TW202022549A - 從兩相熱傳熱管理系統選擇性移除流體 - Google Patents

從兩相熱傳熱管理系統選擇性移除流體 Download PDF

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金盛 周
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Abstract

浸入式冷卻系統包括：具有內部空間的殼體；一產熱組件，其設置在該內部空間內；及一工作流體液體，其設置在該內部空間內，使得該產熱組件與該工作流體的一液相接觸。該浸入式系統進一步包括一裝置，該裝置經組態以從該殼體內選擇性地移除一流體。該工作流體包括一鹵化材料。

Description

從兩相熱傳熱管理系統選擇性移除流體
本揭露係關於用於從兩相熱管理系統選擇性地移除流體之系統及方法。
用於管理浸入式冷卻系統中之水存在的各種系統係描述於例如Tuma,P.E.的「A Comparison of Passive 2-phase Immersion and Pumped Water Cooling for Cooling Datacom Equipment」中，其係提出於IMAPs ATW on Thermal Management,Palo Alto,CA,USA,Nov.7-9,2011；及Tuma,P.E.的「Design Considerations Relating to Non-Thermal Aspects of Passive 2-Phase Immersion Cooling」中，待出版，其係提出於Proc.27th IEEE Semi-Therm Symposium,San Jose,CA,USA,Mar.20-24,2011。
在一些實施例中，提供一種浸入式冷卻系統。浸入式冷卻系統包括具有內部空間的殼體；一產熱組件，其設置在該內部空間內；及一工作流體液體，該工作流體液體經設置在該內部空間內，使得該產熱組件與該工作流體液體接觸。該工作流體包括一鹵化材料。 該浸入式系統進一步包括一裝置，該裝置經組態以從該殼體內選擇性地移除一流體。
本揭露之上述發明內容並非意欲描述本揭露之各實施例。本揭露一或多個實施例之細節亦都在底下的說明中提出。本揭露之其他特徵、目的及優點將由本說明書及由申請專利範圍而為顯而易見。
10‧‧‧兩相浸入式冷卻系統/浸入式冷卻系統/系統
15‧‧‧殼體
15A‧‧‧下部體積
15B‧‧‧上部體積
15C‧‧‧上壁
20‧‧‧上部液面/液面
25‧‧‧產熱組件/產熱元件
30‧‧‧熱交換器
100‧‧‧裝置
Tamb‧‧‧溫度
Tw‧‧‧溫度
VC‧‧‧冷凝物
VH‧‧‧氣體空間
VL‧‧‧液相
VV‧‧‧汽相
圖1係根據本發明之一些實施例之兩相浸入式冷卻系統的示意圖。
圖2係實例1與比較例CE1之隨時間變動的相對濕度的圖。
大型電腦伺服器系統可以執行大量工作負載，並在其操作過程中產生大量的熱。這些伺服器系統的操作會產生大部分的熱。部分由於產生大量的熱，這些伺服器一般是機架安裝的，並且通過內部風扇及/或附接至機架背面或伺服器生態系統中其他地方的風扇空氣冷卻。隨著為了存取越來越多的處理和存儲資源的需求不斷擴大，伺服器系統的密度(即，放置在單一伺服器上的處理功率及/或存儲量、放置在單一機架中的伺服器數量、及/或部署在單一伺服器場中的伺服器及/或機架數量)持續增加。隨著在這些伺服器系統中所欲增加的處理或存儲密度，導致的熱挑戰仍然是顯著阻礙。習知冷卻系統(例如，基於風扇的)需要大量的功率，並且驅動此類系統所需功率的成本隨着伺服器密度的增加而急劇增加。因此，需要高效、低功率使用系統來冷卻伺服器，同時允許伺服器系統的所欲增加的處理及/或存儲密度。
兩相浸入冷卻是一種用於高性能伺服器運算市場的新興冷卻技術，其依賴於將液體(冷卻流體)汽化成氣體之過程中所吸收的熱(亦即，汽化熱)。此應用中所使用的工作流體必須滿足某些要求以在該應用中是可行的。例如，操作期間的沸騰溫度應在介於例如30℃至75℃之間的範圍內。大致上，此範圍容許將伺服器組件維持在足夠冷之溫度下，同時讓熱能夠有效率地消散至最終熱匯(例如，外部空氣)。工作流體必須是惰性的，以便其與構造材料和電氣組件相容。某些全氟化和部分氟化的材料滿足此等要求。
在一般的兩相浸入式冷卻系統中，將伺服器浸沒於工作流體浴中(具有沸騰溫度Tb)中，該工作流體浴經密封且維持在大氣壓力或接近大氣壓力下。經整合至槽內的蒸氣冷凝器係在溫度Tw下藉由水來冷卻。在操作期間，在穩定回流建立之後，由沸騰的工作流體產生的工作流體蒸氣隨著經冷凝回到液體狀態而形成離散的蒸氣位準。此層上方係「氣體空間」，不可冷凝之氣體(一般係空氣)、水蒸氣、及工作流體蒸氣之混合物，其所處的溫度介於Tw與槽外之周圍空氣的溫度Tamb之間的某處。此等3個不同相(液體、蒸氣、及氣體空間)佔據槽內之體積。在操作期間，沸騰程序噴射(上推)所有水至氣體空間體積。作為實際物質，液體水至少在系統啟動期間總是會形成於氣體空間中。
在冷卻系統中(特別是在氣體空間中)之液體水的存在出於某些原因係非所欲的。首先，其導致槽之氣體空間中之金屬組件的腐蝕。第二，若液體劇烈沸騰，小水滴可能會墜落穿過液體並附接 至敏感的電子組件，導致短路。最後，對某些氟材料而言，水可與該等材料起反應以形成酸。
目前，在兩相浸入式冷卻系統中採用乾燥劑以捕集並移除存在於系統中的液體水。然而，使用乾燥劑係非所欲的，原因至少是因為其等需要使用者不間斷地維護(若未注意，其可導致系統故障)。此外，對於能夠與水起反應的工作流體而言，使用一些乾燥劑可以導致非所欲反應之方式使水濃縮。更進一步地，乾燥劑常落下可污染系統的微粒。
因此，持續存在對用於從兩相浸入式冷卻系統移除水之不須維護以及無乾燥劑系統及方法的需求。
如本文中所使用，「氟(fluoro-)」(例如，關於基團或部分，諸如在「氟伸烷基(fluoroalkylene)」或「氟烷基(fluoroalkyl)」或「氟碳化合物(fluorocarbon)」情況下)或「氟化(fluorinated)」意指(i)僅部分氟化而使得有至少一個碳鍵結氫原子，或(ii)全氟化。
如本文中所使用，「全氟(perfluoro-)」(例如，關於基團或部分，諸如在「全氟伸烷基(perfluoroalkylene)」或「全氟烷基(perfluoroalkyl)」或「全氟碳化物(perfluorocarbon)」情況下)或「全氟化(perfluorinated)」意指完全氟化使得除了可能另有指示以外，任何碳鍵結之氫都被氟原子置換。
如本文中所使用，「鹵化材料(halogenated material)」意指至少部分鹵化(至多完全鹵化)的有機化合物，使得有至少一個碳鍵結鹵素原子。
如本文中所使用，「選擇性移除(selective removal)」係指從包括二或更多個流體組分之經密封體積至少部分移除(至多完全移除)一或多個特定流體組分(但少於所有流體組分)。
如本文中所使用，「流體(fluid)」係指液相及/或汽相。
如本文中所使用，單數形式「一(a/an)」及「該(the)」皆包括複數個被指稱物(referents)，除非內文明確地另有指示。如本說明書及所附實施例中所使用者，用語「或(or)」通常是用來包括「及/或(and/or)」的意思，除非內文明確地另有指示。
如本文中所使用者，以端點敘述之數字範圍包括所有歸於該範圍內的數字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4、及5)。
除非另有所指，否則本說明書及實施例中所有表達量或成分的所有數字、屬性之測量及等等，在所有情形中都應予以理解成以用語「約(about)」進行修飾。因此，除非另有相反指示，在前述說明書及隨附實施例清單所提出的數值參數，可依據所屬技術領域中具有通常知識者運用本揭露的教示而企圖獲得之所欲性質而有所變化。起碼，至少應鑑於有效位數的個數，並且藉由套用普通捨入技術，詮釋各數值參數，但意圖不在於限制所主張實施例範疇均等論之應用。
大致上，本揭露係關於浸入式冷卻系統，其提供不須維護且無乾燥劑之系統水的移除。在一些實施例中，浸入式冷卻系統可操作為兩相汽化冷凝系統，以用於冷卻一或多個產熱組件。如圖1所示，在一些實施例中，兩相浸入式冷卻系統10可包括具有內部空間的 殼體15。在內部空間之下部體積15A內，可設置含工作流體之液相VL，其具有上部液面20(即液相VL之最高液位)。內部空間亦可包括從液面20延伸至殼體15之上壁15C的上部體積15B。在系統10的穩態操作期間，上部體積15B可包括工作流體的汽相VV(由沸騰的工作流體產生，且隨著經冷凝回到液態而形成離散相)及包括空氣與蒸氣之混合物的氣體空間VH，其經設置在汽相VV上方。
在一些實施例中，產熱組件25可設置在內部空間內，使得其至少部分地浸入(並且至多完全浸入)工作流體的液相VL中。亦即，儘管產熱組件25繪示為僅部分地浸沒在上部液面20的下方，但是在一些實施例中，產熱組件25可以完全浸沒在液面20的下方。在一些實施例中，產熱組件可包括一個或多個電子裝置，諸如運算伺服器。
在各種實施例中，熱交換器30(例如，冷凝器)可設置在上部體積15B內。大致上，熱交換器30可經組態，使得其能夠冷凝工作流體的汽相VV，該汽相係由於產熱元件25所產生的熱而產生。例如，熱交換器30可具有維持在低於工作流體之汽相VV的冷凝溫度之溫度的外部表面。就此而言，在熱交換器30處，隨著工作流體的上升汽相VV與熱交換器30接觸，上升汽相VV可藉由釋放潛熱至熱交換器30而冷凝回到液相或冷凝物VC。然後可將所得冷凝物VC返回到設置在15A的下部體積中的液相VL。
在一些實施例中，工作流體可係或包括一或多個鹵化流體(例如，氟化或氯化)。例如，工作流體可係氟化有機流體。合適的 氟化有機流體可包括氫氟醚、三氟甲基、氟化酮(或全氟酮)、氫氟烯烴、全氟碳化物(例如全氟己烷)、全氟甲基嗎啉、或其組合。
在一些實施例中，除了鹵化流體以外，工作流體可包括(個別地或以任何組合)：醚類、烷烴類、全氟烯烴類、烯烴類、鹵烯烴類、全氟碳化物、全氟化三級胺、全氟醚、環烷烴、酯、全氟酮、酮、環氧乙烷、芳族、矽氧烷、氯代烴、氫氯氟烴、氫氟烴、氫氟烯烴、氫氯烯烴、氫氯氟烯烴、氫氟醚、或其混合物，以工作流體之總重量計；或烷烴、全氟烯烴、鹵烯烴、全氟碳化物、全氟化三級胺、全氟醚、環烷烴、全氟酮類、芳烴、矽氧烷類、氫氯碳化物、氫氯氟碳化物、氫氟碳化物、氫氟烯烴、氫氯氟烯烴、氫氟醚、或其混合物，以工作流體之總重量計。此等額外組分可經選擇針對特定用途以修飾或增強組成物之性質。
在一些實施例中，本揭露之工作流體在操作(例如，介於0.9atm與1.1atm或0.5atm與1.5atm之間的壓力)期間可具有介於30至75℃、或35至75℃、40至75℃、或45至75℃之間的沸點。在一些實施例中，本發明之工作流體在操作期間可具有大於40℃、或大於50℃、或大於60℃、大於70℃、或大於75℃的沸點。
在一些實施例中，本揭露之工作流體可具有在室溫下根據ASTM D150測量之小於2.5、小於3.2、小於2.3、小於2.2、小於2.1、小於2.0、或小於1.9之介電常數。
在一些實施例中，本揭露之工作流體可係疏水性、相對不具化學反應性、且熱穩定的。工作流體可對環境具有低衝擊。就此 而言，本揭露之工作流體可具有零或幾乎為零的臭氧損耗潛勢(ozone depletion potential,ODP)和小於500、300、200、100、或小於10的全球暖化潛勢(global warming potential,GWP,100yr ITH)。
在一些實施例中，系統10可進一步包括裝置100，該裝置經組態以從殼體15內選擇性地移除流體(例如水)。更具體而言，裝置100可經組態以允許從殼體15內移除流體，但不允許(或允許程度大幅減小)移除工作流體。
在一些實施例中，裝置100可包括滲透蒸發透膜(或由滲透蒸發透膜形成)。如本文中所使用，用語「滲透蒸發透膜(pervaporative membrane)」係指允許流體之混合物(例如，有機流體及水(包括水蒸氣)或氟化流體及水(包括水蒸氣))分離的裝置或物品，其係藉由(i)在第一透膜表面接觸液體混合物的情況下滲透蒸發，透膜接著經由第一透膜表面選擇性地滲透通過一或多個液體組分；且接著在第二透膜表面處使經滲透的(多個)液體組分蒸發；或(ii)在第一透膜表面接觸蒸氣混合物的情況下滲透蒸發，透膜接著經由第一透膜表面選擇性地滲透通過一或多個蒸氣組分，且接著在第二透膜表面處使經滲透的(多個)蒸氣組分蒸發。
在一些實施例中，滲透蒸發透膜可係親水性透膜。或者，可採用疏水性透膜。
在一些實施例中，用於輸送組分通過本揭露之滲透蒸發透膜的驅動力可係化學勢梯度，且更具體地，係相對於環繞浸入式冷卻系統10之周圍環境之殼體15的內部空間中之組分的蒸氣分壓梯度。 就此而言，已發現熱力條件允許使用通過滲透蒸發透膜之滲透蒸發濕氣排放。兩相浸入式系統一般係在可行的最高溫度下運行，使得從系統移除的熱可沉積至周圍環境，且針對乾燥冷卻器泵及風扇使用最小附加功率。因此，最常見的情況是，冷凝器水從而是槽的氣體空間VH的溫度將比浸入式冷卻系統10經設置在其中的周圍環境暖熱。由此可見，氣體空間VH中之水的飽和壓力將高於浸入式冷卻系統10的外部者。由於，如上文所討論，水越過滲透蒸發透膜的擴散係由水的分壓差所驅動，由此可見，將總是有驅動水離開浸入式冷卻系統的勢能(即使環境相對濕度100%亦然)。亦即，在滲透蒸發透膜處於平衡的情況下，氣體空間VH中的相對濕度將總是小於100%，使得水無法液化。雖然本揭露主要係關於從系統選擇性地移除水(液體或蒸氣)，但應當理解，本揭露之概念可額外或替代地用於從系統移除其他流體。
在一些實施例中，裝置100可設置在殼體15內或耦合至殼體15(例如，耦合至殼體15的側壁)。在一些實施例中，裝置100可設置在殼體15內，使得裝置100之第一工作側(例如，滲透蒸發透膜之第一主表面)與氣體空間VH流體連通，且裝置100之第二工作側(例如，滲透蒸發透膜的第二主表面)與環繞浸入式冷卻系統10的周圍環境流體連通。
在一些實施例中，本揭露可關於用於冷卻電子組件的方法。大致上，該方法可包括將產熱組件(例如，電腦伺服器)至少部分地浸入上文所討論的工作流體中。該方法可進一步包括使用上述工 作流體從產熱組件傳熱。該方法可進一步包括使用上文所討論的裝置100從含有產熱組件及工作流體的殼體選擇性地移除流體。
實施例清單
1.一種冷卻系統，其包含：
一殼體，其具有一內部空間；
一產熱組件，其設置在該內部空間內；且
一工作流體，其設置在該內部空間內，使得該產熱組件與該工作流體的一液相接觸；且
一裝置，其經組態以從該殼體內選擇性地移除一流體；
其中該工作流體包含一鹵化材料。
2.如實施例1之冷卻系統，其中該裝置經組態以從該殼體內選擇性地移除水。
2.如實施例1之冷卻系統，其中該裝置經組態以從該殼體內選擇性地移除水蒸氣。
3.如前述實施例中任一項之冷卻系統，其中該裝置包含一滲透蒸發透膜。
4.如前述實施例中任一項之冷卻系統，其中該冷卻系統經組態使得在一穩態操作條件下，(i)該工作流體之一液相經設置在該殼體的一下部體積中，(ii)該工作流體之一汽相經設置在液相上方，以及(iii)包含一不可冷凝氣體、水蒸氣、及工作流體蒸氣之一氣體空間相經設置在該汽相上方。
5.如實施例4之冷卻系統，其中該裝置係設置在該殼體內，使得該裝置之一第一工作側與該氣體空間相流體連通，且該裝置之一第二工作側與環繞該浸入式冷卻系統的一周圍環境流體連通。
6.如前述實施例中任一項之冷卻系統，其中該工作流體包含一氟化材料。
7.如前述實施例中任一項之冷卻系統，其中該工作流體在1atm下具有介於30與75℃之間的一沸點。
8.如前述實施例中任一項之冷卻系統，其中該工作流體具有小於2.5的一介電常數。
9.如前述實施例中任一項之冷卻系統，其中該產熱組件包含一電子裝置。
10.如實施例9之冷卻系統，其中該電子裝置包含一運算伺服器。
11.如實施例10之冷卻系統，其中該運算伺服器以大於3GHz的頻率進行操作。
12.如實施例4之冷卻系統，其中該冷卻系統包含設置在該系統內的一熱交換器，使得在該工作流體液體汽化時，該汽相接觸該熱交換器。
本揭露之作業將以下列詳細之實例予以進一步描述。所提供的這些實例係用於進一步說明各個實施例及技術。然而，應理解的是，可做出許多變異及改良而仍在本揭露之範疇內。
實例
藉由以下比較性及說明性實例進一步說明本揭露之目的及優點。除非另有註明，否則實例及說明書其他部分中之所有份數、百分比、比率等皆以重量計，並且實例中所使用之所有試劑係可購自諸如例如Sigma-Aldrich Corp.,Saint Louis,MO,US之一般化學供應商，或者可藉由習知方法來合成。在本文中使用下列縮寫：cm3=立方公分、wt%=重量百分比、m/min=公尺每分鐘、μm=微米(10-6m)、℃=攝氏度。
透膜製備程序
5wt%的塗佈溶液係製備自在75wt%乙醇與25wt%去離子水的溶劑混合物中呈質子形式的NAFION 1000EW(可購自Chemours,Wilmington,DE,US)。在引導管路中使用狹縫模具將塗佈溶液施加至多孔聚丙烯腈基材(PA350,Nanostone Water,℃eanside,CA,US)。線速度設定為2.0m/min。使溶劑分別在設定為40℃、40℃、60℃、及70℃的四個溫控烘箱(7.6公尺長)中蒸發，其目標係多孔基材頂部上之1.0μm厚度的乾NAFION塗層膜。
浸入式冷卻系統槽
建構如圖1所示的浸入式冷卻系統，使得在操作期間3相的大約體積係：
VL=920cm3
VV=1750cm3
VH=750cm3
針對實例1及比較例CE1兩者，使用來自相同容器之FLUORINERT FC-72流體(可購自3M Company,St.Paul,MN,US)裝填槽。針對CE1，頂部觀看窗保持在適當位置。針對實例1，施加如上述般製備的135cm2的透膜代替頂部觀看窗。針對各實驗，在啟動期間監控液體及蒸氣溫度連同接近槽頂部的相對濕度。
結果
結果提供於圖2中，其顯示隨系統運行時間而變動之系統中的相對濕度。針對CE1，在沒有透膜的情況下，相對濕度迅速達到100%且水在槽的窗上冷凝。針對實例1，在將透膜置於適當位置的情況下，相對濕度幾乎不超過50%。
雖在本文中為了敘述一些實施例之目的以特定實施例進行說明及敘述，但所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解可以替代及/或均等實施來替換所示及所描述的特定實施例，而不偏離本揭露的範疇。
10‧‧‧兩相浸入式冷卻系統/浸入式冷卻系統/系統
15‧‧‧殼體
15A‧‧‧下部體積
15B‧‧‧上部體積
15C‧‧‧上壁
20‧‧‧上部液面/液面
25‧‧‧產熱組件/產熱元件
30‧‧‧熱交換器
100‧‧‧裝置
VC‧‧‧冷凝物
VH‧‧‧氣體空間
VL‧‧‧液相
VV‧‧‧汽相

Claims (12)

  1. 一種冷卻系統，其包含：
    一殼體，其具有一內部空間；
    一產熱組件，其設置在該內部空間內；及
    一工作流體，其設置在該內部空間內，使得該產熱組件與該工作流體的一液相接觸；及
    一裝置，其經組態以從該殼體內選擇性地移除一流體；
    其中該工作流體包含一鹵化材料。
  2. 如請求項1之冷卻系統，其中該裝置經組態以從該殼體內選擇性地移除水。
  3. 如前述請求項中任一項之冷卻系統，其中該裝置包含一滲透蒸發透膜。
  4. 如前述請求項中任一項之冷卻系統，其中該冷卻系統經組態使得在一穩態操作條件下，(i)該工作流體之一液相經設置在該殼體的一下部體積中，(ii)該工作流體之一汽相經設置在液相上方，以及(iii)包含一不可冷凝氣體、水蒸氣、及工作流體蒸氣之一氣體空間相經設置在該汽相上方。
  5. 如請求項4之冷卻系統，其中該裝置係設置在該殼體內，使得該裝置之一第一工作側與該氣體空間相流體連通，且該裝置之一第二工作側與環繞該浸入式冷卻系統的一周圍環境流體連通。
  6. 如前述請求項中任一項之冷卻系統，其中該工作流體包含一氟化材料。
  7. 如前述請求項中任一項之冷卻系統，其中該工作流體在1atm下具有介於30與75℃之間的一沸點。
  8. 如前述請求項中任一項之冷卻系統，其中該工作流體具有小於 2.5的一介電常數。
  9. 如前述請求項中任一項之冷卻系統，其中該產熱組件包含一電子裝置。
  10. 如請求項9之冷卻系統，其中該電子裝置包含一運算伺服器。
  11. 如請求項10之冷卻系統，其中該運算伺服器以大於3GHz的頻率進行操作。
  12. 如請求項4之冷卻系統，其中該冷卻系統包含設置在該系統內的一熱交換器，使得在該工作流體液體汽化時，該汽相接觸該熱交換器。
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