CN102467202A - 服务器的冷却系统及电子装置的冷却方法 - Google Patents

Abstract

一种服务器的冷却系统及电子装置的冷却方法，服务器的冷却系统包括有设置于服务器机柜内的至少一散热器与至少一冷却板、一冷却总成、一储槽、及一热交换器。其中，冷却总成与散热器相连接，并装载有第一冷却流体，而储槽与冷却板相连接，并装载有第二冷却流体。第一冷却流体通过散热器后而进入热交换器，第二冷却流体通过冷却板后而进入热交换器，第一冷却流体与第二冷却流体于热交换器内进行热交换，使第二冷却流体的温度下降，降低使第二冷却流体回到设定温度所需的能量。

Description

服务器的冷却系统及电子装置的冷却方法

技术领域

本发明涉及一种冷却系统，特别涉及一种适用于服务器机柜的冷却系统及其冷却方法。

背景技术

近年来，因特网迅速且蓬勃的发展扩张，尤其一些大型企业，或者是网络的营业场所等，由于业务的扩增需求，使得服务器的数量也愈来愈多，致使服务器的排列管理更为集中，以节省服务器所占用的空间。因为如此大量且排列密集的服务器及其它设备，势必会造成过多的热量产生，进而导致整体服务器系统的运转不稳定，而这一直是数据中心(data center)所必须面对的重要问题。

为了解决放置数量庞大的服务器机台且为密闭式机房的散热问题，目前现有的方式是于机房内配置冷却空调系统，藉此进行散热，而当服务器数量较少时，则是利用服务器本身的散热风扇进行冷却降温。然而现有的冷却空调系统随着服务器的数量越来越多，机柜排列越来越密集，冷却空调系统所吹出的冷空气根本无法充分流动到机房的各处，导致热空气容易集中在特定区域，当然会造成服务器系统的不稳定。

因此，遂有人提出冰水循环式的服务器冷却装置，其是由压缩机、冷凝器、蒸发盘管、水箱、冷却头及泵(pump)所组成。蒸发盘管是环绕于水箱上，并与压缩机及冷凝器连结，藉以形成封闭的冷冻循环系统。冷却头具有一进水柱及一出水柱，并分别连通于水箱上，且将冷却头直接固设于服务器的发热源上，像是中央处理单元(central processing unit，CPU)等电子零组件。当使用时，可利用泵将水箱内的冰水传送，并通过冷却头的进水柱循环经过高热能的电子零组件后，最后由冷却头的出水柱回流至水箱内，以达到冷却循环的作动。

数据中心所使用的现有冰水循环式冷却装置，其循环至冰水机的水箱的冷却水经过发热源后，温度大幅提高，必须进行降温后方可再次循环利用。因此数据中心系统必须耗费相当大额度的功率进行冷却水的降温工作，导致整体能源使用效率(power usage effectiveness，PUE)不显著。

再者，现有冰水循环式冷却装置的冷却水是通过管线的传输对服务器系统直接冷却，因此并无法掌握冷却水的工作温度，致使数据中心的多个服务器系统的工作温度无法精确的得到控制。同时，服务器系统也因缺乏固件的装载，而无法对冷却装置的内部压力进行控制。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的目的在于提供一种服务器的冷却系统及电子装置的冷却方法，藉以改进现有数据中心的服务器冷却装置必须耗费相当大额度的功率进行降温工作，以及服务器冷却装置无法精确掌握冷却水的工作温度，也无法控制冷却装置的内部压力等问题。

本发明所揭露的服务器的冷却系统，适用于至少一服务器机柜的散热。冷却系统包括有至少一散热器、至少一冷却板、一冷却总成、一第二储槽、一热交换器。其中，散热器与冷却板设置于服务器机柜内，冷却总成具有一第一储槽，用以装载第一冷却流体，且第一储槽与散热器相互连接。第二储槽装载有第二冷却流体，且第二储槽与冷却板相互连接。热交换器分别连接于散热器及冷却总成，且热交换器还分别连接于冷却板及第二储槽。

其中，第一冷却流体流通至散热器内，并进入热交换器，以构成一第一冷却回路，第二冷却流体流通至冷却板内，并进入该热交换器，以构成一第二冷却回路，且第二冷却回路并未与第一冷却回路相互连通。

其中，第一冷却流体与第二冷却流体于热交换器内进行热交换，使第二冷却流体的温度下降，并且降低第二冷却流体回到一设定温度所需的能量。

本发明所揭露的适用于服务器的冷却系统，其中服务器包含至少一承载盘，且承载盘上设有至少一电路板，电路板具有一第一发热模块。

冷却系统包括有至少一风扇模块、一散热器、一第一冷却回路、一第二冷却回路、及一热交换器。风扇模块用以提供一气流吹送至承载盘，藉以降低承载盘的温度，而散热器设置于风扇模块的入风口端。第一冷却回路具有一第一冷却流体，与散热器热接触，用以降低风扇模块的入风口端空气的温度，第二冷却回路具有一第二冷却流体，与第一发热模块热接触。热交换器提供与第一发热模块热接触后的第一冷却流体及与散热器热接触后的第二冷却流体进行热交换，藉以降低第一冷却回路的温度，并且提高第二冷却回路的温度。

本发明所揭露的电子装置的冷却方法，其中电子装置包含至少一承载盘，且承载盘上设有至少一电路板，电路板具有一第一发热模块及一第二发热模块。

冷却方法包括以下步骤：以一第一冷却回路降低一风扇模块的入风口端的温度，以一第二冷却回路降低电子装置产生的部分热能，并以风扇模块产生的气流，将电子装置产生的其余热能散除。

本发明的功效在于，第二冷却流体通过热交换器的作用而降低其温度，以降低使第二冷却流体回到设定温度所需的能量。

同时，第一冷却流体也通过热交换器的作用而升高其温度，使得第一冷却流体与环境温度之间存在有明显的温度差。因此，第一冷却流体于冷却总成内仅须以自然降温方式即可达到相当良好的冷却效果，不必借助冰水机等降温设备进行冷却流体的降温处理。

如此一来，不但提高了本发明的冷却系统的整体散热效能，更大幅降低本发明的冷却系统所需耗费的功率，达到同时具备节能省电与高散热效能的功效。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明第一实施例的系统示意图；

图2为本发明第二实施例的系统示意图；

图3为本发明第三实施例的系统示意图；

图4为本发明的服务器机柜的立体示意图；

图5为本发明的冷却方法的步骤流程图。

其中，附图标记

100冷却系统

110散热器

120冷却板

130冷却总成

131第一储槽

132冰水机

133冷却塔

134第一泵

140第二储槽

150热交换器

160第二泵

200服务器机柜

210风扇模块

220机架

230承载盘

240电路板

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

图1为本发明第一实施例的系统示意图，图5为本发明的电子装置的冷却方法的步骤流程图。如图所示，本发明的冷却系统100用于服务器机柜200的散热降温工作，其中服务器机柜200内部设有至少一风扇模块210，以对服务器的电子零组件进行对流散热。服务器机柜200内也可设置温度计(图中未示)监控其内部温度。

图4所示的服务器机柜200包括有机架220、一承载盘(drawer)230、至少一电路板240、及至少一风扇模块210，承载盘230与电路板240装设于机架220的内部，而风扇模块210也装设于机架220上，并且产生一气流朝向电路板240吹送，藉以进行散热。然而，本发明的重点在于冷却系统的配置，因此申请人故不在此多加赘述服务器机柜200的结构组成。

其中，电路板240具有相当多的电子零组件，而主要发热源为中央处理器，于以下内容中称做第一发热模块。另外，中央处理器以外的电子零组件也会产生热能，例如记忆体模块(memory)，于以下内容中，此类的电子零组件称做第二发热模块。

请参阅图1，冷却系统100包括有一散热器(radiator)110、一冷却板120、一冷却总成130、一第二储槽140、及一热交换器(heat exchanger)150。其中，散热器110设置于服务器机柜200的一侧面上(如图4所示)，而冷却板120也设置于服务器机柜200内。

本发明的散热器110与风扇模块210邻近设置，并且散热器110位于风扇模块210的入风口端，因此散热器110可有效降低风扇模块210入风口端的空气温度，使得吹入机架220的气流温度不致过高。举例来说，服务器机柜200内的环境温度约为摄氏62度(62℃)，而散热器110将风扇模块210所产生的气流温度控制在约40℃，使得进入服务器机柜200内的气流温度与服务器机柜200内部的环境温度有显着的温度差异，进而使服务器机柜200内部产生效果良好的对流散热效果。因此，电路板240的记忆体模块等电子零组件(即第二发热模块)所产生的热能可通过风扇模块210所提供的气流而予以降低。

另外，冷却板120采用液体(例如水、冷煤或是高温冷煤等流体)冷却方式，冷却板120设置于服务器机柜200内的电路板240上，以对电路板240的主要发热模块，例如中央处理器(central processing unit，CPU)，也就是对第一发热模块进行散热降温。

本实施例的冷却总成130包含有第一储槽131、冷却塔133、及第一泵(pump)134，第一储槽131内装载有第一冷却流体，例如为水、冷煤、或是高温冷煤等冷却介质，但并不以本实施例为限。冷却塔133与热交换器150及第一储槽131相连接，而第一泵134分别连接于第一储槽131及散热器110。

请继续参阅图1，第二储槽140内装载有第二冷却流体，例如为冷煤、高温冷煤、或是水等冷却介质，但并不以本实施例为限。第二储槽140与热交换器150相连接，且本发明的冷却系统100还包括一第二泵160，分别连接于第二储槽140与冷却板120，使得第二储槽140通过第二泵160而与冷却板120形成连接关系。

本发明的热交换器150为板式热交换器(plate heat exchanger)，并且是采用液体对液体(liquid to liquid)的热交换方式进行降温，但并不以此为限。热交换器150除了与散热器110及冷却总成130的冷却塔133相连接而构成第一冷却回路之外，热交换器150还与冷却板120及第二储槽140相互连接，进而构成第二冷却回路。其中，第一冷却回路与第二冷却回路之间并未相互连通，也就是说，第一冷却回路及第二冷却回路为各自独立运作的回路系统。

如图1及图5所示，详细而言，第一冷却流体通过第一泵134的抽引而自第一储槽131流通至散热器110内进行散热作用，举例来说，此时的第一冷却流体的温度约为摄氏32度(32℃)。作用完后且温度升高的第一冷却流体自散热器110流出至热交换器150，举例而言，升温后的第一冷却流体的温度约为38℃。最后，第一冷却流体回流至冷却总成130的第一储槽131内，以构成第一冷却回路(如实线路径所示)，并且降低风扇模块210的入风口端的空气温度(步骤300)。第二冷却流体通过第二泵160的抽引而自第二储槽140流通至冷却板120内进行散热作用，举例而言，此时的第二冷却流体的温度约为42℃。作用完后且温度升高的第二冷却流体自冷却板120流出至热交换器150，举例而言，升温后的第二冷却流体的温度约为60℃。最后，第二冷却流体回流至第二储槽140内，以构成第二冷却回路(如虚线路径所示)，并且降低服务器机柜200所产生的部分热能(步骤310)，而风扇模块210所产生的气流则将服务器机柜200所产生的其余热能散除(步骤320)。

当第一冷却流体与第二冷却流体同时流通至热交换器150时候，第一冷却流体(温度约为38℃)与第二冷却流体(温度约为60℃)即在板式热交换器150内进行液体对液体的热交换作用，令较高温度的第二冷却流体降低其工作温度至比如42℃，并且流入第二储槽140内储存，使得第二冷却流体维持一定的工作温度(例如约42℃的工作温度)，得以重复利用第二冷却流体进行电路板240的散热工作。而较低温度的第一冷却流体经由热交换器150的作用，而令其温度上升至约44℃，温度上升的第一冷却流体回流至冷却总成130的冷却塔133内以雾化方式喷洒，以进行冷却降温动作，最后第一冷却流体再流入第一储槽131内储存，使得第一冷却流体维持一定的工作温度(例如约32℃的工作温度)，以对散热器110重复进行散热循环(步骤330)。

由于回流至第二储槽140的第二冷却流体通过热交换器150的作用而降低其温度(由约60℃升高至约42℃)，因而可大幅降低第二冷却流体回到设定温度所需的能量。同时，回流至冷却塔133的第一冷却流体通过热交换器150的作用而升高其温度(由约38℃升高至约44℃)，以与环境温度(一般环境温度为室温23℃)之间存在有明显的温度差(ΔT)，因此第一冷却流体于冷却塔133内进行雾化喷洒时，其自然降温的效果相当显着，不需采用冰水机等额外的辅助降温设备进行第一冷却流体的降温处理。

如此一来，本发明的冷却系统100整体所需的功率额度也可大幅的降低，达到同时具备节能省电与高散热效能的功效，令冷却系统100的整体能源使用效率(PUE)大幅提升。

然而，本领域技术人员，可依据实际环境温度或是实际使用需求而对应控制第一冷却流体与第二冷却流体于各阶段的温度值，并不以本实施例所揭示的数值为限。

并且，本实施例的第二储槽140也可做为冷却系统100内部的压力调节之用，使得冷却系统100不需采用高压管路的设计，同时可提升冷却板120的冷却能力。

图2为本发明第二实施例的系统示意图，由于第二实施例与前述第一实施例的系统组成大致相同，因此只针对差异处加以说明。

如图所示，本发明第二实施例的冷却系统100包括有一散热器110、一冷却板120、一冷却总成130、一第二储槽140、及一热交换器150。其中，冷却总成130除了包含有第一储槽131、冷却塔133、及第一泵134之外，还包括有一冰水机(chiller)132，与热交换器150及冷却塔133相连接。

当升温后的第一冷却流体回流至冷却总成130进行冷却降温时，冰水机132先提供了进行冷却降温动作，且第一冷却流体可于冷却塔133内以雾化方式喷洒进行二次降温。

本实施例所揭示的冰水机132做为辅助之用，以增加第一冷却流体的散热速率，或者是做为第一冷却流体在进行冷却降温时的备援，仅在第一冷却流体与环境温度的温度差不显着时启动作用，藉以加快第一冷却流体的散热效能。因此，相较于现有的冰水机而言，本实施例所载的冰水机132的功率额度相对较低并不会对本发明的冷却系统100的功率耗费量造成过多的负担，令冷却系统100的整体能源使用效率(PUE)大幅提升。

图3为本发明第三实施例的系统示意图。如图所示，第三实施例与前述第一实施例的系统组成大致相同，因此只针对差异处加以说明。

本发明第三实施例的冷却系统100适用于多个服务器机柜200的散热降温工作，例如针对具有数量庞大的服务器机柜串联组成的数据中心(data center)进行散热。

本发明第三实施例的冷却系统100包括有多个散热器110、多个冷却板120、一冷却总成130、一第二储槽140、及一热交换器150。其中，散热器110及冷却板120分别设置于各个服务器机柜200内。

本实施例的冷却总成130包含有第一储槽131、冷却塔133、及第一泵134，第一储槽131内装载有第一冷却流体，例如为水、冷煤、或是高温冷煤等冷却介质，但并不以本实施例为限。冷却塔133与热交换器150及第一储槽131相连接，而第一泵134分别连接于第一储槽131及多个散热器110。

第二储槽140内装载有第二冷却流体，例如为冷煤、高温冷煤、或是水等冷却介质，但并不以本实施例为限。第二储槽140是与热交换器150相连接，且冷却系统100的第二泵160分别连接于第二储槽140与多个冷却板120，使得第二储槽140通过第二泵160而与多个冷却板120形成连接关系。

如图3及图5所示，热交换器150除了与各服务器机柜200内的散热器110及冷却总成130的冷却塔133相连接之外，热交换器150还与各服务器机柜200内的冷却板120及第二储槽140相互连接。

详细而言，第一冷却流体通过第一泵134的抽引而自第一储槽131流通至各散热器110内进行散热作用，举例来说，此时的第一冷却流体的温度约为摄氏32度(32℃)。作用完后且温度升高的第一冷却流体自各散热器110流出至热交换器150，举例而言，升温后的第一冷却流体的温度约为38℃。最后，第一冷却流体回流至冷却总成130的第一储槽131内，以构成第一冷却回路(如实线路径所示)，并且降低风扇模块210的入风口端的空气温度(步骤300)。第二冷却流体系通过第二泵160的抽引而自第二储槽140流通至各冷却板120内进行散热作用，举例而言，此时的第二冷却流体的温度约为42℃。作用完后且温度升高的第二冷却流体自各冷却板120流出至热交换器150，举例而言，升温后的第二冷却流体的温度约为60℃。最后，第二冷却流体回流至第二储槽140内，以构成第二冷却回路(如虚线路径所示)，并且降低服务器机柜200所产生的部分热能(步骤310)，而风扇模块210所产生的气流则将服务器机柜200所产生的其余热能散除(步骤320)。如此，本实施例的冷却系统100即可同时对多个服务器机柜200进行散热工作。

当第一冷却流体与第二冷却流体同时流通至热交换器150时候，第一冷却流体(温度约为38℃)与第二冷却流体(温度约为60℃)即在热交换器150内进行热交换作用，令较高温度的第二冷却流体降低其工作温度至比如42℃，并且流入第二储槽140内储存，使得第二冷却流体维持一定的工作温度(例如约42℃的工作温度)，得以重复利用第二冷却流体进行电路板240的散热工作。而较低温度第一冷却流体经由热交换器150的作用，而令其温度上升至约44℃，温度上升的第一冷却流体回流至冷却总成130的冷却塔133内以雾化方式喷洒，以进行冷却降温动作，最后第一冷却流体再流入第一储槽131内储存，使得第一冷却流体维持一定的工作温度(例如约32℃的工作温度)，以对散热器110重复进行散热循环(步骤330)。

由于回流至第二储槽140的第二冷却流体通过热交换器150的作用而降低其温度(由约60℃升高至约42℃)，因而可大幅降低第二冷却流体回到设定温度所需的能量。同时，回流至冷却塔133的第一冷却流体通过热交换器150的作用而升高其温度(由约38℃升高至约44℃)，以与环境温度(一般环境温度为室温23℃)之间存在有明显的温度差(ΔT)，因此第一冷却流体于冷却塔133内进行雾化喷洒时，其自然降温的效果相当显着，不需采用冰水机等额外的辅助降温设备进行第一冷却流体的降温处理。

如此一来，本发明的冷却系统100整体所需的功率额度也可大幅的降低，达到同时具备节能省电与高散热效能的功效，令冷却系统100的整体能源使用效率(PUE)大幅提升。

然而，本领域技术人员，可依据实际环境温度或是实际使用需求而对应控制第一冷却流体与第二冷却流体于各阶段的温度值，并不以本实施例所揭示的数值为限。

并且，本实施例的第二储槽140也可做为冷却系统100内部的压力调节之用，使得冷却系统100不需采用高压管路的设计，同时可提升冷却板120的冷却能力。

回流至第二储槽的第二冷却流体也通过热交换器而与第一冷却流体相互作用，使得第二冷却流体的温度下降，进而降低使第二冷却流体回到设定温度所需的能量。

同时，回流至冷却塔的第一冷却流体通过热交换器而与第二冷却流体相互作用，使得第一冷却流体的温度升高，进而让第一冷却流体与环境温度之间存在有明显的温度差。如此，第一冷却流体于冷却塔内仅须以雾化喷洒的自然降温方式，即具有相当良好的冷却效果，不必借助额外的降温设备进行降温处理。

本发明不但提高了冷却系统的整体散热效能，还大幅降低冷却系统所需耗费的功率额度，达到同时具备节能省电与高散热效能的功效。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种服务器的冷却系统，适用于至少一服务器机柜，其特征在于，该服务器的冷却系统包括有：

至少一散热器及至少一冷却板，分别设置于该服务器机柜；

一冷却总成，该冷却总成具有一第一储槽，该第一储槽装载有一第一冷却流体，该第一储槽与该散热器相互连接；

一第二储槽，装载有一第二冷却流体，该第二储槽与该冷却板相互连接；以及

一热交换器，分别连接于该散热器及该冷却总成，且该热交换器还分别连接于该冷却板及该第二储槽；

其中，该第一冷却流体流通至该散热器内，并进入该热交换器，以构成一第一冷却回路，该第二冷却流体流通至该冷却板内，并进入该热交换器，以构成一第二冷却回路，且该第二冷却回路并未与该第一冷却回路相互连通；

其中，该第一冷却流体与该第二冷却流体于该热交换器内进行热交换，使该第二冷却流体的温度下降，并且降低该第二冷却流体回到一设定温度所需的能量。

2.根据权利要求1所述的服务器的冷却系统，其特征在于，该冷却总成包含：

一冷却塔，分别连接于该热交换器及该第一储槽，该第一冷却流体流通至该冷却塔内进行冷却，并输送该冷却流体回流至该第一储槽；以及

一第一泵，分别连接于该第一储槽及该散热器，该第一泵抽引位于该第一储槽内的该第一冷却流体流入该散热器内。

3.根据权利要求2所述的服务器的冷却系统，其特征在于，该冷却总成还包含一冰水机，与该热交换器及该冷却塔相连接，该冰水机接收该热交换器所流动的该第一冷却流体。

4.根据权利要求1所述的服务器的冷却系统，其特征在于，还包括有一第二泵，分别连接于该第二储槽及该冷却板，该第二泵抽引位于该第二储槽内的该第二冷却流体流入该冷却板内。

5.根据权利要求1所述的服务器的冷却系统，其特征在于，该第一冷却流体为水，该第二冷却流体为冷煤或是水。

6.根据权利要求1所述的服务器的冷却系统，其特征在于，该热交换器为一板式热交换器。

7.一种适用于服务器的冷却系统，该服务器包含至少一承载盘，该承载盘上设有至少一电路板，该电路板具有一第一发热模块，其特征在于，该冷却系统包括：

至少一风扇模块，提供一气流吹送至该承载盘，以降低该承载盘的温度；

一散热器，设置于该风扇模块的一入风口端；

一第一冷却回路，具有一第一冷却流体，与该散热器热接触，以降低该风扇模块的该入风口端的空气温度；

一第二冷却回路，具有一第二冷却流体，与该第一发热模块热接触，且该第二冷却回路并未与该第一冷却回路相互连通；以及

一热交换器，提供与该第一发热模块热接触后的该第一冷却流体及与该散热器热接触后的该第二冷却流体进行热交换。

8.根据权利要求7所述的适用于服务器的冷却系统，其特征在于，该电路板还包含一第二发热模块，该风扇模块提供的该气流用以降低该第二发热模块的热能。

9.一种电子装置的冷却方法，该电子装置包含至少一承载盘，该承载盘上设有至少一电路板，其特征在于，该冷却方法包括：

以一第一冷却回路降低一风扇模块的一入风口端的空气温度；

以一第二冷却回路降低该电子装置产生的部分热能，且该第二冷却回路并未与该第一冷却回路相互连通；以及

以该风扇模块产生的一气流，将该电子装置产生的其余热能散除。

10.根据权利要求9所述的电子装置的冷却方法，其特征在于，还包含：

以一热交换器令该第一冷却回路内的一第一冷却流体与该第二冷却回路内的一第二冷却流体进行热交换，藉以降低该第一冷却回路的温度及提高该第二冷却回路的温度。

Images