TWI445493B - 散熱系統 - Google Patents

Description

散熱系統

本發明係有關於一種散熱系統，特別是一種可節約能源之散熱系統。

一般來說，電子裝置包括桌上型電腦、筆記型電腦、平板電腦、個人數位助理(Personal digital assistant，PDA)或伺服器，電子裝置內具有各式電子元件，而每一個電子元件皆具有一可正常運作的溫度範圍。若電子元件運作，其溫度超過可正常運作的溫度範圍時，電子元件就有可能發生不正常的運作現象，如電子元件在高溫運作下所引起的當機或損壞。甚至可能因為電子元件的溫度過高而引發火災。因此，每一種電子裝置皆搭配有至少一種散熱裝置，散熱裝置運轉時可以降低電子元件於運作時的溫度。藉此提供電子元件可以在正常運作的溫度範圍內運作，進而防止電子元件產生不正常的運作現象。其中，此散熱裝置例如為液冷裝置。

液冷裝置具有一管路、一散熱器及一幫浦。管路分別具有一吸熱段及一散熱段。吸熱段與電子元件熱接觸，以及散熱段與散熱器熱接觸。另外，管路內具有一冷卻液，且於幫浦驅動冷卻液流至吸熱段時，因電子元件的溫度高於管路之吸熱段的溫度，故電子元件釋放的熱量會傳導至管路之吸熱段，而又因為此時冷卻液的溫度低於管路的溫度，故管路的熱量又會傳導至冷卻液。此時冷卻液之溫度因冷卻液吸收熱量而上升。接著高溫之冷卻液又被幫浦輸送至散熱段，此時因高溫之冷卻液的溫度高於散熱器，故冷卻液會不斷釋放熱量，並透過管路傳導至散熱器以完成冷卻液之降溫動作。接著降溫後之冷卻液再被送回幫浦以完成一冷卻循環。

上述冷卻液在進行冷卻循環時可以維持單相不變化，僅以溫度上升時所吸收的熱(顯熱)來帶走電子元件所釋放的熱量。或者，冷卻液可以經由相變化(即自液態轉變成氣態)時所吸收的熱(潛熱)來帶走電子元件所釋放的熱量。兩者的差異在於冷卻液藉由相變化所吸收的潛熱遠大於冷卻液在維持在單相時所吸收的潛熱。

然而，雖然冷卻液可以經由相變化而大量地吸收電子元件所產生的熱量，但是氣態的冷卻液於管路內所受到的流阻卻遠高於液態之冷卻液與管路間的流阻。因此，當管路內存在著氣態的冷卻液時，幫浦需耗費較大的電力才能在推動冷卻液在管路內循環。更甚者，當管路內的氣態的冷卻液過多進而造成冷卻液與管路之間的流阻過大時，習知技術甚至需要使用更加耗費電力的壓縮機去推動冷卻液在管路內循環。故如何在散熱系統的降溫效率與耗電率間取得平衡將是設計人員應解決的問題。

鑒於以上的問題，本發明是關於一種散熱系統，目的在於解決先前技術中之散熱系統無法同時兼顧高降溫效率與低耗電率的問題。

一實施例所揭露之散熱系統，適於設置於一伺服器之一機架模組，機架模組包括一電子元件，散熱系統包括一第一散熱模組及一第二散熱模組。第一散熱模組包括一第一熱交換器、一第一管路及一流體驅動裝置。第一熱交換器適於位於機架模組內以及與電子元件熱接觸。第一管路與第一熱交換器熱接觸並具有一第一冷卻液。流體驅動裝置與第一管路連通，並用以驅動第一冷卻液於第一管路內循環。第二散熱模組包括一第二熱交換器，第二熱交換器適於位於機架模組內並與第一管路熱接觸。

其中，第一管路內之第一冷卻液與第一熱交換器進行熱交換，之後，第一管路中的第一冷卻液再與第二熱交換器進行熱交換。

上述實施例所揭露之散熱系統係將第二熱交換器與第一管路熱接觸以進行熱交換，以及將各第二熱交換器分別設置於各機架模組內。藉此，在自第一熱交換器流出之氣態的第一冷卻液離開機架模組之前，第二熱交換器便可提早與第一冷卻液進行熱交換，以縮短第一冷卻液處於氣態的時間。因此，氣態的第一冷卻液於第一管路移動的距離能夠大為縮短，是以這樣的第二熱交換器的配置能夠降低第一冷卻液在第一管路內流動時所遭遇的流阻。如此一來，相較於習知技術而言，上述實施例僅需供給較少的電能給流體驅動裝置，便能夠推動第一冷卻液在第一管路內循環。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

請同時參閱「第1圖」至「第2圖」，「第1圖」為第一實施例之伺服器之平面示意圖，「第2圖」為「第1圖」之第一熱交換器與第二熱交換器的放大示意圖。上述之伺服器10包括有多組機架模組，每一機架模組都包括至少一電子元件(未繪示)，為了方便說明，本實施例以兩組機架模組作為說明，其分別為一第一機架模組12及一第二機架模組14，但並不以此為限。

電子元件具有一工作溫度區間，其中此工作溫度區間為電子元件運轉初期的溫度到預設的溫度上限之間的溫度範圍。舉例而言，此預設的溫度上限可以是為了保護電子元件免於當機所設定的溫度或是避免電子元件免於燒毀所設定的溫度。而上述的電子元件例如是中央處理器、顯示晶片、南北橋晶片或記憶體等工作時會發熱的積體電路晶片。為說明上的方便，本實施例之電子元件是以中央處理器為例，其中，中央處理器之工作溫度區間例如在攝氏30度至80度之間。

本實施例之散熱系統20包括一第一散熱模組100及一第二散熱模組200。第一散熱模組100包括至少一第一熱交換器110、一第一管路120及一流體驅動裝置130。其中，第一熱交換器110的數量視機架模組中電子元件的數量而定，本實施例在每一機架模組12、14中僅各以一個第一熱交換器110作為說明，但在真實案例中，其數量不受限制。由於第一散熱模組100及第二散熱模組200於各機架模組12、14的配置皆相同，故以下僅介紹第一機架模組12。

第一熱交換器110位於第一機架模組12內，並且第一熱交換器110與第一機架模組12之電子元件熱接觸，因此電子元件所產生之熱量可傳導至第一熱交換器110。

第一管路120內具有一第一冷卻液121，第一管路120分別與各第一熱交換器110熱接觸，並使第一冷卻液121與各第一熱交換器110進行熱交換，以帶走電子元件傳遞至第一熱交換器110之熱量。

其中，本實施例之第一冷卻液121可為一常壓下沸點溫度落於攝氏50度至攝氏60度之間的液體。在本實施例以及部份的其他實施例中，第一冷卻液121是環保冷媒，其中，所謂的環保冷媒是指不含氟氯烴(CFC)和氫氟氯烴(HCFC)的冷媒。在部分的實施例中，第一冷卻液121例如是五氟丁烷(HFC-365mfc)或七氟三甲氧基丙烷(HFE-7000)。

流體驅動裝置130連通第一管路120並驅動第一冷卻液121於第一管路120內循環(如箭頭a所指示之方向)。

第二散熱模組200包括一第二熱交換器210，而第二熱交換器210與第一管路120熱接觸。更詳細地說，第一管路120之用以引導自第一熱交換器110回流至流體驅動裝置130之部分係與第二熱交換器210熱接觸，是以當第一冷卻液121於第一管路120內循環時，第一冷卻液121先與第一熱交換器110進行熱交換，之後再與第二熱交換器210進行熱交換。而本實施例之第二熱交換器210例如為包含了散熱鰭片及風扇的散熱模組。散熱鰭片包括多個相互平行排列並且與第一管路120熱接觸的散熱板。風扇用以吹拂這些散熱板，以將自電子元件傳遞至散熱板之熱量移除。

其中，第二熱交換器210位於第一機架模組12內，並鄰近於第一熱交換器110。換句話說，第二熱交換器210至第一熱交換器110之距離遠小於第二熱交換器210至流體驅動裝置130之距離。因此，因為第二熱交換器210鄰近於第一熱交換器110，是以可提早將電子元件產生之熱量帶走，以降低第一冷卻液121之溫度。更詳細地說，若第一冷卻液121的溫度在第一冷卻液121吸收電子元件產生之熱量後而達到沸點，則至少部分的第一冷卻液121會由液態變成氣態。由於第二熱交換器210是位於第一機架模組12內，是以變成氣態之第一冷卻液121在離開第一機架模組12之前便會因為第二熱交換器210與氣態之第一冷卻液121之間的熱交換，而再度變回液態之第一冷卻液121。如此一來，第二熱交換器210可縮短氣態之第一冷卻液121在第一管路120內移動的距離，是以可降低第一冷卻液121在第一管路120內的流阻(因為氣體於管路內的流阻大於液體於管路內的流阻)，進而降低流體驅動裝置130之動力輸出的負荷。

另外，由於本實施例之第一冷卻液121因在常溫常壓下為液態，故第一冷卻液121可以在常溫常壓的環境下直接被填入第一管路120內。

再者，第二熱交換器210也可以是板式熱交換器，板式熱交換器包括多個相互平行排列的導熱板及至少一貫穿這些導熱板的管路，管路內的熱量可藉由導熱板傳導至空氣中或與其它管路進行熱交換。

再者，請參閱「第3圖」與「第4圖」所示，「第3圖」為第二實施例之伺服器之平面示意圖，「第4圖」為「第3圖」之第一熱交換器與第二熱交換器的放大示意圖。在第二實施例與第一實施例之間的差異在於第二散熱模組200另包括一第二管路220、幫浦250及一冷卻水塔270。第二管路220內具有一第二冷卻液221。而幫浦250與第二管路220連通，並用以驅動第二冷卻液221於第二管路220內循環(如箭頭b所指示之方向)。其中，第二管路220與第二熱交換器210熱接觸，以令第二冷卻液221與第一冷卻液121於第二熱交換器210處進行熱交換。如此一來，電子元件之熱量不僅可藉由第二熱交換器210傳導至空氣，也可藉由第二熱交換器210傳到至第二冷卻液221以加速第二熱交換器210移除電子元件所產生之熱量。

再者，本實施例之冷卻水塔270為封閉式，部分第二管路220繞經冷卻水塔270內部，而冷卻水塔270會灑水在第二管路220上，以帶走第二冷卻液221之熱量，之後，幫浦250再將冷卻後之第二冷卻液221重新輸送至第二熱交換器210以進行熱交換。但冷卻水塔270並不限於封閉式。在其他實施例中，冷卻水塔270也可以是開放式，第二管路220連通冷卻水塔270，以使第二冷卻液221直接流入冷卻水塔270進行冷卻。

接下來將針對第一冷卻液121於本實施例之第一管路120內循環運作的原理加以說明。首先說明第一管路120自流體驅動裝置130的出口到第一熱交換器110的入口的部分。此時，第一冷卻液121處於常溫常壓下，因第一冷卻液121的溫度未達沸點溫度，故此時第一冷卻液121處於液態。

接著說明第一管路120自第一熱交換器110的出口到第二熱交換器210的入口的部分。此時，因第一冷卻液121因吸收電子元件釋放之熱量而溫度上升。更詳細地說，在第一熱交換器110內，若電子元件的溫度高於第一冷卻液121之沸點時，部分第一冷卻液121會開始進行由液態轉變為氣態的相變化，以利用相變化所需的潛熱帶走電子元件產生的大量熱量。故位於第一熱交換器110的出口到第二熱交換器210的入口之間的第一冷卻液121處於液氣共存的狀態。

接著說明第一管路120自第二熱交換器210的出口到流體驅動裝置130的入口的部分。在第二熱交換器210內，因第二冷卻液221的溫度低於第一冷卻液121的溫度，並且第一冷卻液121與流過第二熱交換器210的第二冷卻液221進行熱交換，是以第一冷卻液121排除本身之熱量而降低溫度，而第二冷卻液221吸收第一冷卻液121釋放之熱量而升高溫度。其中全部或大部分氣化之第一冷卻液121均能夠在第二熱交換器210之內轉換回液態。是以，在第二熱交換器210的出口到流體驅動裝置130的入口之間的第一冷卻液121雖仍可能有液氣共存的現象，但相較於第一管路120自第一熱交換器110的出口到第二熱交換器210的入口的部分，此部分之第一冷卻液121幾乎全部是液態。

接者，請參閱「第5圖」，「第5圖」為第三實施例之伺服器之平面示意圖。為了讓第一機架模組12之散熱效果更好，第二散熱模組200另包括一抽氣裝置260。抽氣裝置260例如為風扇。抽氣裝置260位於第一機架模組12並用以驅使第一機架模組12外部之空氣流進第一機架模組12內(沿箭頭c所指示之方向)，以降低第一機架模組12內的溫度。

再者，請參閱「第6圖」，「第6圖」為第四實施例之伺服器之平面示意圖。為了讓第一機架模組12內部的降溫效果更好，第二散熱模組200更可包括一第三熱交換器230，第三熱交換器230設置於抽氣裝置260之進氣端261。在本實施例中，第三熱交換器230位於第一機架模組12內。此外，第三熱交換器230與第二管路220熱接觸，並且位於幫浦250與第二熱交換器210之間。第三熱交換器230配置的位置是能夠使第二管路220內之第二冷卻液221先與第三熱交換器230進行熱交換，之後，自第三熱交換器230流出之第二冷卻液221再與第二熱交換器210進行熱交換。

基於上述第三熱交換器230的配置方式，使得抽氣裝置260抽取第一機架模組12外部之空氣流進第一機架模組12時，此空氣會先流經第三熱交換器230並與第三熱交換器230進行熱交換，是以第三熱交換器230能夠降低流進第一機架模組12之空氣的溫度。

接著，請參閱「第7圖」，「第7圖」為第五實施例之伺服器之平面示意圖。在本實施例或其他實施例中，第二散熱模組200另包括一第四熱交換器240。第四熱交換器240位於第一機架模組12與第二機架模組14之間。第二管路220內之第二冷卻液221自冷卻水塔270流至第四熱交換器240處進行熱交換，之後再回流至冷卻水塔270。接著，冷卻水塔270再排除第二冷卻液221於第一機架模組12之出風口處所吸收的熱量，使第二冷卻液221可重新進行冷卻循環。

第四熱交換器240先與流出第一機架模組12之熱空氣先進行熱交換，讓熱空氣之溫度降低後再流入第二機架模組14，以提升第二機架模組14中氣體流動的散熱效果並防止第一機架模組12所輸出之廢熱疊加於第二機架模組14內。

再者，請參閱「第8圖」，「第8圖」為第六實施例之伺服器之平面示意圖。在本實施例以及其它的實施例中，為了避免第二熱交換器210來不及將大部分的第一冷卻液121冷凝成液態，第二管路220設有調節閥(未繪示)以調整第二冷卻液221的流量。另外，為了確保第一管路120中的壓力不會超過負荷，第一散熱模組100可以另外增設一儲液槽140，儲液槽140分別與第一管路120與流體驅動裝置130連通，並位於流體驅動裝置130之入口端。是以若液氣共存之第一冷卻液121儲存於儲液槽140時，液態與氣態之第一冷卻液121分離，以確保氣態之第一冷卻液121不會流入流體驅動裝置130，以防止流體驅動裝置130損壞。另外，第一冷卻液121靜置於儲液槽140時，也可讓第一冷卻液121自然冷卻。

上述實施例所揭露之散熱系統，係利用將第二熱交換器與第一管路熱接觸以進行熱交換，以及將各第二熱交換器分別設置於各機架模組內。藉此，在自第一熱交換器流出之氣態的第一冷卻液離開機架模組之前，第二熱交換器可提早與第一冷卻液進行熱交換，以縮短第一冷卻液處於氣態的時間。因此，氣態的第一冷卻液於第一管路移動的距離能夠大為縮短，是以這樣的第二熱交換器的配置能夠降低第一冷卻液在第一管路內流動時所遭遇的流阻。如此一來，相較於習知技術而言，上述實施例僅需供給較少的電能給流體驅動裝置，便能夠推動第一冷卻液在第一管路內循環。

另外，當每個機架模組內皆設置第二熱交換器時，若其中一第二熱交換器損壞時，其餘的機架模組內的第二熱交換器仍可繼續使用，而持續對機架模組內部進行降溫的動作，並不會讓機架模組內部溫度過高而造成電子元件的損壞。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．伺服器

12．．．第一機架模組

14．．．第二機架模組

20．．．散熱系統

100．．．第一散熱模組

110．．．第一熱交換器

120．．．第一管路

121．．．第一冷卻液

130．．．流體驅動裝置

140．．．儲液槽

200．．．第二散熱模組

210．．．第二熱交換器

220．．．第二管路

221．．．第二冷卻液

230．．．第三熱交換器

240．．．第四熱交換器

250．．．幫浦

260．．．抽氣裝置

261．．．進氣端

270．．．冷卻水塔

「第1圖」為第一實施例之伺服器之平面示意圖。

「第2圖」為「第1圖」之第一熱交換器與第二熱交換器的放大示意圖。

「第3圖」為第二實施例之伺服器之平面示意圖。

「第4圖」為「第3圖」之第一熱交換器與第二熱交換器的放大示意圖。

「第5圖」為第三實施例之伺服器之平面示意圖。

「第6圖」為第四實施例之伺服器之平面示意圖。

「第7圖」為第五實施例之伺服器之平面示意圖。

「第8圖」為第六實施例之伺服器之平面示意圖。

10．．．伺服器

12．．．第一機架模組

14．．．第二機架模組

20．．．散熱系統

100．．．第一散熱模組

110．．．第一熱交換器

120．．．第一管路

130．．．流體驅動裝置

140．．．儲液槽

200．．．第二散熱模組

210．．．第二熱交換器

220．．．第二管路

230．．．第三熱交換器

240．．．第四熱交換器

250．．．幫浦

260．．．抽氣裝置

261．．．進氣端

270．．．冷卻水塔

Claims (6)

1. 一種散熱系統，適於設置於一伺服器之一機架模組，該機架模組包括一電子元件，該散熱系統包括：一第一散熱模組，其包括：一第一熱交換器，位於該機架模組內以及與該電子元件熱接觸；一第一管路，與該第一熱交換器熱接觸並具有一第一冷卻液；及一流體驅動裝置，與該第一管路連通，並用以驅動該第一冷卻液於該第一管路內循環；及一第二散熱模組，包括一第二熱交換器，該第二熱交換器位於該機架模組內並與該第一管路熱接觸；其中，該第一管路內之該第一冷卻液與該第一熱交換器進行熱交換，之後，該第一管路中的該第一冷卻液再與該第二熱交換器進行熱交換，並且該電子元件運轉時具有一工作溫度區間，該第一冷卻液之沸點適於落於該電子元件之該工作溫度區間內。
2. 如請求項第1項所述之散熱系統，其中該第二熱交換器為一熱板交換器。
3. 如請求項第1項所述之散熱系統，該第二散熱模組另包括：一冷卻水塔；一第二管路，部分與該第二熱交換器熱接觸，且部分位於 該冷卻水塔內，該第二管路內具有一第二冷卻液；及一幫浦，與該第二管路連通，並用以驅動該第二冷卻液於該第二管路內循環；其中，該第二管路內之該第二冷卻液與該第二熱交換器進行熱交換，之後，該第二管路中的該第二冷卻液再與該冷卻水塔進行熱交換。
4. 如請求項第3項所述之散熱系統，其中該第二散熱模組另包括一第三熱交換器，與該第二管路熱接觸，該第三熱交換器位於該機架模組內以及位於該幫浦與該第二熱交換器之間，該第二管路內之該第二冷卻液與該第三熱交換器進行熱交換，之後，該第二管路中的該第二冷卻液再與該第二熱交換器進行熱交換。
5. 如請求項第4項所述之散熱系統，其中該第二散熱模組另包括一抽氣裝置，該抽氣裝置位於該機架模組內並介於該電子元件與該第三熱交換器之間，並用以產生一氣體自該第三熱交換器吹向該第一熱交換器。
6. 如請求項第1項所述之散熱系統，其中該第一散熱模組另包括一儲液槽，該儲液槽分別與該第一管路與該流體驅動裝置之入口端相連通。