TW202219682A - 主動蒸氣管理的兩相浸沒式冷卻裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種兩相浸沒式冷卻裝置，其可包含：一浸沒式槽，其具有與該浸沒式槽之一內部體積熱連通之一初級冷凝器；及一蒸氣管理系統，其流體連接至該浸沒式槽。該蒸氣管理系統可藉由自該浸沒式槽之一頂部空間移除蒸氣及其他氣體、將該蒸氣冷凝至液體且使該液體返回至該浸沒式槽而實現該裝置有效地管理高蒸氣產生之時段。

Description

主動蒸氣管理的兩相浸沒式冷卻裝置
本發明係關於兩相浸沒式冷卻裝置及用於冷卻電子器件之方法。
資料中心容置用於儲存、處理及傳播資料及應用程式之目的之資訊技術(IT)設備。IT設備可包含電子器件，諸如伺服器、儲存系統、配電單元、路由器、開關及防火牆。
在使用期間，IT設備消耗電力且產生熱作為一副產物。含有數千個伺服器之一資料中心需要一專用IT冷卻系統以管理所產生熱。熱必須被捕獲且自資料中心排出。若熱未被移除，則資料中心內之環境溫度將上升至高於一可接受臨限值且可發生電子器件(例如，微處理器)之溫度引發之效能節流。
資料中心係能量密集型設施。一資料中心每一平方英呎消耗比一典型商業辦公大樓多50倍以上能量並不罕見。共同地，資料中心佔全球用電量之約3%。
資料中心中之用電量可歸因於各種系統，包含IT設備、空氣管理系統、機械系統、電氣系統(例如，功率調節系統)及IT設備之冷卻系統。IT冷卻系統之實例包含精密空氣調節系統、直接膨脹系統、冷凍水系統、自由冷卻系統、加濕系統及直接液體冷卻系統。在一些資料中心中，IT冷卻及功率調節系統佔全部用電量之一半以上。
大多數資料中心利用精密空氣調節系統用於IT冷卻。類似於家用空氣調節器，精密空氣調節器採用一蒸氣壓縮循環。雖然空氣調節技術良好適合舒適冷卻辦公室空間，但其並不良好適合冷卻分佈遍及一大資料中心之數千個相對小熱器件。空氣具有一相對低熱容量，此使移動且調節大量空氣以冷卻IT設備成為必要。因此，空氣調節器經受不良熱力學效率，此轉化為高操作費用。為了降低操作費用，需要更有效地冷卻伺服器。
因此，需要改良IT冷卻系統之效率、效能、可靠性及可持續性之進步。
在一第一態樣中，本發明係關於一種浸沒式槽總成。在一些實施例中，該浸沒式槽總成包含各形成一內部體積之一或多個浸沒式槽且一蒸氣管理系統流體連接至該浸沒式槽總成。在一些應用中，各浸沒式槽可包含一上部分、一下部分及與該浸沒式槽之該內部體積熱連通之一初級冷凝器，且該蒸氣管理系統可包含：一冷凝腔室，其形成一內部體積且包含一入口、一出口及與該冷凝腔室之該內部體積熱連通之一輔助冷凝器；一蒸氣供應通道，其將該浸沒式槽之該上部分流體連接至該冷凝腔室之該入口；一閥，其安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之該蒸氣供應通道中；及一液體返回通道，其將該冷凝腔室之該出口流體連接至該浸沒式槽總成。
在一些實施方案中，該兩相浸沒式冷卻裝置亦可包含以下項之一或多者：一可變體積腔室，其流體連接至該蒸氣供應通道且安置於該浸沒式槽總成之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間；一洩壓閥，其流體連接至該冷凝腔室；一感測器，其用於偵測該浸沒式槽總成內之壓力，該感測器定位於該浸沒式槽總成中及/或該蒸氣供應通道中；一排氣通道，其流體連接至該冷凝腔室；一洩壓閥，其流體連接在該排氣通道中；及一感測器，其用於偵測該蒸氣管理系統內之壓力且定位於該蒸氣管理系統中；一水分離器，其流體連接至該液體返回通道在該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間；一液體泵，其流體連接至該液體返回通道且安置於該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間；一乾燥過濾器，其流體連接至該液體返回通道且安置於該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間；一雜質過濾器，其流體連接至該液體返回通道且安置於該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間；及一蒸氣泵，其流體連接至該蒸氣供應通道且安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間。
在一第二態樣中，本發明係關於一種浸沒式槽總成。在一些實施例中，該浸沒式槽總成包含各形成一內部體積之一或多個浸沒式槽且一蒸氣管理系統流體連接至該浸沒式槽總成。在一些應用中，各浸沒式槽可包含一上部分、一下部分及與該內部體積熱連通之一初級冷凝器，且該蒸氣管理系統可包含：一冷凝腔室，其形成一內部體積且包括一入口、一出口及與該冷凝腔室之該內部體積熱連通之一輔助冷凝器；一蒸氣供應通道，其將該浸沒式槽之該上部分流體連接至該冷凝腔室之該入口；一閥，其安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之該蒸氣供應通道中；一液體返回通道，其將該冷凝腔室之該出口流體連接至至該浸沒式槽總成之一入口；一感測器，其經組態以偵測該浸沒式槽總成中之壓力且基於一經量測壓力產生並傳輸一信號；及一電子控制單元，其經組態以自該感測器接收該信號且將一命令信號發送至該閥。
在一些實施方案中，該感測器可安置於該浸沒式槽總成及/或介於該閥與該浸沒式槽總成之間之該蒸氣供應通道中。在一些變化型態中，該冷凝腔室可具有大至該浸沒式槽之一頂部空間體積之至少10%之一體積。在一些應用中，該冷凝器腔室亦可包含流體連接至該輔助冷凝器之一冷凍器。在一些實施例中，該裝置亦可包含流體連接至該初級冷凝器之一熱交換器。
在一第三態樣中，本發明係關於一種浸沒式冷卻一熱產生器件之方法。在一些實施例中，該方法包含：提供一兩相浸沒式冷卻裝置；偵測該浸沒式槽內之一壓力；以下項之至少一者：當該浸沒式槽總成中之一經量測壓力大於一預定臨限設定(例如，介於-0.9 psig與0.9 psig之間)時打開該閥，使得來自該浸沒式槽總成之介電蒸氣及其他氣體經接納至該冷凝腔室中；或當該浸沒式槽總成中之該經量測壓力小於該預定臨限設定時關閉該閥；在該冷凝腔室中將該介電蒸氣及其他氣體冷凝至一液體狀態；及透過該液體返回通道將經冷凝介電液體返回至該浸沒式槽總成。
在一些實施方案中，該經提供浸沒式槽總成可包含各形成一內部體積之一或多個浸沒式槽且一蒸氣管理系統流體連接至該浸沒式槽總成。在一些應用中，各浸沒式槽可包含一上部分、一下部分及與該浸沒式槽之該內部體積熱連通之一初級冷凝器，且該蒸氣管理系統可包含：一冷凝腔室，其形成一內部體積且包含一入口、一出口及與該冷凝腔室之該內部體積熱連通之一輔助冷凝器；一蒸氣供應通道，其將該浸沒式槽之該上部分流體連接至該冷凝腔室之該入口；一閥，其安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之該蒸氣供應通道中；及一液體返回通道，其將該冷凝腔室之該出口流體連接至該浸沒式槽總成。
在一些變化型態中，該方法亦可包含使一冷卻劑循環通過該初級冷凝器，該冷卻劑具有大於或等於一環境空氣溫度之一溫度及/或使一第一冷卻劑循環通過該初級冷凝器且使一第二冷卻劑循環通過該輔助冷凝器，其中該第一冷卻劑之一溫度大於該第二冷卻劑之一溫度。
在一些實施方案中，該方法亦可包含提供流體連接至該蒸氣供應通道且安置於該浸沒式槽總成與該冷凝腔室之該入口之間之一蒸氣泵；及當該閥打開時操作該蒸氣泵以自該浸沒式槽之一頂部空間清除氣體且將該浸沒式槽內之壓力降低至低於大氣壓力。
直接液體冷卻系統提供用於資料中心應用之空氣調節系統之一有前景的替代例。一種形式之直接液體冷卻係浸沒式冷卻。在一浸沒式冷卻系統中，一電子器件浸沒在介電流體中。來自電子器件之廢熱被轉移至流體且接著被排出資料中心外。由於廢熱未被釋放至資料中心之環境空氣中，故通常不需要一精密空氣調節系統。
浸沒式冷卻系統可採用單相或兩相技術。在一單相浸沒式冷卻系統中，電子器件浸沒在一流體(諸如礦物油)中。來自電子器件之廢熱經轉移至流體且暖化流體。經暖化流體自浸沒式冷卻系統泵送至捕獲來自流體之廢熱且將熱排出資料中心外之一排熱系統(諸如一蒸發冷卻塔、乾式冷卻器或冷凍水迴路)。
單相浸沒式冷卻技術之一缺點係礦物油可用作一溶劑且隨著時間，自主機板、處理器及其他組件移除識別資訊。例如，產品標籤(例如，含有序列號及條碼之貼紙)及其他標記(例如，電容器及其他器件上之網版印刷資訊及型號)可歸因於礦物油在器件表面上方之一持續流動而溶解且洗掉。隨著標籤及油墨自伺服器洗掉，礦物油可變得被污染且可需要被替換，從而導致費用及週期性停機時間。單相浸沒式冷卻之另一缺陷係伺服器無法在自槽抽出之後立即維修。通常言之，在維修之前，必須將伺服器自槽移除且容許其滴乾達數小時。在此乾燥時段期間，伺服器可曝露至循環空氣中之污染物，且礦物油在伺服器上之存在可在敏感電路上吸引且捕集污染物(例如，灰塵或顆粒)，此可增加短路及故障之風險。
在一兩相浸沒式冷卻系統中，一電子器件浸沒在一槽中之一流體(諸如氫氟醚)中。流體容易蒸發且不留下殘餘物，因此兩相系統不經受上文提及之單相礦物油基系統之缺點。在使用期間，來自電子器件之廢熱由流體吸收，從而導致流體之局部蒸發。蒸氣上升至槽之一頂部空間中且藉由一冷凝器冷凝。來自蒸氣之熱被轉移至循環通過冷凝器之冷卻劑，藉此暖化冷卻劑。經暖化冷卻劑接著自冷凝器泵送至捕獲來自流體之廢熱且將熱排出資料中心外之一排熱系統(諸如一蒸發冷卻塔、乾式冷卻器或冷凍水迴路)。
兩相浸沒式冷卻系統利用相變熱轉移之益處，此使其等比單相浸沒式冷卻系統在冷卻具有高熱通量之電子器件(諸如具有多個圖形處理單元(GPU)之高效能運算(HPC)伺服器)時更有效且能夠冷卻具有高通量之該等電子器件。然而，伴隨相變熱轉移之益處帶來一挑戰。實務上，在先前技術兩相系統中，將蒸氣保持在系統內已被證明具有挑戰性。隨著時間，現有兩相浸沒式冷卻系統不可避免地經受至環境之流體損失。在一循環基礎上補充經損失流體可係昂貴的。在下文描述先前技術兩相冷卻系統之實例及其等流體損失模式及其他缺點。
圖15展示一基本兩相浸沒式冷卻裝置1500之一先前技術實例。裝置1500包含部分填充有呈液相之介電流體620之一浸沒式槽201。裝置包含安裝於槽201之一頂部空間中之一冷凝器235。一電子器件800浸沒在介電流體中。電子器件可係包含一或多個微處理器801之一伺服器。槽201藉由一蓋225圍封。當通電且起作用時，電子器件800產生熱。熱被轉移至介電流體620，此引起流體之一部分沸騰且形成介電蒸氣615。蒸氣615上升通過介電液體620之一浴且進入槽201之頂部空間。當蒸氣615接觸冷凝器235時，其冷凝至液體且被動地再循環回至液浴，藉此完成蒸發、冷凝、沉澱及收集之一循環1501。在操作期間，相對密集介電流體620之沸騰產生膨脹且進入被不可冷凝氣體佔據之頂部空間之一相對較不密集蒸氣615。介電流體620作為一蒸氣比作為液體佔據更多體積，因此隨著更多蒸氣615經產生且進入頂部空間，槽壓力增加。為了防止槽壓力達到一不安全位準，在槽201中提供一洩壓閥460且在壓力超過一預定臨限值時打開該洩壓閥460。在致動洩壓閥460之後，介電蒸氣615自槽201釋放且損失至環境。隨著時間，週期性閥致動及流體損失耗盡流體620，從而使補充成為必要。
在圖15中展示之實例之一變化型態中，兩相浸沒式冷卻裝置1500可經組態以將一槽壓力始終維持在環境壓力(例如，1 atm)附近。可期望在環境壓力下或接近環境壓力操作以最小化由分別透過系統接頭或材料之洩漏或擴散引起之流體損失。當來自電子器件800之熱負載增加時，介電蒸氣產生之速率增加且壓力在槽201內建立。為了避免壓力累積，每當槽壓力上升至高於環境壓力時可致動洩壓閥460。在密集運算之時段期間，此可導致蒸氣615至環境之頻繁排放。在閒置時段期間，來自器件800之熱負載將降低，且蒸氣產生之速率將降低或甚至停止。任何剩餘蒸氣615由冷凝器235冷凝且隨後，頂部空間中之空氣由冷凝器235進一步冷卻，從而導致槽壓力降低至低於環境壓力。為了減輕槽201中之負壓，洩壓閥460可打開且容許環境空氣進入槽201。隨著時間，此循環氣體交換導致流體損失。
在圖15中展示之實例之另一變化型態中，兩相浸沒式冷卻裝置1500可配備有具有超過電子器件800之一最大熱負載之一冷卻容量之一高容量冷凝器235。冷凝器235可在顯著低於介電流體620之蒸氣溫度之一溫度下操作，藉此確保蒸氣615迅速地冷凝，藉此避免歸因於蒸氣累積之過度加壓。雖然此方法減少流體損失，但冷凝器235係大且低能效的，從而使其昂貴且對於大規模資料中心應用而言不實際。
在圖15中展示之實例之另一變化型態中，可氣密密封兩相浸沒式冷卻裝置1500。槽201可係能夠經受高正壓或負壓而無故障之風險之一壓力容器。不幸地，壓力容器建構且維護成本高。為了產品可靠性起見，高壓操作對獨有伺服器模型之效應將需要在使用之前之評估及核可，從而導致持續驗證及責任負擔。高操作壓力可促進流體之擴散損失且加速墊圈及其他系統組件之老化。在一密封系統中，常規伺服器維護需要關閉冷卻系統且將蓋解除密封以接取伺服器，此係耗時的。出於此等原因，一氣密密封槽201非大多數資料中心(尤其具有高正常運行時間要求之資料中心)之一實際選項。
圖16展示一兩相浸沒式冷卻裝置1600之一第二先前技術實例。裝置1600包含部分填充有呈液相之介電流體620之一浸沒式槽201。一電子器件800浸沒在介電流體620中。電子器件800可係包含一或多個微處理器801之一伺服器。浸沒式槽201藉由一蓋225圍封。裝置1600可包含兩個冷凝器。例如，裝置1600可包含安裝於浸沒式槽201內之一初級冷凝器235及一淨空冷凝器250。初級冷凝器235可定位於槽201之頂部空間中之一液體管線605上方。淨空冷凝器250可定位於頂部空間206中在初級冷凝器235上方之一距離處。在一個實例中，初級冷凝器235可在約5℃至15℃之一溫度下操作。淨空冷凝器250可在約-28℃至-2℃之一較低溫度下操作。裝置1600具有一高淨空比，其中淨空比經定義為自初級冷凝器235之頂部至蓋225之一下側量測之一距離除以浸沒式槽201之一內部寬度。
在裝置1600之穩態操作期間，在來自電子器件800之熱蒸發槽201中之流體620時，產生蒸氣615。蒸氣615重於空氣705，因此含有飽和蒸氣615之一第一區1605可沉降在液體管線605上方。含有混合蒸氣615及空氣705之一第二區1610可形成於飽和蒸氣615上方。主要含有空氣705之一第三區1615可形成於蒸氣615及空氣705之混合物上方。飽和蒸氣區1605可定位於液體管線605與初級冷凝器235之間。混合蒸氣及空氣區1610可定位於初級冷凝器235與淨空冷凝器250之間。主要含有空氣705之第三區1615可定位於淨空冷凝器250與蓋225之間。初級冷凝器235可經適當地定大小以冷凝在穩態操作期間產生之大多數蒸氣615。淨空冷凝器250可冷凝上升至初級冷凝器235上方且進入第二區1610之蒸氣615。在穩態操作期間，可存在蒸氣產生及冷凝之一平衡。
在高微處理器801利用率之時段期間，器件800消耗更多電力且產生更多熱，從而導致蒸氣產生之一更高速率。隨著頂部空間206中之蒸氣615之量增加，飽和蒸氣區1605之深度增長。維持於遠低於初級冷凝器235之一溫度下之淨空冷凝器250可有效地冷凝到達其之蒸氣615。
雖然有效，但圖16中之裝置1600具有某些缺點。首先，裝置1600效率低，此係因為淨空冷凝器250需要一冷凍器持續操作以維持一適合冷的溫度。第二，裝置1600不緊湊或使用者友好。為了有效，裝置1600必須具有一高淨空比，此使一相對高的槽201成為必要。雖然一高的槽201可在具有一高的天花板及配備一起重機或梯子以將電子設備插入槽201中且自槽201移除電子設備之一習知資料中心中可係可接受的，但其不適合於其中系統1600安裝於具有高度限制及最小頂空空隙之一受限空間(例如，裝運貨櫃1005 (圖1及圖2)或公用設施圍封殼)中之一緊湊應用(諸如一邊緣或行動資料中心應用)。除此等實際限制之外，圖16中之冷卻系統1600亦可透過類似於圖15中展示且上文描述之冷卻系統1500之模式經受流體損失。
鑑於前述實例，可期望提供緊湊、具能效、便宜且經歷至環境之最小流體損失之一兩相浸沒式冷卻裝置。 具有主動蒸氣管理的兩相浸沒式冷卻裝置
圖5展示根據本發明之某些實施例之具有主動蒸氣管理之一兩相浸沒式冷卻裝置100之一實施例。兩相浸沒式冷卻裝置100可用於在自如圖1中展示之一模組化資料中心1000至如圖4中展示之一傳統資料中心2000之範圍中之各種應用中。在圖1之實施例中，浸沒式冷卻裝置100可定位於一貨櫃1005 (圖1及圖2)中且流體連接至安裝於貨櫃1005之頂部上之一外部排熱系統240。
裝置100可包含一浸沒式槽總成200。浸沒式槽總成200可包含可使用一蓋225 (圖3)選擇性地密封之一浸沒式槽201。浸沒式槽201可垂直緊湊，從而容許其被放置於受限空間(諸如裝運貨櫃1005或與模組化或邊緣資料中心應用相關聯之公用設施圍封殼)中。浸沒式槽201可具有小於槽201之一長度或寬度之一高度。浸沒式槽201可具有小於槽201之一長度且小於槽201之一寬度之一高度。
浸沒式槽201可具有一上部分205及一下部分210。上部分205可係浸沒式槽201之定位於液體管線605上方之一部分。下部分210可係浸沒式槽201之定位於液體管線605下方之一部分。液體管線605可係形成於頂部空間中之氣體(例如，空氣及介電蒸氣)與浸沒式槽201之下部分210中之介電液體620之間之一介面。浸沒式槽201可具有上部分205中之一開口220。槽201可具有一內表面上之一電絕緣層230。浸沒式槽可具有一蓋225。當打開時，蓋225可提供對浸沒式槽201之一內部體積215之接取以促進電子器件800 (例如，伺服器、開關或電力電子器件)之插入及移除。當關閉時，蓋225可圍封開口220且防止蒸氣損失。蓋225可(例如，氣密)密封開口220。
浸沒式槽201可部分填充有(例如，介電)流體620。流體620可經選擇或藉由混合兩個或更多個流體而配製以具有小於一熱產生電子器件800 (諸如一微處理器801)之一操作溫度之一沸點。當電子器件800在操作時，與器件800接觸之流體620可局部沸騰且產生蒸氣615。蒸氣615可上升通過流體浴且至浸沒式槽201之頂部空間206中。蒸氣615可在液體管線605之頂部沉降，從而形成飽和蒸氣625之一毯覆。
浸沒式槽總成200可包含一初級冷凝器235。初級冷凝器235可定位於槽201之頂部空間206中。初級冷凝器235可冷凝浸沒式槽201內之蒸氣615。在一些實施方案中，初級冷凝器235可係一冷卻線圈且更具體言之，自一排熱系統240 (諸如一蒸發冷卻塔、乾式冷卻器或冷凍水迴路)接收冷卻劑(諸如冷凍水、水-乙二醇混合物、製冷劑及類似者)之一冷卻線圈。排熱系統240可包含一冷卻劑泵245，如圖1及圖5中展示。冷卻劑泵245可使冷卻劑循環通過初級冷凝器235及排熱系統240。
為了最小化能耗，初級冷凝器235可在處於或稍微高於室溫之一溫度下操作。在一項實施例中，當環境溫度係30℃時，初級冷凝器235可在約33℃之一溫度下接收冷卻劑且使冷卻劑循環。在另一實施例中，初級冷凝器235可在約25℃至40℃之一溫度下接收冷卻劑且使冷卻劑循環。在又另一實施例中，初級冷凝器235可在約30℃至36℃之一溫度下接收冷卻劑且使冷卻劑循環。在仍另一實施例中，初級冷凝器235可在比一環境空氣溫度高約0至10度之一溫度下接收冷卻劑且使冷卻劑循環。在仍另一實施例中，初級冷凝器235可在比一環境空氣溫度高約0至15度之一溫度下接收冷卻劑且使冷卻劑循環。
裝置100可包含一蒸氣管理系統400。蒸氣管理系統400可流體連接至浸沒式槽201。當必須避免槽201之過度加壓時，蒸氣管理系統400可自浸沒式槽201接收蒸氣615，將蒸氣615冷凝至液體620，且使液體620返回至浸沒式槽201以供重用。蒸氣管理系統400可至少部分定位於浸沒式槽201之頂部空間206外部。
蒸氣管理系統400可係一輔助蒸氣管理系統，例如，一外部蒸氣管理系統。蒸氣管理系統400可在高、可變或持續蒸氣產生之時段期間啟動。可基於一或多個系統變數(例如，槽壓力、槽溫度或器件功率)啟動或撤銷啟動蒸氣管理系統400。蒸氣管理系統400可提供剩餘冷凝容量以管理經增加熱負載及蒸氣產生之時段，藉此在需要時補充初級冷凝器235之冷凝容量。
可基於在裝置100中量測或判定之條件主動控制蒸氣管理系統400。針對實施例，可基於一或多個變數(諸如浸沒式槽201內之壓力、溫度、器件功率、蒸氣濃度或不透明度)之一輸入控制蒸氣管理系統400。一變數可使用一電子感測器量測、機械地偵測、基於一相關變數估計或透過任何其他適合技術判定或其等之組合。
蒸氣管理系統400可包含一蒸氣供應通道405。蒸氣供應通道405可將蒸氣管理系統400流體連接至浸沒式槽201之上部分205。蒸氣供應通道405可係任何適合類型之流體通道，諸如(例如)一管、導管、一體形成之通道或其等之組合。
蒸氣管理系統400可包含一液體返回通道470。液體返回通道470可將蒸氣管理系統400流體連接至浸沒式槽201之下部分210。液體返回通道470可係任何適合類型之流體通道，諸如一管、導管或一體形成之通道及其等之組合。蒸氣供應通道405及液體返回通道470一起可實現流體來往於浸沒式槽201之循環。例如，蒸氣管理系統400可自浸沒式槽201接收介電蒸氣615且使液體介電流體620返回至浸沒式槽201。
蒸氣管理系統400可包含蒸氣供應通道405中之一閥410。(例如，流量控制)閥410可控制通過蒸氣供應通道405之蒸氣之流量。當打開時，閥410可允許蒸氣通過蒸氣供應通道405且自浸沒式槽201至蒸氣管理系統400之流量。閥410可係一手動閥或自動閥。閥410可具有一臨限(例如，固定或可變)壓力設定。在一項實施例中，臨限壓力設定可係約0.15 psig。在此實施例中，當浸沒式槽中之壓力大於或等於0.15 psig時，閥410將打開。閥410可保持打開，直至浸沒式槽201中之蒸氣壓力降至低於0.15 psig，此時，閥410可關閉。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於-0.15 psig與0.15 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於-0.25 psig與0.25 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於-0.9 psig與0.9 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於0 psig與0.25 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於-0.25 psig與0 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於1 psig與5 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於4 psig與10 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於-1 psig與-5 psig之間。在另一實施例中，臨限壓力設定可係處於或介於-4 psig與-10 psig之間。
在一些實施例中，臨限壓力設定可係可變的而非固定的。一可變壓力設定在解決暫態操作期間之蒸氣產生中之一預期湧增時可係有用的。例如，當器件功率消耗快速地增加時，在透過壓力監測偵測蒸氣壓力之一上升之前可發生一時滯。蒸氣產生之上升可藉由監測器件功率消耗而準確地預測。在偵測到器件功率消耗之一增加之後，可暫時減小臨限設定以比在使用一固定臨限設定之情況下更快地啟動蒸氣管理系統400。
在一些應用中，蒸氣管理系統400可包含一冷凝腔室430。冷凝腔室可係一固定體積冷凝腔室。冷凝腔室430可具有安置於一入口435與一出口440之間之一內部體積。蒸氣供應通道405可流體連接至冷凝腔室430之入口435。蒸氣供應通道405可將閥410之一出口流體連接至冷凝腔室430之入口435。當閥410打開時，蒸氣供應通道405可將來自浸沒式槽201之蒸氣615輸送至冷凝腔室430。冷凝腔室430可具有大至浸沒式槽201之頂部空間體積之至少10%之一體積。冷凝腔室430可具有大至浸沒式槽201之頂部空間體積之至少30%之一體積。冷凝腔室430可具有大至浸沒式槽201之頂部空間體積之至少50%之一體積。冷凝腔室430可具有大至浸沒式槽201之頂部空間體積之至少70%之一體積。頂部空間體積可係在液體管線605與蓋225之內表面之間量測且藉由浸沒式槽201之側壁定界之一體積。
冷凝腔室430可包含一輔助冷凝器451。輔助冷凝器451可與冷凝腔室430熱連通。輔助冷凝器451可自蒸氣615提取熱且在冷凝腔室430中冷凝蒸氣615。輔助冷凝器451可延伸至冷凝腔室430之一內部體積中或與冷凝腔室430之至少一個表面接觸。輔助冷凝器451可在低於初級冷凝器235之一溫度下操作。在一項實施例中，輔助冷凝器451可包含連接至一液體冷凍器446之一冷卻線圈。液體冷凍器446可使冷凍冷卻劑循環通過輔助冷凝器451。在一項實施例中，液體冷凍器446可在約5°C至15°C之一溫度下使液體循環。在另一實施例中，液體冷凍器446可在約-2°C至10°C之一溫度下使液體循環。在另一實施例中，液體冷凍器446可在約-10°C至-5°C之一溫度下使液體循環。在另一實施例中，液體冷凍器446可在約-28°C至-2°C之一溫度下使液體循環。
在一個變化型態中，液體冷凍器446可係一製冷系統，如圖12中展示。冷凍器446可包含使流體在一貯集器453與一冷卻線圈451之間循環以將冷卻線圈維持在小於環境溫度之一溫度(T c)下之一泵452。流體可係一介電流體。流體可係在浸沒式槽201中使用之流體之相同類型以降低來自洩漏或擴散之交叉污染之風險。使用相同類型之流體亦可簡化維護任務。液體冷凍器446可包含一壓縮器449、一冷凝器447、一膨脹閥450及一蒸發器448。液體冷凍器446可採用一製冷循環以自貯集器453中之流體提取熱且透過冷凝器447排出熱。
蒸氣管理系統400可包含一可變體積腔室415 (例如，一波紋管)。可變體積腔室415可由具有一可膨脹內部體積之一耐蒸氣材料(諸如一金屬化聚酯膜(例如，麥拉(mylar))製成。當蒸氣管理系統400中之壓力小於或等於1 atm時，可變體積腔室415可放氣。當蒸氣管理系統400內之壓力大於1 atm時，可變體積腔室415可充氣。可變體積腔室415可容許蒸氣管理系統400之總體積膨脹以增加總蒸氣容量，藉此容許系統400在暫態時段期間接收更多蒸氣615。可變體積腔室415之膨脹可降低進入蒸氣615之壓力且促進蒸氣615之冷凝。
蒸氣管理系統400可包含一洩壓閥460。洩壓閥460可係一安全器件。洩壓閥460可在一預定壓力臨限值下打開以防止蒸氣管理系統400之過度加壓。洩壓閥460可經由一排氣通道462流體連接至冷凝腔室430。在一項實施例中，洩壓閥460可經組態以在蒸氣管理系統400內之壓力等於或大於約0.15 psig時打開。在另一實施例中，洩壓閥460可經組態以在蒸氣管理系統400內之壓力等於或大於約0.20 psig時打開。在又另一實施例中，洩壓閥460可經組態以在蒸氣管理系統400內之壓力等於或大於約0.25 psig時打開。
蒸氣管理系統400可包含一蒸氣泵420，如圖13中展示。蒸氣泵420可經組態以將空氣及介電蒸氣615之一混合物自浸沒式槽201清除至冷凝腔室430。蒸氣泵420可定位於冷凝腔室430之上游。蒸氣泵420可具有一入口及一出口。蒸氣泵420之入口可流體連接至可變體積腔室415之出口。蒸氣泵420之出口可流體連接至冷凝腔室430之入口435。蒸氣泵420可能夠將浸沒式槽201中之壓力降低至低於大氣壓力。蒸氣泵420可克服對流體流量之重力效應且容許蒸氣管理系統400被定位而無關於相對於頂部空間206之高度或定向，藉此提供在將蒸氣管理系統400封裝於一受限空間(諸如一貨櫃1005 (圖1及圖2)或公用設施箱)中時可能需要之更大設計自由度。
蒸氣泵420可用於預先解決預期升高蒸氣產生之時段。在一項實施例中，在偵測到將導致升高蒸氣產生之器件功率消耗之一增加之後，可打開閥410且可啟動蒸氣泵420以自頂部空間206清除蒸氣615，藉此在一預期壓力上升之前抽低槽201內之蒸氣壓力。此方法可使源自增加之功率消耗及蒸氣產生之浸沒式槽201內之一壓力上升速率減小。
可電子控制蒸氣管理系統400。蒸氣管理系統400可包含一電子控制單元480。電子控制單元480可經組態以基於自一感測器412接收之一信號或其他輸入信號而打開或關閉流量控制閥410。例如，電子控制單元480可自感測器412接收一輸入信號(例如，一壓力信號)且基於輸入信號，將一命令信號發送至流量控制(例如，螺線管)閥410以打開或關閉。感測器412可係經組態以量測浸沒式槽201中之壓力之一壓力感測器。感測器412可經組態以將對應於浸沒式槽201中之壓力之一信號傳輸至電子控制單元480。可透過一有線或無線連接傳輸信號。
電子控制單元480可經組態以基於自一感測器接收之一信號或其他輸入而打開或關閉洩壓閥460。感測器463可係經組態以量測蒸氣管理系統400中之壓力之一壓力感測器。感測器463可經組態以將對應於蒸氣管理系統400中之壓力之一信號傳輸至電子控制單元480。可透過一有線或無線連接傳輸信號。
電子控制單元480可經組態以基於自(例如，壓力)感測器412接收之一信號而啟動或撤銷啟動蒸氣泵420 (圖13)。例如，在圖14中繪製之實施例中，電子控制單元480可啟動蒸氣泵420且自頂部空間206清除蒸氣615以在起始一冷卻循環之前將槽壓力降低至低於大氣壓力。降低浸沒式槽201內之壓力可降低流體620之沸騰溫度，此在某些應用中可係可期望的。在圖14之實施例中，槽壓力被抽低至低於大氣壓力且閥410之臨限壓力設定經設定至高於大氣壓力，藉此容許槽201之操作壓力在包含高於且低於大氣壓力之值之一範圍中振盪。此方法可最小化槽壓力偏離大氣壓力之範圍及持續時間，藉此最小化歸因於壓力引發之擴散或洩漏之流體損失。在另一實施例中，槽壓力可被抽低至低於大氣壓力且閥410之臨限壓力設定可經設定至低於大氣壓力，藉此容許槽201之操作壓力在一負壓範圍中振盪。可期望此方法降低流體620之沸騰溫度。
在一些實施例中，裝置100可包含一水分離及過濾系統500 (圖5)。如圖5、圖10及圖11中展示，水分離及過濾系統500可包含以下組件之一或多者之一總成：一水分離器565及一過濾系統575，該過濾系統575可包含(為了圖解而非限制之目的)一液體泵585、一乾燥過濾器590、一雜質過濾器580及類似者。
例如，參考圖10，在一些實施例中，裝置100可包含一水分離器565。水分離器565可包含一入口440及一出口574。水分離器565可自冷凝腔室430接收經冷凝液體。水分離器565可經組態以將水715或其他非所要流體與介電流體620分離。水分離器565可捕獲水715或其他非所要流體且容許介電流體620行進通過。可週期性地排洩累積在水分離器565中之水715或其他非所要流體。經累積水715或其他非所要流體之量可取決於環境空氣濕度，密封裝置之良好程度及打開浸沒式槽201之蓋225之頻繁程度。
在一項實施例中，水分離器565可係一基於重力之水分離器。水715或其他非所要流體之密度可小於介電液體620。因此，經捕獲水715或其他非所要流體可沉降在水分離器565內之介電液體620之頂部。可透過一排洩閥573週期性地自水分離器565清除水715或其他非所要流體。脫水介電液體620可佔據水分離器565之下部分。可透過定位於水分離器565之下部分中之出口574自水分離器565汲取脫水介電液體620。
在一替代實施例中，水分離器565可係一基於泵之水分離器。如圖23中展示，輔助冷凝器451可自蒸氣615及水蒸氣710提取熱且在冷凝腔室430中冷凝蒸氣615及水蒸氣710。一液體泵576可流體耦合於冷凝腔室430與水分離器565之間。源自冷凝蒸氣615及水蒸氣710之冷凝物可接著累積在排放腔室中，從而使冷凝腔室430中之液位升高。可操作地安置於冷凝腔室430中之一液位感測器577可經組態以量測液位。若經量測液位超過一較佳液位，則一控制器件可經調適以觸發液體泵576，使得冷凝腔室430中之液體之全部或某一部分將被泵送至水分離器565中。此替代實施例之一個優點係使用一泵576，水分離器565不再需要被放置於具有與冷凝腔室430之充分重力勢差之一位置處。
在又另一實施例中，水分離器565可包含在一容器564中之一傾斜多孔板566，如圖11中展示。容器564可經結構化且經配置以包含一入口571、一介電流體腔室567、一介電流體排洩口569、一水腔室568及一排水口570。在一些實施方案中，水分離器565可經組態以基於液體之性質(諸如不同表面張力)將介電流體620與水715分離。例如，HFE-7100具有13.6達因/cm之一典型表面張力，而水具有72達因/cm之一典型表面張力。因此，介電流體及水混合物可跨傾斜多孔板566流動，但歸因於表面張力差，具有一較低表面張力之介電流體620將流動通過穿孔或孔572至傾斜多孔板566下方之流體腔室567中而具有較高表面張力之水將流動至傾斜多孔板566之端且至水腔室568中。雖然使用HFE-7100作為一實例，但此等性質可與具有不同於水之一動力黏度之任何種類之介電流體一起利用。
傾斜多孔板566中之穿孔或孔572之大小可基於介電流體之表面張力變動。例如，約60至200之一篩孔大小可有效地將HFE-7100與水分離。80之一篩孔大小暗示跨一平方吋面積存在80個孔。80之一篩孔大小可包含具有約0.18 mm之直徑之孔。在另一實施例中，傾斜多孔板566可使用一篩子替換。篩子可由金屬絲製成。篩子可具有約60至200之一篩孔大小。
裝置100亦可包含一過濾系統575。過濾系統575可包含一乾燥過濾器590，在一些變化型態中，該乾燥過濾器590流體連接至液體返回通道470且安置於冷凝腔室430之出口440與浸沒式槽201之入口之間。較佳地，乾燥過濾器590可包含一乾燥劑材料。
裝置100可由金屬(諸如碳鋼)構成。浸沒式槽201可由具有焊縫之金屬構成。相較於塑膠材料，金屬材料可係較佳的，此係因為金屬材料可有效地防止自周圍環境至槽201中之介電流體620之水分轉移。可期望最小化至介電流體620之水分轉移以減少強加於水分離器565之脫水需求且亦可減少對乾燥過濾器590中之乾燥劑之脫水需求。
在一些應用中，過濾系統575可包含一雜質過濾器580。雜質過濾器580可流體連接至液體返回通道470且安置於乾燥過濾器590之出口與浸沒式槽201之入口之間。雜質過濾器580可包含活性碳、木炭及類似者。雜質過濾器580可捕獲任何雜質或碎屑。
在一些變化型態中，裝置100可包含一液體返回系統。液體返回系統可經組態以使已自介電蒸氣冷凝之介電液體620返回至浸沒式槽201。液體返回系統可包含一液體泵585。液體泵585可流體連接至液體返回通道470且安置於水分離器565之出口574與至浸沒式槽201之入口之間。例如，液體泵585可定位於過濾器580、590之上游或替代地，可定位於過濾器580、590之下游。
歸因於其有效設計，兩相浸沒式冷卻裝置100可需要顯著少於依賴於過冷流體之相對大內部或外部貯集器以適當地起作用之競爭性設計之介電流體。可期望減小流體體積以降低流體成本、系統重量及系統大小。在其中一工程化地板不可用於支撐裝置100之行動應用及固定應用中，最小化大小及重量可係尤其重要的。
在一些實施例中，可僅週期性地需要蒸氣管理系統400。例如，當電子器件800閒置、以低於其最大額定功率操作、以具有小變動之相對恆定功率操作或類似者時，可不需要蒸氣管理系統400直至電子器件功率增加。在其他實施例中，蒸氣管理系統400可頻繁地被需要但可具有足以同時伺服多個浸沒式槽201之冷卻容量。在任一案例中，一中央蒸氣管理系統400可伺服兩個或更多個浸沒式槽201、201’。圖17展示具有流體連接至一第一浸沒式槽總成200及一第二浸沒式槽總成200’之一中央蒸氣管理系統400之一兩相浸沒式冷卻裝置1700之一實施例。採用一中央蒸氣管理系統400可比為各浸沒式槽201、201’配備一單獨蒸氣管理系統400更便宜。採用中央蒸氣管理系統400可節省資料中心2000 (圖4)中之佔地面積。採用中央蒸氣管理系統400可減少或簡化維護。各浸沒式槽201、201’可藉由一對應蒸氣供應通道405、405’流體連接至蒸氣管理系統400且可藉由一液體返回通道470流體連接至水分離及過濾總成500。
中央蒸氣管理系統400可(例如，使用一(若干) (例如，壓力)感測器412)監測各浸沒式槽201、201’中之槽壓力且視需要自一個槽201、兩個槽201、201’或不自任一槽接收介電蒸氣615以將槽壓力維持於可接受範圍內。例如，當第一浸沒式槽壓力處於或高於一第一臨限壓力時，中央蒸氣管理系統400可自第一浸沒式槽201接收蒸氣。當第二浸沒式槽壓力處於或高於一第二臨限壓力時，中央蒸氣管理系統400可自第二浸沒式槽201’接收蒸氣。
圖18展示藉由包含流體連接於一對應浸沒式槽201、201’與中央蒸氣管理系統400之間之一蒸氣泵420、420’而自圖17之裝置1700變化之一兩相浸沒式冷卻裝置1800。各蒸氣泵420、420’可經組態以自各浸沒式槽201、201’清除空氣及介電蒸氣之一混合物且將其壓迫至冷凝腔室430中。各蒸氣泵420、420’可定位於冷凝腔室430之上游。各蒸氣泵420、420’可具有一入口及一出口。各蒸氣泵420、420’之入口可流體連接至對應可變體積腔室415、415’之出口。各蒸氣泵420、420’之出口可流體連接至冷凝腔室430之入口435。有利地，各蒸氣泵420可能夠將一各自浸沒式槽中之壓力降低至低於大氣壓力。
在一些實施例中，蒸氣管理系統400可整合至兩相浸沒式冷卻裝置100中且定位於一共同圍封殼中。在其他實施例中，蒸氣管理系統400可被包含於流體連接至一或多個浸沒式槽總成200、200’之一單獨蒸氣處理裝置900中，如圖19及圖22中展示。蒸氣處理裝置900可改裝至一現有兩相浸沒式冷卻裝置100以增強蒸氣管理容量。例如，若資料中心2000中之電子器件800經升級且將消耗多於被替換電子器件800之功率，則可需要升級兩相浸沒式冷卻裝置100之冷卻容量以管理額外熱負載。取代替換裝置100，替代地，可將蒸氣管理系統400添加至裝置100以管理較高蒸氣產生速率，從而容許現有浸沒式槽總成200、200’被重用。
在一些實施方案中，蒸氣處理裝置900可包含一圍封殼905，如圖19中展示。蒸氣處理裝置900可包含一蒸氣管理系統400。蒸氣管理系統400可包含具有一蒸氣供應入口401之一蒸氣供應通道405。蒸氣管理系統400可包含一冷凝腔室430，該冷凝腔室430具有一入口、一出口及與冷凝腔室430之一內部體積熱連通之一輔助冷凝器451。蒸氣供應通道405可將蒸氣供應入口401流體連接至冷凝腔室430之入口435。蒸氣管理系統400可包含在蒸氣供應入口401與冷凝腔室430之入口435之間之蒸氣供應通道405中之一流量控制閥410。蒸氣管理系統400可包含將冷凝腔室430之出口440流體連接至液體返回出口471之一液體返回通道470。蒸氣管理系統400可包含流體連接至蒸氣供應入口401與冷凝腔室430之入口435之間之蒸氣供應通道405之一可變體積腔室415。蒸氣管理系統400亦可包含定位於蒸氣供應通道405中且經組態以在經流體連接時偵測一浸沒式槽201內之壓力之一(例如，壓力)感測器412。蒸氣管理系統400可進一步包含流體連接至冷凝腔室430之一洩壓閥460。
蒸氣處理裝置900可包含一水分離及過濾總成500。蒸氣處理裝置900可包含一水分離器565及/或一過濾系統575，如圖10中展示。過濾系統575可包含以下項之一或多者：一液體泵585、一乾燥過濾器590、一雜質過濾器580等。
圖19展示具有一單一蒸氣供應入口401之一蒸氣處理裝置900。圖20展示具有兩個蒸氣供應入口401、401’之一蒸氣處理裝置900。在其他實施例中，蒸氣處理裝置900可具有兩個以上蒸氣供應入口401、401’以容許裝置900自兩個以上浸沒式槽201、201’接收蒸氣。在一些實施例中，蒸氣處理裝置900可自浸沒式槽之一分組接收蒸氣。例如，蒸氣處理裝置900可自安置於複數個槽總成200、200’中之浸沒式槽201、201’之分組接收蒸氣，如圖2或圖4中展示。具有一中央蒸氣處理裝置900可比針對各浸沒式槽200具有一蒸氣處理裝置900更有效且更具成本效益。
在一些變化型態中，蒸氣處理裝置900可包含一蒸氣泵420以容許裝置900自一浸沒式槽200之一頂部空間206 (圖5)主動清除介電蒸氣615及空氣705 (圖5)。圖21展示具有流體連接至蒸氣管理系統400之一單一蒸氣供應入口401及一單一蒸氣泵420之一蒸氣處理裝置900。圖22展示具有流體連接至蒸氣管理系統400之對應蒸氣供應通道405、405’之兩個蒸氣供應入口401、401’及對應蒸氣泵420、420’之一蒸氣處理裝置900。 操作方法
在使用之前，浸沒式槽201可部分填充有液體介電流體620，如圖5中展示。浸沒式槽201之剩餘部分可在約大氣壓力(例如，1 atm)下填充有空氣705。液體介電流體620與空氣705之間之一介面可界定一液體管線605。在一些實施方案中，液體620可係無毒的。此外，在一些變化型態中，流體620可係不導電的且對電子器件不構成風險。
需要冷卻之電子器件800 (諸如伺服器、開關、路由器、防火牆及類似者)可浸沒在浸沒式槽201內之流體620中，如圖5中展示。例如，電子器件800可被完全浸沒且定位於液體管線605下方。電力及通信電纜(未展示)可自電子器件800延伸至浸沒式槽201外之連接位置。電纜可行進通過蓋225或槽壁中之一開口。在另一實施例中，浸沒式槽201可包含槽201內之整合式連接器以簡化電纜管理。在一些應用中，電子器件800可經配置於浸沒式槽201內之一儲存架中。
浸沒式槽201中之介電流體620可最初在約室溫下。在(若干)電子器件800浸沒在流體中且被接通後，器件800可開始產生廢熱作為功率消耗之一副產物。熱可由介電流體620吸收。若來自器件800之熱通量足夠高，則可發生介電流體620之局部沸騰。沸騰可產生透過浮力上升至液體管線605之蒸氣氣泡且進入浸沒式槽201之頂部空間206。介電蒸氣615之密度可大於空氣705且因此，一飽和蒸氣區625可在液體管線605之頂部形成，如圖5中展示。蒸氣層可稱為一蒸氣毯覆625。當蒸氣產生之一速率超過冷凝之一速率時，蒸氣毯覆625之深度將增長。最終，蒸氣水準將接近初級冷凝器235。自蒸氣615至初級冷凝器235之熱轉移可促進蒸氣615冷凝至液體620。經冷凝液體620將接著被動地返回至液體浴。
當電子器件800在穩態下操作時，蒸氣產生之速率及藉由初級冷凝器235冷凝之速率可達到平衡，從而導致浸沒式槽201內之一相對恆定蒸氣壓力。HFE-7100之蒸氣壓力可使用下文展示之一安托萬(Antoine)方程式計算，其中P係蒸氣壓力且T係以攝氏度為單位之溫度：
Figure 02_image001
當藉由電子器件800之功率消耗增加時，廢熱及蒸氣產生亦將增加。若升高的功率消耗持續，則在某刻，蒸氣產生之速率將壓制初級冷凝器235之冷凝能力。浸沒式槽201中之蒸氣壓力將接著開始上升。當浸沒式槽201中之壓力達到一預定臨限值時，閥410可打開，如圖6中展示，且蒸氣615將自浸沒式槽201逸出至蒸氣管理系統400中。隨著蒸氣管理系統400自浸沒式槽201之頂部空間206接收介電流體蒸氣615、空氣705及水蒸氣710，可變體積腔室415將膨脹，如圖7中展示。
圖8展示浸沒式槽201壓力及器件800功率消耗對時間之一標繪圖。在此實施例中，電子器件800閒置或在低功率下操作達一時間段。在該時間期間，蒸氣產生可完全藉由初級冷凝器235管理，且蒸氣管理系統400可保持在備用模式中。最終，器件功率消耗可增加。增加之功率消耗可產生更多廢熱，此繼而可產生更多介電蒸氣615。隨著蒸氣產生增加，可最終超過初級冷凝器235之一冷凝容量。隨著蒸氣615、空氣705及水蒸氣710在頂部空間206中累積，浸沒式槽201壓力開始上升，直至其達到一預定臨限壓力設定。在達到預定臨限壓力設定之後，如圖6中展示，可(例如，藉由來自(例如，壓力)感測器412之信號)致動流量控制閥410，藉此容許蒸氣615、空氣705及水蒸氣710自浸沒式槽201逸出且進入蒸氣管理系統400。流量控制閥410之致動可引起蒸氣管理系統400自備用模式切換至作用中模式且引起冷凍器446開啟或將其設定點溫度降低至適用於冷凝經接納蒸氣615及水蒸氣710之一位準。隨著蒸氣615、空氣705及水蒸氣710離開浸沒式槽201，槽壓力可降低。最終，槽壓力可下降至低於流量控制閥410之臨限壓力設定，從而引起流量控制閥410關閉且將自浸沒式槽201接收之蒸氣615、空氣705及水蒸氣710捕集在蒸氣管理系統400中，如圖5中展示。蒸氣615及水蒸氣710可接著在冷凝腔室430內冷凝，視情況在水分離器565中脫水，且在作為介電液體620返回至浸沒式槽201之前分別透過乾燥過濾器590及雜質過濾器580進一步乾燥且過濾。蒸氣管理系統400可視需要循環開及關以接收且冷凝來自浸沒式槽201之蒸氣615及水蒸氣710且藉此將浸沒式槽201中之壓力維持在處於或低於一所要操作壓力。
在一項實施例中，可期望預期蒸氣產生之一上升，此將使蒸氣管理系統400之啟動成為必要。蒸氣產生之一上升可藉由監測器件功率消耗而預期。當器件功率消耗上升至高於一預定位準或替代地，高於一預定位準達一預定持續時間時，蒸氣管理系統400可自備用模式切換至作用中模式。自備用模式切換至作用中模式可涉及啟動冷凍器446或將冷凍器446之設定點溫度降低至適用於冷凝經接納蒸氣615及水蒸氣710之一位準。在打開閥410且自浸沒式槽201接納蒸氣615、空氣705及水蒸氣710之前，此提前啟動可容許充分時間供冷凍器446 (圖6)達到一所要工作溫度。當蒸氣管理系統400在備用模式中時，此方法容許節能，此係因為冷凍器溫度及冷凍器功率消耗可降低。
在一些例項中，一非預期熱負載可存在於浸沒式槽201內且必須被安全地減輕。例如，若一電子器件800發生故障且超過一最大額定功率消耗，則可發生一非預期熱負載。若此發生，則所產生之熱及蒸氣615及水蒸氣710之量可超過蒸氣管理系統400之冷凝容量。實務上，當槽溫度達到流量控制閥410之預定臨限設定時，流量控制閥410將打開(圖6)。隨著蒸氣615、空氣705及水蒸氣710填充蒸氣管理系統400，波紋管415可經組態以膨脹以儲存額外蒸氣615、空氣705及水蒸氣710，如圖7中展示。在波紋管415已完全膨脹之後，若蒸氣產生繼續增加，則(例如，如由(壓力)感測器463量測之)蒸氣管理系統400中之壓力將繼續上升。為了避免歸因於過度加壓之機械故障，洩壓閥460可經組態以在蒸氣管理系統400中之壓力超過一最大可容許壓力時致動，如圖9中展示。蒸氣615、空氣705及水蒸氣710將接著被排放至周圍環境，藉此降低蒸氣管理系統400及浸沒式槽201中之壓力且減輕機械故障之風險。雖然將蒸氣615、空氣705及水蒸氣710排放至周圍環境導致流體損失(此係非所要的)，但相較於與過度加壓相關聯之安全風險，流體損失係較佳的。
如本文中使用，術語「流體」可係指呈氣體形式、液體形式或氣體及液體之一兩相混合物之一物質。流體可能夠經歷自液體至蒸氣之一相變或反之亦然。液體可形成非由其駐留其中之一容器產生之一自由表面，而空氣可能不形成。
如本文中使用，術語「蒸氣」可係指在低於物質之臨界溫度之一溫度下處於一氣相中之一物質。因此，可藉由增加壓力而將蒸氣冷凝至一液體而無需降低溫度。
如本文中使用，術語「兩相混合物」可係指與一物質之一液相共存之物質之一氣相。當此發生時，一氣體部分壓力可等於液體之一蒸氣壓力。
可基於各種因素(包含操作壓力、溫度、沸點、成本或管控安裝之安全規則(例如，諸如與經佔據建築空間之每一體積之流體之可允許量相關之ASHRAE標準15中闡述之規則))選擇用於在浸沒式冷卻裝置中使用之介電流體620。
在一些例項中，流體選擇可受所要介電性質、所要沸點或與用於製造浸沒式冷卻系統100及待冷卻之電子器件800之材料之相容性影響。例如，可選擇流體以確保穿過系統組件之小滲透性或無滲透性且無對器件800組件之有害效應。
一介電流體620 (諸如氫氟碳化合物(HFC)或氫氟醚(HFE))可用作浸沒式冷卻裝置100中之流體。不同於水，介電流體可用於與電子器件800 (諸如微處理器801、記憶體模組、電源換流器及類似者)直接接觸而無使電連接短路之風險。
介電流體之非限制性實例包含1,1,1,3,3-五氟丙烷(稱為R-245fa)、氫氟醚(HFE)、1-甲氧基七氟丙烷(稱為HFE-7000)、甲氧基-九氟丁烷(稱為HFE-7100)。氫氟醚(包含HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300、HFE-7500及HFE-7600)作為來自總部位於明尼蘇達州Mapleton之3M Company之NOVEC Engineered Fluids市售。FC-40、FC-43、FC-72、FC-84、FC-770、FC-3283及FC-3284作為亦來自3M Company之FLUOROINERT Electronic Liquids市售。
NOVEC 7100具有61°C之一沸點、250 g/mol之一分子量、195子量之一臨界溫度、2.23 MPa之一臨界壓力、27 kPa之一蒸氣壓力、112 kJ/kg之一蒸發熱、1510 kg/m 3之一液體密度、1183 J/kg-K之一比熱、0.069 W/m-K之一熱導率及針對一0.1吋間隙之約40 kV之一介電強度。NOVEC 7100良好適用於某些電子器件800，諸如產生高熱負載且可在高於約80°C之溫度下安全地操作之功率電子器件800。
NOVEC 7100可用於冷卻具有約60°C至70°C之一較佳操作核心溫度之一微處理器801。當微處理器801閒置且具有低於61°C之一表面溫度時，微處理器801附近之過冷NOVEC 7100可不經歷局部沸騰。當微處理器801經完全利用且具有處於或高於61°C之一表面溫度時，NOVEC 7100可經歷微處理器附近之劇烈局部沸騰及蒸氣產生。
NOVEC 649 Engineered Fluid可購自3M Company。其係具有一低全球暖化潛勢(GWP)之氟化酮流體(C6-氟化酮)。其具有49°C之一沸點、0.059之一熱導率、316 g/mol之一分子量、169°C之一臨界溫度、1.88 MPa之一臨界壓力、40 kPa之一蒸氣壓力、88 kJ/kg之一蒸發熱及1600 kg/m 3之一液體密度。
NOVEC 649可用於冷卻具有約60°C至70°C之一較佳操作核心溫度之一微處理器801。當微處理器801閒置且具有低於49°C之一表面溫度時，微處理器801附近之過冷NOVEC 649可不經歷局部沸騰。當微處理器801經完全利用且具有處於或高於49°C之一表面溫度時，NOVEC 649可經歷微處理器801附近之劇烈局部沸騰及蒸氣產生。
無論是否經明確描述，本文中描述之元件及方法步驟可以任何組合使用。如本文中描述之方法步驟之全部組合可以任何順序執行，除非藉由其中進行所引用之組合之背景內容另外指定或清楚地相反暗示。
如本文中使用，單數形式「一」、「一個」及「該」包含複數指代物，除非內容另外清楚指示。
如本文中使用，單位「psig」表示以磅/平方吋為單位之表壓。一正值指示高於大氣壓力之一壓力。一負值指示低於大氣壓力之一壓力。
如本文中使用，術語「流體連接」可描述一第一組件直接連接至一第二組件或一第一組件藉由一或多個中介組件間接連接至一第二組件，其中呈氣體形式、液體形式或一兩相混合物之流體可自第一組件行進至第二組件而不逸出至氛圍。
無論是否經具體揭示，如本文中使用之數值範圍旨在包含該範圍內所含之每一數字及數字之子集。此外，此等數值範圍應被解釋為提供對於關於該範圍中之任何數字或數字之子集之一請求項之支援。例如，1至10之一揭示應被解釋理為支援自2至8、自3至7、自5至6、自1至9、自3.6至4.6、自3.5至9.9等之一範圍。
本發明之方法及組合物可包括以下項、由以下項組成或基本上由以下項組成：本文中描述之結構元件及程序步驟限制以及本文中描述或此項技術中以其他方式可用之任何額外或選用步驟、組件或限制。
應理解，本發明不限於本文中繪示且描述之部分之特定構造及配置，而是涵蓋如在發明申請專利範圍之範疇內之其之此等經修改形式。
已為了圖解及描述之目的呈現前述描述。其不旨在為窮舉性的或將發明申請專利範圍限於所揭示實施例。鑑於上文之教示，其他修改及變化型態可係可行的。實施例經選取且經描述以解釋本發明之原理及其實際應用以使其他熟習此項技術者能夠在各項實施例及如適合所預期特定使用之各種修改中最佳利用本發明。發明申請專利範圍旨在被解釋為包含本發明之其他替代實施例，惟受到先前技術限制除外。
100:兩相浸沒式冷卻裝置 200:浸沒式槽總成/第一浸沒式槽總成 200’:第二浸沒式槽總成 201:浸沒式槽 201’:浸沒式槽 205:上部分 206:頂部空間 210:下部分 215:內部體積 220:開口 225:蓋 230:電絕緣層 235:冷凝器/初級冷凝器 240:外部排熱系統 245:冷卻劑泵 250:淨空冷凝器 400:蒸氣管理系統/中央蒸氣管理系統 401:蒸氣供應入口 401’:蒸氣供應入口 405:蒸氣供應通道 405’:蒸氣供應通道 410:閥 412:感測器 415:可變體積腔室 415’:可變體積腔室 420:蒸氣泵 420’:蒸氣泵 430:冷凝腔室 435:入口 440:出口/入口 446:液體冷凍器 447:冷凝器 448:蒸發器 449:壓縮器 450:膨脹閥 451:輔助冷凝器 452:泵 453:貯集器 460:洩壓閥 462:排氣通道 463:感測器 470:液體返回通道 471:液體返回出口 480:電子控制單元 500:水分離及過濾系統 564:容器 565:水分離器 566:傾斜多孔板 567:介電流體腔室 568:水腔室 569:介電流體排洩口 570:排水口 571:入口 572:穿孔/孔 573:排洩閥 574:出口 575:過濾系統 576:液體泵 577:液位感測器 580:雜質過濾器 585:液體泵 590:乾燥過濾器 605:液體管線 615:介電蒸氣 620:介電流體 625:飽和蒸氣區/蒸氣毯覆 705:空氣 710:水蒸氣 715:水 800:電子器件 801:微處理器 900:蒸氣處理裝置 905:圍封殼 1000:模組化資料中心 1005:貨櫃 1500:基本兩相浸沒式冷卻裝置 1501:循環 1600:兩相浸沒式冷卻裝置 1605:第一區/飽和蒸氣區 1610:第二區/混合蒸氣及空氣區 1615:第三區 1700:兩相浸沒式冷卻裝置 1800:兩相浸沒式冷卻裝置 2000:傳統資料中心
圖1展示根據本發明之一些實施例之一模組化資料中心之一透視圖。
圖2展示根據本發明之一些實施例之圖1之模組化資料中心之一部分剖視圖，其曝露一貨櫃內之複數個浸沒式冷卻槽總成。
圖3展示根據本發明之一些實施例之一浸沒式冷卻槽總成之一透視圖。
圖4展示根據本發明之一些實施例之定位於一習知資料中心中之複數個浸沒式冷卻槽總成之一透視圖。
圖5展示根據本發明之一些實施例之具有一蒸氣管理系統之一兩相浸沒式冷卻裝置之一示意圖。
圖6展示根據本發明之一些實施例之具有一敞開流量控制閥之圖5之裝置。
圖7展示根據本發明之一些實施例之具有一敞開流量控制閥及膨脹波紋管之圖5之裝置。
圖8展示根據本發明之一些實施例之浸沒式槽壓力及電子器件功率消耗對時間之一標繪圖。
圖9展示根據本發明之一些實施例之具有一敞開洩壓閥之圖5之裝置。
圖10展示根據本發明之一些實施例之一基於重力之水分離器及過濾總成。
圖11展示根據本發明之一些實施例之一水分離器之一替代實施例。
圖12展示根據本發明之一些實施例之一冷凍器及輔助冷凝器。
圖13展示根據本發明之一些實施例之具有包含於蒸氣管理系統中之一蒸氣泵之圖5之裝置。
圖14展示根據本發明之一些實施例之當在使電子器件通電之前槽壓力被抽至低於大氣壓力時浸沒式槽壓力及電子器件功率消耗對時間之一標繪圖。
圖15展示具有一初級冷凝器之一先前技術浸沒式冷卻系統。
圖16展示具有一初級冷凝器及一淨空(freeboard)冷凝器之一先前技術浸沒式冷卻系統。
圖17展示根據本發明之一些實施例之具有流體連接至一中央蒸氣管理系統之兩個浸沒式槽之一兩相浸沒式冷卻裝置之一實施例。
圖18展示根據本發明之一些實施例之具有流體連接於各浸沒式槽與中央蒸氣管理系統之間之一蒸氣泵之圖17之裝置。
圖19展示根據本發明之一些實施例之一蒸氣處理裝置。
圖20展示根據本發明之一些實施例之具有兩個蒸氣供應入口之一蒸氣處理裝置。
圖21展示根據本發明之一些實施例之具有一蒸氣泵之一蒸氣處理裝置。
圖22展示根據本發明之一些實施例之具有兩個蒸氣供應入口及兩個蒸氣泵之一蒸氣處理裝置。
圖23展示根據本發明之一些實施例之具有包含於蒸氣管理系統中之一液位感測器及包含於水分離器及過濾總成中之一液體泵之圖5之裝置。
240:外部排熱系統
245:冷卻劑泵
1000:模組化資料中心
1005:貨櫃

Claims (20)

  1. 一種兩相浸沒式冷卻裝置，其包括： 一浸沒式槽總成，其包括： 至少一個浸沒式槽，各浸沒式槽形成一內部體積且包括： 一上部分； 一下部分；及 一初級冷凝器，其與該浸沒式槽之該內部體積熱連通；及 一蒸氣管理系統，其流體連接至該浸沒式槽總成，該蒸氣管理系統包括： 一冷凝腔室，其形成一內部體積且包括： 一入口； 一出口；及 一輔助冷凝器，其與該冷凝腔室之該內部體積熱連通； 一蒸氣供應通道，其將該浸沒式槽之該上部分流體連接至該冷凝腔室之該入口； 一閥，其安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之該蒸氣供應通道中；及 一液體返回通道，其將該冷凝腔室之該出口流體連接至該浸沒式槽總成。
  2. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該蒸氣供應通道且安置於該浸沒式槽總成之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之一可變體積腔室。
  3. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該冷凝腔室之一洩壓閥。
  4. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括用於偵測該浸沒式槽總成內之壓力之一感測器，該感測器定位於該浸沒式槽總成或該蒸氣供應通道之至少一者中。
  5. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括： 一排氣通道，其流體連接至該冷凝腔室； 一洩壓閥，其流體連接在該排氣通道中；及 一感測器，其用於偵測該蒸氣管理系統內之壓力且定位於該蒸氣管理系統中。
  6. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該液體返回通道在該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間之一水分離器。
  7. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該液體返回通道且安置於該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間之一液體泵。
  8. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該液體返回通道且安置於該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間之一乾燥過濾器。
  9. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該液體返回通道且安置於該冷凝腔室之該出口與至該浸沒式槽總成之一入口之間之一雜質過濾器。
  10. 如請求項1之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該蒸氣供應通道且安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之一蒸氣泵。
  11. 一種兩相浸沒式冷卻裝置，其包括： 一浸沒式槽總成，其包括： 至少一個浸沒式槽，各浸沒式槽形成一內部體積且包括： 一上部分； 一下部分；及 一初級冷凝器，其與該內部體積熱連通；及 一蒸氣管理系統，其流體連接至該浸沒式槽總成，該蒸氣管理系統包括： 一冷凝腔室，其形成一內部體積且包括： 一入口； 一出口；及 一輔助冷凝器，其與該冷凝腔室之該內部體積熱連通； 一蒸氣供應通道，其將該浸沒式槽之該上部分流體連接至該冷凝腔室之該入口； 一閥，其安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之該蒸氣供應通道中； 一液體返回通道，其將該冷凝腔室之該出口流體連接至至該浸沒式槽總成之一入口； 一感測器，其經組態以偵測該浸沒式槽總成中之壓力且基於一經量測壓力產生並傳輸一信號；及 一電子控制單元，其經組態以自該感測器接收該信號且將一命令信號發送至該閥。
  12. 如請求項11之兩相浸沒式冷卻裝置，其中該感測器安置於該浸沒式槽總成或介於該閥與該浸沒式槽總成之間之該蒸氣供應通道之至少一者中。
  13. 如請求項11之兩相浸沒式冷卻裝置，其中該冷凝腔室具有大至該浸沒式槽之一頂部空間體積之至少10%之一體積。
  14. 如請求項11之兩相浸沒式冷卻裝置，其中該冷凝器腔室進一步包括流體連接至該輔助冷凝器之一冷凍器。
  15. 如請求項11之兩相浸沒式冷卻裝置，其進一步包括流體連接至該初級冷凝器之一熱交換器。
  16. 一種浸沒式冷卻一熱產生器件之方法，該方法包括： 提供一兩相浸沒式冷卻裝置，其包括： 一浸沒式槽總成，其包括： 至少一個浸沒式槽，各浸沒式槽形成一內部體積且包括： 一上部分； 一下部分；及 一初級冷凝器，其與該浸沒式槽之該內部體積熱連通；及 一蒸氣管理系統，其流體連接至該浸沒式槽總成，該蒸氣管理系統包括： 一冷凝腔室，其形成一內部體積且包括： 一入口； 一出口；及 一輔助冷凝器，其與該冷凝腔室之該內部體積熱連通； 一蒸氣供應通道，其將該浸沒式槽之該上部分流體連接至該冷凝腔室之該入口； 一閥，其安置於該浸沒式槽之該上部分與該冷凝腔室之該入口之間之該蒸氣供應通道中；及 一液體返回通道，其將該冷凝腔室之該出口流體連接至該浸沒式槽總成； 偵測該浸沒式槽內之一壓力； 以下項之至少一者： 當該浸沒式槽總成中之一經量測壓力大於一預定臨限設定時打開該閥，使得來自該浸沒式槽總成之介電蒸氣及其他氣體經接納至該冷凝腔室中；或 當該浸沒式槽總成中之該經量測壓力小於該預定臨限設定時關閉該閥； 在該冷凝腔室中將該介電蒸氣及其他氣體冷凝至一液體狀態；及 透過該液體返回通道將經冷凝介電液體返回至該浸沒式槽總成。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包括使一冷卻劑循環通過該初級冷凝器，該冷卻劑具有大於或等於一環境空氣溫度之一溫度。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包括： 使一第一冷卻劑循環通過該初級冷凝器；及 使一第二冷卻劑循環通過該輔助冷凝器， 其中該第一冷卻劑之一溫度大於該第二冷卻劑之一溫度。
  19. 如請求項16之方法，其進一步包括： 提供流體連接至該蒸氣供應通道且安置於該浸沒式槽總成與該冷凝腔室之該入口之間之一蒸氣泵；及 當該閥打開時操作該蒸氣泵以自該浸沒式槽之一頂部空間清除氣體且將該浸沒式槽內之壓力降低至低於大氣壓力。
  20. 如請求項16之方法，其中該預定臨限設定介於-0.9 psig與0.9 psig之間。
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