CN107615902A - 沿板布设冷却构件 - Google Patents

Abstract

本文中的示例公开一种包括板和冷却构件的系统。所述板包括第一表面、第二表面和在所述第一表面和所述第二表面之间的中点，所述板支撑在所述第一表面上的电气部件。所述冷却构件沿所述板的所述第二表面布设，并通过从所述第二表面跨过所述板的所述中点到所述第一表面来输送冷却液体到所述电气部件。所述冷却构件通过从所述第一表面跨过所述板的所述中点到所述第二表面而从所述电气部件沿路径输送被加热的液体。

Description

沿板布设冷却构件

技术领域

随着数据交换的全球需求增加，施加到服务器上的尺寸和负载也增加。由此，服务器产生呈指数增长的更大功率，因此产生更多热量。

附图说明

在附图中，相似的数字指代相似的部件或模块。下文的详细说明参照附图，其中：

图1A-1B示出根据本公开的示例板的透视图，所述板包括冷却构件以向电气部件和从电气部件输送液体；

图2A-2B示出根据本公开的示例系统的透视图，所述系统包括安装在服务器托盘中的板；

图3A-3B示出根据本公开的示例系统的透视图，所述系统包括机箱上的切口以方便看清楚；

图4A-4B示出根据本公开的示例系统的透视图，所述系统包括安装在机箱内的多个服务器和歧管；

图5示出根据本公开的代表多种气流速率的示例性图示；以及

图6-7示出制造板和冷却构件的示例流程图，以使所述冷却构件沿所述板的下表面布设。

具体实施方式

混合冷却系统可被用于消散服务器中的热量。混合冷却系统使用液体冷却和空气冷却二者以消散来自服务器中电气部件的热量。然而，很多热量可从液体中消散到空气中。增加冷却风扇的数量和/或增大来自冷却风扇的气流是目的在于冷却消散热量的补救措施。这些补救措施可能会导致许多其他问题，例如引起静电放电、争夺气隙以适当地冷却电气部件、来自冷却风扇的振动、腐蚀、增大服务器中的噪音等等。另外，由于冷却风扇为驱逐消散出的热量需要多得多地工作，将热量从液体消散到空气中是低效的。

为解决这些问题，示例了公开这样的系统，该系统将冷却构件沿板的下表面布设以向和从在所述板的上表面上的电气部件输送液体。冷却构件跨过在所述两个表面之间的中点以沿路径输送冷却液体。冷却构件将加热的液体从上表面往回跨过所述中点输送到下表面。沿下表面布设冷却构件会允许冷却构件表面面积的大部分被所述板覆盖。覆盖所述表面面积会使排放到冷却构件的液体中的热量的量最大化。使排放到液体中的热量的量最大化意味着更少的热量消散到空气中。减少在空气中热量消散的量允许冷却风扇以更低的风扇转速工作以使冷却空气在服务器中循环。另外，减少到空气中的热量消散会使所使用的冷却风扇数量最小化，从而节约服务器中的空间。进一步减小冷却风扇的数量和降低风扇转速使冷却风扇的可靠性增强。总体来说，减少的冷却风扇数量和降低的风扇速度会降低功率消耗。

在另一个示例中，冷却构件和板安装在服务器托盘中。在板的下表面上布设冷却构件会减少托盘的阻抗并允许支持更大阵列的服务器构造。

图1A-1B示出示例板102的透视图，所述板包括冷却构件108。冷却构件108沿板102的下表面114布设以向电气部件106沿路径输送冷却液体。电气部件106位于板102的上表面104上。冷却构件108通过跨过中点112被布设到电气部件106。冷却构件108输送冷却液体以从部件106吸走热能。以这种方式，热能（例如热量）被吸入冷却液体中从而产生被加热的液体。在产生被加热的液体后，冷却构件108往回跨过中点112并将被加热的液体沿路径输送到板102的下表面114。图1A-1B代表用于数据交换、计算、存储等的数据中心中的服务器系统。由此，服务器的实施方式可包括数据库服务器、邮件服务器、文件服务器、域名系统（DNS）服务器、印刷服务器、网络服务器、游戏服务器、应用服务器、料筒服务器、刀片式服务器、目录服务器、通信服务器、家庭服务器、媒体服务器、代理服务器或能够进行数据交换的其他类型的计算设备。虽然图1A-1B示出板102为包括冷却构件108和电气部件106，由于这是为了说明的目的而为，实施方式不应这样受限。例如，板102可包括联接到冷却构件108的连接器和在电气部件106上方的热交换器。这在后面的图中详细讨论。

板102是印刷电路板，所述印刷电路板使用导电的迹线、垫或其他特征来机械支持和电气连接电气部件。板102上的电气连接通过刻蚀铜片来制造，所述铜片层积在非导电的衬底之上。板102包含用于操作服务器的部件（例如电气部件106）。由此，在此实施方式中，板102包括用于安装到服务器中的母板。板102包括至少两个表面：上表面104和下表面114。在一种实施方式中，板102包括在表面104和114上的孔，用于由冷却构件108穿过。替代性地，冷却构件108可通过板102的边缘布设直到上表面104。

上表面104和下表面114也可被相应地指代为第一表面和第二表面。表面104和114彼此相互平行，从而上表面104的平面与下表面114沿同样的直线延伸。中点112位于表面104和114之间。如果表面104和114中的每个无限延伸，则认为中点112是在表面104和114二者之间的中间平面。由此，中点112是在此中间平面上的假想点。

位于板102的上表面104上的电气部件106是服务器中的分立设备或物理实体，用于影响电子或其相关的场。举例来说，电气部件106可包括集成电路、半导体、存储器模块、中央处理单元（CPU）、处理资源、专用集成电路（ASIC）、控制器、处理器、芯片组或其他类型的硬件部件。

冷却构件108是从和向电气部件106运载液体（例如水）的导管。冷却构件108通过从下表面114跨过中点112到上表面104运载冷却液体到电气部件106。在输送冷却液体后，冷却构件108将来自电气部件的热量吸入液体中。被加热的液体被冷却构件108从上表面104跨过中点112运载到下表面114。往回跨过中点112，冷却构件108沿板102的下表面114沿路径输送被加热的液体并将其移出服务器。冷却构件108可包括例如管、通道、管道或其他类型的物理结构，所述结构可将液体从板102的下表面114跨过中点112运载到电气部件106。虽然冷却构件108被示出为一个连续的部件，由于这是为了说明的目的而为，实施方式不应这样受限。例如，冷却构件108可包括沿下表面114布设并通过在电气部件106上方的热交换器相连接的第一构件和第二构件。这在后面的图中详细讨论。

图1A示出从板102的下表面114被运载通过冷却构件108的液体的流动。液体跨过通过板102的中点112在下表面114进入通过冷却构件108。冷却构件108到达电气部件106以输送冷却液体。输送冷却液体后，热量被传递到液体并被冷却构件108带走。冷却构件108将被加热的液体从上表面104通过板102沿路径输送到板102的下表面114。

图1B示出冷却构件108在板102的下表面114上的布设。如图所示，液体在冷却构件108中沿下表面114被运载向上通过板102到板102的上表面104。被加热的液体被冷却构件108从上表面104沿下表面114运载。

图2A-2B示出示例服务器202的透视图，所述服务器包括在板的上表面104上的电气部件106。在电气部件106上方，第一构件214输送冷却液体到热交换器218中，且第二构件216从电气部件106沿路径输送被加热的液体。连接器110联接到第一构件214和第二构件216，以提供冷却液体通过第一构件214的进入和被加热的液体从第二构件216的排出。服务器托盘220保持板，构件214和216沿板的下表面或下侧布设。在此实施方式中，构件214和216沿板的下表面（未示出）布设，并且位于服务器托盘220的底部部分和板之间。服务器托盘220使用板的下表面（未示出）来布设用于液体分配的构件214和216。这样，构件214和216可为矩形或管的形状以配合到在板的下表面和托盘220的底表面之间的极小间隙中。板包括孔或穿透点，构件214和216可能在所述孔或穿透点中跨过板的中点112以到达上表面104。替代性地，构件214和216从板的边缘跨过中点112。通过将构件214和216布置在板的下表面上，构件214和216不暴露于气流，这允许排放到液体中的一定百分比的热量受影响最小。构件214和216被认为是冷却构件（例如图1中的冷却构件108）的一部分。构件214和216输送冷却液体到电气部件106并从电气部件106沿路径输送被加热的液体，以用于冷却的目的。服务器202包括前护面壁，所述前护面壁具有允许空气从外部流入的孔114。另外，服务器202可包括风扇（未示出）以在服务器202中循环气体并提供气流。

图2A从后方视角示出服务器202，其中连接器110联接到第一构件214和第二构件216二者。连接器110包括用于联接到机箱后方的突出构件。将连接器110联接到机箱后方提供集中地点，在这里引导液体从服务器托盘到机架的进入和排出。此实施方式将在后面的图中详细讨论。虽然图2A示出连接器110作为单个部件联接到构件214和216二者，由于这是为了说明的目的而为，实施方式不应这样受限。例如，连接器110可被分离以分别地联接到每个构件214和216。

热交换器218安装在板的上表面104上的电气部件106上方，所述热交换器包括入口和出口以沿路径输送液体，以用于冷却的目的。入口连接到第一构件214以接收冷却液体。冷却液体接着被沿路径输送通过热交换器218以从电气部件106吸走热量。热交换器218的出口连接到第二构件216以排出或沿路径输送出被加热的液体。热交换器218是将热量从电气部件106传递到冷却液体的设备，从而被传递的热量产生被加热的液体。热交换器218可包括热阻材料和热导材料之间的组合。在此实施方式中，热交换器218暴露于空气中的表面包括热阻材料而热交换器218暴露于电气部件106的表面包括热导材料，从而使从电气部件106到液体中的热量排放最大化。在另一个实施方式中，热交换器218包括布设在电气部件106上方的冷却线圈，以用于吸走由电气部件106产生的热量。

服务器托盘220被用于容纳板，所述板安装有冷却构件214和216、电气部件106和热交换器218。服务器托盘220包括外壳，所述外壳用于容纳板和多种部件以组成服务器202。由此，服务器托盘220提供如下结构，在所述结构中将服务器220安装在机箱内。提供有该结构后，多个服务器202可配合到服务器机箱中同时还在每个服务器202之间提供内部分离。服务器托盘220包括底部表面、至少两个侧壁和具有孔114的前壁。具有孔的前壁114被认为是前护面壁，它允许空气流入以提供风扇循环用的气流。在一种实施方式中，服务器托盘220的底部表面可包括提供空间公差的结构，以使构件214和216不接触服务器托盘220。在此实施方式中，构件214和216（或也指代为冷却构件）位于服务器托盘220的底部部分和板之间。服务器托盘220可由多种材料构成，包括但不限于：金属、陶瓷、塑料、聚氨酯等。

图2B从前方视角示出服务器202，该服务器包括用于流入空气到服务器202内的孔114。图2A中的连接器110包括连接器端盖222，所述端盖将热能隔绝在联接的构件214和216之内。在此实施方式中，连接器端盖222将连接器110隔热以避免热能（例如热量）消散到空气中。使用连接器端盖220增加被排放到流经构件214和216的液体中的热量的量。

图3A-3B示出系统的多个透视图，所述系统包括从机箱302切出的切口以方便看清楚。这些图示出包括多个安装好的服务器的机箱302。冷却构件和板是机箱302内部安装好的服务器的一部分，且由此可能不会在这些图中示出。机箱302的后端包括构件330，所述构件突出并与隔热的机架歧管联接，从而进一步避免热量消散到周围的空气中。在此实施方式中，所述歧管朝向机箱302的后方布置并且在每个服务器内部循环的气流的路径之外。此实施例在后面的图中详细讨论。

在图3A中，机箱302的切口包括连接器端盖328和机箱分隔护罩以将连接器相对于气流保护起来。连接器端盖328和机箱分隔保护导管系统，所述导管系统向和从每个安装在机箱302内部的服务器输送液体。通过连接器端盖和机箱分隔护罩保护导管系统会避免热量消散到空气中，并增加排放到液体中的热量的量。连接器端盖328可由多种热绝缘材料构成，包括但不限于树脂、塑料、泡沫、聚氨酯、金属或隔绝热量以避免消散到机箱302内部的空气中的其他类型的绝热材料。这增加排放到液体中并从机箱302输送的热量的量。

在图3B中，示出了机箱302的前部，其中孔114用于使空气流入以在除机箱302内部的风扇之外允许气流。机箱302包括外壳的切口以示出分隔端盖332。分隔端盖332示出管道，所述管道用于向和从机箱302中的每个服务器输送冷却液体和被加热的液体。这样，管道连接到分隔端盖332，所述分隔端盖继而联接到歧管。分隔端盖332示出管道和连接器，未示出图3A中示出的端盖328。

图4A-4B示出示例系统的透视图，所述系统包括多个安装在机箱302内的服务器。每个机箱包括歧管430，所述歧管用于布设管道，在所述管道中向和从机箱302内的每个服务器传输被冷却的液体和被加热的液体。歧管430朝向机箱302的后方安装且包括腔室或管，所述腔室或管容纳用于向和从机箱302内的每个服务器传输冷却液体和被加热的液体的管道或管。机箱302被认为堆叠在另一个机箱之上以容纳多个服务器。潜在的消散热量到空气中的另一区域是朝向机箱302后方的歧管430。这样，歧管430布置到机箱302之外并继而布置到服务器机架（未示出），所述机架在多个服务器中的每个内部的空气循环和离开机箱302的空气的路径之外。

在图4A中，系统从前方视角被示出，所述系统具有孔114、连接器端盖328以及安装在机箱后端继而安装在服务器机架上的歧管430。在一种实施方式中，歧管430被覆盖以保护歧管免受离开机箱302的空气。在此实施方式中，歧管430可包括在腔室的侧面或边缘的遮盖物以阻止空气与歧管430混合。

在图4B中，从后方视角示出系统，为说明的目的，示出连接器端盖328从机箱302被切出。歧管430从前方展示，从而护罩被示为侧边缘。护罩用于保护在歧管430内的管道（未示出）免受离开机箱的空气。

图5示出根据本公开的代表多种气流速率的示例性图示。该图示示出了被捕获的热量的量或排放到冷却构件中的液体的热量的百分比。这样，该图示代表根据本公开的排放到液体中的热量的最大百分比。

y轴502代表被液体捕获的排放到液体中的热量的百分比。x轴504代表进入冷却构件的液体温度和进入服务器前部的空气温度之间的温度差。由此，x轴504用液体和进入的空气温度之间的温度差代表热能差。在图中示出更高的气流速率508以及更低的气流速率506。更高的气流速率508代表具有附加冷却资源（例如风扇）的流率。由此，更高的流率508可包括当风扇的数量更多和/或转速更快时。更低的气流速率506代表没有附加冷却资源和/或风扇没有更高转速时的流率。

对于更低气流速率506，在x轴504上的温度差取值相同时，排放到冷却构件中的液体的热量百分比在更高气流速率508的情况下更高。这强调了在更高气流速率508的情况下，空气的对流热传递更高，意味着更多热量散失到空气中；散失到空气中的热量还随暴露于空气的冷却构件表面面积的量的增加而增加。因此，更低的气流速率506使气流速率最小化并继而使排放到液体中的热量的量最大化。如果x轴504上的温度差很低（例如液体温度与气体温度相近），温度梯度极小，因此散失到空气中的热量被最小化。因此，增加捕获率的百分比或排放到液体中的热量的百分比，可减少冷却需要的冷却空气流的总量，这继而减少冷却资源。

现在参照图6和图7，示出了根据本公开的多个示例的流程图。流程图代表可配合参照在前的图讨论的多种系统和设备使用的过程。虽然以特定顺序示出，流程图不意图被如此限制。相反，能够清楚地想到，多种过程可以以不同的顺序和/或与示出的过程之外的其他过程同时发生。

图6是流程图，示出在板上制造冷却构件的方法。方法可从操作602开始，在602中冷却构件被沿板的下表面布设。冷却构件是向和从板的上表面传输液体的物理设备。由此，冷却构件在工作时提供冷却剂并移除被加热的液体。制造方法继续进行到安装冷却构件以使所述构件跨过板的中点。从下表面跨过板的中点到上表面安装冷却构件，冷却构件被定位成邻近电气部件。在将冷却构件定位成邻近电气部件后，冷却构件可被布设成从上表面往回跨过中点到下表面。将冷却构件沿下表面布设允许表面面积的大部分被板阻挡和/或绝热。覆盖冷却构件的表面面积会使当冷却构件工作时排放到液体中的热量的量最大化。

在操作602中，制造方法可这样开始：从沿板的下表面布设冷却构件。下表面与上表面平行，从而中点被认为是在下表面和上表面二者之间的平面上的假想点。跨过此在下表面和上表面之间的平面上的中点以将冷却构件布设到电气部件。

在操作604中，在板的下表面上布设冷却构件之后，冷却构件被从下表面跨过中点到上表面安装。举例来说，跨过中点包括：穿过板以到达上表面；穿过从板的中间区域延伸的平面；以及通过跨过边缘到达而跨过板的中部以到达上表面。

在操作606中，在冷却构件被沿板的下表面且跨过中点布设后，冷却构件被定位成邻近电气部件。将冷却构件定位成邻近电气部件表示将冷却构件靠近或邻接电气部件布置。这意味着冷却构件可被定位使得冷却构件邻接电气部件。邻接电气部件可包括将冷却构件定位在电气部件之上、旁边或下方。将冷却构件定位成邻近电气部件使得冷却构件能够提供用于冷却板上的电气部件的液体。

在操作608中，当冷却构件被定位成邻近电气部件后，冷却构件被从板的上表面布设到下表面。在此实施方式中，这可包括布设冷却构件从上表面往回跨过中点到下表面。将冷却构件从上表面往回跨过中点到下表面意味着冷却构件跨过板的平面或中间区域，以沿下表面往回布设。

图7是制造板的示例方法的流程图，包括安装电气部件和冷却构件。该方法可进行到：首先在板的上表面安装电气部件并建立板的下表面和冷却构件之间的安装。所述冷却构件沿板的下表面并跨过板的中点布设。安装冷却构件以跨过板的中点后，冷却构件被定位成邻近在板的上表面上安装好的电气部件。基于将冷却构件定位成邻近电气部件，冷却构件被布设成从上表面往回跨过中点到下表面。该方法继续进行到：在板的上表面上在电器部件上方安装热交换器。

在操作702中，该方法可这样开始：在板的上表面上安装电气部件。安装电气部件可包括附着所述部件从而电气触头与板上的触头连接。举例来说，安装电气部件的示例包括：将电气部件机械连接到板、焊接、胶粘或产生在电气部件和板之间的电气连接。

在操作704中，在板的下表面和冷却构件之间安装绝热体。绝热体减少板和冷却构件之间的热量传递。由此，绝缘体可由多种材料构成以减少到空气中的热量消散。这确保最大量的热量被排放到冷却构件的液体中。由此，举例来说，绝热材料可包括树脂、塑料、聚氨酯、玻璃纤维、泡沫、涂料等。在一种实施方式中，绝缘体被安装在板上以避免热能逸入板中。在另一种实施方式中，绝缘体安装在冷却构件上以使排放到液体中的热量的量最大化。

在操作706中，在安装电气部件和安装绝缘体之后，沿板的下表面布设冷却构件。操作706可与图6中的操作602在功能上相似。

在操作708中，冷却构件以这样的方式安装，使得冷却构件沿板的下表面并跨过中点到板的上表面布设。操作708可在功能上与图6中的操作604相似。

在操作710中，冷却构件定位成邻近在板的上表面上的电气部件。将电气部件定位成邻近处理部件允许来自冷却构件的热能传递到电气部件。如果环境运行在次佳的温度下，此热能可包括加热和冷却电气部件。操作710可在功能上与图6中的操作606相似。

在操作712中，冷却构件从邻近板的上表面上的电气部件的位置布设到板的下表面。在此实施方式中，冷却构件被布设以从板的上表面往回跨过中点到板的下表面。操作712可在功能上与图6中的操作608相似。

在操作714中，热交换器被安装在板的上表面上。热交换器被定位于板的上表面上的电气部件上方。由此，热交换器的安装包括联接到冷却构件以使液体从热交换器进入和排出。这意味着联接到冷却构件的热交换器被定位于电气部件上方，用于为冷却目的输送冷却液体或为暖热的目的输送加热的液体。在操作714的另一种实施方式中，具有安装好的冷却构件和电气部件的板被安装到服务器托盘中。服务器托盘可接着被安装到机箱中。将服务器托盘安装到机箱中后，可在机箱的外部部分上安装歧管，以使液体可进入和排出安装在每个服务器托盘中的每个板上的冷却构件。以这种方式，歧管充当冷却构件的集中式入口和出口。

虽然本文中示出和描述了某些实施例，本领域普通技术人员将充分理解到，为达到相同目的而得到的多种多样的替代方案和/或等同的实施例或实施方式可取代示出的和描述的实施例，而不超出本公开的范围。本领域技术人员将容易地理解到，实施例可以以多种方式实施。本申请意图覆盖本文中讨论的实施例的改编或变形。因此，意图明确，实施例仅受限于权利要求和权利要求的等同物。

Claims (15)

1.一种系统，包括：

板，所述板包括第一表面、第二表面和在所述第一表面和所述第二表面之间的中点，所述板用于支撑在所述第一表面上的电气部件；

冷却构件，所述冷却构件沿所述板的所述第二表面布设以：

通过从所述第二表面跨过所述板的所述中点到所述第一表面，传输冷却液体到所述电气部件；以及

通过从所述第一表面跨过所述板的所述中点到所述第二表面，从所述电气部件沿路径输送被加热的液体。

2.根据权利要求1所述的系统，包括：

热交换器，所述热交换器安装在所述板的所述第一表面上的所述电气部件上方，所述热交换器包括：

入口，用于从所述冷却构件接收所述冷却液体；以及

出口，用于排出所述被加热的液体到所述冷却构件。

3.根据权利要求1所述的系统，其中通过跨过所述板的所述中点，所述冷却构件穿过所述板以输送所述冷却液体并沿路径输送所述被加热的液体。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一表面和所述第二表面相互平行。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：

所述第二表面和所述冷却构件之间的绝缘体，以用于使保持在所述被加热的液体中的热量的量最大化。

6.根据权利要求1所述的系统，包括：

服务器托盘，在所述板的所述第二表面下方，以用于保持所述板且其中所述冷却构件在所述托盘和所述板的所述第二表面之间。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括：

服务器托盘，以用于保持所述板；

机箱，以用于支撑多个服务器；以及

歧管，所述歧管联接到所述机箱，以用于向多个服务器中的每个沿路径输送所述冷却液体以及从多个服务器中的每个沿路径输送被加热的液体。

8.一种方法，包括：

沿板的下表面布设冷却构件，所述板包括下表面、上表面以及在所述上表面和下表面之间的中点；

安装所述冷却构件，以使冷却构件从所述下表面跨过所述板的所述中点到所述上表面；

将所述冷却构件定位成邻近在所述板的上表面上的电气部件；以及

将所述冷却构件从所述板的所述上表面布设到所述下表面。

9.根据权利要求8所述的方法，包括：

将所述电气部件安装到所述板的所述上表面。

10.根据权利要求8所述的方法，包括：

在所述板的所述上表面上的所述电气部件和所述冷却构件上方安装热交换器。

11.根据权利要求8所述的方法，包括：

在所述板的所述下表面和所述冷却构件之间安装绝缘体。

12.根据权利要求8所述的方法，包括：

将具有所述冷却构件和电气部件的所述板安装到服务器托盘内；

将所述服务器托盘安装到机箱中；以及

安装歧管以向所述机箱沿路径输送冷却液体以及从所述机箱沿路径输送被加热的液体。

13.一种冷却结构，包括：

第一构件，所述第一构件沿板的下表面布设以：

跨过在所述板的下表面和上表面之间的中点；

输送冷却液体到位于所述板的上表面上的电气部件；以及

第二构件，所述第二构件联接到所述第一构件以：

从位于所述板的上表面上的所述电气部件接收被加热的液体；以及

通过从所述上表面跨过所述板的所述中点到所述下表面，沿路径输送所述被加热的液体。

14.根据权利要求13所述的冷却结构，包括：

连接器，所述连接器联接到所述第一构件和所述第二构件以：

提供所述冷却液体到所述第一构件的入口；以及

提供所述被加热的液体从所述第二构件的出口。

15.根据权利要求13所述的冷却结构，其中，为跨过所述板的中点，所述第一构件和所述第二构件穿过所述板。