TW202245577A - 具有浸沒式冷卻系統的電子設備及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一種電子設備，包括至少一發熱構件及一浸沒式冷卻系統。浸沒式冷卻系統包括一箱體及一冷凝模組。箱體適於容納一散熱介質，發熱構件配置於箱體內而浸於液態的散熱介質中。冷凝模組包括一管路及一冷凝液，管路通過箱體內且適於供冷凝液流動。冷凝液的至少一參數可改變，以藉由冷凝液對箱體內部的降溫而使散熱介質的沸點降低至一預定值。此外，上述電子設備的操作方法亦被提及。
Description
本發明是有關於一種冷卻系統、具有其之電子設備及其操作方法，且特別是有關於一種浸沒式冷卻系統、具有其之電子設備及其操作方法。
隨著伺服器的效能發展快速，高效能的伺服器產生大量廢熱。為避免廢熱的堆積造成主機的運作不佳，一些伺服器被設計為將其主機板浸於散熱液中，散熱液吸收主機板之發熱元件產生的熱而氣化並凝結於冷凝管路上，凝結於冷凝管路上的散熱液滴藉由重力落回散熱液中，以此循環達到散熱的效果，即業界所稱之兩相浸沒式冷卻技術。然而，散熱液的價格通常昂貴，而隨著伺服器效能的不斷提升，其散熱需求大幅增加，若為此而更換散熱液將增加伺服器的運作成本。此外，若用以容納散熱液的空間內的壓力大，則散熱液氣化後容易逸散至外界，而會增加伺服器的維護成本。
本發明提供一種浸沒式冷卻系統、具有其之電子設備及其操作方法，可提高散熱介質的解熱能力。
本發明的浸沒式冷卻系統包括一箱體及一冷凝模組。箱體適於容納一散熱介質。冷凝模組驅動一冷凝液並調整冷凝液的至少一參數，以降低箱體內部的溫度。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的流量。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的初始溫度。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的種類。
在本發明的一實施例中，上述的浸沒式冷卻系統更包括一壓力控制模組，其中壓力控制模組包括一加熱單元及一洩壓閥，加熱單元適於加熱箱體內的散熱介質，以使溶解於液態的散熱介質中的一空氣從液態的散熱介質被釋放，洩壓閥適於將被釋放的空氣排放至箱體外。
在本發明的一實施例中，上述的壓力控制模組包括一氣體偵測單元，氣體偵測單元配置於箱體外且對應於洩壓閥，洩壓閥關閉對應於氣體偵測單元偵測到氣態的散熱介質。
在本發明的一實施例中，上述的冷凝模組包括一管路及一冷凝液，管路通過箱體內且適於供冷凝液流動。
在本發明的一實施例中，上述的冷凝模組藉由冷凝液對箱體內部的降溫而使散熱介質的沸點降低至一預定值。
本發明的電子設備包括至少一發熱構件及一浸沒式冷卻系統。浸沒式冷卻系統包括一箱體及一冷凝模組。箱體適於容納一散熱介質，發熱構件配置於箱體內而浸於液態的散熱介質中。冷凝模組包括一管路及一冷凝液，管路通過箱體內且適於供冷凝液流動。冷凝液的至少一參數可改變，以藉由冷凝液對箱體內部的降溫而使散熱介質的沸點降低至一預定值。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的流量。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的初始溫度。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的種類。
在本發明的一實施例中，上述的電子設備更包括一壓力控制模組，其中壓力控制模組包括一加熱單元及一洩壓閥，加熱單元適於加熱箱體內的散熱介質，以使溶解於液態的散熱介質中的一空氣從液態的散熱介質被釋放，洩壓閥適於將被釋放的空氣排放至箱體外。
在本發明的一實施例中，上述的壓力控制模組包括一氣體偵測單元，氣體偵測單元配置於箱體外且對應於洩壓閥，洩壓閥關閉對應於氣體偵測單元偵測到氣態的散熱介質。
本發明的電子設備的操作方法，其中電子設備包括至少一發熱構件及一浸沒式冷卻系統，浸沒式冷卻系統的一冷凝模組包括一管路及一冷凝液，管路通過箱體內且適於供冷凝液流動。所述方法包括以下步驟。藉由浸沒式冷卻系統的一箱體容納一散熱介質。將發熱構件配置於箱體內而浸於液態的散熱介質中。改變冷凝液的至少一參數，以藉由冷凝液對箱體內部的降溫而使散熱介質的沸點降低至一預定值。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的流量。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的初始溫度。
在本發明的一實施例中，上述的參數為冷凝液的種類。
在本發明的一實施例中，上述的電子設備更包括一壓力控制模組，壓力控制模組包括一加熱單元及一洩壓閥。所述方法更包括以下步驟。藉由加熱單元加熱箱體內的散熱介質，以使溶解於液態的散熱介質中的一空氣從液態的散熱介質被釋放。藉由洩壓閥將被釋放的空氣排放至箱體外。
在本發明的一實施例中，上述的壓力控制模組包括一氣體偵測單元，氣體偵測單元配置於箱體外且對應於洩壓閥。所述方法更包括以下步驟。關閉洩壓閥，對應於氣體偵測單元偵測到氣態的散熱介質。
基於上述，本發明藉由改變冷凝液的參數來降低散熱介質的沸點，據以增加散熱介質吸收發熱構件的熱而氣化的效率，從而提升散熱介質的解熱能力。藉此，不需為了提升散熱介質的解熱能力而將其更換成不同的散熱介質，而可節省電子設備的運作成本。
圖1是本發明一實施例的電子設備的示意圖。請參考圖1，本實施例的電子設備100例如是伺服器且包括至少一發熱構件110及一浸沒式冷卻系統120。浸沒式冷卻系統120包括一箱體122及一冷凝模組124。箱體122適於容納一散熱介質(繪示為液態的散熱介質M及氣態的散熱介質M’)，發熱構件110例如是主機板，其配置於箱體122內而浸於液態的散熱介質M中。冷凝模組124包括一管路124a及一冷凝液124b，管路124a通過箱體122內且冷凝模組124驅動冷凝液124b在管路124a內流動。
所述散熱介質例如是常溫下為液態的介電容液，其例如為沸點介於攝氏40~60度的氟化液或其他適當之散熱介質，本發明不對此加以限制。液態的散熱介質M會吸收發熱構件110上的中央處理器或其他種類的晶片產生的熱以降低發熱構件110的溫度，並藉由發熱構件110產生的熱而快速沸騰氣化為氣態的散熱介質M’。當具有高熱能的氣態的散熱介質M’在密閉的箱體122內流動至管路124a時，其會因管路124a內流動的低溫冷凝液124b而降溫並在管路124a上凝結為液態，管路124a內的冷凝液124b吸收來自散熱介質的熱能後流至箱體122外部進行熱交換而冷卻，冷卻後的冷凝液124b再沿著管路124a到達箱體122內部，以此不斷循環。另一方面，凝結於管路124a上的散熱介質液滴藉由重力落回箱體122內的液態的散熱介質M中，以此循環達到散熱的效果。在圖1及後續的類似圖式中，管路124a僅示意性地繪示出其在箱體122內的內循環部分，管路124a實際上包含延伸至箱體122外的外循環部分。
在本實施例中，管路124a中的冷凝液124b的參數可被冷凝模組124調整而更具有調整散熱介質的沸點的作用。具體而言，冷凝液124b的至少一參數(如冷凝液124b的流量、初始溫度及/或種類)可改變，以藉由冷凝液124b對箱體122內部的降溫而使散熱介質的沸點降低至一預定值。據此，可增加散熱介質吸收發熱構件110的熱而氣化的效率，從而提升散熱介質的解熱能力。從而，不需為了提升散熱介質的解熱能力而將其更換成不同的散熱介質，而可節省電子設備100的運作成本。
以下藉由圖2說明電子設備100的上述操作的流程。圖2是圖1的電子設備的操作流程圖。首先，藉由浸沒式冷卻系統120的箱體122容納散熱介質(步驟S1)。接著，將發熱構件110配置於箱體122內而浸於液態的散熱介質M中(步驟S2)。改變冷凝液124b的至少一參數(如上所述，可為冷凝液124b的流量、初始溫度及/或種類)，以藉由冷凝液124b對箱體122內部的降溫而使散熱介質的沸點降低至預定值(步驟S3)。
進一步而言，本實施例的電子設備100更包括一壓力控制模組130，壓力控制模組130包括一加熱單元132、一洩壓閥134及一氣體偵測單元136。加熱單元132例如配置於箱體122底部，洩壓閥134例如配置於箱體122頂部，氣體偵測單元136配置於箱體122外且對應於洩壓閥134。
圖3A及圖3B繪示圖1的壓力控制模組的作用方式。基於空氣在水中的溶解度大致反比於溫度，加熱單元132可如圖3A所示加熱箱體122內的散熱介質M以使溶解於液態的散熱介質M中的空氣從液態的散熱介質M被釋放。洩壓閥134適於將被釋放的空氣A排放至箱體122外。在此加熱過程中，例如是將箱體122加熱至攝氏50度。在排放空氣A的過程中，由於空氣A的密度比氣態的散熱介質M’小，故空氣A始終位於氣態的散熱介質M’上方而先被排出，且箱體122內的氣態的散熱介質M’的體積如圖3A所示隨著箱體122內部之壓力的降低而增加。當氣體偵測單元136偵測到氣態的散熱介質M’時，表示箱體122內的空氣A已大致完全排出，箱體122內的氣體如圖3B所示大致上僅包含氣態的散熱介質M’而不包含空氣A，且箱體122內的氣態的散熱介質M’的壓力大致相同於外界的壓力(如1大氣壓)。此時可關閉洩壓閥134及加熱單元132，並讓箱體122自然冷卻(例如由攝氏50度降溫至攝氏25度)而使其內部壓力下降為小於外界壓力(例如由1大氣壓下降至0.3大氣壓)，成為負壓狀態。亦即，洩壓閥134之關閉是對應於氣體偵測單元136偵測到氣態的散熱介質M’。
承上，當箱體122內部的氣體如圖3B所示不包含空氣而僅包含氣態的散熱介質M’時，箱體122內部的溫度等同於散熱介質的沸點。基於此，在圖2的步驟S3中，例如是對進行了洩壓之圖3B的箱體122內部進行降溫，而可有效地使散熱介質的沸點隨之降低至所述預定值。
詳細而言，熱交換效率(heat exchange duty)的公式為Q = U*A*LMTD，其中Q是熱交換效率，U是熱傳係數(隨著冷凝液流量之增加而上升)，A是熱交換面積，LMTD是對數平均溫差。由此公式可知，在熱交換效率Q及熱交換面積A固定的情況下，增加冷凝液124b的流量可降低對數平均溫差LMTD，使箱體122內的溫度下降，即，散熱介質的沸點下降。此外，液態的散熱介質M與浸於其中的發熱構件110之間的熱阻R等於(T1 – T2)/W，其中T1是發熱構件的溫度，T2是散熱介質的沸點，W是發熱構件的功率。由此可知，在熱阻R固定的情況下，散熱介質的沸點T2越低，則可被其散熱之發熱構件的功率W越大。
圖4繪示圖3B的散熱介質的飽和壓力與溫度的關係。舉例來說，依照上述的熱阻R、發熱構件的溫度T1、散熱介質的沸點T2、發熱構件的功率W的關係，若發熱構件的溫度T1為攝氏75度，熱阻R為0.05，則圖4所示的攝氏50度的散熱介質(其飽和壓力約為0.9大氣壓)可對功率為500瓦的發熱構件進行解熱，而降溫至攝氏20度的散熱介質(其飽和壓力約為0.3大氣壓)可對功率為1100瓦的發熱構件進行解熱。
此外，如上述般藉由加熱散熱介質M而將溶解於其中的空氣預先釋放並排至箱體122外，可避免溶解於散熱介質M中的空氣在散熱介質M對發熱構件110進行散熱時才被釋放出而增加箱體122內部壓力，以使氣態的散熱介質M’不致因壓力增加而易於逸散至外界。
以下對本實施例的壓力控制模組130的具體操作步驟進行舉例說明。圖5繪示圖1的壓力控制模組的操作步驟。請參考圖5，首先，開啟洩壓閥134(步驟S11)。接著，藉由加熱單元132加熱散熱介質M(步驟S12)。氣體偵測單元136是否偵測到散熱介質M’(步驟S13)。若氣體偵測單元136未偵測到散熱介質M’，則回到步驟S12。若氣體偵測單元136偵測到散熱介質M’，則關閉加熱單元132(步驟S14)並關閉洩壓閥134(步驟S15)，接著讓箱體122自然冷卻(步驟S16)。
以下對本實施例的冷凝模組124降低散熱介質之沸點的具體操作步驟進行舉例說明。圖6繪示圖3B的冷凝模組降低散熱介質之沸點的操作步驟。請參考圖6，首先，設定目標沸點(步驟S21)。接著，調整冷凝液124b的流量(步驟S22)。藉由溫度感測器140判斷散熱介質的沸點是否降低至目標沸點(步驟S23)。若散熱介質的沸點未降低至目標沸點，則回到步驟S22。若散熱介質的沸點降低至目標沸點，則完成操作。
圖1所示的電子設備100僅為示意，本發明不對電子設備100的具體結構加以限制，以下藉由圖式對此舉例說明。圖7繪示本發明一實施例的電子設備的部分結構。如圖7所示，發熱構件110及冷凝結構124在箱體122的厚度方向上疊設於箱體122內，洩壓閥134位於箱體122的側壁的上部。在其他實施例中，電子設備100可為其他適當型態。
綜上所述，本發明藉由改變冷凝液的參數來降低散熱介質的沸點，據以增加散熱介質吸收發熱構件的熱而氣化的效率，從而提升散熱介質的解熱能力。藉此，不需為了提升散熱介質的解熱能力而將其更換成不同的散熱介質，而可節省電子設備的運作成本。此外，在如上述般藉由改變冷凝液的參數來降低散熱介質的沸點之前，可先藉由加熱散熱介質而將溶解於其中的空氣預先釋放並排至箱體外，使箱體內不包含空氣，以有效地使散熱介質的沸點隨著箱體內之降溫而降低至所述預定值。並且，如上述般將溶解於散熱介質中的空氣預先釋放並排至箱體外，可避免溶解於散熱介質中的空氣在散熱介質對發熱構件進行散熱時才被釋放出而增加箱體內部壓力，以使氣態的散熱介質不致因壓力增加而易於逸散至外界。
100:電子設備
110:發熱構件
120:浸沒式冷卻系統
122:箱體
124:冷凝模組
124a:管路
124b:冷凝液
130:壓力控制模組
132:加熱單元
134:洩壓閥
136:氣體偵測單元
140:溫度感測器
A:空氣
M、M’:散熱介質
圖1是本發明一實施例的電子設備的示意圖。
圖2是圖1的電子設備的操作流程圖。
圖3A及圖3B繪示圖1的壓力控制模組的作用方式。
圖4繪示圖3B的散熱介質的飽和壓力與溫度的關係。
圖5繪示圖1的壓力控制模組的操作步驟。
圖6繪示圖3B的冷凝模組降低散熱介質之沸點的操作步驟。
圖7繪示本發明一實施例的電子設備的部分結構。
100:電子設備
110:發熱構件
120:浸沒式冷卻系統
122:箱體
124:冷凝模組
124a:管路
124b:冷凝液
130:壓力控制模組
132:加熱單元
134:洩壓閥
136:氣體偵測單元
140:溫度感測器
A:空氣
M、M’:散熱介質
Claims (20)
- 一種浸沒式冷卻系統，包括： 一箱體，適於容納一散熱介質；以及 一冷凝模組，驅動一冷凝液並調整該冷凝液的至少一參數，以降低該箱體內部的溫度。
- 如請求項1所述的浸沒式冷卻系統，其中該至少一參數為該冷凝液的流量。
- 如請求項1所述的浸沒式冷卻系統，其中該至少一參數為該冷凝液的初始溫度。
- 如請求項1所述的浸沒式冷卻系統，其中該至少一參數為該冷凝液的種類。
- 如請求項1所述的浸沒式冷卻系統，更包括一壓力控制模組，其中該壓力控制模組包括一加熱單元及一洩壓閥，該加熱單元適於加熱該箱體內的該散熱介質，以使溶解於液態的該散熱介質中的一空氣從液態的該散熱介質被釋放，該洩壓閥適於將被釋放的該空氣排放至該箱體外。
- 如請求項5所述的浸沒式冷卻系統，其中該壓力控制模組包括一氣體偵測單元，該氣體偵測單元配置於該箱體外且對應於該洩壓閥，該洩壓閥關閉對應於該氣體偵測單元偵測到氣態的該散熱介質。
- 如請求項1所述的浸沒式冷卻系統，其中該冷凝模組包括一管路及一冷凝液，該管路通過該箱體內且適於供該冷凝液流動。
- 如請求項1所述的浸沒式冷卻系統，其中該冷凝模組藉由該冷凝液對該箱體內部的降溫而使該散熱介質的沸點降低至一預定值。
- 一種電子設備，包括： 至少一發熱構件；以及 一浸沒式冷卻系統，包括： 一箱體，適於容納一散熱介質，其中該至少一發熱構件配置於該箱體內而浸於液態的該散熱介質中；以及 一冷凝模組，包括一管路及一冷凝液，其中該管路通過該箱體內且適於供該冷凝液流動，該冷凝液的至少一參數可改變，以藉由該冷凝液對該箱體內部的降溫而使該散熱介質的沸點降低至一預定值。
- 如請求項9所述的電子設備，其中該至少一參數為該冷凝液的流量。
- 如請求項9所述的電子設備，其中該至少一參數為該冷凝液的初始溫度。
- 如請求項9所述的電子設備，其中該至少一參數為該冷凝液的種類。
- 如請求項9所述的電子設備，其中該浸沒式冷卻系統包括一壓力控制模組，該壓力控制模組包括一加熱單元及一洩壓閥，該加熱單元適於加熱該箱體內的該散熱介質，以使溶解於液態的該散熱介質中的一空氣從液態的該散熱介質被釋放，該洩壓閥適於將被釋放的該空氣排放至該箱體外。
- 如請求項13所述的電子設備，其中該壓力控制模組包括一氣體偵測單元，該氣體偵測單元配置於該箱體外且對應於該洩壓閥，該洩壓閥關閉對應於該氣體偵測單元偵測到氣態的該散熱介質。
- 一種電子設備的操作方法，該電子設備包括至少一發熱構件及一浸沒式冷卻系統，該浸沒式冷卻系統的一冷凝模組包括一管路及一冷凝液，該管路通過該箱體內且適於供該冷凝液流動，該方法包括： 藉由該浸沒式冷卻系統的一箱體容納一散熱介質； 將該至少一發熱構件配置於該箱體內而浸於液態的該散熱介質中；以及 改變該冷凝液的至少一參數，以藉由該冷凝液對該箱體內部的降溫而使該散熱介質的沸點降低至一預定值。
- 如請求項15所述的電子設備的操作方法，其中該至少一參數為該冷凝液的流量。
- 如請求項15所述的電子設備的操作方法，其中該至少一參數為該冷凝液的初始溫度。
- 如請求項15所述的電子設備的操作方法，其中該至少一參數為該冷凝液的種類。
- 如請求項15所述的電子設備的操作方法，其中該浸沒式冷卻系統包括一壓力控制模組，該壓力控制模組包括一加熱單元及一洩壓閥，該方法更包括： 藉由該加熱單元加熱該箱體內的該散熱介質，以使溶解於液態的該散熱介質中的一空氣從液態的該散熱介質被釋放； 藉由該洩壓閥將被釋放的該空氣排放至該箱體外。
- 如請求項19所述的電子設備的操作方法，其中該壓力控制模組包括一氣體偵測單元，該氣體偵測單元配置於該箱體外且對應於該洩壓閥，該方法更包括： 關閉該洩壓閥，對應於該氣體偵測單元偵測到氣態的該散熱介質。
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