CN101751096A - 超级计算机表贴式蒸发冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种超级计算机表贴式蒸发冷却装置，冷凝器(15)置于超级计算机机柜顶部；集液总管(11)位于蒸发冷却装置的最下方。N个冷却液盒(9)位于集液总管(11)和集汽总管(12)之间。出汽管(13)位于集汽总管(12)上方，冷凝器(15)的下方。集汽总管(12)通过出汽管(13)与冷凝器(15)相连，冷凝器(15)通过回液管(14)与集液总管(11)相连。冷却液盒(9)与超级计算机的发热元件紧密接触，N个冷却液盒上包含的N根液体导入管(7)都与集液总管(11)连通，N个冷却液盒(9)上包含的N根汽体导出管(8)均与集汽总管(12)连通，形成一个密闭的循环冷却回路。所述的冷却液盒(9)内有多个内部腔体相互连通的液槽，N个冷却液盒(9)在液路上是并联。

Description

超级计算机表贴式蒸发冷却装置
技术领域
本发明涉及一种超级计算机系统冷却系统。
背景技术
近年来，超级计算机的研发飞速发展，并已在各领域得到了广泛的应用。然而超级计算机在集成度、数据处理能力和计算速度不断提高的同时，其能耗也不断增加，芯片及整机的发热愈来愈严重，超级计算机的冷却成为迫在眉睫并亟需解决的瓶颈问题。
当前超级计算机主要是采用传统的空气冷却方式，虽然系统安全可靠，操作简单，维护方便，但冷却效率低。而且随着集成度的提高，单元空间中布置的部件很多，加上散热设备，使得气流很难均匀分布，致使很难保证主板上各被冷却体的温度保持相对均匀，很难防止局部过热，不能从根本上解决冷却问题。而且使用高压风机往往带来巨大的噪音，并大大增加冷却系统本身的能耗。
蒸发冷却技术利用低沸点介质的汽化潜热实现与被冷却对象间的热量交换，其单位质量冷却介质的吸热能力远大于传统的比热换热方式(如空冷、氢冷、水冷和油冷方式)。蒸发冷却介质具有良好的物理化学稳定性和绝缘性能，以及蒸发冷却系统可以实现无泵自循环并使冷却系统始终运行在零压附近，并可根据发热体的不同工况实现自适应调节，切实保证冷却系统的安全可靠运行。
中国专利200320129492.1公开了一种大功率电力电子器件蒸发冷却装置，这种装置采用自循环方式，不需要泵，体积小，冷却液具有绝缘性，运行安全可靠。该装置包含一个蒸发冷却箱，各个功率模块集中安装在上述蒸发冷却箱的外侧板表面。由于只有一个蒸发冷却箱，所有的功率模块安装在蒸发冷却箱的外侧板表面上，所以模块的安放位置只能去适应这个冷却箱的结构。这对于某些有明确行业规范，结构位置不能有变动的装置就不适用，尤其不能适用于分布式热源，结构位置相对固定，同时又要求计算单元集成度高的超级计算机领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种超级计算机系统的表贴式蒸发冷却装置，用于冷却上述超级计算机的N(1≤N≤10)个刀片计算单元上主要的发热元件(包括CPU，内存组，南北桥管理芯片等)。超级计算机系统的表贴式蒸发冷却装置包括N个冷却液盒，一根集汽总管，一根集液总管，一根回液管，一根出汽管和一个冷凝器。每个冷却液盒上包含一根液体导入管和一根汽体导出管，所述超级计算机系统的表贴式蒸发冷却装置中注入蒸发冷却介质。
本发明所述表贴式蒸发冷却装置是安装在超级计算机的机柜中。其中冷凝器置于上述计算机机柜的顶部，集液总管位于上述蒸发冷却装置的最下方，冷却液盒位于集液总管和集汽总管之间，出汽管位于集汽总管上方、冷凝器的下方，集汽总管通过出汽管与冷凝器相连，冷凝器通过回液管与集液总管相连。冷却液盒与计算单元上主要的发热元件紧密接触，N个冷却液盒上包含的N根液体导入管都与集液总管连通，N个冷却液盒上包含的N根汽体导出管都与集汽总管连通，从而形成一个密闭的循环冷却回路。冷却介质注入冷却液盒中，其液面高度与位于上述冷却液盒的汽体导出管中心线等高。
本发明液体导入管与集液总管通过装有阀门的接头管连通，汽体导出管与集汽总管通过装有阀门的接头管连通。液体导入管和汽体导出管上分别设有类似航空插头的密封机构，当关闭接头管上的阀门，拔出计算单元时，液体导入管和汽体导出管自动密封，蒸发冷却介质不会漏出。
上述刀片计算单元的发热元件工作时所散发的热量，通过冷却液盒的金属表面将热量传递给冷却液盒中的冷却介质，冷却介质吸热升温，当温度达到压力对应的饱和温度时就会沸腾汽化，吸收大量的热，从而冷却发热元件。产生的汽态介质在浮力的作用和回液管液柱静压头的共同作用下，沿着汽体导出管进入到集汽总管，再通过出汽管进入到冷凝器被冷凝成液体经由回液管进入到集液总管，再经液体导入管进入到冷却液盒当中，进行下一轮的冷却。如此周而复始的形成了一个自循环的封闭式蒸发冷却装置。
本发明表贴式蒸发冷却装置与超级计算机系统的空冷系统配和使用，一些发热问题不突出的器件仍然使用强迫通风冷却，故上述表贴式蒸发冷却装置中的冷却液盒高度要合理设计，要给强迫风冷留有充足的冷却风道。
本发明表贴式蒸发冷却装置的使用可以使计算机核心处理单元的温度控制在最佳工作点，使被冷却部件的温度分布均匀。同时可以减少超级计算机配置的风扇数量，能够降低风摩损耗和风扇噪音。
本发明所使用的蒸发冷却介质是符合环保要求的氟碳类化合物。该介质具有高绝缘性能，即使漏出，也不会引起像水冷那样的短路电气事故。其沸点温度可以根据芯片最佳工作温度来选取，一般选取沸点在45-60度。
本发明的冷却液盒由多种异型结构液槽组成，各液槽开口侧是通过表面焊接实现内部腔体连通的。所述异型结构液槽的结构和布置方式与刀片计算单元上的发热元件的形状和位置相同，配合一致，从而确保每个液槽与其要实施冷却的发热元件的形状紧密配合，保证热传导效果最佳。
本发明中使用的冷凝器可以是使用空气也可以是使用水作为二次冷却介质，可依超级计算机机房的配套条件来确定。
本发明所述的刀片计算单元如果水平放置，即冷却液盒也是水平放置，则液体导入管和汽体导出管上采用单向阀，使液相介质只能沿单向阀流入冷却液盒，汽相介质只能沿单向阀流出冷却液盒；如果是竖直放置，则无需使用单向阀结构。
本发明适用于高功率密度、高集成度的超级计算机设备，同时也适用于发热问题突出的分布式电力电子器件冷却。
附图说明
图1刀片计算单元示意图；
图2冷却液盒结构示意图；
图3超级计算机表贴式蒸发冷却装置工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1所示为刀片计算单元，其上包含主体发热部件CPU 1，内存组2和南北桥管理芯片3。
本发明所述表贴式蒸发冷却装置安装在超级计算机的机柜中，包括N个冷却液盒9，一根集汽总管12，一根集液总管11，一根回液管14，一根出汽管13和一个冷凝器15。其中冷凝器15置于上述计算机机柜的顶部，集液总管11位于上述蒸发冷却装置的最下方，冷却液盒9位于集液总管11和集汽总管12之间，出汽管13位于集汽总管12上方、冷凝器15的下方，集汽总管12通过出汽管13与冷凝器15相连，冷凝器15通过回液管14与集液总管11相连。冷却液盒9与刀片计算单元上主要的发热元件1、2、3紧密接触，N个冷却液盒9上包含的N根液体导入管7都与集液总管11连通，N个冷却液盒上包含的N根汽体导出管8都与集汽总管12连通，从而形成一个密闭的循环冷却回路。冷却介质注入冷却液盒中，其液面高度与位于上述冷却液盒的汽体导出管中心线等高。
其中冷却液盒结构如图2所示，冷却液盒内有多个相互连通的液槽4、5和6。液槽4、5和6连通成为一个冷却液盒9，液槽4位于液盒9的中部，液槽5位于冷却液盒9的右上侧，液槽6位于冷却液盒9的左下侧，液槽5与液槽4的接触面处进行焊接，实现内部腔体连通，液槽6与液槽4的接触面处进行焊接，实现内部腔体连通，经过接触表面焊接后，液槽4、5、6的腔体是全部连通的。冷却液盒9上包含一根液体导入管7和一根汽体导出管8，液体导入管7位于冷却液盒9的下部，汽体导出管8位于冷却液盒9的上部。
液体导入管7与集液总管11通过装有阀门16的接头管17连通，汽体导出管8与集汽总管12通过装有阀门16的接头管17连通。液体导入管7和汽体导出管8上分别设有类似航空插头的密封机构7_1，当关闭接头管17上的阀门16，拔出计算单元时，液体导入管7和汽体导出管8自动密封，介质不会漏出。冷却液盒9是多种异型结构液槽4，5，6通过表面焊接实现连通的，确保每个液槽与其要实施冷却的发热元件的形状紧密配合，保证热传导效果最佳。
如图3所示，当发热元件1，2，3工作时，就会散发热量，通过冷却液盒9的金属表面将热量传递给冷却液盒中的冷却介质，冷却介质吸热升温，当温度达到压力对应的饱和温度时就会沸腾汽化，吸收大量的热，从而冷却发热元件。产生的汽态介质在浮力的作用和回液管14的液柱静压头共同作用下，沿着汽体导出管8进入到集汽总管12，再通过出汽管13进入到冷凝器15被冷凝成液体经由回液管14进入到集液总管11，再经液体导入管7进入到冷却液盒9当中，进行下一轮的冷却。如此周而复始的形成了一个自循环的封闭式蒸发冷却装置。第一个冷却液盒9，......第N个冷却液盒10，N个冷却液盒在液路上是并联的。该实施例中所使用的冷凝器是水冷冷凝器，即二次冷却介质为水。
本发明所使用的蒸发冷却介质是符合环保要求的氟碳类化合物。该介质具有高绝缘性能，即使漏出，也不会引起像水冷那样的短路电气事故。其沸点温度可以根据芯片最佳工作温度来选取，一般选取沸点在45-60度。

Claims (2)

1.超级计算机表贴式蒸发冷却装置，包括集汽总管(12)，集液总管(11)，回液管(14)，出汽管(13)和冷凝器(15)，其特征在于，所述的冷凝器(15)置于所述的超级计算机机柜的顶部；集液总管(11)位于所述蒸发冷却装置的最下方；N个冷却液盒(9)位于集液总管(11)和集汽总管(12)之间；出汽管(13)位于集汽总管(12)上方，冷凝器(15)的下方；集汽总管(12)通过出汽管(13)与冷凝器(15)相连，冷凝器(15)通过回液管(14)与集液总管(11)相连；冷却液盒(9)与超级计算机的发热元件紧密接触，N个冷却液盒上包含的N根液体导入管(7)都与集液总管(11)连通，N个冷却液盒(9)上包含的N根汽体导出管(8)均与集汽总管(12)连通，形成一个密闭的循环冷却回路，其中N的取值范围为1-10。
2.根据权利要求所述的超级计算机表贴式蒸发冷却装置，其特征在于所述的冷却液盒(9)内有多个内部腔体相互连通的液槽，N个冷却液盒(9)在液路上是并联的。
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