CN104519722B - 液体冷却装置及具有该装置的服务器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体冷却装置及具有该装置的服务器，该液体冷却装置包括储存有液态冷却媒介的冷却箱体；冷却箱体内放置待冷却的工作发热件，工作发热件浸泡在液态冷却媒介内；液态冷却媒介为绝缘的氟化液；工作发热件为承载有电子工作元件的板卡；工作发热件产生的热量经液态冷却媒介传递至冷却箱体并经冷却箱体传导至外界空气。优选地，吸热后的液态冷却媒介还可经冷却管路进行气液相变换散热。本发明通过壁体散热与气液相变转换散热两种方式相结合的冷却技术，解决了服务器核心单元的高效散热的难题，尤其适用于高密度布置的板卡的散热环境，且成本低，便于系统的扩展使用。
Description
技术领域
本发明涉及冷却控制领域，特别地，涉及一种液体冷却装置。此外，本发明还涉及一种包括上述液体冷却装置的服务器。
背景技术
在早期计算机发热量还不是很大的时候，被动式散热技术广泛使用。被动式散热主要通过加装与发热元件接触的金属散热片，增加散热表面积来达到散热目的，热量被直接转移到空气中。传统风冷散热则主要是在被动式散热器上加装风扇来加快散热片表面的空气流动从而加强散热效果，这种冷却方式又被称为空冷。但是，由于空气的换热效率差、热流密度很低，造成风冷服务器具有冷却能耗高、噪音大、设备密度低、易积灰等先天性缺陷，已经成为服务器冷却技术发展瓶颈。特别是随着高性能计算机的发展，服务器布局密度越来越高，对冷却技术的要求也愈加苛刻，传统空冷技术所发挥的作用愈发显得捉襟见肘。
在这种情况下，液体冷却技术便应运而生，且已逐步成为服务器冷却技术的主要趋势。液冷是一种安静且高效能的散热方式，其原理是：吸热装置接收来自被散热部件发出的热量以传给吸热装置内的冷却液，通过泵带动冷却液流动，将热量转移到散热片处散发掉，周而复始地运作便达到散热的目的。近年来，随着服务器液冷技术的不断发展及推广，不少著名科技企业已经开始致力于液冷技术的研究。
作为液冷技术的典型代表，惠普在HP Z400和HP Z800系列工作站产品中引入了液体散热技术，鉴于处理器是系统中主要的热量来源，故其方案的主要焦点放在CPU散热上。图1是Z800工作站中液冷系统的结构示意图，参照图1，该散热装置主要包括：散热板1、液体泵2、输送管路3、散热器4、散热风扇5，其中，散热板1与CPU 6相对设置，以将CPU 6生成的热量经散热板1传递给液体，液体在液体泵的作用下被传输至输送管路3中，然后由输送管路3输送到散热器4中，热量在散热器4中被驱散，传至周围空气中，且散热风扇5将热空气吹走以导出机箱外，以免热空气再次形成循环，而经冷却后的液体再经输送管路3回流至散热板1处以进行热量交互，实现冷却的目的。由于该工作站采用双核心，故该液冷系统也需配置两套散热装置，且该液冷技术针对CPU、GPU等服务器中单个器件的局部散热，对服务器整个系统环境温度的影响甚微，特别是对高密度导致的服务器整体温度过高的问题仍难以解决，从制造及布局来讲，在每个需要冷却的元器件上均需配备该冷却装置，即每块主板上需加装几套该装置，导致系统极为复杂，不适于扩展，且浪费成本。
发明内容
本发明提供了一种液体冷却装置及具有该装置的服务器，以解决现有的液体冷却装置无法满足板卡高密度布置带来的散热需求的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种液体冷却装置，包括储存有液态冷却媒介的冷却箱体；
冷却箱体内放置待冷却的工作发热件，工作发热件浸泡在液态冷却媒介内；液态冷却媒介为绝缘的氟化液；工作发热件为承载有电子工作元件的板卡；
工作发热件产生的热量经液态冷却媒介传递至冷却箱体并经冷却箱体传导至外界空气。
进一步地，冷却箱体包括箱体本体及箱盖，箱体本体与箱盖密封连接，箱体本体的内壁设有用于固定工作发热件的限位部。
进一步地，箱体本体内设有供液态冷却媒介进行气液相转换的预留空间，预留空间处设有冷却管路，冷却箱体之外设有换热器，冷却管路的出口与换热器的入口连通，冷却管路的入口与换热器的出口连通，液体冷却媒介通过所述冷却管路进行气液相变转换以散热。
进一步地，换热器为制冷机，冷却管路内设有便于热量交换的制冷剂，制冷剂为氟利昂。
进一步地，换热器为散热器，冷却管路内设有便于热量交换的冷却液；散热器与冷却管路之间设有循环泵。
进一步地，冷却管路与箱盖连接，或者
冷却管路与箱体本体内的侧壁连接。
进一步地，冷却箱体上设有用于实时监测冷却箱体内压强变化的压力变送器。
进一步地，冷却箱体上设有压力安全阀，用于冷却箱体内的压力值达到预设阈值时对冷却箱体进行泄压。
进一步地，液体冷却装置还包括用于检测冷却箱体内气体温度的温度检测仪及用于控制换热器开启/关闭的控制器；
控制器根据温度检测仪的温度信号控制换热器的工作。
根据本发明的另一方面，还提供一种服务器，包括上述的液体冷却装置，工作发热件为服务器的主板板卡。
本发明具有以下有益效果：
本发明液体冷却装置通过在冷却箱体内储存液态冷却媒介，且待冷却的工作发热件浸泡在液态冷却媒介内，使得工作发热件产生的热量直接经液态冷却媒介传递至冷却箱体并经冷却箱体传递至外界空气，以实现对集成有电子工作元件的板卡的整体散热，散热效率高，尤其适用于高密度布置板卡的散热环境，且成本低，便于系统的扩展使用。
本发明服务器，通过将服务器的主板板卡直接浸泡在存储有液体冷却媒介的冷却箱体内，可同时对主板上的多个散热部件进行散热，且散热效率高，结构简单、成本低廉，利于系统的扩展使用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中液冷装置的结构示意图；
图2是本发明优选实施例液体冷却装置的结构示意图；
图3是本发明优选实施例液体冷却装置的散热原理示意图。
附图标记说明：
10、冷却箱体；11、箱体本体；12、箱盖；13、预留空间；
20、液态冷却媒介；30、冷却管路；40、换热器；
50、压力变送器；60、压力安全阀；70、控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图2，本发明的优选实施例提供了一种液体冷却装置，该液体冷却装置包括储存有液态冷却媒介20的冷却箱体10；冷却箱体10内放置待冷却的工作发热件(图中未示出)，本实施例中，工作发热件为承载有电子工作元件的板卡，如电脑的主板，或者控制电路的芯片的等，工作发热件浸泡在液态冷却媒介20内；本实施例液态冷却媒介20为绝缘的氟化液，液态冷却媒介20直接与工作发热件接触，故工作发热件产生的热量经液态冷却媒介20传递至冷却箱体10并经冷却箱体10传导至外界空气，从而实现对工作发热件整体冷却的目的。优选地，为了提高液态冷却媒介20的热传导性，氟化液可以是：CF3CHCl2、C4F9OCH3、C3H7Br、C3Cl2HF5、C2Cl2H3F、C2Cl3F3中的任意一种或几种。本实施例通过采用绝缘的氟化液作为液态冷却媒介，将工作发热件浸入其中，从而构成浸入式液体冷却装置，与传统的液冷装置针对单个元器件的局部散热导致的板卡整体温度过高及系统复杂、成本高的缺陷相比，实现对集成有电子工作元件的板卡的整体散热，散热效率高，尤其适用于高密度布置的板卡的散热环境，且成本低，便于系统的扩展使用。
可选地，本实施例中，冷却箱体10包括箱体本体11及箱盖12，箱体本体11与箱盖12密封连接，箱体本体11的内壁设有用于固定工作发热件的限位部。这样实现了液体冷却装置的整体密封，从根源上解决了冷却装置的噪声及粉尘污染的问题。本实施例中，工作发热件经通过卡槽固定于箱体本体11内的侧壁上，且工作发热件距箱体本体11的底壁一定间距，使得工作发热件与液态冷却媒介20充分接触，以保证工作发热件产生的热量经液态冷却媒介20及时导出。优选地，箱盖12与箱体本体11之间经螺栓进行连接，箱盖12与箱体本体11的连接处设有用于加强密封效果的密封垫圈。更优选地，冷却箱体10采用导热性能好的材料制成，如采用不锈钢板或者铝基板等金属材料制成，以将热量及时散发至外界空气中。本实施例中，优选地，箱体本体11的形状为长方形体，在其他实施例中，箱体本体11的形状还可以为圆柱体或者多面体，具体的形状和尺寸可以根据工作发热件的形状、尺寸及安装区域的大小等确定。
参照图2，优选地，为了进一步提高本实施例液体冷却装置的散热效果，箱体本体11内设有供液态冷却媒介20进行气液相转换的预留空间13，预留空间13处设有冷却管路30，冷却箱体10之外设有换热器40，冷却管路30的出口与换热器40的入口连通，冷却管路30的入口与换热器40的出口连通。工作时，工作发热件产生的热量会直接传递给周围的液态冷却媒介20，一部分热量经冷却箱体10耗散至外界空气中，来不及耗散的热量会持续累积，导致液态冷却媒介20温度升高，待升至其沸点，液态冷却媒介20就会蒸发，以带走液体中的热量，传至冷媒蒸汽，此冷媒蒸汽存在于密闭的预留空间13内，冷却管路30与冷媒蒸汽进行热量交换，热量直接传导至冷却管路30，并经冷却管路30、换热器40散播至外界空气，而冷媒蒸汽由于放热发生液化，又回落至箱体本体11内，从而实现了液态冷却媒介20的气液相变换，以与工作发热件循环进行热量交换。且本实施例采用液态冷却媒介20在密闭的冷却箱体10内气液相变循环与外置的换热器40的冷却通道相互独立的结构，很好地解决了系统可维护性问题，且利于工作发热件的扩展和布局。
优选地，本实施例中，冷却箱体10内的液态冷却媒介20的高度以正好浸没工作发热件为准，以预留更多的预留空间13进行气液相变换散热。优选地，预留空间13占冷却箱体10的内部容纳体积的四分之一以上。优选地，液态冷却媒介20为沸点在35～75摄氏度的氟化液。
本实施例中，可选地，为了增强冷却管路30与预留空间13处的冷媒蒸汽之间的热量交换效率，冷却管路30采用铜管弯折而成的多路回路结构，冷却管路30还可以采用其他高导热率材料制成和/或其他弯折结构，以增强冷却管路30的导热效率及冷却管路30与预留空间13的接触面积。可选地，冷却管路30经辅助支架与箱盖12连接，或者冷却管路30经辅助支架与箱体本体11内的侧壁连接。本实施例中，冷却箱体10上设有供冷却管路30出入的出入口，冷却管路30的出口与设置与冷却箱体10外部的换热器40的入口连通，冷却管路30的入口与换热器40的入口连通，冷却管路30中装有冷媒，通过换热器40驱动冷媒循环流动，以不断将冷却箱体10内的冷媒蒸汽液化所释放的热量带走。
优选地，换热器40为制冷机，冷却管路30内的冷媒选用制冷剂，优选制冷剂为氟利昂。这样，就不需额外提供动力装置驱动，通过制冷机的工作，将冷却管路30中的氟利昂反复进行气液转换，不断将热量散热至外界空气。
在其他实施例中，可选地，换热器40为散热器，冷却管路30内的冷媒为便于热量交换的冷却液；散热器与冷却管路30之间设有循环泵，以保证冷却液在冷却管路30内循环流动，以进行热量交换。
优选地，为了方便操作人员对冷却箱体10内的压强变化的监测，冷却箱体10上设有用于实时监测冷却箱体10内压强变化的压力变送器50。优选地，压力变送器50的输出端通信连接本地监控终端或者远程监控终端，以便于监控人员及时了解冷却箱体10内的压强变化值，了解系统的运行状况是否正常。优选地，压力变送器50通过箱盖12上的螺纹孔安装在箱盖12上。
优选地，冷却箱体10上设有压力安全阀60，用于冷却箱体10内的压力值达到预设阈值时对冷却箱体10进行泄压。压力安全阀60是为了防止系统压力过高而设置，当工作发热件满载运行时，不断产生大量热量，会导致液态冷却媒介20不断蒸发，若冷却管路30不能及时将冷媒蒸汽液化，会导致冷却箱体10中压力升高，若此压力值达到压力安全阀60的安全值时，压力安全阀60会自动打开对冷却箱体10进行泄压，保证系统安全运行，此情况仅存在于极少的极限情况下。优选地，压力安全阀60通过箱盖12上的螺纹孔安装在箱盖12上。
优选地，液体冷却装置还包括用于检测冷却箱体10内气体温度的温度检测仪及用于控制换热器40开启/关闭的控制器70；控制器70根据温度检测仪的温度信号控制换热器40的工作。待冷却箱体10内蒸汽温度达到控制器70设置的温度值时，控制器70会自动启动换热器40，换热器40便会运行，进而带动冷却管路30中冷媒的循环，提高散热速度；待冷却箱体10内蒸汽温度降至控制器70设置的温度值以下时，控制器70会自动关闭换热器40，同时冷却管路30中的冷媒会停止循环流动，降低散热速度，以此可节省能耗。
根据本发明的另一方面，还提供一种服务器，包括上述的液体冷却装置，其中，工作发热件为服务器的主板板卡。工作中，冷却箱体10中的主板板卡会随着服务器的运行不断产生热量，参照图3，而液体冷却装置主要通过以下两种方式对主板板卡进行散热：
1、由于服务器的主板板卡与液态冷却媒介20直接接触，液态冷却媒介20与冷却箱体10也直接接触，故在主板板卡产生热量后会立即传递给周围液态冷却媒介20，由于氟化液有优良的导热性能，可将板卡所产生的热量及时传导至金属材质的冷却箱体10，从而通过冷却箱体10较大的散热面积将热量散发至外部空气中。此时，若服务器的主板板卡温度保持在合理范围内，冷却装置的其余系统均无需启动，即冷却管路30的循环系统均处于关闭状态，整个系统只需通过冷却箱体10表面的自然散热达到降温目的；
2、以上冷却箱体10表面的自然散热方式一般可以满足系统空载或负载较低时的散热要求，当负载较高甚至满载时，服务器CPU等电子元件会产生很高热量，这些热量会全部传递给周围液态冷却媒介20，一部分热量会由上述第一种方式进行耗散，而来不及耗散的热量会持续累积，导致冷媒温度升高，待升至其沸点(由液态冷却媒介20类型及冷却箱体10内压力共同决定)时，液态冷却媒介20会发生蒸发，并带走液体中的热量，传至冷媒蒸汽，此蒸汽存在并密闭于冷却箱体内冷媒介质的上部空间。蒸汽不断累积，气体温度也会逐渐上升，由于冷却箱体10上装有控制器70，该控制器70可实时监测蒸汽温度，待达到其预先设置的值后，可使冷却箱体10外部的换热器40自动启动，从而可以使冷却管路30中的低温冷媒反复循环。由于冷却箱体10中上部的蒸汽与冷却管路30直接接触，热量可直接传导至冷却管路30，而蒸汽由于放热又发生液化，并回落至箱体本体11中，而热量传递至冷却管路30后，由于冷却管路30中低温冷媒的循环，会不断将热量通过冷却箱体10出口带出至外部的换热器40，并最终散发至空气中。冷却箱体10中冷媒介质如此反复进行气液相变循环，不断将热量带走，与常规水冷相比，可以带走更多热量，散热效率更好。
从以上的描述可知，本实施例液体冷却装置及具有该装置的服务器，具有以下优点：
1、本实施例采用冷却箱体10的壁体散热与气液相变转换散热两种方式相结合的冷却技术，解决了服务器核心单元的高效散热难题，且可适用于高密度服务器集群，散热效率高，节省能耗；
2、采用全封闭、无风扇的浸入式液冷技术，从根源上解决了噪声及粉尘的问题；
3、实现了液态冷却媒介20在密闭的冷却箱体10内相变循环与外置换热器的制冷通道相互独立的结构，很好地解决了系统可维护性问题，且利于服务器的功能扩展及灵活布局；
4、通过独有的自适应外置换热器制控制和泄压模式，保证了服务器节能和长时间安全稳定运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种液体冷却装置，其特征在于，包括储存有液态冷却媒介(20)的冷却箱体(10)；
所述冷却箱体(10)内放置待冷却的工作发热件，所述工作发热件浸泡在所述液态冷却媒介(20)内；所述液态冷却媒介(20)为绝缘的氟化液；所述工作发热件为承载有电子工作元件的板卡；
所述工作发热件产生的热量经所述液态冷却媒介(20)传递至所述冷却箱体(10)并经所述冷却箱体(10)传导至外界空气；
所述冷却箱体(10)包括箱体本体(11)及箱盖(12)，所述箱体本体(11)与所述箱盖(12)密封连接，所述箱体本体(11)的内壁设有用于固定所述工作发热件的限位部，所述冷却箱体(10)采用导热性能好的材料制成，以将热量及时散热至外界空气中；
所述箱体本体(11)内设有供所述液态冷却媒介(20)进行气液相转换的预留空间(13)，所述预留空间(13)处设有冷却管路(30)，所述冷却箱体(10)之外设有换热器(40)，所述冷却管路(30)的出口与所述换热器(40)的入口连通，所述冷却管路(30)的入口与所述换热器(40)的出口连通，所述液体冷却媒介(20)通过所述冷却管路(30)进行气液相变转换以散热。
2.根据权利要求1所述的液体冷却装置，其特征在于，
所述换热器(40)为制冷机，所述冷却管路(30)内设有便于热量交换的制冷剂，所述制冷剂为氟利昂。
3.根据权利要求1所述的液体冷却装置，其特征在于，
所述换热器(40)为散热器，所述冷却管路(30)内设有便于热量交换的冷却液；所述散热器与所述冷却管路(30)之间设有循环泵。
4.根据权利要求2或者3所述的液体冷却装置，其特征在于，
所述冷却管路(30)与所述箱盖(12)连接，或者
所述冷却管路(30)与所述箱体本体(11)内的侧壁连接。
5.根据权利要求4所述的液体冷却装置，其特征在于，
所述冷却箱体(10)上设有用于实时监测所述冷却箱体(10)内压强变化的压力变送器(50)。
6.根据权利要求5所述的液体冷却装置，其特征在于，
所述冷却箱体(10)上设有压力安全阀(60)，用于所述冷却箱体(10)内的压力值达到预设阈值时对所述冷却箱体(10)进行泄压。
7.根据权利要求4所述的液体冷却装置，其特征在于，
所述液体冷却装置还包括用于检测所述冷却箱体(10)内气体温度的温度检测仪及用于控制所述换热器(40)开启/关闭的控制器(70)；
所述控制器(70)根据所述温度检测仪的温度信号控制所述换热器(40)的工作。
8.一种服务器，其特征在于，包括如权利要求1至7任一所述的液体冷却装置，所述工作发热件为所述服务器的主板板卡。
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