用于電子器件的熱虹吸系統的制作方法
【專利摘要】一種熱虹吸系統包括冷凝器、蒸發器以及將所述冷凝器流體耦合到所述蒸發器的冷凝物管線。冷凝物管線可以是具有平行通路的管道，可用于將液體冷凝物從冷凝器輸送至蒸發器并且將蒸汽從蒸發器輸送至冷凝器。所述蒸發器可被集成到所述管道中。所述冷凝器可利用成角度的芯來構造。整個組件可利用單一材料(例如，鋁)來構造，并且可在單個釬焊操作中被釬焊在一起。
【專利說明】用于電子器件的熱虹吸系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及從電子器件去除熱的熱虹吸系統。
【背景技術】
[0002]計算機用戶常常關注于計算機微處理器的速度(例如，兆赫和千兆赫)。許多人忘記了這種速度常常伴隨著成本一更高的功耗。這種功耗還生成熱。這是因為按照簡單的物理定律，所有功率不得不去往某處，并且該某處最終是轉化為熱。安裝在單個主板上的一對微處理器可汲取幾百瓦特或更多的功率。對于大型數據中心中的許多計算機，需要將這一數字乘以幾千(或幾萬)，由此可以容易地理解可生成的熱的量。當并入支持關鍵負載所需的所有輔助設備時，數據中心中的關鍵負載所消耗的功率的影響常常被加劇。
[0003]可使用許多技術來冷卻位于服務器機架托盤上的電子器件(例如，處理器、存儲器以及其它生成熱的器件)。例如，可通過在器件上方提供冷卻氣流來創建強制對流。位于器件附近的風扇、位于計算機服務器機房中的風扇和/或位于與電子器件周圍的空氣流體連通的管道系統中的風扇可強制冷卻氣流經過容納器件的托盤上方。在一些情況下，服務器托盤上的一個或多個部件或器件可能位于托盤的難以冷卻的區域中；例如，強制對流不太有效或者不可用的區域。
[0004]不充分和/或不足的冷卻的結果可能是托盤上的一個或多個電子器件由于器件的溫度超過最大額定溫度而發生的故障。盡管某些冗余可能被內置于計算機數據中心、月艮務器機架、甚至各個托盤中，但器件由于過熱而發生的故障仍可能帶來速度、效率和花費方面的極大成本。
[0005]熱虹吸管是利用經受相變的流體來操作的熱交換器。液體形式的流體在蒸發器中被蒸發，并且通過來自蒸發器的蒸汽形式的流體將熱攜帶到冷凝器。在冷凝器中，蒸汽冷凝，然后液體形式的流體經由重力返回到蒸發器。因此，流體在蒸發器與冷凝器之間循環，而無需機械泵。
【發明內容】
[0006]如上所述，電子器件(例如，諸如處理器和存儲器的計算機部件)生成熱。可使用熱虹吸系統來從這樣的電子器件去除熱。盡管已提出了一些系統來從計算機部件去除熱，但服務器機架環境中的有限可用空間給熱虹吸系統設計帶來附加挑戰。另外，為了商業適用性，熱虹吸管需要高效地操作。
[0007]描述若干方法，這些方法可單獨使用或組合使用以便提高效率。可使用具有平行通路的管道來將液體冷凝物從冷凝器輸送至蒸發器并且將蒸汽從蒸發器輸送至冷凝器。蒸發器可被集成到管道中。所述冷凝器可利用成角度的芯來構造。整個組件可利用單一材料(例如，鋁)來構造，并且可在單個釬焊操作中被釬焊在一起。蒸發器承載板可沿著中心軸線施加壓力。
[0008]在一個方面，一種熱虹吸系統包括冷凝器、蒸發器以及將所述冷凝器流體耦合到所述蒸發器的冷凝物管線。所述冷凝物管線包括管道，該管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相對橫側并且平行于所述中心通路延伸的一對外側通路。所述中心通路被定位成將汽相的工作流體從所述蒸發器輸送至所述冷凝器。所述一對外側通路被定位成將液相的所述工作流體從所述冷凝器輸送至所述蒸發器。
[0009]實現方式可包括以下特征中的一個或多個。所述管道可以是扁平的矩形主體，所述主體的寬度大于其高度。所述外側通路可與所述矩形管道的側壁相鄰地定位。所述中心通路可從所述矩形管道的頂壁延伸至底壁。所述管道可包括被定位在所述中心通路中并沿著所述管道的長度延伸的支柱。所述一對外側通路可具有所述中心通路的約5-25%的橫截面積。所述管道可以是統一釬焊主體。所述蒸發器可包括蒸發器盤，該蒸發器盤具有相對于所述中心通路的底部凹陷的表面。所述一對外側通路中的每一個可具有定位在所述蒸發器盤上方或者與所述蒸發器盤相鄰定位的孔。所述蒸發器可包括從蒸發器盤向上伸出的多個翅片。
[0010]在另一方面，一種熱虹吸系統包括冷凝器、蒸發器以及將所述冷凝器流體耦合到所述蒸發器的冷凝物管線。所述蒸發器包括蒸發器盤以及從所述蒸發器盤向上延伸的多個突起，所述蒸發器盤具有相對于所述冷凝物管線的底板凹陷的表面，所述突起的頂部被定位于所述冷凝物管線的所述底板以上。
[0011]實現方式可包括以下特征中的一個或多個。所述多個突起可包括多個翅片。所述多個翅片可基本上平行布置。所述翅片具有沿著其長度的起伏。所述起伏可具有介于1和2_之間的間距以及介于0.1和0.5_之間的幅度。所述蒸發器的頂板可與所述中心通路的頂部齊平。所述蒸發器和冷凝物管線可以是統一釬焊主體。所述蒸發器盤和突起可以是銅。所述冷凝物管線可以是管道，該管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相對橫側并且平行于所述中心通路延伸的一對外側通路，所述中心通路可被定位成將汽相的工作流體從所述蒸發器輸送至所述冷凝器，所述一對外側通路可被定位成將液相的所述工作流體從所述冷凝器輸送至所述蒸發器。所述一對外側通路中的每一個可具有定位在所述蒸發器盤上方或者與所述蒸發器盤相鄰定位的孔。
[0012]在另一方面，一種熱虹吸系統包括蒸發器、冷凝器和冷凝物管線。所述冷凝器包括主體，該主體具有帶有開口的第一側面、在所述主體的與所述第一側面相反的一側的第二側面、從所述開口朝著所述第二側面延伸的中心通道以及從所述中心通道橫向延伸的多個平行腔室。所述中心通道和所述多個平行腔室的底板傾斜，使得所述中心通道的更靠近所述第二側面的末端高于所述中心通道在所述開口處的末端。所述冷凝物管線將所述冷凝器的所述開口流體耦合到所述蒸發器。
[0013]實現方式可包括以下特征中的一個或多個。所述冷凝物管線可包括管道，該管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相對橫側并且平行于所述中心通路延伸的一對外側通路，所述中心通路可被定位成將汽相的工作流體從所述蒸發器輸送至所述冷凝器，并且所述一對外側通路可被定位成將液相的所述工作流體從所述冷凝器輸送至所述蒸發器。所述主體可包括腔以及將所述腔分割成所述多個平行腔室的多個壁。多個導熱翅片可從所述主體向外伸出。多個導熱翅片可從所述主體垂直伸出。所述多個導熱翅片的頂部可位于水平面上。所述中心通道和所述多個平行腔室的所述底板可相對于水平面按照1° -30° (約7.5° )的角度傾斜。
[0014]在另一方面，一種組裝熱虹吸系統的方法包括:提供冷凝器、蒸發器和冷凝物管線；以及在單個釬焊工藝中同時對所述冷凝器、所述蒸發器和所述冷凝物管進行釬焊以形成統一主體。
[0015]實現方式可包括以下特征中的一個或多個。所述冷凝器、所述蒸發器和所述冷凝物管線可由鋁構成。所述冷凝器和所述冷凝物管線可由鋁構成，并且所述蒸發器可包括銅蒸發器盤。所述單個釬焊工藝可以是將所述冷凝器、所述蒸發器和所述冷凝物管線同時加熱至介于約580和620°C之間的溫度。
[0016]可實現以下優點中的一個或多個。熱虹吸系統可被裝入服務器機架的有限水平和垂直空間內。可在蒸發器中蒸發器接觸電子器件的區域上方維持液體薄層，從而降低蒸發器的熱阻以從電子器件吸收熱。蒸發器中伸出到流體高度以上的翅片可改善熱傳遞和/或降低對熱虹吸系統的安裝角度的敏感度。所述成角度的芯可通過(除了別的以外)將更多冷凝物翅片暴露于蒸汽來增強熱特性。大致矩形的擠壓管道與先前系統相比可減少零件數，從而降低制造成本并且增加產量。例如，單一材料構造還可通過允許整個系統被釬焊為單個單元(可降低泄漏的可能性)來降低制造復雜度。大致矩形的擠壓管道可提供優異的形狀因數(例如，功能相似，但無關材料占據的空間較少)。
[0017]在附圖以及下面的描述中闡述了一個或多個實現方式的細節。本發明的其它方面、特征和優點將從所述描述和附圖以及權利要求書而顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1示出服務器機架以及被配置為安裝在機架內的服務器機架子組件的側視圖。
[0019]圖2和圖3示出服務器機架子組件的側視圖和俯視圖。
[0020]圖4示出服務器機架子組件的透視圖(但省略了印刷電路板和熱生成元件以提供更多框架的示圖)。
[0021]圖5示出熱虹吸系統的透視圖。
[0022]圖6示出冷凝物/蒸汽管線的橫截面圖，其可以是沿圖5的線6-6截取的視圖。
[0023]圖7是安裝托架的透視圖。
[0024]圖8示出蒸發器的實現方式的橫截面正視圖。
[0025]圖9A和圖9B示出來自熱虹吸系統的蒸發器的實現方式的橫截面側視圖，其可以分別是沿圖8的線9A-9A和9B-9B截取的視圖。
[0026]圖9C示出圖9A和圖9B的蒸發器的實現方式的等距剖視圖。
[0027]圖9D示出圖9A和圖9B的蒸發器的實現方式的俯視圖。
[0028]圖9E示出圖6A和圖6B的蒸發器的實現方式中的蒸發器翅片的實現方式的細節圖。
[0029]圖10和圖11示出來自熱虹吸系統的冷凝器的橫截面側視圖。
[0030]圖12和圖13示出圖8和圖9的熱虹吸系統的橫截面俯視圖。
[0031]圖14示出來自熱虹吸系統的冷凝器的剖面透視圖。
[0032]圖15示出熱虹吸系統的分解透視圖。
[0033]圖16和圖17示出冷凝器的另一實現方式的橫截面俯視圖和側視圖。
[0034]圖18示出其它冷凝器的剖面透視圖。
[0035]圖19是冷凝器中的腔室的橫截面展開俯視圖。
[0036]圖20示出冷凝器的另一實現方式的橫截面俯視圖。
[0037]圖21示出圖20中的冷凝器的實現方式的橫截面側視圖。
[0038]各個圖中的相似附圖標記指示相似元件。
【具體實施方式】
[0039]本文獻討論一種熱虹吸系統，其可被實現為從電子器件，例如計算設備的部件(諸如，處理器或存儲器)去除熱。該熱虹吸系統的蒸發器接觸電子器件以使得電子器件經歷傳導熱傳遞效應。因此，該熱虹吸系統可用作電子器件的熱沉，降低電子器件過熱并因此發生故障的可能性。
[0040]具體地講，該熱虹吸系統可被安裝在服務器機架子組件上或與服務器機架子組件集成以便于插入服務器機架中。服務器機架子組件可包含或支撐許多熱生成電子器件，并且熱虹吸系統的蒸發器可接觸這些電子器件中的一個或多個。另外，該熱虹吸系統可被安裝在電路卡組件、子卡和/或承載熱生成電子器件的其它板上。
[0041]圖1示出示例系統100，其包括服務器機架105(例如，13英寸或19英寸服務器機架)以及安裝在機架105內的多個服務器機架子組件110。盡管示出單個服務器機架105，但服務器機架105可以是系統100內的許多服務器機架中的一個，該系統100可包括包含各種機架安裝計算機系統的服務器群(server farm)或托管設施(co-locat1nfacility)。另外，盡管示出多個服務器機架子組件110安裝在機架105內，但可能僅存在單個服務器機架子組件。通常，服務器機架105限定多個狹槽107，這些狹槽按照有序且重復的方式布置在服務器機架105內，并且各個狹槽107是機架中對應服務器機架子組件110可被置于其中和被移除的空間。例如，服務器機架子組件可被支撐在從機架105的相對側面伸出的導軌112上，并且所述導軌可限定狹槽107的位置。狹槽以及服務器機架子組件110可按照圖示的水平布置方式(相對于重力)取向。另選地，狹槽107以及服務器機架子組件110可垂直(相對于重力)取向，但這將需要對下述的蒸發器和冷凝器結構進行一些重新配置。在狹槽水平取向的情況下，它們可垂直地堆疊在機架105中，而在狹槽垂直取向的情況下，它們可水平地堆疊在機架105中。
[0042]例如作為較大型數據中心的一部分，服務器機架105可提供數據處理和存儲能力。在操作中，數據中心可連接到網絡，并且可接收并響應于來自網絡的各種請求以檢索、處理和/或存儲數據。例如，在操作中，服務器機架105通常促進通過網絡與用戶接口的信息通信，所述用戶接口由請求由在數據中心中的計算機上運行的應用提供的服務的用戶的web瀏覽器應用生成。例如，服務器機架105可提供或幫助提供使用web瀏覽器的用戶訪問互聯網或萬維網上的網站。
[0043]服務器機架子組件110可以是可安裝在服務器機架中的各種結構中的一個。例如，在一些實現方式中，服務器機架子組件110可以是能夠可滑動地插入服務器機架105中的“托盤”或托盤組件。術語“托盤”不限于任何特定布置方式，而是應用于主板或者附屬于主板的用于將主板支撐在機架結構中的適當位置的其它相對平坦的結構。在一些實現方式中，服務器機架子組件110可以是服務器底座或者服務器容器(例如，服務器箱)。在一些實現方式中，服務器機架子組件110可以是硬盤驅動器籠(hard drive cage)。
[0044]參照圖2、圖3和圖4，服務器機架子組件110包括框架或籠120、支撐在框架120上的印刷電路板122 (例如，主板)、安裝在印刷電路板122上的一個或多個熱生成電子器件124 (例如，處理器或存儲器)以及熱虹吸系統130。一個或多個風扇126也可安裝在框架120 上。
[0045]框架120可包括或者就是平坦結構，主板122可被置于并安裝在該平坦結構上，以使得技術人員可抓住框架120以將主板移動到位并將其固定在機架105內的適當位置。例如，可通過諸如將框架120滑入狹槽107中并且在服務器機架子組件110的相對側面在機架105中的一對導軌上方，來將服務器機架子組件110水平安裝在服務器機架105中(很像將午餐托盤滑入自助食堂機架中)。盡管圖2和圖3示出框架120在主板122下方延伸，但框架可具有其它形式(例如，通過將它實現為圍繞主板的外圍框架)，或者可被被除去以使得主板本身被設置在機架105中(例如，可滑動地接合機架105)。另外，盡管圖2將框架120示出為平板，但框架120可包括從平板的邊緣向上伸出的一個或多個側壁121 (參見圖4)，并且平板可以是頂部閉合或者頂部打開的盒子或籠子的底板。
[0046]圖示的服務器機架子組件110包括安裝有各種部件(包括熱生成電子器件124)的印刷電路板122 (例如，主板)。盡管示出一個主板122安裝在框架120上，但取決于特定應用的需求，多個主板可安裝在框架120上。在一些實現方式中，一個或多個風扇126可被置于框架120上，以使得空氣在服務器機架子組件110的前邊緣(當子組件110被安裝在機架105中時該前邊緣更靠近機架105的前面)處(圖3的左手側)進入，流過(參見圖4中的箭頭A)主板并且流過主板122上的一些熱生成部件，并在后邊緣(當子組件110被安裝在機架105中時該后邊緣更靠近機架105的后面)處(圖3的右手側)從服務器機架組件110排出。一個或多個風扇126可通過托架127被固定到框架120。因此，風扇126可從框架120區域內抽拉空氣，并在空氣變暖之后將其推出機架105。主板122的下側可通過間隙與框架120分離。
[0047]如圖2-5所示，熱虹吸系統130包括蒸發器132、冷凝器134以及將蒸發器區域132連接到冷凝器134的冷凝物/蒸汽管線136。冷凝物/蒸汽管線136包括至少兩個平行通路(例如，三個平行通路)。
[0048]在圖6所示的實現方式中，冷凝物/蒸汽管線136包括中心通路138a和兩個外側通路138b。兩個外側通路138b被定位在中心通路138a的相對橫側，并平行于中心通路138a延伸。具體地講，外側通路138b可與提供冷凝物/蒸汽管線136的管道的側壁136a相鄰地定位。另外，外側通路138b可與提供冷凝物/蒸汽管線136的管道的底部底板相鄰地定位。在操作中，中心通路138a將汽相的工作流體從蒸發器132輸送至冷凝器130，而一對外側通路138b將液相的工作流體從冷凝器130輸送至蒸發器132。
[0049]冷凝物/蒸汽管線136可被構造成扁平的矩形主體，其寬度W(垂直于蒸發器的長軸測量)大于其高度Η(垂直于印刷電路板的表面測量)。如圖6所示，蒸發器132和冷凝物/蒸汽管線136可包括多個隔板，包括兩個外側隔板136b。各個外側隔板136b與側壁136a和底壁137b之間的體積限定外側通路138b。外側隔板136b之間、頂壁137a與底壁137b之間的體積可限定中心通路138a。
[0050]在一些實現方式中，多個隔板還包括中心隔板135。中心隔板135可從冷凝物/蒸汽管線136的頂壁137a延伸至底壁137b。如圖6所示，中心隔板135將中心通路138a分割成兩個或更多個通路。中心隔板135可以是從頂壁137a延伸至底壁137b的支柱，以提供提聞的結構強度和穩定性。
[0051]一對外側通路138a—起可為中心通路138b的橫截面積的約5_25%，例如，各個外側通路138a為中心通路138b的寬度的約三分之一。外側隔板136a可設置在中心隔板136b的相對橫側，并平行于中心隔板136b鋪設。
[0052]返回圖2、圖5和圖6，蒸發器132接觸電子器件124以使得通過傳導熱傳遞將熱從電子器件124汲取至蒸發器132。具體地講，蒸發器132的底部接觸電子器件124的頂部。在操作中，來自電子器件124的熱導致蒸發器132中的工作流體蒸發。然后蒸汽穿過冷凝物/蒸汽管線136，特別是穿過中心通路138b到達冷凝器134。從冷凝器134向外輻射熱到(例如)由一個或多個風扇126吹送或抽吸的橫穿冷凝器134空氣中，導致工作流體冷凝。冷凝的工作流體可穿過冷凝物/蒸汽管線136,特別是穿過外側通路138a流回蒸發器132。
[0053]可通過朝著電子器件124向蒸發器132施加推動力的安裝托架150來使蒸發器132與電子器件124熱接觸。安裝托架150可通過緊固件152附接到印刷電路板122。
[0054]參照圖2、圖5和圖7，安裝在電路板122上的安裝托架可具有向下延伸的突起154(例如，對蒸發器132的中心施加更大壓力的凸塊)。在一些實現方式中，突起154可(例如)沿著冷凝物/蒸汽管線136的縱向軸線伸長。突起154可跨越蒸發器132的長度(平行于冷凝物/蒸汽管線136的通路測量)。另外，突起154可橫跨蒸發器132的寬度(垂直于冷凝物/蒸汽管線136的通路測量)居中。這種配置沿著蒸發器的中心線施加更大的壓力，并且可防止蒸發器132的底部遠離電子器件124的頂部彎曲。維持蒸發器132的底部與電子器件124的頂部之間的良好接觸可提高冷卻效率。
[0055]如圖5和圖7的實現方式中所示，安裝托架150包括水平延伸的橫檔155。向下延伸的突起154形成在橫檔155的底表面上。橫檔155在從橫檔155向下延伸的兩個側凸緣156之間水平延伸。當安裝在電路板122上時，側凸緣156可擱在電子器件124的任一側上。倚靠側凸緣56的彈簧157將安裝托架150向下推。
[0056]如圖2和圖3所示，冷凝器134可設置在所述一個或多個風扇126中的一個或多個與蒸發器132相反的一側。另選地或另外地，冷凝器134可設置在所述一個或多個風扇126中的一個或多個與蒸發器132相同的一側。冷凝物/蒸汽管線136可在風扇126下方延伸。
[0057]如圖2所示，冷凝物/蒸汽管線136的一部分133可成微小(非零)角度，以使得重力導致冷凝的工作流體穿過冷凝物/蒸汽管線136流回蒸發器132。所述角度可相對于水平面為1° -30° (例如，7.5° )。由于框架120在操作中通常被水平固定，所以所述角度可相對于框架表面為1° -30°。因此，在一些實現方式中，冷凝物/蒸汽管線136的至少一部分133不平行于框架120的主表面。例如，冷凝物/蒸汽管線136的冷凝器側端可比冷凝物/蒸汽管線136的蒸發器側端高約1-5_(例如，2_)。然而，冷凝物/蒸汽管線136也可為水平的，或者甚至可成微小負角(但正角具有利用重力改善液體從冷凝器向蒸發器的流動的優點)。由于單個主板上可存在多個熱生成電子器件，所以主板上可存在多個蒸發器，其中各個蒸發器對應于單個電子器件。如圖2和圖3所示，存在第一蒸發器132和第二蒸發器132以及第一電子器件124和第二電子器件124。將第一蒸發器連接到第二蒸發器的冷凝物/蒸汽管線136可為水平的，或者可具有微小的正角(其中蒸發器132和管道136的遠離冷凝器130的一端比另一蒸發器低)。
[0058]在操作期間，冷凝器內部的液體的頂表面將比蒸發器中的頂表面液體高度高(例如，高I至1mm)。這可更容易通過成微小(正的非零)角度的冷凝物/蒸汽管線136來實現，但是對于水平或成微小負角的冷凝物/蒸汽管線136，鑒于熱虹吸系統的預期熱傳輸要求適當選擇工作流體的熱和機械性能也可實現這一點。
[0059]在操作期間，液相的工作流體可填充冷凝物/蒸汽管線136的外側通路138a的內部體積的至少底側部分(其中所述底側部分從冷凝器延伸至蒸發器區域)，并且汽相的工作流體可穿過冷凝物/蒸汽管線136的中心通路138b。另外，液相的工作流體可通過一個或多個孔139從外側通路138a流到中心通路138b中。液相的工作流體可填充冷凝器124的內部體積的至少底側部分。外側通路138a的一些部分可輸送蒸汽。由于中心通路138b與外側通路138a通過外側隔板136a的壁分離，可減小在相反方向上流動的液相工作流體與汽相工作流體之間的剪切應力，因此改善了向蒸發器的冷凝物流動并提高了效率。
[0060]在一些實現方式中，冷凝器134可設置在比蒸發器132高的高度，使得液相的工作流體填充冷凝物/蒸汽管線136的內部體積的一部分(即，外側通路138a)，并且使得在操作期間從冷凝器132至蒸發器134液相的頂表面相對于水平面具有非零角度，并且汽相的工作流體可穿過冷凝物/蒸汽管線136的內部體積的一部分(即，中心通路138b)，所述部分從冷凝器132延伸至蒸發器134。
[0061]圖2-4示出具有多個蒸發器132的熱虹吸系統130 ;各個蒸發器132可接觸不同的電子器件124，或者多個蒸發器132可接觸同一電子器件(例如，如果電子器件特別大或者具有多個熱生成區域的話)。如圖2-4所示，多個蒸發器132可通過冷凝物/蒸汽管線136串聯連接到冷凝器134，即，第一冷凝物/蒸汽管線將冷凝器連接到第一蒸發器，并且第二冷凝物/蒸汽管線將第一蒸發器連接到第二蒸發器。另選地，多個蒸發器132中的一些或全部可通過冷凝物/蒸汽管線136并聯連接到冷凝器134，即，第一冷凝物/蒸汽管線將冷凝器連接到第一蒸發器，并且第二冷凝物/蒸汽管線將冷凝器134連接到第二蒸發器。串聯實現方式的優點是管道較少，而并聯管道的優點在于管道寬度可較小。
[0062]圖2-4和圖6示出熱虹吸系統130，其中具有中心通路以及定位在中心通路的相對橫側的一對外側通路的扁平的矩形主體用于從冷凝器134至蒸發器132的冷凝物流動以及用于從蒸發器132至冷凝器134的蒸汽流動。因此，在此實現方式中，蒸發器132與冷凝器134之間的流體耦合由組合的冷凝物和蒸汽傳遞管線構成。組合的冷凝物和蒸汽傳遞管線的潛在優點在于該管線可連接到冷凝器的一側，從而與帶有用于蒸汽的單獨管線的系統相比降低了系統的垂直高度(因為蒸汽管線通常耦合到蒸發器的頂部或附近)。冷凝物/蒸汽管線136可以是(例如)銅或鋁的管道或管子。
[0063]另外，冷凝物/蒸汽管線136可通過金屬擠壓工藝來制造。冷凝物/蒸汽管線136與冷凝器124的完整組件可具有有限數量的零件，例如，蒸汽管線135被構造成扁平的矩形主體，這與其中冷凝物/蒸汽管線未被構建成扁平的矩形主體的類似系統相比可減少零件數。零件數的減少可導致更低的制造復雜度、更低的制造成本以及更高的制造產量。
[0064]圖8和圖9A-9E示出熱虹吸系統130，其中蒸發器132包括腔室146和多個蒸發器翅片142。外殼可包括基部140以及固定到基部140的殼體144。殼體144可由冷凝物/蒸汽管線136的管道提供。開口 145可形成在冷凝物/蒸汽管線136的底表面中。基部140與冷凝物/蒸汽管線136鄰接并圍繞開口 145。開口 145可具有與基部相同的形狀(例如，正方形)。殼體144內部基部140以上所密封的體積提供用于冷凝器132的腔室146。
[0065]基部140的頂表面提供蒸發器盤143。即，頂表面140包括i)相對于中心通路138b的底部凹陷并且ii)其中收集液相的工作流體160的部分。例如，蒸發器盤的頂表面可相對于中心通路138b的底部凹陷約Imm至5mm(例如，2mm)。
[0066]蒸發器翅片142從蒸發器盤143向上伸出，以使得它們高于中心通路138b的底部。當液相的工作流體溢出蒸發器盤143時，它淹沒內側通路138b的底部部分。因此，內側通路138b的底部可被視作淹沒區(floodplain)。另外，這確保了蒸發器翅片142保持僅局部浸沒在液相的工作流體中。
[0067]外殼可以是扁平的矩形主體，其外部尺寸與冷凝物/蒸汽管線136的外部尺寸相同。外殼還可包括冷凝物/蒸汽管線136的外側通路138a和中心通路138b的延伸。
[0068]基部140可由與外殼相同的材料(例如，鋁)形成。另選地，基部140可由不同的導熱材料(例如，銅)形成。外殼(例如，基部140的底部)可直接接觸電子器件124(例如，電子器件124的頂表面)。另選地，外殼(例如，基部140的底部)可通過例如導熱墊或層的導熱界面材料141 (例如，導熱油脂或粘合劑)連接到電子器件124 (例如，電子器件124的頂表面)ο
[0069]蒸發器翅片142接觸外殼的底部內表面(例如，基部140的頂表面)。蒸發器翅片從蒸發器盤143向上伸出。因此，蒸發器翅片142提供將熱從基部140傳遞至工作流體160的熱傳導區域。翅片142的頂部可伸出到冷凝物/蒸汽管線136的底板以上。
[0070]翅片可基本上平行地布置。在一些實現方式中，翅片大致平行于中心通路136b的寬度(即，垂直于冷凝物/蒸汽管線136的長度)延伸。
[0071]另外，蒸發器翅片142可被配置為通過毛細管作用將工作流體160抽離基部140。例如，蒸發器翅片142可模壓或者說壓印有特征(例如，溝槽)，其趨于將工作流體向上抽。
[0072]在一些實現方式中，翅片可沿其長度具有起伏。這些起伏可具有介于Imm和2mm之間的間距以及介于0.1與0.5mm之間的幅度。如圖9E所示，這些起伏可導致一些液相的工作流體160通過毛細管作用順著翅片142上移。這可通過將翅片142的更多表面積暴露于液相的工作流體而提高蒸發器132的效率。
[0073]翅片可由與蒸發器相同的材料(例如，鋁)構造而成。另選地，翅片可由不同的導熱材料(例如，銅)構造而成。
[0074]腔室146可包括外側通路138a和中心通路138b的延伸。腔室146的頂部可與中心通路138b的頂部齊平。多個孔139形成在外側通路138a中翅片142以上的區域中。盡管圖9A和圖9D示出兩個孔139,但可存在兩個以上的孔。
[0075]在操作中，液體形式的工作流體160從外側通路138a流到中心通路138b和蒸發器盤143中。工作流體160可流過孔139并且流到蒸發器翅片142上(參見圖9A、圖9D和圖9E)。工作流體可填充基部140與外側通路138a的底部之間的體積，從而在蒸發器翅片142上形成工作流體的薄層162。具體地講，薄層162可形成在翅片的起伏之間的谷中。剩余工作流體可順著外側通路138a向下流向另一蒸發器132。通過創建工作流體160的薄層162，蒸發器的熱阻有效地降低(因為工作流體可從薄層更容易地蒸發，從而允許更大的熱傳遞)。
[0076]現在轉向冷凝器132，冷凝器132包括多個腔室以及多個導熱翅片。腔室可平行并且垂直地延伸。腔室的頂端可封閉(即，不存在將腔室的頂端互連的頂部聯箱)。
[0077]圖10-14示出冷凝器134的第一實現方式，該冷凝器134具有主體170，在該主體170中形成有腔174，腔中的多個壁172將腔174分割成多個平行的垂直延伸的腔室174a。腔室174a可平行并且垂直地延伸。腔室174a的頂端可封閉(即，不存在將腔室174a的頂端互連的頂部聯箱)。壁172用作冷凝表面并且通過所述主體將來自蒸汽的熱傳導至翅片。
[0078]腔174還包括中心通道176，該中心通道176具有朝向主體170的外部的開口以耦合到冷凝物管線136。垂直延伸的腔室174a可從中心通道176橫向延伸，并且腔室174a可平行于主體170的長軸延伸(即，主體具有大于其寬度的長度，并且長軸沿著該長度)。中心通道176可垂直于長軸橫向延伸。當冷凝器134被安裝在框架上時，中心通道176可從主體170的前面朝著后面鋪設。第一組垂直延伸的腔室174可從中心通道176的第一側橫向延伸，并且第二組多個垂直延伸的腔室174可從中心通道176的相對第二側橫向延伸。主體170可大致為長方體，但其它形狀也是可能的。
[0079]冷凝器134的此實現方式具有從主體170向外伸出的多個導熱翅片180。例如，翅片180可從主體170垂直伸出。翅片180可以是大致平坦的窄片。翅片180可彼此平行地從主體170伸出，并且可沿著其平坦主表面的法向按照規則間距間隔開。在一些實現方式中，翅片180至少包括從主體170的頂表面向上伸出的第一多個翅片180a。在一些實現方式中，翅片180還包括從主體170的底表面向下伸出的第二多個翅片180b。
[0080]當冷凝器134被安裝在框架上時，翅片180可按照其長度平行于或者大致平行于由風扇生成的氣流的方向延伸的方式(例如，按照其長度從主體170的前面朝著后面鋪設的方式)取向。翅片180可按照其長軸垂直于腔室174a和/或主體170的長軸或者與腔室174a和/或主體170的長軸成微小角度的方式取向。
[0081]返回圖2，冷凝器134可擱在框架120上，并且從主體170的底表面向下伸出的翅片180b可在主板122的平面下方伸出。這可提高翅片的可用表面積，以提高冷凝器134的輻射效率。這還可有助于限制冷凝器134的垂直高度，以使得熱虹吸系統130與服務器機架環境中可用的有限高度兼容。例如，從托盤的底部至導熱翅片的頂部的總高度可為至多6英寸(例如,至多4英寸)。
[0082]如圖10和圖11的實現方式中所示，外側通路138a可在垂直方向上比中心通路138b低的位置處連接到冷凝器134的腔174。在垂直方向上，中心通路138b的底部可與外側通路138a的頂部一樣高。
[0083]參照圖10，腔174的底板175可傾斜，使得與冷凝物/蒸汽管線136鄰接的側面175a在垂直方向上比在腔174與冷凝物/蒸汽管線136相反的一側的側面175b低。腔174的底板175可相對于水平面按照1° -30° (例如，7.5° )的角度傾斜。由于在操作中翅片180通常垂直伸出，所以腔174的底板175可相對于翅片180成60° -89°的角度。在一些實現方式中，腔174的底板175按照與冷凝物/蒸汽管線136的部分133相同的角度傾斜。
[0084]中心通路138b的流體高度和垂直偏移可被設定為使得朝著外側通路138a的開口至少部分地被液體覆蓋，并且朝著中心通路138b的開口僅暴露于蒸汽。腔174的傾斜的底板175可導致液相的工作流體匯集在冷凝物/蒸汽管線136附近的腔174中，這增大了通向外側通路138a的入口仍被液相的工作流體覆蓋的可能性。另外，腔174的傾斜的底板175可增加在與冷凝物/蒸汽管線136相反一端的那部分腔174中的汽相工作流體的比例，從而保持該區域中的更多翅片180暴露于汽相的工作流體。
[0085]參照圖15，蒸發器132、冷凝器134和冷凝物/蒸汽管線136可由相同的材料(例如，鋁)構造而成。利用相同的材料構造蒸發器132、冷凝器134和冷凝物/蒸汽管線136可降低制造復雜度。例如，蒸發器132、冷凝器134和冷凝物/蒸汽管線136可在單個釬焊工藝中形成，其中所有這三個零件被同時加熱至足以將零件釬焊在一起的溫度。例如，對于鋁，可將所有零件加熱至介于約580-620°C的溫度。這樣得到了不太可能產生泄漏的統一零件。另外，減少釬焊步驟數量可降低制造成本。
[0086]另選地，蒸發器132的一部分(例如，蒸發器的接觸熱生成電子器件124的底部底板)可由不同的材料(例如，銅)構造而成。這種配置也可一定程度地降低制造復雜度，因為冷凝器134和冷凝物/蒸汽管線136仍可以在單個釬焊工藝中形成在一起。
[0087]圖16-18示出冷凝器134的第二實現方式，該冷凝器134也具有從主體170向外伸出的多個導熱翅片180。然而，在此實現方式中，垂直延伸的腔室174a從中心通道176垂直延伸。具體地講，主體可包括:底部聯箱190，其包含中心通道176 ;以及多個管道192，其從底部聯箱190垂直伸出并包含垂直延伸的腔室174a。冷凝物管線136與冷凝器134的底部聯箱190流體耦合。
[0088]各個腔室174a可由它自己形成，并且形成垂直延伸的腔室174a的邊界的壁172可以是管道192的壁。腔室174a可垂直于主體170的長軸延伸。盡管垂直延伸的腔室174a連接到底部聯箱190，但腔室174a的頂端可封閉，即，冷凝器134不包括頂部聯箱。
[0089]翅片180可從主體170水平(例如，從管道192水平)伸出。翅片180可平行于底部聯箱190的長軸延伸。翅片180可以是大致平坦的窄片。翅片180可彼此平行地從主體170伸出，并且可沿著其平坦主表面的法向按照規則間距間隔開(例如，垂直間隔開)。
[0090]當冷凝器134被安裝在框架上時，翅片180可按照其長度平行于或者大致平行于由風扇生成的氣流的方向延伸的方式(例如，按照其長度從主體170的前面朝著后面鋪設的方式)取向。翅片180可按照其長軸平行于腔室174a的長軸的方式取向。
[0091]在冷凝器的任一實現方式中，冷凝器134的主體170和翅片180 二者可由具有與鋁相當或更好的良好導熱性(例如，至少200W/mK)的材料形成。可使用鎳鍍來將翅片180焊接到主體170，或者可將翅片180釬焊到主體170。
[0092]參照圖20-21，在冷凝器的另一實現方式中，腔室174a的遠離中心通道176的末端可通過通道178a連接。通道178a通過通道178b流體連接到中心通道176的遠離外管138a的末端。通道178a和178b可比腔室174a短，例如，通道178a可連接到腔室174a的底部。可選地，附加橫向延伸的腔室178c可被定位于通道178b上方以提供用于冷凝的附加表面積。或者，冷凝器可類似于圖10-14所示的實現方式來構造。這種配置的潛在優點在于在高流量下，原本將在腔室174a的遠離中心通道176的末端堆積并且由于蒸汽流而無法流回的流體可相反流過通道178a和178b并因此返回到向外的外側通路138a。
[0093]參照圖13、圖16、圖19和圖20，可選地，冷凝器的至少一些內表面(例如，界定腔174的表面)可被紋理化。紋理化可應用于冷凝器的任一實現方式。腔174提供由基本上垂直的內表面(例如，壁172之一的表面)界定的內部體積。內表面的紋理化可包括向內伸出到內部體積中的起伏。所述起伏可沿著垂直第一軸線均勻，并且可沿著垂直于垂直第一軸線的第二軸線伸出到內部體積中。起伏的峰可沿著垂直于第一軸線和第二軸線的第三軸線(例如)按照規則間距間隔開。第三軸線可平行于主體170和/或腔室174a的長軸。各個腔室174a可具有沿著第三軸線的長度和沿著第二軸線的寬度，所述長度大于所述寬度。所述起伏可平滑，例如，在沿著第二軸線的表面上沒有不連續。
[0094]所述起伏可具有沿著第三軸線介于0.1和Imm之間的間距并且可具有沿著第二軸線介于0.1和Imm之間的幅度。在一些實現方式中，間距與幅度之比介于約1:1至2:1之間。在一些實現方式中，所述起伏可形成正弦波。在一些實現方式中，所述起伏由其中dK/dS等于恒定值的多個彎曲段形成，其中K是起伏的曲率半徑的倒數，并且S是沿著彎曲段的距離。起伏的其它形狀也是可能的。這些起伏可導致形成在垂直內表面上的冷凝工作流體的膜變薄，從而降低冷凝器的熱阻。
[0095]工作流體可以是具有低毒性的不易燃的介電流體，但諸如甲醇、乙醇或丙酮的烴類也可以是合適的。可選擇工作流體的組成以及熱虹吸系統的內壓以將蒸發器中的工作流體的沸點設置在電子器件的期望的操作溫度左右，例如，30-100°C左右(例如45-55°C )。工作流體的示例包括由杜邦公司(DuPont)銷售的Vextral XF、由3M公司銷售的FlourinetElectronic Liquid FC-72 以及由 3M 公司銷售的 Novec 7100。
[0096]熱虹吸系統130的整個內部(包括蒸發器132、冷凝器134和蒸汽/冷凝物管線136的內部)被真空填充并密封。可抽吸初始真空來實現0.05毫巴(5Pa)以下的內部絕對壓力以從熱虹吸系統130去除空氣，然后可將工作流體引入熱虹吸系統130中。
[0097]盡管上面描述了服務器機架子組件，但所述熱虹吸系統可用于安裝在并非服務器機架子組件的一部分的主板上(例如，臺式計算機中的主板上)的熱生成電子器件，或者可用于非安裝在主板上的熱生成電子器件。在一些實現方式中，蒸發器翅片可用多孔芯吸材料代替。
[0098]描述了本發明的許多實施例。然而，將理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可進行各種修改。因此，其它實施例在所附權利要求書的范圍內。
【權利要求】
1.一種熱虹吸系統,所述熱虹吸系統包括: 冷凝器； 蒸發器；以及 將所述冷凝器流體耦合到所述蒸發器的冷凝物管線，所述冷凝物管線包括管道，所述管道具有中心通路以及定位在所述中心通路的相對橫側并且平行于所述中心通路延伸的一對外側通路，所述中心通路被定位成將汽相的工作流體從所述蒸發器輸送至所述冷凝器，所述一對外側通路被定位成將液相的工作流體從所述冷凝器輸送至所述蒸發器。
2.根據權利要求1所述的熱虹吸系統，其中，所述管道包括扁平的矩形主體，所述主體的寬度大于其高度。
3.根據權利要求2所述的熱虹吸系統，其中，所述外側通路與所述矩形管道的各側壁相鄰地定位。
4.根據權利要求1所述的熱虹吸系統，其中，所述一對外側通路具有所述中心通路的約5-25%的橫截面積。
5.根據權利要求1所述的熱虹吸系統，其中，所述蒸發器包括蒸發器盤，所述蒸發器盤具有相對于所述中心通路的底部凹陷的表面。
6.根據權利要求5所述的熱虹吸系統，其中，所述一對外側通路中的每一個具有定位在所述蒸發器盤上方或者與所述蒸發器盤相鄰定位的孔。
7.一種熱虹吸系統，所述熱虹吸系統包括: 冷凝器； 蒸發器；以及 將所述冷凝器流體耦合到所述蒸發器的冷凝物管線， 其中，所述蒸發器包括蒸發器盤以及從所述蒸發器盤向上延伸的多個突起，所述蒸發器盤具有相對于所述冷凝物管線的底板凹陷的表面，所述多個突起的頂部被定位于所述冷凝物管線的所述底板以上。
8.根據權利要求7所述的熱虹吸系統，其中，所述多個突起包括多個翅片。
9.根據權利要求8所述的熱虹吸系統，其中，所述翅片具有沿著其長度的起伏。
10.根據權利要求12所述的熱虹吸系統，其中，所述起伏具有介于I和2_之間的間距以及介于0.1和0.5mm之間的幅度。
11.根據權利要求12所述的熱虹吸系統，其中，所述蒸發器的頂板與所述中心通路的頂部齊平。
12.—種熱虹吸系統，所述熱虹吸系統包括: 蒸發器； 冷凝器，所述冷凝器包括主體，所述主體具有帶有開口的第一側面、在所述主體的與所述第一側面相反的一側的第二側面、從所述開口朝著所述第二側面延伸的中心通道以及從所述中心通道橫向延伸的多個平行腔室，其中，所述中心通道和所述多個平行腔室的底板傾斜，使得所述中心通道的更靠近所述第二側面的末端高于所述中心通道在所述開口處的末端；以及 將所述冷凝器的所述開口流體耦合到所述蒸發器的冷凝物管線。
13.根據權利要求12所述的熱虹吸系統，其中，所述主體包括腔以及將所述腔分割成所述多個平行腔室的多個壁。
14.根據權利要求12所述的熱虹吸系統，所述熱虹吸系統還包括從所述主體垂直伸出的多個導熱翅片，其中，所述多個導熱翅片的頂部位于水平面上。
15.根據權利要求12所述的熱虹吸系統，其中，所述中心通道和所述多個平行腔室的所述底板相對于水平面按照1° -30°的角度傾斜。
16.根據權利要求12所述的熱虹吸系統，其中，所述角度為約7.5°。
17.—種組裝熱虹吸系統的方法，所述方法包括: 提供冷凝器、蒸發器和冷凝物管線；以及 在單個釬焊工藝中同時對所述冷凝器、所述蒸發器和所述冷凝物管進行釬焊以形成統一主體。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述冷凝器、所述蒸發器和所述冷凝物管線由鋁構成。
19.根據權利要求17所述的方法，其中，所述冷凝器和所述冷凝物管線由鋁構成，并且其中，所述蒸發器包括銅蒸發器盤。
20.根據權利要求17所述的方法，其中，所述單個釬焊工藝包括將所述冷凝器、所述蒸發器和所述冷凝物管線同時加熱至介于約580和620°C之間的溫度。
【文檔編號】H05K7/20GK104364728SQ201380030890
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年7月9日 優先權日:2012年7月12日
【發明者】杰里米·賴斯, 杰弗里·S·斯伯丁, 胡安·D·恩古彥 申請人:谷歌公司