CN116711473A - 使用风冷式冷凝器进行浸没冷却的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

热管理系统包括浸没罐、冷却流体和风冷式冷凝器。浸没罐设备浸没腔室，并且冷却流体至少部分地位于浸没腔室中。风冷式冷凝器与浸没腔室流体连通以冷却冷却流体。

Description

使用风冷式冷凝器进行浸没冷却的系统和方法
背景技术
计算设备在使用过程中会产生大量的热量。计算组件可能容易受到热量的损坏，并且通常需要冷却系统在繁重的处理或使用负载期间将组件温度保持在安全范围内。液体冷却可以有效地冷却组件，因为液体冷却流体具有比空气或气体冷却更多的热质量。液体冷却流体可以通过允许蒸发流体从液体中上升而保持在较低的温度。冷却液中的蒸汽会对冷却液的冷却性能产生不利影响。蒸汽可以冷凝并且回流到锅炉罐中。
发明内容
在一些实施例中，热管理系统包括浸没罐、冷却流体和风冷式冷凝器。浸没罐设备包括浸没腔室，并且冷却流体至少部分地位于浸没腔室中。风冷式冷凝器与浸没腔室流体连通，以冷却冷却流体。
在一些实施例中，热管理系统包括浸没罐、冷却流体、风冷式冷凝器、蒸汽回流管线和液体回流管线，各自将浸没罐连接至风冷式冷凝器，以及冷凝物贮存器。浸没罐设备包括浸没腔室，并且冷却流体至少部分地位于浸没腔室中。风冷式冷凝器与浸没腔室流体连通，以冷却冷却流体。蒸汽回流管线将冷却流体的蒸汽相传送至风冷式冷凝器，并且液体回流管线将冷却流体的液相从风冷式冷凝器传送回浸没腔室。冷凝物贮存器定位在液体回流管线中并且被配置为存储冷却流体的液相的至少一部分。
在一些实施例中，热管理系统包括浸没罐、冷却流体、风冷式冷凝器、蒸汽回流管线和液体回流管线，各自将浸没罐连接至风冷式冷凝器，以及冷凝物贮存器。浸没罐设备包括浸没腔室，并且冷却流体至少部分地位于浸没腔室中。风冷式冷凝器与浸没腔室流体连通以冷却冷却流体，并且风冷式冷凝器包括热交换器和风扇以使空气移动通过热交换器。蒸汽回流管线将冷却流体的蒸汽相传送至风冷式冷凝器，并且液体回流管线将冷却流体的液相从风冷式冷凝器传送回浸没腔室。冷凝物贮存器定位在液体回流管线中并且被配置为存储冷却流体的液相的至少一部分。
本发明内容旨在以简化形式引入一系列概念，这些概念在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助。
附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地将从该描述中清楚，或者可以通过实践本文的教导来了解。本公开的特征和优点可以通过所附权利要求中特别指出的装置和组合来实现和获得。本公开的特征将从以下描述和所附权利要求中变得更加明显，或者可以通过下文阐述的本公开的实践来了解。
附图说明
为了描述可以获得本公开的上述和其他特征的方式，将通过参考其在附图中所示的具体实施例来呈现更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中通过类似的附图标记指定类似的元素。虽然一些附图可以是概念的示意性或夸张表示，但至少一些附图可以按比例绘制。理解了附图描绘了一些示例实施例，将通过使用附图以额外的具体性和细节描述和解释实施例，其中：
图1是根据本公开的至少一个实施例的、浸没冷却系统的侧面示意表示；
图2是根据本公开的至少一个实施例的、具有外部冷凝器的浸没冷却系统的侧面示意表示；
图3是根据本公开的至少一个实施例的、通过风冷式浸没冷却系统的冷却流体输送的示意图；
图4是根据本公开的至少一个实施例的、侧面冷凝器浸没冷却系统的侧面截面图；
图5是根据本公开的至少一个实施例的、顶部冷凝器浸没冷却系统的侧面截面图；
图6是根据本公开的至少一个实施例的、具有多个热交换器的浸没冷却系统的透视分解图；以及
图7是根据本公开的至少一个实施例的、堆叠热管热交换器的序列。
具体实施方式
本公开总体上涉及用于电子设备或其它成热组件的热管理的系统和方法。浸没腔室将成热组件包围在液体冷却流体中，该液体冷却流体从成热组件传导热量以冷却成热组件。当冷却流体从成热组件吸收热量时，冷却流体的温度增加并且冷却流体可能蒸发，从而将蒸汽引入冷却流体的液体中。
在大型计算中心中，诸如云计算中心、数据处理中心、数据存储中心或其他计算设施，浸没冷却系统为各种操作负载下的许多计算组件提供了有效的热管理方法。在一些实施例中，浸没冷却系统包括浸没罐中的冷却流体和冷凝器，以从冷却流体的蒸汽中提取热量。冷凝器然后将冷却流体的气相冷凝成液相，并且将液体冷却流体回流浸没罐的浸没腔室。在较小的分布式数据中心中，维护成本较低的高效浸入式冷却选项将是有益的。风冷式浸没冷却系统可以消除与液冷或水冷浸没冷却系统相关的潜在故障点和维护要求。
图1中所示的传统浸没冷却系统100包括浸没罐102，其包含浸没腔室104和浸没腔室104中的冷凝器106。浸没腔室104包含冷却流体，冷却流体具有液体冷却流体108和蒸汽冷却流体110部分。液体冷却流体108产生浸没浴112，其中多个成热组件114定位成加热液体冷却流体108。
现在参考图2，根据本公开的浸没冷却系统200包括浸没罐202，其限定浸没腔室204，其中冷却流体定位在其中。冷却流体在液体冷却流体208相与蒸汽冷却流体210相之间转换，以从浸没腔室204中的热或成热组件214中去除热量。液体冷却流体208更高效地接收来自成热组件214的热量，并且在转换到蒸汽冷却流体210之后，蒸汽冷却流体210可以从浸没罐202中去除，由冷凝器206冷却和冷凝以从冷却流体中提取热量，并且液体冷却流体208可以回流到液体浸没浴212。
在一些实施例中，液体冷却流体208的浸没浴212具有定位在液体冷却流体208中的多个成热组件214。液体冷却流体208围绕成热组件214的至少部分以及附接到成热组件214的其他物体或部件。在一些实施例中，成热组件214定位在一个或多个支撑件216上的液体冷却流体208中。支撑件216可以支撑液体冷却流体208中的一个或多个成热组件214，并且允许冷却流体围绕成热组件214移动。在一些实施例中，支撑件216是特传导的，以从成热组件214传导热量。(多个)支撑件216可以增加液体冷却流体208可以通过对流冷却从中去除热量的有效表面积。
在一些实施例中，成热组件214包括计算机组件或电源。在一些实施例中，成热组件214包括计算机设备，诸如个体个人计算机或服务器叶片计算机。在一些实施例中，一个或多个成热组件214包括附接到成热组件214的散热器或其它设备，以传导热能并且有效地增加成热组件214的表面积。
如上所述，将液体冷却流体208转化为气相需要输入热能以克服汽化的潜热，并且可以是增加冷却流体的热容量并且从成热组件中去除热量的有效机制。因为蒸汽冷却流体210在液体冷却流体208中上升，所以蒸汽冷却流体210可以从浸没腔室204中的腔室的上部蒸汽区域中提取。冷凝器206将部分蒸汽冷却流体210冷却回液体冷却流体208中，从系统中去除热能并且将冷却流体重新引入液体冷却流体208的浸没浴212中。冷凝器206辐射或以其他方式将热能从冷却流体倾倒到周围环境中或导管中，以将热能从冷却系统中带走。
在传统浸没冷却系统中，液冷式冷凝器被集成到浸没罐和/或室中以有效地从冷却流体中去除热能。在根据本公开的一些实施例中，用于计算设备的热管理的浸没冷却系统200允许至少一个浸没罐202和/或腔室204连接到外部冷凝器206并且与之流体连通。在一些实施例中，浸没冷却系统包括将浸没罐202连接到冷凝器206并且允许蒸汽冷却流体210从浸没罐202和/或腔室204进入冷凝器206的蒸汽回流管线218以及将浸没罐202连接到冷凝器206并允许液体冷却流体208回流到浸没罐202和/或腔室204的液体回流管线220。
蒸汽回流管线218可以比冷却流体的沸腾温度更冷。在一些实施例中，蒸汽冷却流体的部分冷凝在蒸汽回流管线218中。在一些实施例中，蒸汽回流管线218可以以一定角度定向，使得蒸汽回流管线218不垂直于重力方向。然后，冷凝的冷却流体可以根据蒸汽回流管线218斜坡的方向排回浸没罐202或前进至冷凝器206。在一些实施例中，蒸汽回流管线218包括液体收集管线或阀，如泄气阀，其允许冷凝的冷却流体收集和/或回流到浸没罐202或冷凝器206。
在一些实施例中，液体冷却流体208在紧邻成热组件214的冷却流体的冷却体积中接收热量。冷却体积是冷却流体的区域(包括液相和气相)，该区域紧邻成热组件214并且负责成热组件214的对流冷却。在一些实施例中，冷却体积是成热组件214的5毫米(mm)内的冷却流体的体积。在一些实施例中，冷却体积是垂直堆叠(支撑件216和成热组件214)5mm内冷却流体的体积。在一些实施例中，冷却体积由围绕垂直堆叠中的每个垂直堆叠的垂直圆柱体限定，其中圆柱体的任何部分不超过成热组件的5mm。
冷却流体的沸腾温度低于成热组件经历热损伤的临界温度。例如，成热组件可以是在高于100°摄氏度(C)经历损坏的计算组件。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于成热组件的临界温度。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约90℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约80℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约70℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约60℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于至少约35℃。在一些实施例中，冷却流体包括水。在一些实施例中，冷却流体包括乙二醇。在一些实施例中，冷却流体包括水和乙二醇的组合。在一些实施例中，冷却流体是水溶液。在一些实施例中，冷却流体是电子液体，诸如可以从3M获得的FC-72或类似的非导热流体。在一些实施例中，定位在冷却流体中的浸没冷却系统的成热组件、支撑件或其它元素在其表面上具有成核位点，该成核位点促进冷却流体的气泡在冷却流体的沸腾温度或低于冷却流体的沸腾温度下成核。
在一些实施例中，根据本公开的浸没冷却系统200包括风冷式冷凝器206。液冷式冷凝器可以引入作为潜在故障点的联轴器和/或导管。冷凝器中的泄漏可能对冷凝器的可靠性产生不利影响，从而危及浸没冷却系统200的冷却效率。在一些实例中，水冷却的液冷冷凝器可以将水引入浸没冷却系统200的冷却流体中，从而增加冷却流体的沸腾温度。冷却流体的沸腾温度的变化可能导致成热组件达到高于预期的温度，这可能对成热组件造成损害。
图3是根据本公开的一些实施例的浸没冷却系统300的示意图。浸没罐302限定连接到风冷式冷凝器306的浸没腔室304。风冷式冷凝器306由蒸汽回流管线318和液体回流管线320连接到浸没腔室304。在一些实施例中，蒸汽泵322与蒸汽回流管线318串联定位。在一些实施例中，液体泵324与液体回流管线320串联定位。在一些实施例中，浸没冷却系统仅包括蒸汽泵322或液体泵324中的一个。例如，在仅具有液体泵324的系统中，蒸汽冷却流体310在冷凝器306中的液体冷却流体308中的冷凝在冷凝器306处或其附近产生低压区域，其从浸没腔室304吸入蒸汽冷却流体310以穿过蒸汽回流管线318。在另一实例中，在仅具有蒸汽泵322的系统中，可以在冷凝器306处或其附近产生高压区域，其迫使液体冷却流体308穿过液体回流管线320。
在一些实施例中，液体回流管线包括冷凝物贮存器326，其允许存储冷凝器306中冷凝的液体冷却流体308。液体冷却流体308可以经由液体回流管线320中的冷凝物贮存器326中或其之后的阀门选择性地释放到浸没腔室304中。
当在浸没冷却系统300上工作时，诸如安装、卸载或维修浸没冷却系统，以及安装、卸载或维修浸没冷却系统300中的成热组件314，不可冷凝气体可以被引入到系统中。应当理解，如本文所述，不可冷凝气体包括不能由冷凝器306冷凝成液相的任何气态元素或化合物。例如，虽然冷却流体在正常操作条件下可由冷凝器冷凝，但二元氧气(O2)不是。相反，当O2在极低温度下可冷凝成液相时，这种冷凝超出了根据本公开的冷凝器306的能力或意图，并且O2是不可冷凝气体的实例。可以引入系统的其他常见不可冷凝气体包括氮气和二氧化碳。不可冷凝气体在其移动穿过浸没冷却系统300循环时不会经历相变。因此，不可冷凝气体不允许与冷却流体在液相和气相之间移动的相同水平的热能传输，并且不可冷凝气体可能损害浸没冷却系统300的热管理能力。
不可冷凝气体将穿过冷凝器306并且可以进入液体回流管线320。在不可冷凝气体可以通过液体回流管线320进入浸没罐302之前，不可冷凝气体可以从液体回流管线320过滤并且通过排气口328排出。在一些实施例中，不可冷凝气体被排入大气。在一些实施例中，不可冷凝气体可以排气到另一管道或导管以进行收集。在一些实施例中，不可冷凝气体排气口328位于冷凝物贮存器326之前。在一些实施例中，不可冷凝气体排气口328位于冷凝物贮存器326之后。在一些实施例中，不可冷凝气体排气口328被集成到冷凝物贮存器326中，从而允许不可冷凝气体从冷凝物贮存器326中排出。例如，冷凝物贮存器326可以具有位于冷凝物贮存器的底部或其附近的出口，该出口允许液体冷却流体308流入液体回流管线320中，并且冷凝物贮存器326可以具有位于冷凝物贮存器326的顶部或其附近的不可冷凝气体排气口328，使得只有气体材料可以通过排气口排出。液体冷凝物(例如，液体冷却流体308)的密度将分离冷凝物贮存器326中的材料并且允许液体冷却流体308继续回流浸没罐302。
根据本公开的浸没冷却系统可以包括各种传感器，以监测浸没冷却系统和/或冷却流体的流速、压力、温度、密度或其他属性和/或参数。例如，传感器可以定位在浸没罐、蒸汽回流管线、液体回流管线、冷凝器、冷凝物贮存器、浸没冷却系统的其他组件或它们的组合处或在其中。在一些实施例中，浸没冷却系统包括多个至少一种类型的传感器，以监测浸没冷却系统内该属性的变化。例如，根据本公开的浸没冷却系统可以在浸没冷却系统内或浸没冷却系统上的多个位置处包括温度传感器，以监测浸没冷却系统中的温度梯度和冷却效率。
在诸如相对于图3所述的浸没冷却系统的实施例中，浸没冷却系统300包括温度和压力传感器330-1、330-2，其测量蒸汽回流管线318与液体回流管线320之间的温度和压力的变化。浸没冷却系统300可以使用定位在靠近浸没罐302的蒸汽回流管线318上的第一温度和压力传感器330-1来测量离开浸没罐302的加热蒸汽冷却流体310的温度和压力。浸没冷却系统300可以使用定位在靠近浸没罐302的液体回流管线320上的第二温度和压力传感器330-2来测量回流到浸没罐302的液体冷却流体308的温度和压力。两个温度和压力传感器330-1、330-2之间的差异可以提供指示冷凝器306的冷却效率的梯度。
在一些实施例中，浸没冷却系统300包括一个或多个流速传感器332。流速传感器332可以监测冷却流体通过蒸汽回流管线318和/或液体回流管线320的输送速率。应当理解，当浸没冷却系统300处于稳态时，液体回流管线320中的液体冷却流体308的流速低于蒸汽回流管线318中的蒸汽冷却流体310的流速，因为蒸汽冷却流体310的密度低于液体冷却流体308。在一些实施例中，浸没冷却系统300包括在液体回流管线320上的流速传感器332，并且可以使用由流速传感器332测量的流速来调整冷凝物贮存器326上的阀门并且改变流速。
根据本实施例的冷凝器306的一些实施例是将热量从冷却流体散发到周围空气的风冷式冷凝器。风冷式冷凝器的维护更低，比液冷式冷凝器更可靠。风冷式冷凝器包括导热材料，其将热量从冷却流体传递到空气，从而穿过冷凝器的热交换器。在一些实施例中，热交换器包括一个或多个特征或结构以增加热交换器的表面积。例如，热交换器可以包括多个翅片或柱，其从冷却流体接收热量并且通过对流热传递将热量传导到空气。翅片可以基本上彼此平行地定位以允许气流穿过翅片之间的空间。在一些示例中，热交换器可以包括增加暴露于空气的表面积的散热器。在一些实例中，散热器与翅片或柱集成。在一些示例中，热交换器包括蒸汽腔室或(多个)热管，以有效地在较大的表面积上移动热量。
在一些实施例中，冷凝器306包括主动冷却，诸如风扇334或鼓风扇，以迫使空气穿过热交换器。风扇334可以是轴流风扇、离心鼓风扇或混合流风扇。在一些实施例中，风扇334是由外部电源供电的风扇。在一些实施例中，风扇334是热电风扇，其从温度梯度产生电力，诸如在热蒸汽冷却流体310与周围空气之间。当温度梯度较大时，热电风扇可以更快地流动空气，从而提供自适应和自供电的风扇。
冷凝器306可以包括多个风扇334以向冷凝器306提供冗余。在一些实施例中，多个风扇334中的至少两个风扇是相同的，使得第二风扇可以替换第一风扇的功能并且为第一风扇提供备份。在一些实施例中，冷凝器包括至少两个不同的风扇334(例如，轴流风扇和离心鼓风扇或不同尺寸的轴流风扇)，风扇以不同的流速提供有效的气流。冷凝器可以基于由传感器(诸如温度和压力传感器330-1、330-2和流速传感器332)测量的属性来操作两个不同风扇334中的一个或两个风扇。
根据本公开的浸没冷却系统可以包括定位在相对于浸没罐的不同位置的冷凝器。在具有风扇以在热交换器上移动空气的实施例中，冷凝器可以垂直或水平地定位在浸没罐的顶部或侧面上。例如，根据本公开的浸没冷却系统可以具有定位在浸没罐侧面的风冷式冷凝器(即，相对于重力方向与浸没罐并排定位)。
图4是侧冷凝器浸没冷却系统400的一个实施例的侧面截面图。在一些实施例中，冷凝器406与浸没罐402并排定位。侧冷凝器布置允许使用蒸汽冷却流体410和液体冷却流体408的相对密度来移动蒸汽冷却流体410和液体冷却流体408穿过冷凝器406并穿过蒸汽回流管线418和液体回流管线420。在一些实施例中，蒸汽回流管线418定位在浸没罐402的顶部或其附近，并且提供与冷凝器406的顶部的流体连通。
风扇434通过冷凝器406和热交换器436吸入空气以将蒸汽冷却流体410冷凝成液体冷却流体408。冷凝器406可以用导管定向穿过具有垂直组件的热交换器436(例如，平行于重力方向或相对于具有水平和垂直组件的重力方向成角度)，使得冷却流体在冷凝后将向下流过冷凝器406，远离蒸汽回流管线418并朝向液体回流管线420和冷凝物贮存器426。虽然图4所示的实施例在冷凝器406的侧面吸入空气并且在风扇434处将空气排出冷凝器406的顶部，但在其他实施例中，冷凝器406可以从冷凝器406的底部吸入空气并且将空气排出顶部。在一些实施例中，侧冷凝器浸没冷却系统400可以在冷凝器406的前部吸入空气并且将空气排出冷凝器406的后部。可以根据穿过周围环境的气流来选择和/或改变通过冷凝器的气流方向。
在一些实施例中，冷凝器和流体导管与浸没冷却系统的浸没罐分模块化。图5是顶部冷凝器浸没冷却系统500的一个实施例的侧面截面图，其中冷凝器506和回流管线518、520自包含在集成在浸没罐502的盖中的顶部安装配件中。在一些实施例中，浸没罐502可以与冷凝器506和回流管线配件分离，以允许基于定位在其中的成热组件进行容易得维修、维护和修改。例如，如果确定需要额外的冷却能力来有效地冷却定位在浸没槽502中的成热组件，则风冷式冷凝器506和回流管线配件可以很容易地与更大的热交换器、更高流速的风扇等更换为不同的冷凝器配件。
在一些实施例中，顶部冷凝器浸没冷却系统500缺少蒸汽回流管线和液体回流管线。冷凝器506可以包括热交换器536，其接收从浸没罐502的顶部上升的蒸汽冷却流体510。然后，热交换器536从蒸汽冷却流体510中提取热量以将蒸汽冷却流体510冷凝成液体冷却流体508，液体冷却流体508随后回落到浸没罐502中。在一些实施例中，冷凝物贮存器526位于热交换器536下方以捕捉和保留至少一部分液体冷却流体508。在至少一个示例中，热交换器536包括多个平行翅片或板，热交换器可以将热量从蒸汽冷却流体510传导出去并且将冷却流体冷凝成热交换器536的表面上的液体冷却流体508的液滴。热交换器536的底部边缘可以成角度以将液体冷却流体508的液滴引导向冷凝物贮存器526，以防止液体冷却流体508未调节地滴回浸没罐502中。然后，冷凝物贮存器526上的阀门可以选择性地将液体冷却流体508回流到浸没罐502。
在一些实施例中，冷凝器506包括蒸汽回流管线，但缺乏液体回流管线。例如，冷凝器506可以包括蒸汽回流管线，以允许传感器和/或泵(如相对于图3所述)在冷凝器506中定位在热交换器536之前。在一些实施例中，冷凝器506包括液体回流管线，但缺乏蒸汽回流管线。例如，冷凝器506可以包括液体回流管线，以允许传感器和/或泵(如相对于图3所述)在冷凝器506中定位在热交换器536之后。另外，液体回流管线可以允许热交换器536比简单地将液滴滴入冷凝物贮存器526更可靠地向冷凝物贮存器526提供液体冷却流体。
在一些实施例中，由于空间考虑和/或顶部安装配置的有限热交换器大小寸，顶部安装的冷凝器可能不可行。顶部安装的歧管(manifold)可以允许根据本公开的浸没冷却系统从浸没罐的顶部提取蒸汽冷却流体，诸如相对于图5所述，同时允许侧冷凝器配置的较大的(多个)热交换器，诸如相对于图4所述。
图6是具有顶部安装的歧管638的多冷凝器浸没冷却系统600的实施例的透视分解图。在一些实施例中，蒸汽回流管线(诸如图4的蒸汽回流管线418)可以是与多个热交换器636流体连通的歧管638。歧管638可以允许更大的流速，其具有更大的横截面积，蒸汽冷却流体可以通过该横截面积流动。图6中所示的浸没冷却系统600的实施例包括多个热交换器636，其以与重力方向成角度定向以跨热交换器636并且从冷凝器606的顶部吸出空气以通过一个或多个风扇634排出空气。在一些实施例中，歧管638由允许歧管638冷却和/或冷凝蒸汽冷却流体的导热材料制成或包括该导热材料。冷凝的液体冷却流体随后可以向下流过热交换器并经由液体回流管线、冷凝物贮存器、液体泵或本文所述的其它组件或结构回流到浸没罐602。
如本文所述，根据本公开的热交换器的一些实施例包括用于分配、分散和/或辐射热量的一个或多个元素。在至少一个实施例中，热交换器包括热管。热管可以通过有效地通过热交换器移动热蒸汽并且通过增加热交换器的表面积来增加热传递速率。图7是可用于风冷式浸没冷却系统的一些实施例的热管热交换器736的透视图。
在一些实施例中，热管热交换器736包含由框架742支撑的多个热管740。蒸汽冷却流体流动方向744可以垂直地引导跨越(横向)多个热管740并且允许热蒸汽冷却流体将热能传递到热管的更大表面积。然后，热管740可以将热能传导到热管的末端。
在一些实施例中，热管740与热管740中间的集热器水平布置在框架742的内部，并且排斥区定位在热管740的末端和/或框架742的外部。在一些实施例中，两个单端热管可以与位于框架742的每端的热管一起使用。热能可以被收集在热管热交换器736的中心，从而导致冷却流体的再冷凝，冷却流体将滴回罐中。
如图7所示，热管热交换器736的被动冷却允许浸没冷却系统的模块化。在一些实施例中，热管换热器736可以被堆叠以基于预期的或实现的热负载来调整浸没冷却系统的热容量。引导蒸汽冷却流体的热管热交换器736越多，蒸汽冷却流体暴露的热管740及其表面积就越多。由于热管热交换器736限定了蒸汽冷却流体流过的体积，因此不需要附加的导管、通道或管道来扩展浸没冷却系统的热容量。
在一些实施例中，热管热交换器736的堆叠可以通过包括定位在热管的末端上的散热器或歧管738来进一步增加热容量。在一些实施例中，散热器或歧管738包括位于堆叠端部的翅片，以进一步将热量散布并且排斥热量进入环境大气中。
定位在配件末端上的歧管738可以允许气体在热管之间流动，而不使气体暴露于环境大气中。在一些实施例中，歧管738含有干燥气体，该干燥气体限制系统受环境湿度的腐蚀。在一些实施例中，歧管738包括比环境大气更高的热容量气体。在一些实施例中，歧管738允许在堆叠的不同热管热交换器736的热管之间连接气体流动。在一些实施例中，每个热管热交换器736是自包含的，允许通过热管热交换器736的模块化堆叠来设计许多尺寸。在至少一个实施例中，类似于图7中所示和/或相对于图7所描述的热管热交换器736可以布置在具有诸如相对于图6所描述的顶部安装歧管的多冷凝器浸没冷却系统中。
工业适用性
本公开总体上涉及用于电子设备或其它成热组件的热管理的系统和方法。浸没腔室将成热组件包围在液体冷却流体中，该液体冷却流体从成热组件传导热量以冷却成热组件。当冷却流体从成热组件吸收热量时，冷却流体的温度增加并且冷却流体可能蒸发，从而将蒸汽引入冷却流体的液体中。
根据本公开的浸没冷却系统包括具有定位在其中的冷却流体的腔室。冷却流体在液相和气相之间转换以从腔室中的热或成热组件中去除热量。液相更高效地接收来自组件的热量，并且在转换到气相后，冷却流体可以被冷却和冷凝以在冷却流体在较低温度下回流到浸没浴之前从冷却流体中提取热量。
在一些实施例中，液体冷却流体的浸没浴具有定位在液体冷却流体中的多个成热组件。液体冷却流体围绕成热组件以及附接到成热组件的其他物体或部件。在一些实施例中，成热组件定位在一个或多个支撑件上的液体冷却流体中。支撑件可以支撑液体冷却流体中的一个或多个成热组件，并且允许冷却流体围绕成热组件移动。在一些实施例中，支撑件是特传导的，以从成热组件传导热量。(多个)支撑件可以增加冷却流体可以通过对流冷却从中去除热量的有效表面积。在一些实施例中，一个或多个成热组件包括附接到成热组件的散热器或其它设备，以传导热能并且有效地增加成热组件的表面积。
如上所述，将液体冷却流体转化为气相需要输入热能以克服汽化的潜热，并且可以是增加冷却流体的热容量并从成热组件中去除热量的有效机制。因为蒸汽在液体冷却流体中上升，所以气相可以从腔室中的腔室的上部蒸汽区域中提取。冷凝器将蒸汽冷却流体的部分冷却回液相，从系统中去除热能并且将冷却流体重新引入液体冷却流体的浸没浴中。冷凝器辐射或以其他方式将热能从冷却流体倾倒到周围环境中或导管中，以将热能从冷却系统中带走。
在传统浸没冷却系统中，冷凝器被集成到锅炉罐和/或腔室中，以有效地从冷却流体中去除热能。在根据本公开的一些实施例中，用于计算设备的热管理的系统允许多个锅炉罐和/或腔室连接到外部冷凝器并且与之流体连通。在一些实施例中，浸没冷却系统包括蒸汽回流管线和液体回流管线，其将锅炉罐连接到冷凝器，并且允许蒸汽冷却流体从锅炉罐和/或腔室进入冷凝器，并且允许液体冷却流体回流到锅炉罐和/或腔室。在一些实施例中，多个锅炉罐连接到共享蒸汽回流管线和/或共享液体回流管线，其依次连接到共享冷凝器，从而提供冷却系统的浸没能力的冗余性和可扩展性。在一些实施例中，蒸汽回流管线和液体回流管线连接到多个冷凝器，从而提供冷却系统的冷凝器能力的冗余性和可扩展性。
在一些实施例中，冷却流体在紧邻成热组件的冷却流体的冷却体积中接收热量。冷却体积是冷却流体的区域(包括液相和气相)，该区域紧邻成热组件并且负责成热组件的对流冷却。在一些实施例中，冷却体积是成热组件的5毫米(mm)内的冷却流体的体积。在一些实施例中，冷却体积是垂直堆叠(支撑件和成热组件)5mm内冷却流体的体积。在一些实施例中，冷却体积由围绕垂直堆叠中的每个垂直堆叠的垂直圆柱体限定，其中圆柱体的任何部分不在成热组件的5mm内。
冷却流体的沸腾温度低于成热组件经历热损伤的临界温度。例如，成热组件可以是在高于100°摄氏度(C)经历损坏的计算组件。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于成热组件的临界温度。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约90℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约80℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约70℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于约60℃。在一些实施例中，冷却流体的沸腾温度小于至少约35℃。在一些实施例中，冷却流体包括水。在一些实施例中，冷却流体包括乙二醇。在一些实施例中，冷却流体包括水和乙二醇的组合。在一些实施例中，冷却流体是水溶液。在一些实施例中，冷却流体是电子液体，诸如可以从3M获得的FC-72或类似的非导热流体。在一些实施例中，定位在冷却流体中的浸没冷却系统的成热组件、支撑件或其它元素在其表面上具有成核位点，该成核位点促进冷却流体的气泡在冷却流体的沸腾温度或低于冷却流体的沸腾温度下成核。
在具有包括计算组件的成热组件的浸没冷却系统的实施例中，类似的计算组件可以聚集成堆栈或系列。例如，第一系列成热组件可以是图形处理单元(GPU)，并且第二系列成热组件可以是中央处理单元(CPU)。在其他示例中，第一浸没冷却系统容纳GPU，并且第二浸没冷却系统容纳CPU。
在一些实施例中，类似的计算组件可以聚集到单独的锅炉罐中。例如，第一锅炉罐可以包含图形处理单元(GPU)，并且第二锅炉罐可以包含中央处理单元(CPU)。
在一些实施例中，浸没罐限定连接到风冷式冷凝器的浸没腔室。风冷式冷凝器通过蒸汽回流管线和液体回流管线连接到浸没腔室。在一些实施例中，蒸汽泵与蒸汽回流管线串联定位。在一些实施例中，液体泵与液体回流管线串联定位。在一些实施例中，浸没冷却系统仅包括蒸汽泵或液体泵中的一个。例如，在仅具有液体泵的系统中，蒸汽冷却流体在冷凝器中的液体冷却流体中的冷凝在冷凝器处或其附近产生低压区域，其从浸没腔室吸入蒸汽冷却流体以穿过蒸汽回流管线。在另一个实例中，在仅具有蒸汽泵的系统中，可以在冷凝器处或其附近产生高压区域，其迫使液体冷却流体穿过液体回流管线。
在一些实施例中，液体回流管线包括冷凝物贮存器，其允许存储冷凝器中冷凝的液体冷却流体。液体冷却流体可以经由液体回流管线中的冷凝物贮存器中或其之后的阀门选择性地释放到浸没腔室中。
当在浸没冷却系统上工作时，诸如安装、卸载或维修浸没冷却系统，以及安装、卸载或维修浸没冷却系统中的成热组件，不可冷凝气体可被引入到系统中。应当理解，如本文所述，不可冷凝气体包括不能由冷凝器冷凝成液相的任何气态元素或化合物。例如，虽然冷却流体在正常操作条件下可由冷凝器冷凝，但二元氧气(O2)不是。相反，当O2在极低温度下可冷凝成液相时，这种冷凝超出了根据本公开的冷凝器的能力或意图，并且O2是不可冷凝气体的实例。可以引入系统的其他常见不可冷凝气体包括氮气和二氧化碳。不可冷凝气体在其移动穿过浸没冷却系统循环时不会经历相变。因此，不可冷凝气体不允许与冷却流体在液相和气相之间移动的相同等级的热能传输，并且不可冷凝气体可能损害浸没冷却系统的热管理能力。
不可冷凝气体将穿过冷凝器并且可以进入液体回流管线。在不可冷凝气体可以通过液体回流管线进入浸没罐之前，不可冷凝气体可以从液体回流管线过滤并且通过排气口排出。在一些实施例中，不可冷凝气体被排入大气。在一些实施例中，不可冷凝气体可以排气到另一管道或导管以进行收集。在一些实施例中，不可冷凝气体排气口位于冷凝物贮存器之前。在一些实施例中，不可冷凝气体排气口位于冷凝物贮存器之后。在一些实施例中，不可冷凝气体排气口被集成到冷凝物贮存器中，从而允许不可冷凝气体从冷凝物贮存器中排出。例如，冷凝物贮存器可以具有位于冷凝物贮存器的底部或其附近的出口，该出口允许液体冷却流体流入液体回流管线中，并且冷凝物贮存器可以具有位于冷凝物贮存器的顶部或其附近的不可冷凝气体排气口，使得只有气体材料可以通过排气口排出。液体冷凝物(例如，液体冷却流体)的密度将分离冷凝物贮存器中的材料并且允许液体冷却流体继续回流浸没罐。
根据本公开的浸没冷却系统可以包括各种传感器，以监测浸没冷却系统和/或冷却流体的流速、压力、温度、密度或其他属性和/或参数。例如，传感器可以定位在浸没罐、蒸汽回流管线、液体回流管线、冷凝器、冷凝物贮存器、浸没冷却系统的其他组件或它们的组合处或在其中。在一些实施例中，浸没冷却系统包括多个至少一种类型的传感器，以监测浸没冷却系统内该属性的变化。例如，根据本公开的浸没冷却系统可以在浸没冷却系统内或浸没冷却系统上的多个位置处包括温度传感器，以监测浸没冷却系统中的温度梯度和冷却效率。
在一些实施例中，浸没冷却系统包括温度和压力传感器，其测量蒸汽回流管线与液体回流管线之间的温度和压力的变化。浸没冷却系统可以使用定位在靠近浸没罐的蒸汽回流管线上的第一温度和压力传感器来测量离开浸没罐的加热蒸汽冷却流体的温度和压力。浸没冷却系统可以使用定位在靠近浸没罐的液体回流管线上的第二温度和压力传感器来测量回流到浸没罐的液体冷却流体的温度和压力。两个温度与压力传感器之间的差异可以提供指示冷凝器的冷却效率的梯度。
在一些实施例中，浸没冷却系统包括一个或多个流速传感器。流速传感器可以监测冷却流体通过蒸汽回流管线和/或液体回流管线的输送速率。应当理解，当浸没冷却系统处于稳态时，液体回流管线中的液体冷却流体的流速低于蒸汽回流管线中的蒸汽冷却流体的流速，因为蒸汽冷却流体的密度低于液体冷却流体。在一些实施例中，浸没冷却系统包括在液体回流管线上的流速传感器，并且可以使用由流速传感器测量的流速来调整冷凝物贮存器上的阀门并且改变流速。
根据本实施例的冷凝器的一些实施例是将热量从冷却流体散发到周围空气的风冷式冷凝器。风冷式冷凝器的维护更低，比液冷式冷凝器更可靠。风冷式冷凝器包括导热材料，其将热量从冷却流体传递到空气，从而穿过冷凝器的热交换器。在一些实施例中，热交换器包括一个或多个特征或结构以增加热交换器的表面积。例如，热交换器可以包括多个翅片或柱，其从冷却流体接收热量并且通过对流热传递将热量传导到空气。翅片可以基本上彼此平行地定位以允许气流穿过翅片之间的空间。在一些示例中，热交换器可以包括增加暴露于空气的表面积的散热器。在一些实例中，散热器与翅片或柱集成。在一些示例中，热交换器包括蒸汽腔室或(多个)热管，以有效地在较大的表面积上移动热量。
在一些实施例中，冷凝器包括主动冷却，诸如风扇或鼓风扇，以迫使空气穿过热交换器。风扇可以是轴流风扇、离心鼓风扇或混合流风扇。在一些实施例中，风扇是由外部电源供电的风扇。在一些实施例中，风扇是热电风扇，其从温度梯度产生电力，诸如在热蒸汽冷却流体与周围空气之间。当温度梯度较大时，热电风扇可以更快地流动空气，从而提供自适应和自供电的风扇。
冷凝器可以包括多个风扇以向冷凝器提供冗余。在一些实施例中，多个风扇中的至少两个是相同的，使得第二风扇可以替换第一风扇的功能并为第一风扇提供备份。在一些实施例中，冷凝器包括至少两个不同的风扇(例如，轴流风扇和离心鼓风扇或不同尺寸的轴流风扇)，风扇以不同的流速提供有效的气流。冷凝器可以基于由传感器(诸如温度和压力传感器和流速传感器)测量的属性来操作两个不同风扇中的一个或两个风扇。
本公开涉及根据至少在下文各节中提供的示例的用于冷却计算机或计算设备的成热组件的系统和方法：
(A1)在一些实施例中，根据本公开的浸没冷却系统包括浸没罐，其限定在其中的浸没腔室。浸没腔室含有冷却液。风冷式冷凝器与浸没腔室流体连通以冷却冷却流体。
(A2)在一些实施例中，(A1)的系统包括蒸汽回流管线(诸如，图3的蒸汽回流管线318)，以将冷却流体的气相从浸没腔室传送到冷凝器。
(A3)在一些实施例中，(A1)或(A2)的系统包括液体回流管线(诸如，图3的液体回流管线320)，以将冷却流体的液相从冷凝器传送到浸没腔室。
(A4)在一些实施例中，(A1)至(A3)中任一项的系统在冷凝器中包括多个翅片，以增加表面积并且改善冷凝器向周围空气的散热。
(A5)在一些实施例中，(A1)至(A4)中任一项的系统包括具有蒸汽腔室或其它散热器的风冷式冷凝器，以有效地将来自冷却流体的热量扩散到冷凝器中的较大表面上。
(A6)在一些实施例中，(A1)至(A5)中任一项的系统包括至少一个风扇，其使环境空气流动通冷凝器的热交换器的表面或者使环境空气在风冷式冷凝器的热交换器的表面上流动。
(A7)在一些实施例中，(A6)的风扇是热电风扇。热电风扇使用温度梯度为风扇供电，从而提供冷却系统的冗余性和/或适应性，并且进一步降低维护和监控要求。
(A8)在一些实施例中，(A1)至(A7)中任一项的系统包括不可冷凝气体排气口。不可冷凝气体可以在浸没腔室和/或回流管线中占据体积并且限制可用于冷却流体的体积，这在通过相变传递热量方面更有效。
(A9)在一些实施例中，(A1)至(A8)中任一项的系统包括与风冷式冷凝器流体连通的冷凝物贮存器，以接收和存储冷却流体的液相的至少一部分。在一些实施例中，冷凝物贮存器定位在液体回流管线中。
(A10)在一些实施例中，(A9)的系统包括阀门，阀门定位在冷凝物贮存器之后并且被配置为选择性地允许冷却流体的液相从冷凝物贮存器流动到浸没腔室。
(A11)在一些实施例中，(A1)至(A10)中任一项的系统包括第一传感器，用于在第一位置处测量冷却流体的第一属性。
(A12)在一些实施例中，(A11)的系统包括第二传感器，用于在第二位置处测量第一属性。
(A13)在一些实施例中，(A11)或(A12)的系统包括用于测量冷却流体的第二属性的第二传感器。
(A14)在一些实施例中，(A11)至(A13)中任一项的第一属性是冷却流体的温度。
(A15)在一些实施例中，(A11)至(A13)中任一项的第一属性是冷却流体的流速。
(A16)在一些实施例中，根据本公开的热管理系统包括浸没罐，浸没罐限定浸没腔室，浸没腔室具有至少部分位于浸没腔室中的冷却流体。浸没腔室与风冷式冷凝器流体连通以冷却冷却流体。风冷式冷凝器通过蒸汽回流管线和液体回流管线的闭环连接到浸没冷凝器，蒸汽回流管线将浸没罐连接到风冷式冷凝器，并且被配置为将冷却流体的气相从浸没罐传送到风冷式冷凝器，液体回流管线将风冷式冷凝器连接到浸没罐，并且被配置为将冷却流体的液相从风冷式冷凝器传送到浸没罐。该系统还包括冷凝物贮存器，其定位在液体回流管线中并且被配置为存储冷却流体的液相的至少一部分。
(A17)在一些实施例中，(A16)的风冷式冷凝器是浸没罐的盖子。通过将风冷式冷凝器集成到浸没罐的盖子中，该系统是模块化的，并且不同尺寸和容量的冷凝器可以很容易地与不同尺寸和容量的浸没罐配对。
(A18)在一些实施例中，(A16)的风冷式冷凝器的热交换器相对于重力方向被定向以允许冷却流体的液相离开热交换器。
(A19)在一些实施例中，(A16)至(A18)的蒸汽回流管线包括歧管或作为歧管。
(A20)在一些实施例中，一种热管理系统包括浸没罐，浸没罐限定浸没腔室，浸没腔室具有至少部分位于浸没腔室中的冷却流体。浸没腔室与风冷式冷凝器流体连通以冷却冷却流体。风冷式冷凝器包括热交换器和风扇，以使空气穿过热交换器。热交换器通过蒸汽回流管线和液体回流管线的闭环连接到浸没冷凝器，蒸汽回流管线将浸没罐连接到风冷式冷凝器，并且被配置为将冷却流体的气相从浸没罐传送到风冷式冷凝器，液体回流管线将风冷式冷凝器连接到浸没罐，并且被配置为将冷却流体的液相从风冷式冷凝器传送到浸没罐。该系统还包括冷凝物贮存器，其定位在液体回流管线中并且被配置为存储冷却流体的液相的至少一部分，以及至少一个传感器，其定位在蒸汽回流管线或液体回流管线上以测量冷却流体的性质。
冠词“一”、“一个”和“该”旨在意指存在前述描述中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包含性的，并且意指除所列出的元素之外可能存在附加元素。另外，应当理解，对本公开的“一个实施例”或“实施例”的引用并不旨在被解释为排除也包含所记载特征的附加实施例的存在。例如，关于本文实施例描述的任何元素可以与本文所述的任何其他实施例的任何元素组合。本文陈述的数字、百分比、比率或其它值旨在包括该值，以及如本公开的实施例所涵盖的领域的普通技术人员将理解的，“大约”或“近似”所述值的其它值。因此，所述值应被广义地解释为包括至少足够接近所述值以执行期望功能或实现期望结果的值。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括与所述值相差不超过5％、不超过1％、不超过0.1％或不超过0.01％的值。
本领域普通技术人员应认识到，鉴于本公开，等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且可以对本文公开的实施例进行各种变化、取代和改变而不脱离本公开的精神和范围。等同构造，包括功能性“手段加功能”条款，旨在涵盖本文描述为执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物和提供相同功能的等同结构两者。申请人的明确意图是不为任何权利要求援引“手段加功能”或其他功能性权利要求，但“手段”一词与相关联的功能一起出现的那些除外。在权利要求的含义和范围之内对实施例的每个添加、删除和修改将被权利要求所包含。
应当理解，前述描述中的任何方向或参考框架仅仅是相对方向或运动。例如，对“前”和“后”或“顶”和“底”或“左”和“右”的任何引用仅描述相关元素的相对位置或移动。
本公开可以以其他具体形式实施而不脱离其精神或特性。所描述的实施例应被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求书指示，而不是由前述描述指示。落入权利要求等同的含义和范围的变化应包含在其范围内。

Claims (15)

1.一种热管理系统，包括：
浸没罐，所述浸没罐限定浸没腔室；
冷却流体，所述冷却流体至少部分地被定位在所述浸没腔室中；以及
风冷式冷凝器，所述风冷式冷凝器与所述浸没腔室流体连通，以冷却所述冷却流体。
2.根据权利要求1所述的热管理系统，还包括蒸汽回流管线，所述蒸汽回流管线将所述浸没罐连接到所述风冷式冷凝器并且被配置为将所述冷却流体的气相从所述浸没罐传送到所述风冷式冷凝器。
3.根据权利要求1所述的热管理系统，还包括液体回流管线，所述液体回流管线将所述风冷式冷凝器连接到所述浸没罐并且被配置为将所述冷却流体的液相从所述风冷式冷凝器传送到所述浸没罐。
4.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述风冷式冷凝器包括多个翅片。
5.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述风冷式冷凝器包括蒸汽腔室。
6.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述风冷式冷凝器包括至少一个风扇，以使环境空气流动通过所述风冷式冷凝器的热交换器的表面或者使环境空气在所述风冷式冷凝器的热交换器的表面上流动。
7.根据权利要求6所述的热管理系统，其中所述至少一个风扇是热电风扇。
8.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述风冷式冷凝器包括不可冷凝气体排气口。
9.根据权利要求1所述的热管理系统，还包括与所述风冷式冷凝器流体连通的冷凝物贮存器，以接收和存储所述冷却流体的液相的至少部分。
10.根据权利要求9所述的热管理系统，还包括阀门，所述阀门被定位在所述冷凝物贮存器之后并且被配置为选择性地允许所述冷却流体的所述液相从所述冷凝物贮存器流动到所述浸没腔室。
11.根据权利要求1所述的热管理系统，还包括第一传感器，用于在第一位置处测量所述冷却流体的第一属性。
12.根据权利要求11所述的热管理系统，还包括用于在第二位置处测量所述第一属性的第二传感器。
13.根据权利要求11所述的热管理系统，还包括用于测量所述冷却流体的第二属性的第二传感器。
14.根据权利要求11所述的热管理系统，其中所述第一属性是所述冷却流体的温度。
15.根据权利要求11所述的热管理系统，其中所述第一属性是所述冷却流体的流速。
CN202180090727.1A 2021-01-15 2021-12-09 使用风冷式冷凝器进行浸没冷却的系统和方法 Pending CN116711473A (zh)

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