TW201816542A - 伺服器的冷卻系統 - Google Patents

Abstract

伺服器的冷卻系統包含容置槽、散熱裝置及殼體。容置槽用以盛裝非導電性液體。非導電性液體完全將電子裝置浸泡以使電子裝置降溫。散熱裝置位於容置槽的上方，用以將非導電性液體產生之熱蒸氣冷卻。殼體包覆容置槽及散熱裝置，用以形成密閉空間。當電子裝置之溫度超過非導電性液體之汽化溫度時，非導電性液體將逐漸汽化為熱蒸氣。熱蒸氣傳至散熱裝置後，熱蒸氣凝結為凝結液體。凝結液體會滴落至容置槽中以使非導電性液體之溫度保持在汽化溫度之下。

Description

伺服器的冷卻系統

本發明描述一種伺服器的冷卻系統，尤指一種利用非導電性液體之蒸發以及凝結循環將熱能散逸之伺服器的冷卻系統。

隨著科技日新月異，各種高性能的電子產品也被廣泛應用。現今的電子產品除了要求高處理速度、低反應時間、以及高規格的處理器之外，更要求具備可攜性及微型化的體積，以讓使用者能隨時隨地以高效率的方式使用產品。例如蘋果手機(i-phone)的iPhone 5s規格使用了A7處理器，而iPhone 6 Plus規格使用了更高階的A8處理器，或是家用型電腦的中央處理器也從Intel® Core^TM i5演化至Intel® Core^TM i7等級。隨著電子產品內處理器的時脈頻率增加，其所消耗的功率及所產生的溫度也隨之上升。因此，許多散熱風扇、散熱膠及散熱片的散熱品質也被使用者日益重視。在這些散熱機制中，散熱膠及散熱片的體積最小，但僅使用了導熱係數較佳的介質將熱量傳出至空氣，故散熱效果有限。因此，目前大多數的電子產品，其散熱方式仍以散熱風扇或為主流。

目前散熱風扇的散熱原理為風扇利用旋轉而產生氣流，以氣冷式的空氣對流將熱能散逸。然而，由於空氣比熱較小等物理上的限制，以散熱風扇做為散熱的手段常導致散熱效率不佳，且風扇需要高功率的電壓驅動才能增加散熱效果。並且，由於散熱風扇一般包含機械式的馬達，因此在高速運轉時，其風切噪音和運轉噪音也會隨其增加。現今網際網路已越來越普及化，資料中心以及各種雲端伺服器也需要處理巨量的資料以及執行高速率的資料傳輸。因此，伺服器常需要高時脈的處理器或是高密度的硬碟及儲存空間，這將導致伺服器的散熱要求遠比一般電子零件來的高。並且，由於伺服器為一種具有高密度之電路元件的設備，內部的電子元件為密集的排列，對於伺服器的熱對流空間而言，會因為電子元件的增加而減少。也因如此，上述使用散熱風扇的機制，對伺服器來說已經難以提供足夠的冷卻能力。

本發明一實施例描述了一種伺服器的冷卻系統，包含容置槽、散熱裝置及殼體。容置槽用以盛裝非導電性液體，其中非導電性液體完全將電子裝置浸泡以使電子裝置降溫。散熱裝置位於容置槽的上方，用以將非導電性液體產生之熱蒸氣冷卻。殼體包覆容置槽及散熱裝置，用以形成密閉空間。當電子裝置之溫度超過非導電性液體之汽化溫度時，非導電性液體將逐漸汽化為熱蒸氣。熱蒸氣傳至散熱裝置後，熱蒸氣凝結為凝結液體。凝結液體滴落至容置槽中以使非導電性液體之溫度保持在汽化溫度之下且非導電性液體之液面高度保持穩定。

第1圖係為伺服器的冷卻系統100的架構圖。在此說明，由於伺服器的冷卻系統100可用殼體12包覆所有的內部元件，故伺服器的冷卻系統100之外觀為柱形之殼體12(例如矩形柱體)結構。因此，為了詳細說明伺服器的冷卻系統100的架構，第1圖使用伺服器的冷卻系統100的剖面圖進行說明。伺服器的冷卻系統100包含容置槽10、散熱裝置11以及殼體12。容置槽10可為金屬或非金屬的結構，且具有容置空間。容置槽10的容置空間內可盛裝非導電性液體14。在此，非導電性液體14可為任何導電係數趨近於零之液體，例如礦物油或非導電性冷媒等。欲散熱的電子裝置13將完全浸泡在非導電性液體14之中。換句話說，當電子裝置13浸泡在非導電性液體14之中後，非導電性液體14的液面高度16會高於電子裝置13的高度。而電子裝置13可為任何需要散熱的電子裝置，例如電子裝置13可包含伺服器的主機板、中央處理器、固態硬碟、及/或記憶體等等。散熱裝置11置於容置槽10的上方，用以將非導電性液體14產生之熱蒸氣冷卻。於此說明，當電子裝置13因功率消耗而產生熱能時，電子裝置13的溫度即會升高。當電子裝置13的溫度超過非導電性液體14的汽化溫度時，非導電性液體14將逐漸汽化為熱蒸氣。而熱蒸氣所帶的潛熱會大於液態所帶的潛熱。當熱蒸氣向上對流至散熱裝置11時，熱蒸氣的汽化熱將被散逸。因此，熱蒸氣將由氣態相透過凝結轉為液態相的凝結液體。當凝結液體的重量足夠時，便會自然地滴落至容置槽10中。並且，非導電性液體14的沸點溫度可設定在攝氏40度至70度之間，以使散熱裝置11的進口溫度提高。當非導電性液體14利用沸騰現象或對流現象將電子裝置11之熱能散逸時，可進一步降低散熱裝置11內之液體所需的機械(例如壓縮機)的耗能。因此，選擇適當沸點溫度的非導電性液體14可以使總功耗進一步降低。

於此說明，本發明的電子裝置13可為整台伺服器或是伺服器內部的部分整合電路。應當明瞭的是，伺服器常需要處理巨量的資料以及執行高速率的資料傳輸。因此，伺服器需要高時脈的處理器或是高密度的硬碟及儲存空間。因此，一般的伺服器可視為具有高密度之電路元件的設備，內部的電子元件為密集的排列，對於伺服器的熱對流空間而言，會因為電子元件的增加而減少，導致散熱的熱對流循環不良。換句話說，當伺服器的電子裝置13使用傳統的風扇系統進行冷卻時，冷卻的效果非常有限。因此，本發明的浸泡式的伺服器的冷卻系統100將很適合應用於伺服器的冷卻機制中。

伺服器的冷卻系統100中的散熱裝置11可為冷凝器，如第2圖所示。第2圖係為伺服器的冷卻系統100中，散熱裝置11的結構示意圖。當散熱裝置11為冷凝器的構造時，散熱裝置11可包含複數個金屬散熱鰭片M。而複數個金屬散熱鰭片M的作用為將散熱裝置11與空氣的接觸面積最大化，以增加排熱效果。在散熱裝置11中，複數個金屬散熱鰭片M的排列方式可為平行排列、網狀排列、同心圓狀排列、或是任何具有將接觸面積最大化的幾何排列方式。散熱裝置11亦可透過水冷式的循環導管將複數個金屬散熱鰭片M的熱能導出。藉由散熱裝置11，熱蒸氣的汽化熱將被散逸，因此滴落至容置槽10的凝結液體之潛熱將會變小，可保持非導電性液體14的溫度在汽化溫度之下。伺服器的冷卻系統100的殼體12包覆容置槽10及散熱裝置11，如第1圖所示，殼體12之內部可形成密閉空間。而殼體12的作用在於不讓非導電性液體14所產生的熱蒸氣外洩到空氣中，可以防止熱蒸氣損失以保持非導電性液體14的液面高度穩定之外。伺服器的冷卻系統100的殼體12亦可為金屬或非金屬的材質。

在伺服器的冷卻系統100中，非導電性液體14透過汽化現象變成熱蒸氣，並凝結成凝結液體滴回容置槽10之過程為自然界物質兩相的循環，故本發明的伺服器的冷卻系統100不需要額外的功率消耗以及驅動電壓即可達成將電子裝置13散熱的功效。換句話說，伺服器的冷卻系統100屬於一種兩相(Two Phase)浸入式的伺服器的冷卻系統。並且，如前述，非導電性液體14係為導電係數趨近於零之液體，且具有比熱較空氣大的性質。因此，就算不使用外部設備將非導電性液體14流動，非導電性液體14仍可利用沸騰現象或對流現象將電子裝置13之熱能散逸。其原理為，當非導電性液體14在電子裝置13之表面發生極劇烈的汽化現象時，例如非導電性液體14發生沸騰現象時，可利用潛熱一次帶走電子裝置13大量的熱能，使電子裝置13的溫度降低。此外，當非導電性液體14發生沸騰現象時，非導電性液體14的對流現象將增強，因此會導致熱對流的循環加速，更增強了電子裝置13的散熱效率。

然而，為了更進一步提升伺服器的冷卻系統100的散熱效率以及安全性，伺服器的冷卻系統100可引入多個元件，於下文將詳細描述。

為了增加伺服器的冷卻系統100的安全性，伺服器的冷卻系統100可加入液位計15。如第1圖所示，液位計15置於容置槽10上，可用附著的方式設置於容置槽10的內側或外側。液位計15可用於偵測非導電性液體14之液面高度16。偵測的方式可使用透過浮球、探針、超音波等任何方式測量液面高度16的水平準位。由前文所述，伺服器的冷卻系統100的非導電性液體14必須將電子裝置13完全浸泡，因此液面高度16在一般狀態會高於電子裝置13的高度。然而，下列幾種情況發生時，液位計15所偵測的液面高度16可能會變成異常狀態，說明如下。第一，當電子裝置13產生異常高溫時，會導致非導電性液體14的溫度隨之驟升，此時，大量的非導電性液體14會被汽化為熱蒸氣。當散熱裝置11無法將所有熱蒸氣之汽化熱排出時，會導致滴落至容置槽10的凝結液體不足。因此，非導電性液體14因強烈的汽化效應而導致液面高度16降低，當液面高度16降低至低於電子裝置13之高度時，液位計15會發出警示訊號，並試圖加強散熱裝置11的散熱效能，例如使用外接的風扇模組加強散熱裝置11的散熱效能。第二，當散熱裝置11的散熱功能異常時，會導致散熱裝置11無法將所有熱蒸氣之汽化熱排出，亦會造成滴落至容置槽10的凝結液體不足的現象，最終導致非導電性液體14之液面高度16降低。而散熱裝置11之散熱功能異常的原因可能是導熱材料老化或金屬生鏽等等。類似地，當液面高度16降低至低於電子裝置13之高度時，液位計11會發出警示訊號，以提醒使用者更換散熱裝置11。

為了防止伺服器的冷卻系統100讓電子裝置13損壞，伺服器的冷卻系統100可加入過濾泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2。第3圖係為伺服器的冷卻系統100中，過濾泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2的示意圖。如前文所述，伺服器的冷卻系統100之非導電性液體14可為任何導電係數趨近於零之液體。然而，電子裝置13可能為帶有塵埃或是具有導電係數之汙漬的物體。當電子裝置13浸泡在非導電性液體14中時，這些塵埃或是具有導電係數之汙漬可能會脫離電子裝置13而懸浮在非導電性液體14中。因此，當這些塵埃或是具有導電係數之汙漬飄移或沉積至電子裝置13的內部電路時，可能會造成電子裝置13短路而損壞。為了防止此情況發生，伺服器的冷卻系統100將利用過濾泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2將塵埃或是具有導電係數之汙漬濾除，描述於下。在伺服器的冷卻系統100中，第一管道TB1連通於過濾泵17與容置槽10，第二管道TB2也連通於過濾泵17與容置槽10。過濾泵17可利用電線WR驅動內部的抽水馬達，透過第一管道TB1將容置槽10內之非導電性液體14之一部份抽出，並將被抽出的非導電性液體進行雜質過濾程序以產生過濾後的非導電性液體。特此說明，過濾泵17所使用的雜質過濾程序可為任何濾除雜質的方法，例如濾網式雜質濾除方法，因此過濾泵17內的濾網可視為消耗品。隨後，過濾泵17會將過濾後的非導電性液體透過第二管道TB2流回容置槽10內。因此，過濾泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2可視為一種循環式的雜質過濾機制，可降低塵埃或是具有導電係數之汙漬讓電子裝置13短路而損壞之機率。

為了使伺服器的冷卻系統100一直維持高效率的散熱功能，伺服器的冷卻系統100內的非導電性液體14也必須要定期更換。為了方便使用者更換非導電性液體14，伺服器的冷卻系統100可加入排放閥18。排放閥18設置於容置槽10外，且排放閥18與容置槽10可用孔洞連接。舉例而言，排放閥18可為電子式或非電子式的栓塞或螺紋塞子等等。當使用者欲更換非導電性液體14時，可操作排放閥18使非導電性液體14透過孔洞流出。

如前文所述，伺服器的冷卻系統100可加入包含過濾泵17、第一管道TB1以及第二管道TB2的循環過濾機制，以降低塵埃或是具有導電係數之汙漬讓電子裝置13短路而損壞之機率。然而，為了進一步防止電子裝置13短路，伺服器的冷卻系統100可加入分子篩22。伺服器的冷卻系統100的分子篩22可設置於容置槽10及散熱裝置11之間。分子篩22的功能為吸取殼體12內的水氣。特此說明，雖然殼體12內為密閉空間，但是殼體12內密閉空間的濕度卻未必為零。換句話說，密閉空間內仍有些許水氣的存在，且殼體12外部的水氣也有可能透過殼體接合處之縫隙慢慢滲入至殼體12內部。因此，當非導電性液體14融入了水分子，會使非導電性液體14的導電係數上升。當導電係數上升到觸發電子裝置13中之元件發生短路的效應時，電子裝置13即會損壞。因此，伺服器的冷卻系統100為了防止過多的水氣造成非導電性液體14的導電係數上升，可加入分子篩22吸收水氣，減緩了非導電性液體14之導電係數上升的速度。第4圖係為伺服器的冷卻系統100中，分子篩22的示意圖。分子篩22包含通口A以及通口B。分子篩22內部有容置空間，容置空間可用於置放複數個除溼顆粒P。除溼顆粒P對水分子具有非常強的親和力，使分子篩22在低濕度下的吸濕能力特別強，可使殼體12內的密閉空間幾乎達到絕對乾燥的程度。除溼顆粒P可為奈米分子顆粒(MCM-41)、碳分子顆粒(CMSN2)、鈦矽分子顆粒等等任何具備強烈之水親和力的顆粒。因此，空氣中的水分子將會透過通口A以及通口B而被吸收。然而，本發明的分子篩22亦不限於使用兩個通孔的分子篩，任何盛裝複數個除溼顆粒P的裝置皆屬於本發明之範疇。

如前文所述，伺服器的冷卻系統100利用了非導電性液體14之汽化以及凝結的自然循環達到將電子裝置13散熱的功效。然而，當非導電性液體14發生汽化時，會產生體積較大的熱蒸氣。由於殼體12內為密閉空間，因此非導電性液體14的汽化現象會造成殼體12內的氣壓升高。為了監控殼體12內的氣壓並保護伺服器的冷卻系統100。伺服器的冷卻系統100可加入壓力埠20以及洩壓閥19。壓力埠20設置於殼體12內，用以偵測殼體12內之密閉空間的氣壓。並且，壓力埠20可另耦接於壓力計或是任何的壓力量化裝置，使用者可透過壓力計或是任何的壓力量化裝置觀測殼體12內的氣壓數值。洩壓閥19置於殼體12外，可透過孔洞連通至殼體12內的密閉空間。洩壓閥19可為電子式或非電子式的洩壓閥。當密閉空間的氣壓超過臨界值時，例如密閉空間的氣壓已經超過了3個大氣壓力(3 atms)時，洩壓閥19將可使用自動化或是手動的方式開啟，此時，密閉空間的氣壓將透過孔洞與外面氣壓平衡(1 atm)，以防止殼體12因氣壓過高而發生氣爆的危險。

由於電子裝置13置於伺服器的冷卻系統100之封閉式的殼體12內，為了便於使用者由外部操作電子裝置13的功能，伺服器的冷卻系統100可加入輸入/輸出埠(Input/Output Port)21。輸入/輸出埠(Input/Output Port)21可設置於如第1圖之靠近殼體12的上側，輸入/輸出埠21亦可設置於殼體12的任何一側。電子裝置13可使用無線或有線的方式連接至輸入/輸出埠21。因此，使用者可以透過輸入/輸出埠21控制電子裝置13。如前文所述，伺服器的冷卻系統100亦可使用全自動化的控制方式最佳化伺服器的冷卻系統100的散熱狀態以及壓力狀態。因此，伺服器的冷卻系統100也可加入控制器23，控制器23可耦接於多個伺服器的冷卻系統100的元件，例如分子篩22、排放閥18、過濾泵17、液位計15、散熱裝置11、壓力埠20及/或洩壓閥19。換句話說，控制器23可以監控伺服器的冷卻系統100的溼度、散熱狀態、氣壓、以及非導電性液體14的液面高度16，當這些監控參數發生異常時，控制器23將會自動地控制對應的元件以使伺服器的冷卻系統100的散熱狀態以及壓力狀態保值穩定。舉例而言，當控制器23透過壓力埠20，偵測到殼體12內之密閉空間的氣壓過高時，控制器23就會控制洩壓閥19進行釋壓的動作以保護伺服器的冷卻系統100。

綜上所述，本發明描述了一種伺服器的冷卻系統，屬於兩相(Two Phase)浸入式的伺服器的冷卻系統。伺服器的冷卻系統藉由非導電性液體之比熱比空氣大的性質，在沒有外界施加能量使液體流動的條件下，仍可利用汽化將熱能由電子元件的表面帶走。當非導電性液體在電子元件的表面沸騰時，會產生熱蒸氣，故可帶走大量的熱能。並且，當非導電性液體發生沸騰現象時，非導電性液體的流動也隨之增加，因此熱對流的循環也隨之加強。並且，伺服器的冷卻系統藉由散熱裝置將熱蒸氣的汽化熱散逸，而汽化熱散逸後的熱蒸氣潛熱會變小，因此熱蒸氣會凝結為凝結液體，最終會滴落至容置槽。由於非導電性液體透過汽化現象變成熱蒸氣，並凝結成凝結液體滴回容置槽之過程為自然界物質兩相的循環，故本發明的伺服器的冷卻系統不需要額外的功率消耗以及驅動電壓即可達成將電子裝置散熱的功效。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧伺服器的冷卻系統
10‧‧‧容置槽
11‧‧‧散熱裝置
12‧‧‧殼體
13‧‧‧電子裝置
14‧‧‧非導電性液體
15‧‧‧液位計
16‧‧‧液面高度
17‧‧‧過濾泵
18‧‧‧排放閥
19‧‧‧洩壓閥
20‧‧‧壓力埠
21‧‧‧輸入/輸出埠
22‧‧‧分子篩
23‧‧‧控制器
M‧‧‧金屬散熱鰭片
TB1‧‧‧第一管道
TB2‧‧‧第二管道
WR‧‧‧電源線
A‧‧‧第一通孔
B‧‧‧第二通孔
P‧‧‧顆粒

第1圖係為本發明實施例之伺服器的冷卻系統的架構圖。 第2圖係為第1圖之伺服器的冷卻系統中，散熱裝置的結構示意圖。 第3圖係為第1圖之伺服器的冷卻系統中，過濾泵、第一管道以及第二管道的示意圖。 第4圖係為第1圖之伺服器的冷卻系統中，分子篩的示意圖。

Claims (10)

1. 一種伺服器的冷卻系統，包含： 一容置槽，用以盛裝一非導電性液體，其中該非導電性液體完全將一電子裝置浸泡以使該電子裝置降溫； 一散熱裝置，置於該容置槽的上方，用以將該非導電性液體產生之熱蒸氣冷卻；及 一殼體，包覆該容置槽及該散熱裝置，用以形成一密閉空間； 其中當該電子裝置之一溫度超過該非導電性液體之一汽化溫度時，該非導電性液體將逐漸汽化為該熱蒸氣，該熱蒸氣傳至該散熱裝置後，該熱蒸氣凝結為一凝結液體，及該凝結液體滴落至該容置槽中以使該非導電性液體之一溫度保持在該汽化溫度之下且該非導電性液體之一液面高度保持穩定。
2. 如請求項1所述之系統，其中該非導電性液體係為一非導電性冷媒，且該散熱裝置係為一冷凝器，該冷凝器具有複數個金屬散熱鰭片。
3. 如請求項1所述之系統，更包含一液位計，置於該容置槽上，用於偵測該非導電性液體之該液面高度，其中當該液面高度低於該電子裝置之一高度時，該液位計發出一警示訊號。
4. 如請求項1所述之系統，更包含一過濾泵、一第一管道及一第二管道，其中該過濾泵置於該殼體內，該第一管道連通於該過濾泵與該容置槽，該第二管道連通於該過濾泵與該容置槽，該過濾泵利用該第一管道將該容置槽內之該非導電性液體之一部份抽出，並將被抽出的非導電性液體進行一雜質過濾程序以產生過濾後的非導電性液體，及該過濾泵利用該第二管道將該過濾後的非導電性液體流入至該容置槽內。
5. 如請求項1所述之系統，更包含一排放閥，置於該容置槽外，用以透過一孔洞將該容置槽內之該非導電性液體排出。
6. 如請求項1所述之系統，更包含一分子篩，置於該容置槽及該散熱裝置之間，用以吸取該殼體內的水氣。
7. 如請求項1所述之系統，更包含一壓力埠，置於該殼體內，用以偵測該密閉空間的一氣壓。
8. 如請求項1所述之系統，更包含一洩壓閥，置於該殼體外，且透過一孔洞連通至該密閉空間，用以當該密閉空間的一氣壓超過一臨界值時，透過該孔洞平衡該殼體內的該氣壓。
9. 如請求項1所述之系統，更包含一輸入/輸出埠(Input/Output Port)，置於該殼體之一側並耦接於該電子裝置，用於控制該電子裝置。
10. 如請求項1所述之系統，其中該非導電性液體係為一導電係數趨近於零之液體，且該非導電性液體的一沸點溫度在攝氏40度至70度之間，以使該散熱裝置的一進口溫度提高，該非導電性液體利用一沸騰現象或一對流現象將該電子裝置之熱能散逸，及當該非導電性液體發生該沸騰現象時，該非導電性液體的該對流現象增強。