包括可熱交換部件的液體冷卻系統的製作方法
2023-09-19 03:28:25 1
專利名稱：包括可熱交換部件的液體冷卻系統的製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及液體冷卻系統，並且具體涉及而不是唯一涉及包括可熱交換部件的液體冷卻系統。
背景技術：
大多數電子器件如伺服器，計算機等，均由各種電子元件在某種金屬盒或者機殼內形成。特別是，許多伺服器現在安裝在稱為「葉片」的單個電路板上並且放置在符合2003年1月公開的高級電信計算體系(ATCA)3.0標準的機殼內。該ATCA標準定義傳送工業標準高性能的基於網(fabric)的開放的切換平臺，容錯性，以及下一代電信和數據中心設備的可升級方案。ATCA標準的發展已經被PCI工業計算機製造商組織(PICMG)所監督，該組織就是創立了卓有成效的緊湊PCI標準的組織。
ATCA3.0基本規範基於可熱交換葉片之間的切換網連接(fabricconnection)的現有的標準機殼定義了物理和電氣特徵。尤其是，ATCA3.0基本規範定義了框架(機架)和支架(機殼)形成因素，核心底板連接性，電源，冷卻，管理接口，以及ACTA複合板的機電規範。ATCA3.0基本規範還定義了每葉片200瓦(W)的功率預算，使得高性能伺服器具有多處理器體系以及多千兆字節在線存儲器。
在運行過程中，每個葉片的部件產生熱量。葉片型計算機的現有形成因素依賴於冷卻的強制性對流。在符合ATCA3.0規範的葉片計算機中，大的固態金屬散熱片與強制性對流一起使用以冷卻高功率處理器。然而，散熱器的體積由於高度約束而受到限制，並且基於當前的機殼技術，容積氣流率也受到限制。同樣，散熱器的冷卻能力也受到相當限制，由此限制了更高性能(以及更高發熱)處理器的使用。另外，為了擴展冷卻能力，處理器必須放置在最冷空氣溫度的位置，這樣發熱裝置被限制而放置在葉片的下部，這樣流進機殼的冷卻空氣將立即流過散熱器。
本發明的非限定性以及非窮舉性實施例將參考下面的附圖進行描述，其中除非另有說明，所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件。
圖1是符合高級電信計算體系(ATCA)規範的伺服器的實施例的側視圖。
圖2是適合用在葉片型計算機中的本發明的實施例的透視圖。
圖3是如圖2所示的本發明的實施例使用的可熱交換泵模塊的實施例的透視圖。
圖4是如圖2所示的本發明的實施例使用的流體和電連接器的實施例的截面圖。
圖5A-5B是描述連接器運行的圖4中所示的流體和電連接器的實施例的截面圖。
具體實施例方式
在此描述具有可熱交換部件的液體冷卻系統的實施例。在下面的說明書中，將描述大量的特定細節以對本發明的實施例進行徹底的理解。然而，相關領域的技術人員將得知本發明可實現而不使用特定細節中的一個或多個，或者使用其它方法、部件、材料等。換句話說，公知的結構、材料或者操作並未示出或者詳細描述以避免模糊本發明的一些方面。
該說明書對「一個實施例」或者「一實施例」的引用表示結合該實施例描述的特定特徵、結構或者特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，術語「在一個實施例中」或者「在一實施例中」在該說明書中的出現並不必全部指相同的實施例。此外，特定特徵、結構或者特性可以以任何合適的方式在一個或多個實施例中結合。
圖1示出了伺服器100的一個實施例。儘管伺服器100表示為單個，但是實際上其可包括許多單個伺服器，每個在其自己的葉片上。伺服器100包括機殼101，其中我們可發現形成該伺服器的電子元件。在所示的實施例中，機殼101是符合ATCA形成因素規範的機殼並且是由頂部106，底部104以及四個側壁102形成的金屬盒。在機殼101內，底部壓力通風系統105位於這些元件之下，同時，頂部壓力通風系統103位於這些元件之上。側壁102中的至少兩個包括通風孔，使得冷卻空氣流進底部壓力通風系統105，同時機殼後面的出口使得熱空氣124排出頂部壓力通風系統。
機殼內部的電子元件包括一個或多個單個伺服器，每個伺服器在獨立的葉片110上。其中每個葉片110除了別的之外還包括，一對處理器116和一個存儲器118，該存儲器可為易失存儲器例如動態隨機存取存儲器(DRAM)或者同步動態隨機存取存儲器(SDRAM)，或者可為非易失存儲器如只讀快閃記憶體(ROM)或者磁碟存儲器。在一個實施例中，處理器116可具有附著其上的散熱片以改進熱傳導。葉片110插入到底板112中，其作為母板，用來將各種葉片連接在一起並且管理各個葉片和外部設備之間以及葉片本身內的通信。可選RTM 114提供可選擇的附加連接並且功能性地從底板分離。底板112、葉片110以及RTM 114垂直定位在機殼中。
在運行中，每個葉片110上的元件，如處理器116，產生大量的熱。葉片110由強制性對流的流過機殼101的空氣進行冷卻。冷卻空氣120進入到底部壓力通風系統105中並且向上移動，這樣其流過葉片110上的元件，例如處理器116以及它們相關的散熱片。強制性對流單元，此種情況下為一對風扇122，位於頂部壓力通風系統103後部上的出口上或者在該出口附近。該風扇既將冷卻空氣120引入機殼內又將熱空氣124從機殼散出，增加了通過機殼的空氣流動以及從機殼帶走的熱量總量。
圖2示出了包括葉片計算機組成的本發明的實施例，該葉片計算機包括冷卻系統200。葉片202包括連接器204使得葉片計算機200插入到機殼中的底板中。在一個實施例中，該葉片符合PICMG高級電信體系(ATCA)3.0基本標準，儘管在其它實施例中葉片202不必符合ATCA標準。
冷卻系統200包括四個基本部件冷卻板208和214，每個冷卻板安裝到處理器206上；安裝到葉片上的無洩漏連接器220；兩個泵模塊238和240；以及安裝到葉片202上的熱交換器226。冷卻板208具有入口210和出口212，並且冷卻板214具有入口216和出口218。冷卻板串聯連接，同時冷卻板208的出口212通過管道242耦合到冷卻板214的入口216上。冷卻板214的出口218通過管道244耦合到無洩漏連接器220的入口222上，同時無洩漏連接器的出口224通過管道248耦合到熱交換器226的入口228上。熱交換器的出口230耦合到冷卻板208的入口210上。為了完全閉合該冷卻迴路，泵模塊238和240插入到無洩漏連接器220中。
冷卻板208和214每個安裝到處理器206上。每個冷卻板205其內部結構設計成使得液體流過的優化金屬板。內部結構通常進行優化，從而以最低的流率產生最大的熱傳導。通過冷卻板從產生熱的設備(例如，處理器206)帶走熱並且傳到工作流體上。工作流體然後通過泵送出冷卻板到熱交換器226上，其中熱然後通過對流傳遞到流過葉片202的空氣上。
熱交換器226將來自工作流體的熱傳導到系統氣流上。在所示實施例中，熱交換器為流體空氣熱交換器。流體空氣熱交換器包括一個或多個管道，通過該管道流動熱的工作流體。管道附著在幾個冷卻散熱片上，空氣在其上流動。流體的熱通過傳導從流體傳遞到散熱片上，並且然後通過對流從散熱片傳遞到經過散熱片的空氣流上。然而，在冷卻系統200的其它實施例中，可使用其它類型的熱交換器。
用於連接系統200的各種部件並且在這些部件之間傳輸流體的管道可為任何類型的管道。在一個實施例中，使用可彎曲非金屬管道，以便於安裝並且如果管道與葉片202上的電子元件接觸也可以防止短路。然而，在其它實施例中，也可使用硬金屬或者非金屬管。
無洩漏連接器220安裝在葉片202的表面並且將冷卻流體分布到安裝在夾層卡(mezzanine card)上的許多泵模塊上。夾層卡是插入到葉片中而不是插入到底板的卡，如高級夾層卡形成因素。無洩漏連接器220設計成無洩漏，快速斷開系統，使得夾層卡泵模塊容易拆卸同時系統200運行而不中斷系統；換句話說，連接器220形成可熱交換的泵模塊。另外，連接器220包括電導線，從葉片202提供功率給夾層卡。下面結合附圖4和5A-5B討論無洩漏連接器220的進一步細節。
泵模塊238和240驅動工作流體通過冷卻板、管道、以及熱交換器。多個泵模塊可如圖所示串聯使用以增加流體泵容量，增加冗餘性，並且增強系統可靠性。在所示實施例中，有兩個泵模塊，但在其它實施例中，可使用更多或者更少的泵模塊。例如，在當前ATCA3.0標準下，葉片可容納四個夾層卡。然而，非ATCA葉片可以能夠容納更多的夾層卡。
泵模塊238和240均包括設置在夾層卡上的泵和儲存器。這些特定的部件被放置在夾層卡上，是因為它們是通常在故障之間具有最低平均時間(MTBF)的部件，即，它們是最可能需要維護或更換的部件。泵模塊還包括無洩漏快速斷開流體和電連接器，以與無洩漏連接器220對接。當拆卸泵模塊時，連接器220用作閥門並且關閉流體路徑，防止從已經拆卸的泵模塊洩漏。流體/電連接器的內部幾何結構這樣進行設計，使得流體將仍然流到剩餘的泵模塊。這使得一個泵模塊為進行維護而被拆卸時，仍然可以提供充足的冷卻給葉片，這樣其仍然在起作用。泵模塊238和240的進一步細節將在下面結合附圖3進行討論。
圖3示出了泵模塊238的一個實施例的詳細視圖。泵模塊238包括流體儲存器304，一對泵310和316以及電連接器326。所有的這些部件安裝在夾層卡302上。為了使得容易保養拆卸，夾層卡包括在故障之間具有最低平均時間(MTBF)並且要求經常維護的部件。夾層卡還包括容易從葉片202進行卡的拆卸的部件，如把手。
在泵模塊238中，流體儲存器304具有入口306以及出口308。泵316具有快速連接/斷開裝置324附著其上的入口320以及通過管道330連接到儲存器入口306的出口318。同樣，泵310具有通過管道328連接到儲存器的出口308的入口312，並且具有快速連接/斷開裝置(fitting)322附著其上的出口314。
流體儲存器304附著在夾層卡302上並且只要該流體存儲器可維持工作流體的要求體積並且滿足其它限定條件，其可為任何形狀以及大小。在一個實施例中，工作流體為大氣壓下的水，但在其它實施例中，可使用不同壓強下的不同流體或者流體混合物。例如，可使用在大氣壓下的乙二醇和水的50％的混合物。在其它實施例中，工作流體可為多狀態的，意味著例如其可在系統中以流體和以氣態存在。還可使用與大氣壓不同的壓強。
儘管在其它實施例中，儲存器可具有不同的形狀和大小，但在所示實施例中，儲存器304是薄的矩形盒，其尺寸符合夾層卡的ATCA 3.0標準。流體儲存器304可包括流體液位傳感器，如浮閥(未示出)，以測出儲存器中的流體量。流體液位傳感器可連接到也安裝在夾層卡302上的邏輯電路(未示出)，並且邏輯電路連接到流體液位的某些外部指示器上。在所示實施例中，外部指示器是夾層卡面板上的發光二極體(LED)332，當流體液位低於所需要的液位時發光。然而，在其它實施例中，外部指示器可為某些不同的東西，例如指示儲存器中流體的實際液位是否太低的量規。當儲存器中的流體液位低時，流體可採用連接到儲存器和面板的流體再充埠334進行補充而不拆卸夾層卡。
在所示實施例中，在夾層卡302上有串聯連接的兩個泵310和316。泵310和316可為任一類型的電子泵，其滿足系統的大小和流動要求。在一個實施例中，泵310和316為電壓驅動單列活塞泵。然而，在其它實施例中，可使用其它類型的泵。例如，可使用商用泵，例如在水族館中通常使用的那些泵。許多數量的泵可放置在夾層卡上以滿足冗餘性以及提高流體流動。所示的實施例具有兩個泵310和316，但其它實施例可使用多於兩個的泵或者僅使用一個泵，提供的一個泵是足夠可靠的(即，在故障之間具有足夠高的平均時間(MBTF))。泵310具有附著到其出口的快速連接/斷開裝置322並且泵316具有附著到其入口的快速連接/斷開裝置324。當泵模塊328被安裝在葉片202上時，裝置322和324與快速連接/斷開裝置422和424在無洩漏連接器220上嚙合(見圖4)。
夾層卡302還包括電連接器326以與無洩漏連接器上的電連接器對接。當與無洩漏連接器220上的對應電連接器426耦合時(見圖4)，電連接器326提供必要的電源以運行泵310和316，耦合到LED 332並且耦合到儲存器內部的流體液位傳感器的邏輯電路(未示出)，以及夾層卡上需要電源的其它任何裝置。電連接器326還在葉片202和夾層卡之間提供數據連接。
圖4示出了無洩漏連接器220的實施例的細節。連接器220設計成容納兩個泵模塊，但可容易修改為容納更多或更少的模塊。無洩漏連接器220包括殼體402，殼體402內存在連接到提供流體給泵模塊的四個管道的平衡通道412管道416提供流體給泵模塊238並且管道414從該泵模塊接收流體，同時管道420提供流體給泵模塊240並且管道418從該泵模塊接收流體。主入口222通過管道244耦合到冷卻板並且提供流體給連接器220，同時主出口224通過管道248耦合到熱交換器226並且載送流體離開連接器220。
連接器220還包括兩個泵接口408和410，每個泵模塊有一個泵接口。泵接口408包括其上具有快速連接/斷開裝置422的管道414的末端，其上具有快速連接/斷開裝置424的管道416的末端，以及電連接器426。泵接口410具有類似的部件。當泵模塊238位於其安裝位置時，來自泵310出口的裝置322由快速連接/斷開裝置422嚙合，來自泵316入口的裝置324由快速連接/斷開裝置424嚙合，並且電連接器426由夾層卡302上的電連接器326進行嚙合。快速連接/斷開裝置與連接器220的設計結合使用使得泵模塊成為可熱交換的，意味著它們可在系統運行時拆卸和/或插入，而不需要切斷系統。
在連接器220的運行過程中，平衡通道412的直徑進行優化，使得連接器220自平衡，意味著如果另一個泵模塊被拆卸其仍使得流體流到一個泵模塊上；代表性地，平衡通道的直徑將比連接器220中的其它管道的直徑小。在圖4中，當兩個泵模塊238和240安裝並且起作用時流體隨著箭頭路徑流動。泵的壓力使得流體繞過流體平衡通道412並且直接流到泵模塊或者從泵模塊直接流出。
圖5A-5B示出對於其中泵模塊中的一個被拆卸或者不起作用的情況下無洩漏連接器220的運行。圖5A示出其中泵模塊240被拆卸或者不起作用的情況，並且圖5B示出其中泵模塊238被拆卸或者不起作用的情況。每種情況中通過連接器220的流動由箭頭示出。平衡通道412的直徑進行優化以平衡連接器中的壓力並且確保流體流過連接到工作泵模塊的通道。該設計的這一方面使得當一個泵模塊不存在或者不起作用時流體冷卻系統仍然起作用。
本發明所示實施例的上述描述，包括摘要所描述的，並不旨在窮舉或者限定本發明為所公開的精確形式。儘管本發明的特定實施例以及本發明的實例在此為演示目的而進行描述，但各種等效修改在本發明的範圍內也是可以的，正如相關領域技術人員所熟知的。可根據上述具體描述對本發明作出修改。
在所附權利要求中所使用的術語並不構成將本發明限定為在說明書和權利要求書中公開的特定實施例。相反，本發明的範圍完全由下述權利要求所確定，該下述權利要求根據權利要求解釋的確定原則構成。
權利要求
1.一種裝置，包括具有入口和出口的冷卻板，該冷卻板附著在熱源上；具有入口和出口的熱交換器，其中熱交換器的出口連接到冷卻板的入口；以及包括至少一個泵的可熱交換泵模塊，該泵模塊耦合到冷卻板並且耦合到熱交換器。
2.權利要求1的裝置，還包括無洩漏連接器，該無洩漏連接器具有主入口、主出口以及包括入口和出口的泵接口，其中主入口連接到冷卻板的流體出口，主出口耦合到熱交換器的入口，並且可熱交換泵模塊耦合到泵接口。
3.權利要求2的裝置，其中泵接口為第一泵接口，並且其中無洩漏連接器還包括第二泵接口，該第二泵接口包括入口和出口。
4.權利要求3的裝置，其中可熱交換泵模塊為第一可熱交換泵模塊，並且還包括連接到第二泵接口的第二可熱交換泵模塊。
5.權利要求3的裝置，其中無洩漏連接器是自平衡的。
6.權利要求2的裝置，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速連接/斷開裝置。
7.權利要求2的裝置，其中無洩漏連接器還包括電連接器。
8.權利要求7的裝置，其中可熱交換泵模塊還包括耦合到無洩漏連接器的電連接器的電連接器。
9.權利要求1的裝置，其中可熱交換泵模塊包括具有入口和出口的儲存器；第一泵，其入口連接到泵接口的出口，並且其出口連接到儲存器的入口；以及第二泵，其入口連接到儲存器的出口，並且其出口連接到泵接口的入口。
10.權利要求9的裝置，其中儲存器包括流體液位傳感器。
11.權利要求10的裝置，其中可熱交換模塊包括連接到流體液位傳感器並且連接到流體液位可視指示器的邏輯電路。
12.一種裝置，包括具有入口和出口的冷卻板，該冷卻板可附著在熱源上；具有入口和出口的熱交換器，其中熱交換器的出口耦合到冷卻板的入口；無洩漏連接器，具有主入口、主出口和包括入口和出口的泵接口，其中主入口耦合到冷卻板的流體出口，主出口耦合到熱交換器的入口；並且耦合到泵接口的可熱交換泵模塊，該可熱交換泵模塊包括一個儲存器和至少一個泵。
13.權利要求12的裝置，其中泵接口為第一泵接口，並且其中無洩漏連接器還包括第二泵接口，該第二泵接口包括入口和出口。
14.權利要求13的裝置，其中可熱交換泵模塊為第一可熱交換泵模塊，並且還包括連接到第二泵接口的第二可熱交換泵模塊。
15.權利要求14的裝置，其中無洩漏連接器是自平衡的。
16.權利要求12的裝置，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速連接/斷開裝置。
17.權利要求12的裝置，其中無洩漏連接器包括耦合到電源上的電連接器。
18.權利要求17的裝置，其中可熱交換泵模塊包括可連接到無洩漏連接器的電連接器上的電連接器。
19.權利要求12的裝置，其中儲存器具有入口和出口並且可熱交換泵模塊包括第一泵，其入口連接到泵接口的出口，並且其出口連接到儲存器的入口上；以及第二泵，其入口連接到儲存器的出口，並且其出口連接到泵接口的入口上。
20.權利要求19的裝置，其中儲存器包括流體液位傳感器。
21.權利要求20的裝置，其中可熱交換模塊包括耦合到流體液位傳感器並且耦合到流體液位可視指示器的邏輯電路。
22.一種系統，包括；計算機葉片，其上具有處理器以及同步動態隨機存取存儲器(SDRAM)；具有入口和出口的冷卻板，該冷卻板可附著在處理器上；具有入口和出口的熱交換器，其中熱交換器安裝到葉片上並且熱交換器的出口耦合到冷卻板的入口；以及可附著到計算機葉片上的夾層卡，該夾層卡其上具有包括至少一個泵的可熱交換泵模塊，該可熱交換泵模塊耦合到冷卻板上並且耦合到熱交換器上。
23.權利要求22的系統，還包括附著在葉片上的無洩漏連接器，該無洩漏連接器具有主入口，主出口，以及包括入口和出口的泵接口，其中主入口耦合到冷卻板的流體出口上，主出口耦合到熱交換器的入口，並且可熱交換泵模塊耦合到泵接口上。
24.權利要求23的系統，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速連接/斷開裝置。
25.權利要求22的系統，其中可熱交換泵模塊包括具有入口和出口的儲存器；第一泵，其入口連接到泵接口的出口，並且其出口連接到儲存器的入口；以及第二泵，其入口連接到儲存器的出口，並且其出口連接到泵接口的入口。
26.權利要求25的系統，其中儲存器包括流體液位傳感器。
27.權利要求26的系統，其中夾層卡包括耦合到流體液位傳感器並且耦合到流體液位可視指示器的邏輯電路。
28.一種方法，包括採用閉合迴路冷卻系統冷卻熱源，包括具有入口和出口的冷卻板，該冷卻板可附著在熱源上，具有入口和出口的熱交換器，其中熱交換器的出口耦合到冷卻板的入口；以及包括至少一個泵的可熱交換泵模塊，泵模塊連接到冷卻板上並且連接到熱交換器上；以及可在冷卻系統運行的同時拆卸或者安裝泵模塊。
29.權利要求28的方法，其中冷卻系統還包括無洩漏連接器，該無洩漏連接器具有主入口、主出口和包括入口和出口的泵接口，其中主入口耦合到冷卻板的流體出口，主出口耦合到熱交換器的入口，並且可熱交換泵模塊耦合到泵接口。
30.權利要求29的方法，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速連接/斷開裝置。
31.權利要求30的方法，其中可熱交換泵模塊包括具有入口和出口的儲存器；第一泵，其入口連接到泵接口的出口並且其出口連接到儲存器的入口上；以及第二泵，其入口連接到儲存器的出口並且其出口連接到泵接口的入口上。
全文摘要
本發明公開一種裝置，包括具有入口和出口的冷卻板，該冷卻板可附著到熱源上；具有入口和出口的熱交換器，其中熱交換器的出口耦合到冷卻板的入口上；以及包括至少一個泵的可熱交換泵模塊，該泵模塊耦合到冷卻板並且耦合到熱交換器上。本發明還公開一種方法，包括採用閉合迴路冷卻系統冷卻熱源，該冷卻系統包括具有入口和出口的冷卻板，該冷卻板可附著到熱源上；具有入口和出口的熱交換器，其中熱交換器的出口耦合到冷卻板的入口上；以及包括至少一個泵的可熱交換泵模塊，該泵模塊耦合到冷卻板並且耦合到熱交換器上，以及在冷卻系統運行的同時拆卸或者安裝泵模塊。還描述和要求保護了其它實施例。
文檔編號G12B15/00GK1893802SQ20051009139
公開日2007年1月10日 申請日期2005年6月30日 優先權日2005年6月30日
發明者J·萊亞, C·D·盧切羅, C·A·貢扎爾斯 申請人:英特爾公司