TWM514714U - 散熱系統 - Google Patents

Description

散熱系統

本案係為一種散熱系統，尤指應用於一發熱電路元件上之散熱系統。

請參見圖1，其係已應用於資料中心(data center)的習知散熱系統的功能方塊示意圖，其中多個用以完成伺服器的主機板11被置放在一個液體槽10中，液體槽10中冷卻液為沸點約於攝氏40~60度的介電冷卻液100，例如3M所生產各式Novec Engineered Fluids。因此，伺服器正常操作的溫度將使液體槽10中的具有絕緣特性的介電冷卻液100沸騰而向上揚升，然後再透過上蓋結構101與蒸氣陷阱器102的收集，再經由冷凝器12的作用來將氣態的介電冷卻液100轉態回液體後再流回半開放式液體槽10中，而在習用技術中，冷凝器12主要是靠設置在戶外的龐大冷水主機13的循環來帶走介電冷卻液100的熱能來達到冷凝的效果。但是冷水主機13需要占用相當大的空間而且額外設置的進出水的管路會讓整個系統移動不易，缺乏空間配置的彈性。

因此，如何改善散熱系統的技術缺失，實為發展本案之主要目的之一。

本案係為一種散熱系統，適於儲存一冷卻液，並適於對浸入該冷卻液的一發熱元件進行散熱，該散熱系統包含：冷卻液槽，用以儲存該冷卻液和該發熱元件，且該冷卻液因該發熱元件所產生之熱能而轉態為氣體；蒸發器，安裝於該冷卻液槽，用以吸收冷卻液轉態之氣體的熱能；冷凝器，並外露於該冷卻液槽之外部；至少一連通裝置，連通該蒸發器和該冷凝器，並填充有一冷媒，其中該冷媒在該蒸發器受熱後係以氣體的形式透過該連通裝置到達該冷凝器，且該冷媒在該冷凝器被冷卻而還原成一液體的形式透過該連通裝置回到該蒸發器；以及一第一氣體動力傳送模組，用以帶動空氣流過該冷凝器之周邊。

本案之另一方面係為一種散熱系統，適於儲存一冷卻液，並適於對浸入該冷卻液的一發熱元件進行散熱，該散熱系統包含：冷卻液槽，用以儲存該冷卻液和該發熱元件，且該冷卻液因該發熱元件所產生之熱能而轉態為氣體；蒸發器，安裝於該冷卻液槽，用以吸收冷卻液轉態之氣體的熱能；冷凝器，並外露於該冷卻液槽之外部；至少一連通裝置，連通該蒸發器和該冷凝器，並填充有一冷媒，其中該冷媒在該蒸發器受熱後係以氣體的形式透過該連通裝置到達該冷凝器，且該冷媒在該冷凝器被冷卻而還原成一液體的形式透過該連通裝置回到該蒸發器；以及第二氣體動力傳送模組，設置於該冷卻液槽中，用以帶動冷卻液轉態而成的氣體流動。

根據上述構想，本案散熱系統中，該發熱元件包含一電路模組，該冷卻液為介電質冷卻液。

根據上述構想，本案散熱系統中，該冷凝器為一熱管單元，設於該蒸發器之一側並外露於該冷卻液槽之外部，該熱管單元內部的冷媒吸收該蒸發器之熱能而轉為氣體移動到該冷卻液槽之外部，然後放熱給經過的空氣後轉態為液體再流回到靠近該蒸發器的區段。

根據上述構想，本案散熱系統中更包含一溫度感測器，其係因應所感測到的溫度來控制該第一氣體動力傳送模組或該第二氣體動力傳送模組是否啟動或是調整其運轉的速度。

本案散熱系統可把整個系統整合在同一個冷卻液槽上，不需大空間而且移動方便，具有極大的空間配置彈性，而且透過溫度的監控與對風扇的控制，本案還可以維持相當好的散熱效率以及節能效果。

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樣態上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參見圖2，其係本案為改善習知技術缺失所發展出來的散熱系統構造示意圖，其可廣泛地應用於各式發熱元件，尤其是可以應用在各式的電路模組，例如圖中所示之多個用來完成伺服器的主機板200與背板201所組成的資料中心20。而本案所發展出之散熱系統21主要包含有：冷卻液槽210，用以儲存一冷卻液2100以及置放該資料中心20，以目前設計，冷卻液2100可比採用沸點約在該資料中心20正常運作溫度左右的介電質冷卻液(例如3M所生產各式Novec Engineered Fluids，其沸點分佈約於攝氏40~60度之間)，如此一來，該資料中心20便可完全浸入冷卻液2100中而不影響其電路運作。當然，也可以是該資料中心20的至少一部份(即發熱的部份)浸入冷卻液2100即可。

當冷卻液2100因吸收資料中心20所產生之熱能而沸騰轉態為氣體後向上揚昇到本案所設置之一熱交換器22，熱交換器22中主要包含一蒸發器220與一冷凝器221，其中該蒸發器220設置於該冷卻液槽210之內部，用以吸收冷卻液轉態之氣體的熱能，使經過該蒸發器220的氣體因被吸熱而轉態回冷卻液並流回該冷卻液槽210，而該冷凝器221設於該蒸發器220之一側並外露於該冷卻液槽210之外部，至於連通裝置222則連通該蒸發器220和該冷凝器221之間，連通裝置222中填充有冷媒(本圖未示出)，其中該冷媒在該蒸發器220受熱後係以氣體的形式透過該連通裝置到達該冷凝器221(沿圖中箭頭243所示的方向移動)，且該冷媒在該冷凝器221被冷卻而還原成一液體的形式透過該連通裝置222回到該蒸發器220(沿圖中箭頭242所示的方向移動)。如此一來，該冷凝器221吸收該蒸發器220之熱能並導熱到該冷卻液槽210之外部。而為能增加散熱的效率，本案更可以在冷卻液槽210外部之冷凝器221之周邊增設第一氣體動力傳送模組23，用以帶動空氣快速流過該冷凝器之周邊(如圖中箭頭240所示之方向)。另外，也可以在冷卻液槽210之內部增設另一個第二氣體動力傳送模組24，用以帶動氣體在冷卻液槽210中沿圖中箭頭241的方向移動，進而增加氣體再度冷凝回冷卻液並流回該冷卻液槽210之效率。以本實施例中沸點為攝氏61度介電質冷卻液為例，於位置251測得之溫度約為攝氏51度，通過蒸發器220的作用，於位置252測得之溫度降到約攝氏33度。至於位置253測得冷空氣之溫度為攝氏25度時，則通過冷凝器221的放熱作用，於位置254所測得之溫度將昇到約攝氏37度。至於上述之第一、第二氣體動力傳送模組23、24則可以使用風扇或其它類似氣流調節裝置來完成。另伺服器的主機板200故障進行抽換時將不會關閉電源，導致熱源將持續發熱而使冷卻液持續沸騰，如此將造成開啟冷卻液槽210時，其中的冷卻液容易汽化至大氣中，但是本案透過第二氣體動力傳送模組24的強制送風，將可於可能的洩漏途徑上形成一個空氣牆來加以阻擋，避免大量冷卻液溢散。

而本案之冷卻液槽210主要設計為密封狀態，僅讓資料中心20與外界連接的信號線(本圖未示出)可以穿出，用以防止冷卻液2100散失。而設置於冷卻液槽210外之冷凝器則可以是一熱管單元(Heat pipe)，熱管單元(Heat pipe)設於該蒸發器220之一側並外露於該冷卻液槽210之外部，其結構可以參見如圖3所示之示意圖。該熱管單元30之蒸發部301係接觸於冷卻液槽210內部的蒸發器220，甚或是兩者是以一體成型方式來完成。而蒸發部301中之冷媒吸收該蒸發器220之熱能而轉為氣體，並透過其間的連通裝置303來移動到位於該冷卻液槽210外部之冷凝部302，然後放熱給經過的空氣後轉態為液體再透過其間的連通裝置304流回到靠近該蒸發器的蒸發部301。而在本案中可以利用虹吸式熱管來完成，其可由重力作用來使液體回流蒸發部。當然可以是使用蕊心式熱管，由內部毛細結構來使液體回流。

再者，為能在散熱效率以及節能省電間取得一個平衡，本案係如圖4所示之功能方塊圖，設有一控制電路4來對風扇進行控制，控制電路4中的溫度感測器41係可以用來測量冷卻液槽210內部的溫度，例如在上述位置251~254來進行溫度的測量，用以監測散熱效率是否與發熱元件所產生的熱量能夠匹配，並根據溫度的變化來決定風扇是否進行運轉或是進一步調整風扇運轉的速度。如圖所示，本案係溫度感測器41所感測到的溫度去進一步控制供給第一、第二氣體動力傳送模組23、24的工作電壓值的大小，進而來決定風扇是否進行運轉或是進一步調整風扇運轉的速度，控制電路4還可以同時讀回該工作電壓值來一併進行風扇是否正常運轉的監控，而可以在某一個風扇故障時發出警訊，也可以在某一個風扇故障時強制另一個風扇啟動運轉。

再請參見圖5，其係上述控制電路上所執行的控制方法，首先，步驟51係用以偵測溫度是否高於一預定值，當溫度未高於預定值時(判斷為”否”)，表示系統溫度還不是很高，因此便進入步驟52，用以開啟第二氣體動力傳送模組24但關閉第一氣體動力傳送模組23，如此將可以在節能的狀態下達到初步散熱的目的。而當溫度高於預定值時(步驟51判斷為”是”)，表示系統已進入高溫狀態，因此便進入步驟53，同時開啟第一、第二氣體動力傳送模組23、24，用以加強系統的散熱能力。如此一來，便可以因應實際狀態來決定第一、第二氣體動力傳送模組23、24何時被開啟與關閉。

綜上所述，本案把整個散熱系統整合在同一個機台上，可以解決習知技術手段需要大空間而且移動不易，缺乏空間配置彈性的缺點。本案並且可以廣泛應用於各式需要散熱的積體電路或電子裝置，而且透過溫度的監控與對風扇的控制，本案還可以維持相當好的散熱效率以及節能效果。因此，本案得由熟知此技術之人士任施匠思而爲諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

11‧‧‧主機板
10‧‧‧液體槽
100‧‧‧介電冷卻液
101‧‧‧上蓋結構
102‧‧‧蒸氣陷阱器
12‧‧‧冷凝器
13‧‧‧冷水主機
200‧‧‧主機板
201‧‧‧背板
20‧‧‧資料中心
21‧‧‧散熱系統
210‧‧‧冷卻液槽
2100‧‧‧冷卻液
22‧‧‧熱交換器
220‧‧‧蒸發器
221‧‧‧冷凝器
222‧‧‧連通裝置
23‧‧‧第一氣體動力傳送模組
24‧‧‧第二氣體動力傳送模組
240、241、242、243‧‧‧箭頭
251、252、253、254‧‧‧位置
30‧‧‧熱管單元
301‧‧‧蒸發部
303、304‧‧‧連通裝置
302‧‧‧冷凝部
4‧‧‧控制電路
41‧‧‧溫度感測器
51、52、53‧‧‧步驟

圖1，其係應用於資料中心的習知散熱系統的功能方塊示意圖。 圖2，其係本案為改善習知手段缺失所發展出來的散熱系統的實施例功能方塊示意圖。 圖3，其係本案用以完成冷凝器的熱管示意圖。 圖4，其係本案用以完成風扇控制電路之功能方塊圖 圖5，其係上述控制電路上所執行的風扇控制方法流程示意圖。

200‧‧‧主機板

201‧‧‧背板

20‧‧‧資料中心

21‧‧‧散熱系統

210‧‧‧冷卻液槽

2100‧‧‧冷卻液

22‧‧‧熱交換器

220‧‧‧蒸發器

221‧‧‧冷凝器

222‧‧‧連通裝置

23‧‧‧第一氣體動力傳送模組

24‧‧‧第二氣體動力傳送模組

240、241、242、243‧‧‧箭頭

251、252、253、254‧‧‧位置

Claims (10)

1. 一種散熱系統，適於儲存一冷卻液，並適於對浸入該冷卻液的一發熱元件進行散熱，該散熱系統包含： 一冷卻液槽，用以儲存該冷卻液和該發熱元件，且該冷卻液因該發熱元件所產生之熱能而轉態為氣體； 一蒸發器，安裝於該冷卻液槽，用以吸收冷卻液轉態之氣體的熱能； 一冷凝器，並外露於該冷卻液槽之外部； 至少一連通裝置，連通該蒸發器和該冷凝器，並填充有一冷媒，其中該冷媒在該蒸發器受熱後係以氣體的形式透過該連通裝置到達該冷凝器，且該冷媒在該冷凝器被冷卻而還原成一液體的形式透過該連通裝置回到該蒸發器；以及 一第一氣體動力傳送模組，用以帶動空氣流過該冷凝器之周邊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱系統，其中該發熱元件包含一電路模組，該冷卻液為介電質冷卻液。
3. 如申請專利範圍第1項所述之散熱系統，其中該連通裝置是一熱管。
4. 如申請專利範圍第1項所述之散熱系統，其中更包含一第二氣體動力傳送模組，設置於該冷卻液槽中，用以帶動該冷卻液槽中的氣體流動。
5. 如申請專利範圍第4項所述之散熱系統，其中更包含一溫度感測器，其係因應所感測到的溫度來控制該第一氣體動力傳送模組或該第二氣體動力傳送模組是否啟動或是調整其運轉的速度。
6. 一種散熱系統，適於儲存一冷卻液，並適於對浸入該冷卻液的一發熱元件進行散熱，該散熱系統包含： 一冷卻液槽，用以儲存該冷卻液和該發熱元件，且該冷卻液因該發熱元件所產生之熱能而轉態為氣體； 一蒸發器，安裝於該冷卻液槽，用以吸收冷卻液轉態之氣體的熱能； 一冷凝器，並外露於該冷卻液槽之外部； 至少一連通裝置，連通該蒸發器和該冷凝器，並填充有一冷媒，其中該冷媒在該蒸發器受熱後係以氣體的形式透過該連通裝置到達該冷凝器，且該冷媒在該冷凝器被冷卻而還原成一液體的形式透過該連通裝置回到該蒸發器；以及 一第二氣體動力傳送模組，設置於該冷卻液槽中，用以帶動冷卻液轉態而成的氣體流動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之散熱系統，其中該發熱元件包含一電路模組，該冷卻液為介電質冷卻液。
8. 如申請專利範圍第6項所述之散熱系統，其中該冷凝器為一熱管單元，設於該蒸發器之一側並外露於該冷卻液槽之外部，該熱管單元內部的冷媒吸收該蒸發器之熱能而轉為氣體移動到該冷卻液槽之外部，然後放熱給經過的空氣後轉態為液體再流回到靠近該蒸發器的區段。
9. 如申請專利範圍第6項所述之散熱系統，其中更包含一第一氣體動力傳送模組，設置於該冷卻液槽外，用以帶動空氣流過該冷凝器之周邊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之散熱系統，其中更包含一溫度感測器，其係因應所感測到的溫度來控制該第一氣體動力傳送模組或該第二氣體動力傳送模組是否啟動或是調整其運轉的速度。