CN101288355B - 用于计算机冷却的可旋转液体储存器 - Google Patents

Abstract

在一种用于电子器件的液体冷却的系统中，其中电子器件在空间上经受旋转，液体冷却剂存储容器包括排气和防漩涡结构用以允许气泡在容器内部浮出液体表面，并用以防止在容器出口附近形成漩涡。该结构包括巢状管或导管。内导管从入口处延伸进入容器，并且其开口端被第二导管所覆盖，该第二导管具有横截其一端的挡板，使得由挡板引导液流沿着内导管外部以及外导管内部回流。尤其在入口处，具有大孔的第三导管环绕外导管的开口端。在出口一侧的内导管上的较小的孔防止此处形成任何漩涡。液流的反转，以及横截面上流量的逐渐增大防止容器内部的浪涌。

Description

用于计算机冷却的可旋转液体储存器

背景技术

对计算功率的需求以及供应持续上升，随着越来越多的晶体管以越来越高的速度进行操作，这带来对计算机芯片进行液体冷却的需求。当今的芯片可以包含数以亿计的晶体管并散发两百瓦的热能(从小得多的表面积散发两倍于100瓦白炽灯泡的热输出)，并且芯片需要强冷却。当芯片组合并聚集在复杂设备中时，所释放的热量可能相当大，使得充满电子设备的空间变得非常热并难以进行空气调节。有时必须进行特别的空气调节。例如，在某些电子装置中将底部的广大面积转换为进行空气调节的通风口。 

直到目前，多数电子设备，包括多数计算机设备，已经使用空气冷却。空气是免费的并且空气泄漏无关紧要。不过，空气是气体，因此密度低，并因此限制了空气的冷却能力。液体，密度远高于气体，其对于带走热量更具效率。任何人坐在冷水浴中都知道水十分寒冷，即使与空气处于相同温度，水也让人感觉舒适凉爽，并且据称水具有3600倍于空气的冷却能力。除了拥有单位体积更高的热容量，液体还可以沸腾以带走热量，这甚至比通过传导给液体来带走热量更快。 

电子系统已经通过冷却水加以冷却，但是可选的流体可能是氟基的液体，类似于制冷剂氟里昂。此种液体具有电绝缘的优势(水并不是电绝缘体，并且如果其接触电路会引起短路)。从3M公司可获得氟基的液体并且其可以是具有各种物理特性的不同种类。这些氟基的液体具有低沸点并且，如果它们从系统内泄漏，将迅速蒸发而不会像水一样滴落到任何电子组件上。这些液体还具有低的冰点并且，并且装备有它们的系统不需要例如在运输过程中进行防冻保护。水，不同于多数液体，在结冰时发生膨胀而不是如多数液体 一样发生收缩，这引起冬天管道的爆裂。 

以氟基的液体进行冷却的另一优势在于比例性。这些液体具有允许使用它们的系统将尺寸缩减至更小的物理特性。当水冷系统缩减了尺寸，水的表面张力可能会干扰系统的机能。粘度是液体的另一物理特性，当设备改变大小为不同尺寸时，其可能多少会产生影响。 

常规的电子冷却系统包括容纳待冷却的计算机和/或其他电子设备的机架、用于使液体在电子器件处受热后带走热量的热交换器、泵、以及存储容器。热交换器、泵、容器以及连接部件一起被称为冷却分配单元或CDU。 

在CDU系统中需要容器这是因为冷却剂液体可能由于缺陷或由于耦接或解耦接组件而泄漏到系统外。因此，必须提供一些备用量的液体，并且容器盛有这些额外量的液体。当液体泄漏时，由空气和/或气态的蒸汽替代。 

需要容器的另一原因是因为热膨胀和收缩。即使从没有流体泄漏或从没有气体进入，液体体积仍将变化，并且适应这种变化的一个方式就是具有不完全充满液体的容器，取而代之其中具有一些气体。气体，是可压缩的，这将使得液体体积可以变化。 

由于优选地在容器中具有少量气体，并且很可能更优选量的空气或其他气体将进入系统，因此即使当容器中存在大量气体时容器也应能够供应液体。容器的液体供应应该是稳定的，不受任何干扰，也不应有空气气泡离开容器。 

由于从现代电子设备带走了大量热量，冷却系统中的流速可能高达每分钟十加仑，甚至更高。在如此之高的流速下，任何将夹带在冷却剂液体流中的空气气泡或蒸汽气泡都容易贯穿容器到达流出端口并继而进入泵。泵中的气泡可能引起气封而停止工作。即使是小气泡仍可能引起待冷却设备中的温度尖峰，这是由于接触气泡的小的热区域以及浸入冷却液的邻近的区域无法消除热量。 

气泡可能在容器进入端口处随着液体进入，或者它们可能由于 容器和泵内部的高速液体所引起的涡流在容器内部生成。容器内液体的低水位加剧了气泡的形成，这增大了夹带空气进入浪涌或旋转液体的可能。当流出速度为高时易于在流出端口形成漩涡(旋流或微型激流)。漩涡具有气体的核心，并且可以将气体直接吸入从容器流出的液流。 

空穴也是一个考虑。空穴是真空气泡或液体自身的(相对于进入系统的空气或其他气体)稀薄蒸汽所形成的。空穴，类似漩涡的形成，相关联于液体的高流速。(在划船时，当桨叶以高速划过水时在靠近桨叶处可以见到空穴，即靠近桨叶的空隙；但是空穴不会在低速的情况下出现。)空穴是有危害的，因为空穴气泡在它们形成后就迅速破裂，并且该突然破裂在液体中造成可能损坏泵或其他设备的冲击波。 

因此，需要一种即使当容器中液体的水位降低，也不会产生气泡或不使气泡通入容器出口管道的容器。 

另外，需要一种能够在各种位置下工作的冷却分配单元，如其所附接的电子设备移动到各种位置(例如，计算机可能在其运行中靠在其一侧之上)。在某些环境下，电子设备以及其附接的冷却系统甚至可能持续旋转或断续摇摆，如在摇晃但并非明显倾斜的船上。 

如果方向改变引起气泡扩散到储存器出口，则液体储存器中的气泡可能通入循环系统，其中气泡可能进入系统。需要一种电子冷却系统液体储存器可以在工作中旋转而不将气泡引入流体循环系统或改变其工作，并且可由具有入口和出口位置随意布置的常规矩形容器来满足该需求。 

传统的容器，具有简单的入口孔以及简单的出口孔，并不满足这些需求。如果出口无遮盖，气体将直接吸入系统；在高流速时一定会形成漩涡；并且即使流出孔位于容器底部仍可能将气泡吸入该流出孔。 

美国专利申请US 4,047,561公开了一种用于强制电子设备冷却的冷却剂扩展容器，其具有气液接口类型的稳压器，该稳压器与连 续气体分离器结合。 

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于电子器件冷却系统的冷却剂容器装置，包括：容器壁，所述容器壁具有入口端口和出口端口；以及排气和防漩涡结构，所述排气和防漩涡结构包括：内导管，具有附接于所述容器壁的入口端口的第一端，以及位于所述容器内部的第二端；外导管，具有第一端和第二端，并环绕所述内导管的第二端；以及挡板，覆盖所述外导管的第一端；以及出口导管，具有附接于所述容器壁的出口端口的第一端，以及位于所述容器内部的并且覆盖有多个小孔(P)的第二端；其中流入所述入口端口的液体首先通过所述内导管到达所述第二端之外，并其后以反转的方向从所述外导管和由所述外导管所环绕的部分所述内导管之间通过以便排气，并且最终由于所述孔(P)的阻止而无漩涡地进入所述出口导管。 

本发明具有若干目的，包括(其中)：消除进入用于冷却电子用具的液体冷却系统的容器的任何气泡；不夹带额外气泡进入液体流，尤其是在容器出口附近通过漩涡形成的气泡；避免空穴；以及系统可在旋转到任何角度处工作。 

本发明通过使用巢状导管或管来部分消除气泡，其中较小的内导管的末端置于较大的外导管的开口端之内，该外导管另一端通过挡板或容器壁加以闭合。此结构迫使液体在进入或流出容器时反转其流动方向。可以存在两个、三个或多个巢状导管。 

优选地，至少其中某些导管在其壁上具有孔(小的通孔)。由于导管内侧和外侧之间的压差，孔发生渗漏，使得流体流入容器时流动逐渐放慢并在流出时加速流动。这是有益处的，因为容器内部的液体将放慢至气泡可以浮出液面的水平。内导管上的孔优选为小，以允许液体渗漏出来。 

外导管可以具有较大的孔，其相比于较小的孔更易于使气泡通 过。当进入容器的液体通过较小导管的一端而出去时，反转方向，并通过较大的导管，其移动足够缓慢使得一些较小的气泡将通过孔。 

漩涡易于在流出端口形成。曾见过从管道中排水的人都知道漩涡可以四处运动并转弯。但是漩涡难以通过孔状的表面。漩涡遇到孔状表面会流动受阻并被吸收能量，这两者将易于破坏漩涡。 

本发明可以通过正确选择导管的直径，通过将导管做成圆锥形或其他发散的形状，以及通过包括孔，来提供垂直于流动的逐步增大的横截面积。 

本发明考虑到一种方法和系统，其中，在用于电子器件冷却系统的冷却剂容器中包括泵和制冷液体的容器，其中该系统可围绕至少一个旋转轴旋转，并且其中该容器包括容器壁(具有穿过容器壁的端口，包括入口端口和出口端口)，以及排气和防漩涡结构。该排气和防漩涡结构包括包括第一端和第二端的内导管，其中该内导管在该第一端附接于容器壁以及第二端位于容器内部。外导管环绕该内导管的一部分，该所环绕的部分包括内导管的第二端。挡板横截外导管的内部一端使得流入或流出端口的流体经过内导管通过其第二端并且，由挡板引导，从外导管和外导管所环绕的部分内导管之间通过。 

附图说明

图1是本发明的系统的不完全示意图； 

图2是本发明的容器的部分截面图。 

具体实施方式

在图1中示出本发明的系统。机架10包括产生热量并由冷却液体L冷却的电子器件20。系统包括泵30、热交换器40、以及各种在这些组件之间导通的软管H。容器1000盛有冷却液体L。存在两个进入容器100的端口，入口端口在一端并且出口端口在另一端。在容器1000内是排气和防漩涡结构，下文将加以描述。也可以使用其 他组件，诸如膨胀室或过滤器。在图1中软管的连接仅是示例性的并且通过系统的任何类型液体通路都可使用。 

图1中示出的系统设计用于在旋转下工作。图1中示出了旋转轴AR。 

图2以部分截面图最佳地示出了排气和防漩涡结构，如同容器1000沿圆柱对称轴AS切开(轴AS将在下文加以描述)一样，只不过挡板300没被切开，其稍后会在透视图中加以描述。为了清晰起见，在图2中略去软管H以及液体L。图2中示出的圆柱形容器1000的可能直径为10英寸，并且示例性的容量为4-5US加仑。 

排气和防漩涡结构包括巢状导管112、114、116、212、214。一个内导管112具有第一端用以固定于容器壁1001的入口端口110处(图2中的图形左边)使得液体通过内导管112进入容器并通过位于容器内部的第二端排出。在流出端口是另一内导管212，其优选为具有大量小孔P。这些孔P可以每隔十分之一英寸一个的顺序加以排列，取决于不同情况可隔开或较大或较小。孔可以遍布导管的任何部分；图2中示出了分布有孔P的导管212的代表部分，但所表示的部分仅指示了其某些部分可以布有孔，而不是限制本发明。 

在每个入口和出口处为另一个外导管114以及214，分别环绕内导管112和212的一部分，其突出在容器内。优选地，内导管112或212的第二端位于外导管114、214的长度内。液体L从入口110涌出(在图2中未示出液体)，并被引向出口120，该液体将大约直接从一个导管到另一个，如果该处没有阻碍物则将承载着气泡进入出口120。为了避免此种短路流动，排气和防漩涡结构优选地包括适当横截外导管114和214最内端的挡板300。该挡板300的存在迫使液体进入弯曲的通路，在内导管112或212的第二开口端处反向。 

在所示出的实施方式中，示出挡板300通过支架(spider)310安装于容器壁1001，该支架支撑挡板位于容器1000内部。支架310可以具有两个或多个臂(图2中仅示出2个臂)。优选地，外导管114、214安装于挡板300上。也可以是另外的构造。例如，导管/ 挡板/导管结构可以由两个分离的闭合端外导管(如同打开的罐头盒)所替代，其中如果需要则每个外导管将分别安装于容器壁1001，安装到内导管112、114或其他。 

在容器100的入口一侧示出了第三导管116，其环绕外导管114的一部分。在图2中可见第三导管引导液体流向弯曲的通路。如所示出的，该第三导管116，优选地包括较大直径孔P，其可以每隔0.4英寸左右一个的顺序加以排列。该第三导管116优选地可直接安装于容器1000的壁1001。尽管示出入口110处有第三导管116而出口120处并没有(这是优选的构造)，但并不限制在入口110和出口120任一处或它们两处的巢状导管数量。 

优选地，出口导管212上的孔的尺寸和/或密度(导管上单位面积孔的数量)随着远离出口120的距离而变化。更为优选地，孔的直径随着远离出口120的距离而增大，这使得经过导管壁单位面积的液体流(流量表面密度(flux area density))可用的总面积随着远离出口120的距离而增大。这种渐变已被发现用于阻碍漩涡的形成。即使在导管上的小面积之内孔P也不需要均匀。 

孔和孔的平均中心距影响到孔密度并因此影响到流动的流量表面密度，该中心距可以随着远离出口120的距离而减小或增大。流动的流量表面密度可以是常量，随着远离出口120的距离而增大，或减小。并且，优选地，在出口120附近(流动的流量表面密度等于0)可以完全没有孔。 

为了描绘方便，在图2的局部视图中示出了孔P(即，在作图中略去了部分)，但示出了这样的示例，其中在导管212靠近出口120一端孔可以较小并相距较远(按边到边或中心到中心的距离)，而朝着另一端孔较大并且较密集。图2还示例了靠近出口120的没有孔的环形带，并示出了流动的流量表面密度随着远离出口120的距离而增大。 

在本发明中还可以使用环形孔的变形，除了上文所述的轴向变形或作为对其的替代。例如，在导管116的入口一侧底面上孔P的 直径将大于顶面上(未示出)，这将具有使得气泡溢出流体的用途。如果关于轴AR的旋转量限于角的范围，这种变形将尤为有用。 

如果需要，诸如那些上文所述的孔特性的变形也可用于入口导管112、114和/或116。(在图中未示出)。 

所有导管优选为圆柱形，但也可以是截面为任何其他形状的。并且，导管可以是圆锥形，其可以帮助气泡尤其是与低表面张力的液体相分离。 

图2示出了示例性的优选的容器100的形状，即，圆柱形。附图还示出了整个结构关于对称轴AS对称，对称轴AS大体平行于图1中所示出的旋转轴AR。尽管导管可以置于偏离对称轴AS并且可以倾斜，但优选为排气和防漩涡结构轴向放置并朝向平行于对称轴AS而延伸(并因此平行于旋转轴AR)，这是出于以下原因：在冷却分配单元转动时，液体水位的并不相对于排气和防漩涡结构而改变，并因此即使当该单元旋转时性能恒定。 

本发明包括图1的整个系统，以及图2的容器，和一种用于使用冷却分配单元(容器、泵、热交换器和关联设备)冷却电子设备的方法。 

本发明可以包含图2中未示出的其他结构，诸如上文所述的圆锥形导管。如果它们是巢状的并具有其较大一端插入环绕导管，则这样的发散将导致逐步地降低速度。并且可加入半圆柱。 

孔P不需要是面上所形成的洞。导管还可以使用线织(woven-wire)结构、毡制品(felt)、粗糙表面以及其他结构以从流动液体吸收能量。 

本发明考虑到关于不同轴的旋转(例如滚筒回转)。当存在两个不平行的旋转轴(即，冷却分配单元绕轴AR旋转也绕另一轴(未示出)旋转)，其中该另一轴相对于轴AR倾斜或以一定角度相交，则容器优选为球形。在这种情况下，当入口和出口置于球体上相对的两极，则它们分别或相反地结束于球体的天底和天顶。如果位于天顶的端口是出口，则如果导管对于气体开放则气体容易进入系统。 然而，本发明的结构可以通过使用巢状圆柱体克服此问题。应该理解当液面的角度变化时在球形容器中高于球心的液体水位保持不变。通过适当改进排气和防漩涡结构使某些部分保持浸泡，可减少气泡形成并使夹带的气泡浮出液面。 

具有正方形长宽比(长度等于直径)的圆柱形容器近似于球形，这是指无论容器的轴是水平还是竖直，高于中心的液体水位恒定，并且液体水位在中间角度上将不会明显变化。因此，类似于上述那些的结构可以并入到具有正方形长宽比的圆柱形容器中以接近具有相同排气和防漩涡结构的球形容器的性能。 

本发明优选氟基的液体，这是由于其上文所述的优点，并尤其用于使本发明的尺寸缩小。然而，本发明完全可以使用任何液体。 

Claims (10)

1.一种用于电子器件冷却系统的冷却剂容器(1000)装置，所述装置包括：容器壁(1001)，所述容器壁(1001)具有入口端口(110)和出口端口(120)；以及

排气和防漩涡结构，所述排气和防漩涡结构包括：

内导管(112)，具有附接于所述容器壁的入口端口(110)的第一端，以及位于所述容器(1000)内部的第二端；

外导管(114)，具有第一端和第二端，并环绕所述内导管(112)的第二端；以及

挡板，横截所述外导管(114)的内部一端；以及

出口导管(212)，具有附接于所述容器壁(1001)的出口端口(120)的第一端；以及

位于所述容器(1000)内部的并且覆盖有多个小孔(P)的第二端；

其中流入所述入口端口(110)的液体首先通过所述内导管到达所述内导管的第二端之外，并其后以反转的方向从所述外导管(114)和由所述外导管所环绕的部分所述内导管(112)之间通过以便排气，并且由于所述孔(P)防止漩涡，因此最终无漩涡地进入所述出口导管(212)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述容器关于对称轴对称，所述对称轴平行于所述电子器件冷却系统的旋转轴，并且所述内导管和所述外导管平行于所述旋转轴延伸。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述容器圆柱对称，具有平行于所述旋转轴的圆柱对称轴，其中流经所述容器的液体不取决于所述容器相对于所述旋转轴的方向角。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中所述排气和防漩涡结构还包括环绕所述外导管靠近容器壁的入口端口的一部分的第三导管；

其中流入所述入口端口或流出所述出口端口的液体从所述第三导管和由所述第三导管所环绕的所述外导管的一部分之间通过。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述容器壁闭合所述第三导管的靠近容器壁的入口端口的一端。

6.根据权利要求4所述的装置，其中所述第三导管包括孔。

7.根据权利要求1到3中的任一项所述的装置，其中至少一个导管包括孔。

8.根据权利要求7所述的装置，其中通过改变孔的平均大小以及孔的平均间距中的至少其一而使所述孔的密度沿所述导管的长度变化，所述孔的密度沿在远离所述容器壁的方向上所述导管的长度而增大。

9.根据权利要求1到3中的任一项所述的装置，其中所述挡板附接于所述内导管的第二端。

10.一种用于冷却安装于机架的电子器件的方法，所述机架可围绕至少一个旋转轴旋转，所述方法包括：

在所述机架上安装冷却系统，包括泵以及冷却液的容器(1000)；其中所述容器包括容器壁(1001)、进一步包括入口端口(110)和出口端口(120)的通过所述容器壁的端口、以及排气和防漩涡结构，所述排气和防漩涡结构包括：

内导管(112)，包括附接于所述容器壁(1001)的入口端口的第一端和位于所述容器(1000)内部的第二端；

外导管(114)，环绕所述内导管(112)的第二端；以及

挡板，横截所述外导管(114)的内部一端；以及

出口导管(212)，具有附接于所述容器壁(1001)的出口端口(120)的第一端，以及位于所述容器(1000)内部的并且覆盖有多个小孔(P)的第二端；

其中流入所述入口端口的液体首先通过所述内导管到达所述内导管的第二端之外，并且其后以反转的方向从所述外导管(114)和由所述外导管所环绕的部分所述内导管(112)之间通过以便排气，并且由于所述孔(P)防止漩涡，因此最终无漩涡地进入所述出口导管(212)。

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