TWI812286B - 冷卻系統及伺服器 - Google Patents

Abstract

一種冷卻系統包含一液冷板、一第一熱虹吸裝置及一第二熱虹吸裝置。該液冷板具有一U形流道，該U形流道依序包含一第一區段、一第二區段、一第三區段及一第四區段，該第一區段與該第四區段相對，該第二區段與該第三區段相對。該第一熱虹吸裝置對應該第一區段及該第四區段熱耦合至該液冷板。該第二熱虹吸裝置對應該第二區段及該第三區段熱耦合至該液冷板。一種伺服器包含一第一處理器、一第二處理器及前述冷卻系統。該第一熱虹吸裝置熱耦合至該第一處理器，該第二熱虹吸裝置熱耦合至該第二處理器。

Description

冷卻系統及伺服器

本發明關於一種冷卻系統，尤指一種利用熱虹吸之冷卻系統及用於伺服器之冷卻系統。

在使用多個熱虹吸裝置的冷卻系統中，考量到安裝的便利性與製作時的公差，一般將各個熱虹吸裝置設計為可獨立運作，例如分別在個別的熱虹吸裝置的冷凝器上設置鰭片，使各熱虹吸裝置與外界獨立進行熱交換。於某些使用情境中，例如熱虹吸裝置使用於機櫃中的伺服器(或電腦)中，熱虹吸裝置的冷凝器可先與液冷板進行熱交換，液冷板再經由傳輸管以透過外部的散熱裝置(例如散熱鰭片)散熱。前述傳輸管通常透過快速接頭與機櫃上的歧管連接，故一個液冷板會有對應入口、出口的兩個快速接頭，兩個液冷板則會有四個快速接頭。然而，現有的1U伺服器的空間中，一個歧管通常只容許安裝一個快速接頭，因此，機櫃上需設置四支歧管，每支歧管上安裝一個快速接頭。這些傳輸管、快速接頭與歧管除了會造成建置成本的上升外，也會因佔去伺服器機箱與機櫃內不少空間，將造成散熱氣流流阻上升，對伺服器機箱與機櫃內其他氣冷元件的冷卻效果造成負面的影響。

鑑於先前技術中的問題，本發明之一目的在於提供一種冷卻系統，其利用同一個液冷板與兩個熱虹吸裝置進行熱交換。

根據本發明之一冷卻系統包含一液冷板、一第一熱虹吸裝置及一第二熱虹吸裝置。該液冷板具有一U形流道，該U形流道依序包含一第一區段、一 第二區段、一第三區段及一第四區段，該第一區段與該第四區段相對，該第二區段與該第三區段相對。該第一熱虹吸裝置對應該第一區段及該第四區段熱耦合至該液冷板。該第二熱虹吸裝置對應該第二區段及該第三區段熱耦合至該液冷板。因此，該冷卻系統使用同一個液冷板與兩個熱虹吸裝置進行熱交換，且相較於一般熱虹吸裝置的配置(即一個熱虹吸裝置搭配一個液冷板及兩條傳輸管)，該冷卻系統減少該液冷板對外連接的傳輸管的設置數量，亦即減少與外部歧管(例如設置於伺服器機櫃內)的連接介面(例如透過快速接頭實現)數量。此外，該冷卻系統於運作時，雖然該液冷板內於各區段處的工作流體溫度會不同，但是於該第一區段及該第四區段內的工作流體溫度的平均與於該第二區段及該第三區段內的工作流體溫度的平均原則上會相近，使得該液冷板提供該第一熱虹吸裝置及該第二熱虹吸裝置的熱交換能力也會相近。

本發明之另一目的在於提供一種伺服器，其冷卻系統利用同一液冷板與兩個熱虹吸裝置進入熱交換。

根據本發明之一伺服器包含一第一處理器、一第二處理器及一冷卻系統。該冷卻系統包含一液冷板、一第一熱虹吸裝置及一第二熱虹吸裝置。該液冷板具有一U形流道，該U形流道依序包含一第一區段、一第二區段、一第三區段及一第四區段，該第一區段與該第四區段相對，該第二區段與該第三區段相對。該第一熱虹吸裝置對應該第一區段及該第四區段熱耦合至該液冷板。該第二熱虹吸裝置對應該第二區段及該第三區段熱耦合至該液冷板。該第一熱虹吸裝置熱耦合至該第一處理器，該第二熱虹吸裝置熱耦合至該第二處理器。因此，該伺服器的冷卻系統使用同一個液冷板與兩個熱虹吸裝置進行熱交換，且相較於一般熱虹吸裝置的配置(即一個熱虹吸裝置搭配一個液冷板及兩條傳輸管)，該伺服器的冷卻系統可減少該液冷板對外連接的傳輸管的設置數量，亦即減少與外部歧管(例如設置於伺服器機櫃內)的連接介面(例如透過快速接頭實現) 數量。此外，該冷卻系統於運作時，雖然該液冷板內於各區段處的工作流體溫度會不同，但是於該第一區段及該第四區段內的工作流體溫度的平均與於該第二區段及該第三區段內的工作流體溫度的平均原則上會相近，使得該液冷板提供該第一熱虹吸裝置及該第二熱虹吸裝置的熱交換能力也會相近；亦即該第一熱虹吸裝置及該第二熱虹吸裝置原則上可提供該第一處理器及該第二處理器相近的散熱效率。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1:冷卻系統

12:第一熱虹吸裝置

122:冷凝器

124:蒸發器

126a,126b:傳輸管

14:第二熱虹吸裝置

142:冷凝器

144:蒸發器

146a,146b:傳輸管

16:液冷板

16a:第一外表面

16b:第二外表面

16c:上蓋

16d:下蓋

160:流道結構

162:U形流道

162a:第一區段

162b:第二區段

162c:第三區段

162d:第四區段

162e,162f:空腔段

1622:內壁面

164:入口

166:出口

168:散熱鰭片

170a~d:第一至第四鰭片

1702:缺口

3:伺服器

30:裝置殼體

32:主機板

34:第一處理器

36:第二處理器

D1:方向

第1圖為根據一第一實施例之一冷卻系統之示意圖。

第2圖為第1圖中冷卻系統之爆炸圖。

第3圖為第2圖中液冷板於另一視角之示意圖。

第4圖為第2圖中液冷板之爆炸圖。

第5圖為第2圖中液冷板沿線X-X之剖面圖。

第6圖為第2圖中液冷板沿線Y-Y之剖面圖。

第7圖為根據一第二實施例之一伺服器內部之示意圖。

請參閱第1及第2圖。根據一第一實施例之一冷卻系統1包含一第一熱虹吸裝置12、一第二熱虹吸裝置14及一液冷板16。第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14分別與液冷板16熱耦合。透過第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14與液冷板16的熱交換，液冷板16可吸收第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14內的熱能，進而達到散熱效果。

於第一實施例中，第一熱虹吸裝置12包含一冷凝器122、一蒸發器 124、連接冷凝器122及蒸發器124之二傳輸管126a、126b、及於前述構件內環循流動之一工作流體(未顯示於圖中)。第一熱虹吸裝置12經由冷凝器122與液冷板16熱耦合；例如但不限於冷凝器122直接密貼於液冷板16之一第一外表面16a上(實作上兩者之間可填充熱介面材料)。藉此，第一熱虹吸裝置12可經由蒸發器124自一發熱元件(例如處理器，其於運作時會生熱且與蒸發器124熱耦合，例如直接接觸，其間亦可填充熱介面材料)吸收熱能，再經由冷凝器122與液冷板16熱交換，進而達到對該發熱元件散熱的效果。同理，第二熱虹吸裝置14包含一冷凝器142、一蒸發器144、連接冷凝器142及蒸發器144之二傳輸管146a、146b、及於前述構件內環循流動之一工作流體(未顯示於圖中)。第二熱虹吸裝置14經由冷凝器142與液冷板16熱耦合；例如但不限於，冷凝器142直接密貼於液冷板16之第一外表面16a上(實作上兩者之間可填充熱介面材料)。藉此，第二熱虹吸裝置14可經由蒸發器144自一發熱元件(例如另一處理器，其相關說明同前述處理器，不另贅述)吸收熱能，再經由冷凝器142與液冷板16熱交換，進而達到對該發熱元件散熱的效果。於實作上，第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14可由習知的熱虹吸裝置實現，故關於第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14熱傳遞之其他說明，不另贅述。另外，於第一實施例中，第一外表面16a(即液冷板16之上表面)非呈單一平面，而形成兩個凹槽以配合冷凝器122、142之結構輪廓，但實作上不以此為限。

請亦參閱第3圖至第6圖。液冷板16包含一上蓋16c及一下蓋16d，上蓋16c及下蓋16d結合形成一流道結構160，流道結構160具有一U形流道162(或謂U形的流道部分)，U形流道162兩端部分別連接至流道結構160之一入口164及一出口166。液冷板16例如但不限於使用水作為其工作流體，以傳遞熱能，其中水將經由入口164進入液冷板16，並經由出口166離開液冷板16。於實作上，入口164及出口166上連接有傳輸管，傳輸管末端 可安裝快速接頭，便於與外部管路(例如伺服器機櫃上的歧管)連接。液冷板16包含複數個散熱鰭片168，設置於液冷板16相對於第一外表面16a(位於上蓋16c)之一第二外表面16b(位於下蓋16d)上，有助於液冷板16的散熱效率。

此外，U形流道162依序(例如依水於U形流道162內的流動)包含一第一區段162a、一第二區段162b、一第三區段162c及一第四區段162d(分別以虛線框表示於第5圖中)。第一區段162a與第四區段162d相對，第二區段162b與第三區段162c相對。第一熱虹吸裝置12的冷凝器122(其於第5圖中之投影位置以鏈線表示)對應第一區段162a及第四區段162d熱耦合至第一外表面16a，第二熱虹吸裝置14的冷凝器142(其於第5圖中之投影位置以鏈線表示)對應第二區段162b及第三區段162c熱耦合至第一外表面16a。一般而言，於U形流道162內的水溫自第一區段162a至第四區段162d漸增，使得與第一熱虹吸裝置12的冷凝器122進行熱交換的平均水溫與與第二熱虹吸裝置14的冷凝器142進行熱交換的平均水溫相近，進而能減少液冷板16對第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14之間的散熱性能差異。

於第一實施例中，第一至第四區段162a~d內分別設置有複數個第一至第四鰭片170a~d，可擴大熱傳面積以增強工作流體與液冷板16間的熱交換(亦即增強液冷板16與冷凝器122、142間的熱交換)。各區段162a~d內的鰭片170a~d平行於各區段162a~d的延伸方向延伸，且連接至各區段162a~d的相對內壁面1622，其中第一區段162a及第二區段162b同向(例如平行於方向D1，以雙頭箭頭表示於圖中)延伸，第三區段162c及第四區段162d亦同向延伸(例如平行於方向D1)；但實作上不以此為限。於實作上，U形流道162內壁面上亦可設置其他微結構，同樣可擴大熱傳面積以增強工作流體與液冷板16間的熱交換。此外，以第一區段162a為例，第一鰭片170a可透過其於其延伸方向(方向D1)上之延伸截面的非連續變化，破壞第一鰭片170a表面產生的邊界 層，增加熱傳效率。於本實施例中，第一鰭片170a具有缺口1702，此使得第一鰭片170a的延伸截面於缺口1702邊緣處產生非連續變化。於實作上，第一鰭片170a的表面上亦可形成其他微結構，以破壞鰭片第一鰭片170a表面產生的邊界層，同樣可增加熱傳效率。前述關於第一鰭片170a之說明，亦適用於第二至第四鰭片170b~d，不另贅述。

此外，於第一實施例中，U形流道162於第一區段162a與第二區段162b之間及第三區段162c及第四區段162d之間各具有一空腔段162e、162f(分別以虛線框表示於第5圖中)，內未設置鰭片。藉此，第一區段162a與第二區段162b之間之流阻(即空腔段162e之流阻)會小於第一區段162a之流阻及第二區段162b之流阻，第三區段162c與第四區段162d之間之流阻(即空腔段162f之流阻)小於第三區段162c之流阻及第四區段162d之流阻。此流阻差有助於工作流體在流入第二區段162b及第四區段162d前先行在空腔段162e、162f內混合，增加工作流體溫度的均勻性，可避免局部熱點的產生。

根據第一實施例，第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14共用同一個液冷板16，故相較於一般熱虹吸裝置的配置(即一個熱虹吸裝置搭配一個液冷板及兩條傳輸管)，冷卻系統1使用較少的液冷板且可減少對外連接的傳輸管的設置數量，亦即減少與外部歧管(例如設置於伺服器機櫃內)的連接介面(例如透過快速接頭實現)數量。從另一方面而言，冷卻系統1可避免因使用多個液冷板而造成的製造成本的增加，亦可避免或抑制干擾散熱氣流(例如配備有冷卻系統1之電子設備內部的散熱氣流)而增加其流阻。

請參閱第7圖。根據一第二實施例之一伺服器3包含一裝置殼體30(其上蓋未顯示於圖中，以便於顯示伺服器3內部配置)及設置於裝置殼體30內之一主機板32、一第一處理器34、一第二處理器36及一冷卻系統(為便於說明，以前述冷卻系統1為例，故關於冷卻系統1之相關說明，請參閱前文，不另贅述)；伺服 器3其他組件(例如儲存裝置、電源供應器、風扇等)未顯示於圖中，以簡化圖面。第一處理器34及第二處理器36經由冷卻系統1散熱，其隱藏輪廓以虛線繪示於圖中。冷卻系統1的第一熱虹吸裝置12經由蒸發器124與第一處理器34熱耦合；例如但不限於蒸發器124直接密貼於第一處理器34之上表面上(實作上兩者之間可填充熱介面材料)。冷卻系統1的第二熱虹吸裝置14經由蒸發器144與第二處理器36熱耦合；例如但不限於蒸發器144直接密貼於第二處理器36之上表面上(實作上兩者之間可填充熱介面材料)。冷卻系統1的液冷板16位於裝置殼體30之後側，液冷板16的入口164及出口166原則上會突出於裝置殼體30，以便於與外部管路(例如機櫃的歧管)連接，例如液冷板16的工作流體經由此管路流至外部的熱交換器以散熱。藉此，第一處理器34及第二處理器36於運作時產生的熱可分別經由第一熱虹吸裝置12及第二熱虹吸裝置14散熱。

此外，於第二實施例中，第一處理器34及第二處理器36前後排列，第一處理器34位於第二處理器36與液冷板16之間，第二熱虹吸裝置14的傳輸管146a、146b跨過蒸發器124上方。液冷板16的散熱鰭片168平行於裝置殼體30前後方向延伸，此有益於利用裝置殼體30內之散熱氣流(以空心箭頭表示於圖中，例如由風扇產生)散熱。又，相較於一般熱虹吸裝置的配置(即一個熱虹吸裝置搭配一個液冷板及兩條傳輸管)，冷卻系統1減少液冷板16對外連接的傳輸管(以虛線繪示於第7圖中)的設置數量，對於設置於機櫃(例如安裝有伺服器3)內的歧管的需求也減少，故伺服器3可避免因使用多個液冷板而造成的製造成本的增加，亦可避免或抑制干擾伺服器3及機櫃內的散熱氣流而增加其流阻。

在本發明的一實施例中，本發明之冷卻系統及伺服器係可用於人工智慧(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。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等 變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

16:液冷板

16c:上蓋

160:流道結構

162a:第一區段

162b:第二區段

162c:第三區段

162d:第四區段

162e,162f:空腔段

1622:內壁面

164:入口

166:出口

170a~d:第一至第四鰭片

D1:方向

Claims (9)

1. 一種冷卻系統，包含：一液冷板，具有一U形流道，該U形流道依序包含一第一區段、一第二區段、一第三區段及一第四區段，該第一區段與該第四區段相對，該第二區段與該第三區段相對，該U形流道於該第一區段與該第二區段之間之流阻小於該第一區段之流阻及該第二區段之流阻，複數個第一鰭片設置於該第一區段內，複數個第二鰭片設置於該第二區段內，該U形流道包含一空腔段，位於該第一區段及該第二區段之間，該空腔段內未設置鰭片；一第一熱虹吸裝置，對應該第一區段及該第四區段熱耦合至該液冷板；以及一第二熱虹吸裝置，對應該第二區段及該第三區段熱耦合至該液冷板。
2. 如請求項1所述之冷卻系統，其中該第一熱虹吸裝置包含一冷凝器、一蒸發器及連接該冷凝器及該蒸發器之二傳輸管，該第一熱虹吸裝置經由該冷凝器與該液冷板熱耦合。
3. 如請求項1所述之冷卻系統，其中該U形流道內設有複數個鰭片。
4. 如請求項1所述之冷卻系統，其中該第一區段及該第二區段於同一方向延伸，該複數個第一鰭片及該複數個第二鰭片平行於該方向延伸。
5. 如請求項1所述之冷卻系統，其中該第一鰭片及該第一區段於同一方向延伸，該第一鰭片於該方向上之延伸截面具有一非連續變化。
6. 如請求項1所述之冷卻系統，其中該第一鰭片連接至該第一區段的相對內壁面。
7. 如請求項1所述之冷卻系統，其中該液冷板具有一第一外表面及一第二外表面，該第一熱虹吸裝置及該第二熱虹吸裝置經由該第一外表面與該 液冷板熱耦合，複數個散熱鰭片設置於該第二外表面上。
8. 如請求項7所述之冷卻系統，其中該第一外表面相對於該第二外表面。
9. 一種伺服器，包含：一第一處理器；一第二處理器；以及如請求項1至8其中任一請求項所述之冷卻系統，該第一熱虹吸裝置熱耦合至該第一處理器，該第二熱虹吸裝置熱耦合至該第二處理器。

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