TWI823540B - 冷板及冷卻方法 - Google Patents

Abstract

揭露一種冷板，用以冷卻一電子組件。所述冷板包括一底部、以及一封蓋，底部具有一流體管道，帶有一流體入口以及一流體出口，流體管道配置以內部循環一冷卻流體，冷卻流體用以攜帶電子組件消散的熱；封蓋耦接至底部，使得流體管道封閉在冷板內部中。封蓋具有一蒸氣出口，形成於封蓋的一頂側，蒸氣出口允許產生的蒸氣從冷板內離開。也揭露一種冷卻方法，用以經由一冷板冷卻一電子組件。所述方法包括允許循環冷卻流體的一些流體從流體管道滲透至一內部腔室中，並且允許蒸氣通過蒸氣出口排出。

Description

冷板及冷卻方法

本發明大致有關於一冷板，更具體地，關於一冷板，設計以克服因偏離核沸騰(departure from nucleate boiling, DNB)相變而導致的性能下降。

電信裝置，例如5G設備、蜂巢式網路的基地台以及伺服器，通常產生熱。在冷卻此類高功率裝置時，空氣冷卻通常不足，並且可能需要液體冷卻。冷板藉由將熱從一裝置傳遞到一液體以提供局部冷卻，液體流向一遠程熱交換器並且消散到環境中或一次要冷卻系統中的另一液體中。通常，一冷板直接接觸熱源以藉由熱傳導散熱，使得熱通過熱對流，釋放到一周圍的系統/環境。

通常，一冷板的導熱係數主要取決於它的材料，而它熱對流的效率高度取決於它與周圍流體的交互作用。最普遍的熱對流方式是增加與流體的接觸面積，例如，鰭片部分。然而，這種方法僅適用於藉由空氣或液體之一的單相冷卻。

第1A圖以及第1B圖顯示用於一中央處理單元(CPU)組件的一習知技術冷板10。參考第1A圖以及第1B圖，通常一冷板10設置兩個管道，一入口管道11以及一出口管道12。如第1A圖以及第1B圖所示，通常熱源，例如中央處理單元，耦接至冷板10的底側。例如，設置在熱源上的波紋鰭片20接觸冷板10的內部表面。增加接觸面積對於用於相變介質的冷板很重要，冷板也應被設計以引發以及增強流體相變。然而，大多數冷板實施藉由添加一表面處理以增強相變/沸騰效果。

在真實應用中，熱通量可能有所不同，並且有時它會超過臨界熱通量，導致一沸騰危機，例如偏離核沸騰(DNB)。偏離核沸騰會因一次產生大量氣泡並且無法立即排出而降低冷板的熱傳遞能力。

因此，需要一種改進的冷板，可克服由相變冷板中的偏離核沸騰導致的性能下降。本揭露旨在如此的一種冷板，提供用於排出在冷板內產生的蒸氣的一蒸氣出口。

實施例的用語以及相似的用語（例如，實施方式、配置、特點、示例、以及選項）意在廣義地泛指所有本揭露之標的以及以下申請專利範圍。數個包含這些用語的陳述項應被理解為不限制在此所述的標的或限制以下申請專利範圍的含義或範圍。在此所涵蓋本揭露的實施例由以下申請專利範圍定義，而非本發明內容。此發明內容是本揭露多種特點的上位（high-level）概述，且介紹以下的實施方式段落中所更描述的一些概念。此發明內容非意在確認申請專利範圍標的的關鍵或必要特徵，也非意在被獨立使用以決定申請專利範圍標的的範圍。本標的經由參考本揭露的完整說明書的適當部分、任何或所有附圖以及每一申請專利範圍，應當被理解。

根據本揭露的某些方面，揭露用以冷卻一電子組件的一種冷板。所述用以冷卻一電子組件的冷板包括一底部、以及一封蓋，底部具有一流體管道，帶有一流體入口以及一流體出口，流體管道配置以內部循環一冷卻流體，冷卻流體用以攜帶電子組件消散的熱；封蓋耦接至底部，使得流體管道封閉在冷板內部中，封蓋具有一蒸氣出口，形成於封蓋的一頂側，蒸氣出口允許產生的蒸氣從冷板內離開。

在一些實施例中，底部由一週邊壁界定，流體管道鄰近於週邊壁。例如，週邊壁具有複數個側面，包括一前側面、一後側面、一左側面、以及一右側面。

在一些實施例中，底部更包括一腔室，流體管道位於週邊壁與腔室之間。在一些實施例中，流體管道完整地環繞腔室。在一些實施例中，流體管道經由一控制間隙與腔室分離。

在一些實施例中，所述冷板更包括一控制材料，位於控制間隙中，冷卻流體從流體管道滲透通過控制材料至腔室。控制材料可為具有一微結構的任何材料，微結構創造充足的毛細管力。例如，控制材料包括一芯材料、一粉末材料之一或多個。

根據本揭露的某些方面，用以冷卻一電子組件的一種冷板，包括一第一構件、一第二構件、一流體入口以及一流體出口、以及一蒸氣出口，第一構件由一第一壁界定；第二構件機械地耦接至第一構件，第二構件由一第二壁以及一第三壁界定，一流體管道形成於第二壁與第三壁之間，流體管道配置以內部循環一冷卻流體，冷卻流體用以攜帶電子組件消散的熱；流體入口以及流體出口形成於流體管道，流體入口形成於流體管道之一端，以允許冷卻流體進入流體管道，流體出口形成於流體管道之另一端，以允許冷卻流體離開流體管道；蒸氣出口形成於第一構件的一頂側，蒸氣出口允許產生的蒸氣從冷板內離開。

在一些實施例中，所述冷板更包括一腔室，由第三壁界定。在一些實施例中，腔室之一表面被一或多個材料的一層覆蓋，一或多個材料具有創造充足的毛細管力的一微結構。例如，具有一微結構的材料為一芯材料或一粉末材料。在一些實施例中，流體管道經由一控制間隙與腔室分離，控制間隙允許冷卻流體從流體管道滲透通過具有一微結構的一或多個材料進入腔室。

在一些實施例中，控制間隙的一高度小於具有一微結構的一或多個材料的層的高度，使得此層總是在一溼潤的條件中。在一些實施例中，冷卻流體的一部份從腔室蒸發，並且離開冷板，被流體管道提供的冷卻流體的一部份經由滲透替代。

在一些實施例中，第二構件可拆卸地耦接至第一構件。在一些實施例中，蒸氣出口從第一構件的頂側延伸。在一些實施例中，第一構件的一底側的一整個表面為平坦的。

根據本揭露的某些方面，揭露用以經由一冷板冷卻一電子組件的一種冷卻方法，用以經由一冷板冷卻一電子組件的冷卻方法包括在冷板的一流體管道中循環一冷卻流體，流體管道環繞冷板的一週邊表面；允許冷卻流體的一些流體從流體管道滲透至一內部腔室中，滲透通過一控制材料實現，控制材料位於流體管道與內部腔室之間的一間隙；以及使蒸氣通過專用的一蒸氣出口排出，蒸氣出口位於冷板的一頂表面中，蒸氣由耦接至冷板的電子組件的熱所產生。

在一些實施例中，所述方法更包括維持位於內部腔室中的控制材料在一溼潤的狀態，溼潤的狀態允許被蒸氣化的冷卻流體被滲透的冷卻流體補充。在一些實施例中，內部腔室內的冷卻流體維持在一實質不變的水平。

以上發明內容並非意在呈現本揭露的每一實施例或每個特點。而是，前述發明內容僅提供在此闡述的一些新穎特點以及特徵的示例。當結合附圖以及所附申請專利範圍時，從用以進行實施本發明的代表性實施例以及模式的以下詳細描述，本揭露的以上特徵以及優點以及其他特徵以及優點將變得顯而易見。鑑於參考附圖、以下所提供的符號簡單說明對各種實施例的詳細描述，本揭露的附加的特點對於本領域具有通常知識者將是顯而易見的。

本揭露有關於一種用於冷卻電子組件的冷板。冷板配置一腔室，腔室被一個或多個材料的一層覆蓋，材料具有創造充足的毛細管力的一微結構，使得冷卻流體從一流體管道通過此層滲透至腔室。冷板也配置一蒸氣出口，允許腔室產生的蒸氣離開，因而克服相變冷板中偏離核沸騰可能導致的性能下降。

多種實施例被參照附圖描述，在整個附圖中相似的參考符號被用來指定相似或均等元件。附圖並未按比例繪製，且提供附圖僅用以顯示本揭露之特點和特徵。應當理解許多具體細節、關係以及方法被闡述以提供全面的理解。然而，該領域具有通常知識者將容易的想到，多種實施例可在沒有一個或多個特定細節之下或在其他方法下實踐。在一些情況下，為了說明性的目的，未詳細顯示公知的結構或操作。多種實施例不受限於動作或事件的顯示順序，如一些動作可以不同的順序及/或與其他動作或事件同時發生。此外，並非全部所顯示的動作或事件都是實施本揭露之某些特點和特徵所需的。

為了本實施方式的目的，除非明確地說明並非如此，單數包括複數且反之亦然。用語「包括」意為「包括而不限於」。此外，近似詞如「大約（about, almost, substantially, approximately）」以及其相似詞，可在此意為例如「在（at）」、「近於（near , nearly at）」、「在3%到5%之內（within 3-5% of）」、「在可接受的製造公差內（within acceptable manufacturing tolerances）」或任何其邏輯組合。額外地，術語「垂直」或「水平」旨在分別另外包括垂直或水平方向的「3-5%內」。此外，例如「頂部」、「底部」、「左方」、「右方」、「上方」和「下方」等方向詞意在相關於參考圖示中描寫的等效方向；從參考對象或元件上下文中理解，例如從對象或元件的常用位置；或如此的其他描述。

參照第2圖，根據本揭露的一實施例，一冷板100具有流體入口110、流體出口120、以及蒸氣出口130。在一些實施例中，流體入口110、流體出口120、以及蒸氣出口130中，至少一個或全部是在外部形成。具體而言，蒸氣出口130位於冷板100的頂部。例如，如第2圖中所示，流體入口110以及流體出口120形成在水平方向上，而蒸氣出口130形成在垂直方向上。然而，流體入口110、流體出口120、以及蒸氣出口130的形成方向不限於此。例如，所有入口/出口110、120、130可垂直地或水平地形成在相同方向上。

參照第3A圖以及第3B圖，根據本揭露的各種實施例，冷板100包括一封蓋101以及一底部102。在一些實施例中，蒸氣出口130位於封蓋101的頂側。底部102具有一流體管道150，流體管道150在一端有一流體入口110，而在另一端有一流體出口120。流體入口110允許冷卻流體進入流體管道150並且流體出口120允許冷卻流體離開流體管道。流體管道150被配置以內部循環冷卻流體，以攜帶由電子組件(例如一中央處理單元)消散的熱。封蓋101耦接到底部102，使得流體管道150內部封閉在冷板100中。在一些實施例中，封蓋101可拆卸地耦接到底部102。在一些實施例中，封蓋101的一底側具有一平坦表面。封蓋101具有形成於封蓋頂側的一蒸氣出口130，並且蒸氣出口允許產生的蒸氣從冷板100內離開。在一些實施例中，蒸氣出口130從封蓋101的頂側延伸。在一些實施例中，流體入口110以及流體出口120從底部102的側面延伸。然而，在一些實施例中，流體入口110、流體出口120、以及蒸氣出口130中至少一個或全部不是延伸地形成。

參考第3A圖，底部102由一週邊壁或外部壁102-1界定，流體管道150鄰近於週邊壁。週邊壁102-1具有複數個側面，包括一前側面、一後側面、一左側面、以及一右側面。底部102更包括一腔室140，並且流體管道150位於週邊壁102-1以及由一內壁102-2界定的腔室140之間。流體管道150完整地環繞腔室140。

參照第4A圖，在底部102內部，有一腔室140位於熱源的頂側。一控制材料的一層160覆蓋腔室140的表面。在一些實施例中，使用任何具有創造足夠毛細管力的一微結構的材料作為控制材料。例如，控制材料包括一芯材料、一粉末材料、或兩者。在一些實施例中，層160的厚度是基於定義的熱功率控制或決定的。即，如果由熱源產生的熱量較大，則層160的厚度與熱量較少時相比應該增加。腔室140被填充以冷卻流體的流體管道150環繞。

參照第4A圖以及第4B圖，在一些實施例中，流體管道150經由一控制間隙170從腔室140分離。在一些實施例中，控制材料位於控制間隙170中，使得冷卻流體從流體管道150滲透通過控制材料至腔室140。根據熱源產生的熱量，冷板100的間隙170可更小或更大，因為更少或更多的蒸氣會基於熱的量，產生在腔室140中。即，間隙170的大小可影響滲透進腔室140的冷卻流體的量，並且也影響腔室內產生的蒸氣量。

在一些實施例中，流體管道150中的流體或冷卻劑處於一飽和溫度。在一些實施例中，控制間隙170的高度被界定為小於包括芯以及/或粉末材料的控制材料層160的高度，以確保此層總是濕的，但不浸沒在冷卻液體中。即，由於此層以及控制間隙170之間的高度差，控制材料層160永遠不會處於浸沒狀態。

參照第5A圖，根據本揭露的一些實施例，用於經由一冷板100冷卻電子組件的方法包括在冷板的流體管道150中循環一冷卻流體，流體管道環繞冷板的一週邊表面。參照第5B圖，由於毛細現象，冷卻流體的一些流體從流體管道150滲透入一內部腔室140，所述滲透通過位於流體管道與內部腔室之間的間隙170中的一控制材料，如第4A圖以及第4B圖所示。來自耦接到冷板100的電子組件的熱從冷卻流體產生的蒸氣通過位於冷板的一頂表面中的專用蒸氣出口130排出。在一些實施例中，用於經由冷板100冷卻電子組件的方法更包括將位於內部腔室140中的控制材料保持在一濕潤狀態，使得蒸發的冷卻流體的一部分被從流體管道150由滲透提供的冷卻流體的一部分補充或替代。因此，內部腔室中的冷卻流體的量維持一在實質不變的水平。

根據本揭露的各種方面，冷板100實現了以下效應。在由例如一電子組件(如一中央處理單元)的熱源導致的加熱過程中，不會產生氣泡，因為冷卻是藉由保持芯以及/或粉末層160充分濕潤，並且相變物質(即，蒸氣)直接漂浮到頂側上以實現的，蒸氣通過蒸氣出口130散逸。在一些實施例中，排出的蒸氣被引導至一冷凝器。由於毛細效應，蒸發的流體會立即被從流體管道150提供的飽和冷卻流體補充或替代。因此，腔室140中的層160總是保持在一濕潤狀態。

雖然本揭露的多種實施例已由以上所描述，但是應當理解其僅以示例且非限制的方式呈現。在不脫離本揭露的精神或範圍下，可根據本揭露在此所揭露的實施例進行多種改變。因此，本揭露的廣度和範圍不應受到任何上述實施例的限制。相反的，本揭露的範圍應根據以下申請專利範圍及其均等物所界定。

來自以下任何一項或多項申請專利範圍的一或多個元件、或方面、或步驟、或其任何部分可與來自其他一或多個申請專利範圍、或其組合中的一或多個元件、或方面、或步驟、或其任何部分組合，以形成本揭露的一或多個附加實施方式以及/或申請專利範圍。

儘管已關於一個或多個實施方式示出和描述本揭露之實施例，但是本領域具有通常知識者經閱讀和理解本說明書和附圖後，將想到均等物和修改。另外，雖然可能已經關於幾種實施方式的僅一種實施方式揭露本揭露的特定特徵，但是對於任何給予或特定的應用，這種特徵如可能有需求和有利的可與其他實施方式的一個或多個其他特徵組合。

在此使用之術語僅出於描述特定實施例之目的，並不旨在限制本揭露。在此所使用之單數形式「一(a, an)」、以及「所述(the)」旨在也包括複數形式，除非上下文另有明確指示。此外，在實施方式以及/或專利申請範圍中使用之術語「包括(including, includes)」、「具有(having, has, with)」或其變體，這些術語旨在以類似於「包括(comprising)」一詞的方式包含在內。

除非另有定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本領域具有通常知識者理解之相同含義。此外，術語(例如在常用詞典中定義的術語)，應被解釋為具有與其在相關技術中的含義一致的含義，並且除非明確如此定義，否則不會以理想化或過於正式的意義在此處解釋。

10: 冷板 11: 入口管道 12: 出口管道 20: 波紋鰭片 100: 冷板 101: 封蓋 102: 底部 102-1: 週邊壁 102-2: 內壁 110: 流體入口 120: 流體出口 130: 蒸氣出口 140: 腔室/內部腔室 150: 流體管道 160: 層 170: 間隙/控制間隙

從以下示例性實施例的描述並結合參考附圖，將更好地理解本揭露及其優點以及附圖。這些附圖僅繪示了示例性實施例，且因此不應被視為對各種實施例或申請專利範圍的限制。 第1A圖顯示一習知冷板的外部構造，並且第1B圖顯示習知冷板的內部構造。 第2圖為根據本揭露的某些方面，一冷板的大致立體圖。 第3A圖為根據本揭露的某些方面，一冷板的爆炸立體圖。 第3B圖為第3A圖中所顯示的冷板的側面圖。 第4A圖為根據本揭露的某些方面，一冷板的大致立體圖，所述冷板具有從一腔室分離一流體管道的一間隙，並且第4B圖為根據本揭露的某些方面，第4A圖中藉由一方框表示的一部分的放大圖，放大圖顯示一間隙。 第5A圖為根據本揭露的某些方面，一冷板的一底部的大致立體圖，顯示一冷卻流體在一流體管道中的循環，並且第5B圖為根據本揭露的某些方面，第5A圖中所示的底部，其中冷卻流體通過一間隙從流體管道滲透至一腔室。

儘管本揭露易於進行各種修改和替代形式，但已經在附圖中以示例的方式示出了具體實施方式，並且將在本文中進一步詳細描述。然而，應當理解，本揭露並不旨在限於所揭露的特定形式。相反，本揭露將覆蓋落入如所附申請專利範圍所限定的本揭露的精神和範圍內的所有修改、等同物和替代物。

100: 冷板 101: 封蓋 102: 底部 102-1: 週邊壁 102-2: 內壁 110: 流體入口 120: 流體出口 130: 蒸氣出口 140: 腔室/內部腔室 150: 流體管道

Claims (8)

1. 一種冷板，用以冷卻一電子組件，該冷板包括：一底部，具有一流體管道，帶有一流體入口以及一流體出口，該流體管道配置以內部循環一冷卻流體，該冷卻流體用以攜帶該電子組件消散的熱，該底部更包括一腔室，該流體管道經由一控制間隙與該腔室分離；以及一封蓋，耦接至該底部，使得該流體管道封閉在該冷板內部中，該封蓋具有一蒸氣出口，形成於該封蓋的一頂側，該蒸氣出口允許產生的蒸氣從該冷板內離開。
2. 如請求項1之冷板，其中該底部由一週邊壁界定，該流體管道鄰近於該週邊壁。
3. 如請求項2之冷板，其中該流體管道位於該週邊壁與該腔室之間。
4. 如請求項3之冷板，其中該流體管道完整地環繞該腔室。
5. 如請求項1之冷板，更包括一控制材料，位於該控制間隙中，該冷卻流體從該流體管道滲透通過該控制材料至該腔室。
6. 一種冷板，用以冷卻一電子組件，該冷板包括：一第一構件，由一第一壁界定；一第二構件，機械地耦接至該第一構件，該第二構件由一第二壁以及一第三壁界定，一流體管道形成於該第二壁與該第三壁 之間，該流體管道配置以內部循環一冷卻流體，該冷卻流體用以攜帶該電子組件消散的熱；一腔室，該流體管道經由一控制間隙與該腔室分離；一流體入口以及一流體出口，形成於該流體管道，該流體入口形成於該流體管道之一端，以允許該冷卻流體進入該流體管道，該流體出口形成於該流體管道之另一端，以允許該冷卻流體離開該流體管道；以及一蒸氣出口，形成於該第一構件的一頂側，該蒸氣出口允許產生的蒸氣從該冷板內離開。
7. 一種冷卻方法，用以經由一冷板冷卻一電子組件，該冷卻方法包括：在該冷板的一流體管道中循環一冷卻流體，該流體管道環繞該冷板的一週邊表面；允許該冷卻流體的一些流體從該流體管道滲透至一內部腔室中，該滲透通過一控制材料實現，該控制材料位於該流體管道與該內部腔室之間的一間隙；以及使蒸氣通過專用的一蒸氣出口排出，該蒸氣出口位於該冷板的一頂表面中，該蒸氣由耦接至該冷板的該電子組件的熱所產生。
8. 如請求項7之冷卻方法，更包括維持位於該內部腔室中的該控制材料在一溼潤的狀態，該溼潤的狀態允許被蒸氣化的冷卻流體被滲透的冷卻流體補充。

Images