TWI795259B

TWI795259B - 浸沒式相變機台之運作參數設定方法

Info

Publication number: TWI795259B
Application number: TW111112730A
Authority: TW
Inventors: 王譽程; 韓樹康
Original assignee: 英業達股份有限公司
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2023-03-01
Also published as: TW202341844A

Abstract

一種浸沒式相變機台之運作參數設定方法，首先將一發熱模組設置於一浸沒式相變機台之一密閉空間內；接著控制發熱模組以一預設功率進行運作；然後將一工作流體以一初始填充率注入密閉空間內，偵測與紀錄一第一初始穩態平衡溫度；之後，將初始填充率逐次加上一變異填充率以定義為複數個不同之實驗填充率，將工作流體以遞增之實驗填充率注入密閉空間內，偵測與紀錄複數個第一實驗穩態平衡溫度；最後，在第一初始穩態平衡溫度與第一實驗穩態平衡溫度中選取一第一最低穩態平衡溫度，並將初始填充率與實驗填充率其中相對應者定義為一最佳填充率。

Description

浸沒式相變機台之運作參數設定方法

本發明係關於一種運作參數設定方法，尤其是指一種浸沒式相變機台之運作參數設定方法。

隨著電子技術的不斷發展，CPU集成化、尺寸小型化及性能的不斷提高，功耗急劇增加，散熱問題已成為制約電腦發展的主要因素之一，因此如何高效地將CPU熱量散去成為了急需解決的問題。

目前對電子元件比較成熟的散熱方式主要有空氣冷卻、液體冷卻或熱管冷卻技術，然而傳統的散熱方式在解決當今使用者對CPU進行高功率應用卻存在一定的問題，受限於散熱器本身的材料特性和散熱比表面積，當CPU功率增大時，熱流密度很高，致使CPU無法降低至要求的溫度，而過高的溫度會降低CPU的運行速率，甚至在高溫時很容易燒壞，大大影響了使用者的使用體驗。

承上所述，利用空氣進行散熱的空氣自然對流和強制對流等冷卻方式已遠遠不能滿足現有的高功率CPU的散熱要求，而液體冷卻和熱管冷卻技術雖然具有良好的均溫性，但在散熱量較大的情況下，冷卻液體與空氣並無法及時地將熱量帶走，致使熱量會持續堆積在散熱器中。

為了達到理想的散熱效果，需要採用散熱效果更優的方式來解決CPU的散熱問題，尤其因為CPU的尺寸越來越小，因此CPU的接觸面積極為有限，不管是氣冷、液冷或熱管冷卻等方式都無法有效的帶走CPU的熱量，因此現有技術更研發出一種浸沒式冷卻技術，主要是將CPU浸泡至冷卻液體中，藉以透過直接接觸的方式來帶走熱量，然而由於將CPU浸沒於冷卻液體便能有明顯的效果，因此一般使用者對於浸沒式冷卻技術的參數設定較沒有研究，導致無法有效的將浸沒式冷卻技術完整的發揮。

有鑒於在先前技術中，一般使用者對於浸沒式冷卻技術的參數設定較沒有研究，只會簡單的將CPU浸沒於冷卻液體中進行冷卻，無法有效的發揮浸沒式冷卻技術的功效；緣此，本發明的主要目的在於提供一種浸沒式相變機台之運作參數設定方法，可以有效的找出浸沒式相變機台之運作參數設定，進而提高冷卻功效。

本發明為解決先前技術之問題，所採用的必要技術手段是提供一種浸沒式相變機台之運作參數設定方法，包含以下步驟（A）至步驟（M）。

首先，步驟（A）是將一用以模擬一工作元件發熱之發熱模組設置於一浸沒式相變機台之一密閉空間內，且工作元件運作時係產生一運作熱能。

步驟（B）是控制發熱模組以一預設功率進行運作使發熱模組發出一模擬運作熱能之模擬熱能。

步驟（C）是將一工作流體以一初始填充率注入密閉空間內，偵測與紀錄發熱模組之一第一初始穩態平衡溫度。

步驟（D）是將初始填充率逐次加上一變異填充率以定義為複數個不同之實驗填充率，將工作流體以遞增之實驗填充率注入密閉空間內，以對應地進行複數次偵測與紀錄發熱模組之複數個第一實驗穩態平衡溫度。

步驟（E）是在第一初始穩態平衡溫度與第一實驗穩態平衡溫度中選取一第一最低穩態平衡溫度，並將初始填充率與實驗填充率其中對應於第一最低穩態平衡溫度之一者定義為一最佳填充率。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，在步驟（E）之後更包含以下步驟（F）至步驟（I）。步驟（F）是將工作流體以最佳填充率注入密閉空間內。步驟（G）是以一第一初始轉速啟動一熱連結密閉空間之風冷散熱模組，偵測與紀錄工作元件之一第二初始穩態平衡溫度。步驟（H）是將第一初始轉速逐次加上一第一變異轉速以定義為複數個不同之第一實驗轉速，將風冷散熱模組以漸變之第一實驗轉速對密閉空間進行散熱，以對應地進行複數次偵測與紀錄工作元件之複數個第二實驗穩態平衡溫度。步驟（I）是在第二初始穩態平衡溫度與第二實驗穩態平衡溫度中選取一第二最低穩態平衡溫度，並將第一初始轉速與第一實驗轉速其中對應於第二最低穩態平衡溫度之一者定義為一第一最佳轉速。

較佳者，當工作流體注入密閉空間內而達到初始填充率時，發熱模組係浸沒於工作流體中；第一初始轉速為0 rpm。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，在步驟（I）之後更包含以下步驟（J）至步驟（M）。步驟（J）是將密閉空間抽真空至一預設壓力。步驟（K）是以一第二初始轉速啟動風冷散熱模組，偵測與紀錄工作元件之一第三初始穩態平衡溫度。步驟（L）是將第二初始轉速逐次加上一第二變異轉速以定義為複數個不同之第二實驗轉速，將風冷散熱模組以漸變之第二實驗轉速對密閉空間進行散熱，以對應地進行複數次偵測與紀錄工作元件之複數個第三實驗穩態平衡溫度。步驟（M）是在第三初始穩態平衡溫度與第三實驗穩態平衡溫度中選取一第三最低穩態平衡溫度，並將第二初始轉速與第二實驗轉速其中對應於第三最低穩態平衡溫度之一者定義為一第二最佳轉速。

較佳者，預設壓力為0.055MPa；第二初始轉速為0 rpm。

本發明之浸沒式相變機台之運作參數設定方法主要是利用發熱模組模擬工作元件運作時所產生的熱能，然後將工作流體以初始填充率注入密閉空間內，並以遞增之實驗填充率注入密閉空間內，進而從偵測到的最低溫度來取得最佳填充率，藉以有效的讓使用者可以的到最適合工作流體之填充率。相較於先前技術只將工作元件浸沒於工作流體中的方式，本發明確實可以更有效的發揮浸沒式冷卻技術的冷卻功效。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。

請參閱第一圖至第四圖，第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之浸沒式相變機台之運作參數設定方法所應用之浸沒式相變機台之立體示意圖；第二圖係顯示浸沒式相變機台之立體分解示意圖；第三圖係顯示浸沒式相變機台另一視角之立體分解示意圖；第四圖係為第一圖之A-A剖面示意圖。

如第一圖至第四圖所示，一種浸沒式相變機台100包含一機箱本體1、一發熱模組2、一透視窗3、一散熱組件4以及一風冷散熱模組5。

機箱本體1具有一底板11、一第一側板12、一第二側板13、一前框板14以及一後背板15，第一側板12、第二側板13、前框板14與後背板15是分別一體成型地連結於底板11，且第一側板12與第二側板13之兩側係分別一體成型地連結於前框板14與後背板15之兩側；其中，前框板14具有一前開口141，而第一側板12、第二側板13、前框板14與後背板15也圍構出一上開口OP。

承上所述，第一側板12具有一管路連接組件121，管路連接組件121是用以連接一抽注液泵（圖未示）與一真空泵（圖未示）。

發熱模組2是設置於底板11，用以產能熱能。其中，發熱模組2在本實施例中包含多個發熱片21（圖中僅標示一個），且每個發熱片21更設有一溫度感測器（圖未示），藉以量測每個發熱片21之溫度。此外，在實務上，溫度感測器例如可以是透過膠黏的方式固定於發熱片21之表面，或者是透過磁鐵吸附的方式固定於發熱片21之表面。

透視窗3是密封地固定於前框板14之前開口141。散熱組件4是密封地固定於上開口OP，藉以使底板11、第一側板12、第二側板13、前框板14、後背板15、透視窗3與散熱組件4圍構出一密閉空間CS。其中，使用者可以透過前開口141看到密閉空間CS內的狀況。

此外，散熱組件4還包含一蓋板本體41、複數個內側鰭片42（圖中僅標示一個）與複數個外側鰭片43（圖中僅標示一個），內側鰭片42係設置於蓋板本體41之內側，並在蓋板本體41密封地固定於上開口OP時，伸入密閉空間CS中。外側鰭片43係與內側鰭片42相對地設置於蓋板本體41之外側，並透過蓋板本體41熱連結於內側鰭片42。

上述之管路連接組件121在密閉空間CS內還設有一延伸至底板11之液體輸送管1211。

風冷散熱模組5是設置於外側鰭片43上，用以朝外側鰭片43提供散熱氣流以加速散熱。

請繼續參閱第五A圖至第七圖，第五A圖與第五B圖為本發明較佳實施例所提供之浸沒式相變機台之運作參數設定方法之步驟流程圖；第六圖係顯示工作流體在浸沒式相變機台內循環地蒸發與冷凝之示意圖；第七圖係顯示工作流體在浸沒式相變機台內不同充填率所對應的液面高度。

如第一圖至第七圖所示，一種浸沒式相變機台之運作參數設定方法包含以下步驟S101至步驟S113。

步驟S101是將一用以模擬一工作元件發熱之發熱模組2設置於一浸沒式相變機台100之一密閉空間CS內，且工作元件運作時係產生一運作熱能。其中，工作元件例如為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）或者設有中央處理器之主機板，在本實施例中，發熱模組2設有多個發熱片21，藉以模擬設置於伺服器之多個處理器。

步驟S102是控制發熱模組2以一預設功率進行運作，使發熱模組2發出一模擬運作熱能之模擬熱能。其中，發熱模組2以預設功率進行運作的目的是用於模擬工作元件運作時所產生之運作熱能，且本實施例之發熱片21為陶瓷發熱片，因此預設功率與工作元件之運作功率不一定會相同，但發熱模組2所產生之模擬熱能會趨近於工作元件運作時所產生之運作熱能。

步驟S103是將一工作流體WF以一初始填充率注入密閉空間CS內，偵測與紀錄發熱模組2之一第一初始穩態平衡溫度。其中，填充率的計算是以密閉空間CS為基礎，在工作流體WF未注入密閉空間CS時的填充率為0%，當工作流體WF充滿整個密閉空間CS時，填充率即達到100%，而本實施例之初始填充率為20%。需特別說明的是，本實施例之工作流體WF為氟化液，例如為3M公司之產品FC-72，屬於一種無色透明全氟液體，其沸點為56℃。

此外，在發熱模組2產生模擬熱能後，工作流體WF會吸熱，並在溫度達到56℃時沸騰，此時工作流體WF會吸收大量的熱量而由液態轉變氣態，而當氣態的工作流體WF上升並與內側鰭片42進行熱交換後，會逐漸冷卻而重新凝結成液態的工作流體WF，並回流至密閉空間CS底部的工作流體WF中，藉此，透過工作流體WF不斷的在液態與氣態之間循環，可以有效的帶走發熱模組2所產生的模擬熱能。

其中，內側鰭片42與氣態的工作流體WF熱交換所吸收到的熱能會透過蓋板本體41熱傳導至外側鰭片43進行散熱，因此當風冷散熱模組5運作時，更可加速氣態的工作流體WF的冷卻速率。

步驟S104是將初始填充率逐次加上一變異填充率以定義為複數個不同之實驗填充率，將工作流體以遞增之實驗填充率注入密閉空間內，以對應地進行複數次偵測與紀錄發熱模組之複數個第一實驗穩態平衡溫度。在本實施例中，由於初始填充率為20%，變異填充率為2%，因此實驗填充率即為22%、24%、26%...一直遞增上去，而本實施例僅預設遞增至60%，而複數個第一實驗穩態平衡溫度則對應於每個實驗填充率。

承上所述，當工作流體WF注入密閉空間CS內而達到初始填充率時，工作流體WF在密閉空間CS內的高度會達到高於發熱模組2在密閉空間CS內的高度之一初始高度h1，使整個發熱模組2浸沒於工作流體WF中，而當工作流體WF注入密閉空間CS內而達到多個實驗填充率時也會逐漸達到多個實驗高度h2至h5（圖中僅示例性的顯示四個，實際上是每2%的變異填充率就會產生一個實驗高度）。

步驟S105是在第一初始穩態平衡溫度與第一實驗穩態平衡溫度中選取一第一最低穩態平衡溫度，並將初始填充率與實驗填充率其中對應於第一最低穩態平衡溫度之一者定義為一最佳填充率。此外，雖然在步驟S104中，實驗填充率是預設遞增至60%，但由於步驟S105是從初始填充率與實驗填充率所對應之第一初始穩態平衡溫度與第一實驗穩態平衡溫度中選取出第一最低穩態平衡溫度，因此只要第一最低穩態平衡溫度出現後，即使實驗填充率未達到預設的60%也可以停止。

步驟S106是將工作流體WF以最佳填充率注入密閉空間內。在本實施例中，最佳填充率例如為初始填充率的20%。

步驟S107以一第一初始轉速啟動一熱連結密閉空間之風冷散熱模組，偵測與紀錄發熱模組2之一第二初始穩態平衡溫度。

步驟S108將第一初始轉速逐次加上一第一變異轉速以定義為複數個不同之第一實驗轉速，將風冷散熱模組以漸變之第一實驗轉速對密閉空間進行散熱，以對應地進行複數次偵測與紀錄發熱模組2之複數個第二實驗穩態平衡溫度。

步驟S109在第二初始穩態平衡溫度與第二實驗穩態平衡溫度中選取一第二最低穩態平衡溫度，並將第一初始轉速與第一實驗轉速其中對應於第二最低穩態平衡溫度之一者定義為一第一最佳轉速。

步驟S110將密閉空間抽真空至一預設壓力。

步驟S111以一第二初始轉速啟動風冷散熱模組，偵測與紀錄發熱模組2之一第三初始穩態平衡溫度。

步驟S112將第二初始轉速逐次加上一第二變異轉速以定義為複數個不同之第二實驗轉速，將風冷散熱模組以漸變之第二實驗轉速對密閉空間進行散熱，以對應地進行複數次偵測與紀錄發熱模組2之複數個第三實驗穩態平衡溫度。

步驟S113在第三初始穩態平衡溫度與第三實驗穩態平衡溫度中選取一第三最低穩態平衡溫度，並將第二初始轉速與第二實驗轉速其中對應於第三最低穩態平衡溫度之一者定義為一第二最佳轉速。

請繼續參閱第八圖，第八圖係顯示在不同的風扇轉速下，溫度與氣壓的變化曲線圖。如第一圖至第八圖所示，曲線T1是顯示從風冷散熱模組5從轉速0rpm至6000rpm時的溫度變化，發熱模組2之多個發熱片21所量測到的平均溫度；曲線T2是顯示密閉空間CS在抽真空之後，風冷散熱模組5從轉速0rpm至6000rpm時的溫度變化；曲線T3是顯示風冷散熱模組5從轉速0rpm至6000rpm時的壓力變化；曲線T4是顯示密閉空間CS在抽真空之後，風冷散熱模組5從轉速0rpm至6000rpm時的壓力變化。

其中，由上述曲線T1與T3可知，在風冷散熱模組5未運轉的情況下，在發熱模組2所量測到的溫度約為66℃，而密閉空間CS內的壓力約為0.135MPa（相較於一開始的抽真空環境為0.055MPa，表示發熱模組2加熱使工作流體WF沸騰後會提供約0.08MPa的蒸氣壓），當風冷散熱模組5之轉速達到1000rpm後會下降約2℃，而密閉空間CS內的壓力也會下降至0.114MPa左右，在轉速達到4000rpm後更降溫至58℃左右，最終在轉速達到6000rpm後更降溫至56℃左右；相較於此，由上述曲線T2與T4可知，在密閉空間CS處於抽真空的狀態下，風冷散熱模組5運轉到1000rpm即可使發熱模組2的溫度明顯下降至60℃左右，且密閉空間CS內的壓力也下降至0.110MPa左右，表示一開始的抽真空環境（0.055MPa）可以加速工作流體WF的沸騰。

如上所述，在本實施例中，利用本發明之浸沒式相變機台之運作參數設定方法所獲取之工作流體WF之最佳填充率為20%，未抽真空時的第一最佳轉速為4000rpm（超過4000rpm後的降溫效果趨緩），而抽真空時的第二最佳轉速為3000rpm（超過3000rpm後的降溫效果趨緩）。

需特別說明的是，雖然在風冷散熱模組5轉速運轉至5000rpm以上時，不管密閉空間CS是有先抽真空，發熱模組2的溫度大都可以降溫至57℃左右，主要是因為工作流體WF的沸點為56℃，因此在其他實施例中，使用者可以依據需求挑選所需沸點的工作流體WF，然後透過本發明之浸沒式相變機台之運作參數設定方法來獲取工作流體WF之最佳填充率、未抽真空時的第一最佳轉速以及抽真空時的第二最佳轉速。綜上所述，本發明之浸沒式相變機台之運作參數設定方法主要是利用發熱模組模擬工作元件運作時所產生的熱能，然後將工作流體以初始填充率注入密閉空間內，並以遞增之實驗填充率注入密閉空間內，進而從偵測到的最低溫度來取得最佳填充率，藉以有效的讓使用者可以的到最適合工作流體之填充率；此外，本發明還將風冷散熱模組的轉速逐次遞增，並透過偵測溫度來取得最佳轉速，甚至在抽真空的狀態下來取得風冷散熱模組的最佳轉速。相較於先前技術只將工作元件浸沒於工作流體中的方式，本發明確實可以更有效的發揮浸沒式冷卻技術的冷卻功效。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

100:浸沒式相變機台 1:機箱本體 11:底板 12:第一側板 121:管路連接組件 1211:液體輸送管 13:第二側板 14:前框板 141:前開口 15:後背板 2:發熱模組 21:發熱片 3:透視窗 4:散熱組件 41:蓋板本體 42:內側鰭片 43:外側鰭片 5:風冷散熱模組 h1:初始高度 h2-h5:實驗高度 OP:上開口 CS:密閉空間 WF:工作流體 T1,T2,T3,T4:曲線 S101-S107:步驟

第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之浸沒式相變機台之運作參數設定方法所應用之浸沒式相變機台之立體示意圖；第二圖係顯示浸沒式相變機台之立體分解示意圖；第三圖係顯示浸沒式相變機台另一視角之立體分解示意圖；第四圖係為第一圖之A-A剖面示意圖；第五A圖與第五B圖為本發明較佳實施例所提供之浸沒式相變機台之運作參數設定方法之步驟流程圖；第六圖係顯示工作流體在浸沒式相變機台內循環地蒸發與冷凝之示意圖；第七圖係顯示工作流體在浸沒式相變機台內不同充填率所對應的液面高度；以及第八圖係顯示在不同的風扇轉速下，溫度與氣壓的變化曲線圖。

S101-S107:步驟

Claims

一種浸沒式相變機台之運作參數設定方法，包含以下步驟：(A)將一用以模擬一工作元件發熱之發熱模組設置於一浸沒式相變機台之一密閉空間內，且該工作元件運作時係產生一運作熱能；(B)控制該發熱模組以一預設功率進行運作使該發熱模組發出一模擬該運作熱能之模擬熱能；(C)將一工作流體以一初始填充率注入該密閉空間內，偵測與紀錄該發熱模組之一第一初始穩態平衡溫度；(D)將該初始填充率逐次加上一變異填充率以定義為複數個不同之實驗填充率，將該工作流體以遞增之該些實驗填充率注入該密閉空間內，以對應地進行複數次偵測與紀錄該發熱模組之複數個第一實驗穩態平衡溫度；以及(E)在該第一初始穩態平衡溫度與該些第一實驗穩態平衡溫度中選取一第一最低穩態平衡溫度，並將該初始填充率與該些實驗填充率其中對應於該第一最低穩態平衡溫度之一者定義為一最佳填充率。
如請求項1所述之浸沒式相變機台之運作參數設定方法，其中，當步驟(C)將該工作流體注入該密閉空間內而達到該初始填充率時，該發熱模組係浸沒於該工作流體中。
如請求項1所述之浸沒式相變機台之運作參數設定方法，在步驟(E)後更包含以下步驟：(F)將該工作流體以該最佳填充率注入該密閉空間內；(G)以一第一初始轉速啟動一熱連結該密閉空間之風冷散熱模組，偵測與紀錄該工作元件之一第二初始穩態平衡溫度；(H)將該第一初始轉速逐次加上一第一變異轉速以定義為複數個不同之第一實驗轉速，將該風冷散熱模組以漸變之該些第一實驗轉速對該密閉空間進行散熱，以對應地進行複數次偵測與紀錄該工作元件之複數個第二實驗穩態平衡溫度；以及(I)在該第二初始穩態平衡溫度與該些第二實驗穩態平衡溫度中選取一第二最低穩態平衡溫度，並將該第一初始轉速與該些第一實驗轉速其中對應於該第二最低穩態平衡溫度之一者定義為一第一最佳轉速。
如請求項3所述之浸沒式相變機台之運作參數設定方法，其中，該第一初始轉速為0rpm。
如請求項3所述之浸沒式相變機台之運作參數設定方法，在步驟(I)後更包含以下步驟：（J）將該密閉空間抽真空至一預設壓力；（K）以一第二初始轉速啟動該風冷散熱模組，偵測與紀錄該工作元件之一第三初始穩態平衡溫度；（L）將該第二初始轉速逐次加上一第二變異轉速以定義為複數個不同之第二實驗轉速，將該風冷散熱模組以漸變之該些第二實驗轉速對該密閉空間進行散熱，以對應地進行複數次偵測與紀錄該工作元件之複數個第三實驗穩態平衡溫度；以及（M）在該第三初始穩態平衡溫度與該些第三實驗穩態平衡溫度中選取一第三最低穩態平衡溫度，並將該第二初始轉速與該些第二實驗轉速其中對應於該第三最低穩態平衡溫度之一者定義為一第二最佳轉速。
如請求項5所述之浸沒式相變機台之運作參數設定方法，其中，該預設壓力為0.055MPa。
如請求項5所述之浸沒式相變機台之運作參數設定方法，其中，該第二初始轉速為0 rpm。