CN116076162A - 具有主动蒸汽管理的两相沉浸冷却设备 - Google Patents

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Liquid Stack Holding Co ltd
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Abstract

一种两相沉浸冷却设备可以包括沉浸罐和蒸汽管理系统，沉浸罐具有与沉浸罐的内部容积热连通的主冷凝器，蒸汽管理系统以流体的方式连接到沉浸罐。蒸汽管理系统可以通过从沉浸罐的顶部空间去除蒸汽和其他气体、将蒸汽冷凝成液体、和使液体返回到沉浸罐来使设备能够有效地管理高蒸汽产生的时期。

Description

具有主动蒸汽管理的两相沉浸冷却设备
技术领域
本发明涉及用于冷却电子装置的两相沉浸冷却设备和方法。
背景技术
数据中心容纳用于存储、处理和传播数据和应用程序的信息技术(IT)设备。IT设备可包括电子装置，诸如，服务器、存储系统、配电单元、路由器、交换机和防火墙。
IT设备在使用期间会消耗电力，并产生作为副产物的热量。容纳数千台服务器的数据中心需要专用的IT冷却系统来管理所产生的热量。必须从数据中心捕获并排除热量。如果不去除热量，数据中心内的周围温度将上升到可接受的阈值以上，并可能出现由温度引起的电子装置(例如，微处理器)的性能限制。
数据中心是高能耗设施。数据中心每平方英尺的能耗超过典型商业办公楼的50倍，这并不罕见。总的来说，数据中心的用电量约占全球用电量的3％。
数据中心的用电可归因于各种系统，包括IT设备、空气管理系统、机械系统、电气系统(例如，功率调节系统)、和用于IT设备的冷却系统。IT冷却系统的示例包括精密空调系统、直接膨胀系统、冷冻水系统、自由冷却系统、加湿系统、和直接液冷系统。在一些数据中心，IT冷却和功率调节系统占所有用电量的一半以上。
大多数数据中心使用精密空调系统进行IT冷却。精密空调器采用蒸汽压缩循环，类似于住宅空调器。尽管空调技术非常适合于舒适型冷却办公空间，但其不太适合冷却在整个大型数据中心分布的数千个相对小的热装置。空气的热容量相对低，因此需要调动和调节大量空气来冷却IT设备。因此，空调器的热力学效率低，导致运营成本高。为了降低运营成本，需要更有效地冷却服务器。
发明内容
因此，需要改进IT冷却系统的效率、性能、可靠性和可持续性。
第一方面，本发明涉及一种沉浸罐组件。在一些实施例中，沉浸罐组件包括一个或多个沉浸罐以及蒸汽管理系统，每个沉浸罐形成内部容积，蒸汽管理系统以流体的方式连接到沉浸罐组件。在某些应用中，每个沉浸罐可以包括上部部分、下部部分、和与沉浸罐的内部容积热连通的主冷凝器，蒸汽管理系统可以包括：冷凝室，冷凝室形成内部容积并包括入口、出口和与冷凝室的内部容积热连通的辅助冷凝器；蒸汽供应通道，其将沉浸罐的上部部分以流体的方式连接到冷凝室的入口；阀，其设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间的蒸汽供应通道中；和回液通道，其将冷凝室的出口以流体的方式连接到沉浸罐组件。
在一些实现方式中，两相沉浸冷却设备还可以包括以下中的一个或多个：可变容积室，其以流体的方式连接到蒸汽供应通道并设置在沉浸罐组件的上部部分与冷凝室的入口之间；卸压阀，其以流体的方式连接到冷凝室；传感器，其用于检测沉浸罐组件内的压力，传感器位于沉浸罐组件中和/或蒸汽供应通道中；排放通道，其以流体的方式连接到冷凝室；卸压阀，其以流体的方式连接在排放通道中；以及传感器，其用于检测蒸汽管理系统内的压力并位于蒸汽管理系统内；水分离器，其以流体的方式连接到冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间的回液通道；液体泵，其以流体的方式连接到回液通道并设置在冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间；干燥过滤器，其以流体的方式连接到回液通道并设置在冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间；杂质过滤器，其以流体的方式连接到回液通道并设置在冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间；以及蒸汽泵，其以流体的方式连接到蒸汽供应通道并设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间。
第二方面，本发明涉及一种沉浸罐组件。在一些实施例中，沉浸罐组件包括一个或多个沉浸罐以及蒸汽管理系统，每个沉浸罐形成内部容积，蒸汽管理系统以流体的方式连接到沉浸罐组件。在某些应用中，每个沉浸罐可以包括上部部分、下部部分、和与内部容积热连通的主冷凝器，蒸汽管理系统可以包括：冷凝室，其形成内部容积并包括入口、出口和与冷凝室的内部容积热连通的辅助冷凝器；蒸汽供应通道，其将沉浸罐的上部部分以流体的方式连接到冷凝室的入口；阀，其设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间的蒸汽供应通道中；和回液通道，其将冷凝室的出口以流体的方式连接到至沉浸罐组件的入口；传感器，其被配置为能够检测沉浸罐组件中的压力，并基于所测量的压力产生和传输信号；和电子控制单元，其被配置为能够接收来自传感器的信号并向阀发送命令信号。
在一些实现方式中，传感器可以设置在沉浸罐组件和/或阀与沉浸罐组件之间的蒸汽供应通道中。在一些变型中，冷凝室的容积可以至少为沉浸罐的顶部空间容积的10％。在某些应用中，冷凝室还可以包括以流体的方式连接到辅助冷凝器的制冷器。在一些实施例中，该设备还可以包括以流体的方式连接到主冷凝器的热交换器。
第三方面，本发明涉及一种沉浸冷却发热装置的方法。在一些实施例中，所述方法包括提供两相沉浸冷却设备；检测沉浸罐内的压力；以下中的至少一项：当所测量的沉浸罐组件中的压力大于预定的阈值设置(例如，在-0.9psig与0.9psig之间)时，打开阀，使得来自沉浸罐组件的介电蒸汽和其他气体被允许进入冷凝室；或当所测量的沉浸罐组件中的压力小于预定的阈值设置时，关闭阀；在冷凝室中将介电蒸汽和其他气体冷凝成液态；以及使所冷凝的介电液体通过回液通道返回到沉浸罐组件。
在一些实现方式中，所提供的沉浸罐组件可以包括一个或多个沉浸罐以及蒸汽管理系统，每个沉浸罐形成内部容积，蒸汽管理系统以流体的方式连接到沉浸罐组件。在某些应用中，每个沉浸罐可以包括上部部分、下部部分、和与沉浸罐的内部容积热连通的主冷凝器，蒸汽管理系统可以包括：冷凝室，其形成内部容积并包括入口、出口和与冷凝室的内部容积热连通的辅助冷凝器；蒸汽供应通道，其将沉浸罐的上部部分以流体的方式连接到冷凝室的入口；阀，其设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间的蒸汽供应通道中；以及回液通道，其将冷凝室的出口以流体的方式连接到沉浸罐组件。
在一些变型中，该方法还可以包括使冷却剂通过主冷凝器循环，冷却剂的温度大于或等于环境空气温度和/或使第一冷却剂通过主冷凝器循环并使第二冷却剂通过辅助冷凝器循环，其中第一冷却剂的温度大于第二冷却剂的温度。
在一些实现方式中，该方法还可以包括：提供蒸汽泵，蒸汽泵以流体的方式连接到蒸汽供应通道并设置在沉浸罐组件与冷凝室的入口之间；以及在阀打开的同时操作蒸汽泵，以从沉浸罐的顶部空间清除气体并将沉浸罐内的压力降低到大气压力以下。
附图说明
图1示出根据本发明的一些实施例的模块化数据中心的立体图。
图2示出根据本发明的一些实施例的图1的模块化数据中心的局部剖视图，暴露容器内的多个沉浸冷却罐组件。
图3示出根据本发明的一些实施例的沉浸冷却罐组件的立体图。
图4示出根据本发明的一些实施例的位于常规数据中心中的多个沉浸冷却罐组件的立体图。
图5示出根据本发明的一些实施例的具有蒸汽管理系统的两相沉浸冷却设备的示意图。
图6示出根据本发明的一些实施例的具有打开的流量控制阀的图5的设备。
图7示出根据本发明的一些实施例的具有打开的流量控制阀和膨胀的波纹管的图5的设备。
图8示出根据本发明的一些实施例的沉浸罐压力和电子装置功耗随时间变化的曲线图。
图9示出根据本发明的一些实施例的具有打开的卸压阀的图5的设备。
图10示出根据本发明的一些实施例的基于重力的水分离器和过滤组件。
图11示出根据本发明的一些实施例的水分离器的替代实施例。
图12示出根据本发明的一些实施例的制冷器和辅助冷凝器。
图13示出根据本发明的一些实施例的具有包括在蒸汽管理系统中的蒸汽泵的图5的设备。
图14示出根据本发明的一些实施例的在电子装置通电之前，当罐压力被抽吸到大气压力以下时，沉浸罐压力和电子装置功耗随时间变化的曲线图。
图15示出具有主冷凝器的现有技术沉浸冷却系统。
图16示出具有主冷凝器和干舷冷凝器的现有技术沉浸冷却系统。
图17示出根据本发明的一些实施例的具有以流体的方式连接到中央蒸汽管理系统的两个沉浸罐的两相沉浸冷却设备的实施例。
图18示出根据本发明的一些实施例的具有以流体的方式连接在每个沉浸罐与中央蒸汽管理系统之间的蒸汽泵的图17的设备。
图19示出根据本发明的一些实施例的蒸汽处理设备。
图20示出根据本发明的一些实施例的具有两个蒸汽供应入口的蒸汽处理设备。
图21示出根据本发明的一些实施例的具有蒸汽泵的蒸汽处理设备。
图22示出根据本发明的一些实施例的具有两个蒸汽供应入口和两个蒸汽泵的蒸汽处理设备。
图23示出根据本发明的一些实施例的具有包括在蒸汽管理系统中的液位传感器和包括在水分离器和过滤组件中的液体泵的图5的设备。
具体实施方式
直接液冷系统为数据中心应用的空调系统提供了一种有前景的替代方案。直接液冷的一种形式是沉浸冷却。在沉浸冷却系统中，电子装置沉浸在介电流体中。来自电子装置的废热被传递到流体中，然后被排除在数据中心之外。由于废热不会释放到数据中心的环境空气中，所以一般不需要精密的空调系统。
沉浸冷却系统可以采用单相或两相技术。在单相沉浸冷却系统中，电子装置沉浸在流体中，流体诸如是矿物油。来自电子装置的废热被传递到流体并使流体升温。升温的流体被从沉浸冷却系统泵送至散热系统，诸如，蒸发冷却塔、干式冷却器、或冷冻水循环系统，该散热系统从流体捕获废热，并将热量排除在数据中心之外。
单相沉浸冷却技术的一个缺点是矿物油能够用作溶剂，并且随着时间的推移，从主板、处理器和其他部件上去除识别信息。例如，产品标签(例如，包含序列号和条形码的贴纸)和其他标记(例如，电容器和其他装置上的丝网印刷信息和型号)可能会溶解并被洗掉，因为矿物油不断地流过装置表面。随着标签和墨水从服务器上被洗掉，矿物油会被污染，可能需要更换，从而导致成本和定期停机。单相沉浸冷却的另一个缺点是服务器在被从罐中取出之后不能立即进行维护。通常情况下，必须将服务器从罐中移出，并在维修之前让其经数小时滴干。在此干燥期间，服务器可能暴露于循环空气中的污染物，并且服务器上存在矿物油可能会将污染物(例如，灰尘或颗粒)吸附并捕获在敏感电路上，这可能会增加短路和故障的风险。
在两相沉浸冷却系统中，电子装置沉浸在罐中的流体中，流体诸如是氢氟醚。流体易于蒸发且不留残余物，因此两相系统不会承受上述单相基于矿物油的系统的缺点。在使用期间，来自电子装置的废热被流体吸收，导致流体的局部蒸发。蒸汽上升到罐的顶部空间中，并且由冷凝器冷凝。来自蒸汽的热量传递给通过冷凝器循环的冷却剂，从而使冷却剂升温。然后，升温的冷却剂被从冷凝器泵送到散热系统，诸如，蒸发冷却塔、干式冷却器或冷冻水循环系统，该散热系统从流体捕获废热，并将热量排除在数据中心之外。
两相沉浸冷却系统利用了相变传热的益处，这使得其比单相沉浸冷却系统更有效、更能够冷却具有高热通量的电子装置，诸如具有多个图形处理单元(GPU)的高性能计算(HPC)服务器。然而，相变传热的益处也带来了挑战。在实践中，在现有技术的两相系统中保持系统内的蒸汽已被证明具有挑战性。随着时间的推移，现有的两相沉浸冷却系统不可避免地遭受流体损失到环境中。在经常性的基础上，补充损失的流体可能成本很高。现有技术的两相冷却系统及其流体损失模式和其他缺点的示例如下所述。
图15示出基本两相沉浸冷却设备1500的现有技术示例。设备1500包括沉浸罐201，沉浸罐201部分地填充有液相的介电流体620。该设备包括安装在罐201的顶部空间中的冷凝器235。电子装置800沉浸在介电流体中。电子装置可以是包括一个或多个微处理器801的服务器。罐201被盖225围封。当通电并工作时，电子装置800产生热量。热量传递给介电流体620，其导致流体的一部分沸腾并形成介电蒸汽615。蒸汽615上升通过介电液体620浴并进入罐201的顶部空间。当蒸汽615接触冷凝器235时，其冷凝成液体并被动地再循环回到液浴，从而完成蒸发、冷凝、沉淀和收集的循环。在操作期间，密度相对大的介电流体620的沸腾产生密度相对小的蒸汽615，其膨胀并进入不可凝性气体所占据的顶部空间。介电流体620作为蒸汽比液体占据更大的容积，因此产生更多的蒸汽615并进入顶部空间，罐压力增大。为了防止罐压力达到不安全水平，在罐201中设有卸压阀460，并且当压力超过预定的阈值时，卸压阀460打开。在卸压阀460的致动下，从罐201中释放介电蒸汽615并损失到环境中。随着时间的推移，周期性阀致动和流体损失会耗尽流体620，需要进行补充。
在图15所示的示例的变型中，两相沉浸冷却设备1500可被配置为能够始终保持接近周围压力(例如，1atm)的罐压力。在大气压下或接近大气压操作会是可取的，以使因通过系统接头或材料的泄漏或扩散造成的流体损失最小化。当来自电子装置800的热负荷增加时，介电蒸汽产生的速率增加，罐201内的压力增加。为了避免压力累积，每当罐压力上升到大气压以上时，可以致动卸压阀460。在高强度计算期间，这可能导致蒸汽615频繁通流到环境。在闲置期间，来自装置800的热负荷将减少，蒸汽产生的速率将下降或者甚至停止。任何剩余的蒸汽615被冷凝器235冷凝，随后，顶部空间中的空气被冷凝器235进一步冷却，导致罐压力下降到周围压力以下。为了减轻罐201中的负压，卸压阀460可以打开并允许环境空气进入罐201。随着时间的推移，这种周期性的气体交换导致流体损失。
在图15中所示的示例的另一种变型中，两相沉浸冷却设备1500可以配备有大容量冷凝器235，大容量冷凝器235的冷却能力超过电子装置800的最大热负荷。冷凝器235可以在显著低于介电流体620的蒸汽温度的温度下运行，从而确保蒸汽615被迅速冷凝，进而避免由于蒸汽积聚而产生的过压。虽然这种方式减少了流体损失，但冷凝器235体积大且能耗低，对于大规模数据中心应用来说成本高且不切实际。
在图15中所示的示例的另一种变型中，两相沉浸冷却设备1500可以是气密密封的。罐201可以是压力容器，能够承受高的正压或负压而无故障风险。遗憾的是，压力容器的构造和维护成本很高。出于产品责任的考虑，高压操作对独特服务器型号的影响需要在使用之前进行评估和批准，从而导致持续的验证和责任负担。高的操作压力可能会促进流体的扩散损失，并且加速垫圈和其他系统部件的老化。在密封系统中，例行的服务器维护需要关闭冷却系统并打开盖以接近服务器，这很耗时。由于这些原因，气密密封的罐201对于大多数数据中心来说并不是实用的选择，特别是有高运行时间要求的数据中心。
图16示出两相沉浸冷却设备1600的第二现有技术示例。设备1600包括沉浸罐201，沉浸罐201部分地填充有液相的介电流体620。电子装置800沉浸在介电流体620中。电子装置800可以是包括一个或多个微处理器801的服务器。沉浸罐201由盖225围封。设备1600可以包括两个冷凝器。例如，设备1600可包括安装在沉浸罐201内的主冷凝器235和干舷冷凝器250。主冷凝器235可以位于罐201的顶部空间中的液体管线605之上。干舷冷凝器250可以位于顶部空间206中主冷凝器235之上一定距离处。在一示例中，主冷凝器235可以在约5℃到15℃的温度下运行。干舷冷凝器250可以在约-28℃至-2℃的较低温度下运行。设备1600具有高的干舷比，其中干舷比定义为从主冷凝器235的顶部到盖225的底面所测量的距离除以沉浸罐201的内部宽度。
在设备1600的稳态运行期间，蒸汽615是由于来自电子装置800的热量使罐201中的流体620蒸发而产生的。蒸汽615比空气705重，因此含有饱和蒸汽615的第一区1605可以在液体管线605之上沉降。含有混合的蒸汽615和空气705的第二区1610可在饱和蒸汽615之上形成。在蒸汽615和空气705的混合物之上可形成主要含有空气705的第三区1615。饱和蒸汽区1605可能位于液体管线605和主冷凝器235之间。蒸汽和空气混合区1610可位于主冷凝器235和干舷冷凝器250之间。主要含有空气705的第三区1615可位于干舷冷凝器250和盖225之间。主冷凝器235可以适当地设定尺寸以冷凝在稳态运行期间产生的大部分蒸汽615。干舷冷凝器250可以冷凝蒸汽615，蒸汽615上升到主冷凝器235之上并进入第二区1610。在稳态运行期间，可能存在蒸汽产生和冷凝的平衡。
在微处理器801利用率高的期间，装置800消耗了更多的电力，产生了更多的热量，从而产生了较高的蒸汽产生速率。随着顶部空间206中蒸汽615的量增加，饱和蒸汽区1605的深度也随之增加。保持在比主冷凝器235低得多的温度下的干舷冷凝器250可以有效地冷凝到达其的蒸汽615。
虽然是有效的，但图16中的设备1600有某些缺陷。首先，设备1600的效率低下，因为干舷冷凝器250需要制冷器以持续运行，以保持适当的低温。第二，设备1600不是紧凑型的或用户友好型的。为了有效，设备1600必须具有高的干舷比，这就需要相对高的罐201。尽管高的罐201可能在具有高的天花板且升降机或梯子可进入以将电子装备插入到罐201和从罐201移出的传统的数据中心中是可接受的，但其不适用于紧凑的应用，诸如，边缘或移动数据中心应用，其中系统1600安装在高度受限且顶部余隙极小的密闭空间(例如，集装箱1005(图1和图2)或公用设施围封件)。除了这些实际限制外，图16中的冷却系统1600也可能通过与图15中所示的和上面所述的冷却系统1500类似的模式经受流体损失。
鉴于前述示例，可取的是提供一种紧凑、节能、廉价且对环境的流体损失最小的两相沉浸冷却设备。
带有主动蒸汽管理的两相沉浸冷却设备
图5示出根据本发明的某些实施例的带有主动蒸汽管理的两相沉浸冷却设备100的实施例。两相沉浸冷却设备100可用于各种应用，从模块化数据中心1000(如图1所示)到传统数据中心2000(如图4所示)。在图1的实施例中，沉浸冷却设备100可以定位在容器1005内(图1和图2)，并且以流体的方式连接到安装在容器1005顶部的外部散热系统240。
设备100可包括沉浸罐组件200。沉浸罐组件200可以包括沉浸罐201，沉浸罐201可通过盖225(图3)选择性地密封。沉浸罐201可以是竖向紧凑的，允许其布置在密闭空间中，诸如，与模块化或边缘数据中心应用相关联的集装箱1005或公用设施围封件。沉浸罐201的高度可小于罐201的长度或宽度。沉浸罐201的高度可小于罐201的长度和宽度。
沉浸罐201可具有上部部分205和下部部分210。上部部分205可以是沉浸罐201的位于液体管线605之上的部分。下部部分210可以是沉浸罐201的位于液体管线605以下的部分。液体管线605可以是形成在顶部空间中的气体(例如，空气和介电蒸汽)与沉浸罐201的下部部分210中的介电液体620之间的交接部。沉浸罐201可在上部部分205中具有开口220。罐201可以在内部表面上具有电绝缘层230。沉浸罐可具有盖225。当打开时，盖225可提供到达沉浸罐201的内部容积215的入口，以便于插入和移出电子装置800(例如，服务器、交换机或电力电子元器件)。当关闭时，盖225可以围封开口220并防止蒸汽损失。盖225可以(例如，气密地)密封开口220。
沉浸罐201可以部分地填充有(例如，介电)流体620。可以选择流体620，或通过混合两种或更多种流体来配制流体620，以具有低于发热电子装置800(例如，微处理器801)的运行温度的沸点。当电子装置800运行时，与装置800接触的流体620可能局部沸腾并产生蒸汽615。蒸汽615可通过流体浴上升并进入沉浸罐201的顶部空间206中。蒸汽615可在液体管线605的顶部沉降，形成饱和蒸汽625的覆盖层。
沉浸罐组件200可包括主冷凝器235。主冷凝器235可以位于罐201的顶部空间206中。主冷凝器235可以在沉浸罐201内冷凝蒸汽615。在一些实现方式中，主冷凝器235可以是冷却盘管，更特别地，是接收来自散热系统240(诸如，蒸发冷却塔、干式冷却器、或冷冻水回路)的冷却剂(诸如，冷冻水、水-乙二醇混合物、制冷剂及类似物)的冷却盘管。散热系统240可包括冷却剂泵245，如图1和图5中所示。冷却剂泵245可使冷却剂通过主冷凝器235和散热系统240循环。
为使能耗最低化，主冷凝器235可以在室温下或略高于室温的温度下运行。在一实施例中，当周围温度为30℃时，主冷凝器235可以在约33℃的温度下接收冷却剂并使冷却剂循环。在另一实施例中，主冷凝器235可以在约25℃至40℃的温度下接收冷却剂并使冷却剂循环。在又一实施例中，主冷凝器235可以在约30℃至36℃的温度下接收冷却剂并使冷却剂循环。在另一实施例中，主冷凝器235可以在环境空气温度之上约0至10度的温度下接收冷却剂并使冷却剂循环。在另一实施例中，主冷凝器235可以在环境空气温度之上约0至15度的温度下接收冷却剂并使冷却剂循环。
设备100可包括蒸汽管理系统400。蒸汽管理系统400可以流体的方式连接到沉浸罐201。在必要时，蒸汽管理系统400可以从沉浸罐201接收蒸汽615，以避免罐201的过压，将蒸汽615冷凝成液体620，并使液体620返回到沉浸罐201以便重复使用。蒸汽管理系统400可以至少部分地位于沉浸罐201的顶部空间206之外。
蒸汽管理系统400可以是辅助蒸汽管理系统，例如，外部蒸汽管理系统。蒸汽管理系统400可在高、可变或持续的蒸汽产生时期启用。蒸汽管理系统400可以基于一个或多个系统变量(例如，罐压力、罐温度或装置功率)而被启用或停用。蒸汽管理系统400可以提供剩余的冷凝能力来管理热负荷和蒸汽产生增加的时期，从而在需要时补充主冷凝器235的冷凝能力。
可以基于在设备100中测量或确定的条件来主动控制蒸汽管理系统400。对于实施例，可以基于一个或多个变量(诸如，压力、温度、装置功率、蒸汽浓度、或沉浸罐201内的不透明度)的输入来控制蒸汽管理系统400。可以用电子传感器测量、机械检测、基于相关变量评估、或通过任何其他合适的技术及其组合确定变量。
蒸汽管理系统400可包括蒸汽供应通道405。蒸汽供应通道405可将蒸汽管理系统400以流体的方式连接到沉浸罐201的上部部分205。蒸汽供应通道405可以是任何合适类型的流体通道，诸如像，管、管道、整体形成的通道、或它们的组合。
蒸汽管理系统400可包括回液通道470。回液通道470可将蒸汽管理系统400以流体的方式连接到沉浸罐201的下部部分210。回液通道470可以是任何合适类型的流体通道，诸如，管、管道、或整体形成的通道、以及它们的组合。蒸汽供应通道405和回液通道470一起可使流体能够从沉浸罐201循环和循环到沉浸罐201。例如，蒸汽管理系统400可以接收来自沉浸罐201的介电蒸汽615并使液态介电流体620返回到沉浸罐201。
蒸汽管理系统400可包括在蒸汽供应通道405中的阀410。(例如，流量控制)阀410可以控制通过蒸汽供应通道405的蒸汽流量。当打开时，阀410可以允许蒸汽流动通过蒸汽供应通道405并从沉浸罐201到蒸汽管理系统400。阀410可以是手动或自动阀。阀410可以具有阈值(例如，固定或可变)压力设置。在一实施例中，阈值压力设置可以为约0.15psig。在本实施例中，当沉浸罐中的压力大于或等于0.15psig时，阀410将打开。阀410可以保持打开，直到沉浸罐201中的蒸汽压力下降到0.15psig以下，此时阀410可以关闭。在另一实施例中，阈值压力设置可以为-0.15psig和0.15psig或介于-0.15psig和0.15psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为-0.25psig和0.25psig或介于-0.25psig和0.25psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为-0.9psig和0.9psig或介于-0.9psig和0.9psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为0psig和0.25psig或介于0psig和0.25psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为-0.25psig和0psig或介于-0.25psig和0psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为1psig和5psig或介于1psig和5psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为4psig和10psig或介于4psig和10psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为-1psig和-5psig或介于-1psig和-5psig之间。在另一实施例中，阈值压力设置可以为-4psig和-10psig或介于-4psig和-10psig之间。
在一些实施例中，阈值压力设置可以是可变的，而不是固定的。可变压力设置可能有助于处理瞬态运行期间预期的蒸汽产生激增。例如，当装置功耗快速增加时，在通过压力监测检测到蒸汽压力上升之前，可能会出现时间滞后。可以通过监测装置功耗来准确预测蒸汽产生的上升。在检测到装置功耗增加时，阈值设置可以暂时降低，以比使用固定的阈值设置更快地启用蒸汽管理系统400。
在某些应用中，蒸汽管理系统400可包括冷凝室430。冷凝室可以是固定容积的冷凝室。冷凝室430可具有设置在入口435和出口440之间的内部容积。蒸汽供应通道405可以流体的方式连接到冷凝室430的入口435。蒸汽供应通道405可将阀410的出口以流体的方式连接到冷凝室430的入口435。当阀410打开时，蒸汽供应通道405可以将蒸汽615从沉浸罐201输送到冷凝室430。冷凝室430的容积可至少为沉浸罐201的顶部空间容积的10％。冷凝室430的容积可至少为沉浸罐201的顶部空间容积的30％。冷凝室430的容积可至少为沉浸罐201的顶部空间容积的50％。冷凝室430的容积可至少为沉浸罐201的顶部空间容积的70％。顶部空间容积可以是在液体管线605与盖225的内表面之间测量的容积，并以沉浸罐201的侧壁为界。
冷凝室430可包括辅助冷凝器451。辅助冷凝器451可与冷凝室430热连通。辅助冷凝器451可从蒸汽615中提取热量并在冷凝室430中冷凝蒸汽615。辅助冷凝器451可以延伸到冷凝室430的内部容积中或与冷凝室430的至少一个表面接触。辅助冷凝器451可以在比主冷凝器235低的温度下运行。在一实施例中，辅助冷凝器451可包括连接到液体制冷器446的冷却盘管。液体制冷器446可使冷冻的冷却剂通过辅助冷凝器451循环。在一实施例中，液体制冷器446可以在约5至15℃的温度下循环液体。在另一实施例中，液体制冷器446可以在约-2至10℃的温度下循环液体。在另一实施例中，液体制冷器446可以在约-10至-5℃的温度下循环液体。在另一实施例中，液体制冷器446可以在约-28至-2℃的温度下循环液体。
在一种变型中，液体制冷器446可以是冷冻系统，如图12所示。制冷器446可包括泵452，泵452使流体在储存器453和冷却盘管451之间循环，以使冷却盘管保持在低于周围温度的温度(Tc)下。流体可以是介电流体。流体可以是沉浸罐201中使用的相同类型的流体，以减少因泄漏或扩散造成交叉污染的风险。使用相同类型的流体还可以简化维护任务。液体制冷器446可包括压缩器449、冷凝器447、膨胀阀450和蒸发器448。液体制冷器446可采用冷冻循环以从储存器453中的流体中提取热量并通过冷凝器447散热。
蒸汽管理系统400可包括可变容积室415(例如，波纹管)。可变容积室415可由耐蒸汽材料制成，耐蒸汽材料诸如为金属化聚酯薄膜(例如，密拉)，具有可膨胀的内部容积。当蒸汽管理系统400中的压力小于或等于1atm时，可变容积室415可以缩小。当蒸汽管理系统400内的压力大于1atm时，可变容积室415可以膨胀。可变容积室415可允许蒸汽管理系统400的总容积扩大以增加总蒸汽容量，从而允许系统400在瞬态期间接收更多的蒸汽615。可变容积室415的膨胀可降低进入的蒸汽615的压力并促进蒸汽615的冷凝。
蒸汽管理系统400可包括卸压阀460。卸压阀460可以是安全装置。卸压阀460可以在预定压力阈值下打开，以防止蒸汽管理系统400的过压。卸压阀460可以经由排放通道462以流体的方式连接到冷凝室430。在一实施例中，卸压阀460可以被配置为能够当蒸汽管理系统400内的压力等于或大于约0.15psig时打开。在另一实施例中，卸压阀460可以被配置为能够当蒸汽管理系统400内的压力等于或大于约0.20psig时打开。在另一实施例中，卸压阀460可以被配置为能够当蒸汽管理系统400内的压力等于或大于约0.25psig时打开。
蒸汽管理系统400可包括蒸汽泵420，如图13所示。蒸汽泵420可以被配置为能够将空气和介电蒸汽615的混合物从沉浸罐201清除到冷凝室430。蒸气泵420可位于冷凝室430的上游。蒸气泵420可具有入口和出口。蒸气泵420的入口可以流体的方式连接到可变容积室415的出口。蒸气泵420的出口可以流体的方式连接到冷凝室430的入口435。蒸气泵420能够将沉浸罐201中的压力降低到大气压以下。蒸汽泵420可克服流体流动上的重力效应，并允许蒸汽管理系统400定位，而与相对于顶部空间206的高度或取向无关，从而提供在将蒸汽管理系统400包装在密闭空间(诸如，容器1005(图1和图2)或公用设施箱)中时可能需要的更大的设计自由度。
蒸汽泵420可用于预先处理预期蒸汽产生升高的时期。在一实施例中，一旦检测到将导致蒸汽产生升高的装置功耗的增加，阀410可以打开，并且蒸汽泵420可以被启用以从顶部空间206清除蒸汽615，从而在预期的压力上升之前拉低罐201内的蒸汽压力。这种方式可以降低沉浸罐201内由于增加的功耗和蒸汽产生而导致的压力上升速率。
蒸汽管理系统400可以是电气控制的。蒸气管理系统400可包括电子控制单元480。电子控制单元480可被配置为能够基于从传感器412接收的信号或其他输入信号而打开或关闭流量控制阀410。例如，电子控制单元480可从传感器412接收输入信号(例如，压力信号)，并基于输入信号向流量控制(例如，电磁)阀410发送命令信号以打开或关闭。传感器412可以是被配置为能够测量沉浸槽201中的压力的压力传感器。传感器412可被配置为能够将对应于沉浸罐201中的压力的信号传输到电子控制单元480。信号可以通过有线或无线连接传输。
电子控制单元480可以被配置为能够基于从传感器或其他输入接收的信号而打开或关闭卸压阀460。传感器463可以是被配置为能够测量蒸汽管理系统400中的压力的压力传感器。传感器463可被配置为能够将对应于蒸汽管理系统400中的压力的信号传输到电子控制单元480。信号可以通过有线或无线连接传输。
电子控制单元480可被配置为能够基于从(例如，压力)传感器412接收的信号来启用或停用蒸气泵420(图13)。例如，在图14中标绘的实施例中，电子控制单元480可以启用蒸汽泵420并从顶部空间206清除蒸汽615，以在启动冷却循环之前将罐压力降低到大气压力以下。降低沉浸罐201内的压力可降低流体620的沸腾温度，这在某些应用中可能是可取的。在图14的实施例中，罐压力被拉下到大气压力以下，阀410的阈值压力设置被设置在大气压力以下，从而允许罐201的操作压力在包括大气压力以上和以下的值的范围内振荡。这种方法可以使罐压力偏离大气压的程度和持续时间最小化，从而使由于压力引起的扩散或泄漏造成的流体损失最小化。在另一实施例中，罐压力可以被拉下到大气压以下，阀410的阈值压力设置可以被设置在大气压以下，从而允许罐201的操作压力在负压范围内振荡。该方法对于降低流体620的沸腾温度可能是可取的。
在一些实施例中，设备100可以包括水分离和过滤系统500(图5)。如图5、图10和图11中所示，水分离和过滤系统500可以包括以下部件中的一个或多个的组件：水分离器565和过滤系统575，为了说明而不是限制，水分离器565和过滤系统575可以包括液体泵585、干燥过滤器590、杂质过滤器580等。
例如，参照图10，在一些实施例中，设备100可以包括水分离器565。水分离器565可包括入口440和出口574。水分离器565可以接收来自冷凝室430的冷凝的液体。水分离器565可以被配置为能够从介电流体620分离水715或其他不需要的流体。水分离器565可以捕获水715或其他不需要的流体，并允许介电流体620通过。水715或积聚在水分离器565中的其他不需要的流体可以定期排出。积聚的水715或其他不需要的流体的量可能取决于环境空气湿度、设备的密封情况如何、以及沉浸罐201的盖225打开的频率如何。
在一实施例中，水分离器565可以是基于重力的水分离器。水715或其他不需要的流体的密度可小于介电液体620的密度。因此，所捕获的水715或其他不需要的流体可在水分离器565内的介电液体620的顶部沉降。水715或其他不需要的流体可以通过排放阀573定期从水分离器565清除。脱水的介电液体620可以占据水分离器565的下部部分。脱水的介电液体620可以通过位于水分离器565的下部部分中的出口574从水分离器565抽出。
在替代实施例中，水分离器565可以是基于泵的水分离器。如图23所示，辅助冷凝器451可从蒸汽615和水蒸气710提取热量，并在冷凝室430中对蒸汽615和水蒸气710进行冷凝。液体泵576可在冷凝室430和水分离器565之间以流体的方式联接。然后，从冷凝蒸汽615和水蒸气710得到的冷凝物可积聚在通流室中，使冷凝室430中的液位上升。操作地配置在冷凝室430中的液位传感器577可被配置为能够测量液位。如果所测量的液位超过优选的液位，则可以采用控制装置来触发液体泵576，使得冷凝室430中的全部或部分液体将被泵送到水分离器565中。这种替代实施例的一个优点是，利用泵576，水分离器565不再需要被布置在与冷凝室430具有足够重力势差的位置。
在另一实施例中，水分离器565可包括在容器564中的倾斜的穿孔板566，如图11所示。容器564可以被构造并布置为包括入口571、介电流体室567、介电流体排放口569、水室568和排水口570。在一些实现方式中，水分离器565可被配置为能够基于液体的特性(诸如，不同的表面张力)将介电流体620与水715分离。例如，HFE-7100的典型表面张力为13.6达因/厘米，而水的典型表面张力为72达因/厘米。因此，介电流体和水的混合物可以流经倾斜的穿孔板566，但由于表面张力的差异，具有较低表面张力的介电流体620将通过穿孔或孔572流入倾斜的穿孔板566下方的流体室567，而具有较高表面张力的水将流到倾斜的穿孔板566的末端并进入水室568。虽然以HFE-7100为例，但这种特性可以用于任何一种具有不同于水的运动粘度的介电流体。
倾斜的穿孔板566中的穿孔或孔572的大小可基于介电流体的表面张力而变化。例如，约60-200网目尺寸可以有效地将HFE-7100与水分离。80网目尺寸意味着在一平方英寸的面积上有80个孔。80网目尺寸可包括直径约0.18mm的孔。在另一实施例中，倾斜的穿孔板566可以用筛网代替。筛网可由金属丝制成。筛网可具有约60-200网目尺寸。
设备100还可以包括过滤系统575。过滤系统575可包括干燥过滤器590，其在某些变型中，以流体的方式连接到回液通道470并设置在冷凝室430的出口440和沉浸罐201的入口之间。优选地，干燥过滤器590可以包括干燥剂材料。
设备100可由金属构成，诸如，碳钢。沉浸罐201可由带焊缝的金属构成。金属材料可以优于塑料材料，因为金属材料可以有效地防止水分从周围环境转移到罐201中的介电流体620。使水分转移到介电流体620最少化对于减少对水分离器565的脱水需求是可取的，并且还可以减少对干燥过滤器590中的干燥剂材料的脱水需求。
在一些应用中，过滤系统575可以包括杂质过滤器580。杂质过滤器580可以流体的方式连接到回液通道470，并设置在干燥过滤器590的出口和沉浸罐201的入口之间。杂质过滤器580可以包括活性炭、木炭等。杂质过滤器580可以捕获任何杂质或碎屑。
在一些变型中，设备100可包括回液系统。回液系统可以被配置为能够使已从介电蒸汽冷凝的介电液体620返回到沉浸罐201。回液系统可以包括液体泵585。液体泵585可以流体的方式连接到回液通道470，并设置在水分离器565的出口574和至沉浸罐201的入口之间。例如，液体泵585可位于过滤器580、590的上游，或者替代地可位于过滤器580、590的下游。
由于其高效的设计，两相沉浸冷却设备100会比依赖于过冷流体的相对大的内部或外部储存器来正常工作的有竞争性的设计所需的介电流体明显少。减小流体容积对于降低流体成本、系统重量和系统尺寸是可取的。在工程化地板不可用于支撑设备100的移动式应用和固定式应用中，使尺寸和重量最小化会特别重要。
在一些实施例中，仅会周期性地需要蒸汽管理系统400。例如，当电子装置800闲置时，在其最大额定功率以下运行、在变化很小的相对恒定的功率下运行、或在类似情况下运行，在电子装置功率增加之前可能不需要蒸汽管理系统400。在其他实施例中，蒸汽管理系统400可能需要频繁使用，但可以具有足够的冷却能力以同时为多个沉浸罐201服务。在任何一种情况下，中央蒸汽管理系统400可以服务于两个或更多个沉浸罐201、201'。图17示出了两相沉浸冷却设备1700的实施例，两相沉浸冷却设备1700具有中央蒸汽管理系统400，中央蒸汽管理系统400以流体的方式连接到第一沉浸罐组件200和第二沉浸罐组件200'。采用中央蒸汽管理系统400可能比为每个沉浸罐201、201'配备有单独的蒸汽管理系统400便宜。采用中央蒸汽管理系统400可节省数据中心2000的地板空间(图4)。采用中央蒸汽管理系统400可减少或简化维护。每个沉浸罐201、201'可通过相应的蒸汽供应通道405、405'以流体的方式连接到蒸汽管理系统400，并可通过回液通道470以流体的方式连接到水分离和过滤组件500。
中央蒸汽管理系统400可以监测每个沉浸罐201、201'中的罐压力(例如，使用一个或多个(例如，压力)传感器412)，并根据需要从一个罐201、罐201、201'两者、或罐201、201'两者都不接收介电蒸汽615，以将罐压力维持在可接受的范围内。例如，当第一沉浸罐压力处于第一阈值压力或在第一阈值压力之上时，中央蒸汽管理系统400可以接收来自第一沉浸罐201的蒸汽。当第二沉浸罐压力处于第二阈值压力或在第二阈值压力之上时，中央蒸汽管理系统400可以接收来自第二沉浸罐201'的蒸汽。
图18示出了两相沉浸冷却设备1800，其与图17的设备1700的不同在于包括蒸汽泵420、420'，蒸汽泵420、420'在相应的沉浸罐201、201'和中央蒸汽管理系统400之间以流体的方式连接。每个蒸气泵420、420'可以被配置为能够从每个沉浸罐201、201'清除空气和介电蒸汽的混合物，并迫使其进入冷凝室430。每个蒸汽泵420、420'可以位于冷凝室430的上游。每个蒸汽泵420、420'可以具有入口和出口。每个蒸汽泵420、420'的入口可以流体的方式连接到相应的可变容积室415、415'的出口。每个蒸汽泵420、420'的出口可以流体的方式连接到冷凝室430的入口435。有利的是，每个蒸汽泵420能够将各自沉浸罐中的压力降低到大气压力以下。
在一些实施例中，蒸汽管理系统400可以集成到两相沉浸冷却设备100中，并位于公共围封件中。在其他实施例中，蒸汽管理系统400可以被包括在单独的蒸汽处理设备900中，如图19-22中所示，蒸汽处理设备900以流体的方式连接到一个或多个沉浸罐组件200、200'。蒸汽处理设备900可以改造成现有的两相沉浸冷却设备100，以提高蒸汽管理能力。例如，如果数据中心2000中的电子装置800进行了升级，并且消耗的电力比被替换的电子装置800要多，那么两相沉浸冷却设备100的冷却能力可能需要升级以管理额外的热负荷。替代地，不是替换设备100，而是可以将蒸汽管理系统400添加到设备100以管理较高的蒸汽生产速率，允许现有的沉浸罐组件200、200'被重复使用。
在一些实现方式中，蒸汽处理设备900可以包括围封件905，如图19所示。蒸汽处理设备900可包括蒸汽管理系统400。蒸汽管理系统400可包括具有蒸汽供应入口401的蒸汽供应通道405。蒸汽管理系统400可包括冷凝室430，冷凝室430具有入口、出口和与冷凝室430的内部容积热连通的辅助冷凝器451。蒸汽供应通道405可以将蒸汽供应入口401以流体的方式连接到冷凝室430的入口435。蒸汽管理系统400可包括在蒸汽供应入口401和冷凝室430的入口435之间的蒸汽供应通道405中的流量控制阀410。蒸汽管理系统400可包括回液通道470，其将冷凝室430的出口440以流体的方式连接到回液出口471。蒸汽管理系统400可包括可变容积室415，可变容积室415以流体的方式连接到蒸汽供应入口401与冷凝室430的入口435之间的蒸汽供应通道405。蒸汽管理系统400还可以包括位于蒸汽供应通道405中的(例如，压力)传感器412，并且被配置为能够当以流体的方式连接时检测沉浸罐201内的压力。蒸汽管理系统400还可以包括以流体的方式连接到冷凝室430的卸压阀460。
蒸汽处理设备900可包括水分离和过滤组件500。如图10所示，蒸汽处理设备900可包括水分离器565和/或过滤系统575。过滤系统575可以包括液体泵585、干燥过滤器590、杂质过滤器580等中的一个或多个。
图19示出具有单个蒸汽供应入口401的蒸汽处理设备900。图20示出具有两个蒸汽供应入口401、401'的蒸汽处理设备900。在其他实施例中，蒸汽处理设备900可以具有两个以上的蒸汽供应入口401、401'，以允许设备900从两个以上的沉浸罐201、201'接收蒸汽。在一些实施例中，蒸汽处理设备900可以接收来自一组沉浸罐的蒸汽。例如，蒸汽处理设备900可以从设置在多个罐组件200、200'中的成组的沉浸罐201、201'接收蒸汽，如图2或图4所示。具有中央蒸汽处理设备900会比为每个沉浸罐200具有蒸汽处理设备900更有效且更经济。
在一些变型中，蒸汽处理设备900可以包括蒸汽泵420，以允许设备900从沉浸罐200的顶部空间206(图5)主动清除介电蒸汽615和空气705(图5)。图21示出蒸汽处理设备900，其具有单个蒸汽供应入口401和以流体的方式连接到蒸汽管理系统400的单个蒸汽泵420。图22示出蒸汽处理设备900，其具有两个蒸汽供应入口401、401'和以流体的方式连接到蒸汽管理系统400的相应的蒸汽供应通道405、405'的相应的蒸汽泵420、420'。
操作方法
在使用之前，沉浸罐201可以部分地填充有液态介电流体620，如图5所示。沉浸罐201的其余部分可以在大约大气压(例如，1atm)下填充有空气705。液态介电流体620和空气705之间的交接部可以限定液体管线605。在一些实现方式中，流体620可以是无毒的。此外，在一些变型中，流体620可以是不导电的，对电子装置没有危险。
需要冷却的电子装置800(诸如，服务器、交换机、路由器、防火墙等)可以被沉浸在沉浸罐201内的流体620中，如图5所示。例如，电子装置800可以被完全沉浸并定位在液体线605以下。电源和通信缆线(未示出)可以从电子装置800延伸到沉浸罐201外部的连接位置。缆线可以穿过盖225或罐壁中的开口。在另一实施例中，沉浸罐201可以包括位于罐201内的集成式连接器，以简化缆线管理。在一些应用中，电子装置800可布置在沉浸罐201内的存储架中。
沉浸罐201中的介电流体620最初可以处于约室温下。在电子装置800沉浸在流体中并通电之后，装置800可以开始产生废热作为功耗的副产物。介电流体620可以吸收热量。如果来自装置800的热通量足够高，则可能发生介电流体620的局部沸腾。沸腾可产生蒸汽气泡，蒸汽气泡通过浮力上升到液体管线605并进入沉浸罐201的顶部空间206。介电蒸汽615的密度可以比空气705的密度大，因此，饱和蒸汽区625可以在液体管线605的顶部形成，如图5所示。蒸汽层可称为蒸汽覆盖层625。当蒸汽产生的速率超过冷凝的速率时，蒸汽覆盖层625的深度将会增长。最终，蒸汽水平将接近主冷凝器235。从蒸汽615到主冷凝器235的热传递可促进蒸汽615冷凝为液体620。然后，冷凝的液体620将被动地返回到液体浴。
当电子装置800在稳定状态下运行时，通过主冷凝器235的蒸汽产生的速率和冷凝的速率可以达到平衡，从而在沉浸罐201内产生相对恒定的蒸汽压力。HFE-7100的蒸汽压力可以使用如下所示的安托万方程(Antoine equation)计算，其中P为蒸汽压力，T为温度(单位为摄氏度):
lnP蒸汽＝22.415-3641.9(1/(T+273))
当电子装置800的功耗增加时，废热和蒸汽的产生也会增加。如果电力消耗持续升高，在某些时刻，蒸汽产生的速率可能超过主冷凝器235的冷凝能力。然后，沉浸罐201中的蒸汽压力将开始上升。当沉浸罐201中的压力达到预定阈值时，阀410可以打开，如图6所示，蒸汽615将从沉浸罐201逃逸到蒸汽管理系统400。随着蒸汽管理系统400从沉浸罐201的顶部空间206接收介电流体蒸汽615、空气705、和水蒸气710，可变容积室415将膨胀，如图7所示。
图8示出沉浸罐201压力和装置800功耗随时间的变化曲线。在本实施例中，电子装置800在闲置或低功率下运行一段时间。在此期间，蒸汽产生可完全由主冷凝器235管理，蒸汽管理系统400可保持待机模式。最终，装置功耗可能会增加。增加的功耗可能产生更多的废热，而废热又可能产生更多的介电蒸汽615。随着蒸汽产生的增加，主冷凝器235的冷凝能力最终可能会被超过。随着蒸汽615、空气705和水蒸气710积聚在顶部空间206中，沉浸罐201的压力开始上升，直到其达到预定的阈值压力设置。在达到预定的阈值压力设置时，如图6所示，流量控制阀410可以被致动(例如，通过来自(例如，压力)传感器412的信号)，从而允许蒸汽615、空气705和水蒸气710从沉浸罐201逃逸并进入蒸汽管理系统400。流量控制阀410的致动可使蒸汽管理系统400从待机模式切换到主动模式，并使制冷器446开启或将其设定点温度降低到适合冷凝所允许的蒸汽615和水蒸气710的水平。随着蒸汽615、空气705和水蒸气710离开沉浸罐201，罐压力会下降。最终，罐压力会下降到流量控制阀410的阈值压力设置以下，导致如图5所示流量控制阀410关闭并将从沉浸罐201接收的蒸汽615、空气705和水蒸气710捕获在蒸汽管理系统400中。然后，可以在冷凝室430内冷凝蒸汽615和水蒸气710，可选地在水分离器565中脱水，并分别通过干燥过滤器590和杂质过滤器580进一步干燥和过滤，然后作为介电液体620返回到沉浸罐201。蒸汽管理系统400可根据需要开启和关闭循环，以接收和冷凝来自沉浸罐201的蒸汽615和水蒸气710，从而将沉浸罐201中的压力维持在所需的操作压力或所需的操作压力以下。
在一实施例中，预测需要启用蒸汽管理系统400的蒸汽产生的上升会是可取的。通过监测装置功耗，可以预测蒸汽产生的增加。当装置功耗上升到预定水平之上，或者替代地在预定持续时间内上升到预定水平之上时，蒸汽管理系统400可以从待机模式切换到主动模式。从待机模式切换到主动模式可以涉及启动制冷器446或将制冷器446的设定温度降低到适合冷凝所允许的蒸汽615和水蒸气710的水平。这种提前启动可以允许制冷器446(图6)在阀410打开且从沉浸罐201获取蒸汽615、空气705和水蒸气710之前有足够的时间达到所需的工作温度。当蒸汽管理系统400处于待机模式时，这种方式可以节能，因为可以降低制冷器温度和制冷器功耗。
在某些情况下，沉浸罐201内可能存在异常热负荷，必须被安全地减轻。例如，如果电子装置800出现故障并且超过最大功耗额定值时，可能会产生异常热负荷。如果发生这种情况，所产生的热量和蒸汽615以及水蒸气710可能超过蒸汽管理系统400的冷凝能力。在实际操作中，当罐压力达到流量控制阀410的预定阈值设置时，流量控制阀410将打开(图6)。随着蒸汽615、空气705和水蒸气710填充蒸汽管理系统400，波纹管415可以被配置为能够扩张以存储额外的蒸汽615、空气705和水蒸气710，如图7所示。在波纹管415完全扩张之后，如果蒸汽产生继续增加，则蒸汽管理系统400中的压力(例如，由(压力)传感器463测量)将继续上升。为了避免由于过压引起的机械故障，卸压阀460可以被配置为能够当蒸汽管理系统400中的压力超过最大允许压力时致动，如图9所示。然后，蒸汽615、空气705和水蒸气710将被排放到周围环境中，从而降低蒸汽管理系统400和沉浸罐201中的压力，并减轻机械故障的风险。尽管向周围环境通流蒸汽615、空气705和水蒸气710导致流体损失，这是不可取的，但与过压相关联的安全风险相比，流体损失是可优选的。
如本文所使用的，术语“流体”可以指气体形式、液体形式、或气体和液体的两相混合物的物质。流体能够经历从液体到蒸汽的相变，反之亦然。液体可以形成自由表面，该自由表面不是由其所位于的容器形成的，而气体则不然。
如本文所使用的，术语“蒸汽”可以指在低于物质的临界温度的温度下处于气相的物质。因此，可以通过增加压力而不降低温度而将蒸汽冷凝成液体。
如本文所使用的，术语“两相混合物”可以指物质的汽相与物质的液相共存。当这种情况发生时，气体分压可以等于液体的蒸汽压力。
可以基于各种因素来选择介电流体620用于沉浸冷却设备，各种因素包括操作压力、温度、沸点、成本、或管理安装的安全法规(例如，ASHRAE标准15中规定的有关占用建筑空间的每体积允许的流体量的法规)。
在某些情况下，流体的选择可能受到所需的介电性能、所需的沸点、或与用于制造沉浸冷却系统100和待冷却的电子装置800的材料的相容性的影响。例如，可以选择流体以确保通过系统部件的渗透性很小或没有渗透性，并且对装置800部件没有有害影响。
介电流体620，诸如，氢氟碳化合物(HFC)或氢氟醚(HFE)，可以用作沉浸冷却设备100中的流体。与水不同的是，介电流体可用于与电子装置800(诸如，微处理器801、内存模块、功率逆变器等)直接接触，而没有电气连接短路的风险。
介电流体的非限制性示例包括1,1,1,3,3-五氟丙烷(称为R-245fa)、氢氟醚(HFE)、1-甲氧基七氟丙烷(称为HFE-7000)、甲氧基非氟丁烷(称为HFE-7100)。包括HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300、HFE-7500和HFE-7600的氢氟醚作为NOVEC工程化流体在明尼苏达州梅普尔顿的3M公司上市。FC-40、FC-43、FC-72、FC-84、FC-770、FC-3283和FC-3284作为也是3M公司的氟惰性电子液体而在商业上可获得。
NOVEC 7100的沸点为61℃，分子量为250g/mol，临界温度为195℃，临界压力为2.23MPa，蒸汽压力为27kPa，汽化热量为112kJ/kg，液体密度为1510kg/m3，比热为1183J/kg-K，热导率为0.069W/m-K，并且0.1英寸间隙的介电强度约为40kV。NOVEC 7100适用于某些电子装置800，诸如，产生高热负荷且能在大约80℃以上的温度下安全运行的电力电子装置800。
NOVEC 7100可用于冷却微处理器801，其具有约60-70℃的优选的操作核心温度。当微处理器801闲置且表面温度低于61℃时，靠近微处理器801的过冷的NOVEC 7100可能不会经历局部沸腾。当微处理器801被充分利用并且表面温度在61℃或61℃以上时，NOVEC7100可能在微处理器附近经历剧烈的局部沸腾和蒸汽产生。
NOVEC 649工程化流体由3M公司提供。它是一种氟酮流体(C6-氟酮)，具有低的全球变暖潜势(GWP)。其沸点为49℃，导热率为0.059，分子量为316g/mol，临界温度为169℃，临界压力为1.88MPa，蒸汽压力为40kPa，汽化热量为88kJ/kg，液体密度为1600kg/m3。
NOVEC 649可用于冷却微处理器801，微处理器801具有约60-70℃的优选的操作核心温度。当微处理器801闲置且表面温度低于49℃时，靠近微处理器801的过冷的NOVEC 649可能不会经历局部沸腾。当微处理器801被充分利用并且表面温度为49℃或49℃以上时，NOVEC 649可能在微处理器801附近经历剧烈的局部沸腾和蒸汽产生。
这里描述的元件和方法步骤可以在任何组合中使用，无论是否明确描述。本文所描述的方法步骤的所有组合可以以任何顺序执行，除非另有规定或由所引用的组合所处的上下文中明确相反暗示。
此处使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非内容另有明确规定。
此处使用的单位“psig”表示表压力，单位为磅/平方英寸。正值表示压力在大气压以上。负值表示压力在大气压以下。
如本文所使用的，术语“以流体的方式连接的”可以描述第一部件直接连接到第二部件或第一部件通过一个或多个中间部件间接连接到第二部件，其中气体形式、液体形式、或两相混合物的流体可以从第一部件通到第二部件，而不逃逸到大气中。
此处使用的数值范围旨在包括该范围内包含的每个数值和数值的子集，无论是否明确披露。此外，这些数值范围应被解释为提供针对该范围内任何数值或数值的子集的要求的支持。例如，1-10的披露应该被解释为支持从2到8、从3到7、从5到6、从1到9、从3.6到4.6、从3.5到9.9等范围。
本发明的方法和组合物可以包括以下各项、由以下各项组成、或基本上由以下各项组成：本文所述的结构元件和工艺步骤限制，以及本文所述的或本领域中其他有用的任何附加或可选的步骤、部件或限制。
应当理解，本发明不局限于在此说明和描述的部件的特定结构和布置，而是涵盖在权利要求书范围内的其修改形式。
提出上述描述的目的是为了说明和描述。其并不意于详尽无遗或将权利要求限制为所公开的实施例。鉴于上述教导，可能会有其他修改和变型。所选择和描述的实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，以使本领域的其他技术人员能够在适合于所设想的特定用途的各种实施例和各种修改中最好地利用本发明。其意图是权利要求被解释为包括本发明的其他替代实施例，除非受现有技术的限制。

Claims (20)

1.一种两相沉浸冷却设备，包括：
沉浸罐组件，所述沉浸罐组件包括：
至少一个沉浸罐，每个沉浸罐形成内部容积并包括：
上部部分；
下部部分；和
主冷凝器，所述主冷凝器与沉浸罐的内部容积热连通；以及
蒸汽管理系统，所述蒸汽管理系统以流体的方式连接到沉浸罐组件，所述蒸汽管理系统包括：
冷凝室，所述冷凝室形成内部容积并包括：
入口；
出口；和
辅助冷凝器，所述辅助冷凝器与冷凝室的内部容积热连通；
蒸汽供应通道，所述蒸汽供应通道将沉浸罐的上部部分以流体的方式连接到冷凝室的入口；
阀，所述阀设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间的蒸汽供应通道中；以及
回液通道，所述回液通道将冷凝室的出口以流体的方式连接到沉浸罐组件。
2.根据权利要求1所述的两相沉浸冷却设备，还包括可变容积室，所述可变容积室以流体的方式连接到蒸汽供应通道并设置在沉浸罐组件的上部部分与冷凝室的入口之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的两相沉浸冷却设备，还包括卸压阀，所述卸压阀以流体的方式连接到冷凝室。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括传感器，以检测沉浸罐组件内的压力，所述传感器位于沉浸罐组件或蒸汽供应通道中的至少一者中。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括：
排放通道，所述排放通道以流体的方式连接到冷凝室；
卸压阀，所述卸压阀以流体的方式连接在排放通道中；以及
传感器，所述传感器用以检测蒸汽管理系统内的压力并位于蒸汽管理系统中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括水分离器，所述水分离器以流体的方式连接到冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间的回液通道。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括液体泵，所述液体泵以流体的方式连接到回液通道并设置在冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器以流体的方式连接到回液通道并设置在冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括杂质过滤器，所述杂质过滤器以流体的方式连接到回液通道并设置在冷凝室的出口与到沉浸罐组件的入口之间。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括蒸汽泵，所述蒸汽泵以流体的方式连接到蒸汽供应通道并设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间。
11.一种两相沉浸冷却设备，包括：
沉浸罐组件，所述沉浸罐组件包括：
至少一个沉浸罐，每个沉浸罐形成内部容积且包括：
上部部分；
下部部分；和
主冷凝器，所述主冷凝器与所述内部容积热连通；以及
蒸汽管理系统，所述蒸汽管理系统以流体的方式连接到沉浸罐组件，所述蒸汽管理系统包括：
冷凝室，所述冷凝室形成内部容积且包括：
入口；
出口，和
辅助冷凝器，所述辅助冷凝器与冷凝室的内部容积热连通；
蒸汽供应通道，所述蒸汽供应通道将沉浸罐的上部部分以流体的方式连接到冷凝室的入口；
阀，所述阀设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间的蒸汽供应通道中；
回液通道，所述回液通道将冷凝室的出口以流体的方式连接到至沉浸罐组件的入口；
传感器，所述传感器被配置为能够检测沉浸罐组件中的压力并基于所测量的压力产生并传输信号；和
电子控制单元，所述电子控制单元被配置为能够接收来自所述传感器的信号并向所述阀发送命令信号。
12.根据权利要求11所述的两相沉浸冷却设备，其中，所述传感器设置在沉浸罐组件或所述阀与沉浸罐组件之间的蒸汽供应通道中的至少一者中。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的两相沉浸冷却设备，其中，冷凝室的容积至少为沉浸罐的顶部空间容积的10％。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的两相沉浸冷却设备，其中，冷凝室还包括制冷器，所述制冷器以流体的方式连接到辅助冷凝器。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的两相沉浸冷却设备，还包括热交换器，所述热交换器以流体的方式连接到主冷凝器。
16.一种沉浸冷却发热装置的方法，所述方法包括：
提供两相沉浸冷却设备，所述两相沉浸冷却设备包括：
沉浸罐组件，所述沉浸罐组件包括：
至少一个沉浸罐，每个沉浸罐形成内部容积并包括：
上部部分；
下部部分；和
主冷凝器，所述主冷凝器与沉浸罐的内部容积热连通；和
蒸汽管理系统，所述蒸汽管理系统以流体的方式连接到沉浸罐组件，所述蒸汽管理系统包括：
冷凝室，所述冷凝室形成内部容积并包括：
入口；
出口；和
辅助冷凝器，所述辅助冷凝器与冷凝室的内部容积热连通；
蒸汽供应通道，所述蒸汽供应通道将沉浸罐的上部部分以流体的方式连接到冷凝室的入口；
阀，所述阀设置在沉浸罐的上部部分与冷凝室的入口之间的蒸汽供应通道中；和
回液通道，所述回液通道将冷凝室的出口以流体的方式连接到沉浸罐组件；
检测沉浸罐内的压力；
以下各项中的至少一者：
在所测量的沉浸罐组件中的压力大于预定的阈值设置时打开阀，使得来自沉浸罐组件的介电蒸汽和其他气体被允许进入冷凝室中；或者
在所测量的沉浸罐组件中的压力小于预定的阈值设置时关闭阀；
在冷凝室中将介电蒸汽和其他气体冷凝至液体状态；以及
使所冷凝的介电液体通过回液通道返回到沉浸罐组件。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括使冷却剂通过主冷凝器循环，所述冷却剂的温度大于或等于环境空气温度。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，还包括：
使第一冷却剂通过主冷凝器循环；以及
使第二冷却剂通过辅助冷凝器循环，
其中，所述第一冷却剂的温度大于所述第二冷却剂的温度。
19.根据权利要求16、权利要求17或权利要求18所述的方法，还包括：
提供蒸汽泵，所述蒸汽泵以流体的方式连接到蒸汽供应通道并设置在沉浸罐组件与冷凝室的入口之间；以及
在阀打开的同时操作蒸汽泵，以从沉浸罐的顶部空间清除气体并将沉浸罐内的压力降低到大气压力以下。
20.根据权利要求16至19中的任一项所述的方法，其中，所述预定的阈值设置在-0.9psig与0.9psig之间。
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