a之開口至少部分覆蓋有液體且至中心通道138b之開口僅暴露於蒸汽。腔174之傾斜底面175可導致液相之工作流體集中在冷凝物/蒸汽管路136附近之腔174中，其改良至外通道138a之進口仍被液相之工作流體覆蓋之可能性。此外，腔174之傾斜底面175可增大與冷凝物/蒸汽管路136相對之末端上之腔174之部分中之氣相之工作流體之比例，因此在暴露於氣相之工作流體之該區域中保持更多鰭片180。
參考圖15，蒸發器132、冷凝器134及冷凝物/蒸汽管路136可由相同材料(例如，鋁)構成。使用相同材料構造蒸發器132、冷凝器134及冷凝物/蒸汽管路136可減小製造複雜性。舉例而言，蒸發器132、冷 凝器134及冷凝物/蒸汽管路136可在單個硬焊製程中形成，其中同時將所有三個零件加熱至足以將該等零件硬焊在一起之溫度。舉例而言，對於鋁，可將所有零件加熱至介於大約580℃至620℃之溫度。此提供較不可能產生洩漏之單一零件。此外，减少硬焊步驟之數量可减小製造成本。
或者，蒸發器132之一部分(例如接觸產熱電子裝置124之蒸發器之底部底面)可由不同材料(例如，銅)構成。此組態亦可在一定程度上減小製造複雜性，此係因為冷凝器134及冷凝物/蒸汽管路136仍可在單個硬焊製程中形成在一起。
圖16至圖18繪示亦具有從主體170向外突出之複數個導熱鰭片180之冷凝器134之第二實施方案。但是，在本實施方案中，垂直延伸腔室174a從中心溝道176垂直延伸。特定言之，主體可包含含有中心溝道176之底部集管190及從底部集管190垂直突出且含有垂直延伸腔室174a之複數個管道192。冷凝物管路136流體耦合至冷凝器134之底部集管190。
各腔室174a可自行形成，且形成垂直延伸腔室174a之邊界之壁172可為管道192之壁。腔室174a可垂直於主體170之長軸延伸。雖然垂直延伸腔室174a連接至底部集管190，但是腔室174a之頂部末端可閉合，即，冷凝器134不包含頂部集管。
鰭片180可從主體170水平突出，例如，從管道192水平突出。鰭片180可平行於底部集管190之長軸延伸。鰭片180可為大致平坦的窄片。鰭片180可從主體170彼此並列突出且可沿著垂直於其等之平坦主表面之方向按規則間距分隔開，例如垂直分隔開。
當冷凝器134被安裝在框架上時，鰭片180可定向為其等長度平行於或大致平行於由風扇產生之氣流之方向延伸，例如，其等長度從主體170之正面朝向背面延伸。鰭片180可定向為其等之長軸平行於腔 室174a之長軸。
在冷凝器之任一實施方案中，冷凝器134之主體170及鰭片180兩者可由具有相當於或優於鋁之例如至少200W/mK之良好導熱性。鍍鎳可用於將鰭片180焊接至主體170或可將鰭片180硬焊至主體170。
參考圖20至圖21，在冷凝器之另一實施方案中，可藉由溝道178a連接距離中心溝道176更遠之腔室174a之末端。藉由溝道178b將溝道178a流體連接至距離外管道138a更遠之中心溝道176之末端。溝道178a及178b可比腔室174a短，例如，可將溝道178a連接至腔室174a之底部。視需要，可將額外之側向延伸腔室178c定位在溝道178b上方以提供額外表面區域用於冷凝。可類似於圖10至圖14中所示之實施方案以其他方式構造冷凝器。本組態之潛在優點在於在高流量下，可能以其他方式積聚在距離中心溝道176較遠之腔室174a之末端上且歸因於蒸汽流而無法流回之流體可取而代之流動穿過溝道178a及178b並因此返回至外流外通道138a。
參考圖13、圖16、圖19及圖20，冷凝器之至少一些內表面(例如限定腔174之表面)視需要可紋理化。紋理化可應用於冷凝器之任一實施方案。腔174提供由實質垂直內表面(例如，壁172之一者之表面)限定之內部容積。內表面之紋理化可包含向內突出至內部容積中之波動。波動可沿著垂直第一軸均勻並可沿著垂直於垂直第一軸之第二軸突出至內部容積中。波動之峰可沿著垂直於第一軸及第二軸之第三軸例如以規則間距分隔開。第三軸可平行於主體170及/或腔室174a之長軸。各腔室174a可具有沿著第三軸之長度及沿著第二軸之寬度，該長度大於該寬度。波動可為平滑的，例如，在沿著第二軸之表面上無間斷。
波動沿著第三軸可具有介於0.1mm與1mm之間之間距且沿著第二軸可具有介於0.1mm與1mm之間之振幅。在一些實施方案中，間 距對振幅之比率係介於大約1：1至2：1之間。在一些實施方案中，波動可形成正弦波。在一些實施方案中，藉由其中dK/dS等於恆定值之複數個曲線段形成波動，其中K係波動之曲率半徑之倒數且S係沿著曲線段之距離。波動之其他形狀係可行的。此等波動可導致在垂直內表面上形成之冷凝工作流體膜之薄化，藉此减小冷凝器之熱阻。
工作流體可為具有低毒性之介電、不可燃流體，但是烴類(諸如甲醇、乙醇或丙酮)亦可能係適當的。可選擇工作流體之組成物及熱虹吸系統之內部壓力以大約在電子裝置之所要操作溫度下在蒸發器中提供工作流體之沸點(例如，約30℃至100℃，例如45℃至55℃)。工作流體之實例包含由DuPont銷售之Vextral XF、由3M銷售之Flourinet Electronic Liquid FC-72及由3M銷售之Novec 7100。
熱虹吸系統130之整個內部(包含蒸發器132、冷凝器134及蒸汽/冷凝物管路136之內部)填充真空並密封。可拉至初始真空以達成低於0.05毫巴(5Pa)之內部絕對壓力以將空氣從熱虹吸系統130移除且隨後可將工作流體引入熱虹吸系統130。
雖然上文已描述伺服器機架子總成，但是熱虹吸系統可結合安裝在非伺服器機架子總成之部分之母板上(例如，桌上型電腦中之母板上)之產熱電子裝置使用或可結合非安裝在母板上之產熱電子裝置使用。在一些實施方案中，蒸發器鰭片可由多孔芯吸材料替代。
已描述本發明之許多實施例。但是，應瞭解可進行不同修改而不脫離本發明之精神及範疇。因此，其他實施例在下列申請專利範圍之範疇內。

Claims (16)

  1. 一種熱虹吸(thermosiphon)系統，其包括：一蒸發器；一冷凝器，其包括一主體，該主體具有：一第一側，其具有一開口；一第二側，其在該主體與該第一側相對之側上；一腔(cavity)；及複數個壁，其等將該腔劃分為一中心溝道與複數個並列腔室(parallel chambers)，該中心溝道從該開口朝向該第二側延伸，該複數個並列腔室從該中心溝道側向延伸；及複數個導熱鰭片(heat conducting fins)，其等從該主體向外並垂直突出，其中該等壁從該腔之一底面(floor)向上延伸，其中該腔之該底面係傾斜(canted)俾使該等壁之底端不垂直於該腔之該底面且該中心溝道及該複數個並列腔室之一底面係自更靠近該第二側之該中心溝道之一末端(end)傾斜至在該開口處之該中心溝道之一末端，其中該第一側中之該開口經定位使其垂直地高於連接至該底面之該等壁中之至少一者之一位置，且其中該複數個導熱鰭片之頂部位於一水平面中，且該中心溝道及該複數個並列腔室之該底面係相對於該水平面傾斜，且其中由該複數個壁所形成之該複數個並列腔室係在開啟且毗鄰於該中心溝道之開口末端(open ends)處流體地(fluidly)耦合，且在與該開口末端相對且由該主體之側壁所封閉之閉合末端(closed ends)處流體地解耦合；及一冷凝物管路(condensate line)，其用於運送至少一液相之一工作流體，該冷凝物管路將該冷凝器之該開口流體地(fluidically)耦合至該蒸發器。
  2. 如請求項1之熱虹吸系統，其中該冷凝物管路包括一管道(tube)，該管道具有一中心通道及定位在該中心通道之相對側邊上且平行於該中心通道延伸之一對外通道(a pair of outer passages)，該中心通道經定位以一氣相之一工作流體從該蒸發器運送至該冷凝器，該對外通道經定位以將一液相之該工作流體從該冷凝器運送至該蒸發器。
  3. 如請求項1之熱虹吸系統，其中該中心溝道及該複數個並列腔室之該底面相對於水平傾斜成1°至30°之角度。
  4. 如請求項1之熱虹吸系統，其中該角度係大約7.5°。
  5. 如請求項1之熱虹吸系統，其中毗鄰於該冷凝器之該冷凝物管路之至少一部分係相對於該水平面傾斜。
  6. 如請求項5之熱虹吸系統，其中該冷凝物管路之該部分以與該中心溝道之該底面之相同角度傾斜。
  7. 如請求項1之熱虹吸系統，其中該冷凝物管路包含耦合至該開口之一管道，及其中該管道藉由該中心溝道之一側壁之一部分而與該中心溝道之該底面間隔開。
  8. 如請求項7之熱虹吸系統，其中該管道具有一下部分以運送該液相之該工作流體且該管道具有一上部分以運送該氣相之該工作流體，該下部分及該上部分二者均於與該上部分毗鄰並且高於該下部分之該開口處連接至該蒸發器。
  9. 如請求項1之熱虹吸系統，其中該複數個壁之各者包含一構件，其經由該腔自該冷凝器之該主體之一特定側壁側向延伸至該中心溝道。
  10. 如請求項9之熱虹吸系統，其中該複數個並列腔室之該等開口末端沿著一中心軸界定該第一側及該第二側之間的該中心溝道，該中心軸延伸通過在該主體之該等側壁間之該腔之一寬度之一中點(midpoint)。
  11. 一種熱虹吸(thermosiphon)系統，其包括：一蒸發器；一冷凝器，其包括一主體，該主體具有：一第一側，其具有一開口；一第二側，其在該主體與該第一側相對之側上；一腔(cavity)；及複數個壁，其等將該腔劃分為一中心溝道與複數個並列腔室(parallel chambers)，該中心溝道從該開口朝向該第二側延伸，該複數個並列腔室從該中心溝道側向延伸；及複數個導熱鰭片(heat conducting fins)，其等從該主體向外並垂直突出，其中該等壁從該腔之一底面(floor)向上延伸，其中該腔之該底面係傾斜(canted)俾使該等壁之底端不垂直於該腔之該底面且該中心溝道及該複數個並列腔室之一底面係傾斜成該中心溝道更靠近該第二側之一末端高於該中心溝道在該開口處之一末端(end)，且其中該第一側中之該開口經定位使其垂直地高於連接至該底面之該等壁中之至少一者之一位置，且其中由該複數個壁所形成之該複數個並列腔室係在開啟且毗鄰於該中心溝道之開口末端(open ends)處流體地(fluidly)耦合，且在與該開口末端相對且由該主體之側壁所封閉之閉合末端(closed ends)處流體地解耦合；及一冷凝物管路(condensate line)，其用於運送至少一液相之一工作流體，該冷凝物管路將該冷凝器之該開口流體地(fluidically)耦合至該蒸發器。
  12. 如請求項11之熱虹吸系統，其中毗鄰於該冷凝器之該冷凝物管路之至少一部分係相對於一水平面傾斜。
  13. 如請求項12之熱虹吸系統，其中該冷凝器之該部分以與該中心溝道之該底面之相同角度傾斜。
  14. 如請求項11之熱虹吸系統，其中該冷凝物管路包含耦合至該開口之一管道，及其中該管道藉由該中心溝道之一側壁之一部分而與該中心溝道之該底面間隔開。
  15. 如請求項14之熱虹吸系統，其中該管道具有一下部分以運送該液相之該工作流體且該管道具有一上部分以運送該氣相之該工作流體，該下部分及該上部分二者均於與該上部分毗鄰並且高於該下部分之該開口處連接至該蒸發器。
  16. 如請求項11之熱虹吸系統，其中該複數個壁之各者包含一構件，其經由該腔自該冷凝器之該主體之一特定側壁側向延伸至該中心溝道。
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