紧凑型热控制板的制作方法

1.本公开的实施例总体上涉及用于电子设备的温度控制系统，特别是(但不限于)涉及可 在温度控制系统中使用的紧凑型热控制板封装。


背景技术：

2.许多现代电子设备在可预测和稳定的温度条件下运行。例如，在数据中心，对环境温度 的控制非常严格，因此数据中心内的所有服务器、路由器、边缘计算服务器等均在已知的稳 定温度条件下运行。在家庭和工作场所中，温度的控制不太严格，但通常不会在大范围内变 化，因此，即使是个人、家庭和商业电子设备也可以在较大但仍可忍受的温度范围内工作。 在这两种环境中，环境温度都使得电子设备通常仅需要冷却，而无需加热。
3.但是，在某些应用中，电子设备在不受控制的温度条件下工作，温度可能会有很大变化。 在户外运行的电子设备就是一个例子。根据位置和季节的不同，它们可能被迫在低于零度到 非常热的环境温度下运行。由于电子设备在极冷的条件下启动和在极热的条件下运行都可能 会出现问题，因此这些应用可能不仅需要加热还需冷却。以前的温度控制系统通常提供加热 或冷却，但不能同时提供两者。存在一些在冷却回路中使用电加热器的系统，但是这些系统 可能不适用于某些类型的电子设备，此外，这些系统不易控制且效率相对较低。
4.除了需要加热和冷却外，许多电子系统和硬件(例如边缘计算中所使用的那些)的空间 也很有限，因此实现同时冷却和加热功能的热方案可能是一个挑战。即使没有空间限制，带 有多个部件(包括冷却装置和加热装置)的热回路也会大大降低可靠性，尤其是在边缘环境 中使用这些产品时。


技术实现要素：

5.一种热控制板，包括：冷却层，包括：导热基座，适于与一个或更多个发热电子部件热 耦接，多个冷却翅片，热耦接至导热基座，以及冷却盖板，其耦接至多个冷却翅片的端部， 使得导热基座、冷却盖板和多个冷却翅片形成多个冷却通道，工作流体能够通过多个冷却通 道流动；加热层，包括：加热器，多个加热翅片，热耦接至加热器，以及加热盖板，其耦接 至多个加热翅片的端部，使得加热器、加热盖板和多个加热翅片形成多个加热通道，工作流 体能够通过多个加热通道流动；以及流体分配通道，其流体耦接至加热层和冷却层，其中流 体分配通道能够将工作流体分配到多个加热通道和多个冷却通道中。
6.根据本发明的实施例，加热器包括：绝热盖；以及一个或更多个电阻加热器，电阻加热 器定位在绝热盖中，电阻加热器热耦接至多个加热翅片。
7.根据本发明的实施例，加热器还包括电连接件，以向电阻加热器提供电力。
8.根据本发明的实施例，流体分配通道被夹在加热层和冷却层之间。
9.根据本发明的实施例，流体分配通道具有穿孔，工作流体通过穿孔从流体分配通道行进 到加热通道和冷却通道中。
10.根据本发明的实施例，加热层的盖板和冷却层的盖板是可渗透的，使得流体分配通道通 过它们各自的盖板流体耦接至加热通道和冷却通道。
11.根据本发明的实施例，热控制板还包括：第一冲击板，夹在流体分配通道和加热层的盖 板之间；以及第二冲击板，夹在流体分配通道和冷却层的盖板之间。
12.根据本发明的实施例，第一冲击板和第二冲击板被穿孔，流体分配通道的穿孔基本上与 第一冲击板和第二冲击板的穿孔对准。
13.根据本发明的实施例，热控制板还包括耦接至流体分配通道的流体入口和耦接至冷却通 道中的至少一个的流体出口。
14.一种热控制系统，包括：冷却回路，其使工作流体循环，冷却回路包括：温度控制板， 其具有流体入口和流体出口，所述温度控制板包括：冷却层，包括：导热基座，适于与一个 或更多个发热电子部件热耦接，多个冷却翅片，热耦接至导热基座，以及冷却盖板，其耦接 至多个冷却翅片的端部，使得导热基座、冷却盖板和多个冷却翅片形成多个冷却通道，工作 流体能够通过多个冷却通道流动；加热层，包括：加热器，多个加热翅片，热耦接至加热器， 以及加热盖板，其耦接至多个加热翅片的端部，使得加热器、加热盖板和多个加热翅片形成 多个加热通道，工作流体能够通过多个加热通道流动；以及流体分配通道，其流体耦接至加 热层和冷却层，其中流体分配通道能够将工作流体分配到多个加热通道和多个冷却通道中； 入口控制件和出口控制件，入口控制件流体耦接至温度控制板的流体入口，并且出口控制件 流体耦接至温度控制板的流体出口，以及冷却流体源和冷却流体回流，冷却流体源流体耦接 至入口控制件，并且冷却流体回流流体耦接至出口控制件；以及加热回路，其使工作流体循 环，加热回路比冷却回路短，并且包括：加热流体源和加热流体回流，加热流体源流体耦接 至入口控制件，并且加热流体回流流体耦接至出口控制件，以及泵，所述泵使加热流体至少 通过加热流体源、温度控制板和加热流体回流循环。
15.根据本发明的实施例，在热控制系统中，加热器包括：绝热盖；以及一个或更多个电阻 加热器，电阻加热器定位在绝热盖中，电阻加热器热耦接至多个加热翅片。
16.根据本发明的实施例，在热控制系统中，加热器还包括电连接件，以向电阻加热器提供 电力。
17.根据本发明的实施例，在热控制系统中，流体分配通道被夹在加热层和冷却层之间。
18.根据本发明的实施例，在热控制系统中，流体分配通道具有穿孔，工作流体通过穿孔从 流体分配通道行进到加热通道和冷却通道中。
19.根据本发明的实施例，在热控制系统中，加热层的盖板和冷却层的盖板是可渗透的，使 得流体分配通道通过它们各自的盖板流体耦接至加热通道和冷却通道。
20.根据本发明的实施例，热控制系统还包括：第一冲击板，夹在流体分配通道和加热层的 盖板之间；以及第二冲击板，夹在流体分配通道和冷却层的盖板之间。
21.根据本发明的实施例，在热控制系统中，第一冲击板和第二冲击板被穿孔，流体分配通 道的穿孔基本上与第一冲击板和第二冲击板的穿孔对准。
22.根据本发明的实施例，热控制系统还包括耦接至流体分配通道的流体入口和耦接至冷却 通道中的至少一个的流体出口。
23.根据本发明的实施例，在热控制系统中，入口控制件、出口控制件或者两者均为三
通阀。
24.根据本发明的实施例，在热控制系统中，冷却回路是闭合回路，其还包括：热交换器， 耦接至冷却流体源和冷却流体回流；以及泵，耦接在冷却回路中，以使工作流体通过冷却回 路循环。
附图说明
25.参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举的实施例，其中，除非另外指出，否则贯 穿各个视图，相同的附图标记表示相同的元件。
26.图1a
‑
1b是使用用于加热和冷却的温度控制板的温度控制系统的实施例的示意图。
27.图2a
‑
2b是用于加热和冷却的温度控制板的实施例的构造的概念图。
28.图3a是用于加热和冷却的温度控制板的实施例的截面图。
29.图3b是可以在图3a的温度控制板中使用的加热器的实施例的截面图。
30.图4a
‑
4b是在冷却(图4a)和加热(图4b)期间图3a的温度控制板的实施例的截面 图。
具体实施方式
31.描述了用于温度控制系统的紧凑型热控制板的实施例。描述了特定的细节以提供对实施 例的理解，但是相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个所描述的细节的情况 下或者利用其他方法、部件、材料等来实践本发明。在一些情况下，众所周知的结构、材料 或操作没有详细示出或描述，但是仍然包含在本发明的范围内。
32.在整个说明书中，参考术语“一个实施例”或“实施例”的描述意指所描述的具体特征、 结构或特点能够包括在至少一个实施例中，因此，“在一个实施例中”或“在实施例中”的 示意性表述不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、结构或特 点可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
33.描述了用于电子热管理(包括冷却和加热)的紧凑型热控制板设计的实施例，此设计提 供了稳健且紧凑的解决方案，使用更少的空间，降低了系统复杂度并增加了可靠性。此外， 通过适当的设计和实施，该解决方案可以节省成本。热控制板由多个层组装而成，并且不同 的结构和装置被封装在这些层内。热控制板包括冷却板，冷却板热耦接至发热电子部件(诸 如高功率密度处理器)。冷却翅片热耦接至冷却板。加热器使用加热板，加热板内部封装有 一个或更多个功率电阻器，并且还具有与其热耦接的加热翅片。内部流体输送结构用于将工 作流体均匀地分配到冷却翅片和加热器/加热翅片上，以更好地进行热传递和流体分配。流 体通过热控制板的入口供应，并输送到热控制板内的流体通道，并在通过出口离开热控制板 之前分配到加热翅片和冷却翅片。
34.图1a示出了温度控制系统100的实施例。系统100包括冷却回路102和加热回路104， 这两者均流体耦接至温度控制板108，使得它们可用于控制一个或更多个发热电子部件106 的温度。在多种运行模式下，冷却回路102可以单独运行，加热回路104可以单独运行，或 者冷却回路102和加热回路104可以同时运行以通过加热、冷却、或两者结合控制电子部件 106的温度。
35.温度控制板108热耦接至电子部件106，从而可以在电子部件和流过温度控制板的工作 流体之间进行热交换。取决于系统100是在冷却还是加热电子部件106，热交换的方向可以 是从电子部件106到工作流体的方向，也可以是从工作流体到电子部件的方向。温度控制板 108包括流体入口与流体出口112。入口控制件114流体耦接至流体入口110，而出口控制件 116流体耦接至出口112。如本文所用，如果两个元件直接或间接地彼此耦接，以使流体可 以在它们之间沿一个或两个方向流动，则它们是“流体耦接”的。在所示的实施例中，入口 控制件114和出口控制件116都是三通阀，但是在其他实施例中，它们可以是其他类型的控 制件。例如，在其他实施例中，入口控制件114和出口控制件116可以是二通阀的组合。在 其他实施例中，入口控制件114和出口控制件116不必是相同类型的控制件。在大多数情况 下，入口控制件114和出口控制件116处于相同的运行状态。另外的实施例可以省略两个控 制件114和116中的一个。
36.冷却回路102是流体耦接至温度控制板108的开环。冷流体源120流体耦接至入口控制 件114，并且冷流体回流122流体耦接至出口控制件116，使得入口和出口控制件调节从冷 却回路通过温度控制板108的工作流体的流量。
37.加热回路104类似地通过入口控制件114和出口控制件116耦接至温度控制板108，使 得入口和出口控制件也调节从加热回路通过温度控制板108的工作流体的流量。热流体源 124流体耦接至入口控制件114，热流体回流126流体耦接至出口控制件116。泵128流体耦 接至加热回路104中，以使工作流体通过该回路循环。温度控制板108包括加热器118，以 加热流过温度控制板的工作流体。然后，加热回路104使用加热器118以及电子部件106自 身产生的热量来加热流过加热回路的工作流体。通过选择性地配置入口控制件114和出口控 制件116，可以将冷却的工作流体、热的工作流体或二者的混合物引导通过温度控制板108。 因此，加热回路104和冷却回路102不是完全分开的，而是经由入口控制件114、出口控制 件116和温度控制板108彼此流体耦接。换句话说，在系统100中，温度控制板108既是加 热回路又是冷却回路的一部分。由于它们共同地耦接至温度控制板108，冷却回路和加热回 路使相同的工作流体循环。
38.加热回路104基本上比冷却回路102短，使得加热回路104可以在需要时快速加热其回 路中包含的流体以及电子部件106。将加热回路设计为短旁路回路可以使回路中的工作流体 快速加热，因为可以生成并被引到回路的热量被限制在一定的时间段内。通过尽可能多地利 用电子部件106产生的热量，回路中的工作流体也可以被更快地加热。由于加热回路是一个 比冷却回路短得多的回路，因此回路中的工作流体较少，并且鉴于所提供的热量有限，加热 回路中的流体可以更快地被加热。
39.温度传感器可以定位在系统100的各个位置，以监视系统的性能。所示实施例包括三个 温度传感器t1
‑
t3：
40.‑
t1位于出口112的下游，以测量离开温度控制板108的工作流体的温度。在所示的实 施例中，传感器t1定位在出口112和出口控制件116之间，但是在其他实施例中，t1可以 不同地定位，例如定位在出口控制件116下游的冷流体回流122或热流体回流126中。
41.‑
t2定位在入口控制件114上游的冷流体源120中，以测量冷却工作流体的温度。
42.‑
t3定位在入口110的上游，以测量进入温度控制板108的工作流体的温度。
43.系统100的其他实施例可以具有比所示更多或更少的温度传感器。当加热回路104
路，以使工作流体循环通过冷却回路。尽管未在图中示出(但请参见图1a)，但系统150可 以在与系统100相同的位置包含相同的温度传感器t1
‑
t3。
53.尽管系统150和100存在不同，但是它们运行方式类似并且具有相同的运行模式。通过 选择性地配置入口控制件114和出口控制件116，可以将冷的工作流体、热的工作流体或两 者的混合物引导通过温度控制板108来调节电子部件106的温度。
54.图2a概念性地示出了可以在系统100和150的实施例中使用的热控制板200的部件和 组装。图可以用作设计指南，但是各层、它们的位置以及每层内的分组或部件可以在实际应 用中根据需要进行修改。另外，一些层可以是组合的与附加的层，例如用于提供附加的流体 通道的层可以被添加。
55.热控制板200包括加热层202和冷却层204，它们各自可以包括多个部件或子层。流体 供应/冲击层206同时耦接至加热层和冷却层。如本文所使用的，“加热”和“冷却”是指热 控制板200是加热还是冷却与其耦接的发热电子部件(例如，参见图1a
‑
1b和2b)。类似地， 在热控制板内，术语“加热”和“冷却”在应用于层或其部件时，用来描述每个层或部件的 标称功能，并将它们彼此区分开。但是这些术语不是限制性的：在某些运行模式下，加热层 或加热部件可以冷却，或者冷却层或部件可以加热(例如，参见图4a
‑
4b)。
56.加热层202包括加热器210，在各种实施例中，加热器210可以包括具有电功率电阻器 的加热垫(例如，参见图3b)，以产生热量。加热器210可以热耦接至加热翅片或用于将热 量传递到工作流体的某种其他机制。盖板212附接到加热器210，以形成加热通道，工作流 体可以通过加热通道流动。冷却层204包括导热基座216，导热基座可以热耦接至发热电子 部件以冷却或加热电子部件。冷却翅片可以与导热基座热耦接，以将热量从电子部件传递到 工作流体(在冷却模式下)，或将热量从工作流体传递到电子部件(在加热模式下)。盖板 214附接到基座216以形成冷却通道，工作流体可以流过冷却通道。最后，流体供应/冲击通 道206同时流体耦接至加热层202和冷却层204，以向这些层供应工作流体。
57.图2b示出了基本上根据图2a所示布局布置的热控制板250的主要部件的实施例。热 控制板250包括热耦接至发热电子部件252的导热基座254，以及具有可选的绝缘层264的 加热器256。加热器256和导热基座254形成流体流动区域262的上下边界。图2a中提到 的其余部件(盖板、加热和冷却通道以及流体供应/冲击通道)位于流体流动区域262中。 流体入口258和流体出口260流体耦接至流体流动区域262或这个区域内的部件。在不同的 实施例中，流体流动区域262内的部件的配置可以不同；具体实施方式在图3a中示出并且 在下面描述。
58.图3a示出了紧凑型热控制板300的实施例。热控制板300包括冷却层和加热层。冷却 层包括导热基座302，导热基座适于热耦接至发热电子部件(见图1a
‑
1b和2b)。导热基座 302与多个冷却翅片304热耦接，并且多个冷却翅片304中的每一个的端部依次附接到冷却 盖板306。将盖板306附接到多个冷却翅片304的端部，以形成多个冷却通道308，工作流 体可以流过冷却通道，每个冷却通道由基座302、盖板306和成对的冷却翅片304界定。
59.热控制板300中的加热层包括加热器312。加热器312依次热耦接至多个加热翅片314， 并且多个加热翅片314中的每一个的端部依次附接到加热盖板316。将加热盖板316附接到 多个加热翅片314的端部，以形成多个加热通道318，工作流体可以流过加热通道，每个加 热通道318由加热器312、加热盖板316和成对的加热翅片314为边界。绝缘层324可以
放 置在加热器312的外侧，以进一步使热量从加热器流到外部。电连接件330耦接至加热器 312，以向其中的功率电阻器供应电力(见图3b)。在一个实施例中，将直流(dc)电供应 给加热器，但是其他实施例可以不同。
60.流体供应通道322夹在冷却层和加热层之间，从而它可以将工作流体供应到这两个层。 在所示的实施例中，流体供应通道322被夹在冷却盖板306和加热盖板316之间，但是在其 他实施例中，流体供应通道可以与所示不同地定位。入口326流体耦接至流体供应通道322， 以向其供应工作流体，出口328流体耦接至冷却通道308和加热通道318，以允许工作流体 从热控制板离开。流体入口和出口端口用于连接流体软管或管道，以将装置连接到回路或系 统中。流体供应通道322具有穿孔，工作流体通过穿孔存在于通道并进入冷却通道308和加 热通道318。在一些实施例中，工作流体可以处于环境压力下，但是在其他实施例中，其可 以被加压，这意味着它处于高于环境的压力下。在不同的实施例中，穿孔可以具有不同的形 状，例如，穿孔可以是具有基本上圆角矩形形状的开口或凹口。
61.冲击板310位于流体供应通道322与冷却盖板306之间，另一个冲击板320位于流体供 应通道322与加热盖板316之间。从流体供应通道308流出的流体通过或围绕冲击板行进， 以进入冷却通道308和加热通道318。该冲击供应结构可以嵌入通道中。流体在离开翅片区 域之前流过整个翅片区域(包括冷却和加热区域)，并找到通向出口端口的通道。在一个实 施例中，冲击板310和320可以被穿孔，冲击板的穿孔基本上与流体供应通道322中的穿孔 对准。在不同的实施例中，穿孔可以具有不同的形状，例如，穿孔可以是具有基本上圆角矩 形形状的开口或凹口。
62.图3b示出了可以在温度控制板300中使用的加热器312的实施例。加热器312包括绝 热基座352，在其中定位有一个或更多个功率电阻器354。所示的实施例具有在基座352内 均匀分布的三个功率电阻器354a
‑
354c。但是在其他实施例中，可以具有比所示更多或更少 的功率电阻器，功率电阻器不必均匀分布，并且功率电阻器不必全部为相同类型。在一个实 施例中，功率电阻器354可以是陶瓷功率电阻器，但是功率电阻器的数量和性质通常取决于 期望的加热速率。提供电连接件330(参见图3a)，使得可以将电力输送到功率电阻器354。 如果需要进一步绝热以减慢或防止热量从基座352传递到外部，则可以可选地将绝热盖324 耦接至绝热基座352的外侧。加热翅片314从基座352的内侧伸出，并且热耦接至功率电阻 器354a
‑
354c，从而由功率电阻器产生的热量可以通过传导而流入翅片314。除加热外，加 热器312还提供一些其他功能：覆盖功率电阻器以将其与工作流体分开；通过增加翅片来扩 大传热面积，以获得更好的性能；并且在顶部增加了较高的热阻以进行绝热。
63.图4a
‑
4b示出了热控制板300在冷却模式和加热模式下的运行的实施例。图4a示出了 冷却模式，即，使用热控制板300来冷却耦接至热控制板的电子部件(例如，参见图1a
‑
1b)。 在冷却期间，加热器312被关闭，并且导热基座302接收来自与基座302热耦接的发热电子 部件的热量输入q，如图所示。工作流体通过入口326进入热控制板300并行进至流体供应 通道322。工作流体从供应通道322通过冲击板310和冷却盖板306分配到冷却通道308中， 同时通过冲击板320和加热盖板316分配到加热通道318。热量输入q通过导热基座302传 导并进入冷却翅片304。导热基座302和翅片304一起加热流过冷却通道308的工作流体。 同时，流过加热通道318的工作流体(由于在冷却模式下关闭了加热器312而未被加热)在 内部传递到冷却通道308，在那里它也从基座302和翅片304吸收热量。换句话说，所有的 工
作流体都用于冷却。然后，工作流体从冷却通道308流出，并通过出口328离开热控制板。
64.图4b示出了热控制板300在加热模式下的运行，即，热控制板用于加热与基座302热 耦接的电子部件(见图1a
‑
1b)。例如，这可能是在冬季运行期间，当环境温度极低时，工 作流体和电子部件可能需要加热才能正常运行。在加热期间，加热器312被打开，使得直流 电压被施加到功率电阻器。如图所示，通过功率电阻器的电生成进入加热翅片314的热量输 入q。工作流体通过入口326进入热控制板300，并行进至流体供应通道322。工作流体从 供应通道322通过冲击板310和冷却盖板306分配到冷却通道308中，同时通过冲击板320 和加热盖板316分配到加热通道318。热量输入q由加热器312传递到加热翅片314。加热 器312和加热翅片314一起加热流经加热通道318的工作流体。工作流体同时流经冷却通道 308，如果关闭了电子部件，则工作流体完全不会被加热，但是如果打开了电子部件，则工 作流体会被电子部件加热。来自加热通道318的被加热的工作流体在内部传递到冷却通道 308，在此处它通过冷却翅片304和基座302将热量传递到发热部件中。然后，工作流体从 冷却通道308流出并通过出口328离开热控制板。
65.除上述之外，其他温度控制板的实施例也是可能的。例如：
66.在获得相似结果时，层顺序和布置可能与所描述的不同。
67.位置和封装方法可能不同。
68.内部流体结构可以不同，并可以优化以提高性能。
69.可以将热控制板设计为不同的形状。
70.根据实际使用的功率电阻器，可以将不同的封装方法用于加热垫层。
71.实施例的以上描述并非旨在穷尽或将本发明限制为所描述的形式。为了说明的目的在此 描述了本发明的具体实施例和示例，但是各种修改是可能的。