TWI796788B - 開放式兩相冷卻系統與冷凝器 - Google Patents

Abstract

一種開放式兩相冷卻系統包含至少一浸入式伺服裝置、一冷凝器、一儲液槽及一流體驅動器。至少一浸入式伺服裝置具有一前側及一後側。冷凝器設置於至少一浸入式伺服裝置的後側。儲液槽連通於至少一浸入式伺服裝置。流體驅動器連通儲液槽，並用以令一工作流體於儲液槽、至少一浸入式伺服裝置及冷凝器形成兩相變化的一冷卻循環。

Description

開放式兩相冷卻系統與冷凝器

本發明係關於一種冷卻系統與冷凝器，特別是一種開放式兩相冷卻系統與冷凝器。

隨著科技快速地成長，特別是在網路、人工智慧、雲端服務的需求大幅提高的時代，數據中心(data center)需要處理的資料量越來越龐大，為了維持或提升數據中心的處理效率，有必要對數據中心進行持續且有效的散熱。但由於數據中心的功率密度高，所產生的熱量過於龐大，傳統的散熱手段需要以提升功率或規模的方式來因應。然這樣的做法非常耗能，反而大幅增加成本與對環境的衝擊。

因此，近年來如浸沒式冷卻(immersion cooling)等水冷技術逐漸受到重視，除了可有效冷卻資料中心而大幅降低能耗與成本，還可有效縮減數據中心的整體尺寸。具體來說，浸沒式冷卻技術是將資料中心的熱源，如主板以及其上的電子元件浸沒於不導電的冷卻液中，使得電子元件所產生的熱直接且快速地傳導給冷卻液，不再需要額外去設置如風扇等主動式冷卻裝置，從而提升了散熱效率且有助於增加硬體的擺設密度。

隨著需要處理的資料量越來越龐大，數據中心所產生的廢熱越來越龐大，故現行浸沒式冷卻(immersion cooling)系統亦開始透過冷凝器來對浸沒式冷卻系統的工作流體進行冷凝。然，現有的冷凝器將佔據數據中心上方的空間。若數據中心的高度較高，則不利於冷凝器的維護，故考量到空間限制與冷凝器的維護問題，反而造成數據中心高度受到限制，以及造成數據中心的排列密度下降與空間上的浪費。

本發明在於提供一種開放式兩相冷卻系統與冷凝器，藉以解決現有的冷凝器導致數據中心的高度受到限制，以及造成數據中心的排列密度下降與空間浪費的問題。

本發明之一實施例所揭露之開放式兩相冷卻系統包含至少一浸入式伺服裝置、一冷凝器、一儲液槽及一流體驅動器。至少一浸入式伺服裝置具有一前側及一後側。冷凝器設置於至少一浸入式伺服裝置的後側。儲液槽連通於至少一浸入式伺服裝置。流體驅動器連通儲液槽，並用以令一工作流體於儲液槽、至少一浸入式伺服裝置及冷凝器形成兩相變化的一冷卻循環。

本發明之另一實施例所揭露之冷凝器包含一入水腔體、一出水腔體、多個冷凝管及多個毛細結構。這些冷凝管之相對兩端分別連接於入水腔體與出水腔體。這些毛細結構分別設置於這些冷凝管之內壁面。

根據上述實施例之開放式兩相冷卻系統與冷凝器，透過冷凝器設置於浸入式伺服裝置的後側，使得浸入式伺服裝置的高度不再受到冷凝器的限制。如此一來，將能夠有效提升數據中心的排列密度與空間利用率。

以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。

請參閱圖1至圖4。圖1為根據本發明第一實施例所述之開放式兩相冷卻系統10的系統示意圖。圖2為圖1之冷凝器200的立體示意圖。圖3為圖2的局部放大示意圖。圖4為圖2之冷凝管230的剖面示意圖。

如圖1所示，本實施例之開放式兩相冷卻系統10包含多個浸入式伺服裝置100、一冷凝器200、一儲液槽300及一流體驅動器400。每一個浸入式伺服裝置100裝設於機櫃內，且每一個浸入式伺服裝置100的主機板、中央處理器等電子元件，至少有部分浸泡於介電液等工作流體內，以透過工作流體來對中央處理器等熱源進行散熱。每一個浸入式伺服裝置100具有一前側110及一後側120。後側120相對於前側110。冷凝器200設置於浸入式伺服裝置100的後側120。儲液槽300連通於浸入式伺服裝置100。流體驅動器400例如為泵浦，並連通儲液槽300，並用以驅動一工作流體於儲液槽300、浸入式伺服裝置100及冷凝器200形成兩相變化的一冷卻循環。工作流體例如為介電液。

在本實施例中，開放式兩相冷卻系統10還可以包含一液體分歧管500及一氣體分歧管600。液體分歧管500位於這些浸入式伺服裝置100之前側110，並具有一液入口510及多個液出口520。液入口510連接於儲液槽300。這些液出口520分別連接於這些浸入式伺服裝置100。氣體分歧管600位於這些浸入式伺服裝置100之後側120，並具有多個氣入口610及一氣出口620。這些氣入口610分別連接於這些浸入式伺服裝置100。氣出口620連接於冷凝器200之入水腔體210之入水口211。

液態工作流體流經浸入式伺服裝置100會受到浸入式伺服裝置100的熱源影響而蒸發成氣態工作流體。氣態工作流體經冷凝器200再轉變回液態工作流體，再透過流體驅動器400將液態工作流體自儲液槽300再重新打入浸入式伺服裝置100來對浸入式伺服裝置100的熱源進行散熱。

由於氣態工作流體冷凝至液態工作流體後，主要是受重力驅動而回到儲液槽300，故無須額外作功。因此能在對開放式兩相冷卻系統10空間影響最小的情況下降低冷卻能耗，提昇系統效率。

在本實施例中，開放式兩相冷卻系統10還可以包含一氣流產生器700，氣流產生器700例如為風扇或風扇牆。氣流產生器700用以產生散熱氣流。散熱氣流沿方向A流動來對冷凝器200進行散熱。

如圖2所示，在本實施例中，冷凝器200包含一入水腔體210、一出水腔體220及多個冷凝管230，入水腔體210之一入水口211連通於至少一浸入式伺服裝置100，出水腔體220之一出水口221連通於流體驅動器400。這些冷凝管230之相對兩端分別連接於入水腔體210與出水腔體220。

如圖3所示，在本實施例中，冷凝器200更包含多個散熱鰭片240，這些散熱鰭片240連接於這些冷凝管230的外壁面，以提升冷凝器200的熱交換效率。不過，散熱鰭片240的數量並非用以限制本發明，在其他實施例中，散熱鰭片的數量也可以改為單個。

如圖4所示，在本實施例中，冷凝器200更包含多個毛細結構250，分別設置於這些冷凝管230之內壁面。每一毛細結構250的厚度自靠近入水腔體210的一側朝靠近出水腔體220的一側遞增，即每一毛細結構250靠近入水腔體210的一側的厚度T1小於每一毛細結構250靠近出水腔體220的一側的厚度T2。以冷凝器200的擺放方向來說，也可以理解成每一毛細結構250的厚度沿重力方向G逐漸遞增。如此一來，即可藉由毛細結構250提升液態工作流體的回收效率。

在本實施例中，毛細結構250的厚度係自靠近入水腔體210的一側朝靠近出水腔體220的一側遞增。此設計的原因在於氣態工作流體主要在冷凝管230內冷凝，因此冷凝管230頂部的氣體佔比高於底部的蒸氣佔比。若是冷凝管230內氣體通道之截面積上下均等，則氣體流速將有相當大的差異。為了避免氣體流速差異對氣態工作流體的冷凝造成影響，故讓毛細結構250的厚度係自靠近入水腔體210的一側朝靠近出水腔體220的一側遞增，以降低氣體流速在冷凝管230內的變化，減輕對氣態工作流體冷凝的影響，除此之外，由於冷凝管230底部之液態工作流體量也高於頂部之液態工作流體量。上薄下厚的毛細結構250也有助於降低液態工作流體在頂部的流阻並增加底部的毛細力，提昇液態工作流體的回收效率。不過此並非用以限制本發明。在其他實施例中也可以改為毛細結構靠近入水腔體的一側的厚度小於毛細結構遠離入水腔體的一側的厚度，或毛細結構呈階梯狀。

根據上述實施例之開放式兩相冷卻系統與冷凝器，透過冷凝器設置於浸入式伺服裝置的後側，使得浸入式伺服裝置的高度不再受到冷凝器的限制。如此一來，將能夠有效提升數據中心的排列密度與空間利用率。

再者，由於氣態工作流體冷凝至液態工作流體後，主要是受重力驅動而回到儲液槽，故無須額外作功。因此能在對開放式兩相冷卻系統空間影響最小的情況下降低冷卻能耗，提昇系統效率。

此外，藉由氣流產生器將機櫃外的冷風自機櫃與浸入式伺服裝置間的縫隙吸入，並對冷凝器的介電液蒸氣進行散熱。

此外，藉由毛細結構的厚度係自靠近入水腔體的一側朝靠近出水腔體的一側遞增，以降低氣體流速在冷凝管內的變化，減輕對氣態工作流體冷凝的影響，除此之外，由於冷凝管底部之液態工作流體量也高於頂部之液態工作流體量。上薄下厚的毛細結構也有助於降低液態工作流體在頂部的流阻並增加底部的毛細力，提昇液態工作流體的回收效率

在本發明的一實施例中，本發明之浸入式伺服裝置係可用於人工智慧(英語：Artificial Intelligence，簡稱AI)運算、邊緣運算(Edge Computing)，亦可當作5G伺服器、雲端伺服器或車聯網伺服器使用。

雖然本發明以前述之諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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：開放式兩相冷卻系統 100：浸入式伺服裝置 110：前側 120：後側 200：冷凝器 210：入水腔體 211：入水口 220：出水腔體 221：出水口 230：冷凝管 240：散熱鰭片 250：毛細結構 300：儲液槽 400：流體驅動器 500：液體分歧管 510：液入口 520：液出口 600：氣體分歧管 610：氣入口 620：氣出口 700：氣流產生器 A：方向 T1、T2：厚度 G：重力方向

圖1為根據本發明第一實施例所述之開放式兩相冷卻系統的系統示意圖。 圖2為圖1之冷凝器的立體示意圖。 圖3為圖2的局部放大示意圖。 圖4為圖2之冷凝管的剖面示意圖。

10：開放式兩相冷卻系統 100：浸入式伺服裝置 110：前側 120：後側 200：冷凝器 300：儲液槽 400：流體驅動器 500：液體分歧管 510：液入口 520：液出口 600：氣體分歧管 610：氣入口 620：氣出口 700：氣流產生器 A：方向

Claims (7)

1. 一種開放式兩相冷卻系統，包含：至少一浸入式伺服裝置，具有一前側及一後側；一冷凝器，包含一入水腔體、一出水腔體、多個冷凝管及多個毛細結構，該冷凝器設置於該至少一浸入式伺服裝置的該後側，該些毛細結構分別設置於該些冷凝管之內壁面，每一該些毛細結構的厚度自靠近該入水腔體的一側朝靠近該出水腔體的一側遞增；一儲液槽，連通於該浸入式伺服裝置；以及一流體驅動器，連通該儲液槽，並用以令一工作流體於該儲液槽、該至少一浸入式伺服裝置及該冷凝器形成兩相變化的一冷卻循環。
2. 如請求項1所述之開放式兩相冷卻系統，更包含一氣流產生器，設置於該冷凝器之一側。
3. 如請求項1所述之開放式兩相冷卻系統，其中該入水腔體之一入水口連通於該至少一浸入式伺服裝置，該出水腔體之一出水口連通於該流體驅動器，該些冷凝管之相對兩端分別連接於該入水腔體與該出水腔體。
4. 如請求項1所述之開放式兩相冷卻系統，更包含一液體分歧管及一氣體分歧管，該至少一浸入式伺服裝置的數量為多個，該液體分歧管位於該些浸入式伺服裝置之該前側，並具有一液入口及多個液出口，該液入口連接於該儲液槽，該些液出口分別連接於該些浸入式伺服裝置，該氣體分歧管位於該些浸入式伺服裝置之該後側，並具有多個氣入口及一氣出口，該些氣入口分別連接於該些浸入式伺服裝置，該氣出口連接於該冷凝器之該入水腔體之該入水口。
5. 如請求項1所述之開放式兩相冷卻系統，其中該冷凝器更包含一散熱鰭片，該散熱鰭片連接於該些冷凝管的外壁面。
6. 一種冷凝器，包含：一入水腔體；一出水腔體；多個冷凝管，該些冷凝管之相對兩端分別連接於該入水腔體與該出水腔體；以及多個毛細結構，分別設置於該些冷凝管之內壁面，每一該些毛細結構的厚度自靠近該入水腔體的一側朝靠近該出水腔體的一側遞增。
7. 如請求項6所述之冷凝器，其中該冷凝器更包含一散熱鰭片，該散熱鰭片連接於該些冷凝管的外壁面。

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