一种用于电子系统中存储器模块的冷却方法和模组

摘要

本发明涉及一种用于电子系统中存储器模块的冷却方法及模组，电子系统包括但不限于计算机、服务器和嵌入式系统。这是一种包含有两相工作流体微通道网络的装置，不同微通道网络对应于不同存储器模块，该装置从存储器模块上的发热元件吸收热量，并传递到冷却介质。本发明的用于电子系统中存储器模块的冷却方法，平行通道的布置可以根据需要任意配置，以达到最佳的传热、较低的流动阻力和易于生产制造的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于存储器模块的、具有自组织热力学系统的冷却方法和模组；属于热管理技术领域。

背景技术

计算机系统的设计和制造有小型化需求。为了达到极致的小型化，越来越多的发热电子元件被压缩在计算机系统内，从而使得散热极具挑战性。如果不能有效的处理散热问题，所产生的过热问题，将导致硬件损坏或运行中断。

以往，数据中心通常依靠强制空气冷却来冷却计算机系统。尽管时至今日，空气冷却依然是大多数电脑系统的主要冷却方式，但是，在过去几年里，在多种因素的驱使下，例如芯片功率密度的增加、高性能计算(HPC)和超频计算的普及、以及整个数据中心行业关注的能源效率，市场上出现了许多新的液体冷却技术和产品。同时，随着微处理器的功能越来越强大，存储器模块的容量和性能也随之增加，以满足带宽和服务器吞吐量增加的应用需求。由于标准存储器组件如双列存储器模块(DIMM)的数量增加，组件排列更加紧密，导致存储器散热难度大幅增加。

发明内容

本发明的目的之一是提供用于电子系统中存储器模块的冷却方法，平行通道的布置可以根据需要任意配置，以达到最佳的传热、较低的流动阻力和易于生产制造的效果。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于电子系统中存储器模块的冷却方法，其步骤如下：

实体，其形状被塑造成与目标电子设备相一致，进一步包括：

多元化的散热片结构，散热片插入所述存储器模块的间隙中，以吸收所述安装在存储器模块上的电子元件产生的热量；

冷却部，其设置在电子系统中允许的空间内，以便将吸收到的热量进一步传输到外部冷源；

封闭网络，嵌入在实体内，跨越散热片结构到冷却部，进一步包括路径和节点，其特征在于：路径是微通道，节点是放置在热源和冷源附近的微通道的交叉点；

封闭在微通道网络中的工作两相流体，受节点间温度和压力差的驱动，沿通道路径在节点间流动和传递热量；

液体流道，嵌入在实体的冷却部内，包括两个用于连接和循环外部液体冷却剂的端口，外部液体冷却剂用于吸收和带走热量；

U形金属片夹，由金属片制成，该金属片夹安装在实体的散热片结构与存储器模块上的电子元件之间并与两者形成紧密配合，其两翼涂抹导热材料，以降低接触热阻。

优选地，所述流体通道，进一步包含多个平行的腔体，目的是为了更好的提高热交换的效率。

优选地，所述流体通道，通过数控加工、光化学蚀刻、挤压或其他加工方法预先成形为零件或整体，然后被焊接、钎焊或焊锡成为实体的内部结构。

优选地，所述的微通道网络(封闭网络)，通过数控加工、光化学蚀刻、挤压或其他加工方法预先成形为零件或整体，然后被焊接、钎焊或焊锡成为实体的内部结构。

优选地，所述的实体，通过3D打印的方式加工，形成包含流体通道和微通道网络(封闭网络)的内部结构。

优选地，所述的冷却模块(冷却部)设有两组散热片结构，被用来冷却双处理器计算机系统的同一侧存储器模块，和一个冷却部分位于两组散热片结构的中心。

优选地，所述的冷却模块(冷却部)，不超出目标电子设备的高度。

优选地，所述的冷却模块(冷却部)，有一个顶部部分作为散热片结构的基础，和一个液体流道嵌入在顶部部分，或周边，其中节点和路径的微通道网络横跨散热片、顶部部分和冷却部。

优选地，所述的U型金属片夹，还设有脊状结构，如在两个扁平翼部和顶部连接之间，向内弯曲，这样，在组装过程中，翼部和顶部之间，可以有相对位移。

优选地，所述的U形金属片夹，还包括两个单独的部件，放置在存储器模块的两个表面附近，其中，每个单独的部件有一个顶部，作为挂钩防止金属片夹向下移动到存储器模块的根部，并防止在侧向脱离存储器模块的接触面。

本发明的另一目的是提供另一种用于电子系统中存储器模块的冷却方法，达到最佳的传热、较低的流动阻力和易于生产制造的效果。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于电子系统中存储器模块的冷却方法，包含：

多个L形金属片夹，金属片夹设有第一平面，附着在电子元件上，在第一平面的尾部设有第二平面，该第二平面与垂直于电子元件接触面的平面冷却装置相连；其中，一对L形金属片夹从两侧覆盖存储器模块，对于每个单独的金属片夹，其第二平面具有开口段，其对面的第二平面可以装入；

平面实体板，其中，微通道网络嵌入并封闭在平面实体板内，两相工作流体填充在通道网络内并从外部密封；

冷却板，包含液体流道和两个用于循环外部液体冷却剂的端口；

所有L形金属片夹的第二平面配置成相同高度，位于同一平面内，承载微通道网络的平面实体板安装在第二平面的多个L形金属片夹上，远离存储器模块的冷却板，安装在平面实体板上，并通其间的界面热固定在所述平面实体板上。

优选地，所述的L形金属片夹，内嵌有微通道网络，并包含两相工作流体从外部密封；微通道网络从L形金属片夹的第一平面覆盖区延伸到L形金属片夹的第二平面覆盖区，其中，两相工作流体将从第一平面吸收的热量流动到第二平面。

优选地，在存储器模块旁边放置一块冷却板，并安装在一块平面实体板上，平面实体板上嵌入微通道网络，两相工作液从外部封闭起来。

本发明的再一目的是提供用于电子系统中存储器模块的冷却模组，达到最佳的传热、较低的流动阻力和易于生产制造的效果。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于电子系统中存储器模块的冷却模组，包括：

具有多个散热片结构和平底的挤压散热器；

平面实体板，其中，微通道网络嵌入并封闭在实体板内，两相流体填充在通道网络内并从外部密封；

承载液体流道的冷却板和两个用于循环外部液体冷却剂的端口；

多个金属片制成的金属片夹，金属片夹两翼上涂有导热脂，该金属片夹装配在散热器的散热片结构与存储器模块上的电子元件之间，以降低接触热阻；

金属片夹具有两个平面从两侧覆盖存储器模块，在存储器模块的电子元件与金属片夹之间使用界面热材料，如热垫片或导热脂；散热器联同金属片夹插入并填满存储器模块之间的间隙；散热器的上底座与平面实体板安装在一起，并在两者之间施以导热界面材料；远离存储器模块的冷却板固定在平面实体板上，在冷却板和在平面实体板之间施以导热界面材料。

优选地，所述的平面实体板，内部具有微通道网络和两相工作流体，可进一步弯曲或通过其他方式形成非平面形状，以满足电子系统的空间需求和与冷却板之间的装配需求。

优选地，所述的平面实体板，包含微通道网络和两相工作流体，被焊接、钎焊或锡焊到冷却板或带有散热片的挤压散热器上，或者同时被焊接、钎焊或锡焊，以便消除接触热阻。

优选地，进一步包括第二冷却板和第三冷却板，以便获得更好的冷却性能和冗余。

有益效果：

本发明的用于电子系统中存储器模块的冷却方法，平行通道的布置可以根据需要任意配置，以达到最佳的传热、较低的流动阻力和易于生产制造的效果。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。实施例中的实施条件和装置除非特别注明，均为本领域常规的实施条件和市场上可采购的常规的装置。

附图说明

图1A描绘了在1U高度的双处理器计算机系统中的存储器冷却模块组件。

图1B描绘了用于存储器模块的冷却模组的装配细节。

图2A描绘了冷却模组和该模组的A-A截面和B-B截面。

图2B描绘了冷却模组的A-A截面视图，隐藏其中的冷却液体流道显示了出来。

图2C描绘了冷却模组的B-B截面视图，隐藏其中的冷却液体流道显示了出来。

图3A描绘了冷却模组的散热片交汇端的截面，隐藏在冷却模组中的自组织热动力系统(SOTS)网络的微通道显示了出来。

图3B描绘了在冷却模块中嵌入的典型自组织热动力系统(SOTS)的通道网络。

图4描绘了金属夹的具体例。

图5描绘了一个冷却液体流道围绕冷却模组的优选实施例。

图6描绘了一个冷却液体流道围绕冷却模组的优选实施例。

图7描绘了一个冷却液体流道围绕冷却模组的优选实施例。

图8描绘了一个含独立散热片模组、SOTS热传递装置和冷却板的冷却模组的优选实施例。

图9描绘了一个含独立散热片模组、SOTS热传递装置和冷却板的冷却模组的优选实施例。

图10描绘了一个含有金属片或者SOTS片的冷却模组的优选实施例。

具体实施方式

图1A和图1B展示了一个冷却模块110，该冷却模块同时内嵌有一个自组织热力学系统(SOTS)和一个液体冷却室，然后将其装配到一个双处理器计算机系统120上，用来冷却多个存储模块130。所述冷却模块110高度较低，因此可以用于低高度电子系统，如1U高度的计算机服务器。在图1A和1B中，冷却模块110包括:中心部分112，具有两个端口113和114，以及用于液体冷却剂的内部液体流道；多个侧散热片115，从中心部分112的两侧延伸出来，侧散热片115间距均匀彼此分开，侧散热片115可插入多个存储器模块130彼此之间的间隙中，然后在两个远端重新聚集成一片；在侧散热片115和中心部分112中嵌入一个SOTS微通道网络，该网络包含两相工作流体，用于从存储器模块130中吸收热量，并与液体冷却剂进行热量交换，液体冷却剂在中心部分112的液体流道内持续循环。

在图1A和1B中，冷却模块110用于冷却两组存储器模块130，两组存储器模块130分别放置在前后两个处理器上。冷却模块110的顶部低于存储器模块130的高度或者和存储器模块130的高度相同。侧散热片115在装配允许的情况下压入，以便令散热片覆盖存储器模块130上所有的存储芯片，这些存储芯片在操作过程中会产生热量。中心部分112被抬高，以避免与电子元件(例如DIMM)的插槽部分的几何结构发生干涉。两个外部管道140平滑的连接到中心部分的两个端口114和115，以便液体冷却剂的循环进出。如图1B所示，U型金属片夹150首先被安装在存储器模块130上，金属片夹150两侧的内壁上各安装一个热垫片，并且与安装在存储器模块130上的存储芯片紧密接触。冷却模块110滑动到存储器模块之间的缝隙里与之紧密配合，使金属片夹150轻轻地压在存储器模块130上，使之保证良好的热接触。金属片夹150和存储器模块130之间的热垫片由此被压缩了。

图2A-2C公开了中心部分的液体流道的内部结构的具体实施例。图2B是图2A中的A-A剖面，显示包含多个多平行环形通道的液体流道。液体冷却剂在液体流道中的流动可以分为以下步骤：液体冷却剂通过端口212进入液体流道，进入引入腔室214，然后通过第一个多平行环形通道215，进入连接腔室216，其中液体流转180度，进入第二个多平行环形通道217，进入连接腔室218，其中液体流转另一个180度，进入第三个多平行环形通道219，进入连接腔室220，其中液体流转第三个180度，进入第四个多平行环形通道221，进入引入腔体222，最后离开端口224处。图2C是图2A中的B-B剖面，显示了第一个、第二个、第三个和第四个多平行环形通道215、217、219和221的剖面。在某些实施例中，端口212和224使用螺纹连接与外部配件连接。在另外的实施例中，插入212和214的连接管采用不可拆卸的焊接。多个平行通道可以形成其他各种的形状，如矩形、三角形、正方形。平行通道的布置可以根据需要任意配置，以达到最佳的传热、较低的流动阻力和易于生产制造的效果。所述液体流道的主体可以通过挤压、钻孔或3D打印等手段加工生产。承载液体流道的中心部分可以分别制造，然后通过焊接、钎焊、锡焊或机械固定等方式连接到冷却模块的其他部分。制作中心部分液流体道的另一种可选择的方式是将其切割成片，每一片单独加工出来，每一片可以与其它部件如散热片进行集成，然后通过焊接、钎焊或焊接进行组装和粘接，形成内部结构。

图3A和3B描绘了嵌入在冷却模块实体310内部的SOTS微通道网络320。图3A显示了一个散热片的横截面312，其中裸露的通道320覆盖了整个散热片区域并穿过中心部分314相连接。图3B示出了SOTS中的单个通道结构320，该结构被冷却模块的实体310完全封闭。SOTS通道网络320的支路通道覆盖在冷却模块的每个散热片上，并且在单个散热片内的通道支路之间以及相邻的垂直和侧向相交的散热片之间存在连接。SOTS通道网络可定义为节点-路径通道网络，其中节点是紧邻加热区(即高温节点)和冷却区(即低温节点)的网络部分。在图3B中，一个散热片中的加热节点有六个通道段，它们平行穿过散热片，从附着的存储芯片中吸收热量。有一些管道穿过中心部分，其中，液体冷却剂在液体流道330来回流过，这些管道是网络的冷却节点。SOTS通道网络内包含两相工质，由于不同节点间的温度和压力差，驱动两相工质沿通道流动，从而将热量从高温节点传递到低温节点。在本实施例中，SOTS通道网络的通道水力直径约为1毫米，该尺寸确保毛细力足够强大，在微通道内形成虹吸流。在某些情况下，只有一种流体存在于SOTS通道网络中，此时，工作流体的气相与其液相共存。由于加热和致冷的温度不均衡，导致SOTS通道网络内存在压力差，压力差驱动两相工质在网络中来回流动，偶尔伴有蒸发或凝结的相变导致的驱动。蒸发和冷凝引起工质体积突变，给流道内部热量和质量的流动的带来了不确定性和随机性。如果SOTS网络的拓扑结构和分布情况适当，内部热量和质量的流动具有自组织临界性的集体行为特征，表现为在热源与冷源之间通过SOTS通道网络的一种全局稳定、高效的传热模式。

图4描绘了一片金属片夹420与单个存储器模块410组装的例子。金属片夹420是冷却模块的散热片与安装在存储器模块410上的存储芯片之间的过渡材料。金属片夹420包括至少一个U型金属片夹421和两个热垫片422，其中热垫片422附着在金属片夹421的内壁表面上。金属片夹420套装在存储器模块410上，热垫片422接触和覆盖存储器模块410上的全部存储芯片。在将冷却模块装配到存储模块时，金属片夹420承受压力，保护存储芯片。在冷却模块与金属片夹420之间，首先在接触表面涂上热润滑脂，填充气隙，降低界面热阻。在某些情况下，更紧的贴合性使得金属片夹420和存储芯片，冷却模块和金属片夹420之间更好的接触。因此，当冷却模块被压下到存储器模块之间的空隙时，金属片夹将被压在存储器模块上，并压缩热垫片422。在这些情况下，金属片夹更好的保持夹装状态，并在热垫片422上保持均匀压力。因此，其他一些设计，如曲颈片夹430，可用于金属片夹，其中有两个弯曲结构432，当底部被水平推动时，将缓解金属片夹顶部造成的结构应力。在某些情况下，金属片夹进一步分为两部分，如金属夹片组440，由两片顶部有对合挂钩的金属片组成，将悬挂在存储器模块410的PCB412上，其顶部挂钩部分将防止金属夹片组440在组装冷却模块时掉落。金属片夹组440的两个单片组件可以轻松挂在PCB412上，同时在垂直于存储器侧面的方向上有一定的移动自由度，相对于前两种实施例，可减轻组装时在金属片侧向受力所带来形变应力的问题。

在某些实施例中，电子系统内部有更多的空间余量，冷却模块可以从存储器模块的顶部伸出。例如，一个2U计算机系统可能拥有相同的主板和相应的部件，这些部件的高度是1U计算机系统的两倍。另一个例子是由开放式计算项目中的开放式1U系统，高度48毫米，而不是一般定义的1U高度的44.5毫米。在这种情况下，SOTS通道网络的使用将不再局限于存储器模块的高度，网络布局也将更加多样化。图5描绘了这样的实例，该例子中，将顶部520部分添加到冷却模块并去除中心部分。在图5中，液体流道530被放置在冷却模块的周边和顶部520的下方。液体冷却剂将通过端口532和534进出，并通过液体流道530循环吸收热量。就像C-C剖面显示的那样，灰色阴影区域是液体流道530。D-D剖面包含了更多的结构细节。现在，散热片540从顶部520延伸出去。一个或多个SOTS通道网络嵌入在散热片540和顶部520中，从附着的存储芯片中吸收热量，将热量传送到用于液体冷却的液体流道530。在这种情况下，液体流道530的横截面532是矩形的。然而，530可以尽可能的按传热/磨损/成本等的要求做成任意形状。524是SOTS通道网络的一个例子。区别于图1的冷却模块，SOTS通道垂直延伸和通过顶部520段，从而延伸到液体流道的临近区域。

图6描绘了一个液体流道的替代设计方案，使用多个平行的流体腔代替图5所示的单个流体腔。通过将一个腔平行地分成多个小腔，将有更大的传热面积和更有效的热传递，从SOTS网络到液体冷却剂流动穿过液体流道。虽然较大的摩擦力会导致液体冷却剂流动的压头增加，但是它可以与整体性能的传热改善相平衡。

图7描绘了单组存储器模块的另一个可选择设计。它采用与图6相似的设计，区别在于增加顶部部分，并在冷却模块周围放置液体流道。如图7所示，连接外部液体冷却剂的端口位于冷却模块的前部。在实践中，端口将是依据实际的电子系统配置来设计的最方便的位置。

在某些实施例中，如果存储器芯片上的热强度不是很大，冷却模块的设计就可以进一步简化，例如，SOTS网络不需要嵌入到散热片中以强化局部传热。如图8所示，冷却模块分为三个单独的部分：带散热片的纯固态散热器810、内部镶嵌SOTS网络的平面传热装置820以及用于液体冷却剂循环的冷却板830。固态散热器可以挤压成型，成本低得多。SOTS传热装置(即820)连接在固态散热器810上，用螺钉固定。界面热材料，如热垫、导热脂，将适用于810至820之间的接触面积。SOTS传热装置可根据需要设计成特定的三维形状，使整个冷却模块适应电子系统的空间规格。如图8所示，SOTS传热装置(即820)延伸到远端并向下弯曲以连接冷却板830。SOTS传热装置(即820)与冷却板830之间的接触面上使用热垫片或导热脂等热界面材料。在某些情况下，SOTS器件820和冷却板830可焊接在一起，以消除接触热阻。

应该认识到，如图8所示的实例在一般设计范围内，可以以多种形式配置。图9公开了图8中设计的一些示例性替代方案。冷却板可以放置在存储器模块旁边，并且仍然位于整个装配的顶面之下。如果存储器模块周围的空间余量足够大，则SOTS传热装置的弯曲不是必须的。如图9所示，SOTS传热装置可以在存储器模块组前面或后面与冷却板连接。

在一些实施例中，不同系统中存储器模块的数量和安装间距不同，从而使得例如图8中使用的固定散热装置的使用场景具有局限性。图10公开了如图8所示的将热量从存储器芯片传递到SOTS传热装置的替代方法。连接到单个存储器模块1010上的是类似于图4中440的金属片夹1020，具有两个分离的平面部件1022和1024。1020设计得比440厚得多，这个厚度仍然在相邻存储器模块之间的空间容许范围之内。1022和1024的顶部1026处于组件允许的最大宽度，该处附有一个SOTS传热装置，并将热量传递到SOTS传热装置。在1020和1010之间，热垫片或导热脂可以用来减少局部接触热阻。螺丝可用于将1022和1024固定在一起，从两侧紧紧地连接到存储器模块1010。在某些情况下，纯金属制成的金属片夹1020可能不具有足够的导热性来传递存储芯片产生的热量。1020还可以进一步嵌入一个SOTS网络，以加强从1020侧向1026侧的热传递。