CN112650373A - 一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其中液冷散热装置可快速带走大功耗器件的热量，大幅提升服务器散热效率；半导体制冷除湿装置对异构液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿、降温，防止异构液冷服务器内部湿空气冷凝成液滴危害电气安全，同时通过导流风机带动内部空气循环，完成对发热量较小部件风冷散热，适用于冷却介质温度低于环境温度或湿热环境的密封结构的机架式异构液冷服务器。本发明能解决现有异构服务器散热效率低、PUE值高、噪音高、占用空间大、结构复杂、可靠性低等问题，满足搭载高性能CPU、GPU插件或噪声指标要求较高异构服务器散热需求，扩大异构液冷服务器的应用范围，并具有体积紧凑、环境适应性强等特点。
Description
技术领域
本发明属于机架式服务器散热领域，特别涉及一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器。
背景技术
随着大数据、云计算及人工智能的兴起，数据中心及服务器的计算需求越来越高，而以CPU芯片为主的计算架构也越来越难以满足大数据的分析处理和人工智能的模型训练，以GPU、FPGA等为代表的异构计算服务器发展潜力巨大，但功率密度也不断升高，单块芯片可达300W甚至500W以上。
传统的数据中心一般采用精密空调冷却技术，通过冷风与服务器芯片的散热器换热，由于空气本身的换热特性差，换热系数低，已经无法满足数据中心新型高密度异构计算服务器的散热需求；制冷机组能耗占数据中心能耗的比例在40％左右，能源成本的不断攀升以及人们对绿色环保的重视，在保证设备安全、高性能运行的前提下，如何提高数据中心的能源利用效率，降低PUE，已成为数据中心基础设施追求的目标之一。液体技术可以实现更高的换热效率，随着液冷散热技术的不断发展，异构液冷服务器应用范围不断扩大。
现有异构液冷服务器多采用浸没式液冷方案，通过将服务器主板及其它器件直接浸没在绝缘液体内进行换热，单相浸没冷却由于其换热采用对流方式，存在流场不均、换热效率低等问题，维护时完全干燥需要较长时间，影响服务器维护效率；两相浸没液冷却系统高效均匀，但一般体积大，价格较高，维护冷却液蒸发耗散结构复杂，环境适应性低，使得两相浸没异构液冷服务器无法规模化应用，限制了液冷式异构液冷服务器应用领域。
冷板式异构液冷服务器方案结构简单，维护方便，但在潮湿、高温的夏季尤其是沿海地区，内部液冷板、金属结构件表面可能出现凝露现象，为减小凝露风险一般采用高于环境温度一定温度的冷却介质或开放式结构，限制了异构液冷服务器性能进一步提高和应用领域；凝露对于服务器危害性很大，容易造成电气短路，从而影响异构液冷服务器正常运行，甚至引起事故发生，导致冷板式异构液冷服务器可靠性、安全性降低，限制了液冷式异构液冷服务器进一步推广。
传统加热型除湿器的原理是温度较高时，湿空气中能容纳较多水分，加热空气就能使可能凝成露珠水分保留在空气中，而不在设备表面凝露，但是湿气还在服务器内，当遇到温差较大时，湿空气中的水分就会在设备表面结露，仍然会对设备正常运行造成影响；加热方式除湿影响服务器内其它器件的可靠性和性能提高。
由此可见，虽然异构液冷服务器应用范围不断扩大，但现有的异构液冷服务器仍存在结构复杂、不便维护、安全性低、环境适应性差等缺陷而亟待进一步改进。因此，本领域的技术人员一直致力于开发新型的异构液冷服务器，提高异构液冷服务器的散热能力和环境适应性，扩大异构液冷服务器应用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器，所述异构液冷服务器包括形成密闭腔的服务器机箱，以及设置于机箱内的主板模块、电源插件、PCIE插件、GPU插件、内存条、阵列磁盘、半导体制冷除湿装置、以及液冷散热装置；所述液冷散热装置用于对主板模块的CPU、GPU插件进行散热，所述半导体制冷除湿装置用于对异构液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿并对电源插件、PCIE插件、阵列磁盘、内存条进行风冷散热。
进一步地，所述液冷散热装置包括进液口流体连接器、分集流器、GPU液冷板、液流管路、CPU液冷板、TCM液冷板和回液口流体连接器，为串、并联混合结构，冷却介质在外部液冷源驱动下通过进液口流体连接器进入液冷散热装置液流通路，经分集流器分流后通过液流管路与GPU液冷板、CPU液冷板、TCM液冷板流道壁面强制对流换热，吸收热量温度升高后的冷却介质经分集流器汇流后通过回液口流体连接器回流至外部液冷源循环使用。
进一步地，所述CPU液冷板的液流通道与TCM液冷板的液流通道串联，GPU液冷板的液流通道与CPU液冷板、TCM液冷板的液流通道并联。
进一步地，所述半导体制冷除湿装置包括TCM控制器模块、集水器、导流板、多个导流风机，以及依次层叠的半导体制冷片、散热器、导流罩；所述半导体制冷片的热端连接于TCM液冷板，冷端连接于所述散热器，集水器设置于所述散热器的下方，用于集聚冷凝水并排出异构液冷服务器机箱；异构液冷服务器密闭腔内湿空气在导流板、导流风机、导流罩导引下进入半导体制冷除湿装置，在散热器表面降温、冷凝除湿后循环进入异构液冷服务器，在导流风机和导流板的共同作用下形成环流对PCIE插件、内存条、阵列磁盘、电源插件进行风冷散热；所述TCM控制器模块用于检测异构液冷服务器腔内空气温湿度和/或散热器、PCIE插件、内存条、阵列磁盘、电源插件的实时温度，计算当前工况理想露点温度阈值，通过该阈值判断异构液冷服务器工况，然后在线调整半导体制冷片制冷温度、工况。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明提出的异构液冷服务器为密封结构，液流管路为串、并联混合结构，设有多个液冷板，可解决现有风冷散热服务器散热效率低、能耗高、噪音高、占用空间大和现有异构液冷服务器结构复杂、可靠性低等问题，可满足搭载多路高功耗GPU插件的异构服务器散热需求，还可以适用冷却介质温度低于环境温度或高湿热环境的密闭液冷服务器的热控制；
2)本发明提出的半导体除湿装置，利用半导体除湿装置降低异构液冷服务器密闭腔内湿空气相对湿度和温度，避免湿空气在液冷板、金属托架等位置冷凝成液滴危害异构液冷服务器电气安全，并对电源模块、PCIE插件、阵列磁盘内存条等发热量较小部件进行散热，满足冷却液与环境温度温差较大或冷却液温度变化较大时异构液冷服务器电气安全性要求；
3)PCIE插件、GPU插件通过柔性线缆与主板模块连接，且卧式安装，减少了空间需求，提高环境适应性；
4)液冷板均采用浮动安装，可减少发热器件至液冷板等的传导热阻，大幅提升换热效率，满足异构液冷服务器高性能CPU、GPU插件散热要求；
5)流体连接器为卡口结构自卸压式自锁流体连接器，提高异构液冷服务器的维修性和环境适应性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中带半导体除湿装置的异构液冷服务器组成示意图。
图2为一个实施例中液冷散热装置组成示意图。
图3为一个实施例中GPU液冷板示意图。
图4为一个实施例中半导体制冷除湿装置组成示意图。
图5为一个实施例中异构液冷服务器初始化步骤流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器，所述异构液冷服务器包括形成密闭腔的服务器机箱1，以及设置于机箱内的主板模块3、电源插件10、PCIE插件11、GPU插件12、内存条5、阵列磁盘9、半导体制冷除湿装置2、以及液冷散热装置4；所述液冷散热装置4用于对主板模块3的CPU、GPU插件12等高功耗器件进行散热，所述半导体制冷除湿装置2用于对异构液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿并对电源插件10、PCIE插件11、阵列磁盘9、内存条5等发热量较小部件进行风冷散热。
本发明能解决现有风冷异构服务器散热效率低、PUE值高、噪音高、占用空间大和现有异构液冷服务器结构复杂、可靠性低等问题，满足搭载高性能CPU、GPU插件或噪声指标要求较高异构服务器散热需求，扩大异构液冷服务器的应用范围，并具有体积紧凑、环境适应性强等特点。
进一步地，在其中一个实施例中，所述服务器机箱1包括形成密闭腔的前面板8、框架14、转接板15和上盖板，其中转接板15作为后面板。
这里优选地，上盖板均采用高强度的6061铝合金，导电氧化处理后外表面涂镀油漆，接触面均采用导电橡胶条密封，可有效实现防水、防潮、防尘和电磁屏蔽，可实现湿热环境中长时间可靠工作。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述液冷散热装置4包括进液口流体连接器16、分集流器17、GPU液冷板18、液流管路19、CPU液冷板20、TCM液冷板21和回液口流体连接器22，为串、并联混合结构，冷却介质(这里，根据不同使用环境和冷却需求，冷却介质可选择去离子水、65#冷冻液、氟化液等)在外部液冷源驱动下通过进液口流体连接器16进入液冷散热装置4液流通路，经分集流器17分流后通过液流管路19与GPU液冷板18、CPU液冷板20、TCM液冷板21流道壁面强制对流换热，吸收热量温度升高后的冷却介质经分集流器17汇流后通过回液口流体连接器22回流至外部液冷源循环使用。
进一步地，在其中一个实施例中，所述CPU液冷板20的液流通道与TCM液冷板21的液流通道串联，GPU液冷板18的液流通道与CPU液冷板20、TCM液冷板21的液流通道并联。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述GPU液冷板18、CPU液冷板20、TCM液冷板21均浮动安装，且与GPU插件、主板模块的CPU以及TCM控制器模块的位置相对应。采用该种方式，可减小主板模块3CPU至CPU液冷板20、半导体制冷片23至TCM液冷板21、GPU插件12印制板发热器件至GPU液冷板18的传导热阻，大幅提升换热效率，满足异构液冷服务器高性能CPU、GPU插件12散热要求。
进一步优选地，在其中一个实施例中，TCM液冷板21位于液冷散热装置4的下游，不影响液冷散热装置5对主板模块2CPU散热性能。其中所述下游是指靠近回液口流体连接器的一侧。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图4，所述半导体制冷除湿装置2包括TCM控制器模块7、集水器26、导流板6、多个导流风机13，以及依次层叠的半导体制冷片23、散热器24、导流罩25；所述半导体制冷片23的热端连接于TCM液冷板21，冷端连接于所述散热器24，集水器26设置于所述散热器24的下方，用于集聚冷凝水并排出异构液冷服务器机箱1；异构液冷服务器密闭腔内湿空气在导流板6、导流风机13、导流罩25导引下进入半导体制冷除湿装置2，在散热器24表面降温、冷凝除湿(避免湿空气在液冷板、金属托架等位置冷凝成液滴危害异构液冷服务器电气安全，提高异构液冷服务器的安全性、可靠性)后循环进入异构液冷服务器，在导流风机13和导流板6的共同作用下形成环流对PCIE插件11、内存条5、阵列磁盘9、电源插件10进行风冷散热(这里，多个导流风机13可以设置于所述液冷服务器的不同位置，只要配合导流板6形成内部空气环流即可)；所述TCM控制器模块7用于检测异构液冷服务器腔内空气温湿度和/或散热器24、PCIE插件11、内存条5、阵列磁盘9、电源插件10的实时温度，计算当前工况理想露点温度阈值，通过该阈值判断异构液冷服务器工况，然后在线调整半导体制冷片23制冷温度、工况。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述散热器24具有间距分布的散热翅片，相邻散热翅片之间具有通流栅道，与集水器26连通。
进一步优选地，在其中一个实施例中，异构液冷服务器的PCIE插件11、GPU插件12通过X16 PCIE柔性线缆与主板模块3连接，卧式安装，减少空间需求，提高环境适应性。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，所述GPU液冷板18上设有第一流体连接器插头27和第二流体连接器插头28，均为卡口结构自锁流体连接器，其中第一流体连接器插头27为自卸压式自锁流体连接器TSAX-3Z05，GPU插件12贮存或运输过程中，环境温度升高导致内部冷却介质压力大于0.32MPa时，第一流体连接器插头27自动导通卸压，保护GPU插件12的GPU液冷板18不被破坏。
进一步地，在其中一个实施例中，所述异构液冷服务器的进液口流体连接器16与回液口流体连接器22均为卡口结构自锁流体连接器，实现液冷服务器与外部液流管路、外部液冷源的快速锁定和解锁。当自锁液流连接器安装到位时，液冷连接器自动锁紧并导通液流通道；当拔出流体连接器时，沿轴线方向推动接头并旋转，液冷连接器断开瞬间液流通道自动密封，方便系统维修和现场更换；回液口流体连接器22为卡口结构自卸压式自锁流体连接器TSAX-8Z05，异构液冷服务器运输、储存过程中或与外部液冷源断开时，环境温度升高导致内部冷却介质压力大于0.32MPa时，自卸压式自锁流体连接器自动导通卸压，保护液冷服务器内部液流管路、液冷板不被破坏，提高异构液冷服务器的维修性、安全性和环境适应性。
结合图5，异构液冷服务器开机时，液冷除湿系统初始化，TCM控制器模块7检测冷却介质压力值、温度值，当超过压力、温度额定阈值范围时，报警并终止异构液冷服务器初始化。未超过压力、温度额定阈值范围时，TCM控制器模块7检测半导体制冷除湿装置2、液冷散热装置4状态、液冷服务器工况值及内部湿空气温度、湿度及冷凝情况，计算前工况理想露点温度阈值，有冷凝现象或湿空气低于当前工况理想露点温度阈值时，TCM控制器模块7调整半导体制冷片23制冷温度、工况，直至散热器24表面温度达到冷凝除湿温度范围并保持，对内部湿空气制冷除湿，完成后TCM控制器模块7调整半导体制冷片23制冷温度、工况；液冷除湿系统初始化成功后初始化电气系统，TCM控制器模块7检测服务器内PCIE插件11、电源插件10、内存条5等温度及内部湿空气冷凝温度阈值，当冷却介质温度变化使湿空气低于当前工况理想露点阈值时，TCM控制器模块7调整半导体制冷片23制冷温度、工况，直至散热器24表面温度达到冷凝除湿温度范围并保持，对内部湿空气制冷除湿，完成除湿后调整半导体制冷片23制冷温度、工况，仅对PCIE插件11、内存条5、阵列磁盘9、电源插件10进行散热，降低异构液冷服务器PUE值。
综上，本发明的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，液冷散热装置液冷板可快速带走主板模块CPU、GPU插件等大功耗器件的热量，大幅提升服务器散热效率；半导体制冷除湿装置对异构液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿、降温，防止异构液冷服务器内部湿空气在液冷板、金属托架等位置冷凝成液滴危害异构液冷服务器电气安全，同时通过导流风机带动内部空气循环，完成对电源插件、PCIE插件、阵列磁盘、内存条等发热量较小部件风冷散热，尤其适用于冷却介质温度低于环境温度或湿热环境的密封结构的机架式异构液冷服务器。
本发明能解决现有风冷异构服务器散热效率低、PUE值高、噪音高、占用空间大和现有异构液冷服务器结构复杂、可靠性低等问题，满足搭载高性能CPU、GPU插件或噪声指标要求较高异构服务器散热需求，扩大异构液冷服务器的应用范围，并具有体积紧凑、环境适应性强等特点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述异构液冷服务器包括形成密闭腔的服务器机箱(1)，以及设置于机箱内的主板模块(3)、电源插件(10)、PCIE插件(11)、GPU插件(12)、内存条(5)、阵列磁盘(9)、半导体制冷除湿装置(2)、以及液冷散热装置(4)；所述液冷散热装置(4)用于对主板模块(3)的CPU、GPU插件(12)进行散热，所述半导体制冷除湿装置(2)用于对异构液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿并对电源插件(10)、PCIE插件(11)、阵列磁盘(9)、内存条(5)进行风冷散热。
2.根据权利要求1所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述服务器机箱(1)包括形成密闭腔的前面板(8)、框架(14)、转接板(15)和上盖板，其中转接板(15)作为后面板。
3.根据权利要求2所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述液冷散热装置(4)包括进液口流体连接器(16)、分集流器(17)、GPU液冷板(18)、液流管路(19)、CPU液冷板(20)、TCM液冷板(21)和回液口流体连接器(22)，为串、并联混合结构，冷却介质在外部液冷源驱动下通过进液口流体连接器(16)进入液冷散热装置(4)液流通路，经分集流器(17)分流后通过液流管路(19)与GPU液冷板(18)、CPU液冷板(20)、TCM液冷板(21)流道壁面强制对流换热，吸收热量温度升高后的冷却介质经分集流器(17)汇流后通过回液口流体连接器(22)回流至外部液冷源循环使用。
4.根据权利要求3所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述CPU液冷板(20)的液流通道与TCM液冷板(21)的液流通道串联，GPU液冷板(18)的液流通道与CPU液冷板(20)、TCM液冷板(21)的液流通道并联。
5.根据权利要求4所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述GPU液冷板(18)、CPU液冷板(20)、TCM液冷板(21)均浮动安装。
6.根据权利要求5所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述半导体制冷除湿装置(2)包括TCM控制器模块(7)、集水器(26)、导流板(6)、多个导流风机(13)，以及依次层叠的半导体制冷片(23)、散热器(24)、导流罩(25)；所述半导体制冷片(23)的热端连接于TCM液冷板(21)，冷端连接于所述散热器(24)，集水器(26)设置于所述散热器(24)的下方，用于集聚冷凝水并排出异构液冷服务器机箱(1)；异构液冷服务器密闭腔内湿空气在导流板(6)、导流风机(13)、导流罩(25)导引下进入半导体制冷除湿装置(2)，在散热器(24)表面降温、冷凝除湿后循环进入异构液冷服务器，在导流风机(13)和导流板(6)的共同作用下形成环流对PCIE插件(11)、内存条(5)、阵列磁盘(9)、电源插件(10)进行风冷散热；所述TCM控制器模块(7)用于检测异构液冷服务器腔内空气温湿度和/或散热器(24)、PCIE插件(11)、内存条(5)、阵列磁盘(9)、电源插件(10)的实时温度，计算当前工况理想露点温度阈值，通过该阈值判断异构液冷服务器工况，然后在线调整半导体制冷片(23)制冷温度、工况。
7.根据权利要求6所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述PCIE插件(11)、GPU插件(12)卧式安装，通过柔性线缆与主板模块(3)的PCIE插座连接。
8.根据权利要求7所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述GPU液冷板(18)上设有第一流体连接器插头(27)和第二流体连接器插头(28)，均为自锁流体连接器，其中第一流体连接器插头(27)为自卸压式自锁流体连接器，贮存或运输过程中内部冷却介质压力大于0.32MPa时自动导通卸压。
9.根据权利要求8所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述散热器(24)具有间距分布的散热翅片，相邻散热翅片之间具有通流栅道，与集水器(26)连通。
10.根据权利要求9所述的带半导体除湿装置的异构液冷服务器，其特征在于，所述进液口流体连接器(16)、回液口流体连接器(22)均为自锁流体连接器，其中回液口流体连接器(22)为自卸压式自锁流体连接器，与液冷源断开时内部冷却介质压力大于0.32MPa时自动导通卸压。
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