CN107885294A

CN107885294A - 伺服器的冷却系统

Info

Publication number: CN107885294A
Application number: CN201610866139.3A
Authority: CN
Inventors: 童凯炀; 陈虹汝
Original assignee: Inventec Pudong Technology Corp; Inventec Corp
Current assignee: Inventec Pudong Technology Corp; Inventec Corp
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-04-06
Also published as: US20180092251A1

Abstract

本发明公开伺服器的冷却系统，其包含容置槽、散热装置及壳体。容置槽用以盛装非导电性液体。非导电性液体完全将电子装置浸泡以使电子装置降温。散热装置位于容置槽的上方，用以将非导电性液体产生的热蒸汽冷却。壳体包覆容置槽及散热装置，用以形成密闭空间。当电子装置的温度超过非导电性液体的汽化温度时，非导电性液体将逐渐汽化为热蒸汽。热蒸汽传至散热装置后，热蒸汽凝结为凝结液体。凝结液体会滴落至容置槽中以使非导电性液体的温度保持在汽化温度之下。

Description

伺服器的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种伺服器的冷却系统，更具体地说，是一种利用非导电性液体的蒸发以及凝结循环将热能散逸的伺服器的冷却系统。

背景技术

随着科技日新月异，各种高性能的电子产品也被广泛应用。现今的电子产品除了要求高处理速度、低反应时间、以及高规格的处理器之外，更要求具备可携性及微型化的体积，以让使用者能随时随地以高效率的方式使用产品。例如苹果手机(i-phone)的iPhone5s规格使用了A7处理器，而iPhone 6Plus规格使用了更高阶的A8处理器，或是家用型电脑的中央处理器也从Intel Core i5演化至Intel Core i7等级。随着电子产品内处理器的时脉频率增加，其所消耗的功率及所产生的温度也随之上升。因此，许多散热风扇、散热胶及散热片的散热品质也被使用者日益重视。在这些散热机制中，散热胶及散热片的体积最小，但仅使用了导热系数较佳的介质将热量传出至空气，故散热效果有限。因此，目前大多数的电子产品，其散热方式仍以散热风扇或为主流。

目前散热风扇的散热原理为风扇利用旋转而产生气流，以气冷式的空气对流将热能散逸。然而，由于空气比热较小等物理上的限制，以散热风扇作为散热的手段常导致散热效率不佳，且风扇需要高功率的电压驱动才能增加散热效果。并且，由于散热风扇一般包含机械式的马达，因此在高速运转时，其风切噪音和运转噪音也会随其增加。现今网际网路已越来越普及化，资料中心以及各种云端伺服器也需要处理巨量的资料以及执行高速率的资料传输。因此，伺服器常需要高时脉的处理器或是高密度的硬碟及储存空间，这将导致伺服器的散热要求远比一般电子零件来的高。并且，由于伺服器为一种具有高密度的电路元件的设备，内部的电子元件为密集的排列，对于伺服器的热对流空间而言，会因为电子元件的增加而减少。也因如此，上述使用散热风扇的机制，对伺服器来说已经难以提供足够的冷却能力。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺点，本发明提供了一种伺服器的冷却系统，其能够有效的解决上述问题。

为达到上述目的，本申请公开的技术方案如下：

一种伺服器的冷却系统，其包含：一容置槽，用以盛装一非导电性液体，其中所述非导电性液体完全将一电子装置浸泡以使所述电子装置降温；一散热装置，置于所述容置槽的上方，用以将所述非导电性液体产生的热蒸汽冷却；及一壳体，包覆所述容置槽及所述散热装置，用以形成一密闭空间；其中当所述电子装置的一温度超过所述非导电性液体的一汽化温度时，所述非导电性液体将逐渐汽化为所述热蒸汽，所述热蒸汽传至所述散热装置后，所述热蒸汽凝结为一凝结液体，及所述凝结液体滴落至所述容置槽中以使所述非导电性液体的一温度保持在所述汽化温度之下且所述非导电性液体的一液面高度保持稳定。

其中所述非导电性液体为一非导电性冷媒，且所述散热装置为一冷凝器，所述冷凝器具有复数个金属散热鳍片。

更包含一液位计，置于所述容置槽上，用于侦测所述非导电性液体的所述液面高度，其中当所述液面高度低于所述电子装置的一高度时，所述液位计发出一警示讯号。

更包含一过滤泵、一第一管道及一第二管道，其中所述过滤泵置于所述壳体内，所述第一管道连通于所述过滤泵与所述容置槽，所述第二管道连通于所述过滤泵与所述容置槽，所述过滤泵利用所述第一管道将所述容置槽内之所述非导电性液体的一部份抽出，并将被抽出的非导电性液体进行一杂质过滤程序以产生过滤后的非导电性液体，及所述过滤泵利用所述第二管道将所述过滤后的非导电性液体流入至所述容置槽内。

更包含一排放阀，置于所述容置槽外，用以透过一孔洞将所述容置槽内的所述非导电性液体排出。

更包含一分子筛，置于所述容置槽及所述散热装置之间，用以吸取所述壳体内的水气。

更包含一压力埠，置于所述壳体内，用以侦测所述密闭空间的一气压。

更包含一泄压阀，置于所述壳体外，且透过一孔洞连通至所述密闭空间，用以当所述密闭空间的一气压超过一临界值时，透过所述孔洞平衡所述壳体内的所述气压。

更包含一输入/输出埠，置于所述壳体的一侧并耦接于所述电子装置，用于控制所述电子装置。

其中所述非导电性液体为一导电系数趋近于零的液体，且所述非导电性液体的一沸点温度在摄氏40度至70度之间，以使所述散热装置的一进口温度提高，所述非导电性液体利用一沸腾现象或一对流现象将所述电子装置的热能散逸，及当所述非导电性液体发生所述沸腾现象时，所述非导电性液体的所述对流现象增强。

附图说明

图1为本发明实施例的伺服器的冷却系统的结构示意图。

图2为图1的伺服器的冷却系统中，散热装置的结构示意图。

图3为图1的伺服器的冷却系统中，过滤泵、第一管道以及第二管道的示意图。

图4为图1的伺服器的冷却系统中，分子筛的示意图。

符号说明：

100 伺服器的冷却系统

10 容置槽

11 散热装置

12 壳体

13 电子装置

14 非导电性液体

15 液位计

16 液面高度

17 过滤泵

18 排放阀

19 泄压阀

20 压力埠

21 输入/输出埠

22 分子筛

23 控制器

M 金属散热鳍片

TB1 第一管道

TB2 第二管道

WR 电源线

A 第一通孔

B 第二通孔

P 颗粒

具体实施方式

图1为伺服器的冷却系统100的结构示意图。在此说明，由于伺服器的冷却系统100可用壳体12包覆所有的内部元件，故伺服器的冷却系统100的外观为柱形的壳体12(例如矩形柱体)结构。因此，为了详细说明伺服器的冷却系统100的架构，图1使用伺服器的冷却系统100的剖面图进行说明。伺服器的冷却系统100包含容置槽10、散热装置11以及壳体12。容置槽10可为金属或非金属的结构，且具有容置空间。容置槽10的容置空间内可盛装非导电性液体14。在此，非导电性液体14可为任何导电系数趋近于零的液体，例如矿物油或非导电性冷媒等。欲散热的电子装置13将完全浸泡在非导电性液体14之中。换句话说，当电子装置13浸泡在非导电性液体14之中后，非导电性液体14的液面高度16会高于电子装置13的高度。而电子装置13可为任何需要散热的电子装置，例如电子装置13可包含伺服器的主机板、中央处理器、固态硬碟、及/或记忆体等等。散热装置11置于容置槽10的上方，用以将非导电性液体14产生的热蒸汽冷却。于此说明，当电子装置13因功率消耗而产生热能时，电子装置13的温度即会升高。当电子装置13的温度超过非导电性液体14的汽化温度时，非导电性液体14将逐渐汽化为热蒸汽。而热蒸汽所带的潜热会大于液态所带的潜热。当热蒸汽向上对流至散热装置11时，热蒸汽的汽化热将被散逸。因此，热蒸汽将由气态相透过凝结转为液态相的凝结液体。当凝结液体的重量足够时，便会自然地滴落至容置槽10中。并且，非导电性液体14的沸点温度可设定在摄氏40度至70度之间，以使散热装置11的进口温度提高。当非导电性液体14利用沸腾现象或对流现象将电子装置11的热能散逸时，可进一步降低散热装置11内的液体所需的机械(例如压缩机)的耗能。因此，选择适当沸点温度的非导电性液体14可以使总功耗进一步降低。

于此说明，本发明的电子装置13可为整台伺服器或是伺服器内部的部分整合电路。应当明了的是，伺服器常需要处理巨量的资料以及执行高速率的资料传输。因此，伺服器需要高时脉的处理器或是高密度的硬碟及储存空间。因此，一般的伺服器可视为具有高密度的电路元件的设备，内部的电子元件为密集的排列，对于伺服器的热对流空间而言，会因为电子元件的增加而减少，导致散热的热对流循环不良。换句话说，当伺服器的电子装置13使用传统的风扇系统进行冷却时，冷却的效果非常有限。因此，本发明的浸泡式的伺服器的冷却系统100将很适合应用于伺服器的冷却机制中。

伺服器的冷却系统100中的散热装置11可为冷凝器，如图2所示。图2为伺服器的冷却系统100中，散热装置11的结构示意图。当散热装置11为冷凝器的构造时，散热装置11可包含复数个金属散热鳍片M。而复数个金属散热鳍片M的作用为将散热装置11与空气的接触面积最大化，以增加排热效果。在散热装置11中，复数个金属散热鳍片M的排列方式可为平行排列、网状排列、同心圆状排列、或是任何具有将接触面积最大化的几何排列方式。散热装置11亦可透过水冷式的循环导管将复数个金属散热鳍片M的热能导出。藉由散热装置11，热蒸汽的汽化热将被散逸，因此滴落至容置槽10的凝结液体的潜热将会变小，可保持非导电性液体14的温度在汽化温度之下。伺服器的冷却系统100的壳体12包覆容置槽10及散热装置11，如图1所示，壳体12的内部可形成密闭空间。而壳体12的作用在于不让非导电性液体14所产生的热蒸汽外泄到空气中，可以防止热蒸汽损失以保持非导电性液体14的液面高度稳定之外。伺服器的冷却系统100的壳体12亦可为金属或非金属的材质。

在伺服器的冷却系统100中，非导电性液体14透过汽化现象变成热蒸汽，并凝结成凝结液体滴回容置槽10的过程为自然界物质两相的循环，故本发明的伺服器的冷却系统100不需要额外的功率消耗以及驱动电压即可达成将电子装置13散热的功效。换句话说，伺服器的冷却系统100属于一种两相(Two Phase)浸入式的伺服器的冷却系统。并且，如前述，非导电性液体14为导电系数趋近于零的液体，且具有比热较空气大的性质。因此，就算不使用外部设备将非导电性液体14流动，非导电性液体14仍可利用沸腾现象或对流现象将电子装置13的热能散逸。其原理为，当非导电性液体14在电子装置13的表面发生极剧烈的汽化现象时，例如非导电性液体14发生沸腾现象时，可利用潜热一次带走电子装置13大量的热能，使电子装置13的温度降低。此外，当非导电性液体14发生沸腾现象时，非导电性液体14的对流现象将增强，因此会导致热对流的循环加速，更增强了电子装置13的散热效率。

然而，为了更进一步提升伺服器的冷却系统100的散热效率以及安全性，伺服器的冷却系统100可引入多个元件，于下文将详细描述。

为了增加伺服器的冷却系统100的安全性，伺服器的冷却系统100可加入液位计15。如图1所示，液位计15置于容置槽10上，可用附着的方式设置于容置槽10的内侧或外侧。液位计15可用于侦测非导电性液体14的液面高度16。侦测的方式可使用透过浮球、探针、超音波等任何方式测量液面高度16的水平准位。由前文所述，伺服器的冷却系统100的非导电性液体14必须将电子装置13完全浸泡，因此液面高度16在一般状态会高于电子装置13的高度。然而，下列几种情况发生时，液位计15所侦测的液面高度16可能会变成异常状态，说明如下。第一，当电子装置13产生异常高温时，会导致非导电性液体14的温度随之骤升，此时，大量的非导电性液体14会被汽化为热蒸汽。当散热装置11无法将所有热蒸汽的汽化热排出时，会导致滴落至容置槽10的凝结液体不足。因此，非导电性液体14因强烈的汽化效应而导致液面高度16降低，当液面高度16降低至低于电子装置13的高度时，液位计15会发出警示讯号，并试图加强散热装置11的散热效能，例如使用外接的风扇模组加强散热装置11的散热效能。第二，当散热装置11的散热功能异常时，会导致散热装置11无法将所有热蒸汽的汽化热排出，亦会造成滴落至容置槽10的凝结液体不足的现象，最终导致非导电性液体14的液面高度16降低。而散热装置11的散热功能异常的原因可能是导热材料老化或金属生锈等等。类似地，当液面高度16降低至低于电子装置13的高度时，液位计11会发出警示讯号，以提醒使用者更换散热装置11。

为了防止伺服器的冷却系统100让电子装置13损坏，伺服器的冷却系统100可加入过滤泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2。图3为伺服器的冷却系统100中，过滤泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2的示意图。如前文所述，伺服器的冷却系统100的非导电性液体14可为任何导电系数趋近于零的液体。然而，电子装置13可能为带有尘埃或是具有导电系数的污渍的物体。当电子装置13浸泡在非导电性液体14中时，这些尘埃或是具有导电系数的污渍可能会脱离电子装置13而悬浮在非导电性液体14中。因此，当这些尘埃或是具有导电系数的污渍飘移或沉积至电子装置13的内部电路时，可能会造成电子装置13短路而损坏。为了防止此情况发生，伺服器的冷却系统100将利用过滤泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2将尘埃或是具有导电系数的污渍滤除，描述于下。在伺服器的冷却系统100中，第一管道TB1连通于过滤泵17与容置槽10，第二管道TB2也连通于过滤泵17与容置槽10。过滤泵17可利用电线WR驱动内部的抽水马达，透过第一管道TB1将容置槽10内的非导电性液体14的一部份抽出，并将被抽出的非导电性液体进行杂质过滤程序以产生过滤后的非导电性液体。特此说明，过滤泵17所使用的杂质过滤程序可为任何滤除杂质的方法，例如滤网式杂质滤除方法，因此过滤泵17内的滤网可视为消耗品。随后，过滤泵17会将过滤后的非导电性液体透过第二管道TB2流回容置槽10内。因此，过滤泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2可视为一种循环式的杂质过滤机制，可降低尘埃或是具有导电系数的污渍让电子装置13短路而损坏的机率。

为了使伺服器的冷却系统100一直维持高效率的散热功能，伺服器的冷却系统100内的非导电性液体14也必须要定期更换。为了方便使用者更换非导电性液体14，伺服器的冷却系统100可加入排放阀18。排放阀18设置于容置槽10外，且排放阀18与容置槽10可用孔洞连接。举例而言，排放阀18可为电子式或非电子式的栓塞或螺纹塞子等等。当使用者欲更换非导电性液体14时，可操作排放阀18使非导电性液体14透过孔洞流出。

如前文所述，伺服器的冷却系统100可加入包含过滤泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2的循环过滤机制，以降低尘埃或是具有导电系数之污渍让电子装置13短路而损坏之机率。然而，为了进一步防止电子装置13短路，伺服器的冷却系统100可加入分子筛22。伺服器的冷却系统100的分子筛22可设置于容置槽10及散热装置11之间。分子筛22的功能为吸取壳体12内的水气。特此说明，虽然壳体12内为密闭空间，但是壳体12内密闭空间的湿度却未必为零。换句话说，密闭空间内仍有些许水气的存在，且壳体12外部的水气也有可能透过壳体接合处的缝隙慢慢渗入至壳体12内部。因此，当非导电性液体14融入了水分子，会使非导电性液体14的导电系数上升。当导电系数上升到触发电子装置13中的元件发生短路的效应时，电子装置13即会损坏。因此，伺服器的冷却系统100为了防止过多的水气造成非导电性液体14的导电系数上升，可加入分子筛22吸收水气，减缓了非导电性液体14的导电系数上升的速度。图4为伺服器的冷却系统100中，分子筛22的示意图。分子筛22包含通口A以及通口B。分子筛22内部有容置空间，容置空间可用于置放复数个除湿颗粒P。除湿颗粒P对水分子具有非常强的亲和力，使分子筛22在低湿度下的吸湿能力特别强，可使壳体12内的密闭空间几乎达到绝对干燥的程度。除湿颗粒P可为纳米分子颗粒(MCM-41)、碳分子颗粒(CMSN2)、钛硅分子颗粒等等任何具备强烈的水亲和力的颗粒。因此，空气中的水分子将会透过通口A以及通口B而被吸收。然而，本发明的分子筛22亦不限于使用两个通孔的分子筛，任何盛装复数个除湿颗粒P的装置皆属于本发明的范畴。

如前文所述，伺服器的冷却系统100利用了非导电性液体14的汽化以及凝结的自然循环达到将电子装置13散热的功效。然而，当非导电性液体14发生汽化时，会产生体积较大的热蒸汽。由于壳体12内为密闭空间，因此非导电性液体14的汽化现象会造成壳体12内的气压升高。为了监控壳体12内的气压并保护伺服器的冷却系统100。伺服器的冷却系统100可加入压力埠20以及泄压阀19。压力埠20设置于壳体12内，用以侦测壳体12内的密闭空间的气压。并且，压力埠20可另耦接于压力计或是任何的压力量化装置，使用者可透过压力计或是任何的压力量化装置观测壳体12内的气压数值。泄压阀19置于壳体12外，可透过孔洞连通至壳体12内的密闭空间。泄压阀19可为电子式或非电子式的泄压阀。当密闭空间的气压超过临界值时，例如密闭空间的气压已经超过了3个大气压力(3atms)时，泄压阀19将可使用自动化或是手动的方式开启，此时，密闭空间的气压将透过孔洞与外面气压平衡(1atm)，以防止壳体12因气压过高而发生气爆的危险。

由于电子装置13置于伺服器的冷却系统100的封闭式的壳体12内，为了便于使用者由外部操作电子装置13的功能，伺服器的冷却系统100可加入输入/输出埠(Input/Output Port)21。输入/输出埠(Input/Output Port)21可设置于如图1的靠近壳体12的上侧，输入/输出埠21亦可设置于壳体12的任何一侧。电子装置13可使用无线或有线的方式连接至输入/输出埠21。因此，使用者可以透过输入/输出埠21控制电子装置13。如前文所述，伺服器的冷却系统100亦可使用全自动化的控制方式最佳化伺服器的冷却系统100的散热状态以及压力状态。因此，伺服器的冷却系统100也可加入控制器23，控制器23可耦接于多个伺服器的冷却系统100的元件，例如分子筛22、排放阀18、过滤泵17、液位计15、散热装置11、压力埠20及/或泄压阀19。换句话说，控制器23可以监控伺服器的冷却系统100的湿度、散热状态、气压、以及非导电性液体14的液面高度16，当这些监控参数发生异常时，控制器23将会自动地控制对应的元件以使伺服器的冷却系统100的散热状态以及压力状态保值稳定。举例而言，当控制器23透过压力埠20，侦测到壳体12内的密闭空间的气压过高时，控制器23就会控制泄压阀19进行释压的动作以保护伺服器的冷却系统100。

综上所述，本发明描述了一种伺服器的冷却系统，属于两相(Two Phase)浸入式的伺服器的冷却系统。伺服器的冷却系统藉由非导电性液体的比热比空气大的性质，在没有外界施加能量使液体流动的条件下，仍可利用汽化将热能由电子元件的表面带走。当非导电性液体在电子元件的表面沸腾时，会产生热蒸汽，故可带走大量的热能。并且，当非导电性液体发生沸腾现象时，非导电性液体的流动也随之增加，因此热对流的循环也随之加强。并且，伺服器的冷却系统藉由散热装置将热蒸汽的汽化热散逸，而汽化热散逸后的热蒸汽潜热会变小，因此热蒸汽会凝结为凝结液体，最终会滴落至容置槽。由于非导电性液体透过汽化现象变成热蒸汽，并凝结成凝结液体滴回容置槽的过程为自然界物质两相的循环，故本发明的伺服器的冷却系统不需要额外的功率消耗以及驱动电压即可达成将电子装置散热的功效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种伺服器的冷却系统，其特征在于，包含：

一容置槽，用以盛装一非导电性液体，其中所述非导电性液体完全将一电子装置浸泡以使所述电子装置降温；

一散热装置，置于所述容置槽的上方，用以将所述非导电性液体产生的热蒸汽冷却；及

一壳体，包覆所述容置槽及所述散热装置，用以形成一密闭空间；

其中当所述电子装置的一温度超过所述非导电性液体的一汽化温度时，所述非导电性液体将逐渐汽化为所述热蒸汽，所述热蒸汽传至所述散热装置后，所述热蒸汽凝结为一凝结液体，及所述凝结液体滴落至所述容置槽中以使所述非导电性液体的一温度保持在所述汽化温度之下且所述非导电性液体的一液面高度保持稳定。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述非导电性液体为一非导电性冷媒，且所述散热装置为一冷凝器，所述冷凝器具有复数个金属散热鳍片。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包含一液位计，置于所述容置槽上，用于侦测所述非导电性液体的所述液面高度，其中当所述液面高度低于所述电子装置的一高度时，所述液位计发出一警示讯号。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包含一过滤泵、一第一管道及一第二管道，其中所述过滤泵置于所述壳体内，所述第一管道连通于所述过滤泵与所述容置槽，所述第二管道连通于所述过滤泵与所述容置槽，所述过滤泵利用所述第一管道将所述容置槽内之所述非导电性液体的一部份抽出，并将被抽出的非导电性液体进行一杂质过滤程序以产生过滤后的非导电性液体，及所述过滤泵利用所述第二管道将所述过滤后的非导电性液体流入至所述容置槽内。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包含一排放阀，置于所述容置槽外，用以透过一孔洞将所述容置槽内的所述非导电性液体排出。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包含一分子筛，置于所述容置槽及所述散热装置之间，用以吸取所述壳体内的水气。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包含一压力埠，置于所述壳体内，用以侦测所述密闭空间的一气压。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包含一泄压阀，置于所述壳体外，且透过一孔洞连通至所述密闭空间，用以当所述密闭空间的一气压超过一临界值时，透过所述孔洞平衡所述壳体内的所述气压。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，更包含一输入/输出埠，置于所述壳体的一侧并耦接于所述电子装置，用于控制所述电子装置。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述非导电性液体为一导电系数趋近于零的液体，且所述非导电性液体的一沸点温度在摄氏40度至70度之间，以使所述散热装置的一进口温度提高，所述非导电性液体利用一沸腾现象或一对流现象将所述电子装置的热能散逸，及当所述非导电性液体发生所述沸腾现象时，所述非导电性液体的所述对流现象增强。