TWI804268B

TWI804268B - 單相浸沒式冷卻系統

Info

Publication number: TWI804268B
Application number: TW111113485A
Authority: TW
Inventors: 陳耕翰; 朱佳建
Original assignee: 元鈦科技股份有限公司
Priority date: 2022-04-08
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2023-06-01
Also published as: TW202341847A

Abstract

本發明提供一種單相浸沒式冷卻系統，適用於至少一電子裝置且包括一熱交換器、一浸沒單元、一介電循環單元以及一控制單元。浸沒單元包括一浸沒槽，浸沒槽內配置有介電液，電子裝置配置於浸沒槽內且至少一部份浸沒於介電液內；介電循環單元包括一輸入管路、一回流管路以及一輔助幫浦，輸入管路及回流管路連接於熱交換器以及浸沒槽之間，輔助幫浦配置於輸入管路以及回流管路的其中之一上；控制單元包括一主控制器以及一溫度感測器，主控制器電性連接於輔助幫浦，溫度感測器電性連接於主控制器且用以偵測介電液的溫度。

Description

單相浸沒式冷卻系統

本發明提供一種單相浸沒式冷卻系統，且特別是關於一種可自動控制對電子裝置進行冷卻的單相浸沒式冷卻系統。

冷卻系統為工業上相當常見的一種機械設備。一般而言，電子裝置(例如電腦主機、伺服器等)在運作時會產生龐大的熱量，若不散逸這些熱量或對電子裝置進行冷卻，將會降低電子裝置的運算效能甚至有當機故障的風險，因此如何有效地散熱儼然成為一個重要的課題。

在冷卻系統的選用上，由於液冷系統相較於風冷系統具有高熱傳、對流快速以及高比熱容的優勢，因此在市場上逐漸取代傳統的風冷系統，而在液冷系統中，浸沒式冷卻系統能藉由一次儲存大量的介電液並直接將電子裝置浸沒於其中，不僅能加速將熱量傳遞至未接觸電子裝置的部份，且省去了局部水道的設計工序，因此受到業界眾多使用者的青睞。

然而，過往的兩相浸沒式冷卻系統在散熱過程中，介電液將會沸騰或蒸發並形成蒸氣，在這過程中不僅會造成介電液的損失，且蒸發後的蒸氣可能進入廠區工作人員的體內或凝結於裝置以外的部分造成腐蝕或污染。為此，一些使用者改為採用單相浸沒式冷卻系統，然而現有的單相浸沒式冷卻系統缺乏有效的冷卻運轉機制，因此在冷卻效率上表現不彰。

發明人遂竭其心智悉心研究，進而研發出一種可自動控制對電子裝置進行冷卻的單相浸沒式冷卻系統，以期達到節省監控人力以及快速散熱的效果。

本發明提供一種單相浸沒式冷卻系統，適用於至少一電子裝置且包括一熱交換器、一浸沒單元、一介電循環單元以及一控制單元。浸沒單元包括一浸沒槽，浸沒槽內配置有介電液，電子裝置配置於浸沒槽內且至少一部份浸沒於介電液內；介電循環單元包括一輸入管路、一回流管路以及一輔助幫浦，輸入管路連接於熱交換器以及浸沒槽之間，用以將熱交換器冷卻後的介電液輸入浸沒槽，回流管路連接於熱交換器以及浸沒槽之間，用以使流經電子裝置的介電液回流至熱交換器進行冷卻；輔助幫浦配置於輸入管路以及回流管路的其中之一上；控制單元包括一主控制器以及一溫度感測器，主控制器電性連接於輔助幫浦，溫度感測器電性連接於主控制器且用以偵測介電液的溫度。

在一實施例中，上述的浸沒單元還包括至少一分歧管，分歧管配置於浸沒槽內且連通於輸入管路。分歧管上形成有至少一開口，且開口對位於電子裝置。

在一實施例中，上述的浸沒單元還包括一混流件，混流件配置於電子裝置以及分歧管之間，且混流件上形成有複數個通孔。

在一實施例中，上述的電子裝置以及開口為複數個，且浸沒單元還包括複數個分歧支管以及複數個調節閥。分歧支管形成於分歧管上且朝電子裝置延伸；調節閥用於調節分歧管流入分歧支管的介電液的流量，且開口形成於分歧支管的末端。

在一實施例中，上述的控制單元還包括複數個分歧流量計，這些分歧流量計配置於分歧支管上，且分歧支管的側壁上分別形成有一導流側管。

在一實施例中，上述的分歧管有複數個，且這些分歧管上的各開口的大小沿該分歧管的排列方向漸變。

在一實施例中，上述的介電循環單元還包括一過濾器，且過濾器配置於回流管路上。

在一實施例中，上述的輸入管路連接於浸沒槽的底側，回流管路連接於浸沒槽的頂側且低於介電液的液面。

在一實施例中，上述的介電液包括碳氟矽化合物。

在一實施例中，上述的熱交換器為一板式熱交換器。

藉此，本發明的單相浸沒式冷卻系統能藉由溫度感測器偵測介電液的溫度，透過主控制器驅動輔助幫浦使得介電液依序流經輸入管路、浸沒槽、回流管路並回流至熱交換器進行冷卻，進而達到節省監控人力以及快速散熱的效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1:單相浸沒式冷卻系統

100:熱交換器

200、200’:浸沒單元

210:浸沒槽

212:排液管路

214:排液閥

220、220’:分歧管

222:分歧支管

222a:導流側管

224:調節閥

230:混流件

232:通孔

300:介電循環單元

310:輸入管路

320:回流管路

330:輔助幫浦

340:過濾器

350:介電液儲存槽

352:排氣閥

332:逆止閥

400:控制單元

410:主控制器

412:控溫閥驅動器

420:溫度感測器

430:濕度感測器

440:介電側流量計

450:冷卻側流量計

460:分歧流量計

500:冷卻單元

510:冷卻輸入管路

520:冷卻回流管路

530:控溫閥

540:調節管路

2:電子裝置

A、A’:區域

D:介電液

O、O’、O₁、O₂、O₃、O₄:開口

圖1為本發明的單相浸沒式冷卻系統的一實施例的立體示意圖。

圖2為圖1隱藏部份元件的右側視示意圖。

圖3為圖1的單相浸沒式冷卻系統的元件方塊示意圖。

圖4為圖1的單相浸沒式冷卻系統的管路配置示意圖。

圖5為圖4中區域A的放大示意圖。

圖6為圖4中分歧管以及局部輸入管路的立體示意圖。

圖7為圖4中的混流件的立體示意圖。

圖8為本發明的單相浸沒式冷卻系統的另一實施例的管路配置示意圖。

圖9為圖8中區域A’的放大示意圖。

有關本發明之前述及其它技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。值得一提的是，以下實施例所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明，而非對本發明加以限制。此外，在下列的實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。

請參考圖1至圖4，其中圖1為本發明的單相浸沒式冷卻系統的一實施例的立體示意圖，圖2為圖1隱藏部份元件的右側視示意圖，圖3為圖1的單相浸沒式冷卻系統的元件方塊示意圖，而圖4為圖1的單相浸沒式冷卻系統的管路配置示意圖。本實施例的單相浸沒式冷卻系統1適用於至少一電子裝置2，其中電子裝置2例如是工業用電腦或可串聯使用的伺服器，且單相浸沒式冷卻系統1包括一熱交換器100、一浸沒單元200、一介電循環單元300以及一控制單元400，其中浸沒單元200透過介電循環單元300連接於熱交換器100，且控制單元400電性連接於介電循環單元300。

詳細而言，浸沒單元200如圖2所示包括一浸沒槽210，其中浸沒槽210例如是一箱形槽體，內部配置有可直接接觸電子裝置2且不會漏電或導電的介電液D，而電子裝置2配置於浸沒槽210內且至少一部份浸沒於介電液D內。在本實施例中，介電液D例如是包括碳氟矽化合物的溶液，相較於一般電子元件常用的冷卻液具有高沸點(約100~150℃)、高比熱容(約1150J/kg℃)以及高表面張力(約15mN/m)的優點。因此，當電子裝置2浸沒於其中時能快速且大量地將熱量傳遞至介電液D中，且流經電子裝置2的介電液D不易殘留於電子裝置2的表面，從而提昇散熱效果。較佳地，浸沒槽210的底側配置有一排液管路212，且排液管路212上配置有一排液閥214，藉此浸沒單元200可在單相浸沒式冷卻系統1未運作時透過排液管路212以及排液閥214將容置的介電液D排掉，並補充新的介電液D。

請一併參考圖2及圖4，本實施例的介電循環單元300連接於熱交換器100的一側且包括一輸入管路310、一回流管路320以及至少一輔助幫浦330，其中輸入管路310連接於熱交換器100以及浸沒槽210之間，用以將熱交換器100冷卻後的介電液D輸入浸沒槽210；回流管路320連接於熱交換器100以及浸沒槽210之間，用以使流經電子裝置2的介電液D回流至熱交換器100進行冷卻；而輔助幫浦330在本實施例中例如是電動幫浦且數量有兩個，配置於回流管路320上用以提供壓力使介電液D沿著上述方向流動並形成一迴路，但在其它可能的實施例中，輔助幫浦330也可以配置於輸入管路310上，本發明對此不加以限制。較佳地，介電循環單元300還包括至少一逆止閥332，其中逆止閥332配置於輔助幫浦330的下游端且數量對應於輔助幫浦330，用以防止由輔助幫浦330加壓後的介電液D再度逆向回流。

除此之外，如圖4所示，控制單元400包括一主控制器410以及一溫度感測器420，其中主控制器410例如是一可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)且電性連接於輔助幫浦330；而溫度感測器420例如是一電子式熱電偶，電性連接於主控制器410且用以偵測介電液D的溫度。在本實施例中，溫度感測器420例如是連接於輸入管路310的管壁並偵測冷卻後的介電液D是否低於一目標溫度，但依據實際需求，溫度感測器420也可連接於浸沒槽210或回流管路320以偵測不同區段介電液D的溫度，或者是配置複數個溫度感測器420以實現對各區段介電液D的精確溫度監控，本發明對此不加以限制。

藉由上述的配置，當溫度感測器420偵測到介電液D的溫度高於一閾值時，主控制器410將會驅動輔助幫浦330提供壓力，使得介電液D由輸入管路310進入浸沒槽210，流經電子裝置2充分接收熱量後再透過回流管路320回流至熱交換器100進行冷卻，不僅可節省監控的人力，還能自動達到散熱的效果。

較佳地，如圖3及圖4所示，單相浸沒式冷卻系統1還包括一冷卻單元500，其中冷卻單元500連接於熱交換器100相對於介電循環單元300的另一側且電性連接於控制單元400。具體而言，本實施例的熱交換器100例如是一板式熱交換器，可降低工作流體在內部的阻塞情形且易於清洗，且只要增加或減少內部的流道板片便可針對電子裝置2數量的更動改變熱傳需求。

另一方面，冷卻單元500包括一冷卻輸入管路510、一冷卻回流管路520、一控溫閥530以及一調節管路540，其中冷卻輸入管路510以及冷卻回流管路520連接於熱交換器100，分別用以將冷卻用的低溫工作流體輸入熱交換器100或自熱交換器100回流輸出；控溫閥530配置於冷卻回流管路520上；而調節管路540連接於控溫閥530以及冷卻輸入管路510之間。此外，控制單元400還包括一控溫閥驅動器412，且控溫閥530透過控溫閥驅動器412電性連接於主控制器410。藉此，當介電循環單元300以及浸沒單元200內的介電液D溫度過高時，主控制器410 可透過控溫閥驅動器412驅動控溫閥530，藉以調整低溫工作流體流經熱交換器100的流量從而即時動態調整介電液D的溫度。

值得一提的是，在一些實施例中，冷卻單元500例如連接於一冰水機，且冰水的溫度約為7~11℃。然而，由於電子裝置2的工作溫度較高，因此若以節能的角度考量，冷卻單元500也可以僅連接於一般的冷卻水塔，以約30℃的溫水作為冷卻用的低溫工作流體，並將介電液D維持在約45℃的溫度，本發明對此不加以限制。

為了避免工作環境濕度過高從而影響熱交換器100、浸沒單元200、介電循環單元300、控制單元400以及冷卻單元500的運作功率，較佳地，控制單元400如圖4所示還包括一濕度感測器430，其中濕度感測器430電性連接於主控制器410，用以偵測工作環境的濕度。另一方面，由於介電液D在循環的過程中可能會因為管路接頭部份的潤濕而逐漸減少，較佳地，介電循環單元300還包括一介電液儲存槽350，其中介電液儲存槽350例如配置於回流管路320上且儲存有足量的的介電液D，可在輸入管路310以及回流管路320內的介電液D減少時作為緩衝備用。較佳地，介電液儲存槽350上配置有一排氣閥352，可將介電液D中可能存在的微小氣泡排出，避免凝結於熱交換器100內部或電子裝置2的表面。更佳地，控制單元400還包括一介電側流量計440以及一冷卻側流量計450，分別配置於回流管路320以及冷卻回流管路520上且電性連接於主控制器410，用以即時監測介電液D以及低溫工作流體的流量。

由於本實施例的單相浸沒式冷卻系統1使用的是單一液相的介電液D作為冷卻流體，考量到流體的受熱對流效應，如圖2及圖4所示，輸入管路310較佳地連接於浸沒槽210的底側，回流管路320則連接於浸沒槽210的頂側且低於介電液D的液面。透過這樣的配置，由浸沒槽210底側注入的低溫介電液D在接觸電子裝置2受熱後將會向上流動，並由連接於浸沒槽210頂側的回流管路320導引回流，可進一步地提高對流效率。除此之外，由於電子裝置2內部或表面可能具有灰塵或標籤等異物，若直接流入熱交換器100可能會對熱交換器100造成損傷。因此，如圖4所示，介電循環單元300較佳地還包括一過濾器340，其中過濾器340例如是三住企業的STRY25A篩網且配置於回流管路320上，可有效地過濾上述異物從而延長熱交換器100以及管路中其它元件的使用壽命。

請一併參考圖4及圖5，其中圖5為圖4中區域A的放大示意圖。在本實施例中，浸沒槽210中配置的電子裝置2可能有複數個，為了使各個電子裝置2能夠均勻接觸到由輸入管路310注入的低溫介電液D，如圖4所示，浸沒單元200還包括至少一分歧管220，其中分歧管220配置於浸沒槽210內且連通於輸入管路310。如圖5所示，分歧管220上形成有至少一開口O，且各開口O對位於各電子裝置2。藉此，低溫介電液D可透過分歧管220上的各個開口O注入浸沒槽210，使得浸沒槽210內各處的介電液D溫度分布能夠更加均勻。較佳地，浸沒單元200還包括一混流件230，其中混流件230例如是一金屬板件且配置於電子裝置2以及分歧管220之間，且混流件230上形成有複數個通孔232。透過這樣的配置，由開口O注入的介電液D會先流經混流件230，並藉由各個通孔232朝電子裝置2流動，從而更加均勻地混合。

請一併參考圖6及圖7，其中圖6為圖4中分歧管以及局部輸入管路的立體示意圖，而圖7為圖4中的混流件的立體示意圖。詳細而言，本實施例的輸入管路310連通有複數個分歧管220，且各個分歧管220上分別形成有複數個開口O。由於電子裝置2在不同位置處的元件發熱狀況不同，為了能對應不同元件的發熱狀況，較佳地，這些分歧管220上的各開口O沿這些分歧管220的排列方向漸變。如圖6所示，由左上至右下的分歧管220上分別形成有複數個開口O₁、複數個開口O₂、複數個開口O₃以及複數個開口O₃，且開口O₁、開口O₂、開口O₃、開口O₄的大小逐漸增加。透過這樣的配置，使用者可以將複數個電子裝置2沿各個分歧管220的延伸方向彼此間隔配置，並將各個電子裝置2沿各個分歧管220的排列方向延伸(即，電子裝置2與分歧管220兩者的排列方向彼此垂直)，這麼一來可以在維持各個電子裝置2獲得相同流量介電液D注入的情況下，調整各個電子裝置2的局部位置接觸到的液量。然而，在其它可能的實施例中，也可以改為在同一個分歧管220上配置不同大小的開口O，並將電子裝置2與分歧管220彼此平行配置，也可達到相同的效果。

另一方面，如圖7所示，混流件230上的通孔232的形狀例如是正六邊形，且均勻地分佈在混流件230上。透過這樣的配置，可在兼顧混流件230結構強度的情況下允許大量的介電液D流經混流件230。然而，依據實際加工的需求，通孔232也可以是圓形或正方形，且可依據電子裝置2的配置位置而改變局部的分佈密度。

請參考圖8及圖9，其中圖8為本發明的單相浸沒式冷卻系統的另一實施例的管路配置示意圖，而圖9為圖8中區域A’的放大示意圖。本實施例的單相浸沒式冷卻系統1’與單相浸沒式冷卻系統1相似，兩者主要的差異在於：單相浸沒式冷卻系統1’的浸沒單元200’還包括複數個分歧支管222以及複數個調節閥224，這些分歧支管222分別形成於分歧管220’上且朝電子裝置2延伸，調節閥224配置於分歧管220’上且電性連接於控制單元400，且浸沒槽210內未配置混流件230。

詳細而言，本實施例的單相浸沒式冷卻系統1’可以對流向各個電子裝置2的分歧支管222的介電液D流量主動進行控制。如圖9所示，調節閥224例如是三通閥且配置於分歧管220’與分歧支管222的連接處，用於調節分歧管220’流入分歧支管222的介電液D的流量，甚至可使特定的分歧支管222完全關閉，且開口O’形成於各個分歧支管222的末端。透過這樣的配置，控制單元400可以依據浸沒槽210內配置的電子裝置2彼此之間不同的散熱需求，改變流向各個電子裝置2的介電液D流量，從而調整局部區域介電液D的對流速率。較佳地，控制單元400還包括複數個分歧流量計460，這些分歧流量計460分別配置於各個分歧支管222上，用以偵測流經對應的分歧支管222的介電液D流量。此外，這些分歧支管222的側壁上可分別形成有一導流側管222a，透過這樣的配置，介電液D除了可經由分歧支管222末端的開口O’直接流向電子裝置2外，還可藉由導流側管222a往平行於電子裝置2的方向流動，從而達到局部混流的效果。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，上述實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。且應注意的是，舉凡與上述實施例等效之變化與置換，均應視為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。