CN113133271B - 浸没式冷却设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浸没式冷却设备，用于容置并冷却至少一热源。浸没式冷却设备包含一设备槽体、一冷却液以及至少一冷凝器。冷却液容置于设备槽体中并用以直接热接触热源。至少部分的冷凝器沉浸于冷却液中。

Description

浸没式冷却设备

技术领域

本发明涉及一种冷却设备，特别是一种浸没式冷却设备。

背景技术

随着科技快速地成长，特别是在网路、人工智能、云端服务的需求大幅提升的时代，数据中心(data center)需要处理的数据量越来越庞大，为了维持或提升数据中心的处理效率，有必要对数据中心进行持续且有效的散热。但由于数据中心的功率密度高，所产生的热量过于庞大，传统的散热手段需要以提升功率或规模的方式来因应。然这样的做法非常耗能，反而大幅增加成本与对环境的冲击。

因此，近年来如浸没式冷却(immersion cooling)等水冷技术逐渐受到重视。具体来说，浸没式冷却的设备是将数据中心的热源，如主板以及其上的电子元件浸没于不导电的冷却液中，由于电子元件与冷却液可充分地接触，所以浸没式冷却较传统气冷散热可达到更高的散热效率。并且，浸没式冷却无需设置风扇，有助于降低浸没式冷却设备的耗能、成本、运转噪音量及对空间的需求。在这些优势下，浸没式冷却技术逐渐取代气冷冷却。

通常，数据中心常态处于运行状态，因此与之接触的冷却液会持续受热而蒸散，冷却液蒸气会暂时地存在于液态冷却液上方的空间中。当设备顶部的上盖打开以维修或热插拔设备内部的电子元件时，常会有大量的冷却液蒸气从设备的开口处逸散，造成冷却液的损失。长时间使用下会造成设备内的冷却液总量逐渐减少的问题，从而降低了整体的散热效率。并且，由于冷却液的价格昂贵，为了补充遗失的冷却液反而造成了可观的维护成本。此外，由于冷却液本身的化学组成，逸散至空气中的冷却液气体还会对环境或人体造成危害。

虽然有业者尝试以增加槽体的高度来降低冷却液逸散的机率，但这样的作法并不确实，反而造成空间的浪费。因此，如何在开上盖时减少冷却液蒸气的外泄，是本领域技术人员很重要的研究课题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种浸没式冷却设备，可有效减少开上盖时冷却液蒸气的外泄。

根据本发明的一实施例所公开的一种浸没式冷却设备，用于容置并冷却至少一热源。浸没式冷却设备包含一设备槽体、一冷却液以及至少一冷凝器。冷却液容置于设备槽体中并用以直接热接触热源。至少部分的冷凝器沉浸于冷却液中。

根据本发明的另一实施例所公开的一种浸没式冷却设备，用于容置并冷却至少一热源。浸没式冷却设备包含一设备槽体、一冷却液以及至少一冷凝器。冷却液容置于设备槽体中并用以直接热接触热源。冷凝器完全沉浸于冷却液中。

从本发明前述实施例所公开的浸没式冷却设备，由于至少部分的冷凝器沉浸于冷却液中，因此冷却液自热源加热而产生的冷却液气泡至接近冷却液液面处可被降温，从而减少冷却液蒸气自冷却液液面蒸散的量。借此，于打开设备的上盖以维修或热插拔设备内部的热源的过程中，冷却液蒸气从设备外泄可有效地减少，从而降低冷却液蒸气逸散而对整体散热效率的影响及补充冷却液所造成的成本。

以上的关于本发明公开内容的说明及以下的实施方式的说明，用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为依据本发明的一实施例的浸没式冷却设备的立体示意图。

图2为图1的浸没式冷却设备的侧视示意图。

图3为图1的冷凝器的立体示意图。

图4为图1的浸没式冷却设备于冷凝器完全浸没于冷却液时的侧视示意图。

图5为依据本发明的另一实施例的浸没式冷却设备的侧视示意图。

图6为依据本发明的另一实施例的冷凝器的立体示意图。

附图标记说明如下:

1、1’ 浸没式冷却设备

7 热源

8 冷却液

8’ 工作流体

9 扰动器

10 设备槽体

20、20’、20” 冷凝器

21 冷凝管

R1 液体冷区

R2 冷凝区

S1 储液空间

S2 蒸气空间

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员，了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

此外，以下将以附图公开本发明的实施例，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到的是，这些实务上的细节非用以限制本发明。

并且，为达图面整洁的目的，一些现有惯用的结构与元件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部份的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。依照本发明所公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性及搭配本发明如下所公开的内容据以调整，于此先声明之。

另外，以下文中可能会使用“端”、“部”、“部分”、“区域”、“处”等术语来描述特定元件与结构或是其上或其之间的特定技术特征，但这些元件与结构并不受这些术语所限制。在下文中，也可能会使用“及/或(and/or)”的术语，其是指包含了一或多个所列相关元件或结构的其中一者或全部的组合。以下文中也可能使用“实质上”、“基本上”、“约”或“大约”等术语，其与尺寸、浓度、温度或其他物理或化学性质或特性的范围结合使用时，为意欲涵盖可能存在于这些性质或特性的范围的上限及/或下限中的偏差、或表示容许制造公差或分析过程中所造成的可接受偏离，但仍可达到所预期的效果。

再者，除非另有定义，本文所使用的所有词汇或术语，包括技术和科学上的词汇与术语等具有其通常的意涵，其意涵能够被本领域技术人员所理解。更进一步的说，上述的词汇或术语的定义，在本说明书中应被解读为与本发明相关技术领域具有一致的意涵。除非有特别明确的定义，这些词汇或术语将不被解释为过于理想化的或正式的意涵。

首先，请参阅图1～3，图1为依据本发明的一实施例的浸没式冷却设备1的立体示意图，图2为图1的浸没式冷却设备1的侧视示意图，而图3为图1的冷凝器20的立体示意图，其中，为达附图简洁的目的，附图中可能将部份的元件以虚线绘示之，以及可能将如电子元件、泵、走线、螺丝等一些非必要的元件省略而未绘示。于本实施例或其他实施例中，浸没式冷却(immersion cooling)设备1(或可称浸润式、沉浸式设备)，可包含一设备槽体(enclosure)10(以下也可简称为槽体10)以及至少一冷凝器(condenser)20。

于本实施例中，设备槽体10可为一中空且一端(如顶部)具有可开阖的上盖(未绘示)的容置槽，其形状或内部空间(未标号)可以但不限于是如方形、矩形等多边形，但本发明并非以设备槽体10的形状、尺寸、厚度或其材质为限。如图所示，设备槽体10的内部空间的部分可定义为一储液空间S1，另一部分可定义为一蒸气空间S2。所述的储液空间S1特别是指设备槽体10中用于储存液态的冷却液8的区域，而所述的蒸气空间S2特别是指设备槽体10中在液态的冷却液8上方的空间，可用于供蒸发的冷却液或其他气体活动的空间，其中，冷却液8中浸有一或多个热源7。

补充说明的是，前述的热源7可以但不限于是一或多个主机板及/或其他电子/电气元件或装置，但本发明并非以热源7及其种类、数量、尺寸或规模以及其上可设置的元件为限；而前述的冷却液8，可以但不限于是具有低沸点以及绝缘特性的液体，如型号为FC-3284的冷却液。这里所谓的低沸点例如可介于摄氏约40～60度之间或是低于热源7的工作温度。因此，冷却液8是适于与热源7直接热接触并可有效吸收热源7产生的热能的物质，但本发明并非以冷却液8及其种类与物理特性等为限。

如图所示，为了有效地对热源7进行散热，可依据实际需求完全或至少部分地将热源7浸入冷却液8中。通常，热源7运转时所产生的热的温度可使液相的冷却液8沸腾成为气态的冷却液(以下可称为冷却液气体或冷却液蒸气)，而自液相的冷却液8往蒸气空间S2逸散(如图2所示的气泡)。

本实施例与其他实施例中，冷凝器20容置于设备槽体10的内部空间中。特别地是，冷凝器20至少部分位于储液空间S1而沉浸于液相的冷却液8中，而冷凝器20的另一部分则位于蒸气空间S2而在液相的冷却液8的水平面之上。具体来说，于本实施例中，冷凝器20可具有一或多个冷凝管21，且冷凝管21为中空管体，或称为热管(heat pipe)，可供工作流体流通于其中，于此，如图3所绘示的其中一组冷凝器20，该冷凝器20的其中一冷凝管21部分剖切以显露其内部，如图所示，冷凝管21中可流通有工作流体8’，可吸收并带走冷凝管21所吸收的热能。由此可知，冷凝器20为一主动式散热装置。在此配置下，冷凝器20没入冷却液8的部分可对冷却液8进行降温，从而形成一相对低温的液体冷区R1；而冷凝器20在冷却液8的水平面上的部分，将可用于将冷却液蒸气进行冷凝，从而形成一冷凝区R2。

借此，自热源7产生的冷却液气泡(未标号)至接近冷却液液面处(如冷凝区R2)时可被冷凝器20降温，从而减少冷却液气泡自冷却液液面蒸散的量，即减少存在于蒸气空间S2中的冷却液蒸气量。因此，于打开设备槽体10的上盖(未标号)以维修或热插拔设备内部的热源7的过程中，冷却液蒸气从设备槽体10外泄的量可有效地减少，从而降低冷却液蒸气逸散而对设备槽体10的散热效率的影响及因冷却液外泄而需要补充冷却液所造成的成本。

于此，请参阅表一(如下)，为针对半浸没与未浸没的冷凝器等配置(表一中以“半浸没”及“未浸没”称之)，以不计热损失的情况在相同液上高度的不同位置的量测点进行温度量测的方式，来判断冷凝器的位置的不同对于蒸气分布的影响。需先理解的是，“半浸没”及“未浸没”除了冷凝器的配置之外，其余实验条件实质上相同，且在同样高度上，所量测的温度越高可理解为含越多的蒸气量。

比较表一中“未浸没”与“半浸没”的配置可知，在相同高度下，“半浸没”配置于所量测的温度都低于“未浸没”配置，因此“半浸没”配置可有效地减少靠近液面处的蒸气量。即，如前述实施例所述，冷凝器20在没入冷却液8的部分可对冷却液8进行降温而形成相对低温的液体冷区R1，且冷凝器20在冷却液8液面上可对冷却液蒸气进行冷凝而形成相对低温的冷凝区R2，从而可有效地降低冷却液8的液上温度而减少冷却液气泡自冷却液液面蒸散的量。

另外，请参阅表二(如下)，为前述表一之“未浸没”及“半浸没”配置的冷凝器的进出口水温差。可见，冷凝器“未浸没”的配置的进出口温差约为冷凝器“半浸没”的配置的进出口温差的1.35倍。也就是说，“未浸没”配置的冷凝器热效率约为“半浸没”配置的冷凝器热效率的约1.35倍。

另一方面，就冷凝器20的配置上，如图1所示，冷凝器20可沿设备槽体10的内壁面(未标号)配置，以保持设备槽体10的内部空间的中间区域为畅通的状态，借此，有助于后续维修或热插拔设备内部的热源7的操作。

于此，需理解的是，只要是依循前述的精神将冷凝器20部分地浸没于冷却液8中而减少冷却液气泡自冷却液的液面蒸散的量，冷凝器20浸没于冷却液8的程度则可依据如所需的散热效率、操作行为、所需减少的蒸散量等实际需求进行调整，本发明并非以此为限。例如请参阅图4，于一些应用中，冷凝器20也可完全浸没于冷却液8中。于此，补充说明的是，在图4的将冷凝器20完全浸没于冷却液8的配置中，由于冷凝器20可在冷却液8中进行更大范围的降温，因此可更有效地减少冷却液气泡自冷却液液面蒸散的量。

另一方面，附图中的冷凝器20仅用于说明本发明实施例之用，本发明并非以冷凝器20及其设计、数量、位置等为限。例如请参阅图5，于一些应用中，浸没式冷却设备1’的冷凝器20’可为仅具有单一冷凝管21，该单只的冷凝管21可部分浸没于冷却液8，在此情况下，同样可达到减少冷却液气泡自冷却液的液面蒸散的量。又或者，例如请参阅图6，为依据本发明的另一实施例的冷凝器20”的立体示意图，冷凝器20”也可具有更多数量的冷凝管21。

除此之外，于本发明的一实施例中，设备槽体10中还可增设一或多个扰动器以进一步增加散热效率。于此，如图所示，扰动器9可位于储液空间S1而沉浸于液相的冷却液8中，扰动器9例如为泵或通电可自动产生形变变化的金属板等任何适于增加冷却液8的扰动程度的装置。以目前实施例为例来说，扰动器9例如可对冷却液8产生往热源7方向流动的力(如箭头所示)，借此，扰动器9可加速将热源7周围的冷却液8流过热源7及加速冷却液气泡(未绘示)脱离热源7，从而增加散热效率。但可理解的是，扰动器9于储液空间S1中的位置与数量均不特别予以限制，而是可依据实际需求进行数量上的增减与位置上的调整。

由本发明前述实施例所公开的浸没式冷却设备，由于至少部分的冷凝器沉浸于冷却液中，因此冷却液自热源加热而产生的冷却液气泡至接近冷却液液面处可被降温，从而减少冷却液蒸气自冷却液液面蒸散的量。借此，于打开设备的上盖以维修或热插拔设备内部的热源的过程中，冷却液蒸气从设备外泄可有效地减少，从而降低冷却液蒸气逸散而对整体散热效率的影响及补充冷却液所造成的成本。

根据测试结果，将冷凝器部分浸没于冷却液的设计可在打该设备上盖时较将冷凝器未浸没于冷却液的设计至少可减少20％的蒸气逸散。

虽然本发明以前述的实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求。

Claims (10)

1.一种浸没式冷却设备，用于容置并冷却至少一热源，包含：

一设备槽体；

一冷却液，容置于该设备槽体中并用以直接热接触该至少一热源；以及

至少一冷凝器，至少部分的该至少一冷凝器沉浸于该冷却液中；该至少一冷凝器沿该设备槽体的内壁面配置而构成一框状结构以环绕该设备槽体的中间区域。

2.如权利要求1所述的浸没式冷却设备，其中该至少一冷凝器包含一热管，至少部分的该热管沉浸于该冷却液中。

3.如权利要求1所述的浸没式冷却设备，其中该至少一冷凝器包含多个热管，至少其中一该热管沉浸于该冷却液中。

4.如权利要求1所述的浸没式冷却设备，其中该至少一冷凝器的数量为多个。

5.如权利要求4所述的浸没式冷却设备，其中多个所述冷凝器均至少部分沉浸于该冷却液中。

6.如权利要求1所述的浸没式冷却设备，还包含至少一扰动器，该至少一扰动器位于该设备槽体中，用以增加该冷却液的扰动程度。

7.一种浸没式冷却设备，用于容置并冷却至少一热源，包含：

一设备槽体；

一冷却液，容置于该设备槽体中并用以直接热接触该至少一热源；以及

至少一冷凝器，完全沉浸于该冷却液中；该至少一冷凝器沿该设备槽体的内壁面配置而构成一框状结构以环绕该设备槽体的中间区域。

8.如权利要求7所述的浸没式冷却设备，其中该至少一冷凝器包含至少一热管，该至少一热管沉浸于该冷却液中。

9.如权利要求7所述的浸没式冷却设备，其中该至少一冷凝器的数量为多个。

10.如权利要求7所述的浸没式冷却设备，还包含至少一扰动器，该至少一扰动器位于该设备槽体中，用以增加该冷却液的扰动程度。