TW202503477A - 用於對電子元件進行液浸冷卻的冷卻系統 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種用於對電子元件進行液浸冷卻的冷卻系統(1)，包括 容器(3)，其係可在內部填裝兩相傳熱流體，可將電子元件浸入該傳熱流體之液相，其中容器(3)具有位於液態傳熱流體的表面上方的氣室， 位於容器(3)之氣室中的熱交換裝置，用於形成液態傳熱流體， 至少一冷凝器單元(7)，其中冷凝器單元(7)藉由至少一流體入口(71)以及至少一流體出口(72)與容器(3)之氣室接通，用以將氣態介質交換至冷凝器單元(7)或自冷凝器單元(7)交換液態介質，並且冷凝器單元(7)具有用於將殘餘氣相導出的出口(79)，其中 冷凝器單元(7)沿流動方向(S)在該至少一流體入口(71)後具有位於包圍式殼體(74)中的管束(73)，其包含沿軸向相互平行地延伸的熱交換管(731)，從而在殼體(74)中形成流道(75)， 管束(73)係如此設置在殼體(74)中，使得氣態介質在流道(75)中沿熱交換管(731)之軸向流動。

Description

用於對電子元件進行液浸冷卻的冷卻系統

發明領域

本發明係有關於一種如請求項1之前言所述的用於對電子元件進行液浸冷卻的冷卻系統。

發明背景

用於液浸冷卻的冷卻系統，例如兩相沉浸冷卻系統，係針對在運行中產生大量熱的電子元件的高效冷卻解決方案。當元件浸入較佳具有低沸點的兩相傳熱流體中時，電子元件所產生的熱可使周圍的液態傳熱流體蒸發，藉此將熱自電子元件導出。冷凝器裝置將氣態傳熱流體液化後，後者被送回儲存器進行冷卻。

公開案US 10 512 192 B2揭露過一種具有冷卻槽的兩相沉浸冷卻系統。供冷卻過程中所產生之氣態流體冷凝之冷凝室與冷卻槽中的液態流體連接。在此，在位於冷卻槽中之冷卻介質內的產熱電子組件上方，設有蒸氣導流結構。藉由蒸氣導流結構將經蒸發的流體導入冷凝室以進行液化。冷凝室位於冷卻槽內。

公開案US 10 966 349 B1揭露過一種兩相沉浸冷卻系統，其具有沉浸罐以及針對氣態傳熱介質的初級冷凝器。此初級冷凝器係與沉浸罐之內容積熱連接。此沉浸冷卻系統還包括蒸氣管理系統，其在流動側與沉浸罐之頭部空間連接。基於蒸氣管理系統能夠高效地掌控蒸氣產率較高的階段，其中，將流體蒸汽以及其他氣體自沉浸罐之頭部空間移除、將蒸氣冷凝成液體、以及將液體送回沉浸罐。

此外，公開案US 10 477 726 B1揭露過一種用於電腦組件之冷卻系統。在受壓力控制之容器中設有液相及氣相的導熱介電傳熱流體，其在大氣壓力下具有低於80℃之沸點。在容器中設有電腦組件，其係至少部分地浸入傳熱流體之液相。藉由冷凝器將因電腦組件之發熱而蒸發的介電氣相流體冷凝成介電液相流體。在受壓力控制之容器之內腔中，將內壓至多降至650 hPa。藉由對系統工作時的容器內壓力進行控制，使用者可對介電液體蒸發時的溫度施加影響。藉此便能提高冷卻效率。在受壓力控制之容器內在不同於環境壓力的工作壓力下運行電腦系統，通常需要對整個系統進行結構調整。

公開案US 2021 / 0 153 392 A1揭露過一種包含容器的冷卻系統，此容器係可填裝充當冷卻劑的兩相傳熱流體，可將電子元件浸入此傳熱流體之液相。此容器具有位於液態傳熱流體之表面上方的氣室。在此容器上方設有獨立的外部冷凝器裝置，其係配置成將傳熱流體之蒸氣相冷凝並作為液態冷卻劑回輸至包含電子元件的容器中。為此，此系統包括回流及輸送管線，其既與冷凝器裝置連接亦與容器連接，從而構成熱交換迴路。此系統還包括收集器皿，其係設置在供給管線上並且配置成在將冷卻劑輸送至容器前收集冷凝的液態傳熱流體。此蓄存器亦為冷卻系統提供備用冷卻能力。

公開案EP 3 453 235 B1揭露過一種用於對電子元件進行沉浸冷卻的冷卻系統，包括用於盛放液態傳熱流體的壓力密封罐，電子設備浸入此傳熱流體。此外，在液態傳熱流體的表面上方設有蒸氣室。壓力密封罐外設有冷凝器，其中此冷凝器具有入口，此入口透過立管與蒸氣室連接，並且配置成接收傳熱流體蒸氣。此冷凝器還具有針對殘餘氣體的可密封封閉的蒸氣出口，以及具有冷凝物出口，其包含通向罐體的冷凝物回輸管線。此冷凝物回輸管線係如此配置，使得冷凝的傳熱流體可透過此管線自冷凝物出口回流至罐體。在罐體內亦可已設有其他用於將氣態傳熱流體液化的冷凝管。

發明概要

本發明之目的在於，在熱交換裝置方面改良用於對電子元件進行液浸冷卻的冷卻系統。

本發明由請求項1的特徵描述。其他回溯引用的請求項係有關於本發明的有利技術方案及改良方案。

本發明包括一種用於對電子元件進行液浸冷卻的冷卻系統。該冷卻系統包括： - 容器，該容器係可在內部填裝兩相傳熱流體，可將電子元件浸入該傳熱流體之液相，其中，該容器具有位於該液態傳熱流體的表面上方的氣室， - 位於該容器之氣室中的熱交換裝置，用於形成液態傳熱流體， - 至少一冷凝器單元，其中，該冷凝器單元藉由至少一流體入口與該容器之氣室接通，用以將氣態介質交換至冷凝器單元或自冷凝器單元交換液態介質，並且該冷凝器單元具有用於將殘餘氣相導出的出口。

根據本發明，該冷凝器單元沿流動方向在該至少一流體入口後具有位於包圍式殼體中的管束，其包含沿軸向相互平行地延伸的熱交換管，從而在該殼體中形成流道。此外，該管束係如此設置在殼體中，使得氣態介質在該流道中沿該等熱交換管之軸向流動。

本發明基於以下理念：冷凝器單元之內置有由直線狀並且相互平行延伸之熱交換管構成之管束的殼體在一定程度上構成細長的冷卻段，在其中將源自容器之氣態傳熱流體冷卻及液化。在熱交換管處冷凝之傳熱流體滴落至殼體底部上，該殼體底部較佳在朝向流體出口的方向上相對於水平線具有足夠的傾斜度，使得液態傳熱流體透過流體出口回流至容器中。冷凝過程使得氣態傳熱介質的量不斷減少，從而在冷凝器單元之殼體中相對於容器產生負壓。這導致氣態傳熱流體不斷地自容器之氣室透過該至少一流體入口流入冷凝器單元之殼體。因此，該系統根據壓力並且根據傳熱面自動地進行調節。視冷卻需求而定，冷凝器單元亦可實施多次並且分別單獨建構在位於容器中或容器外部的不同位置上。

本發明之解決方案的特別優點在於由熱交換管構成之特別長的冷卻段，在長條形殼體之內部，氣態流體被強制性地沿該冷卻段導引。

該容器可採用壓力密封的實施方案。較佳地，該容器可實施為能夠以負壓及/或過壓運行之壓力容器。藉由控制冷卻系統工作時的容器內壓力，能夠提昇冷卻效率。

氣室中的熱交換裝置較佳由至少一個管束構成，該管束由數個相互平行的熱交換管構成。一管束可具有數個相互平行設置的、包含兩個終端管底的熱交換管。

該等熱交換管較佳為用裸管製造並經過成型製程的翅片管。其特別適合充當高效、緊密、極其穩定且具有較高傳熱係數之熱交換器中的組件。管表面係針對應用之特定傳熱需求進行過優化。有多種材料可供選擇，涵蓋銅、銅合金、鋼、鈦或鈦合金，藉此確保針對不同的需求，為尤其涉及耐久性以及可變形性的要求提供適合的材料。

該亦稱作製冷劑的兩相傳熱流體為位於該容器中之外部流體，電子元件被浸入此流體之液態部分。該位於熱交換管中之內部流體通常為單相傳熱介質，例如製程用水、乙二醇或傳熱油。但在此亦可將兩相介質與製冷迴路相結合。

在該容器中，電子元件以適於冷卻的方式設置在液態傳熱流體之液浴中，並透過液態流體之蒸發而被冷卻。在此情形下，可在調試前或調試期間將不凝性氣體部分有效地自系統移除。

在本發明之實施方式中，該等計算組件、沉浸冷卻設備以及附屬的供電裝置、網路連接、佈線連接以及諸如此類可設置在該容器中，該容器在運行中的內壓有別於環境壓力。

就此而言亦較佳地，將電連接、水連接、真空連接以及網路連接組合在一束管線中，從而將容器中之通路最小化並且減小洩漏危險，特別是當系統在運行中處於真空或過壓下時。

在有利實施方式中，在運行期間，將容器保持在比環境大氣壓力低至多200 hPa的程度，這有助於降低該兩相傳熱流體之沸點，進而有助於降低電腦晶片及其他組件之運行溫度。在一些特定的實施方式中，該受壓力控制之容器的設計係針對比環境壓力低至多500 hPa的壓力。

該冷卻系統之根據本發明的實施方式包括針對介電冷卻流體的容器、熱交換裝置以及用於將介電流體自氣相冷凝成液體的冷凝器單元。該位於容器外部或內部之冷凝器單元之作用在於，將亦包含一定比例空氣及水蒸氣的氣態傳熱流體殘餘儘可能多地冷凝成液態傳熱流體。理想情況下，殘餘的傳熱流體近乎完全自氣相冷凝，因此，殘餘氣相基本上僅剩下空氣與水蒸氣。其中，在液態傳熱流體之分離過程中，期望透過該系統之適當的冷卻效率將水蒸氣保持在氣相。將此殘餘氣體混合物透過冷凝器單元之出口自冷卻系統導出。

此外，可設有用於保持電腦組件的裝置，以及用於將電流自供電系統分配至位於容器內之設備及組件的裝置。可以理解的是，為了在例如被保持在負壓下的容器內運行電腦系統，使用許多專用連接。本發明之系統之一些實施方式可使用一系列光纖介面，其有助於實現在容器中建立連接之可能性，並將光纖分配至各針對電子組件的保持裝置上。該容器的一些實施方式可包含用以確保安全運行的監測感測器。此等感測器可包括溫度感測器、流體料位感測器、壓力感測器、位置感測器、電感測器及/或攝影機，以確保系統的運行並使其自動化。

此等系統例如可以包括位於該經壓力調節之容器內的壓力感測器，其對壓力進行監測，從而確保不存在嚴重洩漏。亦可在該經壓力調節之容器之外側設有氣體感測器，其檢測可能存在的、自受壓力控制之容器排出之介電蒸氣。

此外，該冷卻系統還可有利地具有控制裝置，其係設計成調節流體循環之運行(例如作為兩相傳熱流體之溫度的函數)以及調節容器中的壓力條件。

在本發明之較佳技術方案中，該流道之針對流體的通流橫截面可沿流動方向變化。此措施旨在將傳熱流體之流動集中至該等沿軸向相互平行延伸之熱交換管，並且防止回流。

較佳地，該流道可具有數個腔室，其係透過具有較小通流橫截面的流道連接。藉此將氣態傳熱流體自腔室傳遞至腔室，直至發生液化。藉此延長在相應腔室中的停留時間，並且透過在狹窄部位處產生的壓力梯度控制流動。

此外亦較佳地，在該流道中，該包含熱交換管的管束可穿過該等腔室以及穿過該等連接通道。此措施亦旨在將傳熱流體之流動集中至該等沿軸向相互平行延伸之熱交換管，並且防止回流。

在本發明之一較佳實施方式中，可設有針對氣態流體的引導結構。藉此迫使蒸氣沿管束之傳熱面流動至出口，從而將儘可能多之製冷劑冷凝。

在本發明之較佳技術方案中，該冷凝器單元可設置在該容器內部或者外部。視結構設計以及空間需求而定，該冷凝器單元為獨立模組，其僅需要以任何適當的方式與容器之氣室連接，以便實現流體之物質交換。

較佳地，設於容器內之冷凝器單元可設置在該位於容器之氣室中的熱交換裝置上方或者設置在該熱交換裝置旁。在此等區域中特別是存在氣態流體相位，其已富含殘餘氣體(例如空氣成分或水蒸氣)並且可供用於進一步冷凝。

在本發明之較佳實施方式中，在該冷凝器單元之出口的下游可設有收集容器，其用於將殘餘氣相導出。此容器亦防止空氣自周圍環境進入冷卻系統。該容器可為可膨脹之彈性球囊或體積可變之囊狀物。

在尤佳實施方式中，在出口與收集容器之間可設有用於將水蒸氣自氣相分離的乾燥單元。當負載發生變化時，整個冷卻系統中的壓力水平往往會改變。如若必要，可利用收集容器將外部空氣或殘餘氣體透過乾燥單元送入冷卻系統，以實現壓力補償。能夠與水蒸氣結合的矽膠適用於此類乾燥單元。

在本發明之其他較佳技術方案中，在該出口下游可設有真空泵，其用於將殘餘氣相導出。在此情形下，在出口處，由水蒸氣與空氣構成之殘餘氣相亦可具有相對於周圍環境的負壓，因為透過真空泵總是確保殘餘氣體之向外的流動方向。

較佳地，該熱交換裝置與該冷凝器單元可具有共用的、針對用於冷卻的第一單相傳熱介質的供應單元。如此，兩個單元皆處於適合熱交換流體之分離過程的統一溫度水平。

在本發明之較佳實施方式中，該冷凝器單元可具有針對用於冷卻的第二單相傳熱介質的第二供應單元。在此情形下，在該冷凝器單元中可實現一獨立的有差異的溫度水平，用於將各相組份進一步地高效分離。

在尤佳實施方式中，該冷凝器單元可設計成與該熱交換裝置相比，能夠在該用於冷卻的單相傳熱介質的更低的溫度下運行。其中尤其需要納入考量的是，選擇不低於水成分之露點的壓力及溫度條件，以便將水蒸氣保持在殘餘氣相中並導出。在此壓力-溫度範圍內，能夠最佳地使用該冷凝器單元。

較佳實施例之詳細說明

圖1為用於對電子元件2進行液浸冷卻的冷卻系統1的示意性前視圖。冷卻系統1包括容器3，該容器在內部填裝有兩相傳熱流體。該兩相傳熱流體為位於容器3中之外部流體，具有供電子元件2浸入的液態傳熱流體部分4，並且具有包含氣態傳熱流體部分的氣室5。在容器3中，在容器3之氣室5中設有用於形成液態傳熱流體4的熱交換裝置6。

在此較佳實施方案中，位於氣室5中的熱交換裝置6由管束構成，該等管束包含數個相互平行設置的熱交換管。

在圖1所示的實施方式中，容器3在液態傳熱流體4之區域中略微變細，其中，容器壁部向內突出並且在氣室5中才敞開。容器3的形狀由金屬型材框架31支撐。因此，容器3已被起穩定作用的外支架包圍。

冷凝器單元7係在左側設於容器3外部，並且在容器3之右側設於內部。冷凝器單元7係透過流體入口71與容器3之氣室5連接，用以實現氣態介質之物質交換。在殼體74之向下傾斜的底面的末端，亦設有通向容器3的針對經液化之傳熱流體的流體出口72，液態傳熱流體透過該流體出口自冷凝器單元7重新進入容器3。

為了調節物質交換，在流體入口71中裝入有閥門710，並且在流體出口72中裝入有閥門720。如此一來，透過流體入口71之閥門710，將由傳熱流體、空氣與水蒸氣構成之氣態混合物週期性地或連續地自容器3抽出。透過流體出口72之閥門720僅將液態傳熱流體回輸至容器3中。

將在傳熱流體近乎完全冷凝後剩餘的、大體僅由空氣與水蒸氣構成之殘餘氣相透過出口79藉由閥門910向外導出。為了額外地將水蒸氣分離，在出口79與收集容器9之間設有用於將水蒸氣自該氣相分離的乾燥單元8。

視壓力水平而定，可將殘餘氣相直接導出至周圍環境。作為替代方案，亦可透過真空泵10將殘餘氣相導出。為此，出口79係透過輸送管線101與真空泵10連接，該真空泵透過閥門控制裝置1010藉由真空泵10之向外的導出管線102調節殘餘氣流。

作為替代或補充方案，亦可透過包含閥門910的輸送管線91將殘餘氣相導引至收集容器9，該收集容器可設計成用於產生負壓的體積可膨脹之囊狀物。若在運行中將通向收集容器9的閥門910閉合，則能夠在閥門920開啟的情況下透過收集容器9之導出管線92將殘餘氣體導出。

圖2為包含冷凝器單元7的冷卻系統1的示意性側視圖。冷凝器單元7係在容器3外部安設在縱側面上。流體入口71將容器3之位於流體入口後的氣室與冷凝器單元7連接。氣態流體透過此流體入口71自容器3流出。流體出口72位於冷凝器單元7之殼體74之底面741之最低點處的斜面末端。冷凝的液態流體透過此流體出口72重新進入容器3。透過流體入口71流入之氣態流體到達由數個熱交換管731構成之管束73，並且在流道75中在流動方向S上大體被沿熱交換管731軸向導引。為了針對性地使氣態流體發生偏轉，設有引導結構78，從而迫使氣態流體較佳沿管束73朝向出口79流動。在冷凝過程中，氣態流體之體積以及壓力沿管束73不斷減小。透過由此產生之壓力梯度，在冷凝器單元7中產生相對於容器3的負壓，故氣態流體透過流體入口71不斷地流入。由於氣態流體不斷冷凝，不凝性氣體成分(如空氣成分及水蒸氣)積聚在出口79之區域中。隨後將此等不凝性氣體成分透過出口79自冷卻系統1導出。

圖3為包含冷凝器單元7的冷卻系統1的另一示意性側視圖。如同在圖2中已示出的那樣，冷凝器單元7在容器3之上部外側配設有流體入口71以及流體出口72。殼體74之底面741仍朝向流體出口72具有一定的向下坡度。

在殼體74之頂側沿流動方向S設有凹部742，藉此構成腔室76，該等腔室透過縮窄的連接通道77實現針對氣態流體的物質交換。但此等狹窄部位之通流橫截面D不足以供包含熱交換管731的管束73穿過。因此，在流道75中沿流動方向S設有一排相繼的腔室76，其延長氣態流體之停留時間並且防止氣態流體回流。在出口79處仍特別是將不凝性氣體成分自冷卻系統1導出。

圖4為包含冷凝器單元7的冷卻系統1的另一示意性側視圖，該冷卻系統採用具有管束-薄片熱交換器73的建構方案。在此實施方式中，該等薄片充當引導結構78，其既對氣態流體進行導引，亦形成數個腔室76，自流體入口71將氣態流體沿流動方向S經過該等腔室導引至出口79。殼體74之底面741仍建構成朝向流體出口72傾斜，從而將冷凝的液態流體回輸至容器3中。在管束-薄片熱交換器73中，該等管子在殼體74之長度範圍內相互平行，並且在末端處透過彎管相繼建立起流體連接。建構為薄片的引導結構78係在流動方向S上配設有充當連接通道77的貫通部位，使得氣態流體大體沿熱交換管731軸向流動。熱交換管731較佳呈直線狀，但亦可採用其他細長形狀，例如螺旋盤繞的細長管子。

1:冷卻系統 2:電子元件 3:容器 4:傳熱流體 5:氣室 6:熱交換裝置 7:冷凝器單元 8:乾燥單元 9:收集容器，囊狀物 10:真空泵 31:金屬型材框架 41:液態傳熱流體之表面 71:流體入口 72:流體出口 73:管束 74:殼體 75: 流道 76:腔室 77:連接通道 78:引導結構 79:出口 91:收集容器輸送管線 92:收集容器導出管線 101:真空泵輸送管線 102:真空泵導出管線 710:閥門 720:閥門 731:熱交換管 741:殼體之底面 742:凹部 910:收集容器輸送管線之閥門 920:收集容器導出管線之閥門 1010:真空泵輸送管線之閥門 D:通流橫截面 S:流動方向

參照示意圖對本發明之實施例進行詳細闡釋。

其中： 圖1為包含冷凝器單元的冷卻系統的示意性前視圖， 圖2為包含冷凝器單元的冷卻系統的示意性側視圖， 圖3為包含冷凝器單元的冷卻系統的另一側視圖， 以及 圖4為包含冷凝器單元的冷卻系統的另一側視圖。

彼此對應的部件在所有附圖中皆以相同之符號標示。

1:冷卻系統

3:容器

7:冷凝器單元

71:流體入口

72:流體出口

73:管束

731:熱交換管

74:殼體

741:殼體之底面

75:流道

78:引導結構

79:出口

S:流動方向

Claims (13)

1. 一種用於對電子元件(2)進行液浸冷卻的冷卻系統(1)，其包括 容器(3)，該容器係可在內部填裝兩相傳熱流體(4)，可將電子元件(2)浸入該傳熱流體之液相，其中，該容器(3)具有位於液態傳熱流體(4)的表面(41)上方的氣室(5)， 位於該容器(3)之該氣室(5)中的熱交換裝置(6)，用於形成液態傳熱流體(4)， 至少一冷凝器單元(7)，其中，該冷凝器單元(7)藉由至少一流體入口(71)以及至少一流體出口(72)與該容器(3)之該氣室(5)接通，用以將氣態介質交換至該冷凝器單元(7)或自該冷凝器單元(7)交換液態介質，並且該冷凝器單元(7)具有用於將殘餘氣相導出的出口(79)， 其特徵在於， 該冷凝器單元(7)沿流動方向(S)在該至少一流體入口(71)後具有位於包圍式殼體(74)中的管束(73)，該管束包含沿軸向相互平行地延伸的數個熱交換管(731)，從而在該殼體(74)中形成流道(75)， 該管束(73)係如此設置在該殼體(74)中，使得氣態介質在該流道(75)中沿該等熱交換管(731)之軸向流動。
2. 如請求項1之冷卻系統(1)，其特徵在於，該流道(75)之針對流體的通流橫截面(D)沿流動方向(S)變化。
3. 如請求項1或2之冷卻系統(1)，其特徵在於，該流道(75)具有數個腔室(76)，該等腔室係透過具有較小通流橫截面(D)的數個連接通道(77)連接。
4. 如請求項3之冷卻系統(1)，其特徵在於，在該流道(75)中，包含該等熱交換管(731)的該管束(73)係穿過該等腔室(76)以及穿過該等連接通道(77)。
5. 如請求項1至4之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，設有針對氣態流體的引導結構(78)。
6. 如請求項1至5之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該冷凝器單元(7)係設置在該容器(3)內部或外部。
7. 如請求項1至6之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，設於該容器(3)內部之冷凝器單元(7)係設置在位於容器(3)之該氣室(5)中的該熱交換裝置(6)上方或設置在該熱交換裝置旁。
8. 如請求項1至7之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，在該冷凝器單元(7)之該出口(79)的下游設有收集容器(9)，該收集容器用於將該殘餘氣相導出。
9. 如請求項8之冷卻系統(1)，其特徵在於，在出口(79)與收集容器(9)之間設有用於將水蒸氣自氣相分離的乾燥單元(8)。
10. 如請求項1至7之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，在該出口(79)下游設有真空泵(10)，該真空泵用於將該殘餘氣相導出。
11. 如請求項1至10之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該熱交換裝置(6)與該冷凝器單元(7)具有共用的、針對用於冷卻的第一單相傳熱介質的供應單元。
12. 如請求項1至10之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該冷凝器單元(7)具有針對用於冷卻的第二單相傳熱介質的第二供應單元。
13. 如請求項1至10之其中一項之冷卻系統(1)，其特徵在於，該冷凝器單元(7)係設計成與該熱交換裝置(6)相比，能夠在用於冷卻的單相傳熱介質之更低的溫度下運行。