專利名稱：可逆的兩相和制冷回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域。更特別地，本發(fā)明涉及用于筆記本式計算機的熱管理技術(shù)。
背景技術(shù)：
計算機系統(tǒng)典型地包括多個電子組件(component)。這樣的組件可以包括中央處理單元(CPU)、芯片組和存儲器。在操作期間，所述組件散逸熱。另外，對于特定的器件而言，交流(AC)輸入功率向直流(DC)的轉(zhuǎn)變或者電壓的逐步升高或降低在計算機系統(tǒng)中產(chǎn)生熱。如果CPU，或者任何其他電子組件，變得過熱，性能可能受損，并且所述組件的壽命可能被縮短。
熱管理系統(tǒng)典型地被用來從計算機系統(tǒng)去除熱。熱管理系統(tǒng)的一個實施例是制冷回路(refrigeration loop)。制冷回路典型地使用工作流體(例如氟里昂)來冷卻系統(tǒng)的組件。蒸發(fā)器從所述元件獲得(pick up)熱。所述熱使得工作流體從液體變相成為液體和蒸汽的混合物或者純蒸汽。然后，作為壓縮器來運作的泵將工作流體傳送到熱交換器。壓縮器壓縮氣體或者提高氣體的壓力，這導(dǎo)致流體溫度的提高。熱交換器一般被耦合到風(fēng)扇，所述風(fēng)扇將熱從工作流體排除到周圍的空氣中，使工作流體變成液體。然而，所述液體仍然處于高壓力下。膨脹閥(expansion valve)將工作流體的壓力降低，并且將所述工作流體返回到蒸發(fā)器，以完成所述回路。
熱管理系統(tǒng)的另一個實施例是兩相冷卻回路(two-phase cooling loop)。像制冷回路一樣，兩相回路也使用泵來循環(huán)工作流體，以冷卻系統(tǒng)的組件。兩相回路一般使用例如水的工作流體。蒸發(fā)器從組件獲得熱。在蒸發(fā)器中，所述熱使得工作流體形成蒸汽。所述工作流體從蒸發(fā)器被輸出到熱交換器、冷凝器或者散熱器。熱交換器一般被耦合到風(fēng)扇，所述風(fēng)扇將熱從工作流體排除到周圍的空氣中。蒸汽在熱交換器中冷凝，將工作流體轉(zhuǎn)變回到液體。使用泵將工作流體驅(qū)使到蒸發(fā)器，以完成所述回路。所述制冷回路與所述兩相回路之間的基本差別在于，所述制冷回路中的熱交換器一般具有比所述兩相回路中的熱交換器更高的溫度。


圖1是可逆冷卻回路的流程圖；圖2是制冷模式操作中的可逆冷卻回路的實施方案；以及圖3是兩相模式操作中的可逆冷卻回路的實施方案。
具體實施方案在下面的詳細描述中，闡述了許多具體細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的全面理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在沒有這些具體細節(jié)的情況下，可以實施本發(fā)明。在其他實例中，沒有詳細描述公知的方法、過程、組件和電路，以免模糊本發(fā)明。
制冷回路提供比兩相回路更好的冷卻能力。然而，兩相回路消耗較少的功率，因為兩相回路中的泵只泵送(pump)具有液相的工作流體。相比之下，制冷回路中的泵泵送具有液相和汽相，或者只是汽相，的工作流體。此外，為了顯著地提高蒸發(fā)器的溫度，制冷回路中的泵對工作流體進行壓縮。提高制冷回路中溫度的原因?qū)⒃谙旅娓敿毜孛枋觥?br> 熱管理系統(tǒng)被設(shè)計來從熱源提取熱，通過工作流體將熱傳送到熱交換器，并且在熱交換器中將熱去除。工作流體在熱交換器的溫度越高，熱交換器越容易將熱排除。對本發(fā)明的一個實施方案而言，將風(fēng)扇耦合到熱交換器，以在工作流體通過所述熱交換器時對所述工作流體進行冷卻。然而，在將熱從熱源提取并且將所述熱傳送到熱交換器的過程中，工作流體經(jīng)常損失一些能量。熱的這種損失可以被描述為傳熱阻(heat transfer resistance)。
傳熱阻可以由以下方程式來定義θ＝ΔT/P這里，θ為傳熱阻，ΔT為源和目的地之間的溫度差，而P為由熱管理系統(tǒng)排除的功率。理想地，工作流體在熱交換器的溫度等于熱源的溫度。然而，由于像傳導(dǎo)和對流這樣的物理規(guī)律，這一點在實踐中是很難達到。為了傳送熱，需要溫度差異。而且，在從蒸發(fā)器到熱交換器的傳送中，熱會損失。因此，即使熱源的溫度可以是100攝氏度，而熱交換器中的工作流體可能只有50攝氏度。因為熱交換器使用周圍的空氣來幫助冷卻工作流體，如果熱交換器中的溫度低于或者等于周圍空氣的溫度，則熱交換器將不排除任何熱。
傳統(tǒng)的制冷回路通過在蒸發(fā)器和熱交換器之間使用泵或者壓縮器來幫助減輕傳熱阻的影響。傳熱阻等于溫度上的變化除以所排除的功率或能量。因此，功率排除等于傳熱阻除以溫度上的變化。由此可見，功率排除可以通過提高蒸發(fā)器和熱交換器之間的工作流體的溫度來增加。泵幫助提高工作流體的壓力。根據(jù)工作流體的熱力學(xué)性質(zhì)，壓力上的這種提高導(dǎo)致所述工作流體溫度上的提高。
圖1是包括兩種操作模式的可逆回路的流程圖，所述兩種操作模式利用傳統(tǒng)制冷回路和兩相回路的特征。第一操作模式可以是制冷循環(huán)(cycle)，在功能性方面，所述制冷循環(huán)與傳統(tǒng)制冷回路相類似的(comparable)。第二操作模式可以是兩相回路，在功能性方面，所述兩相回路與傳統(tǒng)兩相回路相類似的。對本發(fā)明的這個實施方案而言，所述制冷操作和兩相操作是同一回路的部分，并且因此共享相同的組件和相同的工作流體。工作流體可以是水、醇(alcohol)和水的混合物、氟里昂、超臨界二氧化碳或者任何其他制冷劑。
然而，所述制冷循環(huán)是在與所述兩相循環(huán)相反的回路方向上運行。當(dāng)希望功率節(jié)省時，可以使兩相循環(huán)運行。另一方面，可以使制冷循環(huán)運行來最大化計算機系統(tǒng)的冷卻能力。下面，在圖2和圖3中，將分別更詳細地描述所述可逆回路的制冷操作和兩相操作。
在操作110中，對計算機系統(tǒng)供電。所述計算機系統(tǒng)可以由電池或者AC電源供電。為了提高電池的放電周期，所述計算機系統(tǒng)可以在較低的頻率下運行，以降低功率消耗。在操作120中，硬件檢測電路可以確定所述計算機系統(tǒng)是由電池還是AC電源供電的。所述硬件檢測電路可以包括常規(guī)的組合邏輯。可替換地，在操作120中，所述計算機系統(tǒng)可以使用軟件來確定計算機系統(tǒng)的電源。
對本發(fā)明的一個實施方案而言，如果計算機系統(tǒng)由AC電源來供電，在操作130中則運行制冷循環(huán)來冷卻所述系統(tǒng)。否則，如果計算機系統(tǒng)由電池來供電，在操作140中則運行兩相循環(huán)來節(jié)省電源。
在操作145中，如果檢測電路確定計算機系統(tǒng)已從電池電源切換到AC線路電源，則所述系統(tǒng)可以從兩相循環(huán)切換到制冷循環(huán)。類似地，在操作135中，如果檢測電路確定計算機系統(tǒng)已從AC線路電源切換到電池電源，則所述系統(tǒng)可以從制冷循環(huán)切換到兩相循環(huán)。該切換簡單地通過改變泵的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。例如，所述泵可以從順時針旋轉(zhuǎn)改變成逆時針旋轉(zhuǎn)。以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來測量的泵的轉(zhuǎn)速在制冷模式中可以比在兩相模式中高得多。
對本發(fā)明的另一個實施方案而言，所述計算機系統(tǒng)的總功率消耗在操作120中確定。所述總功率消耗可以通過硬件或者軟件來確定。如果所述系統(tǒng)的功率消耗大于或者等于預(yù)定的閾值，則運行制冷循環(huán)130。否則，如果所述系統(tǒng)的功率消耗小于預(yù)定的功率閾值，則運行兩相循環(huán)140。
對本發(fā)明的又一個實施方案而言，所述檢測電路監(jiān)視計算機系統(tǒng)或者計算機系統(tǒng)組件的溫度。如果所述溫度高于預(yù)定的閾值，則運行制冷循環(huán)130。另一方面，如果所述溫度低于預(yù)定的閾值，則運行兩相循環(huán)140。
對本發(fā)明的再一個實施方案而言，在操作120中，計算機系統(tǒng)監(jiān)視計算機系統(tǒng)正在運行的應(yīng)用。如果所述計算機系統(tǒng)檢測到預(yù)定的應(yīng)用正在運行，則運行制冷循環(huán)130。否則，運行兩相循環(huán)140。
對本發(fā)明的再一個實施方案而言，如果計算機系統(tǒng)是在最高性能模式下，則運行制冷循環(huán)130。計算機系統(tǒng)可以被用戶置于最高性能模式下，以充分利用CPU能力。
所述可逆回路利用相同的組件來執(zhí)行制冷循環(huán)和兩相循環(huán)。如圖2和3所示的制冷循環(huán)和兩相循環(huán)的組件包括蒸發(fā)器210、泵220、熱交換器230、風(fēng)扇235和膨脹閥240。蒸發(fā)器210被耦合到泵220和膨脹閥240。泵220被耦合到熱交換器230。熱交換器230被耦合到風(fēng)扇235和膨脹閥240。
通過改變泵220的旋轉(zhuǎn)方向，所述可逆回路可以在制冷循環(huán)和兩相循環(huán)之間切換。如果泵220在第一方向上旋轉(zhuǎn)，所述熱管理系統(tǒng)則運行在制冷循環(huán)中。如果泵220在第二方向上旋轉(zhuǎn)，所述熱管理系統(tǒng)則運行在兩相循環(huán)中。當(dāng)運行在制冷循環(huán)中，泵220還可以在每分鐘更高的轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)下運行。
對圖2的制冷操作而言，蒸發(fā)器210被熱耦合到熱源。作為實施例，蒸發(fā)器210可以被放置在所述熱源的頂部。所述熱源可以是計算機系統(tǒng)的CPU。蒸發(fā)器210從所述熱源獲得熱，加熱所述工作流體。
所述工作流體在蒸發(fā)器210中變相。在抵達蒸發(fā)器之前，所述工作流體包括液相。當(dāng)工作流體在蒸發(fā)器210獲得熱時，所述工作流體會沸騰并且形成蒸汽。于是，在從熱源獲得熱之后，所述工作流體包括液相和汽相。泵220被耦合到蒸發(fā)器210，并且將離開蒸發(fā)器210的所述工作流體泵送到熱交換器230。
泵220可以是齒輪泵、葉輪泵、再生泵(regenerator pump)、擺線泵(Gerotor pump)，或者允許可以切換旋轉(zhuǎn)方向操作的任何其他泵。旋轉(zhuǎn)的變化改變了入口和出口方向。與兩相模式相比，在制冷模式中，泵的速度可以高得多。泵220壓縮工作流體的液體和流體混合物。這一點具有提高所述工作流體壓力的作用。當(dāng)工作流體壓力提高時，所述工作流體的溫度也在飽和狀態(tài)下提高。
在熱交換器230或者冷凝器內(nèi)部，工作流體中的熱通過風(fēng)扇235排除到周圍的空氣中，并且蒸汽冷凝。在冷凝期間，所述蒸汽被轉(zhuǎn)變成液體。然后，膨脹閥240降低所述工作流體的壓力來完成制冷循環(huán)。
對本發(fā)明的一個實施方案而言，膨脹閥240可以是止回閥樣的設(shè)備，所述止回閥樣設(shè)備允許工作流體在任一方向上流動。當(dāng)工作流體在第一方向上流動時，膨脹閥240通過提供大的流動阻力來降低所述工作流體的壓力。如果工作流體在相反的方向上流動時，膨脹閥240不影響所述工作流體的壓力。
對本發(fā)明的另一個實施方案而言，膨脹閥240可以是主動(active)設(shè)備，例如致動器。檢測電路對所述致動器提供有關(guān)熱管理系統(tǒng)的操作模式的信息。如果可逆回路是在制冷模式中，當(dāng)工作流體通過時，所述致動器降低所述工作流體的壓力。
兩相循環(huán)在圖3中示出。所述兩相循環(huán)在所述制冷循環(huán)的相反方向上運行。因此，在蒸發(fā)器210從熱源獲得熱之后，工作流體向膨脹閥240而不是泵220移動。膨脹閥240允許所述工作流體通過膨脹閥240而沒有顯著的壓力下降。因此，當(dāng)所述可逆回路是在制冷循環(huán)中時，膨脹閥240僅在另一個方向上使工作流體的壓力下降。
然后，熱交換器230使工作流體中的蒸汽冷凝，并且通過風(fēng)扇235將熱從所述工作流體排除到周圍的空氣中。最后，泵220將工作流體泵送到蒸發(fā)器210來完成循環(huán)。只要計算機系統(tǒng)是在所述兩相循環(huán)中，所述回路就可以無限地繼續(xù)。
在前面的說明書中，本發(fā)明已參照其具體的示例性實施方案進行了描述。然而，應(yīng)該清楚，在沒有偏離所附的權(quán)利要求書中闡述的本發(fā)明更寬的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和變化。因此，所述說明書和附圖應(yīng)以說明性而非限制性的意義來對待。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括確定計算機系統(tǒng)的功率消耗水平；如果所述功率消耗水平高于預(yù)定閾值，則以第一冷卻循環(huán)冷卻所述計算機系統(tǒng)；以及如果所述功率消耗水平低于所述預(yù)定閾值，則以第二冷卻循環(huán)冷卻所述計算機系統(tǒng)，其中所述第一冷卻循環(huán)和所述第二冷卻循環(huán)在冷卻回路的相反方向上運行。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中改變泵旋轉(zhuǎn)方向使得所述計算機系統(tǒng)從所述第一冷卻循環(huán)切換到所述第二冷卻循環(huán)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中所述泵在所述第二冷卻循環(huán)中需要較少的功率來運行。
4.如權(quán)利要求2的方法，其中所述泵傳送工作流體。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中在所述第一冷卻循環(huán)中，所述泵傳送包括液相和汽相的工作流體。
6.如權(quán)利要求4的方法，其中在所述第二冷卻循環(huán)中，所述泵傳送包括液相的工作流體。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述計算機系統(tǒng)是筆記本式計算機。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中所述計算機系統(tǒng)在由交流(AC)電源供電時具有比所述預(yù)定閾值高的功率消耗水平。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中所述計算機系統(tǒng)在由電池供電時具有比所述預(yù)定閾值低的功率消耗水平。
10.一種方法，包括用制冷操作來冷卻由交流(AC)電源供電的計算機系統(tǒng)；以及如果所述AC電源被改變成電池電源，則切換到兩相操作來冷卻所述計算機系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中所述制冷操作比所述兩相操作提供更強的冷卻。
12.如權(quán)利要求10的方法，其中所述兩相操作比所述制冷操作需要較少的功率來運行。
13.一種筆記本式計算機系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)，包括熱生成組件；蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器被耦合到所述組件來將熱從所述組件去除，其中所述熱通過工作流體來傳送；以及泵，所述泵被耦合到所述蒸發(fā)器，以將所述工作流體從所述蒸發(fā)器傳送到熱交換器，其中所述泵在第一操作模式中將所述工作流體的溫度提高，其中所述泵的旋轉(zhuǎn)方向在第二操作模式中被逆轉(zhuǎn)。
14.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，還包括風(fēng)扇，所述風(fēng)扇被耦合到所述熱交換器，以將熱從所述工作流體排除到周圍的空氣中。
15.如權(quán)利要求14的熱管理系統(tǒng)，其中所述工作流體包括水。
16.如權(quán)利要求14的熱管理系統(tǒng)，其中所述工作流體在所述蒸發(fā)器內(nèi)部變相，以變成水和蒸汽的混合物。
17.如權(quán)利要求15的熱管理系統(tǒng)，其中所述工作流體還包括醇。
18.如權(quán)利要求16的熱管理系統(tǒng)，其中所述蒸汽在所述熱交換器中冷凝。
19.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，還包括膨脹閥，所述膨脹閥被耦合到所述熱交換器，以在所述第一操作模式中降低所述工作流體的壓力。
20.如權(quán)利要求19的熱管理系統(tǒng)，其中所述膨脹閥在第二操作模式中允許所述工作流體從所述蒸發(fā)器通到所述熱交換器，其中所述工作流體在所述蒸發(fā)器的壓力大約等于所述工作流體在所述熱交換器的壓力。
21.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中所述泵是齒輪泵。
22.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中所述泵是葉輪泵。
23.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中所述泵是再生泵。
24.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中如果所述筆記本式計算機系統(tǒng)由交流(AC)電源供電，則所述熱管理系統(tǒng)被設(shè)置成所述第一操作模式。
25.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中如果所述筆記本式計算機系統(tǒng)由電池電源供電，則所述熱管理系統(tǒng)被設(shè)置成所述第二操作模式。
26.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中如果所述筆記本式計算機系統(tǒng)的組件具有比預(yù)定閾值更高的溫度，則所述熱管理系統(tǒng)被設(shè)置成所述第一操作模式。
27.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中如果預(yù)定的應(yīng)用正在所述筆記本式計算機系統(tǒng)上執(zhí)行，則所述熱管理系統(tǒng)被設(shè)置成所述第一操作模式。
28.如權(quán)利要求13的熱管理系統(tǒng)，其中所述組件是處理器。
29.一種熱管理系統(tǒng)，包括通過冷卻回路來冷卻筆記本式計算機系統(tǒng)的裝置，所述冷卻回路具有第一操作和第二操作；以及在所述冷卻回路中用于逆轉(zhuǎn)工作流體的方向的裝置，用來降低用來運行所述熱管理系統(tǒng)的功率。
30.如權(quán)利要求29的熱管理系統(tǒng)，還包括用于確定所述筆記本式計算機系統(tǒng)的電源的裝置。
全文摘要
描述了一種用于筆記本式計算機系統(tǒng)的可逆冷卻回路。具體地，在低功率水平下，執(zhí)行兩相流體冷卻回路來節(jié)省電池壽命。在高功率水平下，執(zhí)行制冷回路。
文檔編號F25B9/00GK1882900SQ200480034129
公開日2006年12月20日 申請日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日
發(fā)明者希曼舒·波克哈納 申請人:英特爾公司