TWI425909B - 冷卻系統 - Google Patents

Description

冷卻系統

本發明係有關於一種冷卻系統，特別是一種用於防止電子元件溫度過高之冷卻系統。

一般來說，電子裝置包括桌上型電腦、筆記型電腦、平板電腦、個人數位助理(Personal digital assistant，PDA)或伺服器，每一種電子裝置各具有一適合的安全工作溫度上限值。當運作中的電子裝置的溫度超出安全工作溫度上限值時，電子裝置就有可能當機或甚至產生不可回復的破壞，如內部元件損壞，更嚴重點甚至會造成火災。因此，每一種電子裝置皆搭配有一散熱裝置，讓電子裝置可以在低於安全工作溫度上限值的環境下運轉，進而延長電子裝置的工作壽命，其中散熱裝置例如為氣冷裝置或液冷裝置。

以伺服器為例，若習知的伺服器是採用氣冷裝置時，習知是讓風扇運轉而使伺服器外部冷空氣被吸入伺服器。之後，被吸入的冷空氣吸收伺服器內部之熱量而升溫成熱空氣。接著，風扇將這些熱空氣排出伺服器外。然而，當電子裝置所散發之熱量越高時，風扇運轉的轉速就需越高，以抽取更大量之冷空氣與電子裝置進行熱交換，進而將電子裝置的溫度維持在安全的溫度範圍內。但當風扇運轉的轉速越高，風扇所產生的噪音就越大，且風扇所耗費的電力也越多。

以液冷裝置來說，習知之液冷裝置具有一管路及一冷卻裝置及一流浦，管路內部裝有冷卻液，並且管路與電子裝置接觸。當流浦驅動冷卻液流經管路與電子裝置接觸之位置時，冷卻液會吸收電子裝置所產生之熱量而升高溫度，之後升溫後的液態的冷卻液再流至冷卻裝置以將冷卻液的熱量排除至冷卻裝置。接著，降溫後的冷卻液再度被流浦驅動至管路與電子裝置接觸位置。如此重覆將電子裝置之熱量轉嫁至冷卻裝置以構成一冷卻循環。

然而因為現今的電子裝置的運算速度越來越快，其產生的熱量也越來越大，習知的液冷裝置提供低溫的冷卻液來帶走熱，但是冷卻液吸收熱量後，溫度提高很多，要再循環使用，勢必再以壓縮機、冰水機等高耗電冷卻裝置來使冷卻液回到低溫狀態，因此，溫度控制一直有著高耗電量的問題。

鑒於以上的問題，本發明是關於一種冷卻系統，藉以解決先前技術所存在之溫度控制具有高耗電量的問題。

依據本發明之一實施例所揭露之適於設置於一電子裝置冷卻系統，此電子裝置包括至少一機架，機架內包括一電子元件，電子元件運轉時具有一工作溫度區間，其冷卻系統包括一第一散熱系統及一第二熱交換器。其中，第一散熱系統包括一第一熱交換器及一第一管路。而第一熱交換器設置於電子元件並與電子元件熱接觸。第一管路與第一熱交換器熱接觸，第一管路內部具有一第一冷卻液，第一冷卻液之沸點落於電子元件之工作溫度區間內。第二散熱系統包括第二熱交換器。

其中，第一管路內之第一冷卻液與第一熱交換器進行熱交換。之後，第一管路中的第一冷卻液再與第二散熱系統的第二熱交換器進行熱交換。

一第一散熱系統，第一散熱系統包括一第一熱交換器、一第二熱交換器、一第一管路及一幫浦。第一熱交換器設置於電子元件並與電子元件熱接觸。第二熱交換器位於機架內。第一管路與第一熱交換器及第二熱交換器熱接觸，第一管路內部具有一第一冷卻液，第一冷卻液之沸點落於電子元件之工作溫度區間內。幫浦與第一管路連通，用以驅動第一冷卻液流至第一管路與第一熱交換器接觸之位置之後再流至第一管路與第二熱交換器接觸之位置，然後再回流至幫浦，其中第一管路內部之壓力值低於幫浦所能提供之壓力的上限。

依據本發明之一實施例所揭露之一冷媒，此冷媒之沸點落於攝氏50度至攝氏60度之區間內。

上述實施例所揭露之冷卻系統，係利用第一冷卻液之沸點落於需散熱之電子元件的工作溫度區間內，且第一冷卻液在與電子元件熱接觸前的溫度不用過低。當第一冷卻液流至電子元件的位置時，若此時電子元件的溫度未超過第一冷卻液，則第一冷卻液不會吸熱，若電子元件的溫度超過第一冷卻液，則第一冷卻液因吸收到電子元件所釋放的熱量，讓第一冷卻液溫度提升至沸點，產生相變化而由液態轉變為汽態。在此相變化時溫度沒有變化的情況下，吸收的能量稱之為潛熱(latent heat)或相變焓。由於相變化所吸收的潛熱遠較液體因升高溫度所吸收的熱量要來的大，因此第一冷卻液可以在溫度變化不大的情況下，帶走電子元件所產生的廢熱。

以上之關於本發明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原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

請同時參閱「第1圖」至「第2圖」，「第1圖」為根據本發明所揭露第一實施例之冷卻系統設置於電子裝置內之平面示意圖，「第2圖」為「第1圖」之第一熱交換器的放大示意圖。

在第一實施例中，電子裝置10可以但不限於是伺服器、筆記型電腦或桌上型電腦。電子裝置10至少具有一電子元件110，電子元件130具有一工作溫度區間。此處所指的工作溫度區間為電子元件110運轉初期的溫度到預設的溫度上限之間，其中此預設的溫度上限可以是為了保護電子元件110免於當機所設定的溫度或是避免電子元件110免於燒毀所設定的溫度。電子元件110例如是中央處理器顯示晶片、南北橋晶片或記憶體等會發熱的電子積體電路晶片組。本實施例是以中央處理器為例，其中，中央處理器之工作溫度區間例如在攝氏30度至80度之間。

本實施例之冷卻系統20至少包括一第一散熱系統200及一第二散熱系統300。第一散熱系統200至少包括一第一熱交換器210一第一管路230。第一熱交換器210設置於電子元件110並與電子元件110熱接觸。本實施例之第二散熱系統300包含一第二熱交換器310，第二熱交換器310例如為包含了散熱鰭片及風扇的散熱模組，散熱鰭片包括多個相互平行排列的散熱板，電子元件110之熱量可藉由散熱板傳導至空氣中。

第一管路230內部具有一第一冷卻液231，第一冷卻液231之沸點落於電子元件110之工作溫度區間內。本實施例之第一冷卻液231可為一常壓下沸點溫度落於攝氏50度至攝氏60度之間的液體。在本實施例以及部份的其他實施例中，第一冷卻液231是環保冷媒，其中，所謂的環保冷媒是指不含氟氯烴(CFC)和氫氟氯烴(HCFC)的冷媒。第一冷卻液231例如是五氟丁烷(HFC-365mfc)或七氟三甲氧基丙烷(HFE-7000)。第一管路230與第一熱交換器210熱接觸，第一管路230內之第一冷卻液231與第一熱交換器210進行熱交換後，第一管路230中的第一冷卻液231再與第二散熱系統300的第二熱交換器310進行熱交換。此外，由於本實施例之第一冷卻液231在常壓下的沸點落於攝氏50度至攝氏60度之間，因此在常溫常壓的環境下第一冷卻液231呈現液態，其中所謂的常溫常壓分別是指攝氏25度以及一大氣壓。

由於本實施例之第一冷卻液231因在常溫常壓下為液態，故第一冷卻液231可以在常溫常壓的環境下直接被填入第一管路230內。相反地，相較於習知採用低溫冷媒的冷卻循環系統而言，由於這種冷卻循環系統需採用壓縮機來使冷媒於常溫常壓下是處於汽態狀態，因此習知技術必須先讓習知的液態的冷媒儲存於高壓鋼瓶內，以使習知的冷媒維持於液體狀態。之後，再將高壓鋼瓶內的冷媒灌入習知的具有壓縮機的冷卻循環系統中。由上可知，由於上述實施例的第一冷卻液231在常溫常壓下為液態，因此相較於習知採用壓縮機的冷卻循環系統而言，在冷卻液或是冷媒的填充上，本實施例的填充程序較為簡便。

另外，本實施例之第一冷卻液231在第一管路230內循環，在與第一熱交換器210進行熱交換前，不需降至太低的溫度，因為主要是以相變化所吸收的潛熱來帶走熱量，若第一冷卻液231的溫度太低，無法在與第一熱交換器210熱交換時馬上提升至沸點。同時因此相較於習知採用低溫冷媒的冷卻循環系統而言，環境中的水氣不會凝結在系統的管壁上而產生露水。詳細而言，習知採用低溫冷媒的冷卻循環系統是利用壓縮機、冷凝器等元件以降低冷媒的溫度。然而，低溫的冷媒溫度往往會低於環境中的水氣之露點溫度，而導致於環境中的水氣凝結於管路之外表面。以室溫為29度以及相對濕度為73%為例，在這樣的環境下空氣中的水氣的露點溫度為攝氏24度。然而，對於習知採用壓縮機的冷卻循環系統而言，膨脹後的冷媒的溫度往往被降低至攝氏10度左右，甚至更低。如此一來，環境中之水氣則會因接觸到管路而凝結於管路之外壁。當這種凝結於管路之外表面的水滴落至伺服器內部的電子元件或是電路板上時，便容易造成電子元件或是電路板短路。

本實施例的第一冷卻液231在與第一熱交換器210熱交換後，溫度維持在相當於其沸點的溫度，因此只要再經過第二熱交換器310散熱後，就會由氣態變化成液態，並釋放相變化的潛熱。第二熱交換器310主要就是將第一冷卻液231由氣態變化成液態時所釋放的潛熱帶走，使第一冷卻液231回復成為液態。是以本實施例不像習知採用壓縮機的冷卻循環系統使用壓縮機、低溫冷卻機等高耗電設施，因此本發明的冷卻系統20較為省電，且本發明較不會有空氣中的水氣凝結於第一管路230之外壁的問題產生。

請再參閱「第3圖」與「第4圖」，「第3圖」為根據本發明所揭露第二實施例之冷卻系統設置於電子裝置內之平面示意圖，「第4圖」為「第3圖」之第二熱交換器的放大示意圖。本實施例之電子裝置10是以伺服器作為說明。電子裝置10包括一電子元件110，電子元件130具有一工作溫度區間。此處所指的工作溫度區間為電子元件110運轉初期的溫度到預設的溫度上限之間，其中此預設的溫度上限可以是為了保護電子元件110免於當機所設定的溫度或是避免電子元件110免於燒毀所設定的溫度。電子元件110例如是中央處理器、記憶體、顯示晶片或南北橋晶片等會發熱的電子積體電路晶片組。本實施例是以中央處理器為例，其中中央處理器之工作溫度區間例如在攝氏30度至80度之間。

本實施例之冷卻系統20包括一第一散熱系統200及一第二散熱系統300。第一散熱系統200包括一第一熱交換器210、一第一管路230及一幫浦240。第一熱交換器210設置於電子元件110並與電子元件110熱接觸。

第一管路230內部具有一第一冷卻液231，第一冷卻液231之沸點落於電子元件110之工作溫度區間內。本實施例之第一冷卻液231可為一常壓下沸點溫度落於攝氏50度至攝氏60度之間的液體。在本實施例以及部份的其他實施例中，第一冷卻液231是環保冷媒，其中，所謂的環保冷媒是指不含氟氯烴(CFC)和氫氟氯烴(HCFC)的冷媒。第一冷卻液231例如是五氟丁烷(HFC-365mfc)或七氟三甲氧基丙烷(HFE-7000)。第一管路230內之第一冷卻液231與第一熱交換器210進行熱交換，由於本實施例之第一冷卻液231在常壓下的沸點落於攝氏50度至攝氏60度之間，因此在常溫常壓的環境下第一冷卻液231呈現液態，其中所謂的常溫常壓分別是指攝氏25度以及一大氣壓。

由於本實施例之第一冷卻液231因在常溫常壓下為液態，故第一冷卻液231可以在常溫常壓的環境下直接被填入第一管路230內。相反地，相較於習知採用低溫冷媒的冷卻循環系統而言，由於這種冷卻循環系統需採用壓縮機來使冷媒於常溫常壓下是處於汽態狀態，因此習知技術必須先讓習知的液態的冷媒儲存於高壓鋼瓶內，以使習知的冷媒維持於液體狀態。之後，再將高壓鋼瓶內的冷媒灌入習知的具有壓縮機的冷卻循環系統中。由上可知，由於上述實施例的第一冷卻液231在常溫常壓下為液態，因此相較於習知採用壓縮機的冷卻循環系統而言，在冷卻液或是冷媒的填充上，本實施例的填充程序較為簡便。

另外，本實施第一冷卻液231在第一管路230內循環，在與第一熱交換器210進行熱交換前，不需降至太低的溫度，因為主要是以相變化所吸收的潛熱來帶走熱量，若第一冷卻液231的溫度太低，無法在與第一熱交換器210熱交換時馬上提升至沸點，因此相較於習知採用低溫冷媒的冷卻循環系統而言，不會產生露水凝結在系統的管壁上。詳細而言，習知採用低溫冷媒的冷卻循環系統是利用壓縮機、冷凝器等元件以降低冷媒的溫度。然而，經低溫的冷媒溫度往往會低於環境中的水氣之露點溫度，而導致於環境中的水氣凝結於管路之外表面。以室溫為29度以及相對濕度為73%為例，在這樣的環境下空氣中的水氣的露點溫度為攝氏24度。然而，對於習知採用壓縮機的冷卻循環系統而言，膨脹後的冷媒的溫度往往被降低至攝氏10度左右，甚至更低。如此一來，環境中之水氣則會因接觸到管路而凝結於管路之外壁。當這種凝結於管路之外表面的水滴落至伺服器內部的電子元件或是電路板上時，便容易造成電子元件或是電路板短路。

本實施例的第一冷卻液231在與第一熱交換器210熱交換後，溫度維持在相當於其沸點的溫度，因此只要再經過第二散熱系統300散熱後，就會由氣態變化成液態，並釋放相變化的潛熱。第二散熱系統300可以將第一散熱系統200中的第一冷卻液231由氣態變化成液態時所釋放的潛熱帶走，使第一冷卻液231回復成為液態。是以本實施例不像習知採用壓縮機的冷卻循環系統使用壓縮機、低溫冷卻機等高耗電設施，因此本發明的冷卻系統20較為省電，且本發明較不會有空氣中的水氣凝結於第一管路230之外壁的問題產生。

就另一方面而言，幫浦240與第一管路230連通，幫浦24用以驅動第一冷卻液231，以使第一冷卻液231流至第一管路230與第一熱交換器210連接之位置之後再流至第一管路230與第二散熱系統300熱交換之位置，然後再回流至幫浦240。

在本實施例中第二散熱系統300包括一第二熱交換器310一第二管路320、一冷卻水塔330及一輸水裝置340。其中，第二熱交換器310例如為板式熱交換器，板式熱交換器包括多個相互平行排列的導熱板及至少一貫穿這些導熱板的管路，管路內的熱量可藉由導熱板傳導至空氣中或與其它管路進行熱交換。本實施例中，第二管路320內部具有一第二冷卻液331，第二管路320的第二冷卻液331與第一管路230的第一冷卻液231在第二熱交換器.310進行熱交換，本實施例之第二冷卻液331可為純水或添加冷凝劑的水。換句話說，本實施例之第一管路230及第二管路320分別與第二熱交換器310熱接觸，並讓第一管路230內之第一冷卻液231與第二管路320內之第二冷卻液331進行熱交換，也就是讓第二冷卻液331來對第一冷卻液231進行降溫，帶走第一冷卻液231由氣態變成液態所釋放出的潛熱。第二管路320的第二冷卻液331流經第二熱交換器310，之後再流至冷卻水塔330內進行降溫，然後再回流至輸水裝置340。本實施例之輸水裝置340可為一流浦。

本實施例之冷卻水塔330可以為封閉式冷卻水塔，第二管路320繞經冷卻水塔330內部，而冷卻水塔330會灑水在第二管路320上，以帶走第二冷卻液331之熱量。之後，第二冷卻液331再回流至輸水裝置340。但在其他實施例中並不限於使用封閉式冷卻水塔，也可以是開放式冷卻水塔，此時，第二管路320連通冷卻水塔330，以及冷卻水塔330連通輸水裝置240，以使第二冷卻液331再回流至輸水裝置340。另外，相較於習知採用壓縮機的冷卻循環系統而言，本實施例之冷卻水塔330較為省電。其主要原因為第一冷卻液231除了靠溫差變化的方式帶走電子元件110的熱量外，在電子元件110運轉的溫度高於或等於第一冷卻液231之沸點時，第一冷卻液231單靠相變化的方式大量帶走電子元件110的熱量。此時，第二散熱系統300無需如習知採用低溫冷媒之冷卻循環系統一樣將第一冷卻液231降至極低溫，而僅需在第二熱交換器310將第一冷卻液231冷凝成飽和的液體或是使第一冷卻液231之過冷度略低於第一冷卻液231之沸點，故本實施例較為省電。

接著將描述汽體狀態的第一冷卻液231如何於流過第二熱交換器310時轉變成液體狀態的第一冷卻液231。汽體狀態或液氣共存狀態的第一冷卻液231在流經第二熱交換器310之位置時，溫度較高的第一冷卻液231與溫度較低第二冷卻液331於第二熱交換器310內進行熱交換。此時，在常溫常壓的環境下，汽體狀態或液氣共存狀態之第一冷卻液231因溫度降至第一冷卻液231的沸點以下而轉變成液體狀態之第一冷卻液231。

根據上述實施例所揭露之冷卻系統，係利用第一冷卻液之沸點落於電子元件的工作溫度區間內。當第一冷卻液流至正在運轉之電子元件的位置時，第一冷卻液因吸收到電子元件所散發的熱量，讓第一冷卻液產生相變化而由液態轉變為汽態。如此一來，第一冷卻液可藉由相變化能提高所能帶走之熱量的上限。

另外，由於第一冷卻液在常溫時為液體，液體在管路內部流動之壓力小於汽體在管路內部流動之壓力，因此習知之壓縮機可由幫浦取代，以節省冷卻系統之成本。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．電子裝置

20．．．冷卻系統

110．．．電子元件

200．．．第一散熱系統

210．．．第一熱交換器

230．．．第一管路

231．．．第一冷卻液

240．．．幫浦

300．．．第二散熱系統

310．．．第二熱交換器

320．．．第二管路

330．．．冷卻水塔

331．．．第二冷卻液

340．．．輸水裝置

「第1圖」為根據本發明所揭露一實施例之冷卻系統設置於電子裝置內之平面示意圖。

「第2圖」為「第1圖」之第一熱交換器的放大示意圖。

「第3圖」為根據本發明所揭露第二實施例之冷卻系統設置於電子裝置內之平面示意圖。

「第4圖」為「第3圖」之第二熱交換器的放大示意圖。

10．．．電子裝置

20．．．冷卻系統

110．．．電子元件

200．．．第一散熱系統

210．．．第一熱交換器

230．．．第一管路

240．．．幫浦

300．．．第二散熱系統

310．．．第二熱交換器

Claims (8)

1. 一種冷卻系統，適於設置於一電子裝置，該電子裝置包括一電子元件，該電子元件運轉時具有一工作溫度區間，該冷卻系統包括：一第一散熱系統，包括：一第一熱交換器，設置於該電子元件並與該電子元件熱接觸；及一第一管路，與該第一熱交換器熱接觸，該第一管路內部具有一第一冷卻液，該第一冷卻液之沸點落於該電子元件之該工作溫度區間內；及一第二散熱系統，包括：一第二熱交換器；其中，該第一管路內之該第一冷卻液與該第一熱交換器進行熱交換，之後，該第一管路中的該第一冷卻液再與該第二散熱系統的該第二熱交換器進行熱交換。
2. 如請求項第1項所述之冷卻系統，其中該第一散熱系統更包括：一幫浦，與該第一管路連通，用以驅動該第一冷卻液流至該第一管路與該第一熱交換器接觸之位置之後再流至該第一管路與該第二熱交換器接觸之位置，然後再回流至該幫浦，其中該第一管路內部之壓力值低於該幫浦所能提供之壓力的上限。
3. 如請求項第1項所述之冷卻系統，其中該第一冷卻液之沸點落於攝氏50度至攝氏60度之區間內。
4. 如請求項第1項所述之冷卻系統，其中該第一冷卻液不含氟氯烴(CFC)和氫氟氯烴(HCFC)。
5. 如請求項第4項所述之冷卻系統，其中該第一冷卻液為五氟丁烷(HFC-365mfc)或七氟三甲氧基丙烷(HFE-7000)。
6. 如請求項第1項所述之冷卻系統，其中該第二熱交換器為一熱板熱交換器。
7. 如請求項第1項所述之冷卻系統，其中該第二熱交換器為一包含了至少一散熱鰭片及至少一風扇的散熱模組。
8. 如請求項第1項所述之冷卻系統，其中該第二散熱系統更包括：一第二管路，與該第二熱交換器熱接觸，該第二管路內部具有一第二冷卻液；一冷卻水塔，該第二管路連通該冷卻水塔；及一輸水裝置，與該第二管路連通，用以驅動該第二冷卻液流至該第二管路與該第二熱交換器連接之位置，之後再流至該冷卻水塔，然後再回流至該輸水裝置。