TW202415210A - 用於電子器件之液體浸入式冷卻的冷卻系統 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種用於電子器件(2)之液體浸入式冷卻的冷卻系統(1)，包括 具有容器壁部(31)的容器(3)，該容器係可在內部填裝兩相傳熱流體(4)，可將該電子器件(2)浸沒入該傳熱流體中，其中，該容器(3)具有位於該液態傳熱流體(4)之表面(41)上方的氣室(5)， 位於容器(3)之氣室(5)中之用於形成液態傳熱流體(4)的熱交換裝置(6)， 其特徵在於， 該位於氣室(5)中之熱交換裝置(6)由數個相對彼此設置之熱交換管(71)之至少一管束(7)構成，該等熱交換管係固設在至少一管底(72)中， 管束(7)之該至少一管底(72)係構建為該容器壁部(31)之一部分。

Description

用於電子器件之液體浸入式冷卻的冷卻系統

發明領域

本發明係有關於一種如請求項1之前言所述的用於電子器件之液體浸入式冷卻的冷卻系統。

發明背景

用於液體浸入式冷卻之冷卻系統，例如兩相浸沒式冷卻系統，係針對在工作中產生大量熱的電子器件的主動冷卻解決方案。當器件浸沒入沸點通常較低的兩相傳熱流體後，電子器件所產生的熱可使周圍的液態傳熱流體蒸發，藉此將熱自電子器件導出。冷凝裝置將氣態的傳熱流體液化，隨後將此傳熱流體送回用於冷卻之儲槽。

公開案US 10 512 192 B2揭露過一種具有冷卻槽之兩相浸沒式冷卻系統。供冷卻過程中所產生之氣態流體冷凝之冷凝室與冷卻槽中的液態流體連接。在此，在位於冷卻槽中之冷卻介質內的產熱電子組件上方，設有蒸氣導流結構。藉由蒸氣導流結構將經蒸發的流體導入冷凝室以進行液化。冷凝室完全處於冷卻槽內。僅位於冷卻管中之流體之輸送及導出管線穿過冷卻槽壁部。

就此而言，公開案US 10 477 726 B1揭露過一種用於電腦組件之冷卻系統。在受壓力控制之容器中設有液相及氣相的導熱介電傳熱流體，其在大氣壓力下具有低於80℃之沸點。在容器中設有電腦組件，其係至少部分地浸沒入傳熱流體之液相。藉由冷凝器將因電腦組件之發熱而蒸發的介電氣相流體冷凝成介電液相流體。在受壓力控制之容器之內腔中，將內壓減小至最高650 hPa。透過對系統工作時容器中的壓力加以控制，使用者能夠影響溫度，介電流體在該溫度下蒸發。藉此便能提高冷卻效率。當電腦系統在受壓力控制之容器內在工作壓力下運行時，通常需要對整個系統進行結構調整。

發明概要

本發明之目的在於，在熱交換裝置方面改良用於電子器件之液體浸入式冷卻的冷卻系統。

本發明由請求項1之特徵給出。更多回溯引用的請求項係有關於本發明之有利的構建方案與改良方案。

本發明係有關於一種用於電子器件之液體浸入式冷卻的冷卻系統。該冷卻系統包括一具有容器壁部的容器，該容器係可填裝兩相傳熱流體，可將電子器件浸沒入該傳熱流體之液相。該容器在該液態傳熱流體上方具有氣室。此外，該冷卻系統在容器之氣室中包括用於形成液態傳熱流體的熱交換裝置。該位於氣室中之熱交換裝置由數個相對彼此設置之熱交換管之至少一管束構成，該等熱交換管係固設在至少一管底中。管束之該至少一管底係構建為該容器壁部的一部分。

該亦稱作製冷劑的兩相傳熱流體為位於該容器中之外部流體，電子器件被浸沒入此流體之液態部分。該位於熱交換管中之內部流體為單相傳熱介質，例如製程用水。

一管束可具有數個相互平行設置的、包含兩個終端管底的熱交換管。管底特別適用於呈U形延伸之管件，其中在管底上既設有內部流體之輸送管線亦設有導出管線。亦可在一管束中使用盤管之不同佈局。

該管束或該等熱交換管在容器中的佈局可相對於容器壁部對稱以及不對稱，或沿斜面進行。

該管底定義熱交換管在管束中之位置以及間距。管底與熱交換管構成一獨立模組，其係與該容器壁部連接。管底與容器壁部可包括固定的亦或可解除的連接。在兩種情形下，管底皆將周圍的容器壁部穩定化，從而防止變形。特別是在運行中，管底將因負壓或過壓而產生之作用於周圍容器壁部的變形力的至少一部分吸收。管底比容器壁部更加穩定，故而將容器穩定化，以防變形。管束之模組化設計已具有抵禦機械影響的穩定構造。與容器壁部的可解除的連接亦使得模組特別易於更換。由於能夠簡便地更換具有可變數目的熱交換管的、冷卻效率不同的模組，能夠在冷卻系統之設計中實現對應的靈活度。特別是實現將容器機械穩定化的構造。

在該容器中，電子器件以適於冷卻的方式設置在液態傳熱流體之液浴中，透過該液態流體之蒸發將該等電子器件冷卻。在此，在調試前及/或調試期間，將不可冷凝的氣體部分自系統移除。亦可在容器之氣室中分佈式設有數個獨立的管束，其整體上構成熱交換裝置。

在本發明之實施方式中，該等計算組件、浸沒式冷卻設備以及附屬的供電裝置、網路連接、佈線連接以及諸如此類可設置在該容器中，該容器在運行中的內壓有別於環境壓力。

就此而言亦較佳地，將電連接、水連接、真空連接以及網路連接組合在一束管線中，從而將容器中之通路最小化並且減小洩漏危險，特別是當系統在運行中處於真空或過壓下時。

在有利實施方式中，在運行期間，將容器保持在比環境大氣壓力低至多200 hPa的程度，這有助於降低該兩相傳熱流體之沸點，進而有助於降低電腦晶片及其他組件之工作溫度。在若干特別的實施方式中，該受壓力控制之容器可具有比環境壓力低至多500 hPa的壓力。在壓力愈來愈低的情況下，根據本發明在容器壁部上採取的構造措施特別有助於補償壓力差。

該冷卻系統之根據本發明的實施方式包括一容器，該容器係設計成使用兩相液體浸入式冷卻系統。該容器包含由介電冷卻流體構成之槽、用於將該介電流體自氣相冷凝成液體的熱交換裝置。此外，可設有用於保持電腦組件的裝置，以及用於將電流自供電系統分配至位於容器內之設備及組件的裝置。

可以理解的是，為了在例如被保持在負壓下的容器內運行電腦系統，需要使用大量專門的連接。本發明之系統之若干實施方式可使用一系列光纖介面，其實現容器中之連接性，並且用以將纖維分佈至各針對電子組件的保持裝置上。為了實現安全運行，該容器之若干實施方式可包含感測器。此等感測器可包括溫度感測器、液位感測器、壓力感測器、位置感測器、電感測器以及/或者攝影機，用以確保系統之運行並將其自動化。

此等系統例如可以包括位於該經壓力調節之容器內的壓力感測器，其對壓力進行監測，從而確保不存在本質上的洩漏。亦可在該經壓力調節之容器之外側上設有氣體感測器，其檢測可能存在的、自受壓力控制之容器排出之介電蒸氣。

此外，該冷卻系統可有利地具有一控制裝置，其係設計成調節流體循環之運行(例如作為兩相傳熱流體之溫度的函數)，以及調節容器中之壓力條件。

本發明之冷卻系統之有利實施方式可具有將該容器穩定化的外支架，其可由框架構造形式的金屬型材構成並且將容器圍繞及支撐。該框架構造可為開放式設計，其具有蓋部、側壁以及門，便於在運行中觸及以及進行維護作業。藉此便能在現場就地觸及冷卻系統。

在本發明之有利技術方案中，可備設有裝配系統，其用於將電子器件自閘門裝置運輸至工作位置以進行交換。裝配系統可由機器手臂或由線性驅動裝置構成。在該裝置之一適宜的構建方案中，透過一全自動裝配系統來實施器件之交換。作為替代方案，為了將電子器件自閘門裝置交換至工作位置，亦可在適宜的容器開口上設有手套。如此便能透過手動接觸容器之內部來進行裝配。

在本發明之較佳技術方案中，該容器壁部可具有充當針對熱交換管的貫通部位的至少一凹部，其中，該凹部可被該至少一管底以流體密封的方式遮蓋。在實踐中，該貫通部位之面積略小於管底面積並且形狀如此匹配，使得管底將該凹部完全遮蓋並且略微地與容器壁部重疊。這有助於管底與鄰接之容器壁部作為接合部件相互連接。作為平面式凹部的替代方案，亦可設有大量各自具有一定面積的凹部，熱交換管中之每一者單獨穿過該等凹部。在此情形下，管底設置在容器壁部之內側或外側上。然而，凹部亦可精確對應管底之輪廓，在此情形下，管底與容器壁部精確匹配。

較佳地，該管底可為具有針對熱交換管的通孔的平整金屬板，其中，該板件之厚度至少等於其餘容器壁部之厚度的三倍。

管底之材料及厚度很大程度上決定了構造之支撐功能及穩定性。據此，適宜的材料例如為鋼，其為了增強穩定性而具有足夠大的板厚。

在本發明之有利技術方案中，該管底可與該容器壁部焊接。與其他接合方法相比，焊接連接為特別穩定的材料接合。

在本發明之一有利實施方式中，可在該至少一管底上在該容器之外側上設有連接箱，其用於分佈、偏轉或收集可在熱交換管中穿過之單相傳熱介質。在設有數個管底或數個供熱交換管穿過容器壁部的貫通部位的情況下，設有更多針對位於熱交換管中之單相傳熱介質的連接箱。自此等亦稱作水箱之連接箱，亦分枝出針對內部流體的輸送管線及導出管線。

較佳地，該連接箱可以以可取下的方式與該管底連接。如此一來便能簡便地觸及位於管束中之熱交換管，以進行維護或更換。藉由螺接及密封面，固設部位亦可位於穩定的管底上，因為較之於容器壁部更大的材料厚度實現更加穩定的連接。

該等熱交換管可實施為裸管亦或肋管。在一有利實施方式中，該等熱交換管可具有形成於管外側上的、呈螺旋線狀環繞的整體式肋部，並且在該等肋部之間形成有通道。

此類肋管係用經過成型製程的裸管製成。其特別適合充當具有高傳熱係數的高效、緊密並且極穩定的熱交換器中的組件。管表面係根據應用之特定傳熱需求最佳化。有多種材料可供選擇，涵蓋銅、銅合金、鋼或鈦，藉此確保針對不同的需求，為尤其涉及耐久性以及可變形性的要求提供適合的材料。

較佳地，該等熱交換管可透過擴張接入該管底之通孔，其中，形成氣密並且耐壓的連接。特別是在選擇前述材料的情況下，大多涉及延展性金屬或金屬合金，故能實現熱交換管之擴張，從而與管底連接。產生的此類機械連接為可負荷並且穩定的接合。

較佳地，該等熱交換管可釺焊入、黏入或焊接入管底。基於其材料接合，此類連接既具備氣密性，亦具備足夠的機械穩定性，從而能夠產生緊密的模組化管束。

較佳地，由熱交換管構成之管束可具有兩個管底，其在兩端在相對的位置上與其餘容器壁部在充當貫通部位的凹部處連接。在此情形下，每個管底皆與容器壁部在每個針對熱交換管的貫通部位處連接。透過每個如此定位的管底，實現容器壁部之穩定化。

在本發明之有利技術方案中，該等熱交換管可沿介於該二終端管底之間的直線設置在該容器中。藉此，以針對在內部流動之流體將流動最佳化的方式，形成管底以及與管底連接的熱交換管配置。

此類管束較佳在容器之兩個縱側上沿縱向以靠近內部容器壁部的方式在整個長度範圍內延伸。如此一來，液態傳熱流體能夠作為冷凝物以靠近容器壁部的方式回流入儲槽。在此等側部區域處，在冷卻過程中在電子器件上形成之氣流不受影響或僅受微小影響。為此，容器可以已具有針對傳熱流體之流體流在流體技術方面進行過相應調整的形狀。

較佳地，該容器可實施為能夠以負壓及/或過壓運行之壓力容器。透過對系統工作時該容器中之壓力加以控制，能夠提昇冷卻效率。根據本發明，透過將管底設置在容器壁部上來實現機械穩定化，這非常有助於整個系統的構造調整。

在本發明之有利技術方案中，可設有流體引導片，用以將冷凝物之流出特性最佳化或用以實現氣態傳熱流體之分佈。此類額外的引導片使得流出特性最佳化，以便將冷凝物回輸。亦能有利地影響氣態傳熱流體在冷卻過程中之蒸氣分佈，進而將該兩相傳熱流體之在蒸氣相中的流動最佳化，從而提昇冷凝之速率及效率。

較佳地，自管束出發，可設有額外的加固裝置，其通向容器壁部並且將此容器壁部穩定化，從而抵禦靜態及動態負荷。為此，冷卻系統之該額外的加固件大體設於密封面附近，其在系統中在靜態及動態負荷下將力最佳化地導出，並且增強整個系統之穩定性及密封性。

較佳地，該等加固裝置可以自管底出發的方式設置。鑒於整個管束之穩定性，管底為適於吸收力並傳遞的部位。

圖1為用於電子器件之液體浸入式冷卻的冷卻系統1的示意性正視圖。冷卻系統1包括具有容器壁部31的容器3，該容器係可在內部填裝兩相傳熱流體。該兩相傳熱流體為位於容器3中之外部流體，具有供電子器件浸沒入的液態傳熱流體部分4以及氣態傳熱流體部分5。在容器3中，在容器3之氣室5中設有用於形成液態傳熱流體4的熱交換裝置6。

在此有利實施方案中，位於氣室5中之熱交換裝置6由四個管束7構成，該等管束分別包含數個相互平行設置的熱交換管71。熱交換管71係固設在管底72中。在此，管束7之該至少一管底72係構建為容器壁部3之端側部分。就如圖1左側部分示出之兩個管束7而言，亦圖示出管底72之相對於凹部32的重疊區域(虛線輪廓線)。據此，管底72將凹部32完全遮蓋。在該處，例如透過在圖1中未示出之焊縫，將管底72與充當接合部件的鄰接的容器壁部3連接。

如圖1右側部分所示，在管底上已安裝了熱交換裝置6之連接箱8，並且，仍可透過開口局部地看出設於後方之熱交換管71。透過此等開口，在冷卻系統1之運行中，將該內部流體作為單相傳熱介質導入連接箱8或導出。在許多情形下將水用作內部單相傳熱介質，故將連接箱8稱作水箱。

如圖1所示，在所示實施方式中，該容器在液態傳熱流體4之區域內略微變細，其中，容器壁部3向內突出並且在氣室中才敞開。容器3之形狀由金屬型材框架33支持。因此，容器3已被起穩定作用的外支架包圍。

圖2為冷卻系統之管束7之示意圖。在此實施方式中，在兩個管底72之間，透過數個在上部區域內以及在下部區域內緊密整合之熱交換管71構成管束7。作為管底72，在兩端分別設有包含針對熱交換管72的通孔的金屬板。管底72之材料及厚度實現構造之支撐功能及穩定性。

圖3為冷卻系統1之示意性側視圖。

待冷卻之電子器件2係在液態傳熱流體4中浸沒在液態流體之表面41下方。熱交換裝置6位於氣室5中。

在此有利實施方案中，位於氣室5中之熱交換裝置6由如圖2所示之管束7構成，該等管束分別包含數個相互平行設置的、固設於管底72中的熱交換管71。管束7之該二管底72係在相對的位置上與其餘容器壁部3在充當貫通部位的凹部處固定連接。

熱交換管71係沿介於該二終端管底72之間的直線設置在該容器中。

在管底72上，在容器3之外側上分別設有連接箱8，其用於分佈、偏轉或收集該可在熱交換管71中穿過之內部流體。

透過輸送管線81為第一連接箱8供應內部流體，自該處將該內部流體分佈至熱交換管71。透過導出管線82將在第二連接箱8中收集之流體導出至在圖3中未示出之冷卻裝置。

設於管束7上之流體引導片73將整個構造穩定化，並使得流出特性最佳化，以將冷凝物回輸至液態傳熱流體4。

圖4為冷卻系統1之示意性俯視圖，其中窺視容器3內部。透過輸送管線81，透過分枝為所有輸入側連接箱8集中地供應單相傳熱介質，並且在穿過後收集在輸出側連接箱8中，並且在導出管線82中集中地導出。

1:冷卻系統 2:電子器件 3:容器 4:液態傳熱流體 5:氣態傳熱流體，氣室 6:熱交換裝置 7:管束 8:連接箱，水箱 31:容器壁部 32:凹部 33:金屬型材框架 41:容器中之液態流體之表面 71:熱交換管 72:管底 73:流體引導片 74:加固裝置 81:輸送管線 82:導出管線

結合示意圖對本發明之實施例進行詳細說明。

其中： 圖1為冷卻系統之示意性正視圖， 圖2為管束之示意圖， 圖3為冷卻系統之示意性側視圖，以及 圖4為冷卻系統之示意性俯視圖，其中窺視容器內部。

彼此對應的部件在所有附圖中皆用相同的符號表示。

1:冷卻系統

2:電子器件

3:容器

4:液態傳熱流體

5:氣態傳熱流體，氣室

6:熱交換裝置

7:管束

8:連接箱，水箱

41:容器中之液態流體之表面

71:熱交換管

72:管底

73:流體引導片

81:輸送管線

82:導出管線

Claims (15)

1. 一種用於電子器件(2)之液體浸入式冷卻的冷卻系統(1)，包括 具有容器壁部(31)的容器(3)，該容器係可在內部填裝兩相傳熱流體(4)，可將該電子器件(2)浸沒入該傳熱流體中，其中，該容器(3)具有位於該液態傳熱流體(4)之表面(41)上方的氣室(5)， 位於該容器(3)之該氣室(5)中之用於形成液態傳熱流體(4)的熱交換裝置(6)， 其特徵在於， 位於該氣室(5)中之該熱交換裝置(6)由數個相對彼此設置之熱交換管(71)之至少一管束(7)構成，該等熱交換管係固設在至少一管底(72)中， 管束(7)之該至少一管底(72)係構建為該容器壁部(31)之一部分。
2. 如請求項1之冷卻系統(1)，其特徵在於，該容器壁部(31)具有至少一凹部(32)，其充當針對該等熱交換管(71)的貫通部位，其中該凹部(32)係被該至少一管底(72)以流體密封的方式遮蓋。
3. 如請求項1或2之冷卻系統(1)，其特徵在於，該管底(72)為具有針對該等熱交換管(71)的通孔的平整金屬板，並且該板件之厚度至少等於其餘容器壁部(31)之厚度的三倍。
4. 如請求項1至3之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該管底(72)係與該容器壁部(31)焊接。
5. 如請求項1至4之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，在該至少一管底(72)上在該容器(3)之外側上設有連接箱(8)，其用於分佈、偏轉或收集可在該等熱交換管(71)中穿過之單相傳熱介質。
6. 如請求項5之冷卻系統(1)，其特徵在於，該連接箱(8)係以可取下的方式與該管底(72)連接。
7. 如請求項1至6之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該等熱交換管(71)具有形成於管外側上的、呈螺旋線狀環繞的整體式肋部，並且在該等肋部之間形成有通道。
8. 如請求項1至7之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該等熱交換管(71)係透過擴張接入該管底(72)之通孔，其中，形成氣密並且耐壓的連接。
9. 如請求項1至7之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該等熱交換管(71)係釺焊入、黏入或焊接入該管底(72)。
10. 如請求項1至9之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，由熱交換管(71)構成之管束(7)具有兩個管底(72)，該等管底在兩端在相對的位置上與其餘容器壁部(31)在充當貫通部位的凹部(32)處連接。
11. 如請求項10之冷卻系統(1)，其特徵在於，該等熱交換管(71)係沿介於該二終端管底(72)之間的直線設置在該容器(2)中。
12. 如請求項1至11之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該容器(2)係實施為能夠以負壓及/或過壓運行之壓力容器。
13. 如請求項1至12之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，設有流體引導片(73)，用以將冷凝物之流出特性最佳化或用以實現氣態傳熱流體之分佈。
14. 如請求項1至13之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，自該管束(7)出發，設有額外的數個加固裝置(74)，該等加固裝置通向該容器壁部(31)並且將該容器壁部穩定化，從而抵禦靜態及動態負荷。
15. 如請求項14之冷卻系統(1)，其特徵在於，該等加固裝置(74)係以自該管底(72)出發的方式設置。