TWI559843B - 用於電子裝置液體浸沒冷卻之陣列連接式殼體及機架系統 - Google Patents

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Description

用於電子裝置液體浸沒冷卻之陣列連接式殼體及機架系統
本發明主張2008年8月4日申請之U.S.暫時申請案第61/085,934號及2008年4月21日申請之U.S.暫時申請案第61/046,540號，且各暫時申請案在此全部加入作為參考。
技術領域
本發明係有關於一種液體浸沒冷卻電子陣列系統，且特別係有關於一在一例如一電腦伺服器之液體浸沒冷卻電子裝置中使用之殼體，其中在多數獨立殼體中之許多獨立邏輯板、或組合在一單一殼體之多數邏輯板可被收納在一機架系統內。
 背景
電腦工業所面臨的一重大問題是熱。一電腦操作時之溫度愈高，它便愈可能會失效。在高溫條件下操作之電子元件具有比維持在較低操作溫度之元件短之估計壽命。一般而言，操作的溫度愈高，元件估計壽命愈短為真。同時，雖然不會造成嚴重損壞，但高溫仍會產生資料處理錯誤。在高溫下之操作會造成電力起伏，而該等電力起伏會在一中央處理單元(CPU)內或在進行資料處理之任一處的邏輯板上導致這些錯誤。雖然努力地在增加處理電力之同時減少廢熱，但是在市場上釋出之各新CPU與圖像處理單元(GPU)仍會在比最後者熱之情形下運作。提供電力與操作訊號處理所需之電源與邏輯板元件亦隨著每一新一代產品產生愈來愈多的熱。
在冷卻系統中使用液體冷卻電腦系統是習知的。一冷卻電腦元件之習知方法使用一封閉迴路之2相系統，且蒸氣移動通過一管而到達一冷卻室。該蒸氣轉變回液體，且該液體藉管返回至多數晶片以進一步冷卻。在另一習知冷卻系統中，內部泵使液體移動通過一在一CPU上之熱板且接著將該被加熱液體泵入一被動性地冷卻該液體並使它返回到該熱板的有翼片塔。
在一大規模固定安裝式超級電腦的情形中，將該超級電腦之主動處理元件浸沒在一惰性、介電流體中是習知的。該流體通常可流經該等主動元件且接著被泵送至外部熱交換器，在該等外部熱交換器處，該流體於被送回該主室之前被冷卻。
雖然有多種用以冷卻電腦元件之以往方法，仍需要對冷卻系統進一步改良。
 概要
在此說明的是一種適於冷卻包括在電腦系統及使用電子式產熱元件之其他系統中之產熱元件之多數電子裝置的獨立容納液體浸沒冷卻系統。在此所述觀念可應用之電子裝置的例子包括，但不限於：包括刀鋒型伺服器之伺服器；磁碟陣列/儲存系統；儲存區域網路；網路連接之儲存器；儲存通訊系統；工作站；路由器；電信基礎架構/開關；有線光學與無線通訊裝置；胞元(cell)處理裝置；印表機；電源供應器；顯示器；光學裝置；包括手持系統之儀器系統；軍事用電子設備等。
該電子裝置可包括一具有一內部空間之殼體。一冷卻液體被收納在該空間內，且一產熱電子元件被設置在該空間內且被浸沒在該介電冷卻液體中或介電冷卻液體被導引至該元件上。
當該電子裝置是一電腦時，例如，一伺服器電腦、一單一邏輯板或多數邏輯板被設置在該內部空間內。該(等)邏輯板包括多數產熱電子元件，且該等產熱電子元件包括例如一CPU或一GPU之至少一處理器。此外，該電腦之其他產熱元件可以被浸沒在該冷卻液體中，例如，RAM、電源供應器、子卡、及如固體狀態驅動機或機械式硬碟等儲存體驅動機。
在一實施例中，該等電子元件不必真正被浸沒在該冷卻液體中。該冷卻液體可以被“灌注”或引導至該(等)電子元件上，且重力協助該液體向下流在該(等)元件上，並且該液體接著被收集在一池中，並在該池處被泵送至一熱發散/回收裝置，以最終返回至該(等)電子元件。這實施例將減少在該殼體內之冷卻液體量，藉此減少重量與成本。
收納該(等)電腦邏輯板、子板、電源供應器及其他主動電子元件之殼體包括多數界定出一液密內部空間之壁。如有必要，該等壁之一或多個可以是一透明、一半透明、或一不透明材料。一可拆卸或固定之蓋板封閉該內部空間，例如該空間之頂部。該蓋板與該等多數壁一起形成一液密密封，且在一實施例中，該蓋板包括一固定於其上之密封電連接器，且該密封電連接器係構形成可連接於設置在該內部空間中之邏輯板且可在該邏輯板與該殼體外部之間提供電性連接。
在一實施例中，當該邏輯板由該內部空間被提高時，亦可設置一用以將該邏輯板固持在其提高位置之機構，以更換邏輯板元件且讓液體可流回至該內部空間。
具有前述內部空間之前述殼體可與具有類似內部空間之其他殼體對齊，以形成一可用於在伺服器上之邏輯板、儲存系統(包括磁碟機)、路由器、通訊裝置及其他電子裝置之殼體陣列。
圖式
第1圖顯示一與一電子系統及一冷卻系統結合之殼體陣列。
第2圖顯示一獨立殼體，且該可拆卸蓋板位於一開啟位置。
第3圖顯示固持該殼體陣列之機架系統。
第4圖顯示具有該邏輯板、視訊/子板、電源供應單元、頂面板及一連結該機架輸入/輸出匯流排之外部輸入/輸出連接器的殼體。
第5圖顯示一填充有介電流體之殼體及多數結合多數機架歧管快速分離閥之快速分離閥。
第6圖顯示一包括該殼體陣列、一外部泵、及一熱發散/回收熱裝置之冷卻系統。
第7圖是一可用於一陣列中之殼體之另一實施例的側視圖。
第8圖是一殼體之再一實施例的側視圖。
第9圖是一殼體之又一實施例的側視圖。
第10圖是一具有一人體工學握把之殼體的前視圖。
第11圖一垂直堆疊殼體陣列之前視圖。
第12-14圖顯示含有不同種類之產熱電子設備之殼體的側視圖。
第15圖顯示可以與殼體陣列一起使用之示範性冷卻劑分配系統。
第16圖顯示使用一流體冷卻迴路冷卻該介電冷卻液體。
第17圖是一其中含有多數邏輯板之殼體之另一實施例的前視圖。
第18圖是一其中該等殼體水平地定向之機架系統之另一實施例的前視圖。
第19A、19B與19C圖分別是一等角圖、一頂壁已移除之俯視圖、及一側視圖，顯示一用以冷卻一在一邏輯板上之目標熱點的導流式散熱器與分散充滿室總成(dispersion plenum assembly)。
詳細說明
在此說明的一液體浸沒冷卻系統適用於冷卻多數陣列式電子裝置，包括冷卻在電腦伺服器系統與使用電子式產熱元件之其他系統中的產熱元件。若為電腦伺服器系統， 則該液體浸沒冷卻系統可產生，例如，具有可擴充架構之電腦陣列，其中它可產生32至64或更多處理器核心邏輯板(8插座×8核心=64處理器)。在一殼體系統中形成一陣列這些邏輯板可以互相連接以形成一或多個大規模並聯超級電腦。
在此所述之觀念可應用之電子裝置例子包括，但不限於：包括刀鋒型伺服器之伺服器；磁碟陣列/儲存系統；儲存區域網路；網路連接之儲存器；儲存通訊系統；工作站；路由器；電信基礎架構/開關；有線光學與無線通訊裝置；胞元(cell)處理裝置；印表機；電源供應器；顯示器；光學裝置；包括手持系統之儀器系統；軍事用電子設備等。許多這些觀念將在此說明與顯示為應用於一電腦伺服器陣列，但是，在此應了解的是在此所述之觀念亦可使用在其他電子裝置上。
第1、2、3、4與5圖顯示一使用一液體浸沒冷卻系統之陣列式伺服器電腦系統10。該系統10包括多數分開之殼體12及一冷卻系統，且各殼體12包含例如，一電腦邏輯板、多數子板、電源供應器及其他主動電子電腦組件之一獨立電腦系統。
各殼體12之所有電子與熱主動元件被浸沒在介電冷卻液體中，其中該介電冷卻液體與該等電子與熱主動元件直接接觸。如此，各殼體形成一收納該冷卻液體與該電腦系統之容器。可以在這種浸沒冷卻系統中使用之介電液體包括，但不限於：
‧如3MTMNovecTM等設計製造之流體
‧礦物油
‧聚矽氧油
‧包括以大豆為主之以天然酯為主的油
‧以合成酯為主的油許多這些介電流體亦具有可撲滅在電腦元件上之火的能力。藉將電腦元件浸沒在一介電、滅火流體中，可將由於電腦元件失效而發生著火之機會減至最小。亦可使用具有更高沸點及更大熱傳能力之其他介電液體，且如果這些冷卻液體具有一高到足以處理由收納在該系統中之元件所產生之熱量之熱傳能力，它們不必改變狀態。
請參閱第2與4圖，各殼體12包括一連接於一電腦邏輯裝置16之連接器側的蓋板14，容許邏輯板輸入/輸出(IO)連接部、子板IO及電力可進入與離開該殼體12。如安裝在該邏輯板16上之子板、另外的處理器、電源供應卡及記憶卡等元件可以藉開啟該殼體蓋板14且將所連接之邏輯板與電子設備提高離開該殼體而附加至該殼體12或由其上移除。該邏輯板16之邊緣可以可滑動地設置在形成於該殼體12之相對側壁上之多數溝槽內，以便於插入該殼體與由該殼體取出。此外，一機械式硬碟可設置在該殼體12中，且一空氣管線連接於由該硬碟延伸至該殼體外部之硬碟透氣孔。
在第2、4與5圖所示之例子中，該殼體12之後方(當該殼體被定向於使用狀態時)被該蓋板14封閉。為了進入該殼體12之內部，該殼體被定向成讓握把端朝向，使得該蓋板 14位於頂部處，然後可將該蓋板14移除以將所連接之邏輯板16提高離開該殼體。該蓋板14亦可呈其他位向，例如，該蓋板可封閉該殼體12之頂部(當該殼體被定向於使用狀態時)或封閉該殼體之任何其他側。
在一實施例中，可使用一內或外部泵送系統來由該等殼體之頂部泵送溫熱液體且使它通過外部熱交換器、熱泵、或其他熱發散/回收裝置。在其他實施例中，該流動可以是對流式的，或由重力產生，以免除一或多數泵之需求。液體之流動亦可藉各種泵、對流與重力之組合來產生。
一示範性實施例顯示在第6圖中，其中顯示該等殼體12配置成一陣列，且該等殼體連接至一出口歧管20、一將液體由該等殼體12泵送至一熱發散或回收熱裝置24之外部泵22，並且被冷卻之液體接著被導引至一入口歧管26，以將該被冷卻之液體導引回到該等殼體中。
如有需要，可使用一個以上之熱發散/回收熱裝置，且可使用熱發散與熱回收之組合。此外，如有需要，可在各殼體內設置一泵。
第15圖顯示一的冷卻劑分配系統30，該冷卻劑分配系統30與該等殼體12之陣列連接，以將冷卻劑液體分配至該等殼體且接收來自該等殼體12之冷卻劑。所示系統30包括一熱發散或回收熱裝置32、一冷卻劑供應管線34、及一冷卻劑返回管線36。該冷卻劑將由一為該熱發散或回收熱裝置32一部份之適當泵或由一類似於第6圖中之系統之外部泵來泵送。例如，該系統30可以是一雙管逆流返回系統， 其中冷卻劑液體供應之第一殼體12為用以使冷卻劑返回之最後者，使得冷卻劑液體到達與離開各殼體之流路具有相同長度。一雙管逆流返回系統之優點是它可使通過該等殼體之壓力降相等。
該熱發散或回收熱裝置可以是適用於散熱或可由該熱液體回收熱之任何裝置，例如，該裝置可以是一用以散熱之簡單熱交換器，例如，一散熱器，且空氣或液體可被用來作為該熱交換媒介。此外，該熱交換器可以設置在地底，以容許相當冷之地面可冷卻該液體。該外部熱交換器可以採用多種構形，只要它可以在被送回至該空間中之前，將該液體冷卻至一可接受溫度即可。熱發散裝置之例子包括，但不限於一冷卻塔(cooling stack)、蒸發、及一地下迴路(in-ground loop)。
利用一熱交換器冷卻液體可以藉以下數種手段之其中一種來達成：
‧一當該殼體具有典型冷凍系統時之壓縮機
‧帕爾帖(Peltier)效應冷卻
‧使用一風扇或其他空氣移動機構主動以空氣冷卻該散熱器表面
‧藉儘可能大地暴露一導熱熱交換表面於一低室溫來進行被動冷卻
該熱發散或回收熱裝置亦可是一其中所回收之熱被用於加熱環境之熱回收裝置，例如，該熱回收裝置可以是一建築物或房間加熱系統之一部份，且在該加熱系統中，被 回收之熱係用來加熱該建築物。熱回收裝置之例子包括，但不限於地板中加熱器及地熱電力產生器。
在一實施例中，該等殼體被收納在一房間中，而該泵與該熱發散或回收熱裝置則位在該房間外。因為使用液體來冷卻且該被加熱液體被泵送至該房間外，所以可將因在該等殼體中之電子設備而加熱該房間的情形減至最少。這減少在該房間內之空調量，而這可減少在該房間內維持該殼體陣列之用電及成本。
該介電冷卻液體不必是在該熱發散或回收熱系統中使用之唯一液體，在第16圖所示之實施例中，使用一液體冷卻系統，如一水冷卻迴路40，來冷卻該等殼體12之介電冷卻劑。該介電冷卻劑經由一泵，例如一類似於第6圖中之系統的外部泵，在一迴路中循環通過一熱交換器42，且該水冷卻迴路40亦通過與該介電冷卻劑交換熱且將之冷卻的熱交換器42。接著，在該迴路40中可透過一泵44、對流及/或藉重力循環之水被導向一熱發散或回收熱裝置46。
該等殼體12將使用一如第3圖所示之機架系統50連接成一陣列，且將透過設置在該等殼體12後部處之快速分離閥52連接於入口與出口歧管，如第2與5圖所示。一閥52將作為一供冷卻劑進入該殼體之入口52a，而另一閥52則將作為一供冷卻劑離開該殼體之出口52b，且除非該等閥開啟，該等閥可防止液體流經該入口52a與該出口52b。該等閥52將結合設置在該機架系統50後方處之入口53a與出口53b歧管，如第3圖所示。延伸至該等殼體12之入口與出口歧管 53a、53b之流動管線亦將利用，例如，多數與該等閥52結合之快速分離閥，使得在該殼體上之閥52與在該等歧管53a、53b上之閥於安裝一殼體時自動開啟，且在移除該殼體時自動關閉。該等快速分離閥將容許一失效伺服器電腦利用一可熱插拔系統架構進行更換。
該機架系統50包括一框架54、一在該框架54後方處連接於該入口歧管53a之冷卻劑返回管線56、及一連接於該出口歧管53b之冷卻劑出口管線58。該等殼體12各可安裝在該框架54上，以將該等殼體支持成所需之陣列構形。第3圖所示之框架54係顯示為可支持滑入該框架54之三排垂直分開之殼體，且各殼體12可設有便於滑動插入與移除該殼體之裝置。例如，一軸承機構可以設置在各殼體底座上，使該等殼體可更容易滑入與滑出該框架54。
第2與4圖顯示多數安裝在該邏輯板上需要冷卻之主動電腦元件，包括一視訊/子板62、多數電源供應器64、及多數處理器(設置在該等分散充滿室74下方)。在某些實施例中，一泵亦可安裝在該邏輯板16上或在該蓋板14之內部上。一頂面板70設置在該蓋板14之後方，且該外部I/O連接器72結合一顯示於第3圖之在該機架系統50上的輸入/輸出匯流排73。各殼體12大到足以收納所有需要冷卻之主動電腦元件，且它亦必須留下供液體返回管線及/或用以如以下配合第7圖說明地將冷卻液體導引至例如CPU等特定高溫區域之分散充滿室74使用之空間。
如第2與4圖所示，該蓋板14不僅為該殼體12提供一液 密與氣密密封，而且亦收納容許外部份元件IO、儲存IO及電力可進入與離開該殼體12而到達與離開該電腦邏輯板16與其元件的穿通連接器72。該蓋板14具有一將密封該殼體之墊圈，且該蓋板14亦可含有一用來以冷卻劑填充該殼體之填充口。
請參閱第4圖，該伺服器邏輯板16之主要功能與在目前伺服器規格板中者相同，但它並沒有相同IO與電力連接器。相反地，該邏輯板16之頂緣可設有，例如，一連串導電墊，且該等導電墊為用以結合該貫通連接器72之接點。或者，可使用一液密匯流排型貫通連接器來使IO與電力通過該殼體12。
又，可使用多數邏輯板或其他電路板來容許堆疊額外的處理器或增加運算能力之其他元件或容許多數電腦位於一單一殼體內。例如，第17圖顯示一構造類似於該殼體12之殼體500，但含有多數邏輯板501。
前述冷卻系統將容許多數伺服器電腦系統可在一單一殼體中(第17圖)或在可互相連接產生一伺服器或工作站機架系統之多數獨立殼體中(第1-6圖)被冷卻。
請參閱第4圖，該(等)子板62如同它們與現有伺服器規格板所進行者一般地連接至該邏輯板16。子板可包括視訊卡與需要IO通過至該殼體外側之其他PCI或PCIE卡，且這些子板將需要液密或氣密墊圈以容許外部IO連接。
與現有伺服器設計不同，該等電源供應器64亦可是子板，且不需要對邏輯板配線供應電力。該等電源供應器亦 可直接結合在該邏輯板16中，且外部交流電(AC)或直流電(DC)連接將透過該貫通連接器72進入具有一液密與氣密墊圈之填充有液體的殼體來達成。
如果使用的話，該泵送系統最好安裝於外部，且將該等殼體12支持於該陣列中。該泵送系統被用來將溫熱液體由該等殼體12內側循環至該等殼體外側而到達該(等)熱發散/回收熱裝置，且液體亦可循環通過外部硬碟冷卻板。該泵送系統可以被配線成使它可以即使在該等伺服器電腦關機時亦可被啟動以循環液體，或者該泵送系統可以被配線成僅在該等伺服器電腦開機時才啟動。在該等伺服器電腦被關機時，在該等殼體12內之液體中有超過足以由該等被浸沒元件移除殘餘之熱的熱容量，這將可確保沒有停機後之熱破壞。又，如果一流動感測器或泵監測器顯示冷卻劑之流動已停止或已減緩至一最小所需速度以下，則該等伺服器電腦之一受控制停機可以在對該等被浸沒元件造成破壞之前良好地完成。這實施例避免一泵系統失效，導致一倚靠空氣冷卻之伺服器電腦的嚴重失效之可能性。
硬碟或其他內部儲存系統亦可被浸沒。若為目前需要透氣孔之以磁盤(platter)為主之機械式儲存系統，則該空氣管線可被固定在該透氣孔上，讓一開放空氣連接至該殼體之外側。該磁碟機之其餘部份將被密封而使氣體與液體無法穿透。
該等處理器透過一般販賣者規定之插座安裝至該邏輯板16上，且在某些情形中，測試顯示不需要散熱器或其他 裝置連接至該等處理器以將它們充份冷卻至一般販賣者規定之溫度。但是，如果較高功率處理器或超頻處理器需要較低操作溫度或一較高程度之熱傳導，則可使用大幅增加由該(等)處理器之熱傳導之暴露表面積的散熱器。
當由該機架系統50移除一殼體12時，電力(AC或DC)會由該殼體12之外部連接器72斷開，形成開路且由該殼體12之內部空間斷開電力(AC或DC)。
該蓋板14亦可包括一開口，且冷卻液體可經由該開口加入該空間中。該開口被一可移除蓋封閉，且該可移除蓋在欲加入液體時被移除。該蓋板亦可包括一將該蓋板鎖固定位且將該殼體如第3圖所示般鎖固在該機架系統50中之鎖固機構。
如前所述，該伺服器邏輯板總成是可移除的且設置在該內部空間中，以讓該伺服器邏輯板總成可在該蓋板被向上提起時由該空間提出。
各殼體12之內部空間應包括足以浸沒希望被浸沒之元件之介電冷卻液體，例如，該冷卻液體可實質填滿該內部空間，藉此浸沒在該邏輯板16上之所有產熱元件。該冷卻系統係被設計成可將被加熱之介電液體由該空間內側引導通過該等外部快速分離閥52而到達該(等)熱交換器、該(等)熱泵、或該液體於其中被冷卻之其他熱發散/回收熱裝置。接著，該被冷卻液體通過該機架系統50與該入口52a與出口52b返回至各殼體。
第7圖顯示一可在一陣列中使用之殼體100，且該殼體 100係設計成可與一後面IO板102電性連接。該殼體100包括一液密殼罩104，且在該殼罩104內側的是一例如一安裝有各種被浸沒在冷卻液體中之產熱電元件之邏輯板的電路板106。一蓋板108封閉該殼罩104之後面，且該蓋板108可移除以便進入該殼罩內部，或者該蓋板可以是不可移除的以永久地封閉該殼罩。
一液體入口110形成在該殼罩之後側且靠近其底座，並且一液體出口112由該後側延伸出來且靠近頂部。這種入口與出口之結構在靠近底部處導入該被冷卻液體，且由於該液體將在它被加熱時上升，所以該被加熱液體可排出該出口112。該入口110與出口112設有快速連接閥，其中該等閥被設計成可在分別與延伸通過該後面板102之一歧管入口120及一歧管出口122連接時自動開啟。該入口120與出口122亦設有在連接時自動開啟之快速連接閥，且該入口120由一入口歧管(見第6圖)延伸出來並且該出口122連接於一出口歧管(第6圖)。
一IO連接器114由該殼罩之後側延伸出來，且該連接器114延伸穿過該殼罩之後壁並且連接於該電路板106。該IO連接器114係設計成可與該後面IO板102之一連接器116電性連接，以將輸入導入該電路板且將輸出由該電路板導出，且如有必要，使電力進入該殼罩中。一類似連接器116設置成用以連接該陣列之各殼體100的連接器IO連接器114。
在有明顯熱之區域中，可使用導向液體流來提供局部冷卻。特別地，如第7圖所示，一導向液體冷卻總成130與 該入口孔連接，且該總成130包括一與該入口110連通之歧管132、及多數由該歧管延伸出來以將液體引導至在該電路板106上之例如CPU等特定目標熱點的管134。該等管134之末端位於所需之熱點附近，或者該等管134可與多數類似於該等分散充滿室74之分散充滿室136連接，以便將返回之液體流引導至該等目標熱點。
第19A-C圖顯示一導流散熱器與分散充滿室總成700之一例的細部結構。該總成700包括一分散充滿室殼罩702，且該分散充滿室殼罩702係一由例如塑膠或金屬等適當材料製成並具有多數周緣側壁710及一頂壁712的結構。一類似於該管134之入口管701連接一設置在該等周緣側壁710之其中一側壁上之入口孔714，以將冷卻劑導引至該分散充滿室殼罩702之內部。雖然所顯示的是一單一入口孔714，但是亦可設置多數各與一入口管701連接之入口孔。入口孔及與該等入口孔連接之管的數目可以依據該目標熱點之冷卻需求來改變。
該殼罩702緊密地包圍一具有一散熱器703安裝於其上之如一GPU或一CPU706等特定目標熱點。該CPU706安裝在一位於該電路板708上之插座707上，且該散熱器703可包含例如，多數由與該CPU706結合處朝該頂壁712向上延伸之翼片704。該等翼片704包括可使與該CPU之熱交換最適當化之相當大的表面積，且該等散熱器翼片可以被切削、刮削、鑄造或以其他方式形成以產生一用以透過直接接觸該冷卻液體而由該CPU移除熱之大表面積。在所示例子 中，該等翼片704被定向成大致平行於由箭號所示之冷卻劑流動方向。為了協助混合或分散該流動，可以在該等翼片704之間設置多數間隙705。
一開口718形成在該殼罩702之一側中，以讓冷卻劑可流出該內部空間。該開口718可以設置在當該冷卻劑通過與該等翼片與該CPU之熱交換時，讓該冷卻劑可由該殼罩702內部離開之任何位置。該被加熱冷卻劑可在離開該殼罩702後或朝該開口718所面向之任何方向排出之後，由於該泵供應該充滿室總成所產生之壓力而朝該殼體頂部向上升。在所示實施例中，該開口係由一間隙形成，且該間隙形成在與該入口孔714相對之周緣側壁710中。在此可設置一個以上之開口，且該開口可以設置在該殼罩702上之任何適當位置處，以便讓該被加熱冷卻劑可離開該殼罩702且朝該殼體之頂部向上升或朝強制流動方向排出。
此外，該殼罩702在靠近該入口孔714處界定出一膨脹室716，且該膨脹室716讓進入該殼罩之冷卻劑可朝多數方向流動以流過該等翼片704之整個區域。
在使用時，由該歧管通過該管701之導向流動，或者直接來自一被泵送源之流動被收納在一由該充滿室殼罩702所界定之侷限空間內。這侷限空間緊密地包封該CPU與連接該CPU之散熱器翼片704，且該充滿室殼罩702收納該液流，迫使該液體在該散熱器之整個表面上具有混流，或在某些條件下具有擾流。這有助於使熱交換最佳化，以便更有效地冷卻多數熱元件，例如，CPU、GPU、北電橋、南 電橋及/或相對它們被使用於其中之該等電子系統的其餘部份產生大量熱之其他元件。在接觸該CPU與翼片後，該液體經由該開口718離開該充滿室殼罩702。
該充滿室殼罩702不必對該CPU與翼片形成一液密封閉結構，且在所示例子中未形成一液密封閉結構，而這有助於免除嚴格製造公差之要求。該充滿室殼罩702應被構形成可有助於當該液體流過該CPU與翼片時收納該液體，且流動之量或程度可依據所希望達到之流動量有多少及所得到之對冷卻效果之增加來決定。
該殼體100被設計成可滑入一在該機架之上與下擱板140a、140b之間的空間中，且具有類似設計之其他殼體將設置在與該殼體100相鄰之擱板140a、140b之間。為了有助於插入與移除該殼體100，可在該殼罩104上形成一握把142。此外，可在該殼體100上及/或在該等擱板140a、140b上設置鉸鍊式鎖144a、144b，以將該殼體100固持定位在該機架中。
第8圖顯示一殼體200，其設計成透過該殼體之一垂直向上移動來達成電性連接與液體連接。該殼體200大致類似於第7圖中之殼體100，且包括一液密殼罩，該液密殼罩內是一安裝有各種產熱電元件之電路板，而該等產熱電元件被浸沒在冷卻液體中。該殼體200係設計成與一安裝在一上擱板204上之頂面202連接，且該頂面202具有一與一IO連接器208連接之IO連接器206。該IO連接器208由該殼體殼罩之頂部延伸出來，且該IO連接器208延伸通過該殼罩頂部並且 與在該殼罩內之電路板連接。
此外，一液體入口210及一液體出口212形成在該殼罩之底部上。該入口210與出口212設有快速連接閥，其中該等閥係設置成在分別與一歧管入口214及一歧管出口216連接時自動地開啟，且該歧管入口214及該歧管出口216由一可垂直移動底座220延伸出來並穿過該底座220。該入口214與出口216亦設有在連接時自動開啟之快速連接閥。
一槓桿系統與該底座220連結以垂直地致動該底座，且該槓桿系統包括一槓桿224。該槓桿224可樞轉地連接於該底座220附近且與之連結，使得當該槓桿224樞轉時，它致動該底座向上。當該底座向上移動時，在該入口與出口210、212之間及該歧管入口與出口214、216之間達成流體連結，且在該等IO連接器206、208達成電性連接。
第9圖顯示一類似於第7圖中之殼體100的殼體300，其包括在該殼體殼罩後側上且分別連接液體入口317與出口318管線之液體入口302與出口304。一後面IO板306包括一IO連接器308，且一頂面310連接於該殼體300之頂部。該頂面310具有一連接於一IO連接器314之IO連接器312，且該IO連接器314延伸穿過該殼體殼罩之頂部並結合在該殼體殼罩中之電路板。該頂面310包括一含有一IO連接器318之附接彎曲部份316，且該IO連接器318係設計成可與該IO連接器308連接。
該殼體300亦可安裝在一伸縮承載滑件320上，且該伸縮承載滑件320容許該殼體可滑入與滑出至定位。該伸縮承 載滑件320固定在該下擱板322上且包括一第一滑動部份324及一第二滑動部份326，並且該第二滑動部份326可相對該第一滑動部份324滑動。
第10圖顯示一可能殼體設計之前面，其中該殼體殼罩350具有由前至後向外傾斜之側壁，使得該殼罩在後面處比在前面處更寬。此外，該殼體之前面由上至下彎曲成新月形，以形成一可被握住以便將該殼體插入與移出該機架之大致沙漏形握把352。
第11圖顯示一堆疊在垂直層404a、404b、404c中之殼體402的陣列400，且各層404a-c包括多數並排配置之殼體402。一液體進入儲存容器406設置在該陣列400之頂部以藉重力將液體供給至該等殼體402。一熱發散裝置408設置在該陣列底部以便在該液體由該等殼體輸出後，用以冷卻該液體。該熱發散裝置408可包括一供該冷卻液體通過之散熱器、及一用以將空氣吹送通過該散熱器以冷卻該液體之風扇。
在第11圖中之配置係利用重力來將冷卻液體供給至各個殼體，且將液體由該等殼體向下排出至該熱發散裝置408。一泵410被用來將該液體向上泵送回到該進入儲存容器406，或者在被傳送至該進入儲存容器406之前先將該液體泵送至一外部熱發散裝置。一選用泵412亦可被用來將該液體由該容器406泵送至該等殼體，而不是僅依靠重力。
除了如第11圖所示般地將該等殼體並排地配置(可被稱為一水平陣列)在多數垂直層中以外，該等獨立殼體亦可 水平地定向，將該等殼體上下互相堆疊，此將被稱為一垂直陣列。例如，第18圖顯示一包括多數上下互相堆疊於一機架601中之水平定向殼體602的陣列。該等殼體602可抵靠相鄰殼體，或者可在各殼體之間提供間隙。此外，該等殼體602可被分隔至類似於第11圖所示之垂直層的不同垂直層中。
前述實施例係參照含有伺服器電子設備之伺服器殼體來說明，但是，在此所述之觀念可應用於含有其他產熱電子設備之其他電子陣列。例如，第12圖顯示一含有多數電源452之電力或電池殼體450。多數如在此所述般配置於一陣列中之殼體450可在一相當緊密之空間提供有效的電源。第13圖顯示一殼體460，其可包含如多數儲存區域網路裝置或連接有網路之儲存裝置、多數路由器、或通訊電子設備之裝置462。這容許等於或大於太-位元組之資料可被放在位於一單一板上之快閃儲存器上。第14圖顯示一殼體470，其中一或多個電源供應單元472以及多數如處理器或記憶體之裝置474一同設置在一板上。由於該電源供應單元472位在該殼體內，所以不需要由一外部來源將DC電源通入該殼體中。AC電源可通入該殼體且可在該殼體內轉換成所需之DC電源。
作為該冷卻液體使用之介電液體可以是任何前述介電液體，如有需要，可將一色料添加至該介電液體而使該液體具有一特殊顏色。該色料亦可以被紫外光(UV)活化，這可與UV光一起使用而使該流體以一特殊顏色發光。
IO連接部可以是電輸入及/或輸出可藉其通入及/或離開該等殼體之任一種IO連接部，且IO連接部包括，但不限於：光纖通道、乙太網路、序列附接SCSI(SAS)、序列進階技術附接(SATA)、USB、視訊、無線(WIFI、RF網路)、溫度或其他環境監測。
無論如何，在本發明中揭露之實施例應被視為是說明性的且非限制性的。本發明之範圍係由以下申請專利範圍界定而非由前述說明界定；且在申請專利範圍之等效意義與範圍內之所有變化應被包含於其中。
10‧‧‧電腦系統
12‧‧‧殼體
14‧‧‧蓋板
16‧‧‧邏輯裝置；邏輯板
20‧‧‧出口歧管
22‧‧‧外部泵
24‧‧‧熱發散或回收熱裝置
26‧‧‧入口歧管
30‧‧‧冷卻劑分配系統
32‧‧‧熱發散或回收熱裝置
34‧‧‧冷卻劑供應管線
36‧‧‧冷卻劑返回管線
40‧‧‧水冷卻迴路
42‧‧‧熱交換器
44‧‧‧泵
46‧‧‧熱發散或回收熱裝置
50‧‧‧機架系統
52‧‧‧閥
52a‧‧‧入口
52b‧‧‧出口
53a‧‧‧入口歧管
53b‧‧‧出口歧管
54‧‧‧框架
56‧‧‧冷卻劑返回管線
58‧‧‧冷卻劑出口管線
62‧‧‧視訊/子板
64‧‧‧電源供應器
70‧‧‧頂面板
72‧‧‧連接器
73‧‧‧輸入/輸出匯流排
74‧‧‧分散充滿室
100‧‧‧殼體
102‧‧‧後面IO板
104‧‧‧殼罩
106‧‧‧電路板
108‧‧‧蓋板
110‧‧‧入口
112‧‧‧出口
114‧‧‧IO連接器
116‧‧‧連接器
120‧‧‧入口
122‧‧‧出口
130‧‧‧導向液體冷卻總成
132‧‧‧歧管
134‧‧‧管
136‧‧‧分散充滿室
140a‧‧‧上擱板
140b‧‧‧下擱板
142‧‧‧握把
144a,144b‧‧‧鉸鍊式鎖
200‧‧‧殼體
202‧‧‧頂面
204‧‧‧上擱板
206,208‧‧‧IO連接器
210‧‧‧入口
212‧‧‧出口
214‧‧‧歧管入口
216‧‧‧歧管出口
220‧‧‧底座
224‧‧‧槓桿
300‧‧‧殼體
302‧‧‧液體入口
304‧‧‧液體出口
306‧‧‧後面IO板
308‧‧‧IO連接器
310‧‧‧頂面
314,312‧‧‧IO連接器
316‧‧‧附接彎曲部份
317‧‧‧液體入口
318‧‧‧液體出口；IO連接器
320‧‧‧伸縮承載滑件
322‧‧‧下擱板
324‧‧‧第一滑動部份
326‧‧‧第二滑動部份
350‧‧‧殼體殼罩
352‧‧‧沙漏形握把
400‧‧‧陣列
402‧‧‧殼體
404a,404b,404c‧‧‧垂直層
406‧‧‧容器
408‧‧‧熱發散裝置
410‧‧‧泵
412‧‧‧選用泵
450‧‧‧殼體
452‧‧‧電源
460‧‧‧殼體
462‧‧‧裝置
470‧‧‧殼體
472‧‧‧電源供應單元
474‧‧‧裝置
500‧‧‧殼體
501‧‧‧邏輯板
600‧‧‧陣列
601‧‧‧機架
602‧‧‧殼體
700‧‧‧導流散熱器與分散充滿室總成
701‧‧‧入口管
702‧‧‧分散充滿室殼罩
703‧‧‧散熱器
704‧‧‧翼片
705‧‧‧間隙
706‧‧‧CPU
707‧‧‧插座
708‧‧‧電路板
710‧‧‧周緣側壁
712‧‧‧頂壁
714‧‧‧入口孔
716‧‧‧膨脹室
718‧‧‧開口
第1圖顯示一與一電子系統及一冷卻系統結合之殼體陣列。
第2圖顯示一獨立殼體，且該可拆卸蓋板位於一開啟位置。
第3圖顯示固持該殼體陣列之機架系統。
第4圖顯示具有該邏輯板、視訊/子板、電源供應單元、頂面板及一連結該機架輸入/輸出匯流排之外部輸入/輸出連接器的殼體。
第5圖顯示一填充有介電流體之殼體及多數結合多數機架歧管快速分離閥之快速分離閥。
第6圖顯示一包括該殼體陣列、一外部泵、及一熱發散/回收熱裝置之冷卻系統。
第7圖是一可用於一陣列中之殼體之另一實施例的側視圖。
第8圖是一殼體之再一實施例的側視圖。
第9圖是一殼體之又一實施例的側視圖。
第10圖是一具有一人體工學握把之殼體的前視圖。
第11圖一垂直堆疊殼體陣列之前視圖。
第12-14圖顯示含有不同種類之產熱電子設備之殼體的側視圖。
第15圖顯示可以與殼體陣列一起使用之示範性冷卻劑分配系統。
第16圖顯示使用一流體冷卻迴路冷卻該介電冷卻液體。
第17圖是一其中含有多數邏輯板之殼體之另一實施例的前視圖。
第18圖是一其中該等殼體水平地定向之機架系統之另一實施例的前視圖。
第19A、19B與19C圖分別是一等角圖、一頂壁已移除之俯視圖、及一側視圖，顯示一用以冷卻一在一邏輯板上之目標熱點的導流式散熱器與分散充滿室總成。
10．．．電腦系統
12．．．殼體

Claims (19)

  1. 一種液體浸沒冷卻電子陣列系統，包含：一機架，其組配成用來收納於其上之複數個電子系統，該機架具有一入口歧管及一出口歧管；複數個電子系統，其安裝成在該機架上呈一水平陣列，各電子系統包含：一密封殼體，其界定出一液密內部空間，一液體入口與該內部空間呈連通並連接至該入口歧管，一液體出口與該內部空間呈連通且連接至該出口歧管，複數個產熱電子裝置設於該內部空間內，且一密封電連接器延伸通過該殼體並電氣連接至該等產熱電子裝置；一介電冷卻液體，其不改變相狀態，且設於該內部空間內並浸沒該等產熱電子裝置，該介電冷卻液體經由該液體入口流入該密封殼體且經由該液體出口流出該密封殼體；一熱交換器，其安裝在該機架上，該熱交換器包括一與該出口歧管呈連通的入口，及一與該入口歧管呈連通的出口；一泵，其連接至該熱交換器以供泵送該介電冷卻液體通過該熱交換器；以及一液體冷卻系統，其與該熱交換器呈熱交換關係。
  2. 如請求項1之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中該等產熱電子裝置包含數個處理器、開關、電源供應器、網路電子裝置、或資料儲存或記憶裝置。
  3. 如請求項1之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中該等電子系統包含數個伺服器、路由器、開關系統、電信網路、電源供應系統、或資料儲存或記憶系統。
  4. 如請求項2之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中各電子系統更包含複數個設於該內部空間內的板件，該等板件係配置成彼此平行且相隔開，且該等產熱電子裝置包含複數個安裝在各板件上的資料儲存或記憶裝置。
  5. 如請求項2之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中各電子系統更包含複數個設於該內部空間內的板件，該等板件係配置成彼此平行且相隔開，且該等產熱電子裝置包含複數個安裝在各板件上的開關。
  6. 如請求項1之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中該液體入口包括一快速連接閥，且該液體出口包括一快速連接閥。
  7. 如請求項1之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中該陣列中之各電子系統係可個別地自該機架移開。
  8. 如請求項1之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中該機架包括複數個IO連接器，且該等密封電連接器係定位成其與該等IO連接器接合。
  9. 如請求項1之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中各電子系統更包含一導向液體冷卻總成，該導向液體冷卻總成係組配來引導該介電冷卻液體之一流動而其通過該液體入口進入各密封殼體至該等產熱電子裝置中之一者；各導向液體冷卻總成包括一歧管及一管件，該歧管 係在各密封殼體之內部空間中並連接至各別之液體入口，該等歧管中之各者包括複數個歧管出口，並且該管件之一入口端連接至該歧管且該管件之一出口端鄰接至該等產熱電子裝置中之一者。
  10. 如請求項9之液體浸沒冷卻電子陣列系統，其中各導向液體冷卻總成更包括一於該內部空間內的充滿室殼罩(plenum housing)，該充滿室殼罩包封一產熱電子裝置，且該充滿室殼罩包括一入口孔及一出口開口，該入口孔係連接至該管件之出口端，且該出口開口允許係經由該入口孔而引入該充滿室殼罩的介電冷卻液體自該充滿室殼罩流出並進入該內部空間。
  11. 一種液體浸沒冷卻電子系統，其用在一液體冷卻電子陣列，包含：一密封殼體，其界定出一液密內部空間；一液體入口，其與該內部空間呈連通並連接至一入口歧管，該液體入口係在該密封殼體之一第一壁中；一液體出口，其與該內部空間呈連通且連接至一出口歧管，該液體出口係在該密封殼體之第一壁中；複數個產熱電子裝置，其設於該內部空間內；一密封電連接器，其延伸通過該殼體之第一壁並電氣連接至該等產熱電子裝置；以及一介電冷卻液體，其不改變相狀態，且設於該內部空間內並浸沒該等產熱電子裝置，該介電冷卻液體經由該液體入口流入該密封殼體且經由該液體出口流出該 密封殼體。
  12. 如請求項11之液體浸沒冷卻電子系統，其中該第一壁係該密封殼體之一後壁。
  13. 如請求項11之液體浸沒冷卻電子系統，其中該等產熱電子裝置包括數個處理器、開關、電源供應器、網路電子裝置、或資料儲存或記憶裝置。
  14. 如請求項11之液體浸沒冷卻電子系統，其中該電子系統包含一伺服器、一路由器、一開關系統、一電信網路、一電源供應系統、或一資料儲存或記憶系統。
  15. 如請求項13之液體浸沒冷卻電子系統，其中該電子系統更包含複數個設於該內部空間內的板件，該等板件係配置成彼此平行且相隔開，且該等產熱電子裝置包含複數個安裝在各板件上的資料儲存或記憶裝置。
  16. 如請求項13之液體浸沒冷卻電子系統，其中該電子系統更包含複數個設於該內部空間內的板件，該等板件係配置成彼此平行且相隔開，且該等產熱電子裝置包含複數個安裝在各板件上的開關。
  17. 如請求項11之液體浸沒冷卻電子系統，其中該液體入口包括一快速連接閥，且該液體出口包括一快速連接閥。
  18. 如請求項11之液體浸沒冷卻電子系統，其中該電子系統更包含一導向液體冷卻總成，該導向液體冷卻總成係組配來引導該介電冷卻液體之一流動而其通過該液體入口進入該密封殼體至該等產熱電子裝置中之一者；該導向液體冷卻總成包括一歧管及一管件，該歧管係在該密 封殼體之內部空間中並連接至各別之液體入口，該歧管包括複數個歧管出口，並且該管件之一入口端連接至該歧管且該管件之一出口端鄰接至該等產熱電子裝置中之一者。
  19. 如請求項18之液體浸沒冷卻電子系統，其中該導向液體冷卻總成更包括一於該內部空間內的充滿室殼罩，該充滿室殼罩包封一產熱電子裝置，且該充滿室殼罩包括一入口孔及一出口開口，該入口孔係連接至該管件之出口端，且該出口開口允許係經由該入口孔而引入該充滿室殼罩的介電冷卻液體自該充滿室殼罩流出並進入該內部空間。
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