TWI715074B - 冷卻電子元件之直液式冷卻系統 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種冷卻電子元件之直液式冷卻系統，其係用於維持該電子元件之一預設熱穩定環境。此系統包含一貯存器與一機架，機架可移動式位於貯存器中，並穩固地掛置有欲冷卻之電子元件。此系統亦包含一介電冷卻劑與一幫浦，介電冷卻劑用於在電子元件之間以平行流向上流動。幫浦幫助介電冷卻劑之連續抽吸，進而強制介電冷卻劑經由電子元件往上流動，並漲滿貯存器中的介電冷卻劑。另有一熱交換器模組，其經由一出口管線耦接貯存器。此外，還有一控制器，其係用於監控介電冷卻劑之溫度並調整介電冷卻劑之流量。

Description

冷卻電子元件之直液式冷卻系統

本發明係關於一種電子元件之冷卻技術，且特別關於一種冷卻電子元件之直液式冷卻系統，其係用來創造各種電子元件之一預設熱穩定環境。

眾所周知，熱是計算機和電子工業面臨的主要問題。 所有電子元件都會產生熱量，一般來說，處理資訊的速度越快，產生的熱量就越多。

眾所周知，電子元件的工作溫度越高，元件的預期壽命越短。 另外，在高溫下操作可能導致功率變動和故障，進而導致計算電子系統內的各種錯誤。 如果不能始持續地控制散熱，則熱量將不可避免地損害計算電子系統的硬體和數據完整性。

眾所周知，工業趨勢是不斷增加系統內部的電子元件的數量。 鑑於許多計算電子系統的佔地面積有限，在有限空間內不斷增加發熱元件的數量將會產生具有挑戰性的熱相關議題。

多種技術用於冷卻封閉的電子設備，以維持計算電子系統中的的組件之預定溫度範圍。 這些技術包括在外殼中提供通風以允許熱量逸出、改善表面的輻射特性以增加從設備散發的熱量、增加風扇以吸取來自外部的冷空氣，使用液體冷卻劑流過，例如，“冷板”放置在外殼中的熱部件上，以便從這些部件中除去熱量。

目前使用兩種不同的冷卻方法以維持計算電子系統中的組件的預定溫度範圍，即純空氣冷卻系統或混合冷卻系統。 在純空氣冷卻系統中，所有組件均由傳統的冷風散熱器冷卻。 為了充分冷卻一些高功率部件，需要非常高的氣流速率和/或大的和/或昂貴的散熱器。 通常使用強大的高速風扇來實現高氣流速率。

然而，因為在高噪聲水平下操作有與極大高速風扇相關聯之高成本，所以純空氣冷卻系統具有高成本並受到噪聲影響。

隨著封裝密度的增加，空氣冷卻解決方案變得越來越昂貴，昂貴且無效。 此外，空氣冷卻方案還具有其他相關的成本，其形式是不需要的聲學和能量消耗。 這種方法正在增加外殼內的灰塵積聚，這導致靜電問題和表面退化而產生的輻射特性。 在容納許多計算電子系統的大型“資料中心”中，散熱問題更加嚴重。 在這種情況下，冷卻成本和提供空氣冷卻的可行性變得特別繁重。

“資料中心”通常是指容納一個或多個“伺服器”的物理位置。 “伺服器”通常是指連接到計算網絡並且運行軟體程式的計算裝置，其被配置為從客戶端計算元件接收請求。 這樣的伺服器還可以包括專用計算元件，例如網絡路由器，資料蒐集設備，可移動盤驅動器陣列，以及通常與資料中心相關聯的其他元件。

目前已經設計了一般的市售伺服器用於空氣冷卻。 這種伺服器通常包括一個或多個印刷電路板，其上安裝有多個電耦合部件。 如上所述，這些電路板通常容納在具有通風孔的外殼中，這些通風孔允許外部空氣流入外殼，以及在通過外殼進行冷卻之後流出外殼。 在許多情況下，一個或多個風扇位於外殼內以促進這種氣流流動。

“機架”已被用於組織多個伺服器。 例如，可以在機架中安裝多個伺服器，並且可以將機架放置在資料中心內。 各種計算組件中的任何一種，例如網絡路由器，硬盤驅動器陣列，資料蒐集設備和電源，通常安裝在機架內。

容納這種伺服器和伺服器之機架的資料中心通常使用集中式風扇或鼓風機在伺服器之間分配空氣。 如本文中更全面地描述地，資料中心內的空氣通常在進入伺服器之前通過熱交換器以冷卻空氣。 在一些資料中心中，熱交換器已安裝到機架上，以在空氣進入伺服器之前提供“機架級”空氣冷卻。 在其他資料中心，空氣在進入資料中心之前被冷卻。

通常，較高性能伺服器的電子組件耗散更多功率。然而，伺服器內的各種硬體組件（例如，晶片，硬盤驅動器，介面卡）中的每一個的功耗受到下面的限制，即相鄰發熱組件消耗的功率、通過伺服器和每一個組件之封裝的氣流速度和氣流路徑，如同每個相應組件之最大允許工作溫度，以及從容納服務器的數據中心進入服務器的冷卻空氣的溫度。反過來，從資料中心進入伺服器的氣流的溫度可能受到相鄰伺服器的功耗和靠近度、氣流速度和通過伺服器周圍區域的氣流路徑以及溫度的影響，如同進入資料中心的空氣溫度（或者相反，從資料中心內的空氣中提取熱量的速率）。

通常，資料中心中較低的空氣溫度允許每個伺服器之組件耗散較高的功率，因此允許每個伺服器耗散更多的功率並以硬體性能之水平運作。 因此，資料中心傳統上使用複雜的空調系統來冷卻資料中心內的空氣，以實現所需的性能水平。 根據一些估計，可以消耗多達一瓦特來消除電子元件消耗的一瓦特熱量。 因此，隨著能源成本和功耗的不斷增加，冷卻資料中心的總成本也在增加。

此外，大規模資料中心已經提供了用於冷卻散熱組件的許多冷卻階段。 例如，冷卻劑之流體（例如水）可以通過蒸汽壓縮式製冷循環冷卻系統的蒸發器，並冷卻至例如在通過資料中心分佈以便冷卻資料中心內的空氣之前。

根據一些估計，一些最先進的資料中心僅能夠冷卻大約150瓦/平方英尺，而不是冷卻超過大約1,200瓦/平方英尺。 可能是因為安排伺服器更充分地利用現有資料中心內的可用容量（例如，緊密間隔伺服器和機架以更充分地利用樓層到天花板的高度和佔地面積）。 如此低的冷卻能力可能會顯著增加建設資料中心的成本，因為資料中心的建造成本可能高達250美元/平方英尺。

如空氣冷卻實例所表示的，商業上可獲得的冷卻方法未跟上伺服器和資料中心性能需求的增加或熱密度的相應增長的步伐。 因此，為了增加額外功耗，故必須做一些努力，例如增加現有資料中心的空調容量，但向現有資料中心添加新伺服器卻變得困難和複雜。

用於冷卻資料中心及其伺服器的各種替代方法（例如，使用液體冷卻系統）已經取得了有限的成效。例如，試圖從微處理器移除熱量以遠程冷卻晶片是昂貴且麻煩的。 在這些系統中，熱交換器或其他冷卻裝置已經與包含晶片的封裝結構有物理上的接觸（或使用熱界面材料的緊密物理接觸）。這些液冷式熱交換器通常具有限定的內部流動通道，用於在熱交換器主體內部循環液體。 但是，伺服器中的組件之位置因伺服器而異。 因此，這些液體冷卻系統已經被設計用於特定的部件佈局，並且不能實現足夠大的經濟規模並具有商業可行性。

浸沒冷卻電子元件已經在高性能應用中嘗試，但是沒有獲得廣泛的商業成功。先前在浸沒式冷卻方面的嘗試已經淹沒了一些元件，並且在一些情況下，所有元件都安裝在印刷電路板中的介電冷卻劑中，使用密封外殼來容納冷卻劑。這種系統價格昂貴，並且由有限數量的供應商提供。

Cray所著的美國專利案號4,590,538，是在正常操作期間，用於冷卻電子元件的浸沒系統的早期實例。Cray描述了在正常操作期間使用非導電或介電冷卻劑從電子電路組件中提取熱量所帶來的顯著優點。

Krajewski等人所著的美國專利案號5,167,511公開了用於在正常操作期間冷卻電子元件的浸沒系統的另一個例子。

在上述參考文獻中公開的系統中的一個特定問題是，每當需要對電子模組進行物理接觸(access)時，需要排出冷卻中的冷卻劑。 通常，這種操作除了耗時之外，還需要關閉整個系統，特別是如果需要注意的組件是系統架構中的必要元件，例如中央處理單元。

因此，當前使用或先前嘗試的每種伺服器或計算機冷卻方法過於昂貴和/或不足以滿足計算組件之增加中的冷卻需求。

因此，需要一種用於冷卻電子元件的有效、高效率和低成本的冷卻替代方案，例如，安裝在機架上的伺服器。

此外，需要一種解決方案來使伺服器之環境具有成本效益和能量效率，同時提供可以擴展到比當前系統設計更好之散熱解決方案，並且可以實際應用於製造未來生成環境。

因此，本發明之目的是公開一種用於電子元件的直液式冷卻系統，該系統被設計成為各種電子元件，例如機架安裝式伺服器等，來創造預設的熱穩定環境。

本發明的又一個目的是提供一種具有成本效益之系統，其具有低操作成本和改進的可靠性。 這些目的通過本發明公開的直液式冷卻系統來實現，並且特別地，該系統包括一貯存器，貯存器被配置為設有掛置待冷卻的電子元件的可取回之一機架。 該系統還被配置為允許電子元件之間的介電冷卻劑的平行流動，從而有助於冷卻元件。

鑑於傳統方法和系統的缺點與其他示例性問題，本發明的特徵是改進用於冷卻電子元件的直液式冷卻系統，該系統以具有成本效益且節能的方式，提供電子元件環境之預設熱穩定環境。

根據本發明之一實施例，本發明提供一種冷卻電子元件的直液式冷卻系統，其用於維持電子元件之一預設熱穩定環境，直液式冷卻系統包含一貯存器與一機架，機架一上部分與一下部分，上部分與下部分由一水平放置之平板分離，平板具有複數個導引開口或閥門。

機架可移動式位於貯存器中，並穩固地掛置有欲冷卻之電子元件。

機架更包含在機架之側面上的T形縱向凹槽，以便於將電子元件與其他設備固定在機架上。

系統更包含一介電冷卻劑，其係用於經由至少一噴嘴，並在電子元件之間以平行流向上流動，噴嘴位於貯存器之底部，且噴嘴對準用以分離機架之上部分與下部分之平板之導引開口。

系統更包含一幫浦組合，經由一進水管線耦接至少一噴嘴，幫浦組合幫助介電冷卻劑之連續抽吸，進而強制介電冷卻劑經由電子元件往上流動，並漲滿介電冷卻劑。

提供一熱交換器模組，其經由一出口管線耦接貯存器，出口管線耦接一出口埠，出口埠用於接收介電冷卻劑之溢流。

提供一控制器，用於監控溫度並經由電子元件調整介電冷卻劑之流量，以維持電子元件之預設熱穩定環境。

此外，系統更包含介電隔板，其係經由機架之側面上的T形縱向凹槽放置，介電隔板用於分離介電冷卻劑的平行流和貯存器內的功能區。

上述所用的術語“包含”、“具有”、“包括”和“含有”是指各種另外的組成可以共同用於本發明之系統中。

茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

在以下針對本發明之具體實施例的描述和相關附圖中，公開了本發明的各方面技術。 在不脫離本發明的範圍的情況下，可以設計替代實施例。 另外，本發明的公知元件將不再詳細描述或將被省略，以免模糊本發明的相關細節。

本發明使用詞語“示例性”來表示“用作示例、實例或說明”。本發明中描述為“示例性”的任何實施例不必被解釋為比其他實施例優選或有利。 同樣，術語“本發明的實施例”不要求本發明的所有實施例都包括所討論的特徵、優點或操作模式。

這裡使用的術語僅用於描述特定實施例，並不意圖限製本發明的實施例。 如這裡所使用的單數形式“一”、“一個”和“該”也包括複數形式，除非上下文另有明確說明。 將進一步理解，術語“包括”、“包含”、“包括”和/或“包括”，當在本發明中使用時，指定所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除存在或添加一個或多個其他特徵，如整數、步驟、操作、元素、組件和/或其群組。

本發明中使用的“電子元件”可以是具有高、中或低端處理能力的獨立計算處理器。 在一實施例中，電子元件可以包括多個電子系統機箱，每個電子系統機箱具有多個發熱元件或其中需要冷卻的單板電腦，單板電腦即刀片。作為一個實例，電子系統機箱可以是多刀鋒(multi-blade)中心伺服系統。 每個多刀鋒中心伺服系統的刀片或子系統可以是可拆卸的，並且包括多種不同類型的欲進行液體冷卻之組件。

根據本發明，具有多種不同類型的任何電子元件，例如刀片、電子書或節點等，通過共同浸沒在流過或跨過元件的冷卻劑中而直接冷卻。在一個實例中，多種不同類型的元件中的每個元件的一個或多個表面與冷卻劑直接物理接觸(access)，以促進熱量從元件傳遞到冷卻劑。

請參閱第1圖至第3圖，一種冷卻電子元件2之直液式冷卻系統用於維持電子元件之一預設熱穩定環境，直液式冷卻系統包含一貯存器1與一機架5。

貯存器1適於容納包含待冷卻的電子元件的機架5。貯存器1還可具有可移除的蓋子（圖中未示）。 蓋子可以鉸接在貯存器之壁的一側上。

根據本發明的一實施例，介電冷卻劑以平行流3向上流動。 電介質冷卻劑有助於從放置在貯存器1中內的機架5中的電子元件傳遞熱量。

可用於這種類型的直接冷卻系統的介電冷卻劑包括但不限於工程流體，如3M ^TMNovec ^TM、礦物油、矽油、天然酯基油(Natural ester-based oils)，包括大豆基油(soybean-based oils)，和合成酯基油(Synthetic ester-based oils)。

較佳地，機架5在側表面上具有T形縱向凹槽，以便於安裝電子元件2和其他待冷卻的設備。 已經確定，T形縱向凹槽有助於電子元件2以及其他設備進行安全可靠的安裝。

另外，鎖定機構（圖中未示）或合適的安裝構件（圖中未示）可以與T形縱向槽一起設置，即用於固定電子元件2。應該理解的是，任何其他已知的配置係允許組件進行安全安裝（例如，也可以與本發明結合使用）。

機架5可拆卸地放置在貯存器1內，這允許在維護和/或修理的情況下容易接觸(access)電子設備。另外，此種配置允許簡易變電站設置和/或添加電子設備的組件。

可以使用將機架5可拆卸地固定在貯存器1內的各種方法。例如，已知的方法包括將機架5閂到貯存器1的預設焊接插座、使用壓力將機架5連接到貯存器1的壁上，或者使用自鎖機構。

在本發明之一實施例中，機架5還容納介電隔板4。 介電隔板4提供了貯存器1內的冷卻劑之流體和功能區的進一步分離。 T形縱向槽用於固定介電隔板4，如第2圖所示。介電隔板4有利於平行流3的平行和均一性質，從而放大冷卻電子元件2之均勻性和一致性。

為了經由電子元件2提高平行流3的有效性，較佳採用一填充元件6或多個填充元件6以便堵塞用於安裝電子元件2的未使用空間，如第3圖所示。

較佳地，當機架5沒有完全載滿電子元件2時，仍然保持電子元件2浸沒冷卻，填充元件6呈重疊流動板的形式，或者以位移元件的形式，其允許減少貯存器1內的介電冷卻劑的量。

在本發明之一實施例中，填充元件6可以填充高達貯存器之內部空間的50％，從而減少在任何時間容器內使用的介電冷卻劑的最大量。 有利地，填充元件6減少了貯存器1內所需的介電冷卻劑的量，同時仍然保持由冷卻劑浸沒冷卻的多種不同類型的電子元件2。

在本發明之一實施例中，舉例來說，藉由限定介電冷卻劑的一個或多個平行流3來塑造填充元件6的形狀，以引導介電冷卻劑流過貯存器1。

請參閱第2圖，機架5具有一上部分25與一下部分35，上部分25與下部分35由一水平放置之介電板12分離。

根據本發明之一實施例，介電板12包括複數個介電板12'。介電板12或複數個介電板12'包括至少一個導引開口22，並且較佳地包括多個導引開口22，如第3圖所示。導引開口22 還可包括引導和調節冷卻劑流動的導引閥。

請參閱第4圖。介電冷卻劑用於經由至少一噴嘴9，並在電子元件2之間以平行流3向上流動，噴嘴9位於下部分35上，下部分35位於貯存器1之底部，且噴嘴9對準介電板12之導引開口22。

如第4圖所示，噴嘴9耦接進水管線8。噴嘴9與導引開口22之耦接可以例如藉由波紋軸襯11順利完成，以確保有適當的對準。應理解的是，較佳地，可以提供複數個噴嘴9。

介電冷卻劑在向上的方向由幫浦組合7所提供，且幫浦組合7經由進水管線8耦接至少一噴嘴9。

請參閱第4圖，幫浦組合7對介電冷卻劑進行連續抽吸，從而迫使介電冷卻劑經由電子元件2向上流動。介電冷卻劑的連續供應導致溢流，如第5圖所示。向下溢流移動通過溢流區13，該溢流區13由貯存器1的壁和介電隔板4所形成。

如第5圖所示，溢流區13包括與出口管線15耦接的出口埠14。 出口埠14基本上用來接收整個介電冷卻劑之溢流。 換句話說，出口埠14的尺寸與溢流區13的尺寸相同。

如第6圖所示，根據本發明的系統產生一種迴路，其中冷的和加熱的冷卻劑被分離，並且不會發生冷卻劑的混合。處於較低溫度的初始狀態的冷卻劑向上行進並且透過來自電子元件2的熱傳遞而被加熱。當冷卻劑到達機架5的頂部時被加熱，冷卻劑溢出並進入溢流區13，其中“加熱的”冷卻劑透過介電隔板4與在初始狀態下的冷卻劑分離。 換句話說，“冷卻的”冷卻劑從貯存器1的底部向上流動，“加熱的”冷卻劑從貯存器1的頂部向下流動。

請參閱第7圖，根據本發明之一實施例，控制器17用於監視和控制系統的操作，例如介電流體的流動和溫度。系統的有效操作需要連續監測和控制許多基本操作參數，包括本文所述的介電流體在循環期間的許多點處的流體溫度、壓力與電導率。

可以使用傳統之專用硬體和軟體來實現感知和控制功能。本發明的目的之一是為電子元件2提供預設的熱穩定環境。

因此，在本發明之一實施例中，技術方案的數量在控制器17中實現。例如，利用專用感測器（圖中未示）檢測和分析被冷卻設備之熱點上方的溫度，以確定溫度差，並指示幫浦組合7基於所提供的溫度資料，增加或減少冷卻劑之平行流3的速度。

另一個例子是透過熱交換器模組18和/或出口管線15中的專用感測器（圖中未示），檢測加熱的冷卻劑之返回流的溫度，確定溫度差並引導幫浦組合7根據所提供的溫度資料增加或減少冷卻劑之水平流3的速度。

控制器17之功能的又一實例是，基於透過溫度感測器在溢流區域13中檢測到的溫度變化梯度，經由噴嘴9並採用機械或電機械之方式，來引導和/或調節冷卻劑之體積和流動強度，其中噴嘴9對準介電板12的導引開口22。

因此，系統之控制器17用於控制冷卻系統的不同元件，以將現有的介電冷卻劑之溫度保持在可接受的高溫。 通過將現有冷卻劑保持在升高的水平，冷卻系統可以與許多不同的技術一起使用，以使用或消散熱量（例如，熱量回收、低功率散熱或冷藏）。

請參閱第8圖，熱交換器模組18通過連接到管線的密封快速釋放管接頭連接到貯存器1，以反向導引冷卻劑流19。

熱交換器模組18更包括與用於信號傳輸和電力電線的電動快速斷開器20組合。 經由幫浦組合7的冷卻劑流經過熱交換器模組18之主迴路將熱量傳遞到第二迴路。第二迴路又通過密封的快速釋放管接頭連接到熱回收系統21的管線。 每個迴路可具有專用幫浦組合，以傳送如本發明所提供的冷卻劑。

在一實施例中，熱交換器模組18位在遠離貯存器1之位置，且包括至少一個幫浦組合7。貯存器1可包括來自本文所述的管線系統的管道或管線，其連接到熱交換器模組18，用於將較低溫度或冷卻的液體冷卻劑流入貯存器1，貯存器1可包括另一管道或管線連接到出口管線15，用於將加熱的冷卻劑從貯存器1流出或抽出送到位於遠端的熱交換器模組18，如第8圖所示。

任何已知的熱回收系統都適用於達到本發明之目的。一些已知的方法是冷卻塔、外部散熱器和冷卻器系統。

此外，熱回收裝置可以是將回收的熱量用於環境加熱的地方。 例如，熱回收裝置可以是建築物或房間加熱系統的一部分，其中回收的熱量用於加熱建築物。 熱回收裝置的實例包括但不限於地板內加熱器和地熱發電。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1      貯存器 2      電子元件 3      平行流 4      介電隔板 5      機架 6      填充元件 7      幫浦組合 8      進水管線 9      噴嘴 11    軸襯 12    介電板 12’   介電板 13    溢流區 14    出口埠 15    出口管線 17    控制器 18    熱交換器模組 19    冷卻劑流 20    電動快速斷開器 21    熱回收系統 22    導引開口 25    上部分 35    下部分

第1圖為本發明之冷卻電子元件之直液式冷卻系統之一實施例之結構示意圖。 第2圖為本發明之機架之一實施例之結構示意圖。 第3圖為本發明之冷卻電子元件之直液式冷卻系統之另一實施例之結構示意圖。 第4圖為本發明之噴嘴與進水管線之一實施例的結構示意圖。 第5圖為本發明之冷卻電子元件之直液式冷卻系統之出口與出口埠之一實施例之結構示意圖。 第6圖為本發明之冷卻電子元件之直液式冷卻系統之冷卻劑之一實施例之示意圖。 第7圖為本發明之冷卻電子元件之直液式冷卻系統之控制器之一實施例之結構示意圖。 第8圖為本發明之冷卻電子元件之直液式冷卻系統之熱交換器模組之一實施例之結構示意圖。

1      貯存器 2      電子元件 3      平行流 4      介電隔板 5      機架

Claims (4)

1. 一種冷卻電子元件之液體冷卻系統，包含：一貯存器；一機架，與欲冷卻之該電子元件可移動式位於該貯存器中，其中該機架具有一上部分與一下部分，該上部分與該下部分由一水平放置之介電板分離，該介電板具有複數個導引開口並列設置，且該等導引開口為長條形導引開口；一介電冷卻劑，其係用於以平行流向上流動；複數介電隔板，容納在該機架，該等介電隔板之間平行設置，用於提供該介電冷卻劑的該平行流和該貯存器內的功能區的分離；一幫浦組合，經由一進水管線耦接至少一噴嘴，該噴嘴對準該介電板的該導引開口，該幫浦組合經由該至少一噴嘴幫助該介電冷卻劑之連續抽吸，進而強制該介電冷卻劑經由該介電隔板往上流動，並漲滿該介電冷卻劑至一出口埠中；一熱交換器模組，經由一出口管線耦接該貯存器，該出口管線耦接該出口埠，該出口埠用於接收該界定冷卻劑之溢流；以及一控制器，用於監控並調整該介電冷卻劑之溫度與流量，以維持一預設熱穩定環境。
2. 如請求項1所述之液體冷卻系統，其中該機架更包含在該機架之側面上的T形縱向凹槽，以便於將該電子元件固定在該機架和該介電隔板上。
3. 如請求項1所述之液體冷卻系統，其中該機架更包含至少一個填充元件，以幫助該介電冷卻劑產生最大流動，並減小當該機架未被 該電子元件完全佔據時所使用的該介電冷卻劑的體積。
4. 如請求項1所述之液體冷卻系統，其中該介電板更包含複數個介電板。

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