TWI809892B - 浸泡式水冷系統及其冷卻方法 - Google Patents

Abstract

本案係關於一種用於伺服器機櫃的浸泡式水冷系統，包含複數個伺服器箱體、冷卻桶槽及複數個液體連通管，伺服器箱體包含浸泡於冷卻液體之電子裝置，電子裝置於運行時產生熱能使部分之冷卻液體蒸發為熱蒸氣，冷卻桶槽連接於複數個伺服器箱體且包含冷凝器及蓄水部，冷凝器連接於伺服器箱體之排氣孔並凝結來自伺服器箱體的熱蒸氣以形成冷卻液體，蓄水部儲存來自冷凝器的冷卻液體，液體連通管的第一端及第二端分別連接於蓄水部的底部位置及伺服器箱體的底部位置，蓄水部中的冷卻液體及伺服器箱體中的冷卻液體維持相同液體水平面。

Description

浸泡式水冷系統及其冷卻方法

本案係關於一種水冷系統及其冷卻方法，尤指一種浸泡式水冷系統及其冷卻方法。

隨著第五代行動通訊(5th Generation mobile networks,5G)、人工智慧、元宇宙等需高速運算之科技的快速發展，對於電子元件的散熱要求愈來愈高，此外，於散熱過程所需消耗之能源亦愈來愈受到重視。

現有對電子元件進行散熱的方式之一為利用風扇的高速運轉產生空氣對流以排除電子元件所產生的熱能，然而，利用空氣對流排除熱空氣的散熱方式不僅無法節省能源，且會製造巨大的噪音污染。而若是將電子元件浸泡於冷卻液體中進行冷卻使冷卻液體蒸發成蒸氣以排除電子元件所產生的熱能，再利用冷凝技術使蒸氣冷凝回冷卻液體，則需額外設置水泵或水閥控制冷凝後的冷卻液體與浸泡電子元件的冷卻液體之間的液體流通。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之浸泡式水冷系統及其冷卻方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的為提供一種浸泡式水冷系統及其冷卻方法，其伺服器箱體中的冷卻液體與蓄水部中的冷卻液體透過液體連通管連接而維持在相同的液體水平面。藉此，蓄水部中完成冷凝的冷卻液體可自然地流回伺服器箱體，無需額外設置水泵或水閥對冷卻液體進行水流控制。

根據本案之構想，本案提供一種用於伺服器機櫃的浸泡式水冷系統，浸泡式水冷系統包含複數個伺服器箱體、冷卻桶槽及複數個液體連通管。每一伺服器箱體中包含冷卻液體，且每一伺服器箱體包含浸泡於冷卻液體之電子裝置，至少一伺服器箱體中的電子裝置於運行時產生熱能使部分之冷卻液體蒸發為熱蒸氣。冷卻桶槽連接於複數個伺服器箱體且包含冷凝器及蓄水部。冷凝器連接於每一伺服器箱體之排氣孔，冷凝器凝結來自伺服器箱體的熱蒸氣以形成冷卻液體。蓄水部連接於冷凝器，蓄水部儲存來自冷凝器的冷卻液體。每一液體連通管的第一端分別連接於蓄水部的底部位置，且每一液體連通管的第二端分別連接於對應之伺服器箱體的底部位置，蓄水部中的冷卻液體經由每一液體連通管分別流入每一伺服器箱體。蓄水部中的冷卻液體及每一伺服器箱體中的冷卻液體維持在相同的液體水平面。

根據本案之構想，本案提供一種浸泡式水冷系統的冷卻方法，包含：提供冷卻液體、複數個伺服器箱體、冷卻桶槽以及複數個液體連通管，其中部分之冷卻液體容置於複數個伺服器箱體中，另一部分之冷卻液體容置於冷卻桶槽中，冷卻桶槽連接於複數個伺服器箱體及複數個液體連通管；將複數個電子裝置分別浸泡於對 應的複數個伺服器箱體中的冷卻液體，其中每一伺服器箱體還包含設置於冷卻液體上方的一蒸氣空間，且每一伺服器箱體的蒸氣空間連接冷卻桶槽；運行至少一伺服器箱體中的電子裝置，其中電子裝置於運行時產生一熱能使伺服器箱體中部分之冷卻液體蒸發為一熱蒸氣並流至蒸氣空間；藉由冷卻桶槽之一冷凝器凝結來自伺服器箱體中的熱蒸氣以形成冷卻液體，其中冷卻液體經由冷凝器之複數個銅管流入冷卻桶槽之一蓄水部；以及藉由複數個液體連通管將蓄水部的一底部位置連通於每一伺服器箱體的一底部位置，使蓄水部中的冷卻液體經由每一液體連通管分別流入每一伺服器箱體，其中蓄水部的冷卻液體及每一伺服器箱體的冷卻液體維持在相同的液體水平面。

1:浸泡式水冷系統

10:伺服器機櫃

2:伺服器箱體

20:電子裝置

21:排氣孔

22:伺服器箱體的底部位置

3:冷卻桶槽

30:冷凝器

31:蓄水部

32:蓄水部的底部位置

33:銅管

331:銅管的第一端

332:銅管的第二端

34:熱水輸出管

35:冷水輸入管

36:第一冷凝管

37:第二冷凝管

38:安裝架

4:液體連通管

40:液體連通管的第一端

41:液體連通管的第二端

5:氣壓平衡裝置

50:風箱

51:連接管

L:冷卻液體

g:熱蒸氣

S:蒸氣空間

T:液體水平面

S1、S2、S3、S4、S5、S6:步驟

第1圖為本案較佳實施例之浸泡式水冷系統的系統架構示意圖。

第2圖為本案另一較佳實施例之浸泡式水冷系統用於伺服器機櫃的立體結構側視圖。

第3圖為第2圖之浸泡式水冷系統中的冷凝器的立體結構示意圖。

第4圖為本案較佳實施例之浸泡式水冷系統的冷卻方法的流程圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其 皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

第1圖為本案較佳實施例之浸泡式水冷系統的系統架構示意圖，如第1圖所示，本案之浸泡式水冷系統1包含冷卻液體L、複數個伺服器箱體2、冷卻桶槽3及複數個液體連通管4。部分之冷卻液體L容置於複數個伺服器箱體2中，另一部分之冷卻液體L容置於冷卻桶槽3。每一伺服器箱體2包含電子裝置20，電子裝置20浸泡於伺服器箱體2中之冷卻液體L，每一伺服器箱體2還包含設置於冷卻液體L上方的蒸氣空間S，且每一伺服器箱體2的蒸氣空間S連接於冷卻桶槽3。至少一伺服器箱體2中的電子裝置20於運行時產生熱能使部分之冷卻液體L蒸發為熱蒸氣g並流至蒸氣空間S，電子裝置20可為例如但不限於伺服器。需特別注意的是，每一伺服器箱體2皆為壓力密封箱體，以避免熱蒸氣g外洩。於一些實施例中，冷卻液體L為不導電液體且其沸點介於50℃至60℃。每一伺服器箱體2還包含排氣孔21，排氣孔21連接於冷卻桶槽3並架構於使熱蒸氣g經由排氣孔21流通至冷卻桶槽3。冷卻桶槽3包含冷凝器30及蓄水部31，冷凝器30凝結來自伺服器箱體2的熱蒸氣g以形成冷卻液體L，蓄水部31連接於冷凝器30，且蓄水部31儲存來自冷凝器30的冷卻液體L。蓄水部31具有底部位置32，每一伺服器箱體2分別具有底部位置22，每一液體連通管4分別具有第一端40及第二端41，每一液體連通管4之第一端40分別連接於蓄水部31的底部位置32，每一液體連通管4之第二端41分別連接於對應之伺服器箱體2的底部位置22。蓄水部31的底部位置32相對於地面係高於每一 伺服器箱體2的底部位置22，使蓄水部31中的冷卻液體L經由每一液體連通管4分別流入每一伺服器箱體2。蓄水部31的冷卻液體L及每一伺服器箱體2的冷卻液體L透過複數個液體連通管4連接而維持在相同的液體水平面T，需特別說明的是，於本案中之液體水平面T係為冷卻液體L於伺服器箱體2及蓄水部31中所量測之水平高度，因此該液體水平面T具有量測之誤差範圍。藉此，於蓄水部中完成冷凝的冷卻液體可自然地流回伺服器箱體，無需額外設置水泵或水閥對冷卻液體進行水流控制。

於一些實施例中，浸泡式水冷系統1還包含氣壓平衡裝置5，氣壓平衡裝置5連接於冷卻桶槽3並架構於調節冷卻桶槽3中的氣壓。氣壓平衡裝置5包含例如但不限於氣球或風箱(bellow)等可舒張或收縮之伸縮囊。於一些實施例中，氣壓平衡裝置5透過氣球或風箱的舒張或收縮來調節冷卻桶槽3中的氣壓。舉例來說，當伺服器箱體2產生熱蒸氣g之速度過快時，冷卻桶槽3之冷凝器30無法及時凝結熱蒸氣g，進而使熱蒸氣g囤積於冷卻桶槽3而導致冷卻桶槽3之氣壓過大。此時，氣壓平衡裝置5可透過氣球或風箱的舒張以調節冷卻桶槽3中的氣壓，以避免冷卻桶槽3之箱體變形而導致損壞。

於一些實施例中，第1圖所示之浸泡式水冷系統1還可用於伺服器機櫃，如第2圖所示，第2圖為本案另一較佳實施例之浸泡式水冷系統用於伺服器機櫃的立體結構側視圖。於本實施例中，浸泡式水冷系統1用於伺服器機櫃10，浸泡式水冷系統1之氣壓平衡裝置5包含風箱50及相連之連接管51，於一些實施例中，風箱50及對應之連接管51之個數不限於一個，連接管51連接於 冷卻桶槽3，當冷卻桶槽3中之氣壓過大時，氣壓平衡裝置5透過風箱50的舒張將冷卻桶槽3中部分的熱蒸氣g經由連接管51而吸入風箱50中，藉此可以調節冷卻桶槽3中的氣壓。

請同時參閱第2及3圖，第3圖為第2圖之浸泡式水冷系統的冷凝器的立體結構示意圖。於本實施例中，冷凝器30包含第一冷凝管36、第二冷凝管37、彎折纏繞之複數個銅管33、熱水輸出管34及冷水輸入管35，其中第一冷凝管36連通於每一銅管33的第一端331，第二冷凝管37連通於每一銅管33的第二端332，且第一冷凝管36及第二冷凝管37分別連通於熱水輸出管34及冷水輸入管35。此外，冷水輸入管35還連接於外部的冷卻水塔(cooling tower)(未繪示)，並且冷卻水塔經由冷水輸入管35將冷水(或是其他冷凝液體等)供應給冷凝器30。冷水透過冷水輸入管35注入至第二冷凝管37(如第2圖中虛線箭頭所示)，冷水經第二冷凝管37流至複數個銅管33中，銅管33之外壁因流通之冷水而降溫，致使來自伺服器箱體2的熱蒸氣g在接觸到銅管33之外壁時凝結為冷卻液體L。同時，熱蒸氣g在凝結過程中所散失之熱能傳導至銅管33內部而使冷水升溫而變成熱水，並且熱水經由第一冷凝管36及熱水輸出管34而排出(如第2圖中實線箭頭所示)。於一些實施例中，冷凝器30還包含連接於複數個銅管33之複數個安裝架38，安裝架38架構於將冷凝器30固定於冷卻桶槽3中。

第4圖為本案較佳實施例之浸泡式水冷系統的冷卻方法的流程圖，本案之浸泡式水冷系統的冷卻方法係適用於前述之浸泡式水冷系統1。如第4圖所示，本案之浸泡式水冷系統的冷卻方法包 含以下步驟。於步驟S1中，提供冷卻液體L、複數個伺服器箱體2、冷卻桶槽3以及複數個液體連通管4，其中部分之冷卻液體L容置於複數個伺服器箱體2中，另一部分之冷卻液體L容置於冷卻桶槽3中，冷卻桶槽3連接於複數個伺服器箱體2及複數個液體連通管4。於步驟S2中，將複數個電子裝置20分別浸泡於對應的複數個伺服器箱體2中的冷卻液體L，其中每一伺服器箱體2還包含設置於冷卻液體L上方的蒸氣空間S，且每一伺服器箱體2的蒸氣空間S連接於冷卻桶槽3。於步驟S3中，運行至少一伺服器箱體2中的電子裝置20，其中電子裝置20於運行時產生的熱能使伺服器箱體2中部份之冷卻液體L蒸發為熱蒸氣g並流至蒸氣空間S。於步驟S4中，藉由冷卻桶槽3之冷凝器30凝結來自伺服器箱體2中的熱蒸氣g以形成冷卻液體L，其中冷卻液體L經由冷凝器30之複數個銅管33而流入冷卻桶槽3之蓄水部31。於步驟S5中，藉由複數個液體連通管4將蓄水部31的底部位置32連通於每一伺服器箱體2的底部位置22。於步驟S6中，設置蓄水部31的底部位置32相對於地面高於每一伺服器箱體2的底部位置22，使蓄水部31中的冷卻液體L經由每一液體連通管4分別流入每一伺服器箱體2。蓄水部31的冷卻液體L及每一伺服器箱體2的冷卻液體L透過複數個液體連通管4而維持在相同的液體水平面T。

於一些實施例中，本案之浸泡式水冷系統的冷卻方法還包含步驟：提供氣壓平衡裝置5，其中氣壓平衡裝置5連接於冷卻桶槽3並架構於調節冷卻桶槽3中的氣壓。

於一些實施例中，本案之浸泡式水冷系統的冷卻方法還包含以下步驟：增加運行複數個電子裝置20的數量，以增加冷凝器30所接收的熱蒸氣g，使冷卻桶槽3內之氣壓上升；以及藉由連接於冷卻桶槽3的氣壓平衡裝置5吸收冷卻桶槽3內的熱蒸氣g而膨脹，使冷卻桶槽3內的氣壓維持於恆定氣壓範圍內。

於一些實施例中，本案之浸泡式水冷系統的冷卻方法還包含以下步驟：減少運行複數個電子裝置20的數量，以減少冷凝器30所接收的熱蒸氣g，使冷卻桶槽3內之氣壓降低；以及藉由氣壓平衡裝置5收縮以釋放氣壓平衡裝置5中的氣體至冷卻桶槽3，使冷卻桶槽3內的氣壓維持於恆定氣壓範圍內。

綜上所述，本案提供一種浸泡式水冷系統及其冷卻方法，其伺服器箱體中的冷卻液體與蓄水部中的冷卻液體透過液體連通管連接而維持在相同的液體水平面。藉此，蓄水部中完成冷凝的冷卻液體可自然地流回伺服器箱體，無需額外設置水泵或水閥對冷卻液體進行水流控制。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1:浸泡式水冷系統

2:伺服器箱體

20:電子裝置

21:排氣孔

22:伺服器箱體的底部位置

3:冷卻桶槽

30:冷凝器

31:蓄水部

32:蓄水部的底部位置

4:液體連通管

40:液體連通管的第一端

41:液體連通管的第二端

5:氣壓平衡裝置

L:冷卻液體

g:熱蒸氣

T:液體水平面

Claims (10)

1. 一種用於伺服器機櫃的浸泡式水冷系統，包含：複數個伺服器箱體，其中每一該伺服器箱體中包含冷卻液體，且每一該伺服器箱體包含浸泡於該冷卻液體之一電子裝置，至少一該伺服器箱體中的該電子裝置於運行時產生一熱能使部分之該冷卻液體蒸發為一熱蒸氣；一冷卻桶槽，連接於複數個該伺服器箱體，包含：一冷凝器，連接於每一該伺服器箱體之一排氣孔，其中該冷凝器凝結來自該伺服器箱體的該熱蒸氣以形成該冷卻液體；以及一蓄水部，連接於該冷凝器，其中該蓄水部儲存來自該冷凝器的該冷卻液體；以及複數個液體連通管，其中每一該液體連通管的一第一端分別連接於該蓄水部的一底部位置，且每一該液體連通管的一第二端分別連接於對應之該伺服器箱體的一底部位置；其中該蓄水部中的該冷卻液體經由每一該液體連通管分別流入每一該伺服器箱體；其中該蓄水部中的該冷卻液體及每一該伺服器箱體中的該冷卻液體維持在相同的一液體水平面，其中該蓄水部的該底部位置相對於一地面係高於每一該伺服器箱體的該底部位置，使該蓄水部中的該冷卻液體經由每一該液體連通管分別流入每一該伺服器箱體。
2. 如請求項1所述之浸泡式水冷系統，還包含一氣壓平衡裝置，其中該氣壓平衡裝置連接於該冷卻桶槽並架構於調節該冷卻桶槽中的一氣壓。
3. 如請求項2所述之浸泡式水冷系統，其中該氣壓平衡裝置包含一氣球或一風箱，該氣球或該風箱利用收縮或舒張調節該冷卻桶槽中的該氣壓。
4. 如請求項1所述之浸泡式水冷系統，其中該冷卻液體為不導電液體且其沸點介於50℃至60℃。
5. 如請求項1所述之浸泡式水冷系統，其中該冷凝器包含一第一冷凝管、一第二冷凝管、複數個銅管、一熱水輸出管及一冷水輸入管，每一該銅管分別具有一第一端及一第二端，且每一該銅管係彎折纏繞，該第一冷凝管連通於每一該銅管的該第一端，該第二冷凝管連通於每一該銅管的該第二端，且該第一冷凝管及該第二冷凝管分別連通於該熱水輸出管及該冷水輸入管。
6. 如請求項5所述之浸泡式水冷系統，其中，一冷水透過該冷水輸入管注入至該第二冷凝管，該冷水經該第二冷凝管流至該複數個銅管中，每一該銅管之一外壁因流通之該冷水而降溫，使來自該伺服器箱體的該熱蒸氣在接觸到每一該銅管之該外壁時凝結為該冷卻液體，其中，該熱蒸氣在凝結過程中所散失之一熱能傳導至每一該銅管之一內部而使每一該銅管之該冷水升溫而變成一熱水，該熱水經由該第一冷凝管及該熱水輸出管而排出。
7. 一種浸泡式水冷系統的冷卻方法，包含：提供一冷卻液體、複數個伺服器箱體、一冷卻桶槽以及複數個液體連通管，其中部分之該冷卻液體容置於複數個伺服器箱體 中，另一部分之該冷卻液體容置於該冷卻桶槽中，該冷卻桶槽連接於該複數個伺服器箱體及該複數個液體連通管；將複數個電子裝置分別浸泡於對應的複數個伺服器箱體中的該冷卻液體，其中每一該伺服器箱體還包含設置於該冷卻液體上方的一蒸氣空間，且每一該伺服器箱體的該蒸氣空間連接該冷卻桶槽；運行至少一該伺服器箱體中的該電子裝置，其中該電子裝置於運行時產生一熱能使該伺服器箱體中部分之該冷卻液體蒸發為一熱蒸氣並流至該蒸氣空間；藉由該冷卻桶槽之一冷凝器凝結來自該伺服器箱體中的該熱蒸氣以形成該冷卻液體，其中該冷卻液體經由該冷凝器之複數個銅管流入該冷卻桶槽之一蓄水部；藉由該複數個液體連通管將該蓄水部的一底部位置連通於每一該伺服器箱體的一底部位置，使該蓄水部中的該冷卻液體經由每一該液體連通管分別流入每一該伺服器箱體；以及藉由設置該蓄水部的該底部位置相對於一地面高於每一該伺服器箱體的該底部位置，使該蓄水部中的該冷卻液體經由每一該液體連通管分別流入每一該伺服器箱體，其中該蓄水部的該冷卻液體及每一該伺服器箱體的該冷卻液體維持在相同的一液體水平面。
8. 如請求項7所述之浸泡式水冷系統的冷卻方法，還包含：提供一氣壓平衡裝置，其中該氣壓平衡裝置連接於該冷卻桶槽並架構於調節該冷卻桶槽中的一氣壓。
9. 如請求項8所述之浸泡式水冷系統的冷卻方法，還包含： 增加運行該複數個電子裝置的數量，以增加該冷凝器所接收的該熱蒸氣，使該冷卻桶槽內之該氣壓上升；以及藉由連接於該冷卻桶槽的該氣壓平衡裝置吸收該冷卻桶槽內的該熱蒸氣而膨脹，使該冷卻桶槽內的該氣壓維持於一恆定氣壓範圍內。
10. 如請求項9所述之浸泡式水冷系統的冷卻方法，還包含：減少運行該複數個電子裝置的數量，以減少該冷凝器所接收的該熱蒸氣，使該冷卻桶槽內的該氣壓降低；以及藉由該氣壓平衡裝置收縮以釋放該氣壓平衡裝置中的一氣體至該冷卻桶槽，使該冷卻桶槽內的該氣體壓力維持於該恆定氣壓範圍內。

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