现代数据中心的冷却体系最早可追溯至 1960 年代的「计算机机房」，当时受限于低运算密度，传统气冷方案足以应付需求。虽然浸没式液冷技术早在 1940 年代便已应用于高压变压器（high-voltage transformers），而 IBM 亦于 1960 年代率先针对大型主机开发出首套直接液冷系统（Direct Liquid Cooling）。然而 1980 年代 CMOS 芯片每瓦效能提升且电压与热量降低，加上空气冷却具备低成本优势，使液冷技术一度淡出主流[1]。随着AI运算功率飙升与摩尔定律趋缓，现代数据中心已面临单一机柜跨越50kW散热临界点的挑战，传统气冷方案已达极限。在AI芯片极端热密度与严苛PUE节能指针的驱动下，半世纪前由 IBM 497 号专利奠定的直接液冷技术，正从历史配角转身成为定义现代数据中心规格的核心关键。
1960 年代：IBM 开创水冷技术先河
IBM首次将水冷技术应用于计算机运算可追溯至1966年。当时IBM推出了 System/360 Model 91，这是当时指令周期最快、效能最强大的大型主机。该型号专为太空探索、理论天文学、次原子物理（subatomic physics）及全球天气预报等高强度科学应用而设计[2]。由于其处理速度极快，运算产生的热量远超当时传统风扇冷却的极限，IBM 遂开发了一套专门的冷水循环系统以维持运作，这使System/360 Model 91于 1967年正式运作时，成为全球首批采用液体循环冷却的计算机。
此技术开发过程中，IBM 著名的热传导专家 Richard C. Chu扮演了核心角色，并于 1960 年代末至 70 年代初发明并申请了多项奠基性的液冷专利。其中最具代表性的专利包括美国专利号US 3,524,497 A（简称497专利）[3]，专利名称为「液冷系统中的热传递（Heat Transfer in a Liquid Cooling System）」，此专利系由IBM公司于1968年4月4日申请，并于1970年1970年8月18日获证。此专利描述了如何透过特殊的「扰流柱」设计提升热交换效率，为IBM在1960年代开发System/360 Model 91时期的关键液冷技术之一。
配合图示说明该项发明
依据497专利代表图示说明该项发明，请见图1。如图中FIG.1与FIG.2所示，本发明之一液体冷却组件（liquid cooling assembly, 12）包含一第一壁14与一第二壁16，该第一壁14与第二壁16彼此平行且间隔配置，并共同界定一狭窄流道（narrow channel, 18），供冷却液20于其中流动。复数个冷却柱（cooling studs, 24）系固定连接于所述第一壁14，并自该第一壁14向所述流道18内延伸，且以间隔且大致平行之方式排列，其中每一冷却柱24之一端承载至少一电子组件22，使该电子组件22于运作时所产生之热量可经由所述冷却柱24直接传导至流经所述流道18之冷却液20。再者，复数个扰流柱（turbulator studs, 28）系固定连接于所述第二壁16，并自该第二壁16向所述流道18内延伸，且与所述冷却柱24呈大致平行配置，所述扰流柱28相对于所述冷却柱24以间隔且交错（staggered）之方式排列。藉由上述结构配置，冷却液20于流经冷却柱24时，会受到扰流柱28的干扰作用，使流场中的湍流（turbulence）程度显著提升，并促使冷却液沿冷却柱24表面导引流动。此一流动行为可有效延迟冷却液边界层（boundary layer）于冷却柱24后侧的分离位置，进而抑制涡流（eddy currents）的形成，同时增加冷却液20与冷却柱24之间的有效热交换面积。因此，即使在较低冷却液流量条件下，仍可实现整体热传效率的明显提升。
进一步如FIG.2 所示，所述扰流柱28具有多个曲面（curved surfaces, 30），各曲面30分别朝向相邻之冷却柱24，且于所述扰流柱28与冷却柱24之间形成受控之冷却液流道（flow passage, 32），以同时增强冷却液20于冷却柱24周围之流动湍流程度，并控制冷却液沿冷却柱24表面之流动路径，使冷却液能沿冷却柱24表面流动更长距离，进一步提升热量由冷却柱24向冷却液20之传递效率。
如FIG.3 与FIG.4 所示，在另一实施态样中，所述扰流柱（turbulator studs, 52）系设置于一扰流柱板54上，且该扰流柱板54与另一结构壁共同界定一辅助流道（auxiliary channel, 56），供第二冷却介质（secondary coolant, 58）于其中流动，以对所述扰流柱52及扰流柱板54进行辅助冷却，使流经冷却柱布置流道（stud-populated channel, 62）之冷却液60所吸收之热量可进一步传递至所述辅助流道56，可采用对流式冷却或流动沸腾模式，视冷却液种类而定。此外，所述扰流柱（28、52）可选择性地同时作为冷却柱使用，并于其连接之壁面侧承载电子组件22，使各柱状构件彼此兼具冷却与扰流功能，从而在不增加冷却组件12整体体积或封装尺寸之情况下，提高可配置之电子组件数量与系统整体散热效率。
497专利技术特征：液体通道与冷却柱（Cooling Studs）
497专利旨在解决高密度电子组件（如半导体）的散热问题，其专利技术特征包括液体信道与冷却柱之设计。
（一）狭窄信道结构：由两面平行墙面构成一个狭窄信道，冷却液体被强制流经此通道；
（二）冷却柱设计：电子组件直接安装在导热性良好的「冷却柱」（通常为铜制）一端，而柱体则延伸进入液体通道中，让冷却液直接带走热量；
（三）边界层控制：传统冷却会因液体流速差异在表面形成「边界层」，阻碍热传导 。此设计透过柱状结构破坏边界层，提高散热效率；
（四）扰流柱与冷却柱的交错配置：这项专利最独特的创新，也是可专利性的核心特征，在于引入了扰流柱（Turbulator Studs）与冷却柱在信道内以交错方式排列配置（Staggered Relation）。扰流柱能增加液体的乱流（Turbulence），并控制液体流经冷却柱时的「分离点」，使冷却液能贴合冷却柱表面更长的时间，从而增加乱流与延迟分离，显著提升热交换效率。此项核心技术特征，增加乱流与延迟分离，可将冷却效率提高42%。此外，该专利还提到可以在通道墙面后方设置第二个信道（辅助冷却信道），通入如「冰水（Chilled Water）」等冷却剂，进行二次热交换。
这项专利的伟大之处，在于其将复杂的流体动力学简化为可制造的几何构件，这也是为何该技术能跨越 50 年依然适用的关键。
497专利独立项解析：交错扰流与特定几何设计之权利范围
497专利主张之专利权利范围第一项（Claim 1）定义了其核心保护范围，其技术特点在于建立一个由一组互相平行且间距微小的第一与第二墙面所构成的狭窄通道，并使冷却液体受限于此通道内流动。在发热电子组件的散热配置上，该专利设计将组件安装于导热良好的圆柱形冷却柱一端，并使其从第一墙面延伸进入流动通道中。为了大幅提升热交换效率，通道内部设置了与冷却柱平行且呈交错排列的「扰流柱」。最关键的几何特征在于扰流柱具备四个弧形表面（Four Curved Surfaces），每个表面皆与邻近的冷却柱对应且曲率相同，藉此形成特定的流体通道，将冷却液引导并限制在冷却柱周围，确保液体能与冷却柱维持更大的接触面积与路径，进而有效破坏边界层并增强热传递（散热）效能。
497专利的交错扰流与流体限制技术，不仅创新突破热边界层，权利范围更点出了该技术最核心的可专利性特征—「圆柱形冷却柱」与「四弧面扰流柱」之间的几何设计，透过这种几何耦合架构的设计来解决传统散热的物理瓶颈。这项技术成功地将电子组件散热从单纯的「浸泡」进化到了「精准流力控制」。
半世纪前的冷却智能，驱动今日的运算极限
综观 IBM 于 1960 年代所开发的 497 号专利，其「交错扰流柱」与「精准几何耦合」的设计，不仅是为了应对System/360 Model 91的科学运算热量，更是将散热概念从单纯的冷却介质浸泡，提升至流体力学层次的精确调控。尽管液冷技术在 1980 年代因 CMOS 低功耗特性而隐入历史幕后，但在 AI 运算电力密度爆炸的今日，这份「微通道与扰流」的技术基因已再度回潮。今日常见的冷板（Cold Plate）微信道设计，其核心原理与 497 专利中透过扰流与几何路径增加热交换面积的逻辑如出一辙。历史证明，IBM 的早期研发并非仅是因应当时的需求，更已为半世纪后的液冷服务器预写了发展蓝图，成为今日液冷服务器发展不可撼动的理论基石。
责任编辑：吴碧娥
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备注：
[1] The Evolution of Datacenter Cooling , https://submer.com/blog/the-evolution-of-datacenter-cooling/?utm_source=chatgpt.com
[2] IBM Water-Cooling Technology Helps Computers Beat the Heat, Energy Costs , https://www.eweek.com/servers/ibm-water-cooling-technology-helps-computers-beat-the-heat-energy-costs/?utm_source=chatgpt.com#1966-ibm-embarks-on-water-coolin
[3] https://patents.google.com/patent/US3524497A/en?oq=US+3%2c524%2c497+A
