專利名稱：混合液體空氣冷卻模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于計算系統環境的電子封裝器件的冷卻，更具體地 說，涉及用于中等和高端高容量服務器的電子元件的冷卻。
背景技術：
工業趨勢已經是不斷地增加計算系統環境內的電子元件數量。計 算系統環境可以簡單地包括單臺個人計算機或相互之間處理連通的大 型計算機的復雜網絡。增加簡單計算系統環境內元件確實形成某些挑 戰。這種增加在包括大型計算裝置的復雜網絡的計算系統環境中產生 許多問題。在這種情況下，許多看上去孤立的問題相互影響，必須相 互考慮來解決。特別是，對將網絡計算機封裝在單個組件內或緊密靠 近地安置和存儲這樣的環境是個挑戰。
在設計任何計算系統環境時的一個具體挑戰是散熱問題。散熱問 題如果不解決會導致影響整個系統性能的電子和機械故障，無論環境 的大小怎樣。容易理解的是，散熱隨著封裝密度的增加而增加。然而， 在較大的計算系統環境中，不僅發熱的電子元件的數量遠遠大于較小 環境中數量，而且考慮到系統環境的其它需要必須提供熱量管理方案。 不正確的散熱會產生各種其它似乎不相關的問題。例如，包括太重的 風扇、吹風機和其它這種部件的辦法可能導致重量問題，其可以影響 計算系統環境的結構剛性，在容納復雜或許多計算系統環境的消費者 場所中未解決的散熱問題可能必需其它的成本抑制辦法，諸如供應另 外的空調給消費者場所。 《窗
在中等范圍到大范圍的計算系統環境中，散熱問題已經成為特別 的挑戰。圖l圖示現有技術實例，其中采用蒸汽腔擴散器的散熱器用 于熱管理。這種布置的問題是當前實施的技術達到其擴散性能的限度，
尤其是，考慮使用金屬氧化物半導體(CMOS)封裝器件的較新型微處理器技術的情況下。近年來，當前的現有技術的布置難以解決熱負 荷和局部熱通量問題，這些問題已成為關鍵因素，尤其是，在中等范 圍到大范圍、高容量服務器封裝器件的設計中。
因此，需要新的和改進的冷卻裝置，可以滿足當前的熱管理增長 需求并解決對下一代環境的需要，尤其是，在中等范圍到大范圍、高
容量服務器中結合CMOS技術的需求。
發明內容
通過提供整體的混合空氣和液體冷卻模塊方法和整體的混合空氣 和液體冷卻模塊減輕現有技術的缺陷和提供其它優點。該模塊用于冷 卻電子元件，包括與空氣冷卻組件熱連通并且最好是流體連通的閉環 液體冷卻組件，使得空氣冷卻組件至少部分地包含在液體冷卻組件中。 在一個實施例中，閉環液體冷卻組件包括相互熱連通的熱交換器、液 泵和冷板，空氣冷卻組件和液體冷卻組件至少部分地設置在輔助抽屜 上，而輔助抽屜設置到電子冷卻元件的側面。空氣冷卻組件包括設置 在輔助抽屜一端的相同的熱交換器和設置在輔助抽屜另一側上的空氣 移動裝置，從而空氣可以容易地從輔助抽屜一側通到另一側。液泵和 控制卡也設置在輔助抽屜之上，在熱交換器和空氣移動裝置側之間。
通過本發明的技術實現其它特征和優點。本發明的其它實施例和 其它方面在此詳細地描述并且認為是根據權利要求提出的本發明的一 部分。參照說明書和附圖以便更好地理解本發明的優點和特征。
下面通過實例，參照附圖更詳細地描述本發明的實施例，其中 圖1是表示帶有具有蒸汽腔基體的空氣冷卻氣穴的空氣冷卻服務
器的現有技術的圖示；
圖2a是本發明一個實施例的整體描述的圖示；
圖2b提供圖2a所提供的實施例的更詳細的圖示；
圖3a和3b分別圖示如前述附圖的混合模塊所提供的氣流和液流
冷卻特征；
圖4是本發明另一實施例的圖示；圖5提供圖4的另一實施例的更詳細的圖示；和 圖6提供另一實施例，實施剩余特征。
具體實施例方式
圖2a是根據本發明一個實施例的冷卻模塊組件220的等軸視圖。 圖2b提供了對圖2a的實施例所提供的模塊220的更詳細的外觀。圖 2和3中所提供的模塊220表示混合液體和空氣冷卻模塊，將在下面 更詳細地討論。圖3a和3b每一個用于分別討論模塊220的空氣和液 體冷卻特征。
如圖2a和2b所示，才莫塊220使用混合液體和氣態流體冷卻方案， 包括輔助抽屋220和冷板230。如果如在后面結合附圖3a和3b的討 論來分別研究，將更好地理解液體和諸如空氣的氣態流體(也可另稱 為空氣冷卻方案)的方案。為了獨立圖示每個方案的元件，圖2b將液 體冷卻部分的附圖標記標為201，空氣冷卻部分標為203。
液體冷卻部分201包括一個或多個冷板230，并熱連接到液泵260 (在下文中稱為泵260)和熱交換器250上，當熱連接好時，形成閉環 液體冷卻組件。泵260、熱交換器250和冷板230之間的熱連接可以 通過本領域普通技術人員公知的許多方式來實現，諸如通過圖示的管 道系統290來實現。
在一個實施例中，如圖所示，熱交換器和泵260設置在輔助抽屜 215之上，在下文中稱為抽屜215。熱交換器250和輔助抽屜215與冷 板230熱接觸。熱交換器250也可以制造成為輔助抽屜215的整體部 件。
在優選實施例中，如圖2和3所示，附連的輔助抽屜215從側面 附連到冷板上。在另一優選實施例中，輔助抽屜215也是從側面固定 到主抽屜210上。在這種模式中，模塊220可另稱4 側面模塊220或 伴隨模塊220。
無論熱交換器250是設置在輔助抽屜215上還是與輔助抽屜215 成整體，其都放在帶有空氣移動裝置245的輔助抽屜215上，所述空 氣移動裝置245也設置在輔助抽屜215上(或與抽屜215成整體)。在圖示的一個實施例中，熱交換器250和空氣移動裝置設置在輔助抽屜 215的相對端。空氣移動裝置245和熱交換器290 —起形成模塊220 的空氣冷卻部分201。在圖2a所示的實施例中，所示的空氣移動裝置 是吹風機，但是，也可以使用風扇或其它類似裝置。輔助抽屜215還 包括靠近液泵260的控制卡270,泵260和控制卡270都設置在熱交 換器250和空氣移動裝置245之間。應該注意，泵260和控制卡270 的位置在附圖中僅僅作為實例提供，它們可以設置在熱交換器250和 空氣移動裝置245之間的輔助抽屜上的任何位置。
在本發明附圖所示的一個實施例中，冷板230另外固定到輔助抽 屜215的側面。在圖示的實施例中，冷板230還設置在圖示的主抽屜 210的區域中。在優選實施例中，冷板230是高性能冷板，以進一步 提高計算系統環境的熱管理。
在圖2a所示的布置中，通過吹風機245從室內獲取空氣并且通過 輔助托盤或抽屜215推進空氣，以從熱交換器250排出熱。泵260從 熱交換器250將液體循環到冷板230。這個事實參照圖3a可以更好地 看到。圖2a和2b可以用于理解如圖3a和3b所提供的本發明的工作 方式。
如上所述，附圖3a提供伴隨模塊220的空氣冷卻側的圖示，沒有 著重于模塊220的液體冷卻元件。圖3a所示的箭頭和附圖標記300 圖示從室內獲取氣流的方向。如圖所示，空氣在泵260周圍流動(用 箭頭301標記)并流過熱交換器250 (用箭頭302標記)。流過熱交換 器250的氣流方向在圖示中用箭頭330標記。
在本發明的優選實施例中，熱交換器250可以基本上水平地放置， 但也可以相對輔助抽屜215的水平面成斜角，以進一步促進氣流，從 而4艮據放置的角度，空氣在進入熱交換器250時向上流動或向下流動。
圖3b圖示了模塊200的液體冷卻部分，沒有著重于已經討論過 的空氣冷卻方案。在圖3b中，冷板230是液體冷卻的冷板。如圖2a-c 所示，管道系統290提供液體冷板230和模塊220的其余部件之間的 熱連通。在圖3b中，管道系統更詳細地示出，并且顯示為具有多個部分391、 392和393。管道系統的這種分段和布置僅僅是一個實例，對 本領域的普通技術人員來說可以設計成其它實施例是顯而易見的。
冷卻液沿箭頭的方向通過管道系統391從冷板230泵送通過泵 260。然后，這些液體通過管道部分392沿所指示的箭頭方向循環到熱 交換器250。流過管道并進入熱交換器內部的液體將熱排放到吹風機 提供的空氣中。然后，所冷卻的液體返回到冷板，以通過管道部分393 從電子裝置吸取熱，還是如箭頭的方向所指示，因此，形成封閉液體 冷卻環。應該注意，各種冷卻劑可以用于供給;f莫塊200的液體空氣冷 卻部分，這是本領域普通技術人員公知的。 一些冷卻劑的實例包括但 不限于制冷劑、鹽水、氟碳和碳氟化合物、水和液態金屬和液態金屬 化合物。
盡管混合液體空氣冷卻模塊提供的最大熱管理方面的優點是自解
釋性的，現在引入一些討論以更好地舉例說明通過本發明的工作所提 供的與非熱學相關的優點。
在許多大的計算環境中，電子元件設置在抽屜之上，諸如在圖1 的現有技術中圖示的抽屜110。那么這些抽屜設置在支架中的另一個 抽屜上，以形成服務器組件。在圖1中，傳統的19英寸抽屜110圖示 為用于典型的1U或2U服務器組件布置。諸如散熱器115的冷卻元件 設置在主抽屜110中。盡管圖1的圖示表示19英寸的抽屜，在采用較 大計算機和服務器的許多系統環境中，利用24英寸的支架布置是理想的。
本發明提供擴展服務器水平尺寸的靈活性，從傳統的19英寸的高 容量應用擴展到用于中端至高端服務器的24英寸的支架寬度。因此， 本發明設計不僅對未來高熱負載微處理器提供可擴展性，而且還提供 應用的簡華性，不會影響原服務器的布局，使尺寸可以實現都組件裝 入標準尺寸支架中。
回來參照圖2a，在圖2a中表示的實例的圖示提供1U抽屜服務器 組件與液體冷卻側模塊一起使用的布置，目前，在這種情況下已經擴 展到容納24英寸寬的抽屜。應該注意，如圖所示本發明的布置是利用混合空氣和液體冷卻方案，以服務器水平被引入。在圖2a所示的實施 例中，如所討論的19英寸抽屜可以擴大，以符合行業標準的24英寸 抽屜，使得新的冷卻元件不會妨礙原抽屜中的電子設備。
如參照圖3a(和3b)的圖示討論，空氣成為前面結合圖2的實施 例的討論所討論的處理器產生的熱的最終散熱器。這個事實實際上是 很重要的，因為在19/24英寸寬度的實例中，與當前使用的一些現有 技術的情況一樣，添加在19英寸1U和2U服務器上的伴隨模塊220 在數據中心水平方面不需要任何新的設備。
圖4和5提供圖2和3的模塊220的可替換的實施例。圖4是從 上往下而且稍微旋轉視角的圖4的實施例，提供結合圖2a-2c提供的 實施例所討論的相同類型的整體視圖。
如圖4所示，提供模塊420的另一實施例。這個實施例如同參照 圖2a-c討論的實施例的情況，也提供包括一個或多個冷板430和附連 的輔助抽屜415的閉環液體系統。如圖4所示和參照前述實施例的討 論，附連的輔助抽屜415優選側面附連，因此，模塊420可另稱為側 模塊420和/或伴隨模塊420。
輔助抽屜415也稱為側面附連的抽屜415，還包括熱交換器450、 液泵460和控制卡470。然而，如圖4的圖示所示，熱交換器450具 有改進的幾何形狀。在前面討論的實施例中，熱交換器250與輔助抽 屜215在幾何形狀上基本上是共面的。
然而，在這個實施例中，熱交換器450的幾何定向是在與輔助抽 屜215的平面交叉的平面上。在優選實施例中，熱交換器的幾何定向 相對輔助抽屜415是正交的。這種幾何形狀的變化能夠實現改進的空 氣流動過程和提供用于容納其它元件的空間。
如前所述，*捕助抽屜415也包括前述的空氣移動裝置445 (諸如^ 風扇)。在圖4所示的實施例中，如前述實施例的情況，所示的空氣移 動裝置是吹風機(也標記為445)。然而，不象結合圖2和3所討論的 實施例，在這個實施例中，移動吹風機445，以提供吸氣流動裝置。 這種可替換的實施例的理由是減少在伴隨模塊420中的阻塞影響，即由熱交換器450上的泵460、連接管/管道4卯或控制卡430造成的那 些阻塞，消除由吹風機445造成的附加熱負載。
然而，應該注意，盡管結合圖2a-c和圖4的實施例來提供和討論 兩個不同實施例和定向，這些定向僅僅作為實例提供，前面熱交換器 250和450的定向的討論不應該以任—可方式限定。例如，圖4提供的 實施例可以具有基本上垂直于抽屜450或被旋轉不同角度的熱交換 器。在圖2a-c的實施例中，熱交換器也可以升高、降低、傾斜等，以 容納不同的空氣流動裝置。簡而言之，許多不同的熱交換器定向可以 選擇性地實施，以符合有關具體情形的空氣流動需要和熱交換器活動 區域需要，正如結合本發明的工作討論的那樣，具體定向的討論結合 優選實施例進行，為了便于理解上述一個或兩個實施例。
圖5提供前面圖4所示的伴隨模塊450的更詳細圖示。圖5提供 沒有其它電子元件的模塊450從上往下的視圖，與圖3的圖示相似。 在圖5中，冷板430被示出不設置在輔助抽屜之上，而是與它的側面 熱連接并且設置在它的側面。這也是圖4的圖示提供的實例的情況。 在圖4和5中，在使用這種布置的地方，冷板430將設置在主抽屜410 區域中，如圖所示，與前面結合圖2討論的布置相似。如前所述，在 優選實施例中，冷板430是高性能冷板，以進一步加強計算環境的熱 管理。
圖5也提供可以并入本發明的實施例的不同設計中的其它可替換 實施例的細節，它們可以并入到結合圖2和4討論的第一實施例或可 替換實施例中。模塊220的混合性質正如在圖2中提供的那樣，也可 以利用圖4和5中所提供的類似管道系統490來復制，允許在冷板430 和才莫塊420的其它部分之間形成熱連通。
圖6是本發明的"^替換實施例。應該注意，盡管圖6的可替換實 施例結合圖4和5的實施例示出，然而，圖6的實施例同樣可以并入 結合圖2和3討論的實施例中，或并入本發明的其它變型中。
在圖6中，第二熱交換器600設置在冷板430上。加入該第二熱 交換器600,以便進一步提高混合模塊的性能。在本發明的一個實施例中，該第二熱交換器600設置在冷板430之上，因此，通過它在冷 板430之上的設置已經與輔助抽屜415熱連通。在另外的實施例中可 以添加多個附加熱交換器(諸如圖6所示的熱交換器)。如前所述，熱 交換器(諸如圖6所示的熱交換器)可選擇地與冷板430的熱交換器 共面，所述熱交換器相對冷板430設置成斜角或設置在交叉面上。另 外，在一些其它的實施例中，附加熱交換器可以設置在主抽屜410的 其它位置。通過附加的熱交換器600的設置(諸如直接設置在冷板430 上)可以形成熱連通或通過附加管道系統或本領域普通技術人員公知 的其它類似裝置可以提供熱連通。
如上所述，本發明提供減少現有技術方案的問題的改進冷卻模塊。 混合空氣和液體冷卻方案實現高性能效果并且提供更高散熱性能的冷 卻技術，其不會妨礙這些計算系統環境中的其它電子部件。本發明的 混合模塊特別是為用于較大計算系統環境的一個或多個微處理器引入 優越的冷卻。這樣允許在這些微處理器中利用較高電壓和頻率，又能 夠提供對顧客和賣主造成最小影響的高性能組件。此外，本發明允許 當需要時將19英寸抽屜擴展成可以使用24英寸支架的抽屜的方式， 這給較大計算系統環境的用戶提供優點。
盡管已經詳細描述了本發明的優選實施例，本領域的普通技術人 員應該理解在下面闡述的權利要求的范圍內可以對上述實施例進行各 種改進和提高。權利要求不應該解釋為限制包括上述具體示例性實施 例的所有細節。
權利要求
1. 一種用于冷卻電子元件的混合空氣和液體冷卻模塊，包括 與空氣冷卻組件熱連通和流體連通的閉環液體冷卻組件；其中所述空氣冷卻組件至少部分包含在所述液體冷卻組件中，所 述空氣冷卻組件和所述液體冷卻組件至少部分地設置在輔助抽屜上， 而所述輔助抽屜設置在電子冷卻元件的側面。
2. —種用于冷卻電子元件的混合空氣和液體冷卻模塊，包括 閉環液體冷卻組件，包括相互熱連通的熱交換器、液泵和冷板； 空氣冷卻組件，與所述閉環液體冷卻組件熱接觸，所述空氣冷卻組件包括所述熱交換器和空氣移動裝置，兩者都設置在所述輔助抽屜 上，使得空氣能夠容易從所述輔助抽屜一側通到另 一側；所述液泵也設置在所述輔助抽屜之上，位于所述熱交換器和所述 空氣移動裝置側之間。
3. 如權利要求2所述的混合模塊，其中控制卡也設置在所述輔助 抽屜之上。
4. 如權利要求l所述的混合模塊，其中所述冷板設置到所述輔助 抽屜的側面，所述冷板處于所述熱交換器和所述空氣移動裝置之間。
5. 如權利要求4所述的混合模塊，其中所述冷板設置在容納計算 系統的電子元件的主抽屜中，所述主板和所述主抽屜固定到所述輔助 抽屜上。
6. 如權利要求5所述的混合模塊，其中所述冷板設置在容納計算 系統的電子元件的主抽屜中，所述主板和所述主抽屜固定到所述輔助 抽屜上。
7. 如權利要求4所述的混合模塊，其中所述模塊與設置在服務器 支架上的主抽屜結合使用，而且所述輔助抽屜設計成可以允許所述模 塊與不同的支架直徑尺寸結合使用。
8. 如權利要求2所述的混合模塊，其中所述熱交換器以相對所述 輔助抽屜的斜角形成。
9.如權利要求2所述的混合模塊，其中所述空氣移動裝置是吹風機。
10. 如權利要求2所述的混合模塊，其中所述冷板是高性能冷板。
11. 如權利要求2所述的混合模塊，其中所述熱交換器、所述泵 和所述冷板經過管道系統相互熱連通。
12. 如權利要求2所述的混合模塊，其中所述熱交換器與所述輔 助抽屜共面設置。
13. 如權利要求2所述的混合模塊，其中所述熱交換器和所述輔 助抽屜設置在交叉平面上。
14. 如權利要求2所述的混合模塊，其中所述熱交換器和所述輔 助抽屜設置在正交平面上。
15. 如權利要求IO所述的混合模塊，其中液體冷卻劑被提供在所 述管道系統中。
16. 如權利要求13所述的混合模塊，其中所述冷板設置在容納計 算系統的電子元件的主抽屜中。
17. 如權利要求15所述的混合模塊，其中擋板被提供用于將所述 模塊氣流與所述主抽屜的其余氣流分離。
18. 如權利要求14所述的模塊，其中所述冷卻劑選自由制冷劑、 鹽水、氟碳和碳氟化合物、水和液態金屬和液態金屬化合物組成的組。
19. 一種提供用于冷卻電子元件的混合空氣和液體冷卻的方法， 包括迫使空氣通過設置在空氣冷卻組件的輔助抽屜之上的空氣移動裝 置，將空氣引導到也設置在所述輔助抽屜之上的熱交換器上；通過在所述熱交換器和設置在所述輔助抽屜上的液泵以及不設置 在所述輔助抽屜上的冷板之間形成熱連通以從電子元件排熱，由此所 述熱交換器、所述液泵和所述輔助抽屜形成閉環液體冷卻組件。
20. 如權利要求19所述的方法，其中所述液泵、所述冷板和所述 熱交換器通過管道系統連接，經由所述熱交換器和所述冷板之間的管 道系統用所述泵循環液體冷卻劑以從所述熱交換器排熱。
全文摘要
一種用于冷卻計算系統的電子元件的方法與合并的混合空氣和液體冷卻模塊被公開。該模塊用于冷卻電子元件，包括與空氣冷卻組件熱連通的閉環液體冷卻組件，使得空氣冷卻組件至少部分地包含在液體冷卻組件中。
文檔編號H05K7/20GK101313639SQ200680043592
公開日2008年11月26日 申請日期2006年11月28日 優先權日2005年11月30日
發明者L·坎貝爾, M·伊延加, R·施密特, R·朱, R·西蒙斯, 小M·埃爾斯沃斯 申請人:國際商業機器公司