CN114727566A - 一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统 - Google Patents

一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，各类集装箱式可扩展机箱的顶端均通过管道连接至非能动冷却器的一端，非能动冷却器的另一端通过管道连接分液系统的一端，分液系统的另一端连接各类集装箱式可扩展机箱的底端，从而形成一个密闭的管道系统。此种散热系统采用“绝缘冷却液浸没式冷却”+“分离式热管”+“高效紧凑式冷凝器”的传热传质流程，全程为被动式散热，极大降低超算/数据中心的散热功耗，可实现超低的PUE数值。此外，该系统可实现更高紧凑度的架构组装，减小超算/数据中心的空间占据规模。该系统的散热功率高，散热能力可扩展性强，计算机的并入/断开操作快捷方便，节能环保。

Description

一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统
技术领域
本发明属于电子设备散热降温技术领域，特别涉及一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统。
背景技术
随着超算/数据中心和高性能、高功率密度电子芯片的快速发展，超算/数据中心等大中型计算机集群的发热量逐年攀升，据文献报道年增长率达到20%~40%，散热成为重大课题。大量的电能用于计算机系统散热，而不是用于计算，电能的有效利用率低，能源浪费严重。开发新型、低能耗的超算/数据中心散热系统，极大降低PUE，可年节约电能数以百亿千瓦时，对双碳有重大意义。
传统的风冷散热系统对计算机组的紧凑度有限制，紧凑度过高会导致气流不畅，且风冷无法处理高功率密度高功耗芯片的散热问题；传统水冷散热系统存在泄漏短路的致命风险，可靠度低，且水冷系统结构复杂，水管布局困难；传统浸没式冷却技术需要采用泵、冷水机等组件，系统仍然具有较高的电耗。为了改进以上问题，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，能够实现超算/数据中心的有效散热，且能耗极低，计算机的并入/断开操作快捷方便，节能环保。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，包括均热板、机箱快速连接/断开系统、非能动冷却器、分液系统、压力维持系统、液体补/放系统、监测系统和若干类集装箱式可扩展机箱，其中，各类集装箱式可扩展机箱的顶端均通过管道连接至非能动冷却器的一端，非能动冷却器的另一端通过管道连接分液系统的一端，分液系统的另一端连接各类集装箱式可扩展机箱的底端，从而形成一个密闭的管道系统；
所述类集装箱式可扩展机箱用于容置热源，即计算机的电源、主板、CPU、GPU、内存等一系列电路组件，类集装箱式可扩展机箱内充有绝缘冷却液；
所述机箱快速连接/断开系统设于类集装箱式可扩展机箱顶端与非能动冷却器连接的管道上，以及类集装箱式可扩展机箱底端与分液系统连接的管道上；
所述非能动冷却器的入口与类集装箱式可扩展机箱的蒸汽口连通，出口设于底部，与分液系统连通；
所述分液系统的入口与非能动冷却器的出口连通，而出口则设置多个，分别与各个类集装箱式可扩展机箱的底端经由机箱快速连接/断开系统连接；
所述均热板设于类集装箱式可扩展机箱内，并贴附于热源的表面；
所述监测系统用于实时监测系统的运行状态，并控制压力维持系统、液体补/放系统的动作；
所述压力维持系统用于在监测系统的控制下，调节管道系统内的气压；
所述液体补/放系统用于在监测系统的控制下，调节管道系统内的绝缘冷却液量。
上述类集装箱式可扩展机箱为具开口可打开的密封结构，内部中空，用于容置热源，类集装箱式可扩展机箱内设有与容置的热源相连的电源和各类I/O接口。
上述机箱快速连接/断开系统采用手动阀、电动阀或气动阀。
上述非能动冷却器采用具烟囱效应的外部包裹结构，通过烟囱效应产生自然风以增强空气与冷却器的换热，或将非能动冷却器直接铺设在空气、河水、海水等自然冷源中进行自然对流散热。
上述非能动冷却器采用翅片管、翅片板、微通道换热器或高效紧凑式换热器。
上述均热板为封闭空腔结构，内部充有液态工质，外壳采用铜/铝/不锈钢材质。
上述监测系统采用液位传感器感测类集装箱式可扩展机箱内绝缘冷却液的液位状态，并根据感测结果控制液体补/放系统的动作；监测系统采用空气传感器、压力传感器分别感测管道系统的空气含量和压力，并根据感测结果控制压力维持系统的动作。
上述类集装箱式可扩展机箱内充的绝缘冷却液的沸点为30~70摄氏度。
采用上述方案后，本发明采用“绝缘冷却液浸没式冷却”+“分离式热管”+“高效紧凑式冷凝器”的传热传质流程，全程为被动式散热，运行时不需泵、风机、冷水机、水冷塔、换热器等传统散热设备，整个散热系统几乎没有运行能耗，极大降低超算/数据中心的散热功耗，可实现超低的PUE数值，高度符合国家节能减排战略，也对碳中和、碳达峰有显著的促进作用。此外，该系统对计算机组的紧凑度无明显要求，可实现更高紧凑度的架构组装，减小超算/数据中心的空间占据规模。该系统的散热功率高，散热能力可扩展性强，计算机的并入/断开操作快捷方便，节能环保。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中采用的均热板的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，包括均热板1、机箱快速连接/断开系统2、非能动冷却器3、分液系统4、压力维持系统5、液体补/放系统6、监测系统7和若干类集装箱式可扩展机箱8，其中，各类集装箱式可扩展机箱8的顶端均通过管道连接至非能动冷却器3的一端，非能动冷却器3的另一端通过管道连接分液系统4的一端，分液系统4的另一端连接各类集装箱式可扩展机箱8的底端，从而形成一个密闭的管道系统；下面分别介绍。
所述类集装箱式可扩展机箱8可按照需求并联设置多个，图1中以3组机箱为例进行说明；所述类集装箱式可扩展机箱8为具开口可打开的密封结构，内部中空，可用于容置市面常用的机架式计算机、塔式计算机，使用时既可以将计算机整个装入，也可以去掉机架式机箱、塔式机箱，只将计算机的电路装入；类集装箱式可扩展机箱8内设有电源和I/O接口，可与装入的计算机进行连接，装入后，类集装箱式可扩展机箱8关闭、密封，使后续充入的绝缘冷却液/蒸汽不致泄漏。
所述机箱快速连接/断开系统2设于类集装箱式可扩展机箱8顶端与非能动冷却器3连接的管道上，以及类集装箱式可扩展机箱8底端与分液系统4连接的管道上，用于实现类集装箱式可扩展机箱8的冷却液/蒸汽口的快速通断和类集装箱式可扩展机箱8与冷却液/蒸汽管路的快速接入/断开，以方便用户在不影响其它机箱运行的前提下对特定机箱的冷却液进行抽出、对机箱内电子元件进行检修、维护、新增等工作；在本实施例中，为了实现控制冷却液/蒸汽的通断功能，可采用但不限于手动阀、电动阀、气动阀等方式，快速连接/断开功能可采用但不限于KF接头、法兰等方式实现。
所述非能动冷却器3的入口与类集装箱式可扩展机箱8的蒸汽口连通，出口设于底部，与分液系统4连通，如此，类集装箱式可扩展机箱8内汽化的冷却液进入非能动冷却器3，在非能动冷却器3内蒸汽冷却为液态的绝缘冷却液，再由出口在重力作用下流入分液系统4；本发明中的非能动冷却器3采用自然冷却方式，包括但不限于如下实现方式：铺设在具备烟囱效应的包裹空间内，从而在无功耗的前提下获得流动风，以提升其冷却性能、缩小冷却器体积（例如，可直接铺设在烟囱内，利用烟囱顶部和底部空气压差的自然抽吸作用产生流动风，加强非能动冷却器的冷却性能）；或直接铺设在河流、海洋等自然冷源中，依靠水的自然对流换热强于空气自然对流，以提升冷却性能、缩小体积；或铺设在山口、风口位置，依靠自然风强制对流，以提升冷却性能、缩小体积；或直接铺设在楼顶，依靠空气自然对流散热。具体可采用但不限于翅片管、翅片板、微通道换热器、高效紧凑式换热器等多种形式。
所述分液系统用于对回流来的绝缘冷却液进行分配，使得各个类集装箱式可扩展机箱8内的冷却液量不出现过多、过少的情况，其入口与非能动冷却器3的出口连通，而出口则设置多个，分别与各个类集装箱式可扩展机箱8的底端经由机箱快速连接/断开系统2连接；具体地，所述分液系统可采用但不限于“机箱内液位监测+机箱冷却液入口调节阀”的结构形式。
所述均热板1设于类集装箱式可扩展机箱8内，并贴附于热源的表面，从而将高功率、高热流密度元件的热量通过扩大散热面降低热流密度，再基于强化沸腾结构快速传递给绝缘冷却液，配合图1所示，机箱内的热源通常是各类电子芯片，如计算机的电源、主板、CPU、GPU、内存等一系列电路组件，图1中的每组机箱内只画出了1个热源的情形，实际机箱内热源通常为多个。本实施例中的均热板1采用浸没式冷却高性能均热板，它是广义热管的一种，配合图2所示，其为多层结构，外壳采用铜/铝/不锈钢材质，内部具有多孔毛细结构、支撑结构，材质多与外壳材质相同；所述均热板为封闭空腔结构，内部充有液态工质，通常为水/乙醇/甲醇/乙二醇/氟化液/氨等。均热板内部通常几乎不存在空气，只有液态和气态的同种工质，两者处于饱和态。均热板外壳与发热元件贴合的位置（称为蒸发端）吸热升温，内部相邻的液态工质气化带走热量，气态工质在均热板内流动到温度相对较低的外壳部位发生冷凝，将热量传递给外壳（称为冷凝端）。冷凝液在多孔毛细结构的毛细力作用下流回蒸发端。冷凝端吸热后升温、达到高于外部绝缘冷却液沸点。冷凝端外表面具有强化沸腾结构（通常为丝网、泡沫金属、多孔金属烧结体、沟槽等），通过相变将热量快速传给绝缘冷却液。均热板1通常为多级台阶状结构，以避免触碰到电路板上其它元件、造成短路。
所述监测系统7用于实时监测本发明中所有子系统的运行状态，并对所有子系统进行实时的自动调控，具体包含有液位传感器D、温度传感器E、空气传感器F、压力传感器G等，其中，液位传感器D用于感测类集装箱式可扩展机箱8内绝缘冷却液的液位状态，温度传感器E、空气传感器F、压力传感器G可以设置在系统的管道上，分别用于感测系统内的温度、空气含量、压力等状态，并根据感测结果进行相应控制。此外，本发明还可以配备一套手动调控方案作为备选，以提高工作可靠性。
所述压力维持系统5用于在监测系统7的控制下，对绝缘冷却液/蒸汽充斥的整个密闭内部空间的气压进行调控，其主要调控方面有二：其一是排出密闭内部空间内的空气等不凝性气体，以进一步降低绝缘冷却液的饱和压力、降低其沸点，进而降低芯片等热源的温度；其二是当系统内芯片发热总功率过高、绝缘冷却液蒸汽产生速度大于非能动冷却器冷却速度、导致密封空间内蒸汽气压持续升高时，排出部分冷却液蒸汽以降低气压，并对计算机集群发出指令，使得计算机集群适当降低计算功耗和发热量。该子系统可采用但不限于“气氛监测+压力检测+真空泵+冷阱”的组合形式。
所述液体补/放系统6用于在监测系统7的控制下，对绝缘冷却液/蒸汽充斥的整个密闭内部空间的绝缘冷却液量进行调控，当空间内冷却液质量不足时进行实时补液，避免出现缺液问题；当空间内冷却液过多时进行实时放液（流入回收容器内，避免浪费），避免出现液量过多问题。本子系统可采用但不限于“液位监测+自动阀”的形式。
本发明工作时，类集装箱式可扩展机箱8内充有绝缘冷却液，配合图1，A、B分别为液态、气态的绝缘冷却液，绝缘冷却液沸点需低于机箱内芯片的结温，通常为30~70摄氏度，常选用绝缘氟化液，如3M HFE-7100。
本发明的整体散热过程如下：
类集装箱式可扩展机箱8内部的电路及各类电子元件完全浸没在低沸点的绝缘冷却液中，芯片元件散发的热量，通过绝缘冷却液的沸腾，以相变潜热的形式带走。一般的电容、电阻等小功率电子元件，发热功率和热流密度低，一般不需要额外的强化沸腾技术，靠直接浸没在冷却液里，依靠自然对流或沸腾即可带走热量，保证元件不超温；CPU、GPU这类高功率元件，发热功率高、热流密度高，需强化沸腾技术提升绝缘冷却液的相变换热性能，否则无法快速带走热量、有效降低温度。本发明中采用面积大于元件表面积的高性能均热板（Vapor Chamber，VC，又称均温板）与CPU、GPU等这类高功率密度元件紧密接触并压牢固定，在两者接触面上安装铟片或薄涂具备自固化性能的热界面材料以降低接触热阻（如自固化液态金属导热膏。这些热界面材料不能与绝缘冷却液发生反应，也不能脱落进入冷却液中）。高性能均热板将CPU、GPU等元件的高密度热流迅速均摊为中低密度热流，依靠均热板表面的强化沸腾结构，冷却液快速相变带走热量。
气化后的绝缘冷却液气体因压差向上流动，在机箱上部无热源区域汇集，通过机箱快速连接/断开系统2的上阀门，进入气体总管，后进入高效紧凑式非能动冷却器3。气态的绝缘冷却液在非能动冷却器3中与外界环境进行被动式换热，冷凝为液态的绝缘冷却液，在重力作用下经液体回流管流入分液系统4。分液系统4将冷却液合理分配给各机箱，完成冷却液的传热传质循环，并保证各机箱内发热元件均得到冷却液有效浸没。在此过程中，监测系统7会实时检测整个系统的气体空间的成分、压力情况，一是排出密闭内部空间内的空气等不凝性气体，以进一步降低绝缘冷却液的饱和压力、降低其沸点，进而降低芯片等热源的温度；二是当系统内芯片发热总功率过高、绝缘冷却液蒸汽产生速度大于非能动冷却器冷却速度、导致密封空间内蒸汽气压持续升高时，排出部分冷却液蒸汽以降低气压，并对计算机集群发出指令，使得计算机集群适当降低计算功耗和发热量；监测系统7还会实时检测整个系统的冷却液总量，在总量不足时（通常表现为机箱内发热元件得不到有效浸没）控制液体补/放系统6进行补液。通常，本发明进入稳态运行后，压力维持系统5和液体补/放系统6很少需要运行，基本不产生电耗。监测系统7通过安装各个子系统内的传感器（监测指标包括压力、液位、温度、气体成分、介电常数等。各子系统中的传感器种类和数量不一定相同），监测本发明整体的运行情况，并对故障、运行异常等情况进行及时调整。通常，监测系统7的传感器总功率一般小于10w，也基本不产生电耗。
监测系统7监测每个机箱内的液位量情况D并显示在监控屏幕上，对液位过低的机箱进行控制，加大进液量，保证机箱内发热元件始终保持浸没状态、得到有效散热；监测系统压力情况G，在压力超过阈值时，打开压力维持系统，将系统内气体抽出一些，使得散热系统内压力不超过阈值。系统气压过高主要是由于系统内气相空间内有空气导致的，因为空气难以液化。通常这么抽几次后，系统内气体空间就基本没有空气了，传感器F就几乎没什么空气信号了，气相空间内只有气态的氟化液，在冷却能力足够的情况下，系统压力会始终保持稳定，此时压力维持系统就基本不需要启动；监测整个散热系统的液位情况D，当整个散热系统的液体量不足/过多时，打开液体补/放系统6，对整个散热系统内氟化液量进行调整，保证所有机箱都有足够的氟化液，以及保证系统上部有足够的气相空间。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：包括均热板、机箱快速连接/断开系统、非能动冷却器、分液系统、压力维持系统、液体补/放系统、监测系统和若干类集装箱式可扩展机箱，其中，各类集装箱式可扩展机箱的顶端均通过管道连接至非能动冷却器的一端，非能动冷却器的另一端通过管道连接分液系统的一端，分液系统的另一端连接各类集装箱式可扩展机箱的底端，从而形成一个密闭的管道系统；
所述类集装箱式可扩展机箱用于容置热源，类集装箱式可扩展机箱内充有绝缘冷却液；
所述机箱快速连接/断开系统设于类集装箱式可扩展机箱顶端与非能动冷却器连接的管道上，以及类集装箱式可扩展机箱底端与分液系统连接的管道上；
所述非能动冷却器的入口与类集装箱式可扩展机箱的蒸汽口连通，出口设于底部，与分液系统连通；
所述分液系统的入口与非能动冷却器的出口连通，而出口则设置多个，分别与各个类集装箱式可扩展机箱的底端经由机箱快速连接/断开系统连接；
所述均热板设于类集装箱式可扩展机箱内，并贴附于热源的表面；
所述监测系统用于实时监测系统的运行状态，并控制压力维持系统、液体补/放系统的动作；
所述压力维持系统用于在监测系统的控制下，调节管道系统内的气压；
所述液体补/放系统用于在监测系统的控制下，调节管道系统内的绝缘冷却液量。
2.如权利要求1所述的能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：所述类集装箱式可扩展机箱为具开口可打开的密封结构，内部中空，用于容置热源，类集装箱式可扩展机箱内设有与容置的热源相连的电源和I/O接口。
3.如权利要求1所述的能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：所述机箱快速连接/断开系统采用手动阀、电动阀或气动阀控制两侧流体的通断，采用KF真空接头实现机箱从整个散热系统的拆下或安装。
4.如权利要求1所述的能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：所述非能动冷却器采用具烟囱效应的外部包裹结构，通过烟囱效应产生自然风以增强空气与冷却器的换热，或将非能动冷却器直接铺设在自然冷源中进行自然对流散热。
5.如权利要求1所述的能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：所述非能动冷却器采用翅片管、翅片板、微通道换热器或高效紧凑式换热器。
6.如权利要求1所述的能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：所述均热板为封闭空腔结构，内部充有液态工质，外壳采用铜/铝/不锈钢材质。
7.如权利要求1所述的能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：所述监测系统采用液位传感器感测类集装箱式可扩展机箱内绝缘冷却液的液位状态，并根据感测结果控制液体补/放系统的动作；监测系统采用空气传感器、压力传感器分别感测管道系统的空气含量和压力，并根据感测结果控制压力维持系统的动作。
8.如权利要求1所述的能耗低的超算/数据中心被动式散热系统，其特征在于：所述类集装箱式可扩展机箱内充的绝缘冷却液的沸点为30~70摄氏度。
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