二氧化碳压缩气体电子设备冷却的方法和系统
技术领域
本公开涉及电子设备的冷却，并且更具体地涉及使用压缩气体来冷却电子设备的领域。
背景技术
电子组件的主动冷却方法通常包括通过可传导冷却板进行液体冷却，通过使用风扇或供气系统进行强制对流，或将组件散热掉较大热量的纯可传导方法。在某些应用中，以上缓解策略可能无法完全满足环境要求，或者由于各种原因可能无法实际实施。在某些情况下，仅在一定的时间间隔内需要冷却要求，因此复杂或昂贵的冷却基础设施在经济上不划算。
发明内容
本公开的一方面是一种压缩气体冷却系统，包括：至少一个压缩气体筒(cartridge)，其具有螺纹端；计量阀，其连接至至少一个压缩气体筒；控制器，其用于响应于来自至少一个温度传感器的温度阈值信息来致动计量阀；膨胀室，其流体连接至计量阀；散热器，其与电子部件热接触。
压缩气体电子设备冷却系统的一个实施例是，其中，压缩气体筒是二氧化碳。在某些情况下，至少一个压缩气体筒是两个筒。
在某些实施例中，散热器包含铝。在某些情况下，螺纹接口用作至少一个压缩气体筒的连接。
在压缩气体电子设备冷却系统的另一实施例中，该系统还包括经由温度感测电路致动的控制阀。
本公开的另一方面是一种冷却电子设备的方法，包括：提供至少一个与计量阀连通的压缩气体筒；用温度传感器感测至少一个电子部件的温度；提供膨胀室，其连接至计量阀并与散热器热接触，散热器与电子部件热接触；确定已经达到了散热器的阈值温度；响应于由温度传感器感测到的温度阈值，经由控制器来致动计量阀；在一段时间内将压缩气体从压缩气体筒释放到膨胀室中；通过传导，将较冷的温度从膨胀室传递到散热器；通过传导，将较冷的温度从散热器传递到电子部件，直到达到散热器的温度设定点为止；关闭计量阀，直到达到温度阈值。
电子设备冷却方法的一个实施例是，其中压缩气体筒是二氧化碳。在某些情况下，至少一个压缩气体筒是两个筒。
电子设备冷却方法的另一个实施例是，其中，温度阈值为70℃。在某些情况下，温度设定点为0℃。在某些实施例中，时间段在10分钟至15分钟之间。
在某些实施例中，散热器包含铝。在某些情况下，螺纹接口用作至少一个压缩气体筒的连接。
电子设备冷却方法的又一实施例还包括控制阀，其由温度感测电路来致动。
本公开的又一方面是一种压缩气体冷却系统，其包括：至少一个压缩气体筒，其具有螺纹端；计量阀，其通过螺纹接口而连接至至少一个压缩气体筒；控制器，其响应于来自至少一个温度传感器的温度阈值信息来致动计量阀；铝散热器，其具有内部冷却剂通道，该通道将排出的压缩气体引导至整个系统并与电子元件热接触。
压缩气体电子设备冷却系统的一个实施例是，其中，压缩气体筒是二氧化碳。在某些情况下，至少一个压缩气体筒是两个筒。
压缩气体电子设备冷却系统的某些实施例还包括控制阀，其由温度感测电路而致动。
本公开的这些方面并不意味着是排他性的，并且当结合以下说明书、所附权利要求书、和附图时，本公开的其它特征，方面、和优点对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
附图说明
根据本公开的特定实施例的以下描述，本公开的前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见，如附图所示，相同的附图标记在不同的视图中指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本公开的原理上。
图1A是本公开的系统的一个实施例的图。
图1B是本公开的系统的一个实施例的示意图。
图2是本公开的方法的一个实施例的图。
图3是本公开的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
所提出的电子设备冷却系统集成了现成的加压二氧化碳、利用二氧化碳作为冷却介质的冷却板、以及计量压缩气体释放的温度控制阀系统。该系统是独立的，可根据热负荷进行缩放，并可设计成适合小体积。在一个示例中，其提供了一种经济划算的技术来提供临时冷却。
本公开的特定实施例提供了一种用于电子设备的可缩放、紧凑、主动的冷却机构。这种主动的电子设备冷却机制适用于不具有内部冷却能力的平台。它也可用于扩展风冷或传导冷却系统的冷却能力。
在一个实施例中，该系统使用一次性二氧化碳罐(canisters)。这些罐通常在休闲产品(例如自行车轮胎充气机、气枪等)上用作推进剂。在某些实施例中，筒是圆柱形的，长约四英寸，直径约0.75英寸。在某些情况下，可以使用具有类似材料特性的压缩气体，但是二氧化碳罐的可用性和成本使其成为一个不错的选择。
本公开的系统的一个实施例使用压缩的二氧化碳罐的受控释放作为主动冷却散热器的机制。在某些情况下，控制电路会监控系统内的温度，并在达到温度阈值时激活控制阀。一旦达到阈值温度，就会在一段时间内将二氧化碳从罐排放到低压大气中。压力的大幅下降会导致排气温度急剧下降，从而使散热器冷却。在某些情况下，连接至散热器的电路卡会受益于二氧化碳罐/散热器组件的传导冷却。
参考图1A，示出了本公开的系统的一个实施例的图。更具体地，示出了连接至散热器20的可替换的二氧化碳筒10。散热器可以与电路卡组件(CCA)等热接触。如本文所使用的，热接触可以是直接接触或间接接触。例如，散热器可以直接降低电路卡组件的温度，但也可以间接降低一个或多个组件的温度。在这两种情况下，散热器都与电路卡和组件热接触。在系统的一个实施例中，压缩气体筒10经由连接器接口50而附接到散热器系统，使得该系统可以根据特定应用的需要可控制地释放压缩气体罐的内容物。连接器可以是螺纹的、卡扣的或类似的。在一个实施例中，诸如调节器的计量阀30提供了压缩气体的受控释放。计量阀30可以是手动的或电子的。在一个示例中，压缩气体进入膨胀室40，膨胀室40可以耦合或集成到散热器20中，并提供对散热器20的传导性冷却。膨胀室40提供了一种用于存储冷却气体的机构，并且根据应用来确定大小和位置。例如，膨胀室40可位于电路卡22的热区域附近，从而使来自散热器的传导冷却最优化。在另一个示例中，膨胀室是散热器20中的一系列通道，使得压缩气体循环通过散热器。可以根据设计标准来形成通道的尺寸和密度。在一个示例中，散热器将通过增材制造来制造。在一个示例中，腔室具有安全阀，该安全阀允许压缩气体在达到一定压力水平时逸出。应当理解，在膨胀时，在膨胀室40中产生冷却效果，并且该冷却效果被传递到散热器20。在另一个实施例中，取决于特定的应用，压缩气体可以被排放到大气中而不是排放到膨胀室中。排放到电子设备的腔室外壳中会降低腔室温度并对热特性产生某些影响。
参考图1B，示出了本公开的系统的一个实施例的示意图。更具体地说，电路卡组件(CCA)22连接至散热器20，散热器20连接至可更换的压缩气体筒10。在一些实施例中，该连接的特征类似于二氧化碳自行车轮胎充气机。随着气体逸出加压容器，气体变得极冷。在一个实施例中，计量阀或调节器被放置在冷却路径中。结果是散热器成为压缩气体系统的一部分。当计量阀打开时，整个散热器的温度将下降。在某些实施例中，当温度接近部件的最大结点温度或处于预设的阈值温度时，控制电路打开阀。该概念通常适用于短时任务或作为减轻包络要求边缘的手段。在某些情况下，可以在每次任务开始时更换二氧化碳筒。
在某些实施例中，可以串联使用一个以上的筒。在本公开的系统的一个实施例中，使用了一对压缩气体罐。根据特定电子系统的冷却要求，可以串联使用多个压缩气体筒并将其连接至单个散热器。如果有多个甚至更大的罐，则冷却时间可以延长。
参考图2，示出了本公开的方法的一个实施例的图。更具体地说，使用P1V1/T1＝P2V2/T2进行的计算表明，将12gm的二氧化碳筒完全排放到43立方英寸的散热器中会导致-110℃的气体温度，该温度将被散热器壁/电子设备吸收。通过使用计量阀以规则的温度间隔(例如当散热器达到70℃时)部分排放二氧化碳筒，电子设备可以冷却一段时间，直到循环重复进行。在一个实施例中，使用两个压缩气体筒需要大约四个循环来维持冷却状态达60分钟。在一个实施例中，组件的散热器需要大约10分钟的时间才能达到70℃。第一次释放压缩气体会导致散热器达到0℃的温度。然后，可能需要大约14分钟才能再次达到70℃的阈值温度。第二次释放压缩气体会导致散热器达到0℃的温度。然后，可能需要大约14分钟才能第三次达到70℃的阈值温度。第三次释放压缩气体会导致散热器达到0℃的温度。然后，大约需要14分钟才能第四次达到70℃的阈值温度。在一种情况下，系统消耗了两个压缩气筒，并在现场提供了一个小时的冷却。应当理解，取决于功率、环境温度、罐的大小和数量等，可以针对各种不同的应用以及各种不同的任务来定制该系统。
在一个实施例中，该系统是在具有侵蚀性热环境的特定产品上实施的。已确定由两个二氧化碳罐组成的冷却系统可以在70℃以上的温度下有效地将75W系统冷却60分钟。与使用固定热质量增加冷却容量的基准冷却概念相比，这意味着任务持续时间提高了80％。从理论上讲，由于冷却能力不直接与系统的热质量相关，因此系统重量也可以减少。
参照图3，示出了本公开的方法的一个实施例的流程图。更具体地，提供了至少一个与计量阀连通的压缩气体筒140。至少一个温度传感器感测至少一个电子部件、电路卡或诸如壳体之类的邻近部件的温度142。有多种类型的温度传感器，可以部署在电路卡、散热器、外壳上，甚至靠近通过红外感应测量温度的组件。提供了一种流体连接至计量阀并且与散热器热接触的膨胀室，其中，散热器与电路卡和电子部件热接触144。在一个示例中，监测阈值温度并且在达到阈值温度时146，响应于由温度传感器检测到的温度阈值，例如经由控制器来致动计量阀148。
如图3所示，压缩气体从压缩气体筒释放到膨胀室中150。在一个示例中，压缩气体被可控制地释放，并且可以经由计量阀停止和启动。来自膨胀室的较低温度通过传导传递到散热器152。来自散热器的较低温度通过传导传递到电路卡和电子部件，直到达到温度设定点154。然后关闭电子计量阀，直到达到温度阈值并且循环继续156。
在系统的一个实施例中，二氧化碳冷却系统的宽度大约是6英寸乘以14英寸长乘以1英寸高。它由具有上述尺寸的铝制冷却板、或散热器、2个二氧化碳罐、电路卡组件、和微型控制阀组成。在某些情况下，将二氧化碳罐拧入铝制冷却板中并提供主动的冷却“充气”。在某些实施例中，铝制冷却板具有内部冷却剂通道，该冷却剂通道将排出的二氧化碳引导至整个系统，使得当被激活时，与逸出的二氧化碳气体的速度相结合的急剧的压力下降将降低整体冷却板温度。
在一些实施例中，电路卡组件监测冷却板温度并提供用于排气阀的控制反馈机构。在某些情况下，当温度达到70℃阈值时，它将打开排气阀，直到温度达到下限。在某些实施例中，没有膨胀室；二氧化碳排放到大气中。由于二氧化碳是一种惰性气体，因此不会对电子设备或周围平台造成损坏。
在系统的一个实施例中，电子设备子组件通过直接拧入冷却板或散热器的紧固件而附接至冷却系统。热量从电子组件传导至二氧化碳冷却的冷却板上。在某些实施例中，该系统通过以规则的温度间隔部分排放二氧化碳，使电子组件在高于70℃的温度下运行约60分钟。在一个示例中，电子设备子组件总共消耗75W。如果从未达到70℃的阈值，则系统将不会开启，但将为下一次行程做好准备。为了在每次使用前为冷却系统重新充气，可以将二氧化碳罐取下并换成新的。另外，该系统的固有优势在于，随着海拔的升高，罐内部的压缩二氧化碳与大气之间的压差也会增加。这导致在较高海拔下的冷却效率提高。
应当理解，本发明可以以硬件、软件、固件、专用程序或其组合的各种形式来实现。在一个实施例中，本发明可以在软件中实现为体现在计算机可读程序存储设备上的有形应用程序。可以将应用程序上传到包括任何合适体系结构的机器并由其执行。
尽管已经详细描述了本发明的各种实施例，但是显然，那些实施例的各种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。然而，应该明确地理解，如所附权利要求书中所阐述的，这样的修改和改变在本发明的范围和精神内。此外，本文描述的发明能够具有其他实施方式并且能够以各种其他相关方式来实践或执行。另外，应当理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同形式以及其他项目，同时只有术语“由……组成”和“仅由……组成”应理解为限制性的。
为了说明和描述的目的，已经给出了本公开的实施例的前述描述。并不旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。根据本公开，许多修改和变化是可能的。意图是，本公开的范围不由该详细描述限制，而是由所附权利要求书限制。
已经描述了许多实施方式。然而，将理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下可以进行各种修改。尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是不应将其理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作以获得期望的结果。
尽管这里已经描述了本公开的原理，但是本领域技术人员将理解，该描述仅是通过示例的方式进行的，并且不作为对本公开范围的限制。除了在此示出和描述的示例性实施例之外，在本公开的范围内还可以想到其他实施例。本领域技术人员之一的修改和替换被认为在本公开的范围内。
