CN222071155U - 一种用于高功率密度处理器的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于高功率密度处理器的冷却装置，包括：冷却板，其包括冷却板基座和位于所述冷却板基座上的用于形成冷却液流动通道的部分；以及蒸发腔散热器，其直接位于所述冷却板下方，并且包括支撑结构和位于所述蒸发腔散热器的内部空间中的吸液芯结构；其中，所述冷却板基座的下表面直接面对所述蒸发腔散热器的所述吸液芯结构和所述支撑结构，以充当所述蒸发腔散热器的冷凝端。

Description

一种用于高功率密度处理器的冷却装置

技术领域

本公开总体上涉及处理器技术领域，并且更具体地，涉及一种用于高功率密度处理器的冷却装置。

背景技术

随着人工智能(AI)技术领域的飞速发展，诸如中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)等处理器的热设计功率(TDP)及其功率密度(瓦特/平方厘米)不断增长，以满足越来越高的处理器性能需求。在本领域中，热设计功率(TDP)是处理器在运行实际应用时能够产生的最大热量，它主要用于将处理器与能够有效冷却该处理器的适当散热器相匹配。为了在处理器运行时对处理器进行散热，通常使用冷却板(cold plate)，其是广泛用于数据中心中的服务器处理器的一种液冷冷却技术。液冷冷却板是一种流体的热交换器，经常用做电子设备的底座或元器件的散热，其通过水或者其他冷却液在通道内强迫对流，从而带走安装在其上或其下的电子设备或元器件的耗散热。

然而，随着处理器的TDP及其功率密度的持续增长，例如，一种用于AI服务器的GPU的TDP已达到1000W，并且其局部功率密度甚至超过300W/cm²，而一家著名芯片公司的另一种GPU的TDP高达1500W。显然，传统的液冷冷却板已无法满足如此高功率的处理器的散热需求。

目前为应对高功率带来的散热需求，已提出一种两相冷却板，其通常使用氟化物或其它化合物作为冷却液，通过其从液态变为气态的相变过程来带走热量。然而，这种两相冷却板不仅需要对冷却板结构和二次侧循环回路中的部件进行重新设计，导致成本高昂，而且氟化物一般也不环保，并且氟化物本身也比传统冷却板中使用的冷却液(例如，去离子水、纯水、乙二醇或丙二醇，等等)要昂贵。此外，这种两相冷却板也并不能很好地解决局部高功率密度区域的散热问题。因此，在数据中心的处理器中并不采用这种两相冷却板。

因此，在本领域中需要一种能够对功率不断增长(例如，达到1500W以上)并且具有局部热点的处理器进行有效散热，同时成本较低并且环境友好的冷却方案。

实用新型内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种用于处理器的冷却装置，包括：冷却板，其包括冷却板基座和位于所述冷却板基座上的用于形成冷却液流动通道的部分；以及蒸发腔散热器，其直接位于所述冷却板下方，并且包括支撑结构和位于所述蒸发腔散热器的内部空间中的吸液芯结构；其中，所述冷却板基座的下表面直接面对所述蒸发腔散热器的所述吸液芯结构和所述支撑结构，以充当所述蒸发腔散热器的冷凝端。

在实施例中，所述用于形成冷却液流动通道的部分包括微通道散热结构，更具体而言，所述用于形成冷却液流动通道的部分包括鳍片结构。

在实施例中，所述冷却板基座和所述用于形成冷却液流动通道的部分由金属构成，更具体而言，所述金属包括铜或铝。

在实施例中，所述冷却板还包括：顶盖，其覆盖所述冷却板基座和所述用于形成冷却液流动通道的部分，并且被配置有冷却液入口连接器和冷却液出口连接器。

在实施例中，所述冷却液包括去离子水、纯水、乙二醇或丙二醇中的任一种。

在实施例中，所述蒸发腔散热器的所述支撑结构包括底部结构和位于所述底部结构上的间隔开的支柱，其中，所述底部结构的下表面为经由热界面材料与所述处理器接触的蒸发表面。

在实施例中，所述蒸发腔散热器的所述支撑结构由金属构成，更具体而言，所述金属包括铜或铝。

在实施例中，所述蒸发腔散热器中的由所述支柱隔开的腔体中包括纯净水。

附图说明

附图被并入本文并形成说明书的一部分，例示了本公开的实施例并与说明书一起进一步用以解释本公开的原理，并使相关领域的技术人员能够做出和使用本公开。

图1示出了根据本公开的实施例的用于处理器的冷却装置。

图2A-2D示出了根据本公开的实施例的用于形成冷却装置的各步骤的示意图。

将参考附图描述各实施例。

具体实施方式

现在将参考示例性实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特征在其它例子中也可以进行组合。

要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可包括特定的特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的措辞用语未必是指相同的实施例。另外，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其它实施例实现此类特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围之内。

图1示出了根据本公开的实施例的用于处理器的冷却装置100。如图1所示，冷却装置100包括冷却板110和蒸发腔散热器120这两部分，分别由虚线框示出。

在实施例中，冷却板110包括冷却板基座112、位于冷却板基座112上的鳍片结构114、覆盖冷却板基座112和鳍片结构114的顶盖116、以及安装于顶盖上的冷却液入口/出口连接器118。

在实施例中，如图1所示，冷却板基座112和鳍片结构114可以是一体的，通过切割、刨削或铲齿等技术来制作。在实施例中，冷却板基座112和鳍片结构114可以由金属制成，包括但不限于铜和铝。在其他实施例中，冷却板基座112和鳍片结构114可以由其他具有良好导热性的材料制成。

在实施例中，如图1所示，冷却板基座112可以形成为1毫米厚或近似厚度。在其他实施例中，冷却板基座112可以具有其他厚度，例如，1.2毫米、1.5毫米或者2毫米，本公开的实施例不限于此。本领域技术人员应当理解，冷却板基座112优选具有较薄的厚度以提高热传导，但过薄的金属板可能导致变形，导致器件的鲁棒性变差。因此，在器件的厚度和鲁棒性方面存在权衡。

在实施例中，如图1所示，鳍片结构114可以由多个间隔开的鳍片构成，每个鳍片可以具有0.2毫米的宽度，并且相邻鳍片之间可以具有0.2毫米的间距。在其他实施例中，鳍片结构114可以具有其他的宽度和间距。此外，在又一些实施例中，根据需要，冷却板110可以具有其他形式的用于液体流动的微通道结构。

在实施例中，冷却板110中使用的冷却液可以是去离子水、纯水、乙二醇或者丙二醇、或其他适当液体，其成本较低并且环境友好，但本公开的实施例不限于此，在其他实施例中也可以使用其他类型的冷却液。

在实施例中，尽管图1中仅示出一个连接器118，但是本领域技术人员应当理解，冷却液入口连接器和冷却液出口连接器分别位于顶盖116上的不同位置上，例如，在图1所示的截面图中位于页面内外的位置上。根据上述的冷却板结构，在工作时，冷却液从入口连接器进入冷却板，沿着鳍片结构114流动，最后从出口连接器流出，从而将热量从位于基座112下表面下方的器件带走。

进一步如图1所示，在实施例中，蒸发腔散热器120直接位于冷却板110下方。在实施例中，蒸发腔散热器120包括支撑结构和位于蒸发腔散热器120内部的蒸发腔体中的吸液芯结构126。如图所示，可以看到，支撑结构包括底部结构122和位于底部结构122上的各个间隔开的支柱124，而吸液芯结构126位于由底部结构122、基座112的下表面和支柱124所限定出的各个空间中，并且沿着底部结构122和支柱124布置，从而形成各个腔体。在实施例中，所形成的腔体中包括水，例如纯净水。

在实施例中，支撑结构可以由金属制成，包括但不限于铜和铝。在其他实施例中，支撑结构可以由其他具有良好导热性的材料制成。在一些实施方式中，支撑结构的金属材料可以与冷却板110的冷却板基座112和鳍片结构114所使用的金属材料相同。

在实施例中，蒸发腔散热器120可以具有3毫米的厚度。在其他实施例中，蒸发腔散热器120可以具有更大或更小的厚度，优选地，蒸发腔散热器120具有3至5毫米之间的厚度。

如图1所示，可以看到，由虚线框所标示的蒸发腔散热器120基本上与在风冷技术中惯常使用的蒸发腔散热器的结构相同，只是蒸发腔散热器120不包含用于冷凝作用的上部金属板。如本领域技术人员所知的，蒸发腔散热器在工作时，其底部结构122接触热源并受到加热，使腔体中的液体蒸发为气体，气体受热上升，在到达上部金属板112后重新凝结成液体并散热，最后，凝结的液体通过吸液芯结构回流到腔体底部的蒸发端。因此，蒸发腔散热器的上部金属板112起到冷凝作用，是蒸发腔散热器的必不可少的一部分。

然而，如果将包含上部金属板的常规蒸发腔散热器直接与冷却板集成，就会导致蒸发腔散热器的上部金属板与冷却板基座这两块金属板的表面之间产生额外的接触热阻，这导致二者之间的热传递效率降低。因此，在本公开的实施例中，去掉了常规蒸发腔散热器的上部金属板(即，冷凝端)，并且直接使用冷却板的基座作为蒸发腔散热器的冷凝端，使得冷却板和蒸发腔散热器形成一个整体的装置。也就是说，冷却板110与蒸发腔散热器120共用一块金属板(即，基座112)，使得冷却板110的基座112的下表面直接面对蒸发腔散热器120的内部结构，即，支撑结构和吸液芯结构，使得蒸发的水蒸气遇到冷却板基座的下表面时发生冷凝，并且通过吸液芯结构回流到腔体底部的蒸发端。因此，在本公开中，不再需要单独形成蒸发腔散热器120的用于冷凝作用的上部金属板。

在实施例中，如图1所示，蒸发腔散热器120的底部结构122的下表面为蒸发表面，其通过一层热界面材料与处理器接触。随后，蒸发腔散热器120的蒸发表面能够有效且快速地将处理器的热量，尤其是局部热点的高密度，沿着底部结构122扩散开，并通过蒸发作用将热量传导到上部的冷却板110，然后进一步通过冷却板的液体的流动而有效地散除热量。

因此，本公开的实施例所提供的冷却装置100能够提供快速高效热扩散的冷却方案，其对局部高热量的热点尤其有效，并且由于不需要重新设计冷却板结构，也不需要增加新的部件，因而成本相对较低。

图2A-2D示出了根据本公开的实施例的用于形成图1的冷却装置100的各步骤的示意图。

如图2A所示，首先使用金属切割、刨削或铲齿等技术在一块金属板上提供冷却板基座212及其上方的鳍片结构214或其他形式的微通道散热结构。在实施例中，所述金属板可以是铜或铝，但本公开不限于此。

如图2B所示，提供蒸发腔散热器。在实施例中，首先提供带有凹陷形状的底部结构222，然后在底部结构222的凹陷表面上提供多个间隔开的支柱224。在实施例中，底部结构222和支柱224由金属构成，例如但不限于铜或铝。

接下来，在通过底部结构222和支柱224所限定的各个单独的空间中形成吸液芯结构226。从图2B中可以看出，吸液芯结构226沿着底部结构222和支柱224形成，并且形成为环形，从而限定出空腔。在实施例中，吸液芯结构226的上表面与支柱224和底部结构222的上端齐平。

如图2C所示，提供被配置有冷却液入口/出口连接器218的顶盖216。接下来，通过使用金属钎焊技术或扩散焊技术或其它连接技术，将顶盖216、带有鳍片214的冷却板基座212、以及由底部结构222、支柱224和吸液芯结构226构成的蒸发腔散热器依次组装在一起，成为一个整体。组装后的装置结构如图2D所示，其与图1所示的装置100相同。

本公开提供了一种能够有效地去除高热流密度处理器上的热点，并且成本相对较低的冷却装置。本公开将常规的单相冷却板与蒸发腔散热器相结合，通过使用冷却板的基座作为其下部的蒸发腔散热器的上部冷凝端，从而形成一个整体的冷却装置，由此能够快速地从处理器表面上的局部高功率密度热点区域散除热量，并且显著降低处理器温度。本公开所提供的冷却装置对于功率达到1500W以上的处理器的散热尤其有效。

本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (11)

1.一种用于处理器的冷却装置，包括：

冷却板，其包括冷却板基座和位于所述冷却板基座上的用于形成冷却液流动通道的部分；以及

蒸发腔散热器，其直接位于所述冷却板下方，并且包括支撑结构和位于所述蒸发腔散热器的内部空间中的吸液芯结构；

其中，所述冷却板基座的下表面直接面对所述蒸发腔散热器的所述吸液芯结构和所述支撑结构，以充当所述蒸发腔散热器的冷凝端。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述用于形成冷却液流动通道的部分包括微通道散热结构。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其中，所述用于形成冷却液流动通道的部分包括鳍片结构。

4.根据权利要求2或3所述的冷却装置，其中，所述冷却板基座和所述用于形成冷却液流动通道的部分由金属构成。

5.根据权利要求4所述的冷却装置，其中，所述金属包括铜或铝。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述冷却板还包括：

顶盖，其覆盖所述冷却板基座和所述用于形成冷却液流动通道的部分，并且被配置有冷却液入口连接器和冷却液出口连接器。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述冷却液包括去离子水、纯水、乙二醇或丙二醇中的任一种。

8.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述蒸发腔散热器的所述支撑结构包括底部结构和位于所述底部结构上的间隔开的支柱，其中，所述底部结构的下表面为经由热界面材料与所述处理器接触的蒸发表面。

9.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述蒸发腔散热器的所述支撑结构由金属构成。

10.根据权利要求9所述的冷却装置，其中，所述金属包括铜或铝。

11.根据权利要求8所述的冷却装置，其中，所述蒸发腔散热器中的由所述支柱隔开的腔体中包括纯净水。