CN115696850A - 流体浸没式冷却系统及冷却电子系统的方法 - Google Patents

流体浸没式冷却系统及冷却电子系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种流体浸没式冷却系统，其包括一流体容槽，其盛有一层双相冷却剂流体和一层或多层单相冷却剂流体。双相和单相冷却剂流体互不相溶，双相冷却剂流体具有比单相冷却剂流体更低的沸点和更高的密度。一电子系统的基板浸没在容槽中，使得高发热元件至少浸没在双相冷却剂流体层中。来自部件的热量发散到双相冷却剂流体以产生双相冷却剂流体的蒸气气泡。蒸气气泡上升到位于双相冷却液之层上的单相冷却液之层。蒸气气泡凝结成双相冷却液液滴。液滴落入双相冷却液之层中。

Description

流体浸没式冷却系统及冷却电子系统的方法
技术领域
本发明涉及电子系统的流体浸没式冷却。
背景技术
电子系统，例如资讯技术设备(例如，电脑、路由器、分组交换机、细胞电路)，在运行过程中会产生热量。冷却系统以发展用于防止电子系统过热。一个简单的冷却系统涉及使用冷却风扇将空气吹向一电子系统的发热元件。一种较复杂的方法是将一电子系统浸没在一冷却液中(例如，氟化物流体)中，例如双相流体浸没式冷却系统。在传统的双相流体浸没式冷却系统中，电子系统产生的热能将双相冷却液转变成蒸汽，其上升后经由冷凝器单元收集。冷凝器单元是一种将蒸汽转变为液体的设备，其液体则回落到双相冷却液中，从而完成冷却循环。
传统的双相流体浸入式冷却系统表现出出色的功率，但也有一些缺点。首先，蒸气存在泄漏到环境中的风险。泄漏尤其需要考量，因为汽化的双相冷却液被认为具有全球变暖潜能值(GWP)。其次，传统双相流体浸没式冷却系统中用于蒸汽平衡所需的波纹管占用了太多空间。第三，由于泄漏的可能性很高，传统的双相流体浸没式冷却系统的制造和操作成本相对较高。
发明内容
本发明提供一种流体浸没式冷却系统，其包括：收容有一电子系统的一元件的一流体容槽；在流体容槽中的一层双相冷却剂流体，电子系统的元件至少浸没在流体容槽中的该层双相冷却剂流体之中；在流体容槽中的一层第一单相冷却剂流体，第一单相冷却剂流体和双相冷却剂流体互不相溶，该层第一单相冷却剂流体在该层双相冷却剂流体之上。其中双相冷却剂流体具有比第一单相冷却剂流体更高的密度和更低的沸点。
在一实施例中，第一单相冷却剂流体包括一介电油。
在一实施例中，双相冷却剂流体包括含一氟化合物。
在一实施例中，流体浸没式冷却系统更包括一冷却器单元，连接到流体容槽的一出口和一入口，冷却器单元被配置用以冷却第一单相冷却剂流体。
在一实施例中，冷却器单元包括一泵及一热交换器，泵配置驱使第一单相冷却剂流体循环，热交换器配置以冷却第一单相冷却剂流体。
在一实施例中，流体浸没式冷却系统还包括：一冷凝器，设置在该层第一单相冷却剂流体上方，冷凝器被配置以收集和冷凝未被限于该层第一单相冷却剂流体的双相冷却剂流体的多个蒸气气泡。
在一实施例中，电子系统的元件为一中央处理单元。
在一实施例中，流体浸没式冷却系统更包括在流体容槽中的一层第二单相冷却剂流体，第二单相冷却剂流体、第一单相冷却剂流体和双相冷却剂流体互不相溶，该层第二单相冷却剂流体层在该层第一单相冷却剂流体之上。双相冷却剂流体具有比第二单相冷却剂流体更高的密度和更低的沸点。
本发明提供一种冷却电子系统的方法，该方法包括述的步骤：将一电子系统的一部件浸没在一液体容槽中的一层双相冷却剂流体中；将电子系统组件的热能发散到双相冷却剂流体以产生双相冷却剂流体的多个蒸气气泡；在一层单相冷却剂流体中将该些蒸气气泡冷凝成的双相冷却剂流体的多个液滴，该层单相冷却剂流体位于流体容槽内的该层双相冷却剂流体之上，其中双相冷却剂流体与单相冷却剂流体互不相溶；将来自该层单相冷却剂流体的双相冷却剂流体的该些液滴接收到流体容槽中的该层双相冷却剂流体中。双相冷却剂流体具有比单相冷却剂流体更高的密度和更低的沸点。
在一实施例中，冷却电子系统的方法还包括：收集未限于该层单相冷却剂流体中的该双相冷却剂流体的该些蒸气气泡并冷凝于该冷凝器单元中，该冷凝器单元设置在该层单相冷却剂流体上方。
在一实施例中，双相冷却剂流体包括含一氟化合物。
在一实施例中，单相冷却剂流体包括一介电油。
在一实施例中，冷却电子系统的方法还包括：以在该流体容槽外部的一冷却器单元冷却该单相冷却剂流体。
在一实施例中，以在该流体容槽外部的一冷却器单元冷却该单相冷却剂流体包括：通过该流体容槽外部的一热交换器再循环该单相冷却剂流体。
附图说明
图1所示是本发明一实施例的流体浸没式冷却系统的示意图。
图2所示是如图1的本发明一实施例的流体浸没式冷却系统的操作流程图。
图3所示是如图1的本发明一实施例的流体浸没式冷却系统的示意图。
图4所示是本发明一实施例中盛装有多层冷却剂流体的流体容槽的示意图。
图5所示是本发明一实施例的电子系统冷却方法的流程图。
在不同的附图中所使用的相同标号表示相同或相似的元件。附图未按比例绘制。
其中，附图标记：
100:流体浸没式冷却系统
101:基板
102:电子装置
103:蒸气气泡
104:液滴
105:边界
106:箭头
107:箭头
110:冷却剂流体
120:冷却剂流体
140:容槽
141:冷凝器单元
142:入口
143:出口
161:双相冷却剂流体层
162:单相冷却剂流体层
162-1～162-n:单相冷却剂流体层
201～208:步骤
301～305:步骤
D1:深度
D2:深度
具体实施方式
本发明提供了许多具体细节，例如设备、元件和方法的示例，以利彻底理解本发明的实施例。然而，本发明所属技术领具有通常知识者应能理解，可以在缺少一个或多个具体细节的情况下本发明仍能据以实施。在其他情况下，众所周知的细节未被示出或描述以免模糊本发明的主旨。
图1所示是本发明一实施例的流体浸没式冷却系统100的示意图。流体浸没式冷却系统100包括一流体容槽140其盛装有一层双相冷却剂流体110和一层单相冷却剂流体120。冷却剂流体110和120皆不导电。冷却剂流体110和120互不相溶，冷却剂流体110的液体密度高于冷却剂流体120的液体密度。因此，容槽140中存在冷却剂流体110和120的分隔流体层。冷却剂流体110之层位于容槽140的底部，且冷却剂流体层120之层在冷却剂流体层110之层的上方。
冷却剂流体110是“双相”流体，其具有相对低的沸点，可以在40℃至80℃的范围内。冷却剂流体110的操作环境温度可以等于或接近其沸点。冷却剂流体110具有比冷却剂流体120更低的沸点但更高的密度。冷却剂流体110较佳地采尽可能低的黏度和尽可能接近1(真空值)的介电常数。冷却剂流体110可以是氟化物流体。例如，冷却剂流体110可以是3MTM Fluorinert TM电子液体，其例如可自3M公司购得的产品FC-3284。也可以使用其他合适的双相冷却剂流体。
冷却剂流体120是“单相”流体，其具有相对高的沸点，可以高于80℃。冷却剂流体120具有比冷却剂流体110更高的沸点但更低的密度。冷却剂流体120的操作环境温度低于冷却剂流体110的沸点。冷却剂流体120较佳地采尽可能高的黏度和尽可能接近1(真空值)的介电常数。相对高的黏度有利地允许更好地拘束从冷却剂流体110上升的蒸气气泡。冷却剂流体120可以包括介电油。例如，冷却剂流体120可以是可自Engineered Fluids有限公司购得的ElectroCool TM冷却剂。也可以使用其他合适的单相冷却剂流体。
如图1所示，包含电子装置102的多个基板101被放置在容槽140中。基板101可以包括印刷电路板或其他的电子系统基板，例如资讯技术(IT)设备。以电子装置102为例的热点，是产生大量热能的区域或组件。电子装置102可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、功率晶体管、现场可程式化逻辑闸阵列(FPGA)等。在一个实施例中，热点至少完全浸没在冷却剂流体中110，基板101的其余部分则浸没在冷却剂流体120中。如图1所示之例，在容槽140中，冷却剂流体110的深度为D1，冷却剂流体120的深度为D2。深度D1可以远浅于深度D2，以节省相对昂贵的冷却剂流体110并更好地防止冷却剂流体110的蒸气通过冷却剂流体120逸出。虚线表示冷却剂流体110和冷却剂流体120之间的边界105。
作为电子系统的一部分的基板101可以通过母板、线材等而电性互连。该些互连元件未被示出以求说明的明确性。在电子系统作业时，电子装置102被通电并产生热能。来自浸于冷却剂流体110的电子装置102和基板101的其他区域的热能促使冷却剂流体110汽化，从而产生冷却剂流体110的蒸气气泡103。蒸气气泡103(以白色圆圈示之)上升并且穿过边界105进入冷却剂流体120之层。冷却剂流体120防止蒸气气泡103泄漏。冷却剂流体120的黏度越高，蒸气气泡103的拘束性就越好。除了防止泄漏之外，冷却剂流体120更节省了相对昂贵的冷却剂流体110。
在冷却剂流体120之层中，蒸气气泡103凝结成冷却剂流体110的液滴104。液滴104(以小黑圈示之)最终落下并穿过边界105归入冷却剂流体110之层，完成冷却循环。
容槽140可以是开放的容器并且不一定需要密封。容槽140可以具有用于收纳配线和管线的配置以及便于导入基板101的装置。流体浸没式冷却系统100可以选择性地包括一冷凝器单元141，其被配置用以收集经由冷却剂流体120之层逸出的蒸气气泡104。冷凝器单元141可以定位在容槽140中的冷却剂流体120的正上方以捕获逸出的蒸气气泡104。
容槽140可以选择性包括入口142和出口143以作为附加的冷却机构。冷却器单元(未示出)可以通过入口142将冷的冷却剂流体120供应到容槽140(参见箭头106)。热的冷却剂流体120可以通过出口143(参见箭头107)流出容槽140以被冷凝器单元141冷却。冷凝器单元141是一种配置用以冷却热冷却液的设备。
所示是本发明一实施例的流体浸没式冷却系统100的操作流程图。在图2所示之例中，边界105分隔发生在双相冷却剂流体110之层(在边界105下方)中的作业与发生在单相冷却剂流体120之层(在边界105上方)中的作业。
如图2所示之例，电子系统放置在容槽140中，容槽140包含冷却剂流体110之层和冷却剂流体120之层(见图1)。来自电子系统的热量发散到(图2，201)并汽化(图2，202)如前述为双相流体的冷却剂流体110。汽化导致形成冷却剂流体110(图2，203)的蒸气气泡。蒸气气泡上升越过边界105(图2、204)并进入如前述为单相流体的冷却剂流体120之层(图2、205)。在冷却剂流体120之层中，蒸气气泡凝结成冷却剂流体110的液滴(图2，206)。在冷却剂流体120中，液滴朝冷却剂流体110之层落下(图2，207)。液滴越过边界105落入冷却剂流体110之层(图2，208)。
在一实验中，量筒中填充了3MTM FC-3284 FluorinertTM电子液体作为底层双相冷却剂流体，并用GRC介电油作为上层单相冷却剂流体。GRC介电油可自Green RevolutionCooling公司购得。与双相冷却剂流体相比，单相冷却剂流体具有较低的密度和较高的黏度。双相冷却剂流体的沸点约为50℃。单相冷却剂流体具有在实验过程中未达的较高沸点。
在该实验中，量筒模拟了一个流体容槽。为了模拟冷却器装置，可将装有冰的金属容槽放置在量筒顶部而于单相冷却剂流体之层中。加热量筒的底部以模拟热点。在实验过程中，观察到加热量筒底部造成上升到单相冷却剂流体的双相冷却剂流体的蒸气气泡。如图2的流程图所述，蒸气气泡在单相冷却剂流体中冷凝成液滴，并且液滴落回双相冷却剂流体中。实验过程中没有观察到泄漏。蒸气气泡容易被拘束在单相冷却剂流体层中冷凝而不会逸出蒸汽。
如图3所示是本发明一实施例的流体浸没式冷却系统100的示意图。如图3所示之例中，流体浸没式冷却系统100包括冷却器单元其包括一歧管153、一个或多个泵151以及与泵151串联的热交换器152(例如，板式热交换器(PHE))。泵151可以设置在容槽140和热交换器152之间的管道的热侧(如图3所示)、冷侧或容槽140和热交换器152之间的管道的两侧(参见图3，附加泵151由虚线表示)。
在作业中，泵151驱使冷却剂流体120(即，单相冷却剂流体)循环通过容槽140。冷的冷却剂流体120通过入口142(也参见图1、142)进入容槽140并且热的冷却剂流体120通过出口143离开容槽140。歧管153促进冷却剂流体120冷却。热交换器152使用外部冷水源(未示出)进一步冷却冷却剂流体120。
可以理解，根据本发明的教示，可以使用两层或更多层冷却剂流体来冷却电子系统。该些冷却剂流体之层可包括一底部双相冷却剂流体层和位于底部双相冷却剂流体层顶部的多个单相冷却剂流体层。如图4所示之例，容槽140可以填充有一底部双相冷却剂流体层161和上方单相冷却剂流体层162等(即，162-1、162-2、162-3、...、162-n)。单相冷却剂流体层162是相对于双相冷却剂流体层161的“上”层。
双相和单相冷却剂流体的性质可以参照如上文所述的冷却剂流体110和120。更具体而言，双相冷却剂流体层161和单相冷却剂流体层162互不相溶，双相冷却剂流体层161相较任何单相冷却剂流体层162具有更高的密度、更低的黏度和远低的沸点。该些单相冷却剂流体层162具有不同的密度并且互不相溶以允许在双相冷却剂流体层161以上的不同的分层水平可具有不同的黏度以促进冷凝双相冷却剂流体层161的蒸气气泡。
图5所示是本发明一实施例的电子系统冷却方法的流程图。在图5所示之例中，一电子系统被放置在容置有一层双相冷却剂流体之底层和一层或多层单相冷却剂流体之上层的流体容槽中。电子系统的高发热元件至少浸没在双相冷却剂流体之底层(图5，301)。来自电子系统的部件的热量发散到双相冷却剂流体以产生双相冷却剂流体的蒸气气泡(图5，302)。蒸气气泡上升到至少一层的单相冷却剂流体之上层中(图5，303)。在单相冷却剂流体之层中，蒸气气泡凝结成双相冷却剂流体的液滴(图5，304)。液滴向双相冷却剂流体层落下(图5，305)。
一种用于冷却电子系统的流体浸没式冷却系统已经公开于此。尽管已经提供了本发明的特定实施例，但是应当理解这些实施例是出于说明的目的而不是限制之用。对于参阅本发明的本发明所属技术领具有通常知识者而言，诸多额外的实施例将是显而易见的。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种流体浸没式冷却系统，其特征在于，包括：
收容有一电子系统的一元件的一流体容槽；
在该流体容槽中的一层双相冷却剂流体，该电子系统的该元件至少浸没在该流体容槽中的该层双相冷却剂流体之中；以及
在该流体容槽中的一层第一单相冷却剂流体，该第一单相冷却剂流体和该双相冷却剂流体互不相溶，该层第一单相冷却剂流体在该层双相冷却剂流体之上，
其中该双相冷却剂流体具有比该第一单相冷却剂流体更高的密度和更低的沸点。
2.如权利要求1所述的流体浸没式冷却系统，其特征在于，该第一单相冷却剂流体包括一介电油。
3.如权利要求1所述的流体浸没式冷却系统，其特征在于，该双相冷却剂流体包括含一氟化合物。
4.如权利要求1所述的流体浸没式冷却系统，其特征在于，更包括：
一冷却器单元，连接到该流体容槽的一出口和一入口，该冷却器单元被配置用以冷却该第一单相冷却剂流体。
5.如权利要求4所述的流体浸没式冷却系统，其特征在于，该冷却器单元包括：
一泵，配置驱使该第一单相冷却剂流体循环；及
一热交换器，配置以冷却该第一单相冷却剂流体。
6.如权利要求1所述的流体浸没式冷却系统，其特征在于，还包括：
一冷凝器，设置在该层第一单相冷却剂流体上方，该冷凝器被配置以收集和冷凝未被限于该层第一单相冷却剂流体的该双相冷却剂流体的多个蒸气气泡。
7.如权利要求1所述的流体浸没式冷却系统，其特征在于，该电子系统的该元件为一中央处理单元。
8.如权利要求1所述的流体浸没式冷却系统，其特征在于，更包括：
在该流体容槽中的一层该第二单相冷却剂流体，
其中该第二单相冷却剂流体、该第一单相冷却剂流体和该双相冷却剂流体互不相溶，
其中该层第二单相冷却剂流体层在该层第一单相冷却剂流体之上；及
其中该双相冷却剂流体具有比该第二单相冷却剂流体更高的密度和更低的沸点。
9.一种冷却电子系统的方法，其特征在于，该方法包括述的步骤：
将一电子系统的一部件浸没在一液体容槽中的一层双相冷却剂流体中；
将该电子系统组件的热能发散到该双相冷却剂流体以产生该双相冷却剂流体的多个蒸气气泡；
在一层单相冷却剂流体中将该些蒸气气泡冷凝成的该双相冷却剂流体的多个液滴，该层单相冷却剂流体位于该流体容槽内的该层双相冷却剂流体之上，其中该双相冷却剂流体与该单相冷却剂流体互不相溶；及
将来自该层单相冷却剂流体的该双相冷却剂流体的该些液滴接收到该流体容槽中的该层双相冷却剂流体中，
其中，该双相冷却剂流体具有比该单相冷却剂流体更高的密度和更低的沸点。
10.如权利要求9所述的冷却电子系统的方法，其特征在于，还包括：
收集未限于该层单相冷却剂流体中的该双相冷却剂流体的该些蒸气气泡并冷凝于该冷凝器单元中，该冷凝器单元设置在该层单相冷却剂流体上方。
11.如权利要求9所述的冷却电子系统的方法，其特征在于，该双相冷却剂流体包括含一氟化合物。
12.如权利要求9所述的冷却电子系统的方法，其特征在于，该单相冷却剂流体包括一介电油。
13.如权利要求9所述的冷却电子系统的方法，其特征在于，还包括：
以在该流体容槽外部的一冷却器单元冷却该单相冷却剂流体。
14.如权利要求13所述的冷却电子系统的方法，其特征在于，以在该流体容槽外部的一冷却器单元冷却该单相冷却剂流体包括：
通过该流体容槽外部的一热交换器再循环该单相冷却剂流体。
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