专利名称：用于模块化叶片机箱的可重新构形的气流导向器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及计算机和电信设备，尤其但不排他地涉及用于计算机和电信设备机箱的可重新构形的气流导向器。
背景信息高级电信构架(ATCA)(也称为高级TCA)标准定义了基于开放式转换结构(open switch fabric)的平台，陈述了用于下一代电信和数据中心设备的高性能、容错以及可升级的解决方案的工业标准。ATCA的开发是在PCI工业计算机制造者组织(PICMG)内实现的。
高级TCA 3.0基本规范定义了基于在可换热的叶片之间的转换结构连接的现成的、模块化机箱的物理和电气特性。该规范定义了框架(机架)和支架(机箱)形状因数、核心底板结构连接性(core backplane fabric connectivity)、功率、冷却、管理接口以及依据ATCA的板的机电规范。机电规范基于现有的IEC60297EuroCard形状因数，并使来自不同供应者的设备能够合并成模块形式并保证运转。ATCA 3.0基本规范还定义每板200瓦特(W)的功率预算，从而能实现有多处理器构架和多十亿字节的板上存储器的高性能服务器。
虽然ATCA标准是关于提供标准化电信和计算机组件接口和互用性的正确的方向上的一步，但其某些设计方面是有限制的。特别地，每板槽200W的功耗对于板可产生多少热的设置了限制，同时没有限定热源的位置。(注意，200W限制适用于占据单个槽的板。允许占据多个槽的板有更高的功耗，例如，占据两个槽的前板限于400W)。为了满足不断增长的带宽要求，，设备性能需要提高，在其它的板组件改进中就需要有更快的处理器。当考虑到相同的半导体制造工艺时，速度和功耗之间有直接的关系-处理器的速度越快，处理器的功耗越大，因此更大量的热必须由容纳处理器的ATCA板散出。鉴于ATCA基本规范定义的刚性板和支架的形状因数，这引起了在实现对于诸如处理器之类的高功率组件的充分冷却方面的问题，因为200W的大部分将被这种组件消耗。
附图简述当结合附图参见以下详细描述来理解时，本发明的前述的方面和很多随之而来的优点将变得更容易理解，附图中，除非另有说明，否则相似的参考标号指的是各图中相似的部件，附图中
图1是由ATCA(高级电信构架)定义的用于冷却ATCA板的示例性气流图案的示意图；图2是根据本发明的一个实施例的可重新构形的气流导向器的立体图，可调节该可重新构形的气流导向器以选择地改变穿过ATCA板的气流；图3a是用于形成图2的气流导向器的气流导向器模块的正视立体图；图3b是图3b的气流导向器模块的后视立体图；图4a是一对气流导向器模块的立体图；图4b是示出用于将气流导向器模块耦合起来的耦合机构的细节的特写立体图；图5a和5b是气流导向器模块和用于阻断气流导向器入口的所选部分的一对咬接阻件；图6a和6b是气流导向器模块的正视立体图，它包括可改变位置的可调节入口风门以改变穿过ATCA板的所选部分的气流；图6c是图6a和6b的气流导向器模块的后视立体图；图7a和7b是其中可实现图1的气流导向器的ATCA机箱所选部分的立体图，其中图7a的实施例示出包括用于将气体抽吸穿过气流导向器的第一组换热风扇的构造，而图7b的实施例还包括用于将气体推压穿过气流导向器的第二组换热风扇；图7c是对应于图7b的实施例的ATCA机箱的立体图。
较佳实施例的详细描述此处描述了用于增强计算机和电信设备机箱中的冷却的装置和方法的实施例。在以下描述中，陈述了诸如对应于ATCA标准的实现之类的很多具体的细节，以提供对本发明的实施例的彻底的理解。然而，相关领域的技术人员将认识到本发明可在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下或者同其它方法、组件、材料等来实施。在其它情况下，不详细描述或示出众所周知的结构、材料、或操作，以避免使本发明的诸内容方面模糊不清。
本说明书全文中的“一个实施例”或“实施例”的引用意思是结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书全文的各个位置中的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现未必全指相同的实施例。此外，还可在一个或多个实施例中，将这些特定的特征、结构或特性结合成任何适当的方式。
在以下的段落中，在以ATCA设备安装为目标的使用环境中描述本发明的示例性实施例。然而，这并不将此处公开的原理和教示的使用限于ATCA设备。相反，以下实施例仅仅是说明性的一种可能装置类型。一般而言，该原理和教示可适用于各种类型的模块化电子设备，包括但不限于电信设备和计算机设备。
由于简单、相对低的成本、易于实现和可靠性，目前安装在中心站和数据中心中的大部分设备是空气冷却的。由于相同的原因这种趋势很可能继续到未来。因此，ATCA规范中定义的热准则应用于空气冷却；其它冷却方法是允许的，但没有包含在本规范中。一般而言，板、支架和框架可在没有风扇或鼓风机的帮助的情况下通过自然对流来冷却，或者在风扇或鼓风机的帮助下通过强制对流来冷却。该选择取决于终端用户的要求。
图1中示出了ACTA PICMG3.0简易格式规范(2003年1月)中用作例子的气流路径。气流进入支架100，在前面下部的进气口102进入底部通风室104并向上翻转90度。均匀地分配穿过前板106和后转移模块(RTM)108的底部边缘的气流。当气体通过前板106和RTM 108上的热组件时，通过强制对流将热带走。气体在顶部离开子机架，而被抽吸入上部通风室110，翻转90度，并通过风扇112排出支架100的后部。除所示结构外，在ACTA标准下允许其它气流路径和冷却方法。
图1中示出的标准冷却构造有几个缺点。特别是，它假设所有板的冷却要求是基本相同的，其中穿过所有板的气流近似相等。此外，它没有考虑个别板上的“热点”，而是再一次采用平均气流方法。相反，典型的ATCA机箱内的功耗(由此产生热)是不均匀的，某些类型的板产生的热比其它类型的板多。此外，在很多板中，仅几个组件(诸如处理器)就会对于板产生大部分的热。如果没有提供充分的气流，则这些组件将变得过热。
根据此处描述的实施例的诸内容方面，通过有选择地构造成可重新构形的气流导向器的应用来向高功率组件和板提供较大的气流，同时向低功率的组件和板提供较小的气流而有助于增强的冷却。鉴于ACTA和其它标准提出的模块化设计概念，可将气流导向器包含为可用于标准ACTA机架的模块化管道设备的一部分。
图2示出了根据一个实施例的可重新构形的气流导向器200的全图。气流导向器包括通过将多个气流导向器模块202耦合起来形成的组件，它的其它细节在图3a-b和4a-b中示出。每一个气流导向器模块包括多个气流通道，经由这些气流通道气体从气流导向器的入口侧改变方向到出口侧。在所示的实施例中，气流导向器模块202中的每一个包括三条气流通道204、206和208。然而，这仅仅是示例性的，可采用其它数量的气流通道。由于耦合在一起，每一个气流通道变成了管道。因此，气流导向器202包含多个管道210，它用于将气体更有效地有选择地引导到其中安装了气体导向器的ATCA机箱的不同的区域。可有选择地阻断各管道(部分地或完全地)以减少这些管道穿过从接收气流组件的气流。这使穿过所选板、甚至穿过所选板上的各区的气流可改变，以更有效地利用由用于抽吸和/或推压气体穿过气流导向器的各管道的风扇所产生的气流。
在一个实施例中，有用于其中安装了气流导向器的机箱中的各自对应的槽的一组管道。例如，一种ATCA机箱形状因数提供用于14个单宽度ATCA板的14个槽。因此，图2中的气流导向器202的实施例包括通过将14个气流导向器模块202耦合起来形成的14组管道210。
在图3a-b、4a-b和5a-b中示出了气流导向器模块202的一个实施例的细节。气流导向器模块包括外壳300，它具有用于形成气流通道的多个内肋。在一个实施例中，外壳在构造上基本为矩形。在图3a的实施例中，内肋包括肋302、304和306。肋一般具有曲线形状以改变在入口308、310和312接收的气流的方向以及在出口314、316和318排出的气流的方向。
在图4a和4b中示出了用于将气流导向器模块202耦合起来的耦合机构的细节。每一个气流导向器模块202包括四个啮合件400，它们被构造成啮合四个接合件凹槽402。每一个啮合件400包括啮合对应的接合件凹槽402的凸出404，该凸出404将一对气流导向器模块202耦合起来。
如以上所讨论的，气流导向器200的实施例可提供用于选择地阻断所有或一部分所选管道的机构。在一个实施例中，如图5a和5b所示，气流导向器200包括设置在管道的各入口和出口处的多个槽500。一般将槽构造成适合多个目的。一方面，槽提供强化功能，增加各个气流导向器模块202以及所组装的气流导向器200的强度。
另一方面，在气流导向器的出口侧上的槽可被构造成在离开槽的气流中生成湍流，因此增强了经由湍流强制对流气流的热转移。除槽以外，其它装置可用于在离开气流导向器出口的气流中生成湍流。例如，可在气流导向器模块的侧壁上形成凸块或类似物。
槽500的另一个目的是提供啮合装置，可经由该啮合装置安装咬接阻件。例如，图5a和5b分别示出安装到气流导向器模块202中之前和之后的示例性咬接气流阻件502和506。咬接气流阻件502包括在气流阻件的每一端处的一个或多个啮合件504，它利用咬接动作啮合气流导向器模块中的对应的槽。
一般而言，取决于设计阻件阻断的入口和出口的部分，咬接气流阻件的宽度可以改变。例如，咬接阻件可用于阻断跨越一个或多个槽的一部分入口或出口。例如，咬接阻件502被构造成阻断整个入口310，同时单槽咬接阻件506被构造成阻断单个槽。此外，此处图中所示的槽的宽度和数量仅仅是示例性的。一般而言，槽可以是均匀间隔的，或具有可变的间距。另外，全部或一部分给定的入口和出口可包括没有槽的单个开口。
取决于系统的具体的冷却要求，可利用适当尺寸的咬接气流阻件有选择地阻断各种槽500。一般而言，当将气体推压进入气体导向器入口时，咬接气流阻件可用于阻断入口。当将气体抽吸进入入口时(例如，利用位于机箱顶部的风扇)，可安装咬接气流阻件以阻断所选部分的入口和出口。
在另一种气流调节技术下，气流导向器模块的一个或多个包括可调节的入口风门。例如，包括可调节入口风门600和602的气流导向器模块202A的细节。每一个入口风门经由枢轴608轴耦合到对应的肋604和606。在一个实施例中，在入口风门中形成一对相对的短轴以形成旋转轴，其中相对的短轴啮合到肋中的接合凹槽，入口风门轴耦合到该肋。在另一个实施例中，轴通过形成于入口风门和肋中的孔来插入。
一般而言，可采用各种方案以使入口风门能改变位置。在图6a-c所示实施例中，多个插销610形成于外壳300A中。接合凸出形成于每一个入口风门的一侧(如图所示)或两侧(未示出)。凸出、入口风门和枢轴被配置成允许入口风门改变位置以啮合所选插销610。一般而言，采用可调节入口风门的气流导向器模块可包括或不包括类似于槽500的槽(在这种情况下，槽用于加强的目的)。
如图6c所示，空腔612形成于外壳300A的后侧，使得在外壳300A的后部和形成于壳的前侧的轴616之间形成肋614。注意，可将类似的构造用于气流导向器模块202。
一般而言，气流导向器模块202和202A可由适当的塑料或金属形成。在一个实施例中，如本领域已知的，塑料气流导向器模块采用注塑成型工艺来形成。也可采用其它塑料成型技术，如但不限于真空成形和旋转成型。金属气流导向器模块一般可采用诸如铸造和锻造等传统的金属成形技术来形成。
图7a-c中示出了用于ATCA机箱的气流导向器200的示例性实施。为了清楚的目的，图7a和7b中去除了ATCA机箱的所选部分。图7c中示出了基本完整的机箱。
图7a示出用于ATCA机箱构造的气流，该构造包括朝向顶部通风室702设置的多个轴流风扇700(见图7c)。该构造称为“抽吸”构造，因为气体通过在气流导向器的出口侧形成微小的真空来抽吸穿过气流导向器200的各管道。在一个实施例中，轴流风扇700是包括多个“可换热”风扇的模块化风扇组件的一部分，意思是可在不对其它风扇断电的情况下替换故障的风扇。
在图7b和7c中，另一组轴流风扇701朝向ATCA机箱710的前面下部设置，以将气体推入气流导向器200的入口侧。该构造称为“推压”构造，因为气体通过轴流风扇701推压进入气流导向器200的入口侧。注意，当装配了轴流风扇700和701两者时存在推压和抽吸构造的组合。在一个实施例中，轴流风扇701是包括多个换热风扇的模块化风扇组件的一部分。
除此处图中描述的轴流风扇外，还可采用其它类型的风扇。例如，可采用一个或多个离心风扇来代替或增加到轴流式风扇。
ATCA机箱710包括用于引导ATCA前板708的安装的顶部和底部导向槽架704和706。一般而言，在典型的ATCA安装中，在给定的ATCA机箱中可安装多个ATCA前板。为了清楚起见，图7a-c中仅描述了单个ATCA前板。此外，ATCA前板将耦合到后面板，为了清楚起见，图7a-c中也未示出。此外，还将典型的一个或多个RTM(也未示出)耦合到后面板。
如图7a和7b所示，气流通道204和206用于引导穿过ATCA前板的气流，而气流通道208用于引导穿过RTM的气流。因此，可期望的是如图7b和7c的推压构造所示，当将气体推压进入各入口时，阻断没有应用RTM的槽的全部或部分入口312(例如，见图3a)。对于其中将气体抽吸进入气流导向器的诸实施，如图7a的抽吸构造所示，可阻断没有RTM的槽的全部或部分出口318。类似地，对于推压构造阻断空的前板槽(即，被构造成接收ATCA前板的空槽)全部或部分的入口308和310是有利的，而对于抽吸构造阻断全部或部分出口314和316是有利的。
当采用包括图6a-c所示的气流导向器模块中的一个或多个的气流导向器时，可进行相似类型的调节。在这种情况下，可调节入口风门600和602以按期望的方式改变气流。一般而言，入口风门的调节可类似于推压和抽吸两种构造。
在一个实施例中，气流导向器200包括在ATCA机箱中易于去除、重新调节以及重新安装的组件模块。例如，可将气流导向器安装到耦合于ATCA机箱的下部的轴上。在一个实施例中，ATCA机箱710的侧板712用于起气流导向器组件中的气流导向器模块盖板的作用，从而形成了该第一气流导向器模块中的管道。
此外，还可将一个或多个过滤元件设置在气流导向器的入口和/或出口侧。为了清楚起见，图中没有示出这种过滤元件。
除以上讨论以及本说明书的附图中所示的示例性ATCA机箱的诸实施外，上述实施例的一般原理和教示可实施用于设计成引导穿过一个或多个电路板的气流的各种类型的冷却系统。非唯一的系列的示例性诸实施包括计算机服务器(例如，叶片服务器)、医学设备(例如，超声波机)以及电信设备(例如，转换器、路由器等)。
本发明所示的实施例的以上描述(包括摘要中描述的内容)不是排他的也并不打算将本发明限于此公开的这些确切的形式。尽管为了说明的目的在此处描述了本发明的具体的实施例和例子，但正如相关领域的技术人员可认识到的那样，还可在本发明的范围内进行各种等效修改。
可根据以上详细的描述来对本发明进行这些修改。不应将以下权力要求中的诸项解释为将本发明限于说明书和权利要求书所公开的诸具体实施例。相反，本发明的范围完全由以下权利要求书确定，它应根据权利要求表明的确定原则来解释。
权利要求
1.一种气流导向器，包括多个管道，每一个所述管道具有一气流入口，以接收在所述气流导向器的入口侧供给的气流；以及一气流出口，以在所述气流导向器的出口侧排出穿过所述管道的气流，所述气流出口以至少具有两行和两列的栅格来构造。
2.如权利要求1所述的气流导向器，其特征在于，所述管道的至少一部分具有可调节的气流入口，以允许调节进入所述气流入口的气流。
3.如权利要求2所述的气流导向器，其特征在于，所述可调节的气流入口包括可调节的入口风门，所述风门可旋转以调节邻近的气流入口的尺寸。
4.如权利要求1所述的气流导向器，其特征在于，还包括多个气流阻件，每一个所述气流阻件的尺寸满足可至少部分地阻断所述气流入口或所述气流出口中的一个，以减小通过对应的管道的气流。
5.如权利要求4所述的气流导向器，其特征在于，所述气流阻件利用咬接机构耦合到所述入口或出口。
6.如权利要求1所述的气流导向器，其特征在于，所述气流入口被设置成基本垂直于所述气流出口。
7.如权利要求1所述的气流导向器，其特征在于，所述气流入口以栅格来构造。
8.如权利要求1所述的气流导向器，其特征在于，所述气流导向器由多个气流导向器模块形成，每一个模块包括具有从其延伸的多个肋的外壳，从而在所述肋之间形成气流通道，所述气流导向器模块层叠在一起以形成多个管道。
9.如权利要求8所述的气流导向器，其特征在于，所述气流导向器模块利用多个咬接配合耦合来彼此耦合。
10.如权利要求1所述的气流导向器，其特征在于，所述气流导向器被构造成用作ATCA(高级电信架构)机箱中的底部通风室。
11.如权利要求1所述的气流导向器，其特征在于，还包括安装到所述气流导向器的入口侧的风扇组件，所述风扇组件包括至少一个风扇，以引导气流进入所述气流入口。
12.一种装置，包括通风装置，包括，多个管道，每一个所述管道具有一气流入口，以接收在所述通风装置的入口侧供给的气流；以及一气流出口，以在所述通风装置的出口侧排出穿过所述管道的气流，所述气流出口以至少具有两行和两列的栅格来构造；以及用于调节穿过所选管道的气流量的装置。
13.如权利要求12所述装置，其特征在于，还包括可操作地耦合到所述通风装置、用于在所述通风装置的入口侧提供气流的装置。
14.如权利要求13所述装置，其特征在于，所述用于在所述通风室装置的入口侧提供气流的装置由包括多个换热风扇的模块式风扇组件组成。
15.如权利要求12所述装置，其特征在于，所述通风装置由多个气流导向器模块形成，每一个模块包括具有从其延伸的多个肋的外壳，从而在所述肋之间形成气流通道，所述气流导向器模块层叠在一起以形成多个管道。
16.如权利要求15所述装置，其特征在于，还包括用于将所述多个气流导向器模块彼此耦合的装置。
17.如权利要求12所述装置，其特征在于，还包括用于在流出至少一部分气流出口的气流中产生湍流的装置。
18.如权利要求12所述装置，其特征在于，还包括用于至少部分地阻断穿过所选管道的气流的装置。
19.一种系统，包括固定多个叶片的机箱；耦合到所述机箱的顶部的顶部通风室；耦合到所述机箱的底部的底部通风室，所述底部通风室包括多个管道，每一个所述管道具有一气流入口，以接收在所述底部通风室的入口侧供给的气流；以及一气流出口，以在所述底部通风室的出口侧将穿过所述管道的气流排入所述机箱，所述气流出口以至少具有两行和两列的栅格来构造。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，至少一部分所述管道具有可调节的气流入口，以调节进入这些气流入口的气流。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括安装到所述底部通风室入口侧的风扇组件，所述风扇组件包括至少一个风扇，以将气流引导至所述气流入口。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述风扇组件由包括多个换热风扇的模块化风扇组件组成。
23.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括可操作地耦合到所述顶部通风室的至少一个风扇，以将气流抽吸穿过所述底部通风室的入口和所述机箱。
24.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述机箱包括ATCA(高级电信构架)机箱。
25.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括多个气流阻件，每一个所述气流阻件的尺寸满足至少部分地阻断气流入口或气流出口中的一个，以减小穿过对应的管道的气流。
26.一种方法，包括将底部通风室耦合到模块化叶片机箱，所述模块化叶片机箱具有其中可安装对应的叶片的多个槽，所述底部通风室包括多个管道，每一个所述管道具有一气流入口，以接收在所述底部通风室的入口侧供给的气流；以及一气流出口，以在所述底部通风室的出口侧将穿过所述管道的气流排入所述模块化叶片机箱，所述气流出口以至少具有两行和两列的栅格来构造；相对于产生较少热的所述模块化叶片机箱的其它部分，调节所选管道，以将另外的气流引导到所述模块化片机箱中所选叶片上的热点上；以及对穿过所述多个管道的气流进行推和吸中的至少一个以传送穿过所述多个叶片的气流。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括调节所选管道以调节穿过所选叶片上的不同区的气流。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括阻断所选管道的至少一部分入口或出口，以减少穿过所述管道的气流。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括经由包括多个换热风扇的风扇组件向所述底部通风室的入口侧供给气流。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述模块化叶片机箱包括ATCA(高级电信构架)机箱。
全文摘要
一种用于模块化叶片机箱的可重新构形的气流导向器。该气流导向器包括具有可调节的入口和/或出口的多个管道。可重新构形气流导向器，以调节穿过诸所选叶片以及个别叶片的所选区域的气流量。在一个实施例中，采用咬接气流阻件来阻断全部或一部分所选入口或出口，以调节穿过对应的管道的气流。在一个实施例中，采用可调节入口风门来增加或减小邻近的入口的尺寸。在一个实施例中，该气流导向器由多个气流导向器模块形成，每一个模块包括具有从其延伸的多个肋的外壳，以形成多个气流通道，其中气流导向器模块层叠在一起以形成多个管道。采用包括多个换热风扇的模块化风扇组件以推压和/或抽吸穿过气流导向器的管道的气流。
文档编号H05K7/20GK1973252SQ200580020527
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月10日 优先权日2004年6月24日
发明者C·D·卢希奥, J·雷加 申请人:英特尔公司