TW202305543A - 流體浸沒式冷卻系統及冷卻電子系統的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種流體浸沒式冷卻系統，其包括一流體容槽，其盛有一層雙相冷卻劑流體和一層或多層單相冷卻劑流體。雙相和單相冷卻劑流體互不相溶，雙相冷卻劑流體具有比單相冷卻劑流體更低的沸點和更高的密度。一電子系統的基板浸沒在容槽中，使得高發熱元件至少浸沒在雙相冷卻劑流體層中。來自部件的熱量發散到雙相冷卻劑流體以產生雙相冷卻劑流體的蒸氣氣泡。蒸氣氣泡上升到位於雙相冷卻液之層上的單相冷卻液之層。蒸氣氣泡凝結成雙相冷卻液液滴。液滴落入雙相冷卻液之層中。

Description

流體浸沒式冷卻系統及冷卻電子系統的方法

本發明涉及電子系統的流體浸沒式冷卻。

電子系統，例如資訊技術設備（例如，電腦、路由器、分組交換機、細胞電路），在運行過程中會產生熱量。冷卻系統以發展用於於防止電子系統過熱。一個簡單的冷卻系統涉及使用冷卻風扇將空氣吹向一電子系統的發熱元件。一種較複雜的方法是將一電子系統浸沒在一冷卻液中(例如，氟化物流體）中，例如雙相流體浸沒式冷卻系統。在傳統的雙相流體浸沒式冷卻系統中，電子系統產生的熱能將雙相冷卻液轉變成蒸汽，其上升後經由冷凝器單元收集。冷凝器單元是一種將蒸汽轉變為液體的設備，其液體則回落到雙相冷卻液中，從而完成冷卻循環。

傳統的雙相流體浸入式冷卻系統表現出出色的功率，但也有一些缺點。首先，蒸氣存在洩漏到環境中的風險。洩漏尤其需要考量，因為汽化的雙相冷卻液被認為具有全球變暖潛能值(GWP)。其次，其次，傳統雙相流體浸沒式冷卻系統中用於蒸汽平衡所需的波紋管佔用了太多空間。第三，由於洩漏的可能性很高，傳統的雙相流體浸沒式冷卻系統的製造和操作成本相對較高。

本發明提供一種流體浸沒式冷卻系統，其包括：收容有一電子系統的一元件的一流體容槽；在流體容槽中的一層雙相冷卻劑流體，電子系統的元件至少浸沒在流體容槽中的層雙相冷卻劑流體之中；在流體容槽中的一層第一單相冷卻劑流體，第一單相冷卻劑流體和雙相冷卻劑流體互不相溶，層第一單相冷卻劑流體在層雙相冷卻劑流體之上。其中雙相冷卻劑流體具有比第一單相冷卻劑流體更高的密度和更低的沸點。

在一實施例中，第一單相冷卻劑流體包括一介電油。

在一實施例中，雙相冷卻劑流體包括含一氟化合物。

在一實施例中，流體浸沒式冷卻系統更包括一冷卻器單元，連接到流體容槽的一出口和一入口，冷卻器單元被配置用以冷卻第一單相冷卻劑流體。

在一實施例中，冷卻器單元包括一泵及一熱交換器，泵配置驅使第一單相冷卻劑流體循環，熱交換器配置以冷卻第一單相冷卻劑流體。

在一實施例中，流體浸沒式冷卻系統還包括：一冷凝器，設置在層第一單相冷卻劑流體上方，冷凝器被配置以收集和冷凝未被限於層第一單相冷卻劑流體的雙相冷卻劑流體之複數蒸氣氣泡。

在一實施例中，電子系統的元件為一中央處理單元。

在一實施例中，流體浸沒式冷卻系統更包括在流體容槽中的一層第二單相冷卻劑流體，第二單相冷卻劑流體、第一單相冷卻劑流體和雙相冷卻劑流體互不相溶，層第二單相冷卻劑流體層在層第一單相冷卻劑流體之上。雙相冷卻劑流體具有比第二單相冷卻劑流體更高的密度和更低的沸點。

本發明提供一種冷卻電子系統的方法，該方法包括述之步驟：將一電子系統的一部件浸沒在一液體容槽中的一層雙相冷卻劑流體中；將電子系統組件的熱能發散到雙相冷卻劑流體以產生雙相冷卻劑流體的數蒸氣氣泡；在一層單相冷卻劑流體中將些蒸氣氣泡冷凝成的雙相冷卻劑流體的複數液滴，層單相冷卻劑流體位於流體容槽內的層雙相冷卻劑流體之上，其中雙相冷卻劑流體與單相冷卻劑流體互不相溶；將來自層單相冷卻劑流體的雙相冷卻劑流體之些液滴接收到流體容槽中的層雙相冷卻劑流體中。雙相冷卻劑流體具有比單相冷卻劑流體更高的密度和更低的沸點。

在一實施例中，冷卻電子系統的方法還包括：收集未限於該層單相冷卻劑流體中的該雙相冷卻劑流體的該些蒸氣氣泡並冷凝於該冷凝器單元中，該冷凝器單元設置在該層單相冷卻劑流體上方。

在一實施例中，雙相冷卻劑流體包括含一氟化合物。

在一實施例中，單相冷卻劑流體包括一介電油。

在一實施例中，冷卻電子系統的方法還包括：以在該流體容槽外部的一冷卻器單元冷卻該單相冷卻劑流體。

在一實施例中，以在該流體容槽外部的一冷卻器單元冷卻該單相冷卻劑流體包括：通過該流體容槽外部的一熱交換器再循環該單相冷卻劑流體。

本發明提供了許多具體細節，例如設備、元件和方法的示例，以利徹底理解本發明的實施例。然而，本發明所屬技術領具有通常知識者應能理解，可以在缺少一個或多個具體細節的情況下本發明仍能據以實施。在其他情況下，眾所周知的細節未被示出或描述以免模糊本發明的主旨。

圖1所示係本發明一實施例的流體浸沒式冷卻系統100之示意圖。流體浸沒式冷卻系統100包括一流體容槽140其盛裝有一層雙相冷卻劑流體110和一層單相冷卻劑流體120。冷卻劑流體110和120皆不導電。冷卻劑流體110和120互不相溶，冷卻劑流體110的液體密度高於冷卻劑流體120的液體密度。因此，容槽140中存在冷卻劑流體110和120的分隔流體層140。冷卻劑流體110之層位於容槽140的底部，且冷卻劑流體層120之層在冷卻劑流體層110之層的上方。

冷卻劑流體110是「雙相」流體，其具有相對低的沸點，可以在40℃至80℃的範圍內。冷卻劑流體110的操作環境溫度可以等於或接近其沸點。冷卻劑流體110具有比冷卻劑流體120更低的沸點但更高的密度。冷卻劑流體110較佳地採盡可能低的黏度和盡可能接近1(真空值)的介電常數。冷卻劑流體110可以是氟化物流體。例如，冷卻劑流體110可以是3M ^TMFluorinert ^TM電子液體，其例如可自3M公司購得之產品FC-3284。也可以使用其他合適的雙相冷卻劑流體。

冷卻劑流體120是“單相”流體，其具有相對高的沸點，可以高於80℃。冷卻劑流體120具有比冷卻劑流體110更高的沸點但更低的密度。冷卻劑流體120的操作環境溫度低於冷卻劑流體110的沸點。冷卻劑流體120較佳地採盡可能高的黏度和盡可能接近1(真空值)的介電常數。相對高的黏度有利地允許更好地拘束從冷卻劑流體110上升的蒸氣氣泡。冷卻劑流體120可以包括介電油。例如，冷卻劑流體120可以是可自Engineered Fluids有限公司購得的ElectroCool ^TM冷卻劑。也可以使用其他合適的單相冷卻劑流體。

如圖1所示，包含電子裝置102的複數個基板101被放置在容槽140中。基板101可以包括印刷電路板或其他的電子系統基板，例如資訊技術(IT)設備。以電子裝置102為例之熱點，係產生大量熱能的區域或組件。電子裝置102可以是中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、功率電晶體、現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)等。在一個實施例中，熱點至少完全浸沒在冷卻劑流體中110，基板101的其餘部分則浸沒在冷卻劑流體120中。如圖1所示之例，在容槽140中，冷卻劑流體110的深度為D1，冷卻劑流體120的深度為D2。深度D1可以遠淺於深度D2，以節省相對昂貴的冷卻劑流體110並更好地防止冷卻劑流體110的蒸氣通過冷卻劑流體120逸出。虛線表示冷卻劑流體110和冷卻劑流體120之間的邊界105。

作為電子系統的一部分的基板101可以通過母板、線材等而電性互連。該些互連元件未被示出以求說明之明確性。在電子系統作業時，電子設備102被通電並產生熱能。來自浸於冷卻劑流體110的電子器件102和基板101的其他區域的熱能促使冷卻劑流體110汽化，從而產生冷卻劑流體110的蒸氣氣泡103。蒸氣氣泡103(以白色圓圈示之)上升並且穿過邊界105進入冷卻劑流體120之層。冷卻劑流體120防止蒸氣氣泡103洩漏。冷卻劑流體120的黏度越高，蒸氣氣泡103的拘束性就越好。除了防止洩漏之外，冷卻劑流體120更節省了相對昂貴的冷卻劑流體110。

在冷卻劑流體120之層中，蒸氣氣泡103凝結成冷卻劑流體110的液滴104。液滴104(以小黑圈示之)最終落下並穿過邊界105歸入冷卻劑流體110之層，完成冷卻循環。

容槽140可以是開放的容器並且不一定需要密封。容槽140可以具有用於收納配線和管線的配置以及便於導入基板101的裝置。流體浸沒式冷卻系統100可以選擇性地包括一冷凝器單元141，其被配置用以收集經由冷卻劑流體120之層逸出的蒸氣氣泡104。冷卻劑流體120。冷凝器單元141可以定位在容槽140中的冷卻劑流體120的正上方以捕獲逸出的蒸氣氣泡104。

容槽140可以選擇性包括入口142和出口143以作為附加的冷卻機構。冷卻器單元（未示出）可以通過入口142將冷的冷卻劑流體120供應到容槽140（參見箭頭106）。熱的冷卻劑流體120可以通過出口143(參見箭頭107)流出容槽140以被冷卻器單元冷卻。冷卻器單元是一種配置用以冷卻熱冷卻液的設備。

所示係本發明一實施例的流體浸沒式冷卻系統100的操作流程圖。在圖2所示之例中，邊界105分隔發生在雙相冷卻劑流體110之層(在邊界105下方)中的作業與發生在單相冷卻劑流體120之層(在邊界105上方)中的作業。

如圖2所示之例，電子系統放置在容槽140中，容槽140包含冷卻劑流體110之層和冷卻劑流體120之層(見圖1)。來自電子系統的熱量發散到（圖2，201）並汽化（圖2，202）如前述為雙相流體冷的卻劑流體110。汽化導致形成冷卻劑流體110(圖2，203)的蒸氣氣泡。蒸氣氣泡上升越過邊界105(圖2、204)並進入如前述為單相流體的冷卻劑流體120之層(圖2、205)。在冷卻劑流體120之層中，蒸氣氣泡凝結成冷卻劑流體110的液滴(圖2，206)。在冷卻劑流體120中，液滴朝冷卻劑流體110之層落下(圖2，207)。液滴越過邊界105落入冷卻劑流體110之層(圖2，208)。

在一實驗中，量筒中填充了3M™ FC-3284 Fluorinert™電子液體作為底層雙相冷卻劑流體，並用 GRC介電油作為上層單相冷卻劑流體。GRC介電油可自Green Revolution Cooling公司購得。與雙相冷卻劑流體相比，單相冷卻劑流體具有較低的密度和較高的黏度。雙相冷卻劑流體的沸點約為50°C。單相冷卻劑流體具有在實驗過程中未達之較高沸點。

在該實驗中，量筒模擬了一個流體容槽。為了模擬冷卻器裝置，可將裝有冰的金屬容槽放置在量筒頂部而於單相冷卻劑流體之層中。加熱量筒的底部以模擬熱點。在實驗過程中，觀察到加熱量筒底部造成上升到單相冷卻劑流體的雙相冷卻劑流體之蒸氣氣泡。如圖2的流程圖所述，蒸氣氣泡在單相冷卻劑流體中冷凝成液滴，並且液滴落回雙相冷卻劑流體中。實驗過程中沒有觀察到洩漏。蒸氣氣泡容易被拘束在單相冷卻劑流體層中冷凝而不會逸出蒸汽。

如圖3所示係本發明一實施例的流體浸沒式冷卻系統100的示意圖。如圖3所示之例中，流體浸沒式冷卻系統100包括冷卻器單元其包括一歧管153、一個或多個泵151以及與泵151串聯的熱交換器152(例如，板式熱交換器(PHE))。泵151可以設置在容槽140和熱交換器152之間的管道之熱側(如圖3所示)、冷側或容槽140和熱交換器152之間的管道之兩側(參見圖3，附加泵151由虛線表示)。

在作業中，泵151驅使冷卻劑流體120(即，單相冷卻劑流體)循環通過容槽140。冷的冷卻劑流體120通過入口142(也參見圖1、142)進入容槽140並且熱的冷卻劑流體120通過出口143離開容槽140。歧管153促進冷卻劑流體120冷卻。熱交換器152使用外部冷水源(未示出)進一步冷卻冷卻劑流體120。

可以理解，根據本發之的教示，可以使用兩層或更多層冷卻劑流體來冷卻電子系統。該些冷卻劑流體之層可包括一底部雙相冷卻劑流體層和位於底部雙相冷卻劑流體層頂部的多個單相冷卻劑流體層。如圖4所示之例，容槽140可以填充有一底部雙相冷卻劑流體層161和上方單相冷卻劑流體層162等(即，162-1、162-2、162-3、...、162-n)。單相冷卻劑流體層162是相對於雙相冷卻劑流體層161的「上」層。

雙相和單相冷卻劑流體的性質可以參照如上文所述之冷卻劑流體110和120。更具體而言，雙相冷卻劑流體層161和單相冷卻劑流體層162互不相溶，雙相冷卻劑流體層161相較任何單相冷卻劑流體層162具有更高的密度、更低的黏度和遠低的沸點。該些單相冷卻劑流體層162具有不同的密度並且互不相溶以允許在雙相冷卻劑流體層161以上的不同的分層水平可具有不同的黏度以促進冷凝雙相冷卻劑流體層161的蒸氣氣泡。

圖5所示係本發明一實施例的電子系統冷卻方法的流程圖。在圖5所示之例中，一電子系統被放置在容置有一層雙相冷卻劑流體之底層和一層或多層單相冷卻劑流體之上層的流體容槽中。電子系統的高發熱元件至少浸沒在雙相冷卻劑流體之底層（圖5，301）。來自電子系統的部件的熱量發散到雙相冷卻劑流體以產生雙相冷卻劑流體的蒸氣氣泡（圖5，302）。蒸氣氣泡上升到至少一層的單相冷卻劑流體之上層中（圖5，303）。在單相冷卻劑流體之層中，蒸氣氣泡凝結成雙相冷卻劑流體的液滴（圖5，304）。液滴向雙相冷卻劑流體層落下（圖5，305）。

一種用於冷卻電子系統的流體浸沒式冷卻系統已經公開於此。儘管已經提供了本發明的特定實施例，但是應當理解這些實施例是出於說明的目的而不是限制之用。對於參閱本發明的本發明所屬技術領具有通常知識者而言，諸多額外的實施例將是顯而易見的。

100:流體浸沒式冷卻系統 101:基板 102:電子裝置 103:蒸氣氣泡 104:液滴 105:邊界 106:箭頭 107:箭頭 110:冷卻劑流體 120:冷卻劑流體 140:容槽 141:冷凝器單元 142:入口 143:出口 161:雙相冷卻劑流體層 162:單相冷卻劑流體層 162-1~162-n:單相冷卻劑流體層 201~208:步驟 301~305:步驟 D1:深度 D2:深度

圖1  所示係本發明一實施例的流體浸沒式冷卻系統之示意圖。

圖2  所示係如圖1之本發明一實施例的流體浸沒式冷卻系統的操作流程圖。

圖3  所示係如圖1之本發明一實施例的流體浸沒式冷卻系統的示意圖。

圖4  所示係本發明一實施例中盛裝有多層冷卻劑流體的流體容槽的示意圖。

圖5  所示係本發明一實施例的電子系統冷卻方法的流程圖。

在不同的附圖中所使用的相同標號表示相同或相似的元件。附圖未按比例繪製。

100:流體浸沒式冷卻系統

101:基板

102:電子裝置

103:蒸氣氣泡

104:液滴

105:邊界

106:箭頭

107:箭頭

110:冷卻劑流體

120:冷卻劑流體

140:容槽

141:冷凝器單元

142:入口

143:出口

D1:深度

D2:深度

Claims (14)

1. 一種流體浸沒式冷卻系統，包括： 收容有一電子系統的一元件的一流體容槽； 在該流體容槽中的一層雙相冷卻劑流體，該電子系統的該元件至少浸沒在該流體容槽中的該層雙相冷卻劑流體之中；以及 在該流體容槽中的一層第一單相冷卻劑流體，該第一單相冷卻劑流體和該雙相冷卻劑流體互不相溶，該層第一單相冷卻劑流體在該層雙相冷卻劑流體之上， 其中該雙相冷卻劑流體具有比該第一單相冷卻劑流體更高的密度和更低的沸點。
2. 如請求項1所述的流體浸沒式冷卻系統，其中該第一單相冷卻劑流體包括一介電油。
3. 如請求項1所述的流體浸沒式冷卻系統，其中該雙相冷卻劑流體包括含一氟化合物。
4. 如請求項1所述的流體浸沒式冷卻系統，更包括： 一冷卻器單元，連接到該流體容槽的一出口和一入口，該冷卻器單元被配置用以冷卻該第一單相冷卻劑流體。
5. 如請求項4所述的流體浸沒式冷卻系統，其中，該冷卻器單元包括： 一泵，配置驅使該第一單相冷卻劑流體循環；及 一熱交換器，配置以冷卻該第一單相冷卻劑流體。
6. 如請求項1所述的流體浸沒式冷卻系統，還包括： 一冷凝器，設置在該層第一單相冷卻劑流體上方，該冷凝器被配置以收集和冷凝未被限於該層第一單相冷卻劑流體的該雙相冷卻劑流體之複數蒸氣氣泡。
7. 如請求項1所述的流體浸沒式冷卻系統，其中該電子系統的該元件為一中央處理單元。
8. 如請求項1所述的流體浸沒式冷卻系統，更包括： 在該流體容槽中的一層該第二單相冷卻劑流體， 其中該第二單相冷卻劑流體、該第一單相冷卻劑流體和該雙相冷卻劑流體互不相溶， 其中該層第二單相冷卻劑流體層在該層第一單相冷卻劑流體之上；及 其中該雙相冷卻劑流體具有比該第二單相冷卻劑流體更高的密度和更低的沸點。
9. 一種冷卻電子系統的方法，該方法包括述之步驟： 將一電子系統的一部件浸沒在一液體容槽中的一層雙相冷卻劑流體中； 將該電子系統組件的熱能發散到該雙相冷卻劑流體以產生該雙相冷卻劑流體的數蒸氣氣泡； 在一層單相冷卻劑流體中將該些蒸氣氣泡冷凝成的該雙相冷卻劑流體的複數液滴，該層單相冷卻劑流體位於該流體容槽內的該層雙相冷卻劑流體之上，其中該雙相冷卻劑流體與該單相冷卻劑流體互不相溶；及 將來自該層單相冷卻劑流體的該雙相冷卻劑流體之該些液滴接收到該流體容槽中的該層雙相冷卻劑流體中， 其中，該雙相冷卻劑流體具有比該單相冷卻劑流體更高的密度和更低的沸點。
10. 如請求項9所述的冷卻電子系統的方法，還包括： 收集未限於該層單相冷卻劑流體中的該雙相冷卻劑流體的該些蒸氣氣泡並冷凝於該冷凝器單元中，該冷凝器單元設置在該層單相冷卻劑流體上方。
11. 如請求項9所述的冷卻電子系統的方法，其中該雙相冷卻劑流體包括含一氟化合物。
12. 如請求項9所述的冷卻電子系統的方法，其中該單相冷卻劑流體包括一介電油。
13. 如請求項9所述的冷卻電子系統的方法，還包括：以在該流體容槽外部的一冷卻器單元冷卻該單相冷卻劑流體。
14. 如請求項13所述的冷卻電子系統的方法，其中以在該流體容槽外部的一冷卻器單元冷卻該單相冷卻劑流體包括： 通過該流體容槽外部的一熱交換器再循環該單相冷卻劑流體。

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