TWI830985B - 浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置 - Google Patents

Abstract

一種浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置，用以解決習知浸沒式冷卻系統中的不導電液容易流失的問題。係包含：一密封槽，內部具有一腔室；一工作層，由填裝於該腔室中的至少一不導電液所形成；及一保護層，由填裝於該腔室中的至少一保護液所形成，該保護液的密度低於該不導電液的密度，該保護液的沸點高於該不導電液的沸點。

Description

浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置

本發明係關於一種電子裝置的冷卻系統，尤其是一種將電子裝置的熱源沉浸於不導電液中以維持適當工作溫度的浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置。

浸沒式冷卻(Immersion cooling)是將電氣單元(例如伺服器、主機板、中央處理器、顯示卡或記憶體等)沉浸於不導電液中，使電氣單元工作時所產生的高溫熱能可直接由該不導電液吸收，使電氣單元能夠維持適當的工作溫度，以達到預期的工作效能與使用壽命。

常見的習知浸沒式冷卻系統大致上包含有一冷卻槽及一冷凝器，該冷卻槽內的下層填裝有液態的不導電液，該冷凝器裝設於該冷卻槽內的上層而位於液態的不導電液上方。需要冷卻的電氣單元係沉浸於液態的不導電液中，由於不導電液的沸點較低，可以在吸收該電氣單元的工作熱能後，使部分的不導電液轉變成氣態，以於液態的不導電液中形成氣泡並向上浮起，直至離開液態不導電液的表層後，在接觸該冷凝器時再度凝結回液態並向下滴落。

然而，由於氣態的不導電液在凝結回液態前，容易從該冷卻槽或他處的縫隙洩漏至外界，導致該冷卻槽內的不導電液量逐漸減少，每隔一 段時間就需要補充，不僅需要檢修的人力成本，且不導電液的價格昂貴，亦造成了使用者的經濟負擔。

有鑑於此，習知的浸沒式冷卻系統確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置，使氣態的不導電液可以在液態環境中凝結回液態，以降低氣態不導電液的流失量。

本發明的次一目的是提供一種浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置，可提升將氣態不導電液冷凝回液態的效率。

本發明的又一目的是提供一種浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置，降低設備及運作成本。

本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。

本發明全文所述「結合」、「組合」或「組裝」等近似用語，主要包含連接後仍可不破壞構件地分離，或是連接後使構件不可分離等型態，係本領域中具有通常知識者可以依據欲相連之構件材質或組裝需求予以選擇者。

本發明的浸沒式冷卻系統，包含：一密封槽，內部具有一腔室；一工作層，由填裝於該腔室中的至少一不導電液所形成；一保護層，由填裝於該腔室中的至少一保護液所形成，該保護液的密度低於該不導電液的密度，該保護液的沸點高於該不導電液的沸點；及一擾動器，位於該保護層，該擾動器由一葉輪攪拌該保護液。

據此，本發明的浸沒式冷卻系統，其工作層中的液態不導電液可以在吸收熱能後轉換成氣態，並形成氣泡而上升進入保護層，使氣態的不導電液可以在液態環境中凝結回液態，再下沉回到該工作層中，從而能夠有效降低氣態不導電液的流失量，使該密封槽內的不導電液量不易減少，具有大幅降低補充不導電液的費用與人力成本等功效。並且，藉由該浸沒式冷卻系統的擾動器係由該葉輪攪拌該保護液，可以使整個保護層的各處溫度較為平均，具有提升將氣態不導電液冷凝回液態的效率等功效。

其中，該密封槽可以具有一筒槽及一槽蓋，該腔室位於該筒槽內部，該筒槽可以具有一蓋合口連通該腔室，該槽蓋可以遮蓋該蓋合口。如此，可便於對該腔室輸入液體、取放物件或拉出線材，具有提升組裝及使用便利性等功效。

其中，該保護層可以由二種以上不同密度的保護液所形成，越上層的保護液密度越低且沸點越高。如此，具有更進一步地降低不導電液流失量等功效。

該浸沒式冷卻系統另可以包含一循環冷卻模組，該循環冷卻模組可以具有一管件組，該管件組的局部可以通過該保護層並形成一吸熱部，該保護液可以與該吸熱部熱交換。如此，該保護液可維持低溫，具有提升冷卻效率等功效。

其中，該循環冷卻模組可以具有一驅動源連通該管件組，該驅 動源可以驅動該管件組中的流體流動，該管件組可以連接一散熱單元以降低該管件組中的流體溫度。如此，具有提升冷卻效率等功效。

其中，該不導電液的顏色可以與該保護液的顏色不同。如此，具有提升彩色視覺效果等功效。

其中，該不導電液的顏色或/及該保護液的顏色可以由脂溶性染色劑調和而成。如此，具有降低製造成本等功效。

該浸沒式冷卻系統另可以包含至少一電氣單元，該電氣單元可以被定位於該腔室中，且該電氣單元可以浸入該不導電液。如此，可使該電氣單元被確實降溫，具有使電氣單元穩定運作等功效。

其中，該電氣單元的熱源可以位於該工作層中，該電氣單元的局部可以位於該保護層中。如此，可在能夠冷卻該熱源的前提下，減少不導電液的用量，具有降低成本等功效。

該浸沒式冷卻系統另可以包含用以定位至少一電氣單元的一座架，該座架可以位於該腔室底端，該座架可以具有相間隔的數個固定架，任二相鄰的固定架之間可以形成一插槽，該電氣單元可以插設定位於其中一插槽中，該不導電液可以通過該插槽而浸潤該電氣單元的熱源。如此，可穩固設置該電氣單元，並增加同時可冷卻的電氣單元數量，具有提升冷卻效果及減少佔用空間等功效。

本發明另提供一種電子裝置，包含：數個電氣單元，其中的至少一電氣單元具有一熱源；及一上述的浸沒式冷卻系統，該熱源位於該工作層中。如此，同樣可以由該保護層讓氣態的不導電液在液態環境中凝結回液態，從而降低不導電液的流失量，使該電子裝置具有大幅降低補充不導電液的費用與人力成本等功效。

其中，具有該熱源的電氣單元的局部可以位於該保護層中。如 此，可穩固設置該電氣單元，並增加同時可冷卻的電氣單元數量，具有提升冷卻效果及減少佔用空間等功效。如此，可在能夠冷卻該熱源的前提下，減少不導電液的用量，具有降低成本等功效。

其中，該浸沒式冷卻系統可以另包含一座架，該座架可以位於該腔室底端，該座架可以具有相間隔的數個固定架，任二相鄰的固定架之間可以形成一插槽，具有該熱源的電氣單元可以插設定位於其中一插槽中，該不導電液可以通過該插槽而浸潤該熱源。如此，可穩固設置該電氣單元，並增加同時可冷卻的電氣單元數量，具有提升冷卻效果及減少佔用空間等功效。

1:密封槽

11:筒槽

11a:環牆

11b:封底盤

111:蓋合口

112:開口

12:槽蓋

121:孔洞

2:工作層

3:保護層

4:座架

41:固定架

42:插槽

5:擾動器

51:外殼

511:流入口

512:排出口

52:連接架

53:葉輪

6:循環冷卻模組

61:管件組

611:吸熱部

62:驅動源

63:散熱單元

7:電子裝置

71:機殼

B:底端

C:腔室

E:電氣單元

H:熱源

L1:不導電液

L2:保護液

L21:第一保護液

L22:第二保護液

〔第1圖〕本發明第一實施例的分解立體圖。

〔第2圖〕本發明第一實施例的組合剖視圖。

〔第3圖〕本發明第二實施例的組合剖視圖。

〔第4圖〕本發明第三實施例的平面圖。

〔第5圖〕本發明第三實施例另一態樣的平面圖。

〔第6圖〕本發明電子裝置的局部剖視平面圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1、2圖所示，其係本發明浸沒式冷卻系統的第一實施例，係包含一密封槽1、一工作層2及一保護層3。該密封槽1內部具有一腔室C，以供容裝該工作層2、該保護層3及需冷卻的至少一電氣單元E。

本發明不限制該密封槽1的型態，以能夠容裝該工作層2、該保護層3及該電氣單元E，使該工作層2可以吸收該電氣單元E運作時所產生的熱能為原則。其中，該密封槽1可以具有一筒槽11及一槽蓋12，該腔室C位於該筒槽11內部，該筒槽11具有一蓋合口111連通該腔室C，以便從該蓋合口111對該腔室C輸入液體，或取放如該電氣單元E等物件，或拉出連接該電氣單元E的電線或訊號線等線材；該槽蓋12則可以遮蓋該蓋合口111，使該腔室C形成密閉。

在本實施例中，該筒槽11可以具有一環牆11a及一封底盤11b，使該筒槽11的不同部位可以由不同的材質製成；例如，該環牆11a可選擇由可透視的材質製成，該封底盤11b則可依需求選擇由具堅固、耐磨或防滑等特性的材質製成。該環牆11a的一端可以形成前述的蓋合口111，該環牆11a的另一端可以形成一開口112，該開口112可以與該蓋合口111相對；在使用狀態下，該蓋合口111可以朝向上，該開口112則朝向下。此外，對同時具有該蓋合口111與該開口112的筒槽11而言，也可以選擇從該開口112取放物件、接線或輸入液體。另，該封底盤11b可以結合該環牆11a並遮蓋該開口112，且該封底盤11b可以與該環牆11a形成液密，確保該腔室C中的液體不會從該筒槽11的底端滲漏至外界。

該槽蓋12可以結合該環牆11a並遮蓋該蓋合口111，且該槽蓋12的周緣可例如由膠圈來與該環牆11a形成氣密，確保該腔室C中的氣體或液體不會從該槽蓋12的周緣洩漏至外界。在使用狀態下，該槽蓋12可以位於該筒槽11的上方，本實施例可以選擇在該槽蓋12開設數個孔洞121，以便於該槽蓋12維持遮蓋該蓋合口111的狀態下，通過該數個孔洞121來對該腔室C輸入液體，或拉出連接該電氣單元E的電線或訊號線等線材。其中，各該孔洞121中較佳另具有密封結構，以降低該腔室C中的氣體或液體洩漏 至外界的機會。

該工作層2係由填裝於該腔室C中的至少一不導電液L1所形成，該保護層3則由填裝於該腔室C中的至少一保護液L2所形成，本實施例選擇由單一種不導電液L1形成該工作層2，及由單一種保護液L2形成該保護層3，但不以此為限。其中，該保護液L2的密度低於該不導電液L1的密度，使該不導電液L1及該保護液L2可自然在該腔室C中分層，且該保護層3鄰接於該工作層2上方。又，該保護液L2的沸點高於該不導電液L1的沸點。以及，該不導電液L1的顏色可以與該保護液L2的顏色不同；例如，該不導電液L1及該保護液L2的其中一者可以為透明色(即可透視，包含透明有色及透明無色)，另一者可以為非透明色(即不可透視，例如顏色飽和的紅、黃、藍、綠…)。其中，該不導電液L1的顏色或/及該保護液L2的顏色較佳由脂溶性染色劑調和而成。

該電氣單元E為需要冷卻的對象，該電氣單元E可被定位於該腔室C中的預設位置，使該電氣單元E能浸入而接觸該不導電液L1。例如，可以使整個電氣單元E都沉浸於該工作層2中，或至少使該電氣單元E的熱源H沉浸於該工作層2中，本發明均不加以限制。其中，可選擇使該電氣單元E的熱源H位於該工作層2中，而該電氣單元E的局部位於該保護層3中，即可在能夠冷卻該熱源H的前提下，減少該不導電液L1的用量以降低成本；此外，還可以在架設該電氣單元E時，可選擇使該電氣單元E的熱源H越鄰近該腔室C底端B越好，從而更進一步地節省該不導電液L1的用量。

更詳言之，本實施例可選擇將該電氣單元E定位於一座架4，該座架4可以穩固設置於該腔室C底端B。例如但不限制地，該座架4可具有相間隔的數個固定架41，以於任二相鄰的固定架41之間形成一插槽42，當該電氣單元E為主機板、通訊界面板、顯示板或資料儲存板等片狀結構時， 該電氣單元E可以插設定位於其中一插槽42中，且該不導電液L1仍可通過該插槽42而浸潤該電氣單元E的熱源H。或者，在其他實施例中，也可以在該槽蓋12設置吊架以定位該電氣單元E，使該電氣單元E能沉浸於該工作層2中，故本發明不限制定位該電氣單元E的方式。

該浸沒式冷卻系統還可另包含一擾動器5，該擾動器5位於該保護層3，用以攪拌該保護液L2，使整個保護層3的各處溫度能較為平均。在本實施例中，該擾動器5可以具有一外殼51，該外殼51可以由一連接架52組裝於該槽蓋12，並維持該外殼51浸潤於該保護液L2中。該外殼51具有一流入口511及一排出口512，該外殼51內部則具有一葉輪53，用以帶動該保護液L2從該流入口511流入該外殼51內部，再由該排出口512流出，其中該排出口512的口徑可以小於該流入口511的口徑，以提升從該排出口512流出的液體流速，從而降低該擾動器5的耗能。

請參照第2圖所示，本實施例的浸沒式冷卻系統，可以在該電氣單元E運作而產生熱能時，由該電氣單元E周遭的不導電液L1吸收熱能，使該電氣單元E得以維持在適當的工作溫度。其中，該工作層2中的液態不導電液L1可以在吸收熱能後轉換成氣態，並形成氣泡而上升進入該保護層3；此時，進到該保護層3中的氣態不導電液L1可以將熱能傳遞給液態的保護液L2，從而在該保護層3中冷凝回液態，再藉由該不導電液L1與該保護液L2的密度差，使凝結回液態的不導電液L1能自然下沉回到該工作層2中。此外，由於該保護液L2的沸點較高，故氣態的不導電液L1將熱能傳遞給液態的保護液L2時，該保護液L2仍可維持液態，且氣態的不導電液L1只要在未到達該保護層3頂端前冷凝回液態，就幾乎不會有流失的情狀發生，故可大幅降低該不導電液L1的流失量。又，由於該不導電液L1的顏色可以與該保護液L2的顏色不同，除可使二者易於辨識外，當該工作層2中的液態不 導電液L1轉換成氣態形成氣泡而上升進入該保護層3、再凝結回液態而自然下沉回到該工作層2的過程中，還可以由該密封槽1周圍觀看所呈現的彩色視覺效果，不僅能夠為產業(例如：電競產業)帶來更多的商機，更可兼具實用性與美感。

請參照第3圖所示，其係本發明浸沒式冷卻系統的第二實施例，本實施例的保護層3可以由二種以上不同密度的保護液L2所形成，以更進一步地提升前述降低不導電液L1流失量的效果。舉例而言，本實施例的保護層3可以由二種不同密度的保護液L2所形成，且以下分別以第一保護液L21與第二保護液L22稱之，以便說明。

該第一保護液L21的密度低於該不導電液L1的密度，該第二保護液L22的密度又再低於該第一保護液L21的密度，且該第一保護液L21的沸點高於該不導電液L1的沸點，該第二保護液L22的沸點又再高於該第一保護液L21的沸點。如此，本實施例的保護層3可以形成二層的形態，且該第二保護液L22鄰接於該第一保護液L21上方，萬一氣態的不導電液L1來不及在到達該第一保護液L21頂端前冷凝回液態，氣泡可以接續進入該第二保護液L22，而在液態的第二保護液L22中冷凝回液態，並自然下沉，通過該第一保護液L21以回到該工作層2中；因此，該第二保護液L22可更進一步地降低該不導電液L1的流失量。在其他實施例中，也可再添加不同密度的保護液，使該保護層3形成更多層的形態，只要掌握越上層的保護液密度越低且沸點越高的原則即可。

請參照第4圖所示，其係本發明浸沒式冷卻系統的第三實施例，本實施例可以另具有一循環冷卻模組6，該循環冷卻模組6可以由一管件組61通過保護層3，以由循環於該管件組61中的液態或氣態流體與形成該保護層3的保護液L2進行熱交換，吸收該保護液L2的熱能，使該保護液L2 得以維持低溫，以提升將氣態不導電液L1冷凝回液態的效率。

詳言之，該循環冷卻模組6還可以具有一驅動源62及一散熱單元63，該管件組61連通該驅動源62，以由該驅動源62驅動該管件組61中的流體流動；該管件組61連接該散熱單元63，該管件組61位於該腔室C中的部位形成一吸熱部611，該散熱單元63與該管件組61的連接處較佳遠離該吸熱部611。據此，該管件組61中的流體可以在流經該吸熱部611時，吸收該保護液L2的熱能，並於流經該散熱單元63時冷卻降溫，並於降溫後再次被導向該吸熱部611，如此不斷循環，使該保護液L2能維持低溫。

其中，該驅動源62可例如為葉輪或泵，且該驅動源62可以如第4圖所示設在該腔室C中，或如第5圖所示設在該密封槽1外。該散熱單元63則可以為氣冷式或液冷式的散熱器，本發明均不加以限制。

請參照第6圖所示，本實施例的電子裝置7可以具有一機殼71及數個電氣單元E，該數個電氣單元E及前述各實施例的浸沒式冷卻系統可以位於該機殼71中。

詳言之，該電子裝置7可例如為工業電腦(Industrial Personal Computer，簡稱IPC)，該數個電氣單元E可例如為電源供應器、硬碟、風扇、主機板、中央處理器、記憶體及顯示卡等，其中會在運作時產生高溫的電氣單元E，如主機板、中央處理器、記憶體及顯示卡等，其中的至少一電氣單元E可以具有一熱源H，且該熱源H可以被安排設置於密封槽1的腔室C內，並沉浸於工作層2中；而其他不太會在運作時產生高溫的電氣單元E，則可以安排設置於該密封槽1外。其中，該工作層2由至少一不導電液L1所形成，該保護層3由至少一保護液L2所形成，該保護液L2的密度低於該不導電液L1的密度，且該保護液L2的沸點高於該不導電液L1的沸點。據此，該工作層2中的液態不導電液L1可以吸收該熱源H所產生的熱能並轉換成氣 態，形成氣泡而上升進入該保護層3，於該保護層3中冷凝回液態，再下沉回到該工作層2中，達到降低該不導電液L1流失量的效果。

值得一提的是，本實施例的保護層3也可以如前述第二實施例由二種以上不同密度的保護液L2所形成，以更進一步地提升前述降低不導電液L1流失量的效果；或者，也可以如前述第一實施例在該保護層3設一擾動器5(標示於第2圖)，或如前述第三實施例具有一循環冷卻模組6(標示於第4圖)，以提升將氣態不導電液L1冷凝回液態的效率。此外，在其他實施例中，該密封槽1可選擇設於該電子裝置7的機殼71外，而需設於該腔室C內中的電氣單元E自然也位於該機殼71外，此為本領域中具有通常知識者可以理解，故本發明的電子裝置7不以第6圖所示的配置關係為限。

綜上所述，本發明的浸沒式冷卻系統及具有該浸沒式冷卻系統的電子裝置，其工作層中的液態不導電液可以在吸收熱能後轉換成氣態，並形成氣泡而上升進入保護層，使氣態的不導電液可以在液態環境中凝結回液態，再下沉回到該工作層中，從而能夠有效降低氣態不導電液的流失量，使該密封槽內的不導電液量不易減少，具有大幅降低補充不導電液的費用與人力成本等功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:密封槽

11:筒槽

11a:環牆

11b:封底盤

111:蓋合口

112:開口

12:槽蓋

121:孔洞

2:工作層

3:保護層

4:座架

41:固定架

42:插槽

5:擾動器

51:外殼

511:流入口

512:排出口

52:連接架

53:葉輪

B:底端

C:腔室

E:電氣單元

H:熱源

L1:不導電液

L2:保護液

Claims (13)

1. 一種浸沒式冷卻系統，包含：一密封槽，內部具有一腔室；一工作層，由填裝於該腔室中的至少一不導電液所形成；一保護層，由填裝於該腔室中的至少一保護液所形成，該保護液的密度低於該不導電液的密度，該保護液的沸點高於該不導電液的沸點；及一擾動器，位於該保護層，該擾動器由一葉輪攪拌該保護液。
2. 如請求項1之浸沒式冷卻系統，其中，該密封槽具有一筒槽及一槽蓋，該腔室位於該筒槽內部，該筒槽具有一蓋合口連通該腔室，該槽蓋遮蓋該蓋合口。
3. 如請求項1之浸沒式冷卻系統，其中，該保護層由二種以上不同密度的保護液所形成，越上層的保護液密度越低且沸點越高。
4. 如請求項1之浸沒式冷卻系統，另包含一循環冷卻模組，該循環冷卻模組具有一管件組，該管件組的局部通過該保護層並形成一吸熱部，該保護液與該吸熱部熱交換。
5. 如請求項4之浸沒式冷卻系統，其中，該循環冷卻模組具有一驅動源連通該管件組，該驅動源驅動該管件組中的流體流動，該管件組連接一散熱單元以降低該管件組中的流體溫度。
6. 如請求項1之浸沒式冷卻系統，其中，該不導電液的顏色與該保護液的顏色不同。
7. 如請求項6之浸沒式冷卻系統，其中，該不導電液的顏色或/及該保護液的顏色由脂溶性染色劑調和而成。
8. 如請求項1至7中任一項之浸沒式冷卻系統，另包含至少一電氣單元，該電氣單元被定位於該腔室中，且該電氣單元浸入該不導電液。
9. 如請求項8之浸沒式冷卻系統，其中，該電氣單元的熱源位於該工作層中，該電氣單元的局部位於該保護層中。
10. 如請求項1至7中任一項之浸沒式冷卻系統，另包含用以定位至少一電氣單元的一座架，該座架位於該腔室底端，該座架具有相間隔的數個固定架，任二相鄰的固定架之間形成一插槽，該電氣單元插設定位於其中一插槽中，該不導電液通過該插槽而浸潤該電氣單元的熱源。
11. 一種電子裝置，包含：數個電氣單元，其中的至少一電氣單元具有一熱源；及一如請求項1至7中任一項之浸沒式冷卻系統，該熱源位於該工作層中。
12. 如請求項11之電子裝置，其中，具有該熱源的電氣單元的局部位於該保護層中。
13. 如請求項11之電子裝置，其中，該浸沒式冷卻系統另包含一座架，該座架位於該腔室底端，該座架具有相間隔的數個固定架，任二相鄰的固定架之間形成一插槽，具有該熱源的電氣單元插設定位於其中一插槽中，該不導電液通過該插槽而浸潤該熱源。

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