用于液体冷却的散热器的制作方法

1.本公开内容涉及用于容置电子设备和液体冷却剂的模块，该模块包括散热器设备。


背景技术：

2.用于数据处理的计算机、服务器和其他设备(称为信息技术或it)通常包括印刷电路板(pcb)。在这些pcb上存在称为集成电路(ic)的小型设备，所述小型设备可以包括中央处理单元(cpu)、专用集成电路(asic)、图形处理单元(gpu)、随机存取存储器(ram)等。所有这些电子元件或设备在使用时都产生热量。为了使it的性能最大化，应当将热量传递出去，以使内容物保持在最佳温度。这些考虑也适用于其他类型的电子设备或系统。
3.it通常容置在箱体、外壳或壳体内。例如，在服务器中，该外壳有时称为服务器机箱。服务器机箱通常遵守指定每个机箱的高度的许多行业标准，其被称为1ru(一个机架单元)或1ou(一个开放式单元)，这些也缩写为1u或1ou。2个主要标准中较小的一者是1ru/1u，其高度为44.45mm或1.75英寸。例如，从形状和样式的意义上说，这样的单元有时被称为“刀片”服务器，尽管这种服务器机箱可能没有必要放入或插入背板中。
4.不同的服务器产品可以针对机箱一次利用多于一个ru/ou，例如2u机箱使用2个机架单元。通常将每个服务器机箱的大小保持为最小值，以最大化每个服务器机架的计算能力的量(服务器机架是添加有服务器机箱的主壳体)。
5.通常，在it上或it中使用的电子元件或设备使用空气来冷却。这通常包括：具有翅片或类似物的某种散热器被放置成与芯片表面直接接触，或者与两个部件之间的tim(thermal interface material，热接口材料)接触。除了散热器之外，每个外壳还使用一系列风扇以将空气吹过外壳、从散热器移除热量并且将热量从机箱中排出。这种类型的散热器与处于服务器设备侧的冷却器、比如空调结合使用。这种冷却方法不是特别有效，运行成本高，并且使用大量的空间来管理用于冷却的空气。
6.这种对it进行冷却的方法已经几乎只用于大规模生产的it和服务器设备。然而，最近，由于用空气对设备进行冷却的限制，发热芯片的峰值性能已经被压制。由于技术每几年在相同性能下将大小减半(如摩尔定律(moore’s law)所示例的)，由芯片产生的热量随着部件占用空间的减小而增加。这已经导致设计用于空气冷却的散热器的大小和复杂性增加。因此，所需的服务器机箱大小通常会增加，从而降低了单个机架内的计算能力。
7.作为空气冷却的替代方案，可以使用液体冷却。液体冷却在一些情况下可以从电子元件或设备提供更有效的热传递，并且因此可以提供更大的冷却能力。这些液体包括介电流体、矿物油和水等。已知许多使用液体冷却的现有方法。例如，与本公开内容共同转让的国际专利公开no.2018/096362描述了一种浸没式液体冷却方法，其中通常为介电液体的主要液体冷却剂被泵入密封的机箱内，使得初级液体冷却剂保持在内部。热交换器也在机箱内并且将热量从初级液体冷却剂传递至次级液体冷却剂，次级液体冷却剂在机箱外流动(并且可以在多个机箱之间共享)并且通常为水或水基的(具有高比热容的优点)。
8.在此基础上，也通常与本公开内容共同转让的国际专利公开no.2019/048864描述了可以安装在电子设备上、电子设备周围或邻近电子设备的许多类型的散热器，或者可以安装在散热器上或散热器周围的电子设备。散热器限定了用于积聚和保持邻近一个或多个电子设备的初级液体冷却剂的内部体积。当初级液体冷却剂在机箱内流动(通过泵送和/或通过对流)时，初级液体冷却剂被引导至散热器的内部体积，从而改善了电子设备的冷却(例如，ic在运行或供电单元中变得特别热)。初级液体冷却剂然后从散热器内部体积流出(例如，通过溢流以及/或者通过流经体积中的孔)并且与机箱中其余的初级液体冷却剂聚集在一起，以对其他电子设备(例如，pcb上的或以其他方式安装在机箱中的其他部件或ic)进行冷却。初级液体冷却剂通过机箱中的热交换器被再次冷却并且热量被传递至次级液体冷却剂。在这种方法中，机箱中的初级液体冷却剂的液位可以保持较低，并且一定低于散热器内部体积中的初级液体冷却剂的液位。这就形成了多级(高度)的液体冷却，从而减少了所需液体冷却剂的数量并且允许对电子设备进行高效的单相(即，仅液相)冷却。由于初级液体冷却剂可能价格昂贵、难以容纳且容易污染，因此这种方法可以在降低成本和复杂性方面提供显著的优势。
9.因此，期望将这种成功的方法扩展至部件的其他构型。


技术实现要素：

10.在此背景下，提供了一种根据权利要求1的用于容纳电子设备和液体冷却剂的模块。其他优选和/或有利的特征在从属权利要求和本文的其余公开内容中确定。还可以考虑一种制造和/或操作用于容纳电子设备和液体冷却剂的模块、具有与本文描述的结构特征相对应的步骤的方法。
11.提供了一种用于对安装在基板的底面上(比如电路板的底面上)的电气或电子设备进行冷却的散热器。散热器具有接纳部分，该接纳部分构造成围绕被冷却部件或者附接至被冷却设备或安装在被冷却设备上的热传导部分(例如，常规空气冷却型散热器)延伸。散热器构造成使得：当液体冷却剂充满接纳部分时，液体冷却剂与设备和/或热传导部分接触并且由此对设备进行冷却。液体冷却剂流动(通过对流和/或泵送)并且当液体冷却剂离开接纳部分时，液体冷却剂从设备带走热量。液体冷却剂可以溢出接纳部分的侧部并且/或者通过接纳部分的侧部或基部中的一个或更多个孔流出(每个孔和所有孔加在一起通常比任何液体入口的大小都相对要小，使得接纳部分能够充满)。
12.散热器设置在具有用于容纳电子设备和液体冷却剂的可密封内部体积(比如可密封机箱或类似物，例如作为服务器刀片的一部分)的模块内。液体冷却剂通常是电介质，以便电绝缘但导热。液体冷却剂(通常由于重力)沉降在可密封内部体积的基部中，并且基部中的液体冷却剂的液位通常足以至少部分地浸没容置在可密封内部体积内的其他电子设备。接纳部分中的液体冷却剂的液位有利地高于基部中的液体冷却剂的液位。该方法在基板相对于上面安装有其他电子设备的另一基板(例如，主板)从基部上升的情况下可以具有显著的益处。因此，散热器甚至可以为安装在电路板的底面上的设备提供多级液体冷却剂。
13.热传导部分通常采用常规散热器的形式，例如具有安装在电子设备上的平面部分。突出部(销和/或翅片)可以从热传导部分(特别地，热传导部分的平面部分)延伸到接纳部分的内部体积中。这些突出部(优选地与热传导部分结合)可以一直延伸至接纳部分的远
端表面。接纳部分有益地比被冷却设备和/或热传导部分宽(在任何非高度尺寸的意义上)，使得为液体冷却剂的流动提供间隙。
14.液体冷却剂可以通过一个或更多个液体入口而接纳在接纳部分内，例如每个液体入口包括接纳部分中的孔口或孔，孔口或孔可以在接纳部分的底部(接近基部或远离被冷却设备)或侧部中。在实施方式中，液体入口可以围绕接纳部分的底部表面(即，最靠近基部的表面)的中心定位或定位成从接纳部分的底部表面的中心偏移。液体入口的位置可以与运行中的被冷却设备的最热部分相对。可以例如从泵或基部通过管道和/或喷嘴将液体冷却剂提供至接纳部分。
15.接纳部分可以被固定至基板、被冷却设备和/或热传导部分。例如，这可以通过螺钉、螺栓或类似的固定装置来实现。另外地或替代性地，接纳部分可以被夹持，例如，使用在接纳部分上具有合适夹持件的弹性偏置臂进行夹持。
16.热交换器可以将热量从液体冷却剂转移至次级(液体)冷却剂(次级冷却剂可以有利地为水基的)，并且次级冷却剂通常从模块外部接纳，从而携带转移的热量离开模块。
附图说明
17.本公开内容可以以多种方式实施，并且现在将仅通过示例的方式并参照附图来描述优选的实施方式，在附图中：
18.图1示出了根据本公开内容的实施方式的等距示意图；
19.图2描绘了图1中所示设计的分解等距图；
20.图3示意性地图示了根据本公开内容的实施方式的包括图1中所示设计的横截面图；
21.图4示出了图1中所示设计的变型的一部分的等距示意图；
22.图5描绘了图1中所示设计的变型的等距示意图；
23.图6示意性地图示了图5中所示设计的横截面图；
24.图7示出了图1中所示设计的具有根据第一实现方式的附加细节的等距示意图；
25.图8示意性地图示了图7中所示设计的横截面图；
26.图9示出了图1中所示设计的具有根据第二实现方式的附加细节的等距示意图；以及
27.图10示意性地图示了图9中所示设计的横截面图。
具体实施方式
28.本公开内容将国际专利公开no.2019/048864中描述的散热器设备的类型扩展至安装在基板底面上的电气或电子设备的冷却，比如电路板或pcb。如前所述，这些电子设备可以形成计算机服务器，例如包括主板、集成电路(ics)和其他相关联部件。基板的底面可以是指在机箱(机箱优选为刀片服务器，例如如上面所论述的)的正常操作取向下，指向设备的液体冷却剂不会由于重力而聚集在设备周围的任何表面。然而，先前描述的散热器设备将冷却剂引导到待冷却设备上的、邻近待冷却设备的或待冷却设备周围的体积的顶部中，这在表面位于设备的顶部时并不容易。相反，也可以使用位于机箱基部中的用于浸没冷却其他电子设备(通常比使用散热器设备进行冷却的电子设备具有更低的工作温度)的冷
却剂的液位来对基板底面上的电子设备进行冷却。然而，这种方法需要基部中的冷却剂液位高于其他方法所需的冷却剂液位。如上面指出的，从成本、重量、复杂性、稳健性方面考虑，减少机箱中的液体冷却剂的量是有益的，并且服务器机箱更容易保持和/或携带。
29.与先前描述的散热器设备一样，可以对基板的底面上的热量生成部件、特别是比主基板(电路板，例如，主板)离基部更远的基板进行冷却的液体冷却剂的体积(该体积可以称为“池(bath)”)可以在冷却该设备方面提供显著的改进。这可能特别意味着液体冷却剂的液位不需要显著上升，以容纳仅一个部件。
30.首先参照图1，示出了实施方式的等距示意图，特别示出了：基板6(该基板通常为电路板、pcb、主板或子板)；散热器接纳部分3；喷嘴1；以及软管(或管道)2。为了进一步的细节，请参照图2，其中描绘了图1中所示设计的分解等距图。在示出相同特征的情况下，使用相同的附图标记。还示出了：热传导部分4；以及接纳部液体入口10。热传导部分4具有空气冷却式散热器的形式，这种类型通常将设置在高热量生成的电子设备、例如集成电路(ic)上，处理器将是其中的一种类型。在这方面，在热传导部分4上设置有呈翅片形式的突出部15。
31.液体冷却剂从软管2的端部上的喷嘴1被输送到接纳部分3中。这采取“池”或液体保持体积的形式，并被附接到热传导部分4或基板6上，如将在下面进一步描述的。液体入口10示出为从热传导部分4(热传导部分4的平面尺寸通常与未示出的被冷却的电子设备相同或者比被冷却的电子设备更大)的底部(或底面)的中心偏移，并且这由轴线16指示。
32.有利地，使用适合现有空气冷却式散热器(热传导部分4)的具有接纳部分3的形式的“池”式散热器意味着该技术易于改进并添加至当前的it硬件上。
33.在广泛意义上，可以考虑一种散热器设备，包括限定内部体积的接纳部分，该内部体积布置成接纳液体冷却剂并将液体冷却剂积聚在内部体积中。散热器安装成使得电子设备(特别地，电子设备中的容置在模块中的一个电子设备)或热传导地联接至电子设备的部件至少部分地位于内部体积内。以这种方式，使积聚在内部体积内的液体冷却剂直接接触电子设备和/或热传导地联接至电子设备的部件，从而将热量传递至液体冷却剂。例如，接纳部分除了一个侧部(其顶侧部)外，其他所有侧部都可以基本上是闭合的，并且电子设备和/或热传导地联接至电子设备的部件通过敞开(非闭合)侧延伸到内部体积中。
34.作为热传导联接部分的部件可以包括(或称为)传导部分或热传导部分(如上所述)。有利地，传导部分安装在被冷却的电子设备上以便通过传导从电子设备接收热量。传导部分优选地至少部分地位于散热器设备的内部体积内。
35.传导部分可以具有现有空气冷却型散热器的形式和/或材料。例如，传导部分可以包括延伸到散热器设备的内部体积中的突出部。突出部可以采取销和/或翅片的形式。突出部可以从传导表面的相对平面部分延伸，例如安装在(和/或附接至)被冷却的电子设备上的相对平面部分。
36.接纳部分优选地包括用于将液体冷却剂接纳到内部体积中的液体入口。有利地，液体入口位于接纳部分的远离电子设备的部分(或接纳部分的开口端部)上。在实施方式中，液体入口位于接纳部分的表面区域的中央部分。例如，液体入口可以位于接纳部分的与电子设备相反的表面(即，与接纳部分的开口侧相反)。
37.优选地，喷嘴装置(喷嘴装置可选地从液体入口分离或能够从液体入口分离以及/
或者能够联接或联接至液体入口)布置成将液体冷却剂引导到液体入口中。替代性地或另外地，可以设置有管道或软管(管道或软管可以联接至喷嘴装置)，布置成将液体冷却剂引导至液体入口。
38.现在将讨论具体实现方式的其他细节。然而，下面将再次参照这种广泛意义。
39.现在参照图3，示意性地图示了实施方式的包括上面所述设计的横截面图。在先前附图中示出的相同特征用相同的附图标记标示。在该图中，进一步示出了：安装在基板6上的被冷却的电子设备5(例如，ic或处理器)；服务器机箱基部9；主pcb或主板19；其他待冷却电子设备18；远离其他电子设备18的介电冷却剂7；以及接近其他电子设备18的介电冷却剂8。
40.穿过软管2和喷嘴1的液体冷却剂积聚在接纳部分3中。因此，热传导部分4基本上浸没在液体冷却剂中，并且热量从热电子设备5通过热传导部分4转移至接纳部分3中的液体冷却剂。如图所示，接纳部分3在热传导部分4周围具有间隙17，以允许液体冷却剂能够在热传导部分4的整个表面区域周围循环并接触热传导部分4的整个表面区域。该间隙是由于接纳部分比热传导部分4的范围宽(即，在平行于pcb 6的平面尺寸方面)。以这种设计，间隙17也在热传导部分4下方延伸。即突出部15没有延伸至接纳部分3的与突出部15相对的表面。
41.冷却剂溢出接纳部分3并聚集在机箱基部9中。示出了机箱基部9中的介电冷却剂7、8的液位。如可以看出的，该液位低于接纳部分3中的液体冷却剂的液位(或者甚至低于接纳部分3的底部)。然而，机箱基部9中的介电冷却剂7、8的液位足以浸没pcb 19上的其他待冷却电子(或电气)设备18。
42.pcb 6的底面上的热部件5和/或其空气冷却式散热器高于标称冷却剂液位7、8。然而，这些中的一者或两者以这种方式至少部分地浸没。接纳部分3(“池”)然后从基部向上填充，在冷却剂到达接纳部分3的顶部并溢出从而对主pcb(或主板)19上的其他现有部件18进行冷却之前，对热传导部分4的所有突出部15进行冷却并扩散至热传导部分4的所有突出部15。因此，来自热部件5的热量被传递到服务器机箱内的介电冷却剂7、8中。热交换器(未示出)从服务器机箱外部接纳次级(水基)冷却剂并将热量从液体冷却剂7、8传递至次级液体冷却剂，次级液体冷却剂将热量从服务器机箱带走。液体冷却剂的流动通常受泵(也未示出)的影响。
43.回到上面所讨论的广泛意义，其他方面可以考虑一种用于容纳电子设备和液体冷却剂的模块。模块优选地包括壳体，该壳体限定用于容纳电子设备和液体冷却剂的可密封内部体积。可密封内部体积具有基部(例如，该基部可以是平面的，特别是当可密封内部体积大致为长形或矩形立方体形状时)并且基部也可以称为底部表面。在正常运行期间，液体冷却剂一般会沉降在基部中(由于重力)。模块还有利地包括可密封内部体积中的基板，该基板与基部大致平行。被冷却的电子设备安装在基板的接近基部的侧部(即其底面)上。电子设备和/或热传导地联接至电子设备的部件有利地定位在如上面描述(并且在此进一步描述)的散热器的内部体积中。
44.在实施方式中，接纳部分宽于电子设备和/或热传导地联接至电子设备中的一个电子设备的部件中的一者的宽度。在这种情况下，术语“宽度”可以意指与基板和/或基部的平面大致平行或者在基板和/或基部的平面中的尺寸(并且因此也可以指长度或半径，例
如)。当散热器设备就位时，优选地在电子设备的接纳部分和/或热传导地联接至电子设备中的一个电子设备的部件之间设置有间隙。
45.液体冷却剂布置成在运行中流动，特别地使得基部中的液体冷却剂被引导朝向接纳部分。这可以通过在模块中的电子设备的正常运行期间液体冷却剂的对流来实现。另外地或替代性地，该模块还可以包括构造成使液体冷却剂流动的泵。例如，泵可以从基部接纳液体冷却剂(由于合适的管道)。
46.有利地，散热器设备构造成(例如，通过被安装)使得液体冷却剂流出接纳部分。液体冷却剂有利地溢出接纳部分。另外地或替代性地，液体冷却剂可以流动通过接纳部分中的孔。从接纳部分流出的液体冷却剂被有益地引导至可密封内部体积的基部。从接纳部分流出的液体冷却剂可以在可密封内部体积的基部与其他液体冷却剂聚集，以用于对容置在模块中的一个或更多个其他电子设备进行冷却。这样的一个或更多个其他电子设备通常安装成比安装在基板的接近基部的侧部上(即，在其底面上)的电子设备更靠近基部。这些一个或更多个其他电子设备(通常是与由散热器冷却的电子设备相同的整体设备的其他部件)因此至少部分地由基部中的液体冷却剂的液位浸没。接纳部分中的液体冷却剂的液位高于基部中的液体冷却剂的液位(并且可以显著更高，例如，至少高出10％、20％、25％、30％、40％或50％)。
47.模块还可以包括热交换器，该热交换器布置在模块中以接纳液体冷却剂并将热量从液体冷却剂传递至次级冷却剂。次级冷却剂优选地为液体(例如，水基的)。次级冷却剂通常与可密封内部体积中的液体冷却剂隔离。次级冷却剂有利地从模块外部接纳，同时将被加热的次级冷却剂转移离开模块。
48.下面将讨论具体实现方式的其他细节。随后将再次考虑进一步提及本公开内容的广泛意义。
49.接下来，参照图4，图4中示出了上述设计的变型的一部分的等距示意图。与上面所使用的相同的附图标记被用于标示相同的特征。在此，液体入口10安置成更靠近接纳部分3的底部的中心。热传导部分4上的突出部15可以是对称的或不对称的，并且液体入口10的安置可以与这些突出部相匹配，例如，以允许对被冷却的特定电子设备进行有针对性的冷却。
50.现在参照图5，描绘了图1中所示设计的变型的等距示意图。在这方面，还参照了图6，其中示意性地图示了相同设计的横截面图。同样，在其他图中示出的特征标示有相同的附图标记。虽然上面的液体入口10设置在接纳部分3的底部上，但另一方法是将液体入口11设置在接纳部分3的侧部上，如这些附图中所示。液体入口11可以与接纳部分成一体。在液体入口11与软管2之间设置有联接件12。因此不需要喷嘴。在这种设计中，突出部15可以延伸至接纳部分3的与突出部15相对的表面。这是因为液体入口11没有设置在该表面上，而是设置在侧表面上。
51.在上面考虑的广义方面，将对实施方式进行设想，其中液体入口位于接纳部分的侧部上(尽管通常位于侧部的底部处，其中术语底部可以意指远离被冷却电子设备和/或接纳部分的敞开的侧部)。以这种方式，液体冷却剂仍然可以填充接纳部分。在这种布置中可能不需要喷嘴。管道的至少一部分和液体入口可以一体地形成。
52.另外优选地(但替代性可选地)，传导部分的突出部可以从传导部分延伸至散热器设备的内部体积的远离电子设备中的一个电子设备(和/或传导部分)的表面。这在液体入
口位于接纳部分的侧部上的情况下可能是有益的，因为这样构造的突出部可能不会干涉液体冷却剂流入到接纳部分的内部体积。
53.有利地，散热器设备还包括用于将散热器设备的接纳部分安装至下述各者中的一者或更多者的固定装置：基板；电子设备中的一个电子设备；以及热传导地联接至电子设备中的一个电子设备的部件。下面将讨论合适的固定装置的示例。可以提供多个固定装置。
54.在这方面并且返回至特定实现方式，接下来参照图7，图7中示出了上面讨论的设计的等距示意图，以及关于固定接纳部分3的第一种方法的其他细节。还参照了图8，图8中示意性地图示了图7中所示设计的横截面图。在先前附图中示出的特征用相同的附图标记标示。另外，在这些图中示出的是用于将接纳部分3附接至热传导部分4的夹持件13。尽管使用了这些夹持件，但间隙17仍然允许液体冷却剂在接纳部分3内流动并且允许液体冷却剂溢出接纳部分3。夹持件13利用了热传导部件4与pcb6之间的间隙，该间隙为电子设备5的高度。热传导部分4(具有空气冷却型散热器的形式)通常大于所安装的电子设备5，所以这利用了这种交叠。
55.现在参照图9，示出了上述设计的等距示意图，以及关于固定接纳部分3的第二种方法的其他细节。在这方面，还参照了图10，图10中示意性地图示了图9中所示设计的横截面图。与前面一样，先前附图的相同特征用相同的附图标记标示。在此，接纳部分3使用pcb 6上的固定点14而附接至pcb 6，该固定点对于其他类型的散热器来说通常将会提供。
56.在上面讨论的广泛意义上，固定装置可以包括夹持件，该夹持件布置成保持基板上的散热器设备的接纳部分或热传导地联接至电子设备中的一个电子设备的部件。固定装置可以包括螺钉、螺栓、铆钉或类似的附接装置。
57.虽然现在已经描述了具体实施方式，但技术人员将理解的是各种修改和改型也是可能的。由散热器冷却的电子设备和/或其他电子设备的构型可以显著不同。散热器设备的确切形状和/或大小也可以被修改。散热器设备的结构也可以改变，例如使用其他多部分的组件或作为一体构造的设备。
58.液体入口可以安置在不同的取向上并且事实上，在一些实施方式中可以设置多个液体入口。这允许不同的喷嘴进入点和/或安置。在示有突出部的位置，可以使用销、翅片或其他突出部的任何组合。在描述具体的多部分冷板组件的同时，应理解的是，可以实现冷板散热器混合型设备。
59.虽然从接纳部分流出的液体冷却剂的主流是通过溢流来描述的，但另外地或替代性地，可以在接纳部分中设置孔以允许液体冷却剂流出至机箱(可密封)内部体积的其余部分。
60.本文公开的所有特征可以以任何组合的方式组合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合。特别地，本发明的优选的特征适用于本发明的所有方面并且可以以任何组合的方式使用。同样，在非必要组合中描述的特征可以单独使用(而不是组合使用)。