CN103081581B - 用于冷却电子装置的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冷却电子装置的系统，所述系统冷却通过电子装置的废热加热的空气，并包括：蒸发器、冷凝器、气体流动通道和液体流动通道。蒸发器沿着空气通过电子装置吹出的方向设置，并且蒸发器吸收从电子装置吹出的空气的热量并使冷却剂从液体相变到气体。冷凝器释放气体冷却剂的热量并使冷却剂从气体相变到液体。已经通过蒸发器变成气相的冷却剂通过气体通道被供给到冷凝器。已经通过冷凝器变成液相的冷却剂通过液体流动通道被供给到蒸发器。冷凝器设置在蒸发器的上方。

Description

用于冷却电子装置的系统

技术领域

本发明涉及一种用于冷却电子装置的系统，该系统冷却由电子装置的废热加热的空气。

背景技术

近年来，随着对信息处理技术的改进和对因特网环境的研发，需要的信息处理量增加。与这种趋势有关，涉及诸如服务器、通信设备、固定电话、用于因特网的IP电话的安装和操作装置的数据中心业务是引人注意的。在这种数据中心的服务器机房中，安装了诸如计算机的许多电子装置。通常，在将电子设备安装在服务器机房中的方法之中，机架安装系统的使用成为主要趋势。机架安装系统通过JIS或EIA标准化，并且是将平坦形式的电子装置以堆叠方式安装在机架中的系统。

为了充分确保服务器机房的空间，理想的是将尽可能多的电子装置安装在机架中。为此，需要降低每个电子装置的高度。通常，称作机架安装服务器的诸如1U(单元)服务器或刀片服务器的电子装置的高度为大约40毫米。

如上所述，由于需要降低电子装置的高度，因此将散热器直接安装在LSI(大规模集成电路)或IC(集成电路)上方以用于冷却电子装置不是优选的。因此，对于冷却电子装置的方法，使用在电子装置中设置诸如热管的热移动结构和在该热移动结构的端部处设置诸如翅片的热辐射结构的方法(例如，参照专利文献1)。利用这种结构，可以通过热移动结构使热量移动到从LSI和IC移除的位置和经由热辐射结构使热量辐射到电子装置的外部。

专利文献2公开了一种冷却系统。在该冷却系统中，将通过半导体装置产生的热量传送到外部的第一热传输构件被设置在电子装置的电子电路板上。此外，将热量从第一热传输构件传送到外部的第二热传输构件被设置在电子装置的壳体中。此外，提供了将热量从第二热传输构件辐射到壳体外部的热辐射构件。

专利文献3公开了第二热传输构件和热辐射构件可以构成制冷循环。

专利文献3公开了一种布置构成制冷循环的蒸发器的方法，该制冷循环冷却电子装置发出的热量，其中电子装置被布置在机架中，电子装置设有用于消散产生的热量的风扇。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本未经审查的专利申请首次公开出版物第2007-088282号

[专利文献2]日本未经审查的专利申请首次公开出版物第2010-079401号

[专利文献3]日本未经审查的专利申请首次公开出版物第2009-193137号

发明内容

本发明所要解决的问题

然而，以专利文献1和专利文献2中公开的方法的方式将从电子装置产生的热量简单地消散到电子装置的外部会导致布置电子装置的服务器机房的空气温度升高。因此，具有在服务器机房中进行冷却的空调的负载增加的问题。

如专利文献3中公开的方式，通过利用设置在服务器机架中的蒸发器冷却电子装置的废气，可以抑制安装电子装置的服务器机房的空气温度的升高。然而，对于专利文献3中公开的方法，必须在冷凝器和蒸发器之间设置压缩机，该冷凝器执行冷却剂的冷却，而该压缩机压缩通过蒸发器蒸发的冷却剂并使冷却剂在冷凝器和蒸发器之间循环。因此，具有冷却装置变得巨大的问题。

用于解决问题的方法

考虑到上述情况获得本发明。本发明的一种用于冷却电子装置的系统冷却通过电子装置的废热加热的空气，并包括蒸发器、冷凝器、气体流动通道和液体流动通道。蒸发器沿空气被电子装置吹出的方向设置，并且使液体冷却剂通过吸收电子装置吹出的空气的热量而经历到气体冷却剂的相变。冷凝器使气体冷却剂通过释放气体冷却剂的热量而经历到液体冷却剂的相变。气体流动通道通过蒸发器使经历相变的气体冷却剂流到冷凝器中。液体流动通道通过冷凝器使经历相变的液体冷却剂流到蒸发器中。冷凝器被布置在蒸发器上方。

本发明的效果

根据本发明，由于蒸发器利用从电子装置吹出的空气的热量执行热交换，因此可以降低通过电子装置的废热加热的空气的温度，并且可以抑制安装电子装置的机房的空气温度的升高。

此外，根据本发明，由于冷凝器被设置在蒸发器上方，因此冷凝器中液位的高度比蒸发器中液位的高度高。因此，存储在冷凝器中的液体冷却剂通过重力穿过液体流动通道并流到蒸发器中。另一方面，存储在蒸发器中的气体冷却剂通过重力穿过气体流动通道并流到冷凝器中。因此，即使没有设置压缩机，本发明的用于冷却电子装置的系统也可以使冷却剂在冷凝器和蒸发器之间循环。

附图说明

图1是根据本发明第一示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的立体图；

图2是根据本发明第一示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的结构示图；

图3是示出图1所示的蒸发器的横截面的示图；

图4是示出图1所示的冷凝器的横截面的示图；

图5A是示出图1所示的管的布置的示图；

图5B是示出图1所示的管的布置的示图；

图6是根据本发明第二示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的立体图；以及

图7是根据本发明第三示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的立体图。

具体实施方式

以下将参照附图详细地说明本发明的示例性实施例。

<第一示例性实施例>

图1是根据本发明第一示例性实施例的用于冷却电子装置的系统(电子装置冷却设备)的立体图。

用于冷却电子装置的系统是冷却通过电子装置的废热加热的空气的系统。

如图1所示，用于冷却电子装置的系统包括多个蒸发器1和多个冷凝器2。蒸发器1通过存储在其中的冷却剂和电子装置吹出的空气之间的热交换来气化冷却剂。冷凝器2液化存储在其中的冷却剂。

蒸发器1被设置在保持电子装置的储存架5中，并且通过冷却剂蒸发的潜热冷却从电子装置吹出的空气。

冷凝器2分别在用于空调的冷却水管6(冷却管)的表面上连接在高于蒸发器1的位置处，该空调设置在容纳存储架5的数据中心或服务器机房中。冷凝器2通过冷却存储在冷凝器中的冷却剂将气体冷却剂的物相改变成液体。此时，流动通过冷却水管6的冷却水的温度比被保持在冷凝器2内的冷却剂的沸点低。

冷却水管6以跨越容纳存储架5的数据中心或服务器机房且在数据中心或服务器机房外部的方式布置，冷凝器2连接到冷却水管6。也就是说，冷却水管6的至少一部分暴露于数据中心或服务器机房的外部。

此外，蒸发器1的下部(下容器)和冷凝器2的下部通过管3连接。蒸发器1的上部(上容器)和冷凝器2的上部通过管4连接。管3用作使已经通过冷凝器2经历从气体到液体的相变的冷却剂流动到蒸发器1的液体流动通道。管4用作使已经通过蒸发器1经历从液体到气体的相变的冷却剂流动到冷凝器2的气体流动通道。

在本示例性实施例中，具有柔性和极佳耐化学性的材料用于诸如丁基橡胶管、硅管、尼龙管、氟管和类似管的这些管3和4。对于冷却剂，使用具有低沸点和高绝缘特性的诸如碳氟化合物或氢氟醚的冷却剂。

蒸发器1和冷凝器2通过由一对管3和4连接而形成气密系统。由蒸发器1和冷凝器2以及一对管3和4形成的气密系统的内部填充有冷却剂。气密系统的内部压力被保持在低于大气压力的状态下。这通过在将液体冷却剂倒入气密系统的内部中之后降低气密系统的压力而产生真空状态来实现。通过依此方式使气密系统的内部压力低于大气压力，已经被装入内部中的冷却剂的沸点(饱和蒸气压力)降低。具体地，在使用碳氟化合物或氢氟醚或者类似物质作为冷却剂的情况下，沸点下降到室温以下。因此，可以使蒸发器1内部中的冷却剂通过与由电子装置1的废热加热的空气进行热交换的蒸发器1而蒸发。

图2是根据本发明第一示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的结构图。

蒸发器1被设置在容纳电子装置7的存储架5中。存储架5包括形成外部主体的壳体51、设置在壳体51的前侧并用于安装电子装置7的多个安装搁板52、和设置在壳体51的后侧并自由打开和关闭的后门53。蒸发器1被放置在存储架5的安装搁板52和后门53之间。

用于将电子装置7的废热吹出到电子装置7的外部的风扇被安装在电子装置7处，该电子装置安装在安装搁板52上。该电子装置7被放置在安装搁板52上，使得从电子装置7吹出的空气经由蒸发器1被排放到壳体51的外部。

图1显示后门53被打开的状态。在实际使用时，后门53处于关闭状态，并且蒸发器1由后门53覆盖。多个通孔54和多个排出孔55被设置在后门53中。管3和4通过通孔54。排出孔55将电子装置7吹出的空气排出到壳体51的外部。通过使管3和4通过通孔54，即使在后门53关闭时也可以在蒸发器1和冷凝器2之间交换冷却剂。由于具有排出孔55的后门53，即使当后门53关闭时，也可以确保存储架5的内部和外部之间的空气流动。

图3是显示蒸发器1的横截面的示图。

气体冷却剂G和液体冷却剂L被保持在蒸发器1中。蒸发器1包括连接到管3的下容器11、连接到管4的上容器12和连结下容器11和上容器12的蒸发器管13。如图1所示，下容器11和上容器12通过多个蒸发器管13连接。热量接收翅片14被设置在蒸发器管13之间。热量接收翅片14是波状翅片或类似部件，并且促进电子装置7吹出的空气和保持在蒸发器管13中的冷却剂之间的热交换。蒸发器1的部件利用具有高导热性的诸如铜或铝的金属形成。

流入孔15被设置在下容器11的面对后门53的部分处，冷却剂通过流入孔15从管3流入。流出孔16被设置在上容器12的面对后门53的部分处，冷却剂通过流出孔16流出到管4。

热量接收翅片14通过铜焊或锡焊连结到蒸发器管13。可以通过使热量接收翅片14的翅片间距小(也就是说通过使翅片之间的间隔狭窄)而增加冷却剂在蒸发期间从空气吸收的潜热的热传输量。另一方面，在热量接收翅片14的翅片间距变小时，从电子装置7吹出的空气的通风阻力增加，并且风速降低。因此，必须使翅片形成为获得使诸如电子装置7的LSI和IC的部件的工作温度不超过容许温度的通风阻力。

图4是显示冷凝器2的横截面的示图。

气体冷却剂G和液体冷却剂L被保持在冷凝器2中。冷凝器2利用具有高导热性的诸如铜或铝的金属形成。流入孔21和流出孔22形成在冷凝器2中，其中冷却剂通过流入孔21从管4流入，流出孔22使冷却剂流出到管3。热量消散翅片23在冷凝器2的内壁上被螺钉紧固在面对冷却水管6的位置。热量消散翅片23促进通过冷却水管6流动的冷却水和保持在冷凝器2的内部中的冷却剂之间的热交换。

热量消散翅片23具有增加与冷却剂的接触表面面积的诸如板型翅片的结构或利用具有高导热性的诸如铜或铝的金属形成的针状翅片结构。

冷凝器2经由TIM(热界面材料)24连接到冷却水管6，以便升高热量消散翅片23和冷却水管6之间的热交换的效率。也就是说，TIM24被设置在冷凝器2和冷却水管6之间。提供的热导率高，任何类型的TIM都可以用于TIM24，例如润滑脂型或片材型。

接下来，应该说明根据本发明的用于冷却电子装置的系统的操作。

在被容纳在存储架5中的电子装置7吹出已经通过废热加热的空气时，该空气经由蒸发器1和后门53被排放到存储架5的外部。

在该空气通过蒸发器1时，空气的热量经由蒸发器1的热量接收翅片14被传递到蒸发器管13。传递到蒸发器管13的热量使被保持在蒸发器管13内部的冷却剂的温度增加。如上所述，由蒸发器1、冷凝器2和一对管3和4构成的气密系统的内部压力比大气压力低。为此，冷却剂的温度通过来自热量接收翅片14的热量超过沸点，并且液体冷却剂蒸发。

此时，液体冷却剂由于到气体的相变而吸收来自电子装置7吹出的空气的潜热。因此，可以降低电子装置7吹出的空气的温度，并且可以抑制安装有电子装置7的机房的空气温度的升高。

液体冷却剂通过吸收潜热而成为气体冷却剂。该气体冷却剂通过浮力沿蒸发器管13移动，并且移动到上容器12。已经到达上容器12的气体冷却剂流出到管4。已经流动到管4中的气体冷却剂通过浮力流出到安装在比蒸发器1更上方的冷凝器2。

已经流到冷凝器2中的气体冷却剂经由TIM24和设置在冷凝器2的内部中的热量消散翅片23使热量消散到通过冷却水管6流动的冷却水。通过使热量消散到热量消散翅片23，气体冷却剂的温度下降到沸点以下，并且气体冷却剂冷凝。此时，气体冷却剂将潜热传递到冷却水管6，以便经历到液体的相变。已经传递到冷却水管6的热量被传送到通过冷却水管6流动的冷却水，并且通过冷却水的流动被排放到数据中心或服务器机房的外部。

气体冷却剂通过提供潜热而成为液体冷却剂。该液体冷却剂在冷凝器2中通过重力向下移动。已经到达冷凝器2的底部的液体冷却剂流出到管3。已经流到管3中的液体冷却剂通过重力流出到被安装在比冷凝器2更下方的蒸发器1的下容器11。

图5A和5B是显示管3和4的布置的示图。

连接蒸发器1和冷凝器2的一对管3和4优选地不具有以相对于水平线凸出的方式向下下陷的位置，如图5A所示。也就是说，管3和4优选地从冷凝器2到蒸发器1逐渐向下地延伸。

在管3以相对于水平线凸出的方式向下下陷的情况下(如图5B所示)，液体冷却剂在由虚线A包围的部分处抵抗重力流动。为此，在气密系统中流动的冷却剂的速度下降，并且具有循环停滞的风险。此外，如图5B所示，在管4以相对于水平线凸出的方式向下下陷的情况下，由于气体冷却剂与管4的壁表面碰撞，导致压力损失，使气体冷却剂液化，因此具有液体冷却剂在由虚线B包围的部分中停滞的风险。

为此，优选的是管3和管4不具有以相对于水平线凸出的方式向下下陷的位置。

依此方式，根据本示例性实施例，蒸发器1执行与通过电子装置7的废热加热的空气的热交换。为此，空气的温度降低，并且可以抑制安装有电子装置7的机房的空气温度的升高。因此，可以通过安装在数据中心或服务器机房中的空调限制冷却能力，并且可以获得空调的电力节约。通过使用根据本示例性实施例的用于冷却电子装置的系统，实现了接收电子装置7产生的热量的40％到60％。此外，通过使用根据本示例性实施例的用于冷却电子装置的系统，实现了使来自存储架5的废气温度降低最高15℃。

此外，根据本示例性实施例，由于冷凝器2布置在蒸发器1上方，因此冷凝器2中的液位的高度比蒸发器1中的液位高。因此，保持在冷凝器2中的液体冷却剂通过重力移动通过管3，并且流至蒸发器1。另一方面，保持在蒸发器1中的气体冷却剂通过重力移动通过管4，并且流至冷凝器2。为此，用于冷却电子装置的系统可以使冷却剂在没有压缩机的情况下在冷凝器2和蒸发器1之间循环。

此外，根据本示例性实施例，冷凝器2被设置在冷却水管的表面上，通过所述冷却水管使冷却水以比保持在其中的制冷剂的沸点低的较低温度循环。因此，冷凝器2可以使气体冷却剂有效地冷凝。

此外，根据本示例性实施例，冷却水管以跨越服务器机房或数据中心的内部(电子装置7安装在服务器机房或数据中心中)且位于服务器机房或数据中心的外部的方式布置。因此，冷凝器2释放到流动通过冷却水管的冷却水的热量可以被排放到服务器机房或数据中心的外部。

此外，根据本示例性实施例，蒸发器1沿空气通过放置在安装搁板52上的电子装置7吹出的方向(吹出空气的方向的前方)设置在存储架5的内部，同时冷凝器2被设置在存储架5的外部。因此，可以降低从存储架5排放的空气的温度，并且可以使从冷凝器2排放的热量不形成在存储架5内。

此外，根据本示例性实施例，蒸发器1包括热量接收翅片14，热量接收翅片14促进电子装置7吹出的空气和液体冷却剂之间的热交换。因此，蒸发器1可以有效地使液体冷却剂蒸发。

此外，根据本示例性实施例，冷凝器2包括热量消散翅片23，热量消散翅片23促进流动通过冷却水管6的冷却水和气体冷却剂之间的热交换。因此，冷凝器2可以有效地使气体冷却剂冷凝。

此外，根据本示例性实施例，管3和管4具有柔性。因此，可以在存储架5的安装期间和移动期间简化管3和管4的布置，并且可以打开和关闭存储架5的后门53。

<第二示例性实施例>

接下来，应该说明本发明的第二示例性实施例。在第二示例性实施例中，与第一示例性实施例相同的组成元件通过相同的附图标记表示，并且其详细说明被省略。

图6是根据本发明第二示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的立体图。

根据第二示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的存储架5与第一示例性实施例的不同之处在于不包括后门53中的通孔54，而是作为替代包括壳体51的侧面中的通孔54。此外，蒸发器1的流入孔和流出孔没有设置在蒸发器1的面对后门53的部分处，并且作为替代，设置在蒸发器1的侧面的一对管3和4经由壳体51的侧面中的通孔54连接蒸发器1和冷凝器2。

根据示例性实施例，即使在不能够确保用于将管3和4布置在后门53的前面的空间的情况下，也可以应用用于冷却电子装置的系统。

<第三示例性实施例>

接下来，应该说明本发明的第三示例性实施例。在第三示例性实施例中，与第一示例性实施例相同的组成元件通过相同的附图标记表示，并且其详细说明被省略。

图7是根据本发明第三示例性实施例的用于冷却电子装置的系统的立体图。

根据第三示例性实施例的用于冷却电子装置的系统与第一示例性实施例和第二示例性实施例不同之处在于蒸发器1被固定到存储架5的后门53。图7显示后门53被打开的状态。实际使用时，后门53处于关闭状态，由此蒸发器1设置成面对电子装置7的风扇。

根据该示例性实施例，蒸发器1固定到后门53。为此，如图7所示，在后门53打开时，可以取出放置在安装搁板52上的电子装置7。也就是说，根据本示例性实施例，可以从存储架5的前面和后面更换电子装置7。

在上文，已经参照附图详细地说明了本发明的示例性实施例，但是具体结构不局限于上述说明，并且可以在不背离本发明的精神的范围内做出各种设计变型。

例如，在第一示例性实施例和第二示例性实施例中，虽然说明了设置包括蒸发器1、冷凝器2和一对管3和4的多个气密系统的情况，但是不局限于此。例如，可以仅仅设置一个气密系统，该气密系统在与壳体51的高度几乎相同的高度处具有蒸发器1。类似，在第三示例性实施例中，虽然说明了仅设置包括蒸发器1、冷凝器2和一对管3和4的一个气密系统，但是其不局限于此。还可以以与第一示例性实施例和第二示例性实施例相同的方式设置多个气密系统。

此外，在本示例性实施例中，虽然说明了冷凝器2被连接到冷却管的情况，但是不局限于此。假如冷凝器2释放的热量被排放到设有存储架5的服务器机房或数据中心的外部，可以是另一种冷却介质。

本申请基于并要求了于2010年8月31日申请的日本专利申请第2010-193733号的优先权的权益，该申请的公开内容通过引用在此全文并入。

工业应用性

本发明可以被应用到用于冷却电子装置的系统。根据该用于冷却电子装置的系统，可以冷却通过电子装置的排出热量加热的空气。

附图标记

1蒸发器

2冷凝器

3，4管

5存储架

6冷却水管(冷却管)

7电子装置

11下容器

12上容器

13蒸发器管

14热量接收翅片

15流入孔

16流出孔

21流入孔

22流出孔

23热量消散翅片

24TIM

51壳体

52安装搁板

53后门

54通孔

55排放孔

Claims (9)

1.一种用于冷却电子装置的系统，所述系统冷却通过电子装置的废热加热的空气，所述系统包括：

蒸发器，所述蒸发器沿着空气通过所述电子装置吹出的方向设置，并使液体冷却剂通过吸收从所述电子装置吹出的所述空气的热量而经历到气体冷却剂的相变；

冷凝器，所述冷凝器通过释放所述气体冷却剂的热量使所述气体冷却剂经历到液体冷却剂的相变；

气体流动通道，所述气体流动通道使通过所述蒸发器经历相变的所述气体冷却剂流动到所述冷凝器中；和

液体流动通道，所述液体流动通道使通过所述冷凝器经历相变的所述液体冷却剂流动到所述蒸发器中，

所述冷凝器布置在所述蒸发器的上方，

其中，所述气体流动通道和所述液体流动通道中的至少一个从所述冷凝器到所述蒸发器逐渐向下地延伸。

2.根据权利要求1所述的用于冷却电子装置的系统，其中，所述冷凝器被设置在冷却管的表面上，通过所述冷却管循环流体，所述流体具有低于保持在所述冷凝器中的所述气体冷却剂的沸点的温度。

3.根据权利要求2所述的用于冷却电子装置的系统，其中，所述冷却管的至少一部分暴露于机房的外部，所述电子装置被安装在所述机房中。

4.根据权利要求1所述的用于冷却电子装置的系统，还包括：

存储架，所述存储架包括安装搁板，所述电子装置被安装在所述安装搁板上，

其中，所述蒸发器沿着空气通过安装在所述安装搁板上的所述电子装置吹出的方向设置在所述存储架内，并且

所述冷凝器被设置在所述存储架外部。

5.根据权利要求1所述的用于冷却电子装置的系统，其中，所述蒸发器包括热量接收翅片，所述热量接收翅片促进所述电子装置吹出的所述空气和所述液体冷却剂之间的热交换。

6.根据权利要求2所述的用于冷却电子装置的系统，其中，所述冷凝器包括热量消散翅片，所述热量消散翅片促进所述流体和所述气体冷却剂之间的热交换。

7.根据权利要求1所述的用于冷却电子装置的系统，其中，所述气体流动通道和所述液体流动通道是具有柔性的管。

8.根据权利要求2所述的用于冷却电子装置的系统，其中，所述气体流动通道和所述液体流动通道经由设置在所述存储架的侧部中的通孔连接所述蒸发器和所述冷凝器。

9.根据权利要求2所述的用于冷却电子装置的系统，其中：

所述存储架包括门，所述门被自由地打开和关闭地连接到空气通过所述电子装置吹出的方向上的一侧；并且

所述蒸发器被固定到所述门。