CN102609063B - 双面封闭循环式高效冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面封闭循环式高效冷却装置，包括用来安放计算机组件的密封腔，密封腔内的两个端部分别设有一冷却组件，两个冷却组件将计算机组件夹设于两者之间，至少一个冷却组件中设有空调机构；计算机组件包括互连中板以及连接于互连中板的正面和背面上的多个计算存储刀片，互连中板的正面和背面与密封腔内侧壁之间分别形成独立的冷却通道，两个冷却通道的两端分别与冷却组件保持连通并形成环形冷却通道。本发明具有结构简单紧凑、冷却功耗低、冷却效果好、适用范围广等优点。

Description

双面封闭循环式高效冷却装置

技术领域

本发明主要涉及到适用于电子设备的冷却装置领域，特指一种适用于计算机的双面封闭循环式冷却装置，尤其适用于高密度组装的大规模高性能计算机。

背景技术

“温度”是影响计算机等电子设备性能与可靠性的重要环境因素，相应地，“冷却技术”则是保证计算机等电子设备性能与可靠性的重要技术。出于可靠性与经济性的考虑，“强迫风冷技术”是目前计算机等电子设备的常规冷却技术，其基本的冷却结构是：设备采用机架式组装，前后通风，机房安装专用集中空调，将冷风送入活动地板；冷空气通过开孔地板或格栅送到机架前面，在设备冷却风机的驱动下流过功率器件实现其散热；气流成为热空气后排到机架后面，热空气从侧面或顶部返回机房空调。

为了提高系统性能，需要不断提高计算机等电子设备的组装密度。以硅基微电子器件为例，正是通过不断减小工艺尺寸，提高器件的集成度而不断提高性能。也正是沿着这条途径，微电子技术才按照摩尔定律飞速发展。对大规模计算机系统而言，提高组装密度，不仅可以减小布线距离，降低信号传输损耗，减小输送电损失，而且可以减少机柜数量，减小占地面积，从而降低系统与场地的构建与运行成本。按功能划分，计算机系统包括计算存储部件、互连通信部件、电源部件和冷却部件等，而提高组装密度就是要在满足功能和可靠性的前提下，在规定的空间内将尽可能多的功能部件组装成一个有机的整体。

可是，随着组装密度的提高，导致功率密度的提高，给器件与系统的散热带来极大挑战。要减小换热热阻、提高换热效率，采用强迫对流冷却方式只能通过增大换热面积、提高气流流动速度、增大传热温差等途径。“增大换热面积”必然导致冷却部件体积的增大，与提高组装密度的要求背道而驰。“提高气流流动速度”，不仅受风机技术的制约，而且会带来严重的噪音问题。“增大传热温差”一方面受到电子器件容许工作温度的限制，另一方面又受到场地不得凝露和空调运行效率的限制。正是受前述多种因素的制约，目前常规的强迫风冷技术只能实现单机柜热功耗不超过30千瓦的计算机系统的冷却。对于需要成千上万个处理器，总功耗上兆瓦的高性能计算机而言，单机柜热功耗在50千瓦以上，强迫风冷技术严重制约了高性能计算机系统组装密度的提高。

同时，“功耗墙”是当前高性能计算机最大的技术瓶颈，即巨型计算机在提供强大的计算能力的同时，也需要消耗巨大的电力。巨大的电力功耗不仅严重推高了系统的运行成本，而且也带来一系列可靠性问题。在计算机系统运行功耗中，相当大一部分就是冷却系统（包括冷却空调和冷却风机）所消耗的电力。常规强迫风冷技术采用开放式气流组织，冷却空气通过开孔地板或格栅送到机柜间形成一个冷通道，供设备冷却使用。无论采用“上回风”还是采用“侧回风”，都无法避免冷空气的旁通。为了弥补旁通气流的损失，提供足够的冷却气流，满足所有设备的冷却需要，就不得不购买和使用更多的机房精密空调，这就增加了系统构建和运行成本。常规开放式前后通风冷却方式，还容易产生局部热气流短路，造成局部设备工作温度偏高。目前常规的应对措施是提高冷却空气的循环风量，保证空调提供的循环风量大大超过设备的冷却风量，其最终结果都将导致机房空调系统能源效率偏低，冷却系统运行功耗增大，加剧了高性能计算机系统的功耗墙问题。

从另外一个角度出发，为了解决高热密度系统的散热问题，液冷技术、相变冷却技术等高效冷却技术又逐渐得到应用。但相对于强迫风冷技术而言，这些冷却技术不仅大大增加了生产成本，而且存在系列可靠性和可维修性问题。

综上所述，如何在不增加生产成本的情况下，利用现有的工艺设备，实现高密度组装的计算机等电子设备的高效率强迫风冷是本领域人员极为关注且亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、冷却功耗低、冷却效果好、适用范围广的双面封闭循环式高效冷却装置。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种双面封闭循环式高效冷却装置，包括用来安放计算机组件的密封腔，所述密封腔内的两个端部分别设有一冷却组件，所述两个冷却组件将计算机组件夹设于两者之间，至少一个冷却组件中设有空调机构；所述计算机组件包括互连中板以及连接于互连中板的正面和背面上的多个计算存储刀片，所述互连中板的正面和背面与密封腔内侧壁之间分别形成独立的冷却通道，所述两个冷却通道的两端分别与冷却组件保持连通并形成环形冷却通道。

作为本发明的进一步改进：

所述计算存储刀片插设于互连中板上，所述位于互连中板同一面上的多块计算存储刀片间隔排列，相邻计算存储刀片之间形成过风通道。

所述互连中板上靠近冷却组件的至少一端设有冷却风机，所述互连中板上设有为冷却风机供电的冷却风机插座。

所述计算存储刀片通过两个刀片电源插座和一个中板互连插座与所述互连中板相连，位于互连中板正面的刀片电源插座与位于互连中板背面的刀片电源插座呈交错布置且以互连中板为纵向中轴线旋转对称；所述位于互连中板正面的中板互连插座与位于互连中板背面的中板互连插座呈交错布置且以互连中板的纵向中轴线旋转对称；所述中板互连插座设于两个刀片电源插座之间。

所述第一冷却组件的进风口和第二冷却组件的进风口处分别装设有电源模块，所述电源模块通过电源模块插座接插在互连中板上。

顺着水平气流方向，所述电源模块位于计算存储刀片的下游；沿着互连中板的高度方向，所述电源模块位于相邻的两个计算存储刀片之间。

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

1.本发明的双面封闭循环式高效冷却装置，采用插件级风冷、机柜级水冷混合冷却结构，既有利于减小构建成本，又有利于降低运行成本。

2. 本发明的双面封闭循环式高效冷却装置，计算机柜与冷却组件构成封闭体，冷却空气在封闭体内循环，避免了冷却气流旁通，相对于常规开放式冷却结构，降低了冷却系统功耗。冷却组件与计算机柜紧密相邻，输出的冷风很快就被计算机柜利用，减小了冷却空气输送距离，降低了冷却组件风机运行功率。冷却空气在封闭组合体内循环，不仅降低了噪音，而且放宽了机房温湿度要求，减小了机房空调系统的热负荷。采用水冷式冷却组件，不仅提高了换热能力，在实现高效率冷却的同时没有增加工艺难度，有利于控制系统构建成本，而且方便采用冬季免费取冷、日夜温差水蓄冷的节能措施。

附图说明

图1是本发明在应用实例中的结构示意图。

图2是本发明拆去侧板与冷却组件后的结构示意图。

图3是具体实施例中计算存储刀片的结构示意图。

图4是具体实施例中互连中板的主视结构示意图。

图5是具体实施例中互连中板的俯视结构示意图。

图例说明：

1、计算存储刀片； 2、互连中板；3、冷却通道；4、第一冷却组件；41、第一冷却组件的进风口；42、第一冷却组件的出风口；5、第二冷却组件；51、第二冷却组件的进风口；52、第二冷却组件的出风口；6、电源模块；7、冷却风机；8、刀片电源插座；9、中板互连插座；10、正面互连插座；11、电源模块插座；12、冷却风机插座；13、机柜正面侧板；14、机柜背面侧板；15、密封腔；16、计算机组件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的双面封闭循环式高效冷却装置，包括用来安放计算机组件16的密封腔15，密封腔15内的两个端部分别设有一冷却组件，即密封腔15为由机柜正面侧板13、机柜背面侧板14以及两个冷却组件围设而成密封腔体。两个冷却组件将计算机组件16夹设于两者之间，至少一个冷却组件中设有空调机构，该空调机构可采用水冷空调，进行主动式冷却降温。计算机组件16包括互连中板2以及连接于互连中板2的正面和背面上的多个计算存储刀片1，互连中板2的正面和背面与密封腔15内侧壁之间分别形成独立的冷却通道3，两个冷却通道3的两端分别与冷却组件保持连通并形成环形冷却通道。即，两个冷却组件分别为第一冷却组件4和第二冷却组件5；每个冷却组件均设有一个进风口和一个出风口，参见图1所示，位于互连中板2正面的冷却通道3的两端分别与第一冷却组件的进风口41、第二冷却组件的出风口52连通，位于互连中板2背面的冷却通道3的两端分别与第一冷却组件的出风口42、第二冷却组件的进风口51连通，以保证气流在整个环形冷却通道中流动。图中的空心箭头表示冷却风的流动方向，由图可见，冷却风依次流经互连中板2正面的冷却通道3、第一冷却装置的进风口41、第一冷却装置的出风口42、互连中板2背面的冷却通道3、第二冷却装置的进风口51、第二冷却装置的出风口52，形成冷却风循环回路。通过空调机构的制冷以及冷却组件中其他热交换件的共同作用，使计算机组件16在工作过程中所产生的热量被交换出来，达到封闭循环、高效冷却的效果。

参见图2所示，计算存储刀片1插设于互连中板2上，位于互连中板2同一面上的多块计算存储刀片1间隔排列，相邻计算存储刀片1之间形成过风通道，即计算存储刀片1的布置方向与冷却风的流动方向平行。

本实施例中，第一冷却组件4和第二冷却组件5中均设有列式冷冻水空调。两台列式冷冻水空调与一个计算机柜构成封闭体，冷却气流以顺时针方向在封闭体内流动。该结构能将空调系统与计算机组件16紧耦合构成封闭循环，实现计算机系统的高密度组装与高效率冷却。

参见图2和图5，本实施例中，互连中板2正面和背面在同一高度上的两块计算存储刀片1以互连中板2为纵向中轴线旋转对称。互连中板2的正面安装的一组计算存储刀片1的另一侧与机柜正面侧板13相连，互连中板2的背面安装的一组计算存储刀片1另一端与机柜背面侧板14相连。结合图4，计算存储刀片1通过两个刀片电源插座8和一个中板互连插座9与互连中板2相连，互连中板2正面的刀片电源插座8与互连中板2背面的刀片电源插座8交错布置且以互连中板2为纵向中轴线旋转对称。互连中板2正面的中板互连插座9和互连中板2背面的中板互连插座9交错布置且关于互连中板2的纵向中轴线旋转对称。所有插座在互连中板2上的投影互不重叠。中板互连插座9设于刀片两个电源插座8之间。计算存储刀片1的与机柜正面接触的一侧设有正面互连插座10。计算存储刀片1的插座设置在冷却风通风方向上避开了插座对气流的阻塞，使得计算存储刀片1互连通道与冷却通道3分离，前后为互连通道（（“前”为计算存储刀片1与机柜接触面，“后”为算存储刀片与互连中板2接触面），左右为冷却通道3，消除了常规设计中互连插座对通风散热的影响，保证计算存储刀片1内功率器件都能得到均匀流畅的冷却气流。设计时，计算存储刀片1上的功率器件散热器、存储条都依照冷却风流动方向布局设计，其它器件按照气流要求，根据其功率和外形尺寸特征，在满足功能要求的前提下平衡设计布局，尽量保证整个计算存储刀片1上气流的均衡。

参见图1、图2和图5，本实施例中，在互连中板2上靠近冷却组件的至少一端设有冷却风机7，互连中板2上设有为冷却风机7供电的冷却风机插座12。冷却风机7的出风方向朝向冷却通道3，冷却风机7为计算存储刀片1提供冷却空气。本实施例中，第一冷却组件4的进风口41和第二冷却组件的进风口51处分别装设有电源模块6，电源模块6通过电源模块插座11接插在互连中板2上。电源模块6为计算功能部件和风机模块提供电能，通过互连中板2实现多块计算存储刀片1、冷却风机7和电源模块6的电互连。互连中板2上的电源模块插座11、冷却风机插座12都关于互连中板2高度方向的中轴线旋转对称，在实现互连的同时支持同一功能插件在正面或背面的插接，进而通过双面对插将系统的组装密度提高一倍。互连中板2中间区域为信号互连区，两侧为电力输送区，最大限度减小电源对高速信号传输的影响。冷却风机7可根据对应设备的功耗特征自动调整转速，在满足可靠性要求的同时可减小风机功耗。

为了满足安全和电磁兼容的需要，电源模块6必须设计成金属包络的整体，势必是通风散热的阻碍。如图3所示，顺着水平气流方向，电源模块6位于计算存储刀片1下游；在高度方向上，电源模块6位于相邻的两个计算存储刀片1的中间。通过电源模块6与计算存储刀片1交错布局，在保证可靠供电的同时预留通风通道，在极小的空间实现AD/DC转换、配电、冷却和电磁兼容。每个电源模块6提供3个计算存储刀片1所需的电能，在水平方向上通过中板实现与计算存储刀片1的电连通，上下方向相邻电源模块6间保留足够空间作为冷却空气的流动通道。如图2所示，用来控制冷却风机7的风机模块可采用2+1并联冗余设计，支持正面快速热插拔更换，任意一个风机故障，在给出报警提示更换的同时，其它两个风机提高转速运行，保证计算存储刀片1的冷却要求，可提高可靠性与可维修性能。PWM转速调节的风机模块与对应的计算存储刀片1工作温度联动，大直径的直流风机提供足够风量风压的同时降低噪音提高寿命。电源模块6与冷却风机7模块支持快速热插拔，更换方便迅速。

工作时，从右侧第二冷却组件5中的冷冻水空调流出的冷空气，在冷却风机7驱动下由右向左流过正面的计算存储刀片1，吸收功率器件的热功耗后变为热空气，通过电源模块6间的间隙后流入左侧的第一冷却组件4。经过第一冷却组件4后又恢复为冷空气，冷空气在背部冷却风机7的驱动下实现对背部计算存储刀片1的散热并升温后，通过背部的电源模块6间间隙流回右侧第二冷却组件5，在该空调内换热器上实现与冷冻水的热交换变为冷空气后流出。如此循环往复，形成一个顺时针循环气流。

这样计算机柜与列式空调构成封闭体后，冷却空气在封闭体内循环，避免了冷却气流旁通，相对于常规开放式冷却结构，降低了冷却系统功耗。空调与计算机柜紧密相邻，输出的冷风很快就被计算机柜利用，减小了冷却空气输送距离，降低了空调风机运行功率。冷却空气在封闭组合体内循环，不仅降低了噪音，而且放宽了机房温湿度要求，减小了机房空调系统的热负荷。采用列式冷冻水空调，不仅提高了换热能力，在实现高效率冷却的同时没有增加工艺难度，有利于控制系统构建成本，而且方便采用冬季免费取冷、日夜温差水蓄冷的节能措施。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双面封闭循环式高效冷却装置，其特征在于：包括用来安放计算机组件（16）的密封腔（15），所述密封腔（15）内的两个端部分别设有一冷却组件，所述两个冷却组件将计算机组件（16）夹设于两者之间，至少一个冷却组件中设有空调机构；所述计算机组件（16）包括互连中板（2）以及连接于互连中板（2）的正面和背面上的多个计算存储刀片（1），所述互连中板（2）的正面和背面与密封腔（15）内侧壁之间分别形成独立的冷却通道（3），所述两个冷却通道（3）的两端分别与冷却组件保持连通并形成环形冷却通道；所述计算存储刀片（1）通过两个刀片电源插座（8）和一个中板互连插座（9）与所述互连中板（2）相连，位于互连中板（2）正面的刀片电源插座（8）与位于互连中板（2）背面的刀片电源插座（8）呈交错布置且以互连中板（2）为纵向中轴线旋转对称；所述位于互连中板（2）正面的中板互连插座（9）与位于互连中板（2）背面的中板互连插座（9）呈交错布置且以互连中板（2）的纵向中轴线旋转对称；所述中板互连插座（9）设于两个刀片电源插座（8）之间。

2.根据权利要求1所述的双面封闭循环式高效冷却装置，其特征在于：所述计算存储刀片（1）插设于互连中板（2）上，所述位于互连中板（2）同一面上的多块计算存储刀片（1）间隔排列，相邻计算存储刀片（1）之间形成过风通道。

3.根据权利要求1所述的双面封闭循环式高效冷却装置，其特征在于：所述互连中板（2）上靠近冷却组件的至少一端设有冷却风机（7），所述互连中板（2）上设有为冷却风机（7）供电的冷却风机插座（12）。

4.根据权利要求2或3所述的双面封闭循环式高效冷却装置，其特征在于：所述两个冷却组件的进风口处分别装设有电源模块（6），所述电源模块（6）通过电源模块插座（11）接插在互连中板（2）上。

5.根据权利要求4所述的双面封闭循环式高效冷却装置，其特征在于：顺着水平气流方向，所述电源模块（6）位于计算存储刀片（1）的下游；沿着互连中板（2）的高度方向，所述电源模块（6）位于相邻的两个计算存储刀片（1）之间。

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