CN112889357A - 从两相热传递热管理系统选择性移除流体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浸没冷却系统，该浸没冷却系统包括：壳体，该壳体具有内部空间；发热部件，该发热部件设置在内部空间内；以及工作流体液体，该工作流体液体设置在内部空间内，使得发热部件与工作流体的液相接触。浸没系统还包括被构造成从壳体内选择性地移除流体的装置。工作流体包括卤化材料。
Description
技术领域
本公开涉及用于从两相热管理系统选择性地移除流体的系统和方法。
背景技术
用于管理存在于浸没冷却系统中的水的各种系统在例如以下文献中有所描述：Tuma，P.E，“用于冷却数据通信设备的无源两相浸没和泵送水冷却的比较”，展示有关热管理的IMAPs ATW，美国加利福尼亚州帕洛阿尔托市，2011年11月7日至9日(Tuma，P.E，“AComparison of Passive 2-phase Immersion and Pumped Water Cooling for CoolingDatacom Equipment，”presentation IMAPs ATW on Thermal Management，Palo Alto，CA，USA，Nov.7-9，2011)；以及Tuma，P.E.，“有关无源两相浸没冷却的非热方面的设计考虑”，待发表，第27届IEEE半热研讨会，美国加利福尼亚州圣何塞市，2011年3月20日至24日(Tuma，P.E.，“Design Considerations Relating to Non-Thermal Aspects of Passive 2-Phase Immersion Cooling，”to be published，Proc.27th IEEE Semi-Therm Symposium，San Jose，CA，USA，Mar.20-24，2011)。
发明内容
在一些实施方案中，提供了一种浸没冷却系统。浸没冷却系统包括：壳体，该壳体具有内部空间；发热部件，该发热部件设置在内部空间内；以及工作流体液体，该工作流体液体设置在内部空间内，使得发热部件与工作流体液体接触。工作流体包括卤化材料。浸没系统还包括被构造成从壳体内选择性地移除流体的装置。
本公开的以上概述不旨在描述本公开的每个实施方案。本公开中的一个或多个实施方案的细节也阐述在以下说明中。依据说明书和权利要求书，本公开的其它特征、目标和优点将显而易见。
附图说明
图1为根据本发明的一些实施方案的两相浸没冷却系统的示意图。
图2为实施例1和比较例CE1的相对湿度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
大型计算机服务器系统可在其操作期间执行显著的工作负载并生成大量的热。热的很大一部分是通过这些服务器系统的操作生成的。部分地由于生成大量的热，这些服务器通常安装在机架上，并且经由内部风扇和/或附接到机架背面或服务器生态系统内的其它地方的风扇来进行空气冷却。随着对越来越多的处理和存储资源进行访问的需求继续扩大，服务器系统的密度(即，放置在单个服务器上的处理能力和/或存储装置的量、放置在单个机架中的服务器的数目、和/或部署在单个服务器群(server farm)中的服务器和或机架的数目)继续增大。随着对增加这些服务器系统中的处理或存储密度的期望而产生的热挑战仍然是显著的障碍。常规冷却系统(例如，基于风扇的冷却系统)需要大量的功率，并且驱动此类系统所需的功率成本随着服务器密度的增加而指数地增加。因此，存在对用于冷却服务器，同时允许服务器系统的期望的增加的处理和/或存储密度的有效的低功率使用系统的需要。
两相浸没冷却是用于高性能服务器计算市场的新兴冷却技术，其依赖于在将液体(冷却流体)气化成气体的过程中吸收的热(即，气化的热)。本申请中所用的工作流体必须满足某些在应用中可行的要求。例如，操作期间的沸腾温度应该在介于例如30℃至75℃之间的范围内。一般来讲，该范围适应于将服务器部件维持在足够冷的温度，同时允许将热有效地耗散到最终散热器(例如，外部空气)。工作流体必须是惰性的，使得其与构造材料和电气部件相容。某些全氟化材料和部分氟化材料满足这些要求。
在典型的两相浸没冷却系统中，服务器浸入工作流体浴(具有沸腾温度Tb)中，该工作流体浴被密封并保持在大气压或接近大气压下。整合到罐中的蒸气冷凝器由温度为Tw的水冷却。在操作期间，在稳定回流建立之后，由沸腾的工作流体产生的工作流体蒸气在其冷凝回液态时形成离散的蒸气水平。该层上方为“顶部空间”，即不可冷凝气体(通常为空气)、水蒸气和工作流体蒸气的混合物，该工作流体蒸气处于介于Tw和罐外环境空气温度Tamb之间的某个温度下。这3个不同的相(液相、蒸气相和顶部空间相)占据罐内的体积。在操作期间，沸腾过程将所有水鼓吹(向上推动)到顶部空间体积。实际上，液态水将总是至少在系统的启动期间形成于顶部空间中。
由于若干原因，在冷却系统中(尤其是在顶部空间中)存在液态水是不可取的。首先，其导致罐的顶部空间中的金属部件的腐蚀。第二，如果液体的沸腾是剧烈的，则水滴可降落穿过液体并附接到敏感电子部件，从而引起短路。最后，对于某些含氟材料，水可与材料反应以形成酸。
目前，干燥剂用于两相浸没冷却系统中以捕集和移除存在于系统中的液态水。然而，干燥剂的使用至少因为它们需要使用者的持续维护(如果被忽视，则可能导致系统故障)而为不可取的。另外，一些干燥剂的使用可以这样的方式浓缩水，该方式导致能够与水反应的工作流体的不可取的反应。此外，干燥剂通常会脱落可污染系统的颗粒。
因此，仍然需要用于从两相浸没冷却系统移除水的无需维护且无需干燥剂的系统和方法。
如本文所用，“氟-”(例如，涉及基团或部分，诸如就“氟代亚烷基”或“氟代烷基”或“氟烃”而言)或“氟化的”意指(i)部分地氟化，使得存在至少一个键合碳的氢原子，或者(ii)全氟化的。
如本文所用，“全氟-”(例如，涉及基团或部分，诸如就“全氟亚烷基”或“全氟烷基”或“全氟烃”而言)或“全氟化的”意指完全地氟化，使得除非另外表明，否则任何键合碳的氢均被氟原子替换。
如本文所用，“卤化材料”意指至少部分地卤化(至多完全地卤化)使得存在至少一个键合碳的卤素原子的有机化合物。
如本文所用，“选择性移除”是指从包括两种或更多种流体组分的密封体积至少部分地移除(至多完全地移除)一种或多种特定流体组分(但少于所有流体组分)。
如本文所用，“流体”是指液相和/或蒸气相。
如本文所用，单数形式“一个”、“一种”、和“所述”包括复数指代，除非内容清楚指示其它含义。如本说明书和所附实施方案中所用的，除非所述内容明确地另有规定，否则术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用。
如本文所用，通过端点表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4和5)。
除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、特性测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释。
一般来讲，本公开涉及浸没冷却系统，该浸没冷却系统提供从该系统无需维护且无需干燥剂地移除水。在一些实施方案中，浸没冷却系统可作为用于冷却一个或多个发热部件的两相蒸发-冷凝系统来操作。如图1所示，在一些实施方案中，两相浸没冷却系统10可包括具有内部空间的壳体15。在内部空间的下部体积15A内，可设置有具有上部液体表面20(即，液相VL的最顶部水平面)的工作流体的液相VL。内部空间还可包括从液体表面20延伸到壳体15的上壁15C的上部体积15B。在系统10的稳态操作期间，上部体积15B可包括工作液体的蒸气相VV(由沸腾的工作流体产生并在其冷凝回液态时形成离散相)和设置在蒸气相VV上方的包含空气和蒸气的混合物的顶部空间相VH。
在一些实施方案中，可将发热部件25设置在内部空间内，使得该发热部件至少部分地浸没(并且至多完全地浸没)在工作流体的液相VL中。也就是说，虽然发热部件25被示为仅部分地浸入上部液体表面20下方，但是在一些实施方案中，发热部件25可完全地浸入液体表面20下方。在一些实施方案中，发热部件可包括一个或多个电子器件，诸如计算服务器。
在各种实施方案中，热交换器30(例如，冷凝器)可设置在上部体积15B内。通常，热交换器30可被构造成使得其能够冷凝工作流体的蒸气相VV，该工作流体的蒸气相是由于由发热元件25产生的热而生成的。例如，热交换器30可具有维持在低于工作流体的蒸气相VV的冷凝温度的温度下的外表面。就这一点而言，在热交换器30处，当工作流体的上升蒸气相VV与热交换器30接触时，该上升蒸气相VV可通过将潜热释放到热交换器30而冷凝回液相或冷凝物Vc。然后可使所得冷凝物Vc返回到设置在下部体积15A中的液相VL。
在一些实施方案中，工作流体可为或包括一种或多种卤化流体(例如，氟化的或氯化的)。例如，工作流体可为氟化有机流体。合适的氟化有机流体可包括氢氟醚、氟酮(或全氟酮)、氢氟烯烃、全氟烃(例如全氟己烷)、全氟甲基吗啉、或它们的组合。
在一些实施方案中，除了卤化流体之外，工作流体还可包括(单独地或以任何组合)：基于工作流体的总重量计的醚、烷烃、全氟烯烃、烯烃、卤代烯烃、全氟烃、全氟化叔胺、全氟醚、环烷烃、酯、全氟酮、酮、环氧乙烷、芳族化合物、硅氧烷、氢氯烃、氢氯氟烃、氢氟烃、氢氟烯烃、氢氯烯烃、氢氯氟烯烃、氢氟醚、或它们的混合物；或者基于工作流体的总重量计的烷烃、全氟烯烃、卤代烯烃、全氟烃、全氟化叔胺、全氟醚、环烷烃、全氟酮、芳族化合物、硅氧烷、氢氯烃、氢氯氟烃、氢氟烃、氢氟烯烃、氢氯氟烯烃、氢氟醚、或它们的混合物。可选择此类附加组分以改变或增强用于特定用途的组合物的特性。
在一些实施方案中，本公开的工作流体可在操作期间(例如，介于0.9atm和1.1atm之间或介于0.5atm和1.5atm之间的压力)具有介于30℃至75℃、或35℃至75℃、40℃至75℃、或45℃至75℃的沸点。在一些实施方案中，本发明的工作流体可在操作期间具有大于40℃、或大于50℃、或大于60℃、大于70℃、或大于75℃的沸点。
在一些实施方案中，本公开的工作流体可具有根据ASTM D150在室温下测量的小于4.0、小于3.2、小于2.3、小于2.2、小于2.1、小于2.0或小于1.9的介电常数。
在一些实施方案中，本公开的工作流体可为疏水的、相对化学惰性的和热稳定的。工作流体可具有低环境影响。就这一点而言，本公开的工作流体可具有零或接近零的臭氧损耗潜势(ODP)和小于500、300、200、100或小于10的全球变暖潜势(GWP，100yr ITH)。
在一些实施方案中，系统10还可包括被构造成从壳体15内选择性地移除流体(例如，水)的装置100。更具体地，装置100可被构造成允许从壳体15内移除流体，但不允许(或较低程度地允许)移除工作流体。
在一些实施方案中，装置100可包括渗透蒸发膜(或由渗透蒸发膜形成)。如本文所用，短语“渗透蒸发膜”是指允许通过以下方式分离流体混合物(例如，有机流体和水(包括水蒸气)、或氟化流体和水(包括水蒸气))的装置或制品：(i)利用接触液体混合物的第一膜表面进行渗透蒸发，该膜随后经由第一膜表面选择性地渗透过一种或多种液体组分；并且然后在第二膜表面处蒸发渗透的液体组分；或者(ii)利用接触蒸气混合物的第一膜表面进行渗透蒸发，该膜随后经由第一膜表面选择性地渗透过一种或多种蒸气组分；并且然后在第二膜表面处蒸发渗透的蒸气组分。
在一些实施方案中，渗透蒸发膜可为亲水膜。另选地，可采用疏水膜。
在一些实施方案中，用于使组分输送通过本公开的渗透蒸发膜的驱动力可为化学电势梯度，并且更具体地，壳体15的内部空间中的组分相对于围绕浸没冷却系统10的周围环境的局部蒸气压力梯度。就这一点而言，据发现热力学条件允许透过渗透蒸发膜来渗透蒸发式地排出水分。两相浸没系统通常在可能的最高温度下运行，使得从系统移除的热量可在干式冷却泵和风扇使用最小附加功率的情况下沉积到周围环境。因此，最常见的情况是，冷凝器水以及因此罐的顶部空间VH的温度将比其中设置有浸没冷却系统10的周围环境更热。因此得出结论，顶部空间VH中的水的饱和压力将高于浸没冷却系统10外部的水的饱和压力。由于如上所述，水穿过渗透蒸发膜的扩散是由水局部压力差驱动的，因此得出结论，将总存在将水驱动到浸没冷却系统之外的可能性(即使环境相对湿度为100％)。也就是说，当渗透蒸发膜存在于平衡状态下时，顶部空间VH中的相对湿度将总小于100％，使得水不能液化。虽然本公开主要涉及从系统选择性地移除水(液体或蒸气)，但应当理解，除此之外或另选地，本公开的概念可用于从系统移除其它流体。
在一些实施方案中，装置100可设置在壳体15内或联接到该壳体(例如，联接到壳体15的侧壁)。在一些实施方案中，装置100可设置在壳体15内，使得装置100的第一工作侧(例如，渗透蒸发膜的第一主表面)与顶部空间VH流体连通并且装置100的第二工作侧(例如，渗透蒸发膜的第二主表面)与围绕浸没冷却系统10的周围环境流体连通。
在一些实施方案中，本公开可涉及用于冷却电子部件的方法。一般来讲，该方法可包括将发热部件(例如，计算机服务器)至少部分地浸没在上述工作流体中。该方法还可包括使用上述工作流体传递来自发热部件的热量。该方法还可包括使用上述装置100从包括发热部件和工作流体的壳体选择性地移除流体。
实施方案列举
1.一种冷却系统，所述冷却系统包括：
壳体，所述壳体具有内部空间；
发热部件，所述发热部件设置在所述内部空间内；以及
工作流体，所述工作流体设置在所述内部空间内，使得所述发热部件接触所述工作流体的液相；以及
装置，所述装置被构造成从所述壳体内选择性地移除流体；
其中所述工作流体包括卤化材料。
2.根据实施方案1所述的冷却系统，其中所述装置被构造成从所述壳体内选择性地移除水。
2.根据实施方案1所述的冷却系统，其中所述装置被构造成从所述壳体内选择性地移除水蒸气。
3.根据前述实施方案中任一项所述的冷却系统，其中所述装置包括渗透蒸发膜。
4.根据前述实施方案中任一项所述的冷却系统，其中所述冷却系统被构造成使得在稳态操作条件下，(i)所述工作流体的液相设置在所述壳体的下部体积中，(ii)所述工作流体的蒸气相设置在液相上方，并且(iii)包含不可冷凝气体、水蒸气和工作流体蒸气的顶部空间相设置在所述蒸气相上方。
5.根据实施方案4所述的冷却系统，其中所述装置设置在所述壳体内，使得所述装置的第一工作侧与所述顶部空间相流体连通并且所述装置的第二工作侧与围绕所述浸没冷却系统的周围环境流体连通。
6.根据前述实施方案中任一项所述的冷却系统，其中所述工作流体包括氟化材料。
7.根据前述实施方案中任一项所述的冷却系统，其中所述工作流体在1atm下具有介于30℃和75℃之间的沸点。
8.根据前述实施方案中任一项所述的冷却系统，其中所述工作流体具有小于2.5的介电常数。
9.根据前述实施方案中任一项所述的冷却系统，其中所述发热部件包括电子器件。
10.根据实施方案9所述的冷却系统，其中所述电子器件包括计算服务器。
11.根据实施方案10所述的冷却系统，其中所述计算服务器在大于3GHz的频率下运行。
12.根据实施方案4所述的冷却系统，其中所述冷却系统包括热交换器，所述热交换器设置在所述系统内，使得在工作流体液体蒸发时，所述蒸气相接触所述热交换器。
本公开的操作将参照以下详述的实施例另外描述。提供这些实施例以进一步说明多种实施方案和技术。然而，应当理解，可做出许多变型和修改而仍落在本公开的范围内。
实施例
本公开的目的和优点通过以下比较性和例示性实施例进一步说明。除非另外指明，否则实施例和说明书的其余部分中使用的所有份数、百分比、比例等均按重量计，并且实施例中使用的所有试剂均得自或可得自一般化学品供应商，诸如例如美国密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Corp.，Saint Louis，MO，US)，或者可通过常规的方法合成。本文使用以下缩写：em3＝立方厘米，重量％＝重量百分比，m/min＝米/分钟，μm＝微米(10-6m)，℃＝摄氏度。
膜制备过程
在75重量％的乙醇和25重量％的去离子水的溶剂混合物中，利用质子形式的NAFION 1000EW(可购自美国特拉华州威尔明顿市的科慕公司(Chemours，Wilmington，DE，US))制备5重量％的涂覆溶液。使用中试线中的槽模具将涂覆溶液施加到多孔聚丙烯腈基材(PA350，美国加利福尼亚州欧申赛德市的纳诺斯通水务公司(Nanostone Water，Oceanside，CA，US))。线速度设定为2.0m/min。将溶剂在分别设定为40℃、40℃、60℃和70℃的四个温控烘箱(7.6米长)中蒸发，目标在于获得位于多孔基材的顶部上的1.0μm厚的干燥NAFION涂覆膜。
浸没冷却系统罐
构造如图1所示的浸没冷却系统，使得操作期间的三相的近似体积为：
VL＝920cm3
VV＝1750cm3
VH＝750cm3
对于实施例1和比较例CE1两者而言，向罐中装入来自相同容器的FLUORINERT FC-72流体(可购自美国明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3M Company，St.Paul，MN，US))。对于CE1而言，顶部观察窗口保持在适当的位置。对于实施例1而言，施加如上所述制备的135cm2膜以取代顶部观察窗口。对于每个实验而言，在启动期间监测液体和蒸气温度以及靠近罐的顶部的相对湿度。
结果
结果提供于图2中，该图示出了随系统运行时间变化的系统中的相对湿度。对于不具有膜的CE1而言，相对湿度快速地达到100％，并且水在罐的窗口上冷凝。对于其中膜保持在适当的位置的实施例1而言，相对湿度几乎不超过50％。
虽然本文出于说明一些实施方案的目的对具体实施方案进行了举例说明和描述，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本公开范围的前提下，各种替代和/或等同实施方式可以取代举例说明和描述的具体实施方案。
Claims (12)
1.一种冷却系统，所述冷却系统包括：
壳体，所述壳体具有内部空间；
发热部件，所述发热部件设置在所述内部空间内；以及
工作流体，所述工作流体设置在所述内部空间内，使得所述发热部件接触所述工作流体的液相；以及
装置，所述装置被构造成从所述壳体内选择性地移除流体；
其中所述工作流体包括卤化材料。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述装置被构造成从所述壳体内选择性地移除水。
3.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其中所述装置包括渗透蒸发膜。
4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其中所述冷却系统被构造成使得在稳态操作条件下，(i)所述工作流体的液相设置在所述壳体的下部体积中，(ii)所述工作流体的蒸气相设置在液相上方，并且(iii)包含不可冷凝气体、水蒸气和工作流体蒸气的顶部空间相设置在所述蒸气相上方。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其中所述装置设置在所述壳体内，使得所述装置的第一工作侧与所述顶部空间相流体连通并且所述装置的第二工作侧与围绕所述浸没冷却系统的周围环境流体连通。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其中所述工作流体包括氟化材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其中所述工作流体在1atm下具有介于30℃和75℃之间的沸点。
8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其中所述工作流体具有小于2.5的介电常数。
9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其中所述发热部件包括电子器件。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其中所述电子器件包括计算服务器。
11.根据权利要求10所述的冷却系统，其中所述计算服务器在大于3GHz的频率下运行。
12.根据权利要求4所述的冷却系统，其中所述冷却系统包括热交换器，所述热交换器设置在所述系统内，使得在工作流体液体蒸发时，所述蒸气相接触所述热交换器。
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