TW202129212A - 浸沒式冷卻設備 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種浸沒式冷卻設備用於容置並冷卻至少一熱源。浸沒式冷卻設備包含一設備槽體、一冷卻液以及至少一冷凝器。冷卻液容置於設備槽體中並用以直接熱接觸熱源。至少部分的冷凝器沉浸於冷卻液中。

Description

浸沒式冷卻設備

本發明係關於一種冷卻設備，特別是一種浸沒式冷卻設備。

隨著科技快速地成長，特別是在網路、人工智慧、雲端服務的需求大幅提升的時代，數據中心(data center)需要處理的資料量越來越龐大，為了維持或提升數據中心的處理效率，有必要對數據中心進行持續且有效的散熱。但由於數據中心的功率密度高，所產生的熱量過於龐大，傳統的散熱手段需要以提升功率或規模的方式來因應。然這樣的做法非常耗能，反而大幅增加成本與對環境的衝擊。

因此，近年來如浸沒式冷卻(immersion cooling)等水冷技術逐漸受到重視。具體來說，浸沒式冷卻的設備是將資料中心的熱源，如主板以及其上的電子元件浸沒於不導電的冷卻液中，由於電子元件與冷卻液可充分地接觸，所以浸沒式冷卻較傳統氣冷散熱可達到更高的散熱效率。並且，浸沒式冷卻無需設置風扇，有助於降低浸沒式冷卻設備的耗能、成本、運轉噪音量及對空間的需求。在這些優勢下，浸沒式冷卻技術逐漸取代氣冷冷卻。

通常，資料中心常態處於運行狀態，因此與之接觸的冷卻液會持續受熱而蒸散，冷卻液蒸氣會暫時地存在於液態冷卻液上方的空間中。當設備頂部的上蓋打開以維修或熱插拔設備內部的電子元件時，常會有大量的冷卻液蒸氣從設備的開口處逸散，造成冷卻液的損失。長時間使用下會造成設備內的冷卻液總量逐漸減少的問題，從而降低了整體的散熱效率。並且，由於冷卻液的價格昂貴，為了補充遺失的冷卻液反而造成了可觀的維護成本。此外，由於冷卻液本身的化學組成，逸散至空氣中的冷卻液氣體還會對環境或人體造成危害。

雖然有業者嘗試以增加槽體的高度來降低冷卻液逸散的機率，但這樣的作法並不確實，反而造成空間的浪費。因此，如何在開上蓋時減少冷卻液蒸氣的外洩，是本領域技術人員很重要的研究課題之一。

有鑑於此，本發明提供一種浸沒式冷卻設備，可有效減少開上蓋時冷卻液蒸氣的外洩。

根據本發明之一實施例所揭露的一種浸沒式冷卻設備，用於容置並冷卻至少一熱源。浸沒式冷卻設備包含一設備槽體、一冷卻液以及至少一冷凝器。冷卻液容置於設備槽體中並用以直接熱接觸熱源。至少部分的冷凝器沉浸於冷卻液中。

根據本發明之另一實施例所揭露的一種浸沒式冷卻設備，用於容置並冷卻至少一熱源。浸沒式冷卻設備包含一設備槽體、一冷卻液以及至少一冷凝器。冷卻液容置於設備槽體中並用以直接熱接觸熱源。冷凝器完全沉浸於冷卻液中。

從本發明前述實施例所揭露的浸沒式冷卻設備，由於至少部分的冷凝器沉浸於冷卻液中，因此冷卻液自熱源加熱而產生的冷卻液氣泡至接近冷卻液液面處可被降溫，從而減少冷卻液蒸氣自冷卻液液面蒸散的量。藉此，於打開設備之上蓋以維修或熱插拔設備內部的熱源的過程中，冷卻液蒸氣從設備外洩可有效地減少，從而降低冷卻液蒸氣逸散而對整體散熱效率的影響及補充冷卻液所造成的成本。

以上之關於本發明揭露內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

此外，以下將以圖式揭露本發明之實施例，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到的是，這些實務上的細節非用以限制本發明。

並且，為達圖面整潔之目的，一些習知慣用的結構與元件在圖式可能會以簡單示意的方式繪示之。另外，本案之圖式中部份的特徵可能會略為放大或改變其比例或尺寸，以達到便於理解與觀看本發明之技術特徵的目的，但這並非用於限定本發明。依照本發明所揭露之內容所製造之產品的實際尺寸與規格應是可依據生產時的需求、產品本身的特性、及搭配本發明如下所揭露之內容據以調整，於此先聲明之。

另外，以下文中可能會使用「端」、「部」、「部分」、「區域」、「處」等術語來描述特定元件與結構或是其上或其之間的特定技術特徵，但這些元件與結構並不受這些術語所限制。在下文中，也可能會使用「及/或(and/or)」之術語，其是指包含了一或多個所列相關元件或結構之其中一者或全部的組合。以下文中也可能使用「實質上」、「基本上」、「約」或「大約」等術語，其與尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍結合使用時，為意欲涵蓋可能存在於該等性質或特性之範圍之上限及/或下限中之偏差、或表示容許製造公差或分析過程中所造成的可接受偏離，但仍可達到所預期的效果。

再者，除非另有定義，本文所使用的所有詞彙或術語，包括技術和科學上的詞彙與術語等具有其通常的意涵，其意涵能夠被熟悉此技術領域者所理解。更進一步的說，上述之詞彙或術語的定義，在本說明書中應被解讀為與本發明相關技術領域具有一致的意涵。除非有特別明確的定義，這些詞彙或術語將不被解釋為過於理想化的或正式的意涵。

首先，請參閱圖1~3，圖1係為依據本發明之一實施例之浸沒式冷卻設備1的立體示意圖，圖2係為圖1之浸沒式冷卻設備1的側視示意圖，而圖3係為圖1之冷凝器20的立體示意圖，其中，為達圖式簡潔之目的，圖式中可能將部份的元件以虛線繪示之，以及可能將如電子元件、泵、走線、螺絲等一些非必要的元件省略而未繪示。於本實施例或其他實施例中，浸沒式冷卻(immersion cooling)設備1(或可稱浸潤式、沉浸式設備)，可包含一設備槽體(enclosure)10(以下也可簡稱為槽體10)以及至少一冷凝器(condenser)20。

於本實施例中，設備槽體10可為一中空且一端(如頂部)具有可開闔之上蓋(未繪示)的容置槽，其形狀或內部空間(未標號)可以但不限於是如方形、矩形等多邊形，但本發明並非以設備槽體10的形狀、尺寸、厚度或其材質為限。如圖所示，設備槽體10的內部空間之部分可定義為一儲液空間S1，另一部分可定義為一蒸氣空間S2。所述的儲液空間S1特別是指設備槽體10中用於儲存液態的冷卻液8的區域，而所述的蒸氣空間S2特別是指設備槽體10中在液態的冷卻液8上方的空間，可用於供蒸發的冷卻液或其他氣體活動的空間，其中，冷卻液8中浸有一或多個熱源7。

補充說明的是，前述的熱源7可以但不限於是一或多個主機板及/或其他電子/電氣元件或裝置，但本發明並非以熱源7及其種類、數量、尺寸或規模以及其上可設置之元件為限；而前述的冷卻液8，可以但不限於是具有低沸點以及絕緣特性的液體，如型號為FC-3284的冷卻液。這裡所謂的低沸點例如可介於攝氏約40~60度之間或是低於熱源7的工作溫度。因此，冷卻液8是適於與熱源7直接熱接觸並可有效吸收熱源7產生的熱能的物質，但本發明並非以冷卻液8及其種類與物理特性等為限。

如圖所示，為了有效地對熱源7進行散熱，可依據實際需求完全或至少部分地將熱源7浸入冷卻液8中。通常，熱源7運轉時所產生的熱的溫度可使液相的冷卻液8沸騰成為氣態的冷卻液(以下可稱為冷卻液氣體或冷卻液蒸氣)，而自液相的冷卻液8往蒸氣空間S2逸散(如圖2所示之氣泡)。

本實施例與其他實施例中，冷凝器20容置於設備槽體10的內部空間中。特別地是，冷凝器20至少部分位於儲液空間S1而沉浸於液相的冷卻液8中，而冷凝器20的另一部分則位於蒸氣空間S2而在液相的冷卻液8的水平面之上。具體來說，於本實施例中，冷凝器20可具有一或多個冷凝管21，且冷凝管21為中空管體，或稱為熱管(heat pipe)，可供工作流體流通於其中，於此，如圖3所繪示之其中一組冷凝器20，該冷凝器20之其中一冷凝管21部分剖切以顯露其內部，如圖所示，冷凝管21中可流通有工作流體8’，可吸收並帶走冷凝管21所吸收的熱能。由此可知，冷凝器20為一主動式散熱裝置。在此配置下，冷凝器20沒入冷卻液8的部分可對冷卻液8進行降溫，從而形成一相對低溫的液體冷區R1；而冷凝器20在冷卻液8之水平面上的部分，將可用於將冷卻液蒸氣進行冷凝，從而形成一冷凝區R2。

藉此，自熱源7產生的冷卻液氣泡(未標號)至接近冷卻液液面處(如冷凝區R2)時可被冷凝器20降溫，從而減少冷卻液氣泡自冷卻液液面蒸散的量，即減少存在於蒸氣空間S2中的冷卻液蒸氣量。因此，於打開設備槽體10之上蓋(未標號)以維修或熱插拔設備內部的熱源7的過程中，冷卻液蒸氣從設備槽體10外洩的量可有效地減少，從而降低冷卻液蒸氣逸散而對設備槽體10之散熱效率的影響及因冷卻液外洩而需要補充冷卻液所造成的成本。

於此，請參閱表一(如下)，為針對半浸沒與未浸沒之冷凝器等配置(表一中以「半浸沒」及「未浸沒」稱之)，以不計熱損失的情況在相同液上高度的不同位置的量測點進行溫度量測的方式，來判斷冷凝器之位置的不同對於蒸氣分布的影響。需先理解的是，「半浸沒」及「未浸沒」除了冷凝器的配置之外，其餘實驗條件實質上相同，且在同樣高度上，所量測的溫度越高可理解為含越多的蒸氣量。

比較表一中「未浸沒」與「半浸沒」之配置可知，在相同高度下，「半浸沒」配置於所量測的溫度都低於「未浸沒」配置，因此「半浸沒」配置可有效地減少靠近液面處的蒸氣量。即，如前述實施例所述，冷凝器20在沒入冷卻液8的部分可對冷卻液8進行降溫而形成相對低溫的液體冷區R1，且冷凝器20在冷卻液8液面上可對冷卻液蒸氣進行冷凝而形成相對低溫的冷凝區R2，從而可有效地降低冷卻液8之液上溫度而減少冷卻液氣泡自冷卻液液面蒸散的量。

表一
量測點	液上60毫米	液上60毫米	液上60毫米	冷卻液	熱源
	溫度(°C)
未浸沒	41.47	42.75	44.68	50~51	80.8
半浸沒	39.89	37.565	38.495	41.5~44	79.2

另外，請參閱表二(如下)，為前述表一之「未浸沒」及「半浸沒」配置之冷凝器的進出口水溫差。可見，冷凝器「未浸沒」之配置的進出口溫差約為冷凝器「半浸沒」之配置的進出口溫差的1.35倍。也就是說，「未浸沒」配置的冷凝器熱效率約為「半浸沒」配置的冷凝器熱效率的約1.35倍。

表二
	未浸沒	半浸沒
冷凝器進出口溫度差(°C)	1.26	0.93

另一方面，就冷凝器20的配置上，如圖1所示，冷凝器20可沿設備槽體10之內壁面(未標號)配置，以保持設備槽體10之內部空間的中間區域為暢通的狀態，藉此，有助於後續維修或熱插拔設備內部的熱源7的操作。

於此，需理解的是，只要是依循前述之精神將冷凝器20部分地浸沒於冷卻液8中而減少冷卻液氣泡自冷卻液之液面蒸散的量，冷凝器20浸沒於冷卻液8的程度則可依據如所需的散熱效率、操作行為、所需減少的蒸散量等實際需求進行調整，本發明並非以此為限。例如請參閱圖4，於一些應用中，冷凝器20也可完全浸沒於冷卻液8中。於此，補充說明的是，在圖4之將冷凝器20完全浸沒於冷卻液8的配置中，由於冷凝器20可在冷卻液8中進行更大範圍的降溫，因此可更有效地減少冷卻液氣泡自冷卻液液面蒸散的量。

另一方面，圖式中之冷凝器20僅用於說明本發明實施例之用，本發明並非以冷凝器20及其設計、數量、位置等為限。例如請參閱圖5，於一些應用中，浸沒式冷卻設備1’之冷凝器20’可為僅具有單一冷凝管21，該單隻的冷凝管21可部分浸沒於冷卻液8，在此情況下，同樣可達到減少冷卻液氣泡自冷卻液之液面蒸散的量。又或者，例如請參閱圖6，係為依據本發明之另一實施例之冷凝器20’’的立體示意圖，冷凝器20’’也可具有更多數量的冷凝管21。

除此之外，於本發明之一實施例中，設備槽體10中還可增設一或多個擾動器以進一步增加散熱效率。於此，如圖所示，擾動器9可位於儲液空間S1而沉浸於液相的冷卻液8中，擾動器9例如為泵或通電可自動產生形變變化的金屬板等任何適於增加冷卻液8的擾動程度的裝置。以目前實施例為例來說，擾動器9例如可對冷卻液8產生往熱源7方向流動的力(如箭頭所示)，藉此，擾動器9可加速將熱源7周圍的冷卻液8流過熱源7及加速冷卻液氣泡(未繪示)脫離熱源7，從而增加散熱效率。但可理解的是，擾動器9於儲液空間S1中的位置與數量均不特別予以限制，而是可依據實際需求進行數量上的增減與位置上的調整。

由本發明前述實施例所揭露之浸沒式冷卻設備，由於至少部分的冷凝器沉浸於冷卻液中，因此冷卻液自熱源加熱而產生的冷卻液氣泡至接近冷卻液液面處可被降溫，從而減少冷卻液蒸氣自冷卻液液面蒸散的量。藉此，於打開設備之上蓋以維修或熱插拔設備內部的熱源的過程中，冷卻液蒸氣從設備外洩可有效地減少，從而降低冷卻液蒸氣逸散而對整體散熱效率的影響及補充冷卻液所造成的成本。

根據測試結果，將冷凝器部分浸沒於冷卻液的設計可在打該設備上蓋時較將冷凝器未浸沒於冷卻液的設計至少可減少20%的蒸氣逸散。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1、1’:浸沒式冷卻設備 7:熱源 8:冷卻液 8’:工作流體 9:擾動器 10:設備槽體 20、20’、20’’:冷凝器 21:冷凝管 R1:液體冷區 R2:冷凝區 S1:儲液空間 S2:蒸氣空間

圖1係為依據本發明之一實施例之浸沒式冷卻設備的立體示意圖。 圖2係為圖1之浸沒式冷卻設備的側視示意圖。 圖3係為圖1之冷凝器的立體示意圖。 圖4係為圖1之浸沒式冷卻設備於冷凝器完全浸沒於冷卻液時的側視示意圖。 圖5係為依據本發明之另一實施例之浸沒式冷卻設備的側視示意圖。 圖6係為依據本發明之另一實施例之冷凝器的立體示意圖。

1:浸沒式冷卻設備

7:熱源

8:冷卻液

9:擾動器

10:設備槽體

20:冷凝器

21:冷凝管

S1:儲液空間

S2:蒸氣空間

Claims (10)

1. 一種浸沒式冷卻設備，用於容置並冷卻至少一熱源，包含：一設備槽體；一冷卻液，容置於該設備槽體中並用以直接熱接觸該至少一熱源；以及至少一冷凝器，至少部分的該至少一冷凝器沉浸於該冷卻液中。
2. 如請求項1所述之浸沒式冷卻設備，其中該至少一冷凝器包含一熱管，至少部分的該熱管沉浸於該冷卻液中。
3. 如請求項1所述之浸沒式冷卻設備，其中該至少一冷凝器包含多個熱管，至少其中一該熱管沉浸於該冷卻液中。
4. 如請求項1所述之浸沒式冷卻設備，其中該至少一冷凝器的數量為多個，該些冷凝器沿該設備槽體之內壁面配置。
5. 如請求項4所述之浸沒式冷卻設備，其中該些冷凝器均至少部分沉浸於該冷卻液中。
6. 如請求項1所述之浸沒式冷卻設備，更包含至少一擾動器，該至少一擾動器位於該設備槽體中，用以增加該冷卻液的擾動程度。
7. 一種浸沒式冷卻設備，用於容置並冷卻至少一熱源，包含：一設備槽體；一冷卻液，容置於該設備槽體中並用以直接熱接觸該至少一熱源；以及至少一冷凝器，完全沉浸於該冷卻液中。
8. 如請求項7所述之浸沒式冷卻設備，其中該至少一冷凝器包含至少一熱管，該至少一熱管沉浸於該冷卻液中。
9. 如請求項7所述之浸沒式冷卻設備，其中該至少一冷凝器的數量為多個，該些冷凝器沿該設備槽體之內壁面配置。
10. 如請求項7所述之浸沒式冷卻設備，更包含至少一擾動器，該至少一擾動器位於該設備槽體中，用以增加該冷卻液的擾動程度。

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