CN107102711A - 用于服务器的冷却系统 - Google Patents

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CN107102711A CN201710545891.2A CN201710545891A CN107102711A CN 107102711 A CN107102711 A CN 107102711A CN 201710545891 A CN201710545891 A CN 201710545891A CN 107102711 A CN107102711 A CN 107102711A
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Abstract

本发明的实施例包括一种系统,其用于冷却包含多个服务器模块的计算机服务器。该系统包括:第一冷却系统,其被配置为从多个服务器模块移除热量,第一冷却系统包括多个第一导管,该多个第一导管用于循环通过第一冷却系统的第一冷却介质;第二冷却系统,其被配置为从第一冷却系统移除热量,第二冷却系统包括多个第二导管,该多个第二导管用于循环通过第二冷却系统的第二冷却介质;以及歧管,其被配置为连接第一冷却系统和第二冷却系统,其中多个第一导管被可拆卸地连接到歧管。

Description

用于服务器的冷却系统
本申请为申请号为201280058158.3、名称为“用于服务器的冷却系统”、申请日为2012年10月23日的发明申请的分案申请。
技术领域
本发明通常涉及一种冷却计算机服务器或在封闭数据处理环境中运行的其他系统的发热部件的系统和方法,以及包括冷却系统的计算机服务器和系统。
背景技术
电子系统,例如,举例来说,计算机系统包括在运行期间会发热的多个集成电路(IC)装置。为了计算机系统有效地运行,IC装置的温度不得不被维持在容许的限度内。从IC装置消除热量的问题是个老问题,由于更多数量的晶体管被封装在单独的IC装置中,同时减少了装置的物理尺寸,因此近年来该问题日益突出。越来越多的晶体管被压缩在更小区域内,导致需要从更小区域中移除更集中的热量。将多计算机系统打包在一起,例如,举例来说,在服务器中,增加的热量更进一步加剧了消除热量的问题,增加的热量不得不被从相对较小的空间移除。
在典型的计算机服务器(“服务器”)中,多个计算机服务器模块(“模块”)被一起堆叠在机柜上或壳体内,以集中网络资源以及最小化使用面积。设计用于服务器构造中的模块的典型特征为,母板包括安装在组合式机箱或壳体中的发热电子元件(例如IC装置),依次将模块与其他类似的模块一起安装在机架、刀片服务器机柜、刀片服务器、或其他支承结构上。实际上,多服务器(每个都包含多个模块)典型地被安装在封闭的空间中,例如服务器机房或者数据中心。在运行期间,单个模块中的电子元件产生热量,为了服务器有效的运行必须进行散热。图1示出了现有技术的用于冷却多个服务器(每个都包含多个模块)的方法,多个服务器被安装在封闭的空间中,例如,举例来说,服务器机房。在这样的现有技术系统中,为了吸收服务器的多个模块的热量,使用冷却风扇使得周围的空气从服务器机房通过服务器的多个模块进行循环。在现有技术系统中,冷空气通过冷空气室被导入服务器机房,冷空气通过服务器,来吸收IC装置和其中其他发热元件产生的热量。在吸收产生的热量之后,热空气被排放回服务器机房。通过热空气室,将该热空气导入计算机机房空调(CRAC)系统,用于冷却空气,以及通过冷空气室,将其再循环返回服务器机房。
众所周知,典型的服务器机房的能耗的一大部分(大于大约31%)用于CRAC系统的运行,并且通过改进CRAC系统的效能,可以得到显著的能源节省和产生的温室气体的减少。从http://hightech.lbl.gov/documents/DATA_CENTERS/DC_Benchmarking/Data_Center_Facility1.pdf可以得到的2001年2月的“数据中心的能够特性研究网站报告”;从http://www.electronics-cooling.com/2010/12/energy-consumption-of-information-technology-data-centers可以得到2010年12月的,Iyengar等著的“信息技术数据中心的能源消耗”以及其中的参考引证文献,改进了安装在服务器机房的服务器的冷却效率,从而使得可用能源能够达到更多有效利用和节省,以及温室气体排放能够减少。
公开的冷却系统和方法关注于,一种冷却安装在封闭环境的一个或多个服务器的高效节能的方法,封闭环境例如服务器机房。
发明内容
一方面,公开了一种用于冷却计算机服务器的系统,计算机服务器包括多个服务器模块。系统包括:第一冷却系统,该第一冷却系统被配置为从多个服务器模块移除热量,且包括多个第一导管,该多个第一导管用于循环通过第一冷却系统的第一冷却介质;第二冷却系统,该第二冷却系统配置为从第一冷却系统移除热量,且包括多个第二导管,该多个第二导管用于循环通过第二冷却系统进行的第二冷却介质;以及歧管,该歧管配置为连接第一冷却系统和第二冷却系统,其中多个第一导管被可拆卸地连接到歧管。
在另一方面,公开了一种用于冷却计算机服务器的系统,计算机服务器包括多个服务器模块,系统包括:第一冷却系统,该第一冷却系统被配置为从多个服务器模块移除热量,且包括第一冷却介质,该第一冷却介质被配置为将热量传导到第一冷却系统的热板上;第二冷却系统,该第二冷却系统被配置为从第一冷却系统移除热量,且包括第二冷却介质,该第二冷却介质被配置为将热量传导到冷却装置;以及歧管,该歧管被配置为连接第一冷却系统和第二冷却系统,其中多个模块被可拆卸地连接到歧管。
在又一个方面,公开了一种用于冷却计算机服务器的系统,计算机服务器包含多个服务器模块。系统可以包括:第一冷却系统,该第一冷却系统被配置为从多个服务器模块移除热量,且包括多个第一导管,该多个第一导管用于循环通过第一冷却系统的第一冷却介质;第二冷却系统,该第二冷却系统被配置为从第一冷却系统移除热量,且包括多个第二导管,该多个第二导管用于循环通过第二冷却系统的第二冷却介质;以及歧管,该歧管被配置为封装多个第一导管的至少一部分和多个第二导管的至少一部分,其中多个模块被可拆卸地连接到歧管。
附图说明
图1示出了现有技术的服务器机房冷却系统;
图2示出了应用于服务器模块的公开的冷却系统的示范性实施例;
图3示出了应用于示范性服务器单元的公开的冷却系统的示范性实施例;以及
图4示出了应用于多个服务器单元的公开的冷却系统的示范性实施例。
具体实施方式
以下的详细说明通过举例的方式而不是限定的方式,说明冷却系统。尽管下述说明描述了用于安装在封闭环境的服务器的冷却系统的应用,公开的冷却系统的实施例也可以被应用于任何应用中的冷却发热部件。例如,便携式计算机在运行的同时被对接到插接站时,当前公开的实施例可以被用于冷却便携式计算机。本说明书使得本领域技术人员能够制造和使用本发明公开的内容,用于冷却控制台或机箱中的任何电子元件。
现在将参考本发明的示范性的实施例,如附图中。在可能的情况下,同样的附图标记将被使用于整个附图,以用于标记同样或类似的部分。在不同图中,被指定使用相同附图标记的元件或部分执行相似的功能。因此,为了简洁,这些元件并不会针对每一附图进行描述。在以下的说明书中,如果并未参考一个附图对元件进行描述,元件参考另一附图进行的描述同样适用。
图2示出了示范性的单个电脑服务器单元(或者模块10),其具有用于安装在服务器机柜中的组合式机箱。模块10包括母板12,母板12上安装(或者,例如,举例来说,使用数据电缆连接到其上)有多个发热电子装置14。这些电子装置14可以包括,但不限于,在典型的计算机系统中可以找到的任意类型的IC或其他装置(例如,举例来说,CPU、GPU、存储器、电源、盘驱动器、控制器等等)。
模块10也可以包括冷却系统20,冷却系统20被配置为直接地冷却模块10的一个或多个电子装置14。为了直接地冷却电子装置14,冷却系统10的冷板26可以被安放地与电子装置14进行导热接触(直接接触,或者通过热传导介质,例如导热硅脂或导热垫接触)。由于导热接触,可以将热量从电子装置14传导到冷板26。冷却系统20的冷却剂22可以流经冷板26来移除热量,并且进而冷却电子装置14。正如将在下面更详细地描述,导管23可以将冷却剂22传输到冷板26,并且导管23可以将冷却剂22连接到合适的热交换器。在一些实施例中,冷却系统20也可以包括泵或其他液体移动装置(未显示),来协助朝向和从冷板26传递冷却剂22。或者,一些冷却系统20的结构可以不包括泵,而是依靠冷却剂22在吸收和发散热量时的膨胀和收缩,来朝向或从冷板26驱动冷却剂22。任何液体,例如,举例来说,水、酒精、酒精和水的混合物等等,都可以被用作冷却剂22。可以理解地,冷却剂22可以包括不能导电的介电流体。如果冷却系统20里的泄漏发生在模块10中,使用介电流体可以防止对模块10的部件,包括电子装置14的损坏。该介电流体的非限定性的例子包括去离子水,矿物油,以及它们的混合物。这些介电流体也可以是荧光的。尽管冷却剂22被描述为液体,但在一些实施例中,相变材料也可以被用作冷却剂22。在这些实施例中,冷却剂22在冷板26吸收热量之后,液体形态的冷却剂22可以转变为气体形态。将从冷板26吸收的热量传导出去之后,冷却剂22可以转变回液体形态。在一些实施例中,阀或其他已知的液体控制装置(未显示)可以被提供用于冷却系统20中,来控制其中的冷却剂22的流动。被配置为将热量从电子装置14传导到在冷却系统20中循环的冷却剂22的任何类型的冷板26,都可以被用作冷板26。冷板26可以包括散热片、针、或其他有助于将热量从冷板26传导到冷却剂22的特征。在一些实施例中,用于将热量从发热电子设备传导到冷却剂的装置可被用作冷板26,在共同指定的专利申请号为10/578,578,11/919,974,12/826,736,12/914,190,和12/914,263的文献中的此类装置,经过适当修改,都可用作冷板26。这些专利申请通过引用被整体包含在这里。尽管图2表明液体冷却系统20可以直接冷却两个电子装置14,但这仅仅是示例。通常,冷却系统20可以经任意数量的冷板26直接冷却模块10的任意数量的电子装置14。
导管23可以通过限定在模块10的机箱上的一个或多个孔离开模块10。在特定实施例中,空的PCI闭口盾构30可以被连接到模块10的机箱上,并且可以将导管23引出模块10。导管23的热端31可以被流体地连接到一个或多个流体连接器32。更特别的,入口导管33被配置为将冷却剂22引入模块10,并且出口导管34被配置为将冷却剂22引出模块10,入口导管33和出口导管34可以被流体地连接到流体连接器32。流体连接器32可以是任意合适的连接装置,其被配置为将导管23流体地连接到其他合适的液体导管。流体连接器32也可以被配置为使得导管23与其他合适的液体导管之间易于连接和拆开。此外,当与另一导管连接和/或拆开时,流体连接器32可以自动密封,并且可以防止导管23中的液体从连接器32泄露。例如,流体连接器32可以包括任意合适的快速连接器、鲁尔锁等等。
在服务器的应用中,如图3中所示,多个服务器模块10可以被安装在服务器机柜50上,服务器机柜50被定位在服务器机房100中。机柜50可以依次被连接到歧管60。歧管60可以包括任意合适的外壳,该外壳被配置为封入大量液体导管和组件,并且可将液体引入歧管60内部和/或外部的多个组件。此外,歧管60可以被配置为安装在任意合适的服务器机柜50上。在歧管60的服务器侧,歧管60可以被流体地连接到模块10,并且在歧管60的热交换器侧,歧管可以被流体地连接到次级冷却系统42。冷却系统20的冷却剂22可被引入歧管60中,被次级冷却系统42冷却,并返回进入模块10,以用于将热量从电子装置14移除。
如上,模块10可以被流体地连接到歧管60。更特别地,通过流体连接器32,导管23可以被流体地连接到歧管60。换句话说,流体连接器32可以将每个冷却系统20的入口导管33流体地连接至封装在歧管60中的出口管线61,并且可以将每个冷却系统20的出口导管34流体地连接到封装在歧管60中的入口管线62。在特定实施例中,加长外壳200可以被连接到服务器机柜50,并且可以容纳冷却系统20的入口导管33和出口导管34。流体连接器32可以被安装在加长外壳200的外部,并且可以被流体地连接到歧管60的内部或者外部的出口管线61或者入口管线62。在其他实施例中,可以去掉加长外壳200,并且歧管60可以被直接安装到服务器机柜50上。
被封装在歧管60中的入口管线62可以将冷却系统20的冷却剂22传输到一个或多个热板18,并且冷却剂22从而被冷却。然后,经过被封装在歧管60中的出口管线61和冷却系统20的入口导管33,相对较冷的冷却剂22可以流出一个或多个热板18,并且返回冷板26来吸收电子装置14产生的热量。热板18可以被封装进歧管60,并且可以包括配置为在冷却剂和热交换表面之间提供热传导的任意适合的组件。例如,热板18可以包括公开于专利申请号为13/215,384的一个或多个热板和冷板的特征,该专利通过引用被整体包含在这里。
冷却剂22可以经次级冷却系统42从一个或多个热板18吸取热量而被冷却。如图3,次级冷却系统42可以使得热量传导介质43在其中循环,以从与不同模块10关联的冷却系统20吸收热量,并且释放从这些模块10移除的热量。任意类型的液体,例如水、酒精、其混合物,气体等等,都可以被用作热传导介质43。也可以预期,在一些实施例中,相变材料可以被用作热传导介质43。在一些实施例中,次级冷却系统42可以是闭环冷却系统。然而,在其他实施例中可以预期,次级冷却系统42可以是开环系统。
如图3所示,次级冷却系统42可以从安置在服务器机房100中的一个或多个模块10吸收热量,并且将热量释放到服务器机房100的外部。次级冷却系统42可以包括一个或多个冷板元件41、安置在服务器机房100外部的冷却装置40和导管,该导管用于在冷却装置40和一个或多个冷板元件41之间传导热传导介质43。一个或多个冷板元件41可以包括任何合适的组件,该组件被配置为在冷却剂和热交换表面之间提供热传导。例如,一个或多个冷板元件41可以包括公开于共同指定的专利申请号为13/215,384的文献中的一个或多个热板和冷板的特征。冷却装置40可以包括配置为从流经其中的热传导介质43移除热量的任意合适的装置,例如气液热交换器。一个或多个冷板元件41和次级冷却系统42的导管的至少一部分也可以被封装进歧管60,并且一个或多个冷板元件41可以被放置为与冷却系统20的一个或多个热板18进行热接触(直接接触,或者通过热传导介质45,例如导热硅脂或导热垫进行接触)。因为热接触,热量可以从一个或多个热板18传导到一个或多个冷板元件41。可以使热传导介质43在冷却装置40和一个或多个冷板元件41之间进行循环,从而热传导介质43可以从模块10的一个或多个热板18吸收热量,并且将热量释放到服务器机房100外部。在一些实施例中,泵和/或其他控制装置可以被用于帮助引导热传导介质43通过次级冷却系统42。将服务器产生的热量传输到外部可以避免加热服务器机房100内的空气,从而减少服务器机房100冷却系统的冷却负荷。同样可以预期,由热传导介质43从服务器机房移除的热量,可以被用做有用的工作。例如,该被移除的热量可以被用在HVAC系统中来给建筑物供热。
应当理解的是,次级冷却系统42可以用非主动的方法提供热量传导。换句话说,次级冷却系统42不需要能量源或动力源来主动地将热量从模块10移除。替代地,例如,冷却装置40可以被安装在服务器机房100的外部,并且可以通过与周围空气接触,冷却次级冷却系统42的热传导介质43。周围空气可以是,例如,安装有服务器机房100的建筑物外的空气,或者是在建筑物内但在服务器机房100外的空气。因为不需要额外的能量来冷却热传导介质43,所以可以获得成本的节约和能源的节省。也应当理解的是,一个或多个风扇或其他通风设备可以被连接到冷却装置40,来将更多周围的空气引导到冷却装置上,并且用最小的能耗来增加对热传导介质43的冷却。此外,仅仅模块10的电子装置14可被公开的冷却系统冷却,电子装置14可以包括CPU、GPU、存储器等等。这些电子装置14可以产生模块10中的最多的热量,因为它们消耗最多的功率;然而,在相对高温时,该电子装置14仍能够运行。因此,周围的空气足以在移除模块10中所产生的大部分热量的同时,将装置14冷却到合适的运行温度。
在特定实施例中,流体连接器70,类似于流体连接器32,可以被连接到歧管60,来将封装在歧管60内的一个或多个冷板元件41流体地连接到服务器机房100外部的冷却装置40。换句话说,在一个或多个冷板元件41与冷却装置40之间提供了流体连通的次级冷却系统42的导管可以通过流体连接器70轻易地连接和拆卸。因此,流体连接器70,连同流体连接器32一起,可以使得模块10、歧管60以及冷却装置40轻易地被互相分开,以用于例如维修和维护的目的。应当理解的是,流体连接器70可以被安置在歧管60的外壳内,或者可以被安置在歧管60外壳的外壳外部。另外,因为流体连接器32,70可以自动封口,所以可以减少由于液体泄漏引起的脏乱和清扫。此外,流体连接器32,70和歧管60也可以提供模块10到用于散热的冷却装置40的快捷和容易的安装。
流体连接器32也可以提供这样的能力,容易地将单个模块10连接到歧管60和与歧管60分离,并且从而,选择性地控制安装在服务器机柜50上的一个或多个模块10的冷却。例如,如果一个或多个模块10需要保养和/或维修,那些模块10可以被选择地与歧管60相分开,同时剩余的模块10可以被操作地连接到歧管60,并且使得它们各自的电子装置14被冷却。
此外,应当理解的是,流体连接器32,70和歧管60可以提供用于冷却模块10的模块化机制。在特定实施例中,流体连接器70可以被替代为流体地连接到现有设施线路(未显示),并且进而可以引导已冷却的冷却剂到一个或多个冷板元件41。换句话说,歧管60可以允许模块10改变它们被冷却的方式。例如,技术人员可以将流体连接器70与图3所示的冷却装置40分开,并且将流体连接器70与现有设施线路重新连接,以作为用于冷却的可选择的源。
此外,歧管60、流体连接器32以及流体连接器70的配置可以提供两个分开的冷却环路:与冷却系统20相关的冷却环路,与次级冷却系统42相关的冷却环路。将冷却系统20和次级冷却系统42的环路分开,可以使得服务器的维护和维修变得容易。例如,如果在服务器中检测到冷却剂泄漏(例如,与冷却系统20有关的泄漏),只有冷却剂22需要被移走以及重新装入来修理泄漏,热传导介质43不需要被移除和/或重新装入,因为冷却系统20和次级冷却系统42是分开的。因此,可以最小化最后需要被丢弃和重新装入的冷却剂的量,从而减少维护和维修的费用。此外,应当理解的是,因为流体连接器32,70可以自动封口,所以歧管60可以被制造并分布有在歧管60的适当导管里预先充满的冷却剂22和热传导介质43。
应当理解的是,在特定实施例中,次级冷却系统42可以被去除,并且封装有一个或多个热板18的歧管60的至少一部分可放置在服务器机房100的外部来从冷却剂22吸走热量。
图4表明了服务器应用的另外一个实施例,其中服务器机房100包括模块10被安装在其上的多个服务器机柜50。在特定实施例中,参考图3,每个服务器机柜50可以被连接到它自己专用的冷却装置40。分开的冷却装置40可以为安装在每个服务器机柜50上的模块提供增强的冷却,并且当每个服务器机柜50可以被分别地连接,例如,一个或多个冷却装置40将被检查和维修时,也可以简化维护和维修工作。然而,应当理解的是,每个服务器机柜50可以被连接到单独的冷却装置40,如图4中所示。利用单独的冷却装置40可以减少用于冷却模块10的材料和组件的量,并且可以最小化冷却装置40所占空间的量。
在特定实施例中,应当理解的是,一个或多个次级歧管可以被流体地连接到服务器机柜50和歧管60。在这些实施例中,例如,任意数量的子机柜可以被安装到服务器机柜50。每个子机柜可以包括多个服务器模块、刀片服务器、或者类似的连接到一起以及被安装到子机柜上的设备。以如上面讨论的在图2-4的所述实施例中的类似方式,次级歧管可以被流体地连接到每个子机柜。冷却剂,例如冷却剂22,可以被从歧管60导引到子机柜的每个模块,来冷却一个或多个电子装置,例如电子装置14。来自每个模块的冷却剂可以通过次级歧管被传导,并且为了进行冷却,次级歧管的单独的线路可以引导冷却剂进入歧管60。冷却剂可以被冷却,并且返回子机柜的每个模块。
因为所公开的服务器冷却系统可以使得服务器的模块10被冷却,而不用将热量传导到服务器机房100,所以消除了采用大CRAC系统的必要性。此外,因为可以采用周围的空气从冷却装置40移除热量,所以次级冷却系统42的冷却装置40消耗零到最小的功率。消除了采用大CRAC系统来冷却服务器机房100的需要,以及采用周围的空气从模块移除热量,从而极大地减少了与冷却服务器相关的功率消耗。功率消耗的减少使得更有效地利用可用能源和节约可用能源,并且伴随着温室气体排放的减少。
对所述公开的冷却系统可以进行各种修改和变化,这对本领域技术人员是显而易见的。从公开的冷却系统的说明书和实践中考虑,其他实施例对本领域技术人员是显而易见的。说明书和例子意在仅被视为示例性的,由附带的权利要求及其等同物指出真正的范围。

Claims (10)

1.一种用于多个服务器模块的液体冷却系统,所述系统包括:
分配和收集流体的歧管,其包括:
入口管线,其被连接至来自多个服务器模块的多个出口导管,其中入口管线以及多个出口导管使用多个第一自封连接器连接;
出口管线,其被连接至到多个服务器模块的多个入口导管,其中出口管线以及多个入口导管使用多个第二自封连接器连接;
定位于多个服务器模块内的多个冷板元件,其中每个冷板元件被构造为热连接到服务器模块中的至少一个发热部件,并且每个冷板元件被流体地连接到多个入口导管和出口导管;
热交换器,其被流体地连接到入口管线和出口管线,所述热交换器包括:
热耦合的热板和冷板,其中入口管线将穿过多个服务器模块和冷板元件循环的第一冷却介质传输到热板,在该热板处,从发热部件传导到第一冷却介质的热量通过热板被传导至冷板,在冷板处,热量被传导至第二冷却介质;
流体连接到冷板的一对流体连接器,该对流体连接器在冷板和位于服务器机房外部的冷却装置之间循环第二冷却介质,在服务器机房中放置了多个服务器模块,其中冷却装置从第二冷却介质移除热量;
其中,分配和收集流体的歧管被安装在容纳多个服务器模块的服务器机架上;并且
其中,热交换器包括用于循环第一冷却介质使其穿过多个服务器模块和冷板的泵。
2.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,第一冷却介质和第二冷却介质保持彼此流体隔离。
3.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,冷却装置为空气对液体的热交换器。
4.根据权利要求1所述的液体冷却系统,进一步包括用于在热交换器和冷却装置之间循环第二冷却介质的泵。
5.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,冷板与热板热接触,并且热传导介质位于热板和冷板之间,以提升从热板到冷板的热量的传导。
6.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,通过多个第一自封连接器和多个第二自封连接器,单独的服务器模块能够被连接到分配和收集流体的歧管并且能够从分配和收集流体的歧管断开连接,同时保持服务器模块通过第一冷却介质的循环而被持续地冷却。
7.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,冷却系统是多个重复的冷却系统中的一个,其中每个冷却系统冷却独立的容纳多个服务器模块的机架,并且多个冷却系统全部循环第二冷却介质使其到达热量被移除的冷却装置。
8.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,一对流体连接器为自封连接器。
9.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,冷却装置被构造为重复使用来自第二冷却介质的热量的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的液体冷却系统,其中,热交换器被安装在容纳多个服务器模块的服务器机架上。
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