CN112772009A - 液体浸没式冷却电子系统和装置 - Google Patents

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Abstract

描述了液体浸没式冷却装置和系统，其使用例如介电冷却液的冷却液来浸没冷却各个电子装置或电子装置阵列。在一个实施例中，电子装置包括限定内部空间的常压装置壳体，其中，内部空间中的压力等于或仅略微不同于常压装置壳体外部的压力。

Description

液体浸没式冷却电子系统和装置
技术领域
本公开涉及电子阵列系统和装置的液体浸没式冷却。
背景技术
液体浸没式冷却电子系统和装置是公知的。液体浸没式冷却电子装置阵列的一个示例是布置在机架系统中的液体浸没服务器(LSS)阵列。在美国专利7,905,106、7,911,793和8,089,764中公开了机架系统中的LSS阵列的示例。在美国专利9,451,726中公开了液体浸没式冷却电子装置阵列的另一示例。
发明内容
描述了液体浸没式冷却装置和系统，其使用例如介电冷却液的冷却液浸没冷却各个电子装置或电子装置阵列。在一个实施例中，电子装置包括限定内部空间的常压(或“零”压力)装置壳体，其中内部空间中的压力等于或仅略大于常压壳体外部的压力。
在一个实施例中，液体浸没式冷却电子装置可以包括限定内部空间的常压装置壳体，其中内部空间中的压力等于常压装置壳体外部的压力。一个或多个发热电子元件，例如多个发热电子元件，布置在装置壳体的内部空间内，并且介电冷却液位于内部空间中，其中介电冷却液部分地或完全地浸没一个或多个发热电子元件并且与一个或多个发热电子元件直接接触。泵具有与内部空间流体连通的泵入口和泵出口。热交换器，例如液-液热交换器，具有热交换器入口和热交换器出口，热交换器入口与泵出口流体连通。液体分配歧管位于内部空间内，其中，液体分配歧管具有歧管入口和多个歧管出口，歧管入口与热交换器出口流体连通。管具有连接到液体歧管出口之一的入口端，并且其出口端靠近发热电子元件之一，以将介电冷却液的回流直接引导到一个发热电子元件上。液体浸没式冷却电子系统可以包括多个液体浸没式冷却电子装置。
本文所述的液体浸没式冷却装置和系统的一个示例应用是用于布置在机架系统中的LSS阵列。但是，本文所述的概念可用于电子装置阵列被液体浸没冷却的其他应用，包括但不限于刀锋服务器、磁盘阵列/存储系统、固态存储设备、存储区域网络、网络附加存储、存储通信系统、路由器、电信基础设施/交换机、有线、光学和无线通信设备、单元处理器设备、打印机、电源等。
本文所述的液体浸没式冷却装置和系统可以在可得益于液体浸没式冷却的优点的任何领域中使用。在一个示例中，液体浸没式冷却装置和系统可以用在区块链计算(加密货币)应用中，例如用在ASIC或GPU计算机挖矿配置中。液体浸没式冷却式装置和系统还可以用在深度学习应用中，例如用在支持最大带宽和高性能GPU的直接存储器访问(DMA)的多GPU配置中。液体浸没式冷却装置和系统还可用在具有多个协处理器配置(例如，支持GPU协处理器的DMA功能的多GPU配置)的人工智能和高性能计算(HPC)集群中。本文所述的液体浸没式冷却装置和系统的许多其他应用和用途是可能的并且可以预期的。
本文所述的液体浸没式冷却装置和系统不需要完全密封的电子装置壳体，这有助于降低成本并简化对电子装置进行维修和修改的通道。与空气冷却相比，液体浸没式冷却还具有出色的冷却效率，从而降低了功率要求和相关的运行成本。
附图说明
图1是本文所述的液体浸没式冷却电子装置的又一示例的立体图。
图2是图1所示的液体浸没式冷却电子装置的局部立体图，其中盖子被移除。
图3是图1所示的液体浸没式冷却电子装置的立体图，其中壳体被移除。
图4是本文所述的液体浸没式冷却电子装置的又一个示例的立体图，该示例类似于图1-3中的装置，但其中热交换器处于替代位置。
图5是本文所述的液体浸没式冷却电子装置的又一个示例的立体图，该示例类似于图1-3中的装置，但其中热交换器处于另一替代位置。
图6是本文所述的液体浸没式冷却电子装置的又一个示例的立体图，该示例类似于图1-3中的装置，但具有冷却分配单元。
图7是布置在机架上的本文所述的液体浸没式冷却电子装置的垂直阵列的后视图。
具体实施方式
用于冷却本文所述的电子装置中的电子元件的冷却液可以是但不限于介电液体。冷却液优选为单相介电冷却液。优选的是，单相介电冷却液具有足够高的热传递能力和热容量，以处理由被浸没的发热电子元件产生的热量，从而在吸热过程中，冷却液不会从液体状态变为气体状态。发热电子元件的浸入式冷却意味着存在足够的冷却液，从而使一个或多个发热电子元件部分或完全浸入介电冷却液中，与介电冷却液直接紧密接触。
待浸没在冷却液中的一个或多个发热电子元件可以是产生热量以及可能希望通过将电子元件部分地或完全地浸没在冷却液中来冷却的任何电子元件。例如，电子元件可以包括一个或多个处理器(例如CPU和/或GPU)、一个或多个电源、一个或多个开关、一个或多个数据存储驱动器、一个或多个存储器模块以及其他电子元件。由电子元件形成的电子系统包括但不限于刀锋服务器、磁盘阵列/存储系统、固态存储设备、存储区域网络、网络附加存储、存储通信系统、路由器、电信基础设施/交换机、有线、光学和无线通信设备、单元处理器设备、打印机、电源等。
图1-3示出了液体浸没式冷却电子装置600的示例。装置600包括由底部不透液托盘604和盖606形成的装置壳体602，托盘604限定内部空间605，盖606可移除地安装在托盘604上，以防止污染物掉入托盘604的内部空间605中所容纳的冷却液中。托盘604具有限定内部空间605的侧壁和底壁以及至少部分敞开的顶部。在所示示例中，托盘604的整个顶部示出为敞开的。然而，在其他实施例中，只有一部分的托盘604的顶部可以是敞开的。盖606可移除地设置在托盘604的顶部的敞开部分上。
壳体602可以被认为是常压(或“零”压力)或最小加压的，以使内部空间605中的压力(或真空)等于或仅略微大于/小于装置壳体外部的压力。例如，内部空间605中的压力可以等于环境压力。在另一个实施例中，内部空间中的压力可以是小的压力，其值可以是小且难以测量的，例如至多约0.1磅/平方英寸。因此，如本文所使用的常压装置壳体旨在包含具有零压力(即，内部空间中的压力等于环境压力)以及包含小的压力/真空的内部空间605，例如，比环境压力大至多约0.1磅/平方英寸的压力。这与可被称为加压或密封壳体的用于液体浸没式冷却电子装置的一些装置壳体相反，这些加压或密封壳体通常会在大于环境空气压力的正可测量压力水平下运行，这是由于这些加压或密封壳体连接到包含相同流体回路其他类似的液体浸没式冷却电子装置并经受由集中式或远程泵产生的压力，该集中式或远程泵通过在泵的出口上产生正压并在泵的入口上产生相应的负压或低压来产生流体循环。
内部空间605和周围环境之间的压力的最小化可以以任何合适的方式实现。例如，在一个实施例中，如图1所示，可以在盖606中设置诸如通气孔或止回阀的压力释放/平衡机构608或其他压力释放/平衡机构，以提供内部空间和环境之间的空气连通。在另一个实施例中，压力最小化可以由于盖606没有紧密地配合托盘604或与托盘604密封而简单地实现。由于不打算对壳体602加压，因此不需要对装置600密封和加压。然而，托盘604确实需要被密封或防漏，以防止设置在内部空间605中的冷却液从其中泄漏。由于介电冷却液在托盘604和热交换器(下文描述)内再循环，并且不需要装置600在与周围环境的压力不同的压力下运行，因此装置600中的压力最小化是允许的。
如图2和3最佳所示，各种发热电子元件610布置在内部空间605内。各电子元件610可以基于装置600所要形成的电子系统的类型而变化。可以使用的电子元件610的示例包括但不限于一个或多个处理器(例如CPU和/或GPU)、一个或多个电源、一个或多个开关、一个或多个数据存储驱动器、一个或多个内存模块以及其他电子元件。由电子元件形成的电子系统可以包括但不限于刀锋服务器、磁盘阵列/存储系统、固态存储设备、存储区域网络、网络附加存储、存储通信系统、路由器、电信基础设施/交换机、有线、光学和无线通信设备、单元处理器设备、打印机、电源等。
介电冷却液设置在内部空间605中，其中，介电冷却液部分地或完全地浸没至少一些发热电子元件610并与至少一些发热电子元件610直接接触。托盘604中的介电液液位将会足以部分地或完全地浸没希望浸没冷却的电子元件。
冷却液分配回路被提供来用于在装置600内分配冷却液。在图2和3所示的实施例中，分配回路包括一个或多个泵612，其在内部空间605内并且具有泵入口和泵出口，该泵入口与容纳在内部空间605中的大量冷却液流体连通。所示示例示出了泵612中的两个，一个泵612用作主泵，并且另一泵612用作在主泵发生故障的情况下的备用泵。可以提供控制阀614，其流体地连接到每个泵612的出口，并且可以由合适的泵控制器基于监测到的泵612的性能进行控制，以选择将会使用哪个泵出口。各泵612可以部分地或完全地浸没在冷却液中，或者泵612可以不浸没在冷却液中而是具有在冷却液中的入口。
热交换器616设置在内部空间605内，并且具有入口和出口，入口经由控制阀614与泵出口流体连通。热交换器616可以具有适合于降低返回的冷却液的温度的任何构造。在所示的示例中，热交换器616被构造为连接到外部冷却流体回路618的液体-液体热交换器，该外部冷却流体回路618向热交换器616提供次级冷却液。但是，热交换器616可以是液体-空气热交换器或可以降低返回的冷却液的温度的任何其他构造。
热交换器616可以安装在壳体602内的任何合适的位置。在所示的示例中，热交换器616示出为安装在托盘604的端壁620的面向内部的表面上。热交换器616可能会或可能不会部分地或完全地浸没在设置在内部空间605内的冷却液中。
参照图2和图3，液体分配歧管622设置在内部空间605内，并具有经由供应管线626与热交换器616的出口流体连通的入口624和从歧管622引出的多个歧管出口628。液体分配歧管622将冷却液分配给电子元件610中的目标电子元件，然后冷却液进入内部空间605内的大量冷却液。
返回的冷却液可以从歧管622直接引导到一些电子元件610上，例如CPU、GPU、电源、开关等。例如，如图2和图3所示，一个或多个顶部敞开式托盘630设置在内部空间605内，并且一些电子元件610设置在托盘630中。供应管632从出口628延伸到每个托盘630，以将返回的冷却液引导到托盘630中。托盘630将冷却液保持在位于托盘630内的电子元件610周围。一个或多个液体出口或堰634形成在每个托盘630的侧壁中，介电冷却液从一个或多个液体出口或堰634离开由托盘630所限定的空间。在使用中，每个托盘630被设计成用冷却液填充到足以将液体浸没冷却托盘630内的电子元件610中的液位。冷却液接着从堰634中溢出，并通过重力流入内部空间605的其余部分中的大量冷却液中，在这里，冷却液接着可以由泵612将其泵送到热交换器616中进行冷却。内部空间605内但不在托盘630之一内的一些电子元件也可被部分地或全部地浸没在内部空间605中容纳的大量冷却液中。
流体分配歧管622可以构造成辅助将冷却液按比例分配到每个出口628的流量，以最佳地管理从每个出口628到托盘630的流量。例如，出口628的尺寸可以不同，供应管632的尺寸可以不同，可调阀可以设置在出口628或管632中等。为了引导返回的冷却液的适当量和/或正确的压力，流量管理是有用的。
堰634设置在托盘630的最大介电冷却液液位处，其中，堰634建立托盘630内的介电冷却液的液位，并建立冷却托盘630内的发热电子元件所需的托盘630内的介电冷却液的体积流量。如在整个说明书和权利要求书中所使用的，堰是冷却液借助重力而无需使用与堰连接的泵压力离开的冷却液的出口。堰不同于在使用过程中旨在连接到泵以便泵压力致使冷却液通过该出口流出的出口，例如美国专利7905106中所述的出口52b、112。
在该实施例中，泵612和热交换器616设置在装置壳体602的第一端处，并且液体分配歧管622设置在装置壳体602的与第一端相反的第二端处。然而，其他布置也是可能的。
图4示出了液体浸没式冷却电子装置640的另一个示例，该示例类似于装置600，并且相同的元件使用相同的附图标记表示。在该实施例中，热交换器616设置在装置壳体的内部空间605的外部，使得冷却液离开装置壳体而被冷却。例如，热交换器616可以安装在托盘604的端壁620的外表面上。尽管未示出，但是装置640会包括类似于图1中的盖606的盖。
图5示出了液体浸没式冷却电子装置650的另一个示例，该示例类似于装置600，并且相同的元件使用相同的附图标记表示。在该实施例中，热交换器616设置在装置壳体的内部空间605的外部，使得冷却液离开设备壳体而被冷却。在该实施例中，热交换器616不是安装在托盘604的端壁620上，而是安装在与装置650分开的外部位置，使得热交换器616未安装在装置壳体上。尽管未示出，但是装置650将包括类似于图1中的盖606的盖。
图6示出了液体浸没式冷却电子装置660的另一个示例，该示例类似于装置600，并且相同的元件使用相同的附图标记表示。在该实施例中，热交换器和泵都设置在装置壳体的内部空间605的外部。另外，一个或多个泵和热交换器被结合到被称为冷却分配单元662的公共单元中。冷却分配单元662示出为不是安装在托盘604的端壁620上，而是在与装置660分开的外部位置。然而，冷却分配单元662可以安装在端壁620的外表面上。尽管未示出，但是装置660将包括类似于图1中的盖606的盖。
参照图7，图1-3所示的多个装置600示出为以垂直阵列670的形式布置在一起，例如布置在机架672上。可替换地，装置600可以单独且彼此分开使用。在一个示例性实施方式中，多个电子装置600可以在机架672上布置成多个竖直间隔开的行。图7示出了安装在机架672上的竖直歧管674，该竖直歧管674是外部冷却流体回路618的一部分，并且用于将次级冷却液带入热交换器616中。对于电子装置640、650、660，可在机架672上实施类似竖直阵列。
本文所述的泵可以根据一个或多个电子装置的期望性能由泵控制器自适应地控制。例如，泵可以控制成以串联或并联运行。此外，这些泵可以以冗余模式运行，在该冗余模式下，如果第一台泵发生故障，第二台泵将作为第一台泵的备用泵。
本文所述的电子装置和竖直阵列设计对于各种系统配置而言极为通用，并且由于每个电子装置具有其自己独立的流体冷却回路，因此易于维修。进一步地，装置壳体602不需要设计成具有在内部空间605内的托盘604的底部与盖606之间的加强结构，以补偿如果装置600被密封并在净正表压下运行将出现的偏转力，该净正表压允许整个装置壳体602设计成一个许多电子元件配置可以安装在其内的敞开空间。此外，与密封/加压填充的系统或储液箱相比，就实现浸没式冷却所需的冷却液的体积而言，电子装置和垂直阵列也更加高效，这从重量和成本方面来说都是有益的。所描述的概念允许进行大流量浸没式冷却、高功率密度元件的定向流浸没式冷却、重力返回浸没式冷却(例如保持如于2018年9月20日提交并且名称为“液体浸没式冷却电子系统和装置(LIQUID SUBMERSION COOLED ELECTRONICSYSTEMS AND DEVICES)”的申请号为16/137015所述的电子装置的存储托盘的使用)以及用于电子板的重力辅助冷却，该电子板可能会突出超过装置壳体内的流体池的液位，每一种冷却都可以同时在同一装置壳体中实现。
在所有方面，本申请所公开的示例应被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求书而不是前面说明书指明；并且在权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变都意味着包含在其中。

Claims (19)

1.一种液体浸没式冷却电子装置，包括：
常压装置壳体，所述常压装置壳体限定内部空间，并包括具有至少部分地敞开的顶部的托盘和可移除地附接到所述托盘并设置在所述至少部分敞开的顶部上方的盖；
至少一个发热电子元件，所述至少一个发热电子元件设置在所述装置壳体的所述内部空间内；
在所述内部空间中的介电冷却液，所述介电冷却液部分地或完全地浸没所述至少一个发热电子元件，并与所述至少一个发热电子元件直接接触；
泵，所述泵具有泵出口何与所述内部空间流体连通的泵入口；以及
热交换器，所述热交换器具有与所述泵出口流体连通的热交换器入口并且具有与所述内部空间流体连通的热交换器出口。
2.根据权利要求1所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，还包括：
在所述内部空间内的液体分配歧管，所述液体分配歧管具有多个歧管出口和与所述热交换器出口流体连通的歧管入口；
管，所述管的入口端连接到所述歧管出口之一，并且所述管的出口端靠近所述至少一个发热电子元件，以将所述介电冷却液的回流引导到所述至少一个发热电子元件。
3.根据权利要求1所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述泵布置在所述内部空间内，并且所述泵入口浸没在所述介电冷却液中。
4.根据权利要求1所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述热交换器设置在所述内部空间内。
5.根据权利要求1所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述热交换器设置在所述常压装置壳体的外部。
6.根据权利要求2所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述泵和所述热交换器设置在所述常压装置壳体的第一端处，并且所述液体分配歧管设置在所述常压装置壳体的与所述第一端相反的第二端处。
7.根据权利要求2所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，还包括设置在所述内部空间内的顶部敞开式托盘，所述至少一个发热电子元件设置在所述顶部敞开式托盘内，所述管的所述出口端连接至所述顶部敞开式托盘，以将介电冷却液的回流引导到由所述顶部敞开式托盘限定的空间中，并且所述顶部敞开式托盘的侧壁包括介电冷却液出口堰，介电冷却液从所述出口堰离开所述由所述顶部敞开式托盘限定的空间。
8.根据权利要求1所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，还包括在所述盖中的通气孔或压力释放/平衡机构，其提供所述内部空间与周围环境之间的空气连通。
9.根据权利要求1所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，包括在所述内部空间内的多个所述发热电子元件，并且其中，所述发热电子元件包括多个数据存储设备、多个电源、多个处理器或多个开关。
10.一种液体浸没式冷却电子系统，包括：
多个根据权利要求1所述的液体浸没式冷却电子装置，其呈竖直阵列布置在机架上。
11.一种液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，包括：
装置壳体，所述装置壳体限定内部空间，并包括具有至少部分敞开的顶部的托盘和可移除地附接到所述托盘并设置在所述至少部分敞开的顶部上方的盖；
在所述盖中的通风孔或压力释放/平衡机构，所述通风孔或压力释放/平衡机构提供所述内部空间与周围环境之间的空气连通；
至少一个发热电子元件，所述至少一个发热电子元件设置在所述装置壳体的所述内部空间内；
在所述内部空间中的介电冷却液，所述介电冷却液部分地或完全地浸没所述至少一个发热电子元件，并与所述至少一个发热电子元件直接接触；
泵，所述泵具有泵出口和与所述内部空间流体连通的泵入口；以及
热交换器，所述热交换器具有与所述泵出口流体连通的热交换器入口和与所述内部空间流体连通的热交换器出口。
12.根据权利要求11所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，还包括：
在所述内部空间内的液体分配歧管，所述液体分配歧管具有多个歧管出口和与所述热交换器出口流体连通的歧管入口；
管，所述管入口端连接到所述歧管出口之一，并且其出口端靠近所述至少一个发热电子元件，以将所述介电冷却液的回流引导到所述至少一个发热电子元件。
13.根据权利要求11所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述泵设置在所述内部空间内，并且所述泵入口浸没在所述介电冷却液中。
14.根据权利要求11所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述热交换器设置在所述内部空间内。
15.根据权利要求11所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述热交换器设置在所述装置壳体的外部。
16.根据权利要求12所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，所述泵和所述热交换器设置在所述装置壳体的第一端处，并且所述液体分配歧管设置在所述装置壳体的与所述第一端相反的第二端处。
17.根据权利要求11所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，还包括设置在所述内部空间内的顶部敞开式托盘，所述至少一个发热电子元件设置在所述顶部敞开式托盘内，所述管的所述出口端连接至所述顶部敞开式托盘，以将介电冷却液的回流引导到由所述顶部敞开式托盘限定的空间中，并且所述顶部敞开式托盘的侧壁包括介电冷却液出口堰，介电冷却液从所述出口堰离开所述由所述顶部敞开式托盘限定的空间。
18.根据权利要求11所述的液体浸没式冷却电子装置，其特征在于，包括在所述内部空间内的多个所述发热电子元件，并且其中所述发热电子元件包括多个数据存储设备、多个电源、多个处理器或多个开关。
19.一种液体浸没式冷却电子系统，包括：
多个根据权利要求11所述的液体浸没式冷却电子装置，呈竖直阵列布置在机架上。
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