TWI819731B - 冷卻系統、電腦系統、以及冷卻方法 - Google Patents

Abstract

一種冷卻系統，用於一發熱電子裝置，冷卻系統包括一冷卻板模組、一流道、以及一鰭片排列。冷卻板模組包括一底板以及一頂蓋。流道用於一液體冷卻劑，並且在一入口連接器與一出口連接器之間延伸。液體冷卻劑沿一流向流動。鰭片排列位於底板與頂蓋之間。鰭片排列熱耦合至流道，並且相對於冷卻板模組偏心地定位。

Description

冷卻系統、電腦系統、以及冷卻方法

本發明一般是有關於一種發熱電子裝置的冷卻，更特別而言，是有關於用於發熱電子裝置的一冷卻板模組上的一鰭片排列。

許多電腦系統，尤其伺服器系統，包括發熱電子裝置，例如晶片組，需要冷卻以達到適當以及有效的工作條件。通常，現有的冷卻配置採用冷卻板的形式，使用液體冷卻以及鰭片以消散晶片組產生的熱。然而，現有的冷卻配置沒有考慮到產生的熱的溫度分佈。例如，現有的冷卻配置被設計成將鰭片放置在整體冷卻結構的居中位置(即，中央或中心)。鰭片基於一些現有原則放置，這些現有原則將居中定位與所需結構整體性相關聯。因此，現有將散熱片放置在居中位置會導致熱在冷卻板的一下游位置積聚，導致一局部高溫分佈，對發熱電子裝置的冷卻產生不利影響。

實施例的用語以及相似的用語(例如，實施方式、配置、特點、示例、以及選項)意在廣義地泛指所有本揭露之標的以及以下申請專利範圍。數個包含這些用語的陳述項應被理解為不限制在此所述的標的或限制以下申請專利範圍的含義或範圍。在此所涵蓋本揭露的實施例由以下申請專利範圍定義，而非本發明內容。此發明內容是本揭露各種特點的上位(high-level)概述，且介紹以下的實施方式段落中所更描述的一些概念。此發明內容非意在確認申請專利範圍標的的關鍵或必要特徵，也非意在被獨立使用以決定申請專利範圍標的的範圍。本標的經由參考本揭露的完整說明書的適當部分、任何或所有附圖以及每一申請專利範圍，應當被理解。

根據本揭露的某些特點，一種冷卻系統用於一發熱電子裝置，包括一冷卻板模組、一流道、以及一鰭片排列。冷卻板模組包括一底板以及一頂蓋。流道用於一液體冷卻劑，沿一流向流動，並且流道在一入口連接器與一出口連接器之間延伸。鰭片排列位於底板與頂蓋之間。鰭片排列熱耦合至流道，並且鰭片排列相對於冷卻板模組偏心地定位。

根據上述冷卻系統的另一特點，鰭片排列相對於至少底板與頂蓋之一偏心地定位。

根據上述冷卻系統的另一特點，至少底板與頂蓋之一具有一矩形形狀。矩形形狀由一長度以及一寬度定義，長度較寬度更長。根據一示例，鰭片排列沿矩形形狀的寬度偏心地定位。

根據上述冷卻系統的另一特點，鰭片排列沿流向偏心地定位。根據一示例，鰭片排列與出口連接器較鰭片排列與入口連接器更近。

根據上述冷卻系統的另一特點，冷卻板模組沿一第一軸以及一第二軸延伸。鰭片排列僅沿第一軸與第二軸之一偏心地定位。

根據上述冷卻系統的另一特點，冷卻板模組沿一第一軸以及一第二軸延伸。鰭片排列沿第一軸偏心地定位。鰭片排列沿第二軸居中地定位。

根據上述冷卻系統的另一特點，鰭片排列沿一第一軸以及一第二軸延伸。鰭片排列沿第一軸較沿第二軸延伸更多。根據一示例，鰭片排列具有一矩形形狀，有沿第一軸延伸的一長度、以及沿第二軸延伸的一寬度。

根據上述冷卻系統的另一特點，流道在相對於冷卻板模組的一長度的一垂直方向延伸。流道為一間隙，包含液體冷卻劑，間隙在頂蓋與底板之間。間隙與鰭片排列熱耦合。

根據上述冷卻系統的另一特點，相對於一居中位置配置、鰭片排列將一熱阻減少至少大約7%。

根據上述冷卻系統的另一特點，鰭片排列附接至底板，鰭片排列直接接觸頂蓋以及底板兩者，流道在冷卻板模組內。

根據本揭露的另一特點，一種電腦系統包括一發熱電子裝置、以及一冷卻配置，耦接至發熱電子裝置。冷卻配置包括一冷卻板模組、一流道、以及一鰭片排列。冷卻板模組具有一第一外表面、一第一內表面、一第二外表面、以及一第二內表面。流道冷卻板模組內。鰭片排列至少部分地位於冷卻板模組的第一內表面以及第二內表面之間。鰭片排列熱耦合至流道，並且相對於冷卻板模組的一中心點偏心地定位。

根據上述電腦系統的另一特點，發熱電子裝置為一個或多個晶片組的形式，一個或多個晶片組的至少一個附接至冷卻板模組的第二外表面。

根據上述電腦系統的另一特點，冷卻板模組的中心點沿冷卻板模組的一第一軸或一第二軸，第一軸垂直於第二軸、並且與第二軸在同一二維平面中。

根據上述電腦系統的另一特點，流道配置以在一入口與一出口之間延伸，鰭片排列與出口較鰭片排列與入口更近。

根據本揭露的另一特點，一種冷卻方法旨在冷卻一電腦系統的一發熱電子裝置。所述方法包括提供一鰭片排列，耦接至一冷卻板模組。鰭片排列至少部分地位於冷卻板模組內，鰭片排列沿冷卻板模組的至少一中心軸偏心地定位。所述方法更包括在一流道內流動一液體冷卻劑。流道在一入口與一出口之間延伸。流道與在冷卻板模組內的鰭片排列熱耦合。所述方法也包括藉由鰭片排列消散發熱電子裝置產生的熱。熱具有一熱足跡，沿冷卻板模組的至少一中心軸偏心。

根據上述方法的另一特點，所述方法更包括定位鰭片排列的一中心點以重疊熱足跡的一中心區域。所述定位沿冷卻板模組的至少一中心軸。

根據上述方法的另一特點，所述方法更包括沿鰭片排列的一狹窄部分流動液體冷卻劑。

以上發明內容並非意在呈現本揭露的每一實施例或每個特點。而是，前述發明內容僅提供在此闡述的一些新穎特點以及特徵的示例。當結合附圖以及所附申請專利範圍時，從用以進行實施本發明的代表性實施例以及模式的以下詳細描述，本揭露的以上特徵以及優點以及其他特徵以及優點將變得顯而易見。鑑於參考附圖、以下所提供的符號簡單說明對各種實施例的詳細描述，本揭露的附加的特點對於本領域具有通常知識者將是顯而易見的。

多種實施例被參照附圖描述，在整個附圖中相似的參考符號被用來指定相似或均等元件。附圖並未按比例繪製，且提供附圖僅用以顯示本揭露之特點和特徵。應當理解許多具體細節、關係以及方法被闡述以提供全面的理解。然而，該領域具有通常知識者將容易的想到，多種實施例可在沒有一個或多個特定細節之下或在其他方法下實踐。在一些情況下，為了說明性的目的，未詳細顯示公知的結構或操作。多種實施例不受限於動作或事件的顯示順序，如一些動作可以不同的順序及/或與其他動作或事件同時發生。此外，並非全部所顯示的動作或事件都是實施本揭露之某些特點和特徵所需的。

為了本實施方式的目的，除非明確地說明並非如此，單數包括複數且反之亦然。用語「包括」意為「包括而不限於」。此外，近似詞如「大約（about, almost, substantially, approximately）」以及其相似詞，可在此意為例如「在（at）」、「近於（near , nearly at）」、「在3%到5%之內（within 3-5% of）」、「在可接受的製造公差內（within acceptable manufacturing tolerances）」或任何其邏輯組合。類似地，術語「垂直」或「水平」旨在分別另外包括垂直或水平方向的「3-5%內」。此外，例如「頂部」、「底部」、「左方」、「右方」、「上方」和「下方」等方向詞意在相關於參考圖示中描寫的等效方向；從參考對象或元件上下文中理解，例如從對象或元件的常用位置；或如此的其他描述。

大致上，本發明的一實施例旨在將散熱鰭片放置在一冷卻板(cold plate)的一偏心位置。如此，鰭片相對於冷卻板的一入口/出口流體冷卻劑排列(coolant arrangement)而言，鰭片位在一非對稱位置；而冷卻劑排列與一熱源的一中心線對稱。鰭片位置更靠近流體冷卻劑的一下游位置以導致一更冷的工作流體溫度。

請大致參照第1圖以及第2圖，一冷卻系統100旨在將例如一晶片組102的一發熱裝置維持在可接受的工作溫度範圍內。冷卻系統100包括一冷卻板模組104，具有一底板106以及一頂蓋108。在頂蓋108內，冷卻系統100包括一流道110，用於一液體冷卻劑112，幫助降低由晶片組102產生的溫度。流道110在一入口連接器114與一出口連接器116之間延伸。入口連接器114耦合到一冷卻劑源，用以在一入口點I處接收液體冷卻劑112，並且出口連接器116為在冷卻板模組104中的液體冷卻劑112在一出口點O處提供一離開點。

具體參照第2圖，冷卻系統100更包括位於底板106與頂蓋108之間的一鰭片排列118。鰭片排列118熱耦合到流道110，並且相對於冷卻板模組104偏心地定位。

以下進一步描述鰭片排列118的偏心定位。大致上，偏心地定位鰭片排列118包括相對於冷卻板模組104偏離中心(即，不在中心)或不對稱的定位。

根據一示例，鰭片排列118附接到底板106。根據另一示例，鰭片排列118與底板106以及頂蓋108兩者直接接觸。根據又一示例，流道110是頂蓋108、底板106以及鰭片排列118內的一間隙(interspace)。

頂蓋108的頂面108a是冷卻板模組104的一第一外表面。頂蓋108更具有一底面108b，是冷卻板模組104的一第一內表面。底板106具有一頂面106a，是冷卻板模組104的一第二內表面。底板106更具有一底面106b，是冷卻板模組104的一第二外表面。鰭片排列118大致夾在冷卻板模組104的第一內表面108b與第二內表面106a之間。晶片組102附接到冷卻板模組104的第二外表面106b。

參照第3A圖至第3C圖，更詳細地繪示以及描述流道110的內部配置。流道110大致開始於入口連接器114，在底板106與頂蓋108之間行進，並且大致結束於出口連接器116(顯示於第3A圖以及第3B圖中)。流道110包含液體冷卻劑112，液體冷卻劑112也行進通過鰭片排列118中的空隙(顯示於第3A圖以及第3B圖中)。

因此，流道110大致是底板106以及頂蓋108之間的間隙。流道110更與鰭片排列118熱耦合。

大致參照第4A圖，更詳細地繪示鰭片排列118的偏心配置。冷卻板模組104具有由一長度L1以及一寬度W1定義的一矩形形狀。更具體地，底板106由長度L1以及寬度W1定義，且頂蓋108具有由一長度L2以及一寬度W2定義的相同尺寸。如此，冷卻板模組104沿一第一X軸延伸長度L1，並且沿一第二Y軸延伸寬度W1。根據此示例，鰭片排列118也具有由個別的長度L3以及寬度W3定義的一矩形形狀。

鰭片排列118沿其長度L3以及寬度W3的至少一個，小於底板106以及頂蓋108兩者。例如，鰭片排列118的長度L3小於底板106的長度L1和頂蓋108的長度L2兩者、以及鰭片排列118的寬度W3小於底板106的寬度W1以及頂蓋108的寬度W2。

如圖所繪示，鰭片排列118沿X軸以及Y軸兩者延伸，但沿X軸比沿Y軸延伸更多。鰭片排列118的長度L3沿X軸延伸，而鰭片排列118的寬度W3沿Y軸延伸。

根據其他實施例，底板106、頂蓋108、以及鰭片排列118的至少一個的形狀不同於所繪示的矩形形狀。例如，形狀是正方形、圓形、橢圓形或任何其他幾何形狀。根據其他實施例，鰭片排列118沿其長度L3以及寬度W3中的至少一個，小於底板106以及頂蓋108的至少一個。

包括底板106以及頂蓋108的冷卻板模組104具有垂直於底板106的寬度W1以及頂蓋108的寬度W2的一中心線C1。更具體地，中心線C1垂直於液體冷卻劑112的流體方向。

鰭片排列118也具有與冷卻板模組104的中心線C1平行、但偏離中心線C1的中心線C2。在所繪示的示例中，鰭片排列118的中心線C2偏離冷卻板模組104的中心線C1一距離Z1。鰭片排列118的中心線C2也位於距底板106的一第一邊緣106c一距離D1，並且距底板106的一第二邊緣106d一距離E1處。根據所繪示的示例，距離D1大於距離E1。然而，在其他實施例中，距離D1小於距離E1。

因此，鰭片排列118僅沿X軸以及Y軸之一偏心地定位。在所繪示的示例中，鰭片排列118沿Y軸偏心地定位並且沿X軸居中地定位。在其他實施例中，鰭片排列118偏心地沿X軸以及Y軸兩者定位。

參照第4B圖，更詳細地繪示入口連接器114以及出口連接器116的偏心定位。入口連接器114沿一中心線C3定位，並且出口連接器116沿一中心線C4定位。入口連接器114位於距頂蓋108的一第一邊緣108c一距離D2，並且出口連接器116位於距頂蓋108的一第二邊緣108d一距離E2處。距離D2以及E2定義入口連接器114以及出口連接器116相對於冷卻板模組104的中心線C1的偏心位置。如此，沿液體冷卻劑112的方向，入口連接器114與出口連接器116之間的中心點為鰭片排列118的中心線C2。

參照第5A圖以及第5B圖，液體冷卻劑溫度分佈顯示上述偏心配置的改善的、有益的結果。儘管第5A圖所示的居中配置以及第5B圖所示的偏心配置這兩者具有相同的48°C入口流體溫度以及55.2°C出口流體溫度，偏心配置(第5B圖)中的下游流體溫度52.9°C低於居中配置(第5A圖)中的下游流體溫度53.4°C。偏心配置增加的大約0.5°C(53.4°C減52.9°C)的冷卻非常有利於保持任何晶片組在一所需溫度閾值以下工作。在偏心配置中，下游流體溫度較低，因為鰭片排列的偏心定位能更準確地匹配一冷卻的晶片組產生的熱足跡(thermal footprint)。

大致參照第6A圖以及第6B圖，參考冷卻系統的偏心定位、繪示由一發熱電子組件產生的足跡(或熱點)。具體參照第6A圖，晶片組102位於相對於冷卻板模組104的一居中位置，但位於相對於鰭片排列118的一偏心位置。入口連接器114以及出口連接器116也位於相對於晶片組102以及冷卻板模組104的一偏心位置。鰭片排列118的中心線C2(也是入口連接器114與出口連接器116之間在液體冷卻劑112的流動方向上的中心線)偏離冷卻板模組104的中心線C1(也是晶片組102的中心線)。

現在具體地參照第6B圖，溫度分佈顯示由晶片組102(第6A圖所示)產生的一熱足跡120周圍的改善的溫度分佈。Y軸附近的溫度分佈大約為59.3°C，兩個溫度測量為59.2°C以及一稍高的溫度，即最熱點，為60.1°C。遠離Y軸、在熱足跡120的中心區域之外的其他溫度較低，為56.1°C。

參照第7圖，表格顯示偏心配置(與一居中配置相比)的改善為大約7%°C/瓦(W)的熱阻(以溫度與熱的比率測量)，例如，6.9%°C/瓦。熱阻以一產生大約500瓦的晶片組熱源為例，入口溫度為48.0°C，一居中配置的最熱點溫度為61.0°C，一偏心配置的最熱點溫度為60.1°C。

本揭露的偏心配置的熱阻顯示在冷卻一晶片組時，對整體溫度分佈均勻性的有效改善。溫度熱點降低，例如在上述示例中降低至少0.9°C(61.0°C減60.1°C)，並且冷卻板性能(藉由熱阻測量)顯著地改善。

冷卻配置的整體改善實現響應於將鰭片排列放置於更靠近冷卻板模組的一下游位置。整體改善的進一步實現響應於入口以及出口連接器的放置更靠近冷卻板模組的下游位置。儘管本揭露中的示例涉及冷卻一晶片組、任何需要一冷卻板的發熱電子裝置都可結合本揭露中的原則。例如，其他發熱電子裝置可包括任何積體電路、記憶模組、虛擬實境晶片組、中央處理單元(CPU)模組、場域可程式閘陣列(FGPA)模組、以及圖形處理單元(GPU)模組。

儘管已關於一個或多個實施方式示出和描述本揭露之實施例，但是本領域具有通常知識者經閱讀和理解本說明書和附圖後，將想到均等物和修改。另外，雖然可能已經關於幾種實施方式的僅一種實施方式揭露本揭露的特定特徵，但是對於任何給予或特定的應用，這種特徵如可能有需求和有利的可與其他實施方式的一個或多個其他特徵組合。

雖然本揭露的多種實施例已由以上所描述，但是應當理解其僅以示例且非限制的方式呈現。在不脫離本揭露的精神或範圍下，可根據本揭露在此所揭露的實施例進行多種改變。因此，本揭露的廣度和範圍不應受到任何上述實施例的限制。相反的，本揭露的範圍應根據以下申請專利範圍及其均等物所界定。

100: 冷卻系統 102: 晶片組 104: 冷卻板模組 106: 底板 106a: 第二內表面 106b: 第二外表面 106c: 第一邊緣 106d: 第二邊緣 108: 頂蓋 108a: 第一外表面 108b: 第一內表面 110: 流道 112: 液體冷卻劑 114: 入口連接器 116: 出口連接器 I: 入口點 O: 出口點 L1, L2, L3: 長度 W1, W2, W3: 寬度 C1, C2, C3, C4: 中心線 D1, D2, E1, E2, Z1, 距離 120: 熱足跡

從以下示例性實施例的描述並結合參考附圖，將更好地理解本揭露及其優點以及附圖。這些附圖僅繪示了示例性實施例，且因此不應被視為對各種實施例或申請專利範圍的限制。 第1圖是根據本揭露的某些特點，用於一晶片組的一冷卻系統的等角視圖。 第2圖是第1圖中所示的冷卻系統的爆炸圖。 第3A圖繪示第1圖的冷卻系統的內部特點的等角圖示。 第3B圖是第3A圖的正視圖示。 第3C圖是第3A圖的側視圖示。 第4A圖是根據本揭露的其他特點，一偏心鰭片排列的頂視繪圖。 第4B圖繪示包括在第4A圖的偏心鰭片排列中的入口以及出口連接器的偏心定位。 第5A圖顯示根據習知鰭片佈置，一居中鰭片佈置中的液體冷卻劑溫度分佈。 第5B圖顯示根據本揭露的其他特點，一偏心鰭片佈置中的液體冷卻劑溫度分佈。 第6A圖是根據本揭露的其他特點，具有一晶片組以一及冷卻配置的一電腦系統的頂視繪圖。 第6B圖顯示第6A圖所繪示的一發熱電子裝置的溫度分佈。 第7圖顯示居中與偏心設計配置之間的比較表。

100: 冷卻系統 102: 晶片組 104: 冷卻板模組 106: 底板 108: 頂蓋 110: 流道 112: 液體冷卻劑 114: 入口連接器 116: 出口連接器 I: 入口點 O: 出口點

Claims (9)

1. 一種冷卻系統，用於一發熱電子裝置，該冷卻系統包括：一冷卻板模組，包括一底板以及一頂蓋；一流道，用於一液體冷卻劑，沿一流向流動，該流道在一入口連接器與一出口連接器之間延伸；以及一鰭片排列，位於該底板與該頂蓋之間，該鰭片排列熱耦合至該流道，該鰭片排列相對於該冷卻板模組偏心地定位，其中至少該底板與該頂蓋之一具有一矩形形狀，該矩形形狀由一長度以及一寬度定義，該鰭片排列沿該矩形形狀的該寬度偏心地定位。
2. 如請求項1之冷卻系統，其中該鰭片排列相對於至少該底板與該頂蓋之一偏心地定位。
3. 如請求項1之冷卻系統，其中該長度較該寬度更長。
4. 如請求項1之冷卻系統，其中該鰭片排列沿該流向偏心地定位。
5. 如請求項4之冷卻系統，其中該鰭片排列與該出口連接器較該鰭片排列與該入口連接器更近。
6. 如請求項1之冷卻系統，其中該冷卻板模組沿一第一軸以及一第二軸延伸，該鰭片排列僅沿該第一軸與該第二軸之一偏心地定位。
7. 如請求項1之冷卻系統，其中該冷卻板模組沿一第 一軸以及一第二軸延伸，該鰭片排列沿該第一軸偏心地定位，該鰭片排列沿該第二軸居中地定位。
8. 一種電腦系統，包括：一發熱電子裝置；以及一冷卻配置，耦接至該發熱電子裝置並且包括：一冷卻板模組，具有一第一外表面、一第一內表面、一第二外表面、以及一第二內表面；一流道，在該冷卻板模組內；以及一鰭片排列，至少部分地位於該冷卻板模組的該第一內表面以及第二內表面之間，該鰭片排列熱耦合至該流道，並且相對於該冷卻板模組的一中心點偏心地定位，其中該冷卻板模組具有一矩形形狀，該矩形形狀由一長度以及一寬度定義，該鰭片排列沿該矩形形狀的該寬度偏心地定位。
9. 一種冷卻方法，用以冷卻一電腦系統的一發熱電子裝置，該方法包括：提供一鰭片排列，耦接至一冷卻板模組，該鰭片排列至少部分地位於該冷卻板模組內，該鰭片排列沿該冷卻板模組的至少一中心軸偏心地定位；在一流道內流動一液體冷卻劑，該流道在一入口與一出口之間延伸，該流道與在該冷卻板模組內的該鰭片排列熱耦合；以及藉由該鰭片排列消散該發熱電子裝置產生的熱，該熱具有一熱足跡，沿該冷卻板模組的該至少一中心軸偏心。