用于使用相變材料的冷卻設(shè)備的方法和裝置制造方法
【專利摘要】在一些實施例中，公開了具有金屬氫化物的冷卻裝置。
【專利說明】用于使用相變材料的冷卻設(shè)備的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及冷卻系統(tǒng)，特別是使用諸如金屬氫化物的相變材料的冷卻系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0002]本發(fā)明的實施例在附圖的圖示中通過示例而非限制的方式示出，在附圖的圖中相同附圖標記表示相似的部件。
[0003]圖1是根據(jù)一些實施例的冷卻裝置的透視圖。
[0004]圖2示出了根據(jù)一些實施例的氫氣從容器A移動到容器B的能量轉(zhuǎn)移過程。
[0005]圖3示出了根據(jù)一些實施例的氫氣從容器B移動到容器A的對環(huán)境的受控能量釋放。
[0006]圖4是根據(jù)一些實施例的具有電可控隔膜閥的冷卻系統(tǒng)的示意圖。
[0007]圖5是示出了根據(jù)一些實施例的在示例中在室溫下在PEM膜的任一側(cè)作為時間的函數(shù)的H2的壓力圖。
[0008]圖6是示出了根據(jù)一些實施例的針對H2通過圖5的隔膜進行傳輸?shù)碾娏鲗Ρ葧r間的視圖。

【具體實施方式】
[0009]小的形狀因數(shù)設(shè)備(例如智能電話和平板計算機)可能會受外皮溫度人體工程學(xué)極限和內(nèi)部部件結(jié)溫度的熱制約。工業(yè)設(shè)計趨勢是在提高性能的同時將這些裝置制造得盡可能的薄。使裝置變薄并且提高性能的綜合影響惡化了熱問題，使得外皮溫度(Tskin)成為主要的制約。熱工程師優(yōu)化它們的設(shè)計(部件放置，熱量分布，熱控制算法)，但是期望的性能極限在這些較薄的系統(tǒng)中可能仍是不足的。
[0010]改進的熱技術(shù)包括利用相變材料(PCM)來儲存在裝置升溫時的散熱，以吸收在例如視頻會議的渦輪(處理器加速)偏移或擴展的高端性能期間的熱量。PCM的一種示例是例如二十烷的石蠟，其在37攝氏度下熔化。熔點可以基于例如Tskin的制約而選擇。為了具有競爭力，電子平臺應(yīng)該設(shè)計成限制它們的外皮溫度。用于玻璃的典型人體工程學(xué)的Tskin極限是40攝氏度，并且對于諸如鋁的金屬是38攝氏度。在相變?nèi)刍^程期間(固體到液體)，用于石臘的蓄能能力或潛熱是大約200J/gram。在處理固體/液體PCM時的問題是由于它們在熔化時變成液體，因此它們通常必須被容納。此外，這種PCM的熱傳導(dǎo)率可能是極低的(0.25W/m開氏溫度)。所以有效地利用這種PCM可能需要使用散熱器和密封容器。傳統(tǒng)的PCM潛熱也可能并非很引人注目。此外，熔化過程很少受到控制。因此，希望有新的方法。
[0011]在一些實施例中，公開了冷卻(或傳熱)裝置，其使用可控的蓄能過程，使得在電子系統(tǒng)中當用于部件的擴展性能需要時可以迅速地移除熱量。例如，這種公開的系統(tǒng)在容許的極限內(nèi)可用來保持它們的Tskin和部件結(jié)溫度(TJ)。在一些實施例中，例如金屬氫化物的相變材料(其從固體變化到氣體并且返回到固體)可用于在潛熱相變轉(zhuǎn)換期間迅速地吸收能量，并且在一些實施例中，將其傳送離開區(qū)域(或部件)以被冷卻。
[0012]圖1示出了根據(jù)一些實施例的冷卻系統(tǒng)。通常包括第一容器(容器A)，第二容器(容器B)、可控閥以及通過可控閥將容器A流體地耦合到容器B的管。容器A包括金屬氫化物(例如MmNi4.15Fe0.85)，并且容器B也包括金屬氫化物。在一些實施例中，容器B具有諸如LaNi4.8Sn 0.2的金屬氫化物，其可以具有比容器A低的相關(guān)聯(lián)的相變溫度。這些AB5金屬氫化物或其它金屬氫化物可以儲存相對大量的熱能，例如，是現(xiàn)在使用的從固體轉(zhuǎn)變到液體的諸如石蠟的PCM材料的熱能的3到4倍。
[0013]另外參考圖2和3，第一容器(A)從用于計算平臺裝置(例如智能電話、平板計算機、PC、服務(wù)器等)的電子部件(例如CPU或SoC芯片)熱導(dǎo)熱量。在消耗大量功率的高性能偏移期間，熱量可以被傳導(dǎo)離開芯片，從而將增加的能量消散到容器A中的金屬氫化物(例如，AB5金屬氫化物)。(注意為了易于說明，而使用簡單的芯片，但是應(yīng)該意識到任何熱功率源都可以使用本文論述的方法進行冷卻。冷卻容器或其組合可以安裝到電子設(shè)備或其它設(shè)備的任何希望的部分。)
[0014]容器應(yīng)該由合適的結(jié)構(gòu)制成，例如容器設(shè)計成在預(yù)期最壞情況的溫度和壓力下可靠地容納氫氣。雖然這種典型的情況少有，如果沒有用于這種技術(shù)的液體容納需求，將仍然需要合理地容納氫氣(H2)。一個方法可以使用非常薄的不銹鋼容器以容納金屬氫化物，其通常具有粉末形式。容器可以小型化以安裝在小的形狀因數(shù)平臺上，例如智能電話、平板計算機，或其它小的移動電子設(shè)備，如圖3所示。
[0015]在一些實施例中，芯片可按下面的方式被冷卻。最初，容器A中的金屬氫化物(MHA)充滿H2,而容器中B的金屬氫化物(MHB)十分缺乏H2。此外，閥關(guān)閉使得H2不能在容器之間流動。當需要芯片的額外冷卻時，閥被電子控制以允許H2通過，來進行按需冷卻。可使用任何適當?shù)目刂乒芾硌b置，例如在電子設(shè)備中的專用控制電路或一些其它控制塊。例如，許多計算平臺具有熱管理系統(tǒng)，其可用于電子地控制閥以按需要冷卻芯片。控制器可以監(jiān)視容器A上的溫度。一旦加熱到預(yù)定值，閥可被打開，或它可以通過位于裝置內(nèi)的部件或其它位置的其它傳感器來控制。
[0016]當閥打開時，氫氣迅速地從充滿的MHA放出，從而增加容器A中的壓力，然后移動到容器B，在那里被吸收。在容器A中的解吸期間，過程是吸熱的，通過容器和平臺的熱特性控制，這樣凈能量吸收到金屬氫化物粉末中。凈效果是對通過熱傳導(dǎo)聯(lián)系到容器A的部件(例如芯片)的冷卻。在容器B中，壓力增加直到獲得在兩容器之間的平衡壓力，并且MHB完全充滿氫。此時閥可以再一次關(guān)閉。
[0017]在典型的循環(huán)中，在高功率產(chǎn)生情況(例如處理器加速情況)結(jié)束之后，容器A中的吸熱反應(yīng)冷卻芯片。當容器B中的金屬氫化物吸收H2，反應(yīng)是放熱的，從而釋放能量，但是以減小的壓力和溫度。在針對容器B材料的降低的相變溫度的情況下，在容器B周圍所產(chǎn)生的溫度可以比用于激活容器A中的金屬氫化物的溫度低得多。容器B可以位于遠離高功耗電子部件的平臺的冷卻部分，在那里熱量可以更容易消散?？梢杂^察到在管內(nèi)沒有可觀的熱量或冷卻發(fā)生，確切地，反應(yīng)發(fā)生在金屬氫化物所位于的容器A和B中。
[0018]可以使用任何適當?shù)拈y結(jié)構(gòu)。例如，可以是機械閥，例如電致動的機械閥，或者可選地，可使用電子致動的可滲透高分子電解質(zhì)膜(PEM)作為閥。這在圖4中示出。
[0019]圖4示出了金屬氫化物熱交換裝置，如本文教導(dǎo)的，利用氫核交換膜(例如，類似那些在燃料電池中使用的)實施的閥。當用作燃料電池時，氫核交換膜以下面的方式工作。氫氣暴露在燃料電池陽極側(cè)的催化劑上，其將兩個電子分離離開兩個氫核。對于這樣的兩個分子，在陽極的分離可以通過以下方程來表示:
[0020]陽極:2H2— 4H++4e_
[0021]氫核通過例如高分子電解質(zhì)膜(PEM)的隔膜滲透到在相對側(cè)的陰極。并行地，電子穿過圍繞隔膜的電路移動到陰極，而空氣暴露于陰極催化劑，從而在氧、氫核和形成水的電子之間發(fā)生反應(yīng)。
[0022]陰極:02+4H++4e—2H2O
[0023]總體:2H2+02— 2 H2O
[0024]通過圍繞隔膜的并聯(lián)電路移動到陰極的電子產(chǎn)生勢能，其驅(qū)動過程。
[0025]另一方面，有關(guān)本公開，如果過程是反向的，并且電壓施加在電路兩端，當H2通過隔膜從陰極滲透到陽極時，H2的流動可以被控制。所以，當PEM用作閥時，例如如圖4所示，當高功率事件(例如，處理器芯片在超高等級下被驅(qū)動)將要發(fā)生時(或甚至在它剛發(fā)生以后)，電壓被驅(qū)動在隔膜兩端，從而允許H2氣體從容器A流動到容器B。如上述論述的過程，這導(dǎo)致在容器A中的金屬氫化物吸熱地改變相，從而釋放它的H2,并且實質(zhì)上潛熱經(jīng)由H2氣體從容器A轉(zhuǎn)移到容器B。這將迅速地從芯片，或從任何熱安裝到容器A的熱源散熱。
[0026]當系統(tǒng)處于較低活性，或冷卻之后，容器A中的金屬氫化物可被重新帶電。在PEM兩端的極性反向，從而允許控制H2以相反方向返回到容器A。
[0027]所以，能夠看出由于PEM，H2的流動可以在正反向方向被電子地控制。另一個能力是能夠停止H2通過隔膜在長時間段內(nèi)的流動。這可以通過斷開電路并將電壓降到零來實現(xiàn)。此外，如果H2在一側(cè)(例如在容器A側(cè))被耗盡，流動將下降到零，并且盡管有電壓電位，然而也沒有H2傳輸。
[0028]作為示例，并且參考圖5和6，Naf1n膜用于PEM閥以使用恒定電壓+/-1OOmV控制H2的流動。不同的電壓將改變流速，并且當電路斷開時，H2不能通過閥流動。在該示例中，經(jīng)過大約2700秒的間隔，在容器A中的H2被耗盡，在容器A中的壓力下降到接近零的情況下，電流降低到零。在那時，電路斷開，并且沒有H2通過隔膜。在大約1900秒以后，施加的極性被反向，并且過程依次反向。
[0029]在該示例中，使用金屬氫化物存儲能量芯片可以冷卻到40攝氏度大約1800秒，這相對于在沒有它們的情況下僅僅數(shù)秒。不同的目標可以根據(jù)設(shè)計和溫度極限來選擇。
[0030]在一些實施方式中，這種可控的儲能系統(tǒng)可以僅僅在必要時被激活，以控制芯片，或在平臺上的其它部件的加熱和冷卻，并且防止Tskin熱點在高性能使用(例如極端平臺功率徒增或用于像視頻會議或其它高性能應(yīng)用之類的應(yīng)用的擴展性能)期間偏移。容器A應(yīng)該定位于平臺上的熱源附近。容器B可以位于平臺的冷卻區(qū)域，并且如果需要在H2吸收和解吸過程期間Tskin溫升最小化，則分布開較大的面積。理想方案可以是獲得遍布設(shè)備的同表皮溫度，保持低于人體工程學(xué)極限。在容器A和B之間沒有實際的傳熱發(fā)生，H2的傳輸僅僅是由于在能量交換期間的壓差。
[0031]如圖3所示，在容器B頂上，使用固體/液體或固體/固體PCM的另一個相變材料可以施加于容器B，以幫助減輕輕微的放熱反應(yīng)。這些PCM可以是塑性晶體、聚乙醇、或其它PCM。在容器A和B中的金屬氫化物可以是不同的，并由此可以產(chǎn)生不同量的H2。在這種情況下，在每個容器中的金屬氫化物的量將是不同的，使得所產(chǎn)生的H2量通過在兩個容器中吸收的H2量來平衡，用于最有效率的使用。此外，添加劑(例如聚四氟乙烯或鋁)可以添加到容器內(nèi)的金屬氫化物中，以增加各自的熱傳導(dǎo)率。
[0032]在之前的說明書和隨后的權(quán)利要求中，以下術(shù)語應(yīng)該如下解釋:可使用術(shù)語“耦合”和“連接”以及它們的派生詞。應(yīng)當理解的是這種術(shù)語不意味著互相作為同義詞。相反地，特別是在實施例中，“連接”用來表示兩個或多個部件彼此直接物理或電接觸?！榜詈稀庇脕肀硎緝蓚€或多個元件共同工作或互相作用，但是它們可以或可以不直接物理或電接觸。
[0033]本發(fā)明不局限于描述的實施例，而是可以在附加權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)改變和變化來實現(xiàn)。例如，應(yīng)該理解本發(fā)明可以應(yīng)用于各種形式的半導(dǎo)體集成電路(“1C”)芯片。這些IC芯片的示例包括而不限于處理器、控制器、芯片組部件、可編程邏輯陣列(PLA)、存儲芯片、網(wǎng)絡(luò)芯片、PMIC等。
[0034]也可以理解在一些附圖中，信號導(dǎo)線表示線路。一些信號導(dǎo)線可能較粗以表示更多組成的信號通路，具有標簽數(shù)以表示多個組成的信號通路，和/或具有在一端或多端的箭頭以表示主要的信息流動方向。然而這不應(yīng)該以限制的方式被解釋。相反，這樣附加的細節(jié)可以用于與一個或多個示例性實施例聯(lián)系，以便于更容易理解電路。任何表示的信號線，不管是否具有附加信息，實際上都可以包括一個或多個信號，其可以在多個方向行進并且可以以任何適當類型的信號方案來實施，例如利用不同對、光導(dǎo)纖維線路、和/或單端線路實施的數(shù)字或模擬線路。
[0035]應(yīng)該理解，雖然已經(jīng)給出示例的尺寸/模式/值/范圍，但是本發(fā)明并不限于此。如隨著時間制造技術(shù)(例如，光刻術(shù))的成熟，可以預(yù)期較小尺寸的器件被制造。此外，眾所周知的電源/接地到IC芯片及其它部件可以在圖內(nèi)示出，或為了例示和討論的簡單，而可以不必在圖內(nèi)示出以便不模糊本發(fā)明。此外，布置可以以方框圖形式示出，以免使本發(fā)明模糊，并且由于相對于這樣方框圖布置的實施方式的細節(jié)情況高度地依賴于在實施本發(fā)明內(nèi)的平臺，即這樣的細節(jié)應(yīng)該最好在本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍內(nèi)。在具體細節(jié)(例如，電路)被闡述以便描述本發(fā)明實施例的示例的情況下，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是本發(fā)明可以在沒有這些具體細節(jié)或改變這些細節(jié)的情況下來實施。說明書由此被認為是說明性的而非限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種裝置，包括: 具有金屬氫化物的容器；所述容器被安裝到表面，以通過從所述金屬氫化物中釋放出的氫將熱量傳導(dǎo)離開所述表面。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括通過可控閥流體耦合到所述第一容器的第二容器。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第二容器包括吸收從所述第一容器中的所述金屬氫化物中釋放出的氫的物質(zhì)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述物質(zhì)包括第二金屬氫化物，所述第二金屬氫化物具有與所述第一金屬氫化物相同或比所述第一金屬氫化物低的相變溫度。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第二金屬氫化物包括LaNi4.8Sn0.2。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述閥是PEM閥。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括控制器，用以與功率驟增事件相關(guān)聯(lián)地打開所述閥。
8.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第二容器具有熱安裝到其表面的至少一部分的固液相變材料。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述固液相變材料包括石蠟。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述金屬氫化物包括MmNi4.15Fe0.85。
11.一種計算平臺，包括: 芯片封裝；以及 具有金屬氫化物的容器；所述容器熱傳導(dǎo)地安裝到所述芯片封裝的表面，以將熱量傳導(dǎo)離開所述芯片封裝。
12.如權(quán)利要求11所述的計算平臺，還包括通過可控閥流體耦合到所述第一容器的第二容器。
13.如權(quán)利要求12所述的計算平臺，其中所述第二容器包括吸收從所述第一容器中的所述金屬氫化物中釋放出的氫的物質(zhì)。
14.如權(quán)利要求13所述的計算平臺，其中所述物質(zhì)包括第二金屬氫化物，所述第二金屬氫化物具有與所述第一金屬氫化物相同或比所述第一金屬氫化物低的相變溫度。
15.如權(quán)利要求14所述的計算平臺，其中第二金屬氫化物包括LaNi4.8Sn0.2。
16.如權(quán)利要求12所述的計算平臺，其中所述閥是PEM閥。
17.如權(quán)利要求12所述的計算平臺，還包括控制器，用以與對于所述芯片封裝的功率驟增事件相關(guān)聯(lián)地打開所述閥。
18.如權(quán)利要求11所述的計算平臺，其中所述金屬氫化物包括MmNi4.15Fe0.85。
19.一種計算平臺,包括: 處理器芯片； 具有第一金屬氫化物的第一容器，所述第一容器被安裝成將熱量傳導(dǎo)離開所述處理器芯片并進入所述第一容器中；以及 具有第二金屬氫化物的第二容器，所述第二容器通過可控閥流體耦合到所述第一容器。
20.如權(quán)利要求19所述的計算平臺，其中所述處理器芯片是用于平板計算機或智能電 話的SOC芯片。
【文檔編號】F25B23/00GK104302991SQ201380017294
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】D·錢德蘭, D·J·納爾遜, M·蒂魯馬拉, A·庫馬爾, A·塔萊卡爾 申請人:英特爾公司