改进发热部件的热管理的系统和方法与流程

改进发热部件的热管理的系统和方法

背景技术：

1.计算设备在使用期间会产生大量热量。计算部件可能容易受到热量的损坏，并且通常需要冷却系统以在繁重的处理或使用负载期间将部件温度保持在安全范围内。液体冷却可以有效地冷却部件，因为液体冷却流体比空气或气体冷却具有更多的热质量。通过允许蒸发的流体从液体中上升，液体冷却流体可以保持在较低的温度。冷却流体中的蒸汽会对冷却流体的冷却性能产生不利影响。蒸汽可以冷凝并回流到沸腾器箱。
2.在传统的浸没冷却系统中，沸腾器箱的很大一部分含有用作散热器但不能通过沸腾有效地从系统中去除热量的冷却流体。尽管附加冷却流体包含在沸腾器箱中的效率相对较低，但与获得、容纳和维护附加冷却流体相关联的成本较高。

技术实现要素：

3.在一些实施例中，具有热管理的计算机系统包括沸腾器箱和在沸腾器箱中的基板上的第一计算机部件。冷却流体被设置在沸腾器箱中并覆盖第一计算机部件。沸腾器箱具有长度、宽度和高度，其中沸腾器箱的长度和宽度限定不大于基板面积的50％的箱面积。
4.在一些实施例中，具有热管理的服务器计算机系统包括其上具有多个计算机部件的服务器基板和包围多个计算机部件中的至少一个计算机部件的第一沸腾器箱。冷却流体被设置在第一沸腾器箱中并覆盖多个计算机部件中的至少一个计算机部件。总沸腾器面积不大于服务器基板的基板面积的90％。
5.提供本发明内容是为了以简化的形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作确定所要求保护主题的范围的辅助。
6.附加的特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过实践本文的教导来学习。本公开的特征和优点可以通过所附权利要求中特别指出的工具和组合来实现和获得。本公开的特征将从以下描述和所附权利要求中变得更为明显，或者可以通过下文所述的本公开的实践来学习。
附图说明
7.为了描述可以获得本公开的上述和其他特征的方式，将参考附图中所示的具体实施例进行更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。虽然一些附图可以是概念的示意性或夸张表示，但至少一些附图可以按比例绘制。理解附图描述了一些示例实施例，将通过使用附图以附加的具体性和细节描述和解释实施例，其中：
8.图1是传统浸没冷却系统的系统图；
9.图2是根据本公开的至少一个实施例的浸没冷却系统的透视图；
10.图3是根据本公开的至少一个实施例的沸腾器箱中的多芯片模块的侧剖视图；
11.图4是根据本公开的至少一个实施例的沸腾器箱中的多芯片模块的俯视图；
12.图5是根据本公开的至少一个实施例的包括多个沸腾器箱的计算设备板的透视图；
13.图6是根据本公开的至少一个实施例的图5的沸腾器箱的详细透视图；
14.图7是根据本公开的至少一个实施例的具有液冷冷凝器的沸腾器箱的透视图；
15.图8是根据本公开的至少一个实施例的具有与冷凝器流体连通的多个沸腾器箱的计算设备的透视图；以及
16.图9是根据本公开的至少一个实施例的包括被动大气冷却的沸腾器箱的侧剖视图。
具体实施方式
17.本公开总体上涉及用于改进高热产生部件的热管理的系统和方法。更具体地，本公开涉及使用局部液体浸没冷却来冷却计算设备的较大板内的基板上的一个或多个计算机部件。
18.浸没冷却系统将发热部件包围在液体冷却流体中，液体冷却流体从发热部件传导热量以冷却发热部件。当冷却流体从发热部件吸收热量时，冷却流体的温度升高，并且冷却流体可能蒸发，将蒸汽引入冷却流体的液体中，然后冷却流体从液体中上升。因此，蒸汽从发热部件附近的冷却流体中去除热量。
19.现在参考图1，根据本公开的浸没冷却系统100包括腔室102，其中设置有冷却流体104。冷凝器106被设置在冷却流体104的顶部，位于液体冷却流体108上方，并位于冷却流体108的蒸汽110中。冷凝器106将冷却流体104中的蒸汽110的一部分冷却回液相，从而从系统中移除热能，并将冷却流体104重新引入液体冷却流体106的浸没浴112中。
20.在一些实施例中，液体冷却流体108的浸没浴112具有被设置在液体冷却流体中的多个发热部件114。液体冷却流体108围绕发热部件114，并且可以围绕附接到发热部件114的其他物体或部分。
21.如上所述，液体冷却流体108向汽相116的转化需要热能的输入以克服汽化潜热，并且可以是增加冷却流体的热容量和从发热部件114去除热量的有效机制。
22.冷却流体在液相和汽相之间转换，以从腔室中的热部件或发热部件中移除热量。液相更有效地接收来自部件的热量，并且在转换为汽相时，冷却流体可以被冷却和冷凝，以在冷却流体以较低的温度回流到液体浸没浴之前从冷却流体中提取热量。
23.在一些实施例中，液体冷却流体108的浸没浴具有被设置在液体冷却流体108中的多个发热部件114。液体冷却流体108围绕发热部件114和附接到发热部件114的其他物体或部分。在一些实施例中，发热部件114中的一个或多个发热部件包括附接到发热部件114的散热器或其他设备，以传导走热能并有效地增加发热部件114的表面积。
24.因为汽相116在液体冷却流体108中上升，所以可以在腔室102的上部蒸汽区域110中从浸没腔室102中提取汽相116。冷凝器106将冷却流体104的部分蒸汽冷却回液相，从系统中移除热能并将冷却流体重新引入液体冷却流体108的浸没浴112中。冷凝器106将冷却流体104的热能辐射或以其他方式泄放到周围环境中或管道中，以将热能从冷却系统100带走。
25.在一些实施例中，冷却流体在直接围绕发热部件的冷却流体的冷却体积中接收热
量。冷却体积是冷却流体(包括液相和汽相)的区域，其直接围绕发热部件并负责发热部件的对流冷却。在一些实施例中，冷却体积是发热部件5毫米(mm)内的冷却流体的体积。
26.冷却流体的沸腾温度低于临界温度，在该临界温度下，发热部件经历热损坏。例如，发热部件可能是受到100摄氏度(c)以上损坏的计算部件。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度低于发热部件的临界温度。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约90℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约80℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约70℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约60℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度为至少约35℃。在一些实施例中，冷却流体包括水。在一些实施例中，冷却流体包括乙二醇。在一些实施例中，冷却流体包括水和乙二醇的组合。在一些实施例中，冷却流体是水溶液。在一些实施例中，冷却流体是电子液体，例如可从3m获得的fc-72，或类似的非导电流体。在一些实施例中，被设置在冷却流体中的浸没冷却系统的发热部件、沸腾器箱表面或其他元件在其表面上具有成核位点，该成核位点促进冷却流体的蒸汽泡在冷却流体的沸腾温度或低于该沸腾温度时成核。
27.大型浸没冷却系统要求浸没浴体积的一部分是冷却体积之外的冷却流体，并且因此，其不能有效地冷却发热部件。在一些实施例中，并非计算设备的所有部件都产生足够的热量以需要浸没冷却以保持在安全操作温度范围内。在一些实施例中，图形处理单元(gpu)比基于压板的存储设备产生更多的热量，并且环境空气冷却足以冷却存储设备而不是gpu。
28.在一些实施例中，计算设备包括基板，其中发热部件位于基板上。一些发热部件可以比计算设备的同一板上的周围部件产生更多的热量，并且局部浸没冷却系统可以设置在发热计算机部件上或周围以提供额外的冷却，而不会浸没整个计算设备或计算设备的板。
29.图2是位于基板218上的发热部件214的一个实施例的透视图。沸腾器箱220固定到基板218以包围发热部件214。沸腾器箱200包含冷却流体204，该冷却流体从发热部件214接收热量并冷却发热部件214。在一些实施例中，沸腾器箱220直接连接到基板218，使得基板有助于容纳冷却流体204。
30.在一些实施例中，局部浸没冷却系统允许更有效地冷却产生更大量热量的发热部件，而不需要大到足以支撑整个计算设备的浸没冷却设备的成本和复杂性。在一些实施例中，局部浸没冷却系统允许更有效地冷却具有复杂拓扑结构的部件，传统散热器很难连接到这些部件。在一些实施例中，局部浸没冷却系统允许对彼此靠近设置的部件进行更有效的冷却，由于部件的接近和传统散热器所需的体积，很难将传统散热器连接到这些部件上。
31.在一些实施例中，局部浸没冷却系统包括比计算设备的板小的沸腾器箱。在一些实施例中，沸腾器箱具有箱面积(例如，水箱的底部面积)，该箱面积与发热计算机部件的基板大致相同。在一些实施例中，箱面积与发热计算机部件的基板相同。在一些实施例中，发热计算机部件的基板是沸腾器箱的底表面，并且沸腾器箱直接附接到基板的周边边缘。
32.在一些实施例中，多芯片模块(mcm)位于基板上，并且用于mcm的基板固定到用于计算设备的板上。mcm在单个基板上包括多个电子部件，以促进有效的能量使用并改善部件之间的通信带宽。如本文所使用的，根据本公开的一些实施例，mcm可以被认为是单个发热部件。在一些实施例中，mcm具有在基板上方具有第一高度的第一部件和在基板之上具有不同第二高度的第二部件。例如，相对于mcm的基板，第一部件比第二部件高。因此，应用于第一部件和第二部件两者的传统散热器需要补偿mcm的两个部件的高度和/或拓扑结构的差
异。在其他示例中，传热元件可以被设置在散热器和两个部件中较矮的部件之间。材料之间的每个界面和热界面材料(tim)的每个层增加了热阻，并且从而降低了热管理系统的效率。
33.图3是其上具有第一发热部件314-1和第二发热部件314-2的计算设备板322的实施例的侧视图。第一发热部件314-1具有第一高度324-1，第二发热部件314-2具有第二高度324-2。容纳在沸腾器箱320中的冷却流体304围绕第一发热部件324-1和第二发热元件314-2的拓扑流动，而不考虑它们的相对高度、形状、几何结构或表面纹理。虽然传统部件具有光滑的顶表面以促进对刚性传导散热器的热传导，但根据本公开的浸没冷却系统可以有效地冷却具有任何几何形状或几何形状组合的部件。
34.在根据本公开的一些实施例中，用于具有不同高度的基板上的mcm或其他多个部件的浸没冷却系统可以限制和/或消除降低热管理系统效率的中间界面。在一些实施例中，第一部件和第二部件浸没在液体冷却流体中，其间没有额外的tim。因此，与具有一层或多层tim的传统散热器相比，液体冷却流体提供了更有效的热路径，以从第一部件和第二部件两者去除热量。
35.在一些实施例中，第一部件和第二部件彼此靠近地设置，并且单个传统散热器不能在不相互干扰的情况下设置在第一部件和第二部件两者上。根据本公开的一些实施例的浸没冷却系统将第一部件和第二部件浸没在液体冷却流体中，并且冷却流体用作散热器以从部件中移除热量。此外，第一和第二部件可以在不同的条件下产生不同量的热量，并且固定到这些部件上的任何散热器必须足以在高操作负载下冷却部件，即使该操作负载不常见。两相浸没冷却可以提供更灵活的冷却系统，其适应部件产生的热量。
36.图4是板422上的mcm 426的一个实施例的俯视图。mcm422具有多个设置在基板418上的发热部件414-1、414-2，其中沸腾器箱420固定到板422，包围基板418和mcm 424的发热部件。在一些实施例中，第一发热部件414-1和第二发热部件414-2在基板418上彼此相邻，并且将彼此靠得太近，从而对于传统的刚性或固体散热器而言，无法在不干扰另一个散热器的情况下固定到每个散热器上。在一些实施例中，第一发热部件414-1和第二发热部件414-2之间的横向间隔428小于10毫米。在一些实施例中，第一发热部件414-1和第二发热部件414-2之间的横向间隔428小于5毫米。
37.在一些实施例中，并非板上的所有部件都需要浸没冷却系统以将部件保持在安全的工作温度范围内。在一些实施例中，板具有设置在其上的多个部件，并且沸腾器箱设置在板上以围绕多个部件中的至少一个部件。
38.图5是其上具有多个发热部件514的计算设备板522的透视图。多个沸腾器箱520设置在板522上，但仅包围发热部件514中的一些发热部件。在一些实施例中，mcm包含在沸腾器箱520内，而其他部件(例如存储设备)位于沸腾器箱520的外部。
39.现在参考图6，在一些实施例中，沸腾器箱520具有限定箱体积的箱长度530、箱宽度532和箱高度534。箱长度530和箱宽度532限定箱面积。在一些实施例中，板522具有限定板面积的板长度536和板宽度538。在一些实施例中，由沸腾器箱包围的至少一个部件构建在基板上。在一些实施例中，基板具有限定基板面积的类似基板长度和基板宽度。
40.在一些实施例中，箱面积与板和/或基板面积相同。在一些实施例中，箱面积比板和/或基板面积小至少10％。例如，箱面积小于板和/或基板面积的90％。在一些实施例中，箱面积小于板和/或基板面积的75％，以允许板和/或者基板的部件中的至少一部分部件设
置在沸腾器箱的外部。
41.在一些实施例中，被设置在板上的发热部件位于基板上。在一些实施例中，箱面积比基板的基板面积大不超过50％。在一些实施例中，箱面积基本上等于基板面积。在一些实施例中，箱面积小于基板面积。在一些实施例中，箱面积小于基板面积的90％，因为在其上组装部件的基板上通常存在围绕部件的边界。在一些实施例中，板和/或基板在其中具有孔，以允许板和/或者基板连接到另一结构。箱面积可以小于板的面积和/或基板的面积，因为箱被设置成允许接近板和/或基板的孔。
42.在一些实施例中，板和/或基板的至少一部分形成沸腾器箱的壁。再次参考图6，沸腾器箱520直接连接到板522，以密封浸没腔室，浸没腔室包括板522的一部分作为腔室的壁。在一些实施例中，板和/或基板的至少一部分与沸腾器箱成一体，并将冷却流体保持在沸腾器箱中。在一些实施例中，沸腾器箱设置在其上的板和/或基板具有设置在其上面的o形环540，该o形环有助于板和/或者基板与沸腾器箱之间的液密密封。在一些实施例中，o形环540沿着板和/或基板的周边边缘的至少一部分延伸。在一些实施例中，o形环540沿着板和/或基板的整个周边边缘延伸。在一些实施例中，o形环540被固定到沸腾器箱520，使得当沸腾器箱520被放置成与板和/或基板接触时，o形环540密封沸腾器箱520和板和/或者基板之间的接触区域。
43.根据本公开的一些实施例的沸腾器箱包括冷却机构，用于将蒸汽冷却流体冷凝成液相并从沸腾器箱中去除热量。在一些实施例中，沸腾器箱包括冷凝器或与冷凝器流体连通。在一些实施例中，冷凝器是液冷式冷凝器，其使第二流体(例如水)循环通过冷凝器以从冷凝器传递热量并冷却冷却流体。在一些实施例中，冷凝器是固态冷凝器，例如珀尔帖冷却器，其冷却和冷凝冷却流体。
44.在一些实施例中，冷凝器位于沸腾器箱中。在一些实施例中，冷凝器位于沸腾器箱的外部，并与沸腾器箱的浸没腔室流体连通，以冷却和冷凝蒸汽冷却流体。在一些实施例中，冷凝器位于沸腾器箱的外部并冷却沸腾器箱的表面以冷却和冷凝蒸汽冷却流体。
45.图7是其上具有多个发热部件614的板622的实施例的透视图，沸腾器箱620固定在多个发热部件614上方。沸腾器箱620具有设置在其表面上的冷凝器606，冷凝器606使水循环通过盘管以冷却和冷凝沸腾器箱620中的冷却流体。
46.在一些实施例中，多个沸腾器箱与单个冷凝器流体连通。例如，冷凝器可以连接到单个板上的多个沸腾器箱并与其流体连通。在一些实施例中，冷凝器可以连接到不同板上的多个沸腾器箱并与其流体连通。
47.在一些实施例中，板和/或基板具有设置在其上的多个沸腾器箱。沸腾器箱被设置成向板和/或基板的不同部件提供浸没冷却，例如第一沸腾器箱覆盖mcm并向mcm提供浸没冷却，并且第二沸腾器箱覆盖网络交换机并向网络交换机提供浸没冷却。在一些实施例中，多个沸腾器箱在多个沸腾器箱中的沸腾器箱之间共享冷却流体。在一些实施例中，多个沸腾器箱中的每个沸腾器箱具有不与另一个沸腾器箱混合的专用冷却流体。
48.图8是其上具有多个沸腾器箱720的板722的另一实施例的透视图。沸腾器箱720中的每个沸腾器箱包围至少一个发热部件714-1、714-2，并且多个沸腾器箱720中的至少两个沸腾器箱与冷凝器706流体连通。与冷凝器706流体连通的沸腾器箱720-1、720-2在它们之间共享冷却流体。在一些实施例中，沸腾器箱720-1、720-2中的一些沸腾器箱与冷凝器706
流体连通，而沸腾器箱中的一些沸腾器箱不与冷凝器706流体连通。
49.在一些实施例中，其上具有多个沸腾器箱的板和/或基板具有相对于板面积和/或基板面积的总箱面积。总箱面积是多个沸腾器箱中每个沸腾器箱的箱面积的总和。一种在板上有两个沸腾器箱的计算设备，其中每个沸腾器箱的箱面积为板面积的10％，总箱面积为板面积的30％。组装在基板上的mcm具有基板上的两个沸腾器箱，其中第一沸腾器箱具有基板面积的50％的第一箱面积，并且第二沸腾器箱具有为基板面积的20％的第二箱面积，其总箱面积是基板面积的70％。例如，图8的四个沸腾器箱的总箱面积约为板面积的10％。
50.在一些实施例中，总箱面积与板和/或基板面积相同。在一些实施例中，总箱面积比板和/或基板面积小至少10％。例如，总箱面积小于板和/或基板面积的90％。在一些实施例中，总箱面积小于板和/或基板面积的75％，以允许板和/或者基板的部件中的至少一部分被设置在多个沸腾器箱的外部。
51.如本文所述，根据本公开的浸没冷却系统的一些实施例包括具有主动冷却(例如液体冷却或固态冷却)的冷凝器。在一些实施例中，浸没冷却系统或浸没冷却系统的沸腾器箱使用大气冷却来消散来自冷却流体的热量。在一些实施例中，液体冷却流体可以提供来自具有不同或变化拓扑结构的发热部件的有效热传递，而冷却流体本身将热传递到翅片、热管、蒸汽室、散热器或其他被动冷却装置，以通过大气冷却来冷却。
52.在一些实施例中，浸没冷却系统的沸腾器箱具有固定在其上的被动冷却设备。在一些实施例中，被动冷却装置包括散热翅片，以从沸腾器箱传导热量，并增加暴露于环境空气的表面积，并从沸腾器箱去除热量。在一些实施例中，被动冷却装置包括热管或蒸汽室，以将热量从沸腾器箱消散和/或传导到另一区域，或增加暴露于环境空气的表面积并从沸腾器箱中移除热量。在一些实施例中，被动冷却装置与主动冷却装置结合使用或附加于主动冷却装置。
53.图9是根据本公开的沸腾器箱820的实施例的侧视图，其中热管842和散热翅片844设置在沸腾器箱820的顶表面上。在一些实施例中，沸腾器箱820具有足够的表面积以允许热管842中的汽相816的大气冷却以将汽相816回流到发热部件814周围的液体冷却流体808。
54.在一些实施例中，沸腾的冷却流体和沸腾器箱中蒸汽的相关增加增加了沸腾器箱中的蒸汽压力。当冷凝器或其它冷却设备冷却蒸汽以将汽相冷凝回液相时，沸腾器箱可能需要维持增加的蒸汽压力而不破裂。在一些实施例中，沸腾器箱可以维持至少2.0个大气压的内部蒸汽压力。在一些实施例中，沸腾器箱可以维持至少3.0个大气压的内部蒸汽压力。在一些实施例中，沸腾器箱可以维持至少4.0个大气压的内部蒸汽压力。
55.为了增强沸腾并促进冷却流体回流到沸腾表面，根据本公开的沸腾器箱的一些实施例包括位于浸没腔室中的沸腾器箱内部的芯吸或沸腾增强结构。在一些实施例中，芯吸结构包括诸如烧结铜粉或金属丝网的开放晶格结构，其可以提高沸腾效率并利用毛细作用将流体驱回沸腾表面。在一些实施例中，可将表面蚀刻或沸腾增强涂层应用于沸腾表面以产生增强沸腾效率的成核位点。
56.再次参考图9，在一些实施例中，沸腾器箱820包括芯吸结构846。芯吸结构816设置在沸腾器箱822的蒸汽部分810中。芯吸构造846可增加冷凝速率，并提供蒸汽相816可更容易冷凝并回流液体冷却流体808的位点。
工业实用性
57.本公开总体上涉及用于改进高热产生部件的热管理的系统和方法。更具体地，本公开涉及使用局部液体浸没冷却来冷却计算设备的较大板内的基板上的一个或多个计算机部件。
58.浸没冷却系统将发热部件包围在液体冷却流体中，液体冷却流体从发热部件传导热量以冷却发热部件。当冷却流体从发热部件吸收热量时，冷却流体的温度升高，并且冷却流体可能蒸发，将蒸汽引入冷却流体的液体中，然后冷却流体从液体中上升。因此，蒸汽从发热部件附近的冷却流体中去除热量。
59.传统的浸没冷却系统包括包含浸没腔室的沸腾器箱和浸没腔室中的冷凝器。浸没腔室包含冷却流体，该冷却流体具有液体冷却流体和蒸汽冷却流体部分。液体冷却流体产生浸没浴，其中设置多个发热部件以加热液体冷却流体。
60.冷却流体在液相和汽相之间转换，以从腔室中的热部件或发热部件中移除热量。液相更有效地接收来自部件的热量，并且在转换为汽相时，冷却流体可以被冷却和冷凝，以在冷却流体以较低温度回流到液体浸没浴之前从冷却流体中提取热量。
61.在一些实施例中，液体冷却流体的浸没浴具有设置在液体冷却流体中的多个发热部件。液体冷却流体围绕发热部件和附接到发热部件的其他物体或部分。在一些实施例中，发热部件中的一个或多个发热部件包括附接到发热部件的散热器或其他设备，以传导走热能并有效地增加发热部件的表面积。
62.如上所述，将液体冷却流体转化为汽相需要输入热能以克服汽化潜热，并且可以是增加冷却流体的热容量和从发热部件中去除热量的有效机制。因为蒸汽在液体冷却流体中上升，所以可以在腔室的上部蒸汽区域中从腔室中提取汽相。冷凝器将冷却流体的部分蒸汽冷却回液相，从系统中移除热能，并将冷却流体重新引入液体冷却流体的浸没浴中。冷凝器将来自冷却流体的热能辐射或以其他方式泄放到周围环境或管道中，以将热能从冷却系统带走。
63.在一些实施例中，冷却流体在直接围绕发热部件的冷却流体的冷却体积中接收热量。冷却体积是冷却流体(包括液相和汽相)的区域，其直接围绕发热部件并负责发热部件的对流冷却。在一些实施例中，冷却体积是发热部件5毫米(mm)内的冷却流体的体积。
64.冷却流体的沸腾温度低于临界温度，在该临界温度下，发热部件经历热损坏。例如，发热部件可能是受到100摄氏度(c)以上损坏的计算部件。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度低于发热部件的临界温度。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约90℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约80℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约70℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约60℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度为至少约35℃。在一些实施例中，冷却流体包括水。在一些实施例中，冷却流体包括乙二醇。在一些实施例中，冷却流体包括水和乙二醇的组合。在一些实施例中，冷却流体是水溶液。在一些实施例中，冷却流体是电子液体，例如可从3m获得的fc-72，或类似的非导电流体。在一些实施例中，被设置在冷却流体中的浸没冷却系统的发热部件、沸腾器箱表面或其他元件在其表面上具有成核位点，该成核位点促进冷却流体的蒸汽泡在冷却流体的沸腾温度或低于该沸腾温度时成核。
65.大型浸没冷却系统要求浸没浴体积的一部分是冷却体积之外的冷却流体，并且因
此，不能有效地冷却发热部件。在一些实施例中，并非计算设备的所有部件都产生足够的热量以需要浸没冷却以保持在安全操作温度范围内。在一些实施例中，图形处理单元(gpu)比基于压板的存储设备产生更多的热量，并且环境空气冷却足以冷却存储设备而不是gpu。
66.在一些实施例中，计算设备包括基板，其中发热部件位于基板上。一些发热部件可以比计算设备的同一板上的周围部件产生更多的热量，并且局部浸没冷却系统可以设置在发热计算机部件上或周围以提供额外的冷却，而不会浸没整个计算设备或计算设备的板。
67.在一些实施例中，局部浸没冷却系统允许更有效地冷却产生更大量热量的发热部件，而不需要大到足以支撑整个计算设备的浸没冷却设备的成本和复杂性。在一些实施例中，局部浸没冷却系统允许更有效地冷却具有复杂拓扑结构的部件，传统散热器很难连接到这些部件。在一些实施例中，局部浸没冷却系统允许对彼此靠近设置的部件进行更有效的冷却，由于部件的接近和传统散热器所需的体积，很难将传统散热器连接到这些部件上。
68.在一些实施例中，局部浸没冷却系统包括比计算设备的板小的沸腾器箱。在一些实施例中，沸腾器箱具有箱面积(例如，水箱的底部面积)，该箱面积与发热计算机部件的基板的面积大致相同。在一些实施例中，箱面积与发热计算机部件的基板相同。在一些实施例中，发热计算机部件的基板是沸腾器箱的底表面，并且沸腾器箱直接附接到基板的周边边缘。
69.在一些实施例中，多芯片模块(mcm)位于基板上，并且用于mcm的基板固定到用于计算设备的板上。mcm在单个基板上包括多个电子部件，以促进有效的能量使用并改善部件之间的通信带宽。如本文所使用的，根据本公开的一些实施例，mcm可以被认为是单个发热部件。在一些实施例中，mcm具有在基板上方具有第一高度的第一部件和在基板之上具有不同第二高度的第二部件。例如，相对于mcm的基板，第一部件比第二部件高。因此，应用于第一部件和第二部件两者的传统散热器需要补偿mcm的两个部件的高度和/或拓扑结构的差异。在其他示例中，传热元件可以设置在散热器和两个部件中较矮的部件之间。材料之间的每个界面和热界面材料(tim)的每个层增加了热阻，从而降低了热管理系统的效率。
70.在根据本公开的一些实施例中，用于具有不同高度的基板上的mcm或其他多个部件的浸没冷却系统可以限制和/或消除降低热管理系统效率的中间界面。在一些实施例中，第一部件和第二部件浸没在液体冷却流体中，其间没有额外的tim。因此，与具有一层或多层tim的传统散热器相比，液体冷却流体提供了更有效的热路径，以从第一部件和第二部件两者去除热量。
71.在一些实施例中，第一部件和第二部件彼此靠近地设置，并且单个传统散热器不能在不相互干扰的情况下设置在第一部件和第二部件两者上。在一些实施例中，根据本公开的浸没冷却系统将第一部件和第二部件浸没在液体冷却流体中，并且冷却流体用作散热器以从部件中移除热量。此外，第一和第二部件可以在不同的条件下产生不同的热量，并且固定到这些部件上的任何散热器必须足以在高工作负载下冷却部件，即使该操作负载不常见。两相浸没冷却可以提供更灵活的冷却系统，其适应部件产生的热量。
72.在一些实施例中，并非板上的所有组件都需要浸没冷却系统以将组件保持在安全的工作温度范围内。在一些实施例中，板具有设置在其上的多个部件，并且沸腾器箱设置在板上以围绕多个部件中的至少一个部件。在一些实施例中，沸腾器箱具有限定水箱容积的箱长度、箱宽度和箱高度。箱长度和箱宽度限定箱面积。在一些实施例中，板具有限定板面
积的板长度和板宽度。在一些实施例中，由沸腾器箱包围的至少一个部件构建在基板上。在一些实施例中，基板具有限定基板面积的基板长度和基板宽度。
73.在一些实施例中，箱面积与板和/或基板面积相同。在一些实施例中，箱面积比板和/或基板面积小至少10％。例如，箱面积小于板和/或基板面积的90％。在一些实施例中，箱面积小于板和/或基板面积的75％，以允许板和/或者基板的部件中的至少一部分部件设置在沸腾器箱的外部。
74.在一些实施例中，被设置在板上的发热部件位于基板上。在一些实施例中，箱面积比基板的基板面积大不超过50％。在一些实施例中，箱面积基本上等于基板面积。在一些实施例中，箱面积小于基板面积。在一些实施例中，箱面积小于基板面积的90％，因为在其上组装部件的基板上通常存在围绕部件的边界。在一些实施例中，板和/或基板在其中具有孔，以允许板和/或者基板连接到另一结构。箱面积可以小于板的面积和/或基板的面积，因为箱被设置成允许接近板和/或基板的孔。
75.在一些实施例中，板和/或基板的至少一部分形成沸腾器箱的壁。在一些实施例中，板和/或基板的至少一部分与沸腾器箱成一体，并将冷却流体保持在沸腾器箱中。在一些实施例中，沸腾器箱设置在其上的板和/或基板具有设置于其上的o形环，该o形环有助于板和/或者基板与沸腾器箱之间的液密密封。在一些实施例中，o形环沿着板和/或基板的周边边缘的至少一部分延伸。在一些实施例中，o形环沿着板和/或基板的整个周边边缘延伸。
76.根据本公开的一些实施例的沸腾器箱包括冷却机构，用于将蒸汽冷却流体冷凝成液相并从沸腾器箱中去除热量。在一些实施例中，沸腾器箱包括冷凝器或与冷凝器流体连通。在一些实施例中，冷凝器是液冷式冷凝器，其使第二流体(例如水)循环通过冷凝器以从冷凝器传递热量并冷却冷却流体。在一些实施例中，冷凝器是固态冷凝器，例如珀尔帖冷却器，其冷却和冷凝冷却流体。
77.在一些实施例中，冷凝器位于沸腾器箱中。在一些实施例中，冷凝器位于沸腾器箱的外部，并与沸腾器箱的浸没腔室流体连通，以冷却和冷凝蒸汽冷却流体。在一些实施例中，冷凝器位于沸腾器箱的外部并冷却沸腾器箱的表面以冷却和冷凝蒸汽冷却流体。
78.在一些实施例中，多个沸腾器箱与单个冷凝器流体连通。例如，冷凝器可以连接到单个板上的多个沸腾器箱并与其流体连通。在一些实施例中，冷凝器可以连接到不同板上的多个沸腾器箱并与其流体连通。
79.在一些实施例中，板和/或基板具有设置在其上的多个沸腾器箱。沸腾器箱被设置成向板和/或基板的不同部件提供浸没冷却，例如第一沸腾器箱覆盖mcm并向mcm提供浸没冷却，并且第二沸腾器箱覆盖网络交换机并向网络交换机提供浸没冷却。在一些实施例中，多个沸腾器箱在多个沸腾器箱内的沸腾器箱之间共享冷却流体。在一些实施例中，多个沸腾器箱中的每个沸腾器箱具有不与另一个沸腾器箱混合的专用冷却流体。
80.在一些实施例中，其上具有多个沸腾器箱的板和/或基板具有相对于板面积和/或基板面积的总箱面积。总箱面积是多个沸腾器箱中每个沸腾器箱的箱面积的总和。一种在板上有两个沸腾器箱的计算设备，其中每个沸腾器箱的箱面积为板面积的10％，总箱面积为板面面积的30％。组装在基板上的mcm具有基板上的两个沸腾器箱，其中第一沸腾器箱具有基板面积的50％的第一箱面积，第二沸腾器箱具有为基板面积的20％的第二箱面积，其总箱面积是基板面积的70％。
81.在一些实施例中，总箱面积与板和/或基板面积相同。在一些实施例中，总箱面积比板和/或基板面积小至少10％。例如，总箱面积小于板和/或基板面积的90％。在一些实施例中，总箱面积小于板和/或基板面积的75％，以允许板和/或者基板的至少一部分部件位于多个沸腾器箱的外部。
82.如本文所述，根据本公开的浸没冷却系统的一些实施例包括具有主动冷却(例如液体冷却或固态冷却)的冷凝器。在一些实施例中，浸没冷却系统或浸没冷却系统的沸腾器箱使用大气冷却来消散来自冷却流体的热量。在一些实施例中，液体冷却流体可以提供来自具有不同或变化拓扑结构的发热部件的有效热传递，而冷却流体本身将热传递到翅片、热管、蒸汽室、散热器或其他被动冷却装置，以通过大气冷却来冷却。
83.在一些实施例中，浸没冷却系统的沸腾器箱具有固定在其上的被动冷却设备。在一些实施例中，被动冷却装置包括散热翅片，以从沸腾器箱传导热量，并增加暴露于环境空气的表面积，并从沸腾器箱去除热量。在一些实施例中，被动冷却装置包括热管或蒸汽室，以将热量从沸腾器箱消散和/或传导到另一区域，或增加暴露于环境空气的表面积并从沸腾器箱中移除热量。在一些实施例中，被动冷却装置与主动冷却装置结合使用或附加于主动冷却装置。
84.在一些实施例中，沸腾的冷却流体和沸腾器箱中蒸汽的相关增加增加了沸腾器箱中的蒸汽压力。当冷凝器或其它冷却装置冷却蒸汽以将汽相冷凝回液相时，沸腾器箱可能需要维持增加的蒸汽压力而不破裂。在一些实施例中，沸腾器箱可以维持至少2.0个大气压的内部蒸汽压力。在一些实施例中，沸腾器箱可以维持至少3.0个大气压的内部蒸汽压力。在一些实施例中，沸腾器箱可以维持至少4.0个大气压的内部蒸汽压力。
85.为了增强沸腾并促进冷却流体回流沸腾表面，根据本公开的沸腾器箱的一些实施例包括位于浸没腔室中的沸腾器箱内部的芯吸或沸腾增强结构。在一些实施例中，芯吸结构包括诸如烧结铜粉或金属丝网的开放晶格结构，其可以提高沸腾效率并利用毛细作用将流体驱回沸腾表面。在一些实施例中，可将表面蚀刻或沸腾增强涂层应用于沸腾表面以产生增强沸腾效率的成核位点。
86.在本公开的至少一些实施例中，使用应用于发热部件或计算设备的板的一部分的沸腾器箱的浸没冷却系统提供了目标高效冷却，以降低与大型浸没箱相关的成本和基础设施限制。根据本公开的浸没冷却系统相对于传统系统可以提高模块性并降低成本。
87.本公开涉及至少根据以下条款中提供的示例的用于改进高热产生部件的热管理的系统和方法：1.一种具有热管理的计算机系统，该系统包括：沸腾器箱，具有长度、宽度和高度；第一计算机部件，在所述沸腾器箱中的基板上；以及冷却流体，被设置在所述沸腾器箱中并覆盖第一计算机部件，其中所述沸腾器箱的长度和宽度限定比基板面积大不超过50％的箱面积。2.根据条款1所述的系统，还包括在沸腾器箱中的基板上的第二计算机部件。3.根据条款2所述的系统，其中所述第一计算机部件和所述第二计算机部件是多芯片模块的一部分。4.根据条款2或3所述的系统，其中所述第一计算机部件和所述第二计算机部件在
所述基板的表面上方的高度不同。5.根据任一前述条款所述的系统，其中所述箱面积基本上等于所述基板面积。6.根据任一前述条款所述的系统，还包括冷凝器，该冷凝器被设置在沸腾器箱中且位于冷却流体的液相的外部。7.根据任一前述条款所述的系统，还包括外部冷凝器，该外部冷凝器设置在沸腾器箱的外部并与沸腾器箱流体连通。8.根据条款6或7所述的系统，其中冷凝器是液冷式冷凝器。9.根据任一前述条款所述的系统，还包括沸腾器箱中的成核位点。10.根据任一前述条款所述的系统，还包括位于沸腾器箱中且在冷却流体的汽相内的芯吸结构。11.根据任一前述条款所述的系统，其中所述冷却流体在其间没有热界面材料的情况下直接接触所述第一计算机部件和所述第二计算机部件。12.根据任一前述条款的系统，还包括耦合到沸腾器箱的大气散热器。13.根据任一前述条款所述的系统，其中所述沸腾器箱能够维持至少2.0个大气压的蒸汽压力。14.根据任一前述条款所述的系统，其中所述基板至少是所述沸腾器箱的底部的一部分。15.一种具有热管理的服务器计算机系统，该系统包括：服务器板，其上具有多个计算机部件；第一沸腾器箱，包围多个计算机部件中的至少一个计算机部件；以及冷却流体，被设置在沸腾器箱中并覆盖多个计算机部件中的至少一个计算机部件，其中总沸腾器面积不大于服务器板的板面积的90％。
88.冠词“一”、“一个”和“所述”意指上述描述中有一个或多个元素。术语“包括”、“包含”和“具有”意在具有包容性，并意味着可能存在除所列要素之外的其他要素。此外，应当理解的是，对本公开的“一个实施例”或“实施例”的引用并不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。例如，关于本文的实施例描述的任何元件可以与本文描述的任何其他实施例的任何元件组合。如本公开实施例所包含的本领域普通技术人员之一将理解的，本文所述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“大约”或“近似”所述值的其他值。因此，所述值应被解释得足够广泛，以包含至少足够接近所述值以执行期望的功能或实现期望的结果的值。所述值至少包括在适当的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。
89.本领域普通技术人员应当认识到，鉴于本公开，等效结构并不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开精神和范围的情况下，可以对本文公开的实施例进行各种改变、替换和改变。等效结构，包括功能性“装置加功能”条款旨在涵盖本文所述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的等效结构和提供相同功能的等效结构两者。本技术的明确意图是不为任何权利要求援引装置加功能或其他功能性限定，除非“用于
…
的装置”一词与相关功能一起出现。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改都将被权利要求所涵盖。
90.应当理解，前述描述中的任何方向或参考系仅仅是相对方向或运动。例如，对“前”和“后”或“上”和“下”或“左”和“右”的任何引用都只是描述相关元素的相对位置或移动。
91.在不背离其精神或特征的情况下，本公开可以以其他特定形式来体现。所描述的实施例被认为是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求书而不是由前述描述来指示。在权利要求的含义和等效范围内的变更应包含在其范围内。

技术特征：

1.一种具有热管理的计算机系统，所述系统包括：沸腾器箱，具有长度、宽度和高度；第一计算机部件，在所述沸腾器箱中的基板上；第二计算机部件，在所述沸腾器箱中的所述基板上；冷却流体，被设置在所述沸腾器箱中并覆盖所述第一计算机部件；以及至少一个计算机部件，在所述基板上，所述至少一个计算机部件未被所述沸腾器箱覆盖，其中所述沸腾器箱的所述长度和所述宽度限定比基板面积大不超过50％的箱面积。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一计算机部件和所述第二计算机部件是多芯片模块的部分。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一计算机部件和所述第二计算机部件在所述基板的表面上方的高度不同。4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括冷凝器，所述冷凝器被设置在所述沸腾器箱中并且在所述冷却流体的液相的外部。5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括外部冷凝器，所述外部冷凝器被设置在所述沸腾器箱的外部并且与所述沸腾器箱流体连通。6.根据权利要求4或5所述的系统，其中所述冷凝器是液冷式冷凝器。7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括在所述沸腾器箱中的成核位点。8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括芯吸结构，所述芯吸结构被设置在所述沸腾器箱中并且在所述冷却流体的汽相内。9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述冷却流体在其间没有热界面材料的情况下直接接触所述第一计算机部件和所述第二计算机部件。10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括耦合到所述沸腾器箱的大气散热器。11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述沸腾器箱能够维持至少2.0个大气压的蒸汽压力。12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述基板是所述沸腾器箱的底部的至少一部分。13.一种具有热管理的服务器计算机系统，所述系统包括：服务器基板，其上具有多个计算机部件；第一沸腾器箱，包围所述多个计算机部件中的至少两个计算机部件；冷却流体，被设置在所述第一沸腾器箱中并覆盖所述多个计算机部件中的所述至少一个计算机部件；以及所述多个计算机部件中的至少一个其他计算机部件，未被沸腾器箱覆盖，其中总沸腾器面积不大于所述服务器基板的基板面积的90％。

技术总结

具有热管理的计算机系统包括沸腾器箱和沸腾器箱中的基板上的第一计算机部件。冷却流体被设置在沸腾器箱中并覆盖第一计算机部件。沸腾器箱具有长度、宽度和高度，其中沸腾器箱的长度和宽度限定不大于基板面积的50％的箱面积。面积。面积。

技术研发人员：

M

受保护的技术使用者：

微软技术许可有限责任公司

技术研发日：

2021.06.24

技术公布日：

2023/2/28