CN111107732B - 使服务器机柜维持于预定温度范围内的方法及其冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种使服务器机柜维持于预定温度范围内的方法及其冷却系统，其中该方法包含通过传导性与对流性热转移以自服务器机柜移除热。热接触结构放置于服务器机柜与散热器之间。散热器可为一体的形式，壳体包含辐射器于一壁上，且位于相对的壁上的风扇排通过辐射器吸入气体冷却剂。气体冷却剂接触散热器且一部分气体冷却剂导向服务器机柜。冷却液通过冷却机供应给辐射器，冷却机可相邻于散热器或位于远离散热器的位置。

Description

使服务器机柜维持于预定温度范围内的方法及其冷却系统
技术领域
本发明涉及一种合并液冷系统与室外冷却机组的系统。具体而言，液冷系统运用热置换设备以减缓服务器机柜系统生成的热导致的温度上升。同时，冷却机组维持服务器机柜系统周围的温度以降低服务器机柜系统的总能量消耗。
背景技术
典型的服务器机柜系统装配以容纳多个服务器与其他多个零件。操作时每一个零件都会产生热。这些服务器与其他零件产生的热结合使服务器机柜中的零件整体温度、服务器机柜的温度及服务器机柜周围环境的温度上升。此温度上升导致个别服务器与其包含的零件的效率降低。
一种降低服务器机柜系统的温度的传统方式包含运用热置换设备。热置换设备可通过热传导提供冷却，由此将热从较高温的散热器转移至较低温的散热器。此热转移是通过与中间的热接触结构接触加以达成。然而，散热器可能最终达成与服务器机柜平衡的温度，如此一来单独通过传导达成的热转移会降低或削弱。此外，传导随着散热器的温度而变。从而当温度改变时，散热器的冷却效率同样会改变。
另一种降低服务器机柜系统的温度的传统方式包含运用对流冷却系统。在对流冷却系统中，冷却流体(通常是空气)以风扇横越热源。然而，由于服务器机柜周围环境多变，对流冷却可能无法可靠地维持服务器机柜内的期望温度。而且，漩涡气流可再度引入升温后的空气覆盖热源。
两种方式普遍都不是使服务器机柜系统或其中任意零件维持于期望温度的可靠手段。从而，遗留一个一直以来未解决的问题，此问题为使服务器机柜的温度维持于指定温度范围内以提升多个服务器与包含于其中的多个电子零件的操作效率，同时降低整体服务器机柜系统的总能量消耗。
发明内容
因此本发明的目的之一是提供混合冷却系统，混合冷却系统不但结合热置换的功能性使热传导性转移于散热器与服务器机柜之间，而且使用冷却机组以对流方式冷却服务器机柜及其零件。冷却机组可定位于相邻散热器的位置，或可定位于远离散热器的位置，以室外冷却机组的形式以免增加散热器附近的热环境。本发明从而不但有关于结合的热置换以使热传导性转移于散热器与服务器机柜之间，而且有关于使用冷却机组以对流方式自服务器机柜及其零件移除热。
本发明的另一目的是提供一热接触结构或热置换接触设备，以使热自服务器机柜转移至热置换接触设备的散热器。
本发明的又一目的是提供一包含热转移装置的液冷系统，热转移装置包含辐射器(radiator)形式的热交换器。冷却机或冷却机组提供的冷却液流过辐射器以使辐射器内维持恒定、指定温度。一系列风扇通过辐射器吸入气体冷却剂以使热自辐射器中的液体冷却剂转移至气体冷却剂。或可选择使一部分气体冷却剂导向服务器机柜以使气体冷却剂冷却散热器。
本发明的另外的目的是提供一室外冷却机组，还包含一冷却机组的辐射器，以消耗来自冷却机组的额外的热。使冷却机组定位于远离散热器的位置，例如定位于服务器机柜/散热器数据中心的外部或室外不会增加服务器机柜/散热器系统附近的周围温度，因此有助于进一步自服务器机柜移除热。
为达上述目的，本发明提供一种服务器机柜与热转移装置的组合设备，该服务器机柜包含多个服务器于其中，该组合设备包含：该服务器机柜；散热器，该散热器为一壳体的形式；热接触结构，用以于热接触下放置该服务器机柜与该散热器；及冷却机，该冷却机提供冷却液源以冷却该服务器机柜。
本发明还提供一种用于服务器机柜中的多个服务器的冷却系统，其包含：热接触结构，用以放置该服务器机柜，使该服务器机柜与散热器热接触；冷却机，装配以提供冷却液源，其中该冷却机包含致冷气体(refrigerant gas)；辐射器，可操作地连接至该冷却机提供的该冷却液；及至少一风扇排，用以通过该辐射器吸入空气以使空气冷却；其中冷却后的空气使该服务器机柜中的多个服务器冷却。
本发明又提供一种使服务器机柜中的系列服务器的操作温度维持于预定温度范围内的方法，包含：
通过该服务器机柜与散热器传导性热接触以自该服务器机柜移除热；
通过使气体冷却剂(coolant gas)接触包含冷却液的辐射器以自该服务器机柜移除热；
使该辐射器安装于该散热器上，且通过具有风扇排的该辐射器吸入该气体冷却剂；及
使一部分该气体冷却剂导向该服务器机柜中的该些服务器；
其中该辐射器的该冷却液是由一冷却机所供应。
这些目的与更多目的以及技术方案将以附图与实施例的实施方式详加描述。
附图说明
为了更佳地理解本发明、本发明的优点及图示，以下将配合附图描述实施例。这些图示仅用以描述实施例，而非作为多种实施例或权利要求的范围局限。
图1为具有一外部冷却机组的液冷系统与服务器机柜的组合的等角视图(部分遮蔽)；
图2为图1的分解图以说明个别零件；
图3A为图1的侧视图以说明第一实施例中的个别零件；
图3B为图1的侧视图以说明第二实施例中的个别零件。
符号说明
10：混合系统
11：服务器机柜
12：服务器
13：第一热接触结构
14：第二热接触结构
15：风扇排
16：热交换器
18：热交换器辐射器
19：冷却机组
20：风扇
21：第二风扇排
22：冷却机组辐射器
23：导管
24：泵
30：冷板
31：热管
具体实施方式
本发明已搭配附图加以说明，图示中相同的元件符号代表相似或相同元件。图示并非用以局限本发明，而仅提供以描述本发明。为了描述本发明，以下配合实施例的应用以描述本发明的多个方面。应理解的是，阐述许多特定细节、关系与方法是为了提供本发明的全面理解。本技术领域的技术人员将了解附图无法呈现所有元件。然而，本发明相关技术领域中具通常知识者将能轻易理解本发明不需一或更多特定细节或其他方法即可据以实施。在其他情况下，已知的结构或操作不再详细说明以避免使本发明不明确。本发明并不局限于示例的动作或事件顺序，某些动作可能以不同的次序发生，且/或与其他动作或事件同时发生。此外，并非所有描述的动作或事件都必须与本发明一致。
本发明提供混合系统用以自数据中心内的多个服务器移除热，并提升能源效率。混合系统包含与服务器热置换式接触的散热器和通过对流方式从服务器及其零件移除热的冷却系统。冷却系统可提供液体冷却剂，此液体冷却剂通过包含室外冷却机系统的热交换器系统。通过这种方式，混合系统体现了散热器与室外冷却机组的效率。具体而言，所揭露的混合系统能有效率地把热从服务器抽走，且使热释放于数据中心的外部。
图1绘示依据本发明的一实施例的合并传导与对流系统的混合系统10。图2绘示图1的混合系统10的分解图以说明混合系统10被视角遮蔽的部分。图1和图2中相同的元件符号代表相同元件。混合系统10包含服务器机柜11。在一些实施例中，服务器机柜11可容纳多个服务器12与其他产热电子设备。元件符号、服务器的配置与类型、以及服务器机柜本身仅用于描述本发明，预期此处描述的冷却系统可用于结合现有及未来的服务器机柜装置。在实际使用上，服务器机柜11只是包含于数据中心内的许多服务器中的一个。将被减少的热负荷(heat load)随数据中心内的服务器数量、配置与环境有所不同。从而，仰赖周围温度以提供多个服务器必要的冷却，以使服务器维持于指定的操作温度范围内是不可靠的。有鉴于此，根据本发明的组合提供数种冷却途径，以使服务器维持于指定温度范围内。
混合系统10也可包含第一热接触结构13与第二热接触结构14。第一热接触结构13与第二热接触结构14可接触多个服务器12。在一些实施例中，第一热接触结构13与第二热接触结构14可以金属制成且可直接接触电子零件的热表面。在其他实施例中，薄的导热介面材料(thermal interface material)作用于两个表面之间。
多个服务器12可包含多个微处理器(microprocessors)与多个功率控制半导体(power handling semiconductors)如同电子工业的实例。混合系统10也可包含与服务器机柜11热接触的热交换器16。第一热接触结构13与第二热接触结构14可装配以通过传导使热自多个服务器12与服务器机柜11转移至热交换器16(即热置换系统)。此处用词「热置换系统」意指不需要或不使用任何外部能源以引起零件之间的热转移的热转移系统。
热交换器16可包含具有一或更多个平坦表面的金属结构以确保热交换器16与将被冷却的服务器机柜11良好的热接触。热交换器16也可包含梳状(comb)或类似鳍(fin-like)的凸出物以增加与空气的表面接触，且从而增加散热速度。混合系统10也可包含一风扇排15装配以通过热交换器16吸入冷却空气。通过这种方式，热交换器16可用以和风扇排15一起增加热交换器16上的气流速度。此方式通过比对流更快的方式取代暖空气以维持较大的温度梯度(temperature gradient)。
请随即参照图3A，第一热接触结构13与第二热接触结构14可为服务器机柜11的一部分。第一热接触结构13与第二热接触结构14可包含泵(pump)24装配以使水循环至热交换器辐射器18。热交换器辐射器18可装配为热转移装置以使流经热交换器辐射器18的水温降低。风扇排15可通过热交换器辐射器18吸入空气，如此一来当下已冷却的水导向邻接于多个服务器12的冷板(cold plate)。
热交换器辐射器18可位于热交换器16内。尽管图3A标示第一热接触结构13与第二热接触结构14包含泵24，应理解的是泵24可位于相邻第一热接触结构13与第二热接触结构14的位置。在其他可选的实施例中，第一热接触结构13可具有相联泵(associated pump)，且第二热接触结构14可具有一第二泵装配以将水输送至热交换器辐射器18。泵24装配以将冷水从热交换器辐射器18抽至第一热接触结构13与第二热接触结构14。
如上述对示例的实施例的详细说明，第一热接触结构13与第二热接触结构14都可当冷板使用。在一些可选的实施例中，第一热接触结构13与第二热接触结构14可接触冷板30。如图3B所示。
在图3B中，泵24装配以将冷水从热交换器辐射器18抽至冷板30，冷板30接触第一热接触结构13与第二热接触结构14。
在图3A和图3B示例的实施例中，第一热接触结构13与第二热接触结构14经由热管(heat pipe)31热接触多个服务器12。多个服务器12和第一热接触结构13与第二热接触结构14之间经由热管31的热接触可引起多个服务器12和第一热接触结构13与第二热接触结构14之间的热置换。就图3A而言，这些零件之间的此种热置换可使循环通过第一热接触结构13与第二热接触结构14的水的温度增加，同时多个服务器12的表面区域的温度降低。就图3B而言，多个服务器12和第一热接触结构13与第二热接触结构14之间的热置换可使循环通过冷板30的水的温度增加，同时数个服务器12的表面区域的温度降低。
泵24装配以使温度上升的水循环至热交换器辐射器18，风扇排15于此处经由对流使水温降低。在图3A中，水通过风扇对流而冷却后，循环回到第一热接触结构13与第二热接触结构14中并重复循环。或者，在图3B中，水通过风扇对流而冷却后，循环回到冷板30中并重复循环。
风扇排15可位于热交换器16内。在一些实施例中，热交换器16可为用于风扇排15、热交换器辐射器18与冷却机组19的壳体。冷却机组19将于下文更详细说明。
混合系统10也可包含冷却机组19。冷却机组19可表现出类似致冷机组(refrigeration unit)的功能。在冷却机组19中，致冷气体(refrigerant gas)被压缩且随后膨胀，从而降低其温度。冷却机组19可连接至位于服务器机柜11内的冷却机组辐射器22。当冷却剂膨胀时，冷却剂从冷却机组19送出，流经冷却机组辐射器22，第二风扇排21可于此处将冷空气自辐射器推往服务器机柜11。第二风扇排21可装配以和冷却机组19结合运作以通过对流方式自服务器机柜11及其零件移除热。通过这种方式，冷却机组19装配以使包含其中的服务器机柜11与多个服务器12维持一致的指定温度范围，以维持多个服务器的效率。冷却机组19也可合并风扇20。合并风扇20以排出冷却机组19内由于压缩冷却剂而产生的热。
在一些实施例中，冷却机组19提供一恒定的冷却液体(chilled liquid)流(未绘示)至冷却机组辐射器22。提供给冷却机组辐射器22的恒定的冷却液体流可通过恒温控制器(thermostatic controls)简易调节，取决于服务器机柜11中的多个服务器12施加的冷却要求。恒温控制器可在冷却机组辐射器22内以感应其中的液体冷却剂的温度。在一些实施例中，恒温控制器也可在热交换器辐射器18内。
此外，因为冷却机组19可提供恒定的冷却液体供应至冷却机组辐射器22，对多个服务器12而言，此为比来自第二风扇排21的冷却空气更加可靠的来源。另外，提供给冷却机组辐射器22的冷却液体的热传递系数(heat transfer coefficient)为可选择的，以使冷却液体比周围空气更有效率的转移热。在一些实施例中.冷却机组19可利用致冷气体系统(refrigerant gas system)以降低供应至冷却机组辐射器22的流体温度。
此处提供的图3A和图3B绘示图1的侧视图与混合系统10被视角遮蔽的部分。图3A和图3B也示例所有包含在服务器机柜11与热交换器16内的元件详细图。虽然冷却机组19绘示为在热交换器16内，应特别理解的是，这类图示仅为示例说明一实施例。冷却机组19可位于相邻或远离热交换器16的位置，例如以数据中心的外墙分离热交换器16与冷却机组19。在这样的实施例中，多个导管可从冷却机组19至冷却机组辐射器22布置冷却流体源。连接冷却机组19与冷却机组辐射器22的多个导管23可将冷却流体自冷却机组19运送至冷却机组辐射器22，且重复循环。在一些实施方式中，这些导管23可为隔热的，以避免冷却流体被数据中心的周围空气加热或避免将热释放至数据中心的周围空气。
多个服务器12可容纳任意数量与类型的产热电子装置。这些电子装置的实例包含在其他电子零件中的中央处理器(central processing units,CPUs)、图形处理器(graphics processing units,GPUs)与快捷外设互联标准(peripheral componentinterconnect express,PCIe或PCI-E)卡。为了使用效能，所有这些零件具有温度范围规范。一旦超出温度范围，零件的效能降低。从而，为了有效率的使用服务器12，维持指定温度范围的需求是必要的。
此处使用的术语仅为了描述特定实施例且并非作为本发明的局限。如同此处使用的单数形式「一」与「该」也包含多个的形式的可能，除非内文有明确界定。此外，用于实施方式及/权利要求的词语「包括」、「具有」、「有」或其变化形为一定程度上相似于词语「包含」。
除非有其他定义，此处使用的所有词语(包含技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域中具有通常知识者普遍理解的相同含意。此外，词语，例如那些普遍使用的字典所定义的词语，应解读为具备与其在相关技术内容中的含意一致的含意，且将不会解读为理想化或过度表面的意义，除非此处明确定义。

Claims (9)

1.一种服务器机柜与热转移装置的组合设备，其特征在于，该服务器机柜包含多个服务器于其中，该组合设备包含：
该服务器机柜；
热交换器，为一壳体的形式，该热交换器与该服务器机柜热接触；
热接触结构，为该服务器机柜的一部分，用以使来自该服务器机柜的热传导转移至该热交换器，该热接触结构当做冷板使用，该热接触结构包括泵；以及
热交换器辐射器，位于热交换器的壳体内，该泵装配成将冷水从该热交换器辐射器抽至该冷板。
2.如权利要求1所述的组合设备，其中该服务器机柜还包含：
冷却机组，提供冷却液源以冷却该服务器机柜；
辐射器(radiator)，位于该服务器机柜内，可操作地连接至来自该冷却机组的该冷却液；以及
一组冷却风扇，该组冷却风扇通过该辐射器吸入空气以冷却该些服务器与该服务器机柜。
3.一种用于服务器机柜中的多个服务器的冷却系统，其特征在于，包含：
热接触结构，用以使来自该服务器机柜的热传导转移至热交换器，该热交换器为一壳体的形式，该热接触结构当做冷板使用，该热接触结构包括泵；
冷却机组，该冷却机组装配以提供冷却液源，其中该冷却机组包含致冷气体(refrigerant gas)；
辐射器，位于该服务器机柜内，可操作地连接至该冷却机组提供的该冷却液；
至少一风扇排，用以通过该辐射器吸入空气以使空气冷却；及
热交换器辐射器，位于热交换器的壳体内，该泵装配成将冷水从该热交换器辐射器抽至该冷板，
其中冷却后的空气使该服务器机柜中的多个服务器冷却。
4.如权利要求3所述的冷却系统，其中该至少一风扇排使一部分通过该辐射器吸入的空气导向该服务器机柜。
5.如权利要求3所述的冷却系统，其中该冷却机组位于远离该热交换器的位置。
6.一种使服务器机柜中的系列服务器的操作温度维持于预定温度范围内的方法，包含：
该服务器机柜与热交换器通过热接触结构的传导性热接触以将来自该服务器机柜的热传导转移至热交换器，该热交换器为一壳体的形式，该热接触结构作为该服务器机柜的一部分，且当做冷板使用，该热接触结构包括泵；
通过使气体冷却剂(coolant gas)接触包含冷却液的辐射器以自该服务器机柜移除热；
使该辐射器安装于该服务器机柜内，且通过具有风扇排的该辐射器吸入该气体冷却剂；及
热交换器辐射器，位于热交换器的壳体内，该泵装配成将冷水从该热交换器辐射器抽至该冷板
使一部分该气体冷却剂导向该服务器机柜中的该些服务器；
其中该辐射器的该冷却液是由一冷却机组所供应。
7.如权利要求6所述的方法，还包含通过压缩该冷却机组内的致冷气体(refrigerantgas)以提供该冷却液，且通过使该冷却液间接接触该致冷气体以自该冷却液转移热，该间接接触步骤是进行于热交换器中。
8.如权利要求6所述的方法，还包含通过对流过程自该服务器机柜移除热的步骤，以及监控该服务器机柜的温度，且控制该些自该服务器机柜移除热的步骤，以使该服务器机柜维持于预定温度范围内。
9.如权利要求6所述的方法，还包含使该冷却机组定位于远离该热交换器的位置。
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