CN108431723A - 具有冷却电源单元的计算机装置 - Google Patents

Abstract

计算机服务器类型的电子和/或计算机装置(1)，包括：电路板(5)；给电子装置(1)的各个元件提供电力的电源单元(2)，电源单元具有填装有介电流体(6)的液密外壳(20)，其能够从电源单元的各个部件中采集热量，以便将热释放到热交换壁(3)，电源单元是可移除的；具有毛细泵环路的两相传热回路(4)，所述毛细泵环路具有热耦合到电源单元热交换壁的蒸发器(7)以及位置与电源单元隔一定距离并且热耦合到普通集热器(9，9’)的冷凝器(8)，这样，当处于工作位置时，把热交换区(3)压靠在蒸发器(7)上。

Description

具有冷却电源单元的计算机装置

技术领域

本发明涉及到计算机和/或电子装置；具体而言，本发明涉及到数据中心通常使用的不同类型的计算机服务器模块或组件。

背景技术

通过互联网进行数据交换的业务日益增长，这导致了对服务器的计算能力与存储的巨大需求，以满足使用者的需要，尤其是这些服务器通常成组地集中在被称为数据中心的中心内。

由于这些线路板中的处理器密度越来越高，在这些数据中心内形成服务器组件的电子/计算机装置的冷却要求总是在不断提高。

例如，如在专利US7770630中所述，已经提出利用相变传热系统从最大热耗散源的处理器中移除热量。

例如，通过专利US2011132579还已知称为“池内沸腾”的方案，其中，把电路板的所有部件，因此包括最耗散热的部件在内，都浸在介电液体中，所述介电液体形成除热载体。然而，该方案需要大量介电液体，因此需要高成本，而且造成泄漏的多种可能性，由此使得对最耗散热的部件采用局部和特殊处理更为可取。此外，在称为池内沸腾的方案中，系统的冷源必须高于液体水平面。

计算机和/或电子装置由电源单元供电，电源单元负责由电网的交流电压产生稳定电力，也包括很多耗散部件，比如整流二极管和平滑线圈/扼流圈。

密度和计算能力的增加意味着必须给电源单元提供高效冷却，这通常是由风扇(或者自然对流)实施的，这样相应地增加了体积。

此外，电源单元通常是可更换部件，因为采用的技术是根据成本和市场供应状况选择的，所以其中某些部件可能失效。就数据中心的规模来说，可保证与加工部分相当的使用寿命的额外成本是不可接受的。电源单元还有可能由于提供电源的电网上的功率浪涌而损坏。

可见，已知的方案，尤其是以风扇为基础的方案不能准确地满足这一需要。因此需要提供新的方案来确保电源单元高效冷却，同时允许其能够更换并且顺便提高紧凑性。

发明内容

为此目的，本发明提出电子和/或计算机装置，其包括：

-一个或多个电路板，以及在适当的情况下还包括辅助元件，

-装有热交换区的电源单元，它给装置的各个元件提供电源，电源单元具有界定内部空间的液密外壳，所述内部空间填装有介电流体，介电流体能够捕获电源单元各个部件上的热量，从而将其释放到热交换区，电源单元是可移除并且是可更换的，

-具有毛细泵环路的两相传热回路，所述毛细泵环路具有热耦合到电源单元的热交换区的吸收器式热交换器以及位置与电源单元相隔一定距离并且热耦合到普通集热器的释放器式热交换器，其特征在于，当处于工作位置时，把热交换区压靠在吸收器式热交换器上。

因此确保电源单元与两相传热回路之间良好的热接触；因此，可以通过非常有效被动的方式，在与所述单元相隔一定距离处去除由电源单元产生的热量。应理解，吸收器式热交换器采集电源单元上的热量，释放器式热交换器远程地释放这些卡路里。还应注意，按照一种可能性的结构，由蒸发器构成吸收器式热交换器，由冷凝器构成吸收器式热交换器(具有或者不具有局部冷却)。

由于这些设置，可以得到具有可更换的高效冷却电源单元的有利结构。还有，消除了风扇便提高了电源单元的紧凑性；而且，所提出的方案增加了使用寿命及可靠性，因为即使在对于分散系统而言困难的环境(大气不干净、有灰尘)下也消除了堵塞的风险。

在本发明系统的某些实施例中，可采用以下设置中的一项或多项。

根据一个有利的方面，两相传热回路包括一对两个挠性软管，所述挠性软管连接吸收器式热交换器和释放器式热交换器。由于所述软管的柔韧性，吸收器式热交换器可容易地进一步远离电源单元的热交换区，从而在维修或更换操作过程中使之能够自由移动电源单元。

所述一对的两个软管可包括用于蒸汽的软管和用于液体的软管。尤其是，这样利用了吸收器式热交换器中的蒸发现象，由此使之能够高效采集电源单元上的热量。

热交换区通常是由一个或多个热交换壁构成的，所述热交换壁形成液密外壳的部分；只要靠着热交换壁放置吸收器式热交换器便足以采集电源单元发出的热量。

有利地提供一种热界面材料，这有助于热交换壁与吸收器式热交换器之间的热传导。因此可降低接触热阻，并且进一步提高从电源单元到吸收器式热交换器的热传递。

吸收器式热交换器可以是蒸发器，其中，通过热交换区提供的热量使两相工作流体蒸发。相变使之能够采集限定区域中的大量热量。

蒸发器可包含具有毛细泵送功能(毛细芯)的多孔物质，以便针对泵送功能提供局部装置，与在别处使两相流体循环的装置无关。

吸收器式热交换器可位于释放器式热交换器上方，由克服重力的毛细泵送压力提供驱动力。由于毛细芯的性能，所以对抗来自释放器式热交换器(冷凝器)的重力可被动地泵送液相的两相流体。这一特征使得系统及其冷源易于集成到机架上，与热虹吸系统不同，在所述热虹吸系统中，释放器式热交换器必须位于蒸发区域上方。

热交换区在朝向内部空间的一侧上可包括改进的热交换表面，最好其形式是实心壁的突出或延伸部分，例如，换热翅片；这样使得可供介电流体与热交换区之间良好换热的表面面积最大化。

根据一种结构，电子和/或计算机装置的形式是数据/计算中心的服务器板模块，电源单元大体呈平行六面体形，其被容纳在模块外壳的滑动导轨中，热交换区是由至少一个热交换壁构成的。

电源单元可以在工作位置与用于更换和维修的提取位置之间移动。

热交换壁在XY平面中延伸，并且在工作位置附近沿着X的插入运动结束时提供按照Z方向的运动，滑动导轨大体上垂直于Z；因此在电源单元插入运动结束时热交换壁与吸收器式热交换器之间的耦合是自动的。

普通集热器可以是冷却液的共享回路，可由多个相邻的计算机组件有利地共享该回路。

可以通过快速附接螺丝进行直接夹紧式附接以便靠着热交换壁固定吸收器式热交换器。

作为选择，可以在释放器式热交换器与普通集热器之间设置可拆式接口(IF2)。

附图说明

从以下对以非限制性实例的方式参考附图列出的本发明的其中一个实施例的描述中，本发明的其它特征和优点将显而易见。

-图1是具有冷却系统的电子或计算机装置的原理总图，所述冷却系统包括通过池内沸腾模式冷却的并且与两相回路串联的电源单元，

-图2是根据另一个结构的服务器板模块的后部区域的整体透视图，具有可移去的电源单元，

-图3以横截面显示了服务器板模块，

-图4是服务器板模块的另一个整体透视图，

-图5与图1相似，并且阐释了三个变体，

-图6显示了毛细蒸发器的详细截面视图，

-图7与图2相似，但是显示了一个变体，

-图8显示了根据一个变体的电源单元的截面视图，

-图9显示了计算机服务器机架的视图。

在各图中，相同标号指代相同或相似的元件。

具体实施方式

图1按照图示显示了具有可移去的电源单元2的电子或计算机装置1的实例。这种计算机装置的典型实例是响应因特网查询的计算机服务器的机架。

这种类型的电子装置或计算机装置通常包括容纳在插槽中的一个或多个电路板5。这些电路板的设置可以是水平的(图1)或垂直的(图5)。在某些情况下，这些电路板5可以相对地简单，没有防护外壳；在其它情况下，这些电路板可以通过防护外壳以及通过母板和子板的组合而更精致，不排除存在硬盘驱动器或者存储器单元、用于因特网连接的模块等。

关于这些电路板运行所需的电力，通常提供称为电源单元的专用实体，由此提供各种稳定电力来源。在一种结构中，提供由多个电路板共享的电源单元2(图1和图5)。在另一种结构中，在复杂电路板的情况下，电源单元可嵌入在电路板本身之中(图2、图3、图4和图7)。

如引言中所述，由于计算能力的增长，必须冷却电源单元，以便越来越有效，这通常是利用风扇借助于空气对流实现的。风扇方案的缺点是需要使障碍最小，以便具有有效的气流。而且，已知具有扇叶的散热器可以捕捉灰尘，由此随着时间流逝会降低风扇方案的有效性。此外，风扇产生噪音，所述噪音随着时间过去趋于增大，外加必须限制风扇的使用寿命。

有利的是，根据本发明，采用基本是液体的冷却技术来冷却基质21以及电源单元中包含的各种成份22。为此，电源单元2包括界定填装有介电流体6的内部空间EI的液密外壳20。为了避免压力增长过高，提供安全阀和/或旨在削弱壁厚(″爆炸隔膜″)的形式的抗超压装置。这样，可以控制点火时的爆炸风险。最好，将抗超压装置放在液密外壳20上部上，从而防止排放液体。

可以从的Novec^TM生产线选择介电流体6，例如，针对其灭火属性进行选择。

介电流体6在大气压力下的蒸发温度可在范围[45℃-70℃]之内。一旦接触热的成份，便形成蒸气泡61(这个过程通常称为“池内沸腾”)，然后由于阿基米德力的缘故，蒸气泡朝电源单元的顶壁上升；在那里与较冷壁接触，蒸气泡经受冷凝并且作为液滴62或细流落入介电流体6的主体积内。

根据图1中所示的实例，电源单元2呈平行六面体形，其顶面形成热交换壁3。

为了本发明的目的，热交换壁3通常用术语″热交换区″来表示，该区域不一定是扁平的或连续的。

热交换壁3包括在朝向内部空间的一侧上的换热翅片36，所述换热翅片增加了介电流体的汽相与热交换壁之间的有效换热表面积。

不采用所示的翅片，应注意到，可以选择任何类型的改进的换热表面作为增加介电流体的蒸汽与热交换壁之间的有效换热表面积的方案。有利的是，翅片的结构使之能够有效排出冷凝液膜

此外，提供具有毛细泵环路的两相传热回路4，将其配置为在电源单元去除热量，并且在远处将其释放，通过两相流体14进行如此操作。

更具体而言，两相传热回路4包括热耦合到电源单元热交换区3的吸收器式热交换器7以及释放器式热交换器8，所述释放器式热交换器的位置与电源单元相隔一定距离，并且热耦合到普通集热器9。

此外，通过软管(或管子)使吸收器式热交换器7和释放器式热交换器8相互连接，第一个软管(标为47)承载从吸收器式热交换器7到释放器式热交换器8的工作流体，另一个软管(标为48)承载从释放器式热交换器8到吸收器式热交换器7的工作流体。

根据图1的实例，由蒸发器构成吸收器式热交换器7，由冷凝器(具有或者不具有局部冷却)构成吸收器式热交换器8，在这种情况下，第一个软管主要承载蒸气14V，第二个软管主要承载液体14L。

有利的是，这两个软管47，48是柔韧性的，它们由此使之能够机械地移动吸收器式热交换器7，尤其是为了移除电源单元，正如本文件引言中所述。

处于正常工作配置(操作使用)时，在第一个确认的界面IFI的位置，把热交换区3压靠在吸收器式热交换器7上。处于图1所示的“扁平”结构时，吸收器式热交换器7的下表面与热交换区3的顶面配合，选择性地插入3热界面材料31，所述热界面材料有助于热交换壁3与吸收器式热交换器7之间的热传导。热界面材料31是油脂或石墨化合物。

释放器式热交换器8的作用是把热量从两相工作流体14带向另一种传热流体，在此为水基的冷却液9。

根据图2所示的另一个结构，电子装置1是由防护外壳10界定的服务器板模块。通常把电源单元2封装在外壳10中，但是在这里显示处于提取位置，用于维修和/或更换。

具体而言，如下文可见，电源单元可以在工作位置与提取位置之间移动。

热交换壁3在XY平面中延伸。Z方向对应于服务器板模块的主要法向矢量。

在电源单元的工作位置，吸收器式热交换器7位于所述热交换壁上方。

在所阐释的实例中，把释放器式热交换器8压靠在模块外壳10的其中一个面上(图 2)。在该结构中，是整个外壳10用作散热元件，而且在本发明意义之内，所述整个外壳构成普通集热器。

图3阐释了众多其它方案之中的两种可能性方案，用于热耦合吸收器式热交换器7与电源单元的热交换壁。

根据第一个方案，插入电源单元的动作是直线运动的并且与X轴平行，将吸收器式热交换器安装成留有沿着Z轴的平移自由度。此外，还设置摇杆60，所述摇杆安装成使其围绕轴YI旋转。当电源单元底部接近行程末端位置时，所述摇杆压在弹簧63上，所述弹簧反过来推动按顺时针旋转的摇杆的第一个杠杆臂64；摇杆的第二个杠杆臂65把吸收器式热交换器7推向热交换壁3。当移除电源单元时，复位弹簧66推动吸收器式热交换器7离开耦合位置。

根据第二个方案，引导电源单元的滑动导轨68不是直线的，而是在行程末端处向上弯曲，留有斜坡区域69。在这种情况下，可以把吸收器式热交换器安装在或多或少固定的位置。在行程末端附近，电源单元沿着Z接近吸收器式热交换器，直到接触，实际放置在行程末端。

电气连接联轴器(图中未显示)于是使电源单元2能够向服务器模块1的其它实体提供稳定电力。

图4阐释了服务器板模块的另一个结构，其中，两相传热回路4采集电路板上存在的多个耗散部件上的热量，尤其是主处理器(CPU或GPU)50。蒸发器51热耦合到每个处理器，所述蒸发器51连接到主热收集电路40。主热收集电路40的形式是闭环，例如是环形的，有被动循环的工作流体(没有移动的机械件或者消耗外部能量)，或者处于两相形式(液相+汽相)或者处于主要为液体的形式。根据一种可能性结构，可以通过在位于主处理器上的每个蒸发器的出口处的蒸气释放现象，在主要收集回路内调动工作流体；在这种情况下，吸收器式热交换器7中存在毛细芯并不是绝对必要的。

这个主热收集电路40还给吸收器式热交换器7提供工作流体。

应注意，比如存储器模块16这样的某些辅助装置通过热桥15连接到主要收集电路40。

使用电气连接联轴器11把电路板连接到底架(′底板′连接)。

关于吸收器式热交换器7有多种可能性。根据第一种可能性，是没有毛细介质的蒸发器，通过如上所述的CPU蒸发器51中存在的毛细芯来保证循环。

根据第二种可能性，还可以是带有如图6所示的毛细介质的蒸发器，在这种情况下，有局部泵送装置。

根据第三种可能性，可以是利用大体为液态的工作流体的冷却散热器式热交换器，流体通过蒸发主要用于冷却CPU，也用于冷却辅助装置，比如电源单元、存储卡等。

图5阐释了具有垂直设置的电路板5的结构，普通集热器9′是由具有风扇脉冲空气的热交换器90构成的。

图5中可见的另一个变体阐释了电源单元2与释放器式热交换器8的不同的相对位置。在这种情况下，吸收器式热交换器7是毛细蒸发器，毛细芯提供被动的泵送压力来克服重力。

还应注意，电源单元的热交换壁位于侧面上，而不是顶部上。

这阐释了在计算机装置中安装各种部件的非常高的灵活性。

在图6中，毛细芯71与热板70接触。所述热板具有齿72，所述齿界定把蒸气带走的凹槽73。

提供快速附接螺丝76，以便把蒸发器78的结构固定到蒸发器电源单元的热交换壁3。

图7阐释了与已在图3中所示结构相似的结构，其中，两相传热回路把与电源单元接触的吸收器式热交换器7与在相反面上的释放器式热交换器8相连，例如，所述释放器式热交换器在电气连接联轴器11旁。

在此应注意，软管47，48的长度不是强制性的，因为其路径不一定是直的，可形成迂回。有利的是，因此，在放置电源单元以及用于冷却所述电源单元的冷源时，有很大自由度。

在上文所示实例中，应注意，介电流体6，通常为的Novec^TM，填充电源单元2的内腔，而其余服务器板则未浸入介电流体中。考虑到介电流体的高成本，这样使之能够降低服务器所需的数量。例如，关于2U标准的服务器板模块，电源单元中使用的介电流体的体积应小于3公升，关于1U标准的服务器板模块，电源单元中使用的介电流体的体积应小于1公升。因此，与浸入几乎整个服务器板的方案相比，这是有利的。

图8阐释了关于使用没有相变的介电流体6的变体，例如，介电油。因为油的粘度高，所以自然对流通常不是充分有效的。在这种情况下，通过使流体运动的装置，比如推进器24，提供强制对流。在这种情况下，针对电源单元的内部，系统失去其完全被动的特性。

图9阐释了服务器模块机架55的垂直设置的结构，有两排，一排在另一排上方。较低部分是维护单元，比如电源单元2以及用于连接到因特网的联轴器。

注意，在图1中，提供标为IF2的接口，借助所述接口可以解耦释放器式热交换器8和普通集热器9。

在各图中未显示的变体中，利用这第二个接口IF2，并且提供宏电源模块，所述宏电源模块不仅包含上文所述的电源单元2，还包括具有其软管(选择性地为柔性管)的其自身(″私有的″)两相传热回路以及释放器式热交换器。在这种情况下，吸收器式热交换器7不可拆卸地安装在电源单元的热交换壁3上。

除数据中心服务器板外，当然还可以把上文提出的方案应用到打算经受特别恶劣环境的坚固PC。

Claims (12)

1.电子和/或计算机装置(1)包括：

-一个或多个电路板(5)，以及在适当的情况下还包括辅助元件，

-装备有热交换区(3)的电源单元(2)，它给电子装置(1)的各个元件提供电源，电源单元具有界定内部空间(EI)的液密外壳(20)，所述内部空间填装有能够从电源单元各个部件上收集热量的介电流体(6)，从而将热量释放到热交换区(3)，电源单元是可移除并且是可更换的，

-具有毛细泵环路的两相传热回路(4)，所述毛细泵环路具有吸收器式热交换器(7)和释放器式热交换器(8)，所述吸收器式热交换器(7)热耦合到电源单元的热交换区，所述释放器式热交换器(8)位置与电源单元相隔一定距离并且热耦合到普通集热器(9，9′)，其特征在于，当处于工作位置时，把热交换区(3)压靠在所述吸收器式热交换器(7)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两相传热回路(4)包括一对两个挠性软管(47，48)，所述挠性软管连接所述吸收器式热交换器(7)和所述释放器式热交换器(8)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，一对两个软管包括用于蒸气的软管(47)和用于液体的软管(48)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，热交换区是由一个或多个热交换壁构成的，所述热交换壁形成液密外壳(20)的部分。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，提供有助于热交换壁(3)与吸收器式热交换器(7)之间热传导的热界面材料(31)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，吸收器式热交换器是蒸发器，在所述蒸发器中，通过热交换区(3)提供的热量使两相工作流体蒸发。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，蒸发器(7)包括提供毛细泵送功能的多孔物质(71)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，蒸发器(7)位于释放器式热交换器(8)上方，由克服重力的毛细泵送压力提供驱动力。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，热交换区(3)在朝向内部空间的一侧上包括改进的热交换表面，更好地，其形式是翅片型热交换凸出部分(36)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电子和/或计算机装置，其形式是数据/计算中心的服务器板模块，电源单元大体呈平行六面体形，容纳在模块外壳(10)内的滑动导轨中，热交换区是由至少一个热交换壁(3)构成的。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，热交换壁(3)在XY平面中延伸，并且在工作位置附近沿着X的运动行程结束时提供按照Z方向的运动，滑动导轨大体上垂直于Z。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，可拆式接口(IF2)设置在释放器式热交换器(8)与普通集热器(9)之间。