用于冷却电子装置的设备和系统的制作方法

本发明涉及一种用于冷却电子装置的设备和系统。

背景技术：

1、用于数据处理的计算机、服务器和其他装置(称为信息技术或it)通常包括印刷电路板(pcb)。在这些pcb上的是被称为集成电路(ic)的小型装置，这些小型装置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。所有这些电子部件或装置在使用时都会生成热量。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。这些考虑还适用于其他类型的电子装置或系统。

2、it通常容纳在箱体、封围件或壳体内。例如，在服务器中，此封围件有时被称为服务器机箱。服务器机箱通常遵循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。两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，在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，尽管这样的服务器机箱可能没有必要装入或插入背板中。

3、不同的服务器产品可以针对机箱一次利用多于一个的ru/ou，例如，2u机箱使用2个机架单元。每个服务器机箱的尺寸通常保持在最小值，以使每个服务器机架(服务器机架是添加服务器机箱的主壳体)的计算能力最大化。然而，尽管通常期望减少空间要求，但是通常使用3u、4u和5u系统。

4、通常，在it上或it中使用的电子部件或装置使用空气来冷却。这通常包括某种散热器，其具有被放置成与芯片表面直接接触的翅片或类似物，或者在两个部件之间具有tim(热界面材料)。除了散热器之外，每个封围件还使用一系列风扇将空气吹过封围件，从而从散热器移除热量并将热量从机箱中排出。这种类型的散热器与处于服务器设施侧的冷却器例如空调结合使用。该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。

5、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，由于用空气对装置进行冷却的限制，发热芯片的峰值性能已经被压制。随着技术每隔几年在相同性能下将尺寸减半(如摩尔定律所示)，由芯片产生的热量随着部件占地空间的减小而增加。这使得设计成用于空气冷却的散热器的尺寸和复杂性增加。因此，所需的服务器机箱尺寸通常会增加，因此降低了单个机架内的计算能力。

6、作为空气冷却的替选方案，可以使用液体冷却。在一些情况下，液体冷却可以从电子部件或装置提供更有效的热传递，并且因此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并通过引用并入本文的国际专利公开第2018/096362号描述了一种浸没式液体冷却方法，在该液体冷却方法中，通常为介电液体的初级液体冷却剂被泵入密封的机箱内，使得初级液体冷却剂留在内部。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)并且通常是水的或水基的(由于具有高比热容而是有利的)。

7、基于此，同样与本公开内容共同转让并通过引用并入本文的国际专利公开第2019/048864号描述了多种类型的散热器，这些散热器可以安装在电子装置上、电子装置周围或电子装置附近，或者电子装置可以安装在散热器上或散热器周围。散热器限定用于积聚和保持邻近于电子装置(或多个装置)的初级液体冷却剂的内部容积。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容积，从而改善电子装置(例如，在操作中变得特别热的ic或供电单元)的冷却。初级液体冷却剂然后(例如，通过溢流和/或通过流动通过容积中的孔)从散热器内部容积流出并且与剩余的初级液体冷却剂一起收集在机箱中以冷却其他电子装置(例如，pcb上的或以其他方式安装在机箱中的其他部件或ic)。初级液体冷却剂再次被机箱中的热交换器冷却，并且热量被传递至次级液体冷却剂。在该方法中，机箱中的初级液体冷却剂的液位可以保持较低并且肯定低于散热器内部容积中的初级液体冷却剂的液位。这在多个液位(高度)处形成液体冷却，从而减少了所需的液体冷却剂的量并且使得能够进行电子装置的有效单相(即，仅液相)冷却。由于初级液体冷却剂可能是昂贵的、难以容纳并且易于污染，因此该方法可以在降低成本和复杂性方面提供显著的益处。

8、也通常与本公开内容一起转让并通过引用并入本文的国际专利公开第2021/099768号描述了一种具有外部容器的冷板。外部容器限定可以接收(例如，通过管口)并积聚和/或保持初级液体冷却剂的容积，以便在位于冷板外部的初级液体冷却剂与流动通过冷板(例如，以常规方式)的次级液体冷却剂之间提供热传递。初级液体冷却剂和次级液体冷却剂是有区别的、分开的并且彼此物理隔离(尽管是热耦合的)。已知采用浸没式冷却和冷板混合的系统。

9、虽然这些已知的液体冷却系统提供了良好的性能，但是期望提供具有高性能和效率的改进的基于液体冷却剂的系统。此外，随着电路板变得更加密集封装，将各种不同的散热器和/或冷板放置在正确的位置变得具有挑战性。

技术实现思路

1、在此背景下，提供了一种根据权利要求1的用于对设置在电路板上的多个电子装置进行冷却的设备。还提供了一种根据权利要求24的用于对设置在电路板上的多个电子装置进行冷却的系统。

2、本公开内容涉及一种用于对设置在电路板上的多个电子装置进行冷却的设备。电子装置可以是芯片或单个电子部件，并且各种芯片或部件可以密集地封装在电路板上。该设备包括多个冷板(例如，诸如通过引用并入本文的国际专利公开第2021/099768号中描述的冷板中的任何冷板)。每个冷板具有用于(例如，在与冷板接触的情况下)对热耦合至其的电子装置进行冷却的热界面表面。提供了多个冷板中的每个冷板附接至其的支撑框架。支撑框架被构造成附接至(例如，通过螺钉连接至或通过刚性物理耦接至)电路板，以保持多个冷板的热界面表面与多个电子装置热接触(例如，以使得能够进行热传递)。支撑框架被布置成将多个冷板中的每个冷板的热界面表面保持在相对于支撑框架的不同位置处。冷板相对于支撑框架的相应位置可以是以下中的任何一个或更多个：例如，相对于支撑框架的角度、距离支撑框架的距离(例如，在冷板与其附接至支撑框架的点之间直接测量)以及/或者沿着支撑框架的横向位置(例如，所有冷板可以位于距离支撑框架基本相同的距离处，但是被间隔开)。

3、通过将多个冷板附接至单个支撑框架，可以将多个冷板保持在不同的位置，来以空间高效的方式向多个电子装置提供冷却。提供用于将多个冷板保持在适当位置的单个支撑框架使得密集布置的电子装置能够有效地被冷却，因为共享的支撑框架可以比针对每个冷板的单独附接机构(例如，每个冷板一个插座)在电路板上占用更少的空间。现有解决方案通常针对每个冷板使用一个相对大的安装结构。因此，在常规布置中，需要在每个电子装置周围提供相对大的间隙以向相关联的安装结构提供空间。相比之下，本公开内容提供单个支撑框架，使得多个冷板可以相对于电路板固定，而每个冷板不需要专用的安装结构。

4、冷板的位置是不同的位置，并且每个冷板的定位可以是距离支撑框架的一定距离和/或相对于支撑框架的一定角度。等效地，对于完全平面的电路板，可以替代地相对于电路板测量距离和角度。然而，由于制造公差，电路板可能不是完全平整的，因此在本公开内容中通常相对于支撑框架限定角度和距离。多个冷板的第一子集(即，一个或多个)可以位于距离支撑件第一距离处，并且多个冷板的第二子集(即，一个或多个)可以位于距离支撑框架第二距离处，以允许对具有不同高度(或者由于电路板中的缺陷而处于略微不同的高度)的电子装置进行冷却。在本公开内容的上下文中，多个冷板的子集可以仅包括单个冷板，或者子集可以包括多个冷板。

5、不同的电子装置具有不同的厚度，并且因此本文中公开的设备可以使得能够容纳具有不同高度的芯片。类似地，还可以容纳具有与电路板不完全平行(即，与电路板成不同角度)的上表面的芯片。例如，电子装置可能无法完全平放在电路板上(例如，由于其安装方式)，并且因此允许将冷板保持在略微不同的位置(例如，高度和/或角度)的支撑框架可以有利地使得这样的设备能够被冷却。此外，虽然可能看起来可以用横跨两个电子装置的单个冷板对两个相邻的电子装置进行冷却，但是实际上，两个相邻的电子装置不太可能安装成其上表面完全平行。这意指由于电子装置的角度的微小差异，单个冷板不太可能能够有效地对两个电子装置同时进行冷却。因此，使得多个冷板能够使用冷板来对相邻的电子装置同时进行冷却并使冷板自由地定位在不同位置处(例如，高度和/或角度)的单个支撑结构可以提供空间高效的解决方案，该解决方案针对多个装置提供良好的冷却。概括地说，至少一个冷板并且可选地多个冷板(或者甚至所有冷板)可以可旋转地附接至支撑框架，这可以改善与相应电子装置的接合。

6、此外，各种电子装置具有不同的表面处理并且可能不是同样平整的(例如，由于制造限制)。通常，tim(例如，金属铟、导热膏、导热油脂、间隙填料、导热垫、导热带等)被放置在电子装置与散热器或冷板之间。制造和/或安装缺陷(例如，在高度、角度、平整度、表面光洁度等上的偏差)可能会妨碍tim的充分压缩，这可能对冷却具有严重影响。tim通常被压缩至0.02mm的厚度，意味着高度/角度/平整度的微米差异可能引起对热传递的重大影响。因此，这些效应缺陷也意味着很难用单个冷板可靠地对电子装置进行冷却。因此，本文中描述的支撑框架可以通过允许在单个支撑框架上以略微不同的角度使用多个不同的冷板来允许对各种不同的电子装置进行冷却。tim可以设置在本文中描述的电子装置与本文中描述的冷板之间。tim可以设置在电子装置和/或冷板上。

7、贯穿本公开内容，描述了多个冷板的第一子集和第二子集。然而，可以在距离支撑框架的相应距离处设置多个冷板的一个或更多个其他子集(例如，第三子集、第四子集、第五子集、第六子集等)。设置被布置成将多个冷板的不同子集保持在相对于支撑框架的不同位置处的支撑框架使得能够保持冷板抵靠具有不同尺寸和/或不同位置(例如，不同高度和/或角度)的电子装置。通过使得多个冷板能够同时与多个不同的电子装置保持接触，可以实现各种布置中对潜在大量电子装置的有效冷却。

8、注意，本发明的设备不包括电路板或任何电子装置。本发明的设备是独立的部件，其可以安装至现有电路板以对上表面处于不同位置(例如，垂直位置、角度等)的电子装置进行冷却。本发明是适合于附接至电路板并适合于在需要冷却的电子装置附近保持冷板的装置。例如，该设备可以被改装。

9、在本公开内容中，有时描述冷板和/或电子装置或电路板之间的距离。有时参考电路板和/或电子装置来描述这些距离以辅助可视化，因为电路板(并且特别地，平面电路板)提供了用于描述具有不同高度的电子装置的自然参考点。将理解，在优选实施方式中，从支撑框架的顶部到支撑框架的底部的总距离将大约等于以下之和：从支撑框架的顶表面到热界面表面的距离；从该热界面表面到相应的电子装置的距离；该电子装置的厚度；以及电路板的厚度。因此，对于任何给定的设备，冷板与电路板之间的距离可以被转换成冷板与支撑框架的顶部之间的距离。如先前描述的，在其最一般的层面上，本发明可以被认为是包括多个冷板和支撑框架的设备，该支撑框架被构造成将冷板的热界面表面保持在距离支撑框架不同的距离处(即，支撑框架而不是电路板可以用作用于任何距离测量的参考点)。

10、因此，概括地说，本公开内容的方面可以被描述为用于对设置在电路板上的多个电子装置进行冷却的设备。该设备包括：多个冷板，每个冷板具有热界面表面；以及支撑框架，多个冷板中的每个冷板附接至该支撑框架。支撑框架被布置成将至少第一冷板的热界面表面保持在相对于电路板的第一位置处，并且将至少第二冷板的热界面表面保持在相对于电路板的第二位置处。第一距离和第二距离可以不同。在本公开内容的上下文中，术语电路板旨在包括可以在其上设置电子装置例如电子部件和芯片的任何基板或表面。电路板可以是pcb、面包板、条形板或可以在其上安装电子装置的任何其他类型的表面。

11、在本文中描述冷板的多个子集的情况下，第一子集可以位于第一位置(例如，距离支撑框架的距离和/或相对于支撑框架的角度)处，第二子集可以位于第二位置处，第三子集可以位于第三位置处，以此类推。因此，多个冷板的子集可以各自包括位于相对于支撑框架的不同位置处的一个或更多个冷板。然而，可能存在位于同一高度(或角度)的一些子集。例如，第一子集可以位于第一距离处，第二子集可以位于第二距离处，并且第三子集可以位于第一距离处。冷板与支撑框架之间的精确距离将取决于(并且可以调整以适应)电子装置的特定布置。

12、在本公开内容中可以采用液体冷却，其中，多个冷板有利地组合成一个组件，其中，每个冷板向一个或多个热源(例如，电子装置)提供液体冷却。取决于管道布线，冷却剂可以并行或串行地馈送至冷板的任何特定子集。因此，本公开内容中描述的冷板可以限定内部容积，该内部容积被布置成将液体冷却剂容纳在内部容积中，以将热量从电子装置传递至内部容积。内部容积可以具有封闭式顶部，例如以防止冷却剂从冷板中泄漏出来。一个或更多个冷板可以具有开放式顶部，例如以使得冷却剂能够从冷板溢出(如国际专利公开第2019/048864号中所描述的)，使得冷却剂与设置在电路板上较低水平的其他部件接触并对其进行冷却。本公开内容中的冷板中的一些冷板可以被认为是散热器(其提供用于冷却电子装置的热界面表面)和上部的复合物，该上部保留液体冷却剂并将液体冷却剂保持在冷板的下散热器部分上。上部可以是封闭式结构，或者可以是具有保持垂直壁但没有顶表面的开放式结构。至少一个冷板可以包括基部和保持壁，基部和保持壁一起限定用于容纳液体冷却剂的容积，该容积可以被布置成使得液体冷却剂在保持壁上方溢出。

13、液体冷却剂的路径可以通过将管道或软管连接至各个冷板的布置来确定。例如，冷却剂可以用于首先对温度最接近于其最大操作温度的部件进行冷却，然后将使用过的冷却剂馈送至其他冷板以对不太接近其最大操作温度的部件进行冷却。因此，可以基于各个热源的温度限制来优化流动路径。例如，可以首先对具有相对较低温度限制的电子装置(例如，芯片)进行冷却，随后对剩余芯片进行冷却。在本公开内容的一些实施方式中，多个外部芯片(例如，光学模块)围绕一个或更多个内部芯片布置。在这样的实施方式中，首先并行冷却外部芯片(即，与外部芯片热接触的冷板彼此并行地接收液体冷却剂)，并且然后在冷却剂离开冷板之前，这些外部冷板的排出流被传递到内部芯片(其可以是例如asic芯片)上方的中央冷板中。

14、可能难以使用单个冷板对具有在不同位置处(例如，高度或角度)的多个电子装置(例如，芯片)的电路板(例如，印刷电路板或pcb)进行冷却。对于表面(例如，面包板或条形板)上的电子装置的各种其他布置也是如此，其中，多个电子装置位于不同位置。冷板的制造公差和芯片散热器界面处的误差堆叠可能使得难以以足够的准确度来定位冷板，以使冷板与不同位置处的各种部件接触。因此，本公开内容的一些实施方式旨在解决这些挑战，并且提供了结合了可以彼此独立地移动的多个冷板的设备。能够独立地控制冷板的位置有助于克服这些困难，并且使得能够改善热源与散热器(例如，冷板)之间的接触。该独立性可以用于实现改进的热界面材料(tim)压缩，从而得到更好的冷却性能。

15、在一些实施方式中，为了获得改进的tim压缩，可以使用(可以由钢形成)并且在本公开内容中被称为下压缩板和上压缩板的两个单独的板将其上具有电子装置的电路板与多个冷板推动到一起。压缩板推动电子装置抵靠冷板的热界面表面。通常的散热器在压缩之前需要基板和插座以用于对准，但是这在某些芯片布局上可能难以实现。因此，冷板可以附接至上压缩板以形成冷板组件。因此，上压缩板的目的是首先将冷板定位在其正确的位置，并且然后在电子装置上施加压缩力。压缩限制可以通过在两个压缩板之间提供支座(或其他间隔件/突出部)来实现。上压缩板和下压缩板可以被认为是支撑框架的第一部分和第二部分，并且不要求板是平整的(尽管在一些实施方式中板是平整的)。支座也可以被认为是本公开内容中描述的设备的支撑框架的一部分。

16、如先前讨论的，本公开内容的一些实施方式使得能够适应制造和/或安装缺陷。有利于提供这样的灵活性的一个特征是在冷板与上压缩板之间提供弹性构件，例如弹簧。弹性构件可以被压缩指定的位移以获得期望的tim激活压力。可以选择压力以通过使冷板与电子装置邻接来实现良好的热耦合。针对不同电子装置的不同冷却要求可能意味着一个部件可能期望比其他部件更高的压缩，但是传统的安装方法(例如，单个冷板的每个角落的弹簧)不容易使得密集区域中的多个冷板能够被冷板有效冷却。在本公开内容的实施方式中，弹性构件(例如，弹簧)可以使得冷板能够具有旋转的自由以与不完美安装或不完美表面处理的电子装置完全对准。此外，在一些实施方式中，所提供的压力可以使用位于上压缩板内的螺纹盘插入件来进行微调。例如，通过向下(即，朝向冷板下方的电子装置)拧入插入件，弹性构件被压缩的量增加，因此实现更大的压缩力。该可调节性可以用于解决导致芯片位于不同位置(例如，高度和角度)的制造误差以及/或者可以用于确保芯片不会经受过大的力。

17、如先前提及的，本公开内容的一些实施方式采用液体冷却(尽管本文中描述的冷板不一定需要液体冷却)。可以通过闭环冷却布置来提供液体冷却，其中，冷却剂被限制成通过每个冷板。在一些实施方式中，可以提供混合布置。在混合布置中，一些电子部件浸没或至少部分地浸入机箱中的冷却剂中(例如，已经使得冷却剂能够从一些冷板中溢出或涌出)，而其他部件与有液体冷却剂流过的冷板保持接触(尽管冷板不必有液体流过)。在任何情况下，使用液体冷却的每个冷板可以具有单独的入口和出口以用于接收冷却剂并使得冷却剂能够离开冷板。

18、可以在冷板内提供一个或更多个突起件例如翅片或刮削件以改善从电子装置到冷却剂的热传递。在优选实施方式中，垫片被定位在下铜制刮削散热器与冷板的上部之间的每个冷板内，冷板通常由钢制成(尽管也可以使用其他材料)。尽管采用了刮削件，但是可以使用其他突起件(例如，销、杆、翅片、挡板、通道等)。垫片防止冷却剂绕过由冷板限定的内部容积中的突出部。因此，垫片使散热器的润湿面积最大化，这增强了冷却性能。可以提供垫片的表面上的凸台以允许垫片被正确地定位并且防止垫片被冷却剂干扰(例如，冲走)。

19、本公开内容中描述的冷板可以作为独立部件提供。特别地，本公开内容提供了一种用于对电子装置进行冷却的冷板，该冷板限定内部容积，该内部容积被布置成将液体冷却剂容纳在内部容积中以用于将热量从电子装置传递至内部容积，其中，该冷板包括：用于对热耦合至其的电子装置进行冷却的热界面表面；内部容积的内表面上的一个或更多个突起件；以及垫片，其被布置成限制液体冷却剂围绕一个或更多个突起件流动。冷板的内表面和/或垫片的表面可以包括一个或更多个凸台，所述一个或更多个凸台被布置成与垫片的互补表面或冷板的内表面接合以将垫片在冷板内对准。这样的冷板可以用于对电子装置进行有效地冷却。

20、在一些实施方式中，本公开内容提供了一种用于对设置在电路板上的多个电子装置进行冷却的设备，该设备包括：多个冷板，每个冷板具有用于对热耦合至其的电子装置进行冷却的热界面表面；以及支撑框架，多个冷板中的每个冷板附接至该支撑框架，该支撑框架被构造成附接至电路板以保持多个冷板的热界面表面与多个电子装置热接触；并且其中，支撑框架包括第一板和相对的第二板，所述第二板相对于第一板移位，其中，第一板是可移动的，使得第一板与第二板之间的位移可以变化，并且多个冷板中的至少一个冷板可旋转地附接至第一板。

21、关于本公开内容中公开的每个方面，在描述设备的结构特征的情况下，可以另外提供用于制造和/或操作这些特征的方法。这些方面的组合也是可能的。此外，还公开了设备的特定特征的组合，其中，这样的组合是兼容的。这样的组合的具体示例纯粹通过示例的方式来进行描述。