CN1893802B - 包括可热插拔部件的液体冷却系统 - Google Patents

Abstract

本说明书公开一种装置，包括具有入口和出口的冷却板，该冷却板可附着到热源上，具有入口和出口的热交换器，其中热交换器的出口耦合到冷却板的入口上；以及包括至少一个泵的可热交换泵模块，该泵模块耦合到冷却板并且耦合到热交换器上。本发明还公开一种方法，包括采用闭合回路冷却系统冷却热源，该冷却系统包括具有入口和出口的冷却板，该冷却板可附着到热源上；具有入口和出口的热交换器，其中热交换器的出口耦合到冷却板的入口上；以及包括至少一个泵的可热交换泵模块，该泵模块耦合到冷却板并且耦合到热交换器上，以及在冷却系统运行的同时拆卸或者安装泵模块，还描述和要求保护了其它实施例。

Description

包括可热插拔部件的液体冷却系统

技术领域

本发明总的来说涉及液体冷却系统，并且具体涉及而不是唯一涉及包括可热插拔部件的液体冷却系统。

发明背景

大多数电子器件如服务器，计算机等，均由各种电子元件在某种金属盒或者机壳内形成。特别是，许多服务器现在安装在称为“叶片”的单个电路板上并且放置在符合2003年1月公开的高级电信计算体系(ATCA)3.0标准的机壳内。该ATCA标准定义传送工业标准高性能的基于交换结构的开放的平台，容错性，以及下一代电信和数据中心设备的可升级方案。ATCA标准的发展已经被PCI工业计算机制造商组织(PICMG)所监督，该组织就是创立了卓有成效的紧凑PCI标准的组织。

ATCA3.0基本规范基于可热插拔叶片之间的交换结构连接(fabricconnection)的现有的标准机壳定义了物理和电气特征。尤其是，ATCA3.0基本规范定义了框架(机架)和支架(机壳)形状因数，核心底板结构连接性，电源，冷却，管理接口，以及ATCA兼容板的机电规范。ATCA3.0基本规范还定义了每叶片200瓦(W)的功率预算，使得高性能服务器具有多处理器体系以及多千兆字节板上存储器。

在运行过程中，每个叶片的部件产生热量。叶片型计算机的现有形状因数依赖于冷却的强制性对流。在符合ATCA3.0规范的叶片计算机中，大的固态金属散热片与强制性对流一起使用以冷却高功率处理器。然而，散热器的体积由于高度约束而受到限制，并且基于当前的机壳技术，容积气流率也受到限制。同样，散热器的冷却能力也受到相当限制，由此限制了更高性能(以及更高发热)处理器的使用。另外，为了扩展冷却能力，处理器必须放置在最冷空气温度的位置，这样发热装置被限制而放置在叶片的下部，这样流进机壳的冷却空气将立即流过散热器。

附图说明

本发明的非限定性以及非穷举性实施例将参考下面的附图进行描述，其中除非另有说明，所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1是符合高级电信计算体系(ATCA)规范的服务器的实施例的侧视图。

图2是适合用在叶片型计算机中的本发明的实施例的侧视图。

图3是如图2所示的本发明的实施例使用的可热插拔泵模块的实施例的侧视图。

图4是如图2所示的本发明的实施例使用的流体和电连接器的实施例的截面图。

图5A-5B是描述连接器运行的图4中所示的流体和电连接器的实施例的截面图。

具体实施方式

在此描述具有可热插拔部件的液体冷却系统的实施例.在下面的说明书中，将描述大量的特定细节以对本发明的实施例进行彻底的理解.然而，相关领域的技术人员将得知本发明可实现而不使用特定细节中的一个或多个，或者使用其它方法、部件、材料等.换句话说，公知的结构、材料或者操作并未示出或者详细描述以避免模糊本发明的一些方面.

该说明书对“一个实施例”或者“一实施例”的引用表示结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，术语“在一个实施例中”或者“在一实施例中”在该说明书中的出现并不必全部指相同的实施例。此外，特定特征、结构或者特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例中结合。

图1示出了服务器100的一个实施例。尽管服务器100表示为单个，但是实际上其可包括许多单个服务器，每个在其自己的叶片上。服务器100包括机壳101，其中我们可发现形成该服务器的电子元件。在所示的实施例中，机壳101是符合ATCA形状因数规范的机壳并且是由顶部106，底部104以及四个侧壁102形成的金属盒。在机壳101内，底部压力通风系统105位于这些元件之下，同时，顶部压力通风系统103位于这些元件之上。侧壁102中的至少两个包括通风孔，使得冷却空气流进底部压力通风系统105，同时机壳后面的出口使得热空气124排出顶部压力通风系统。

机壳内部的电子元件包括一个或多个单个服务器，每个服务器在独立的叶片110上。其中每个叶片110除了别的之外还包括，一对处理器116和一个存储器118，该存储器可为易失存储器例如动态随机存取存储器(DRAM)或者同步动态随机存取存储器(SDRAM)，或者可为非易失存储器如只读闪存(ROM)或者磁盘存储器。在一个实施例中，处理器116可具有附着其上的散热片以改进热传导。叶片110插入到底板112中，其作为母板，用来将各种叶片连接在一起并且管理各个叶片和外部设备之间以及叶片本身内的通信。可选RTM 114提供可选择的附加连接并且功能性地从底板分离。底板112、叶片110以及RTM114垂直定位在机壳中。

在运行中，每个叶片110上的元件，如处理器116，产生大量的热。叶片110由强制性对流的流过机壳101的空气进行冷却。冷却空气120进入到底部压力通风系统105中并且向上移动，这样其流过叶片110上的元件，例如处理器116以及它们相关的散热片。强制性对流单元，此种情况下为一对风扇122，位于顶部压力通风系统103后部上的出口上或者在该出口附近。该风扇既将冷却空气120引入机壳内又将热空气124从机壳散出，增加了通过机壳的空气流动以及从机壳带走的热量总量。

图2示出了包括叶片计算机的本发明的实施例，该叶片计算机包括冷却系统200。叶片202包括连接器204使得叶片计算机200插入到机壳中的底板中。在一个实施例中，该叶片符合PICMG高级电信体系(ATCA)3.0基本标准，尽管在其它实施例中叶片202不必符合ATCA标准。

冷却系统200包括四个基本部件：冷却板208和214，每个冷却板安装到处理器206上；安装到叶片上的无泄漏连接器220；两个泵模块238和240；以及安装到叶片202上的热交换器226。冷却板208具有入口210和出口212，并且冷却板214具有入口216和出口218。冷却板串联连接，同时冷却板208的出口212通过管道242耦合到冷却板214的入口216上。冷却板214的出口218通过管道244耦合到无泄漏连接器220的入口222上，同时无泄漏连接器的出口224通过管道248耦合到热交换器226的入口228上。热交换器的出口230耦合到冷却板208的入口210上。为了完全闭合该冷却回路，泵模块238和240插入到无泄漏连接器220中。

冷却板208和214每个安装到处理器206上.每个冷却板205是其内部结构设计成使得液体流过的优化金属板.内部结构通常进行优化，从而以最低的流率产生最大的热传导.通过冷却板从产生热的设备(例如，处理器206)带走热并且传到工作流体上.工作流体然后通过泵送出冷却板到热交换器226上，其中热然后通过对流传递到流过叶片202的空气上.

热交换器226将来自工作流体的热传导到系统气流上。在所示实施例中，热交换器为流体空气热交换器。流体空气热交换器包括一个或多个管道，通过该管道流动热的工作流体。管道附着在几个冷却散热片上，空气在其上流动。流体的热通过传导从流体传递到散热片上，并且然后通过对流从散热片传递到经过散热片的空气流上。然而，在冷却系统200的其它实施例中，可使用其它类型的热交换器。

用于连接系统200的各种部件并且在这些部件之间传输流体的管道可为任何类型的管道。在一个实施例中，使用可弯曲非金属管道，以便于安装并且如果管道与叶片202上的电子元件接触也可以防止短路。然而，在其它实施例中，也可使用硬金属或者非金属管。

无泄漏连接器220安装在叶片202的表面并且将冷却流体分布到安装在夹层卡(mezzanine card)上的许多泵模块上。夹层卡是插入到叶片中而不是插入到底板的卡，如高级夹层卡形状因数。无泄漏连接器220设计成无泄漏，快速断开系统，使得夹层卡泵模块容易拆卸同时系统200运行而不中断系统；换句话说，连接器220形成可热插拔的泵模块。另外，连接器220包括电导线，从叶片202提供功率给夹层卡。下面结合附图4和5A-5B讨论无泄漏连接器220的进一步细节。

泵模块238和240驱动工作流体通过冷却板、管道、以及热交换器。多个泵模块可如图所示串联使用以增加流体泵容量，增加冗余性，并且增强系统可靠性。在所示实施例中，有两个泵模块，但在其它实施例中，可使用更多或者更少的泵模块。例如，在当前ATCA3.0标准下，叶片可容纳多达四个夹层卡。然而，非ATCA叶片可以能够容纳更多的夹层卡。

泵模块238和240均包括设置在夹层卡上的泵和储存器。这些特定的部件被放置在夹层卡上，是因为它们是通常具有最低平均无故障时间(MTBF)的部件，即，它们是最可能需要维护或更换的部件。泵模块还包括无泄漏快速断开流体和电连接器，以与无泄漏连接器220对接。当拆卸泵模块时，连接器220用作阀门并且关闭流体路径，防止从已经拆卸的泵模块泄漏。流体/电连接器的内部几何结构这样进行设计，使得流体将仍然流到剩余的泵模块。这使得一个泵模块为进行维护而被拆卸时，仍然可以提供充足的冷却给叶片，这样其仍然在起作用。泵模块238和240的进一步细节将在下面结合附图3进行讨论。

图3示出了泵模块238的一个实施例的详细视图。泵模块238包括流体储存器304，一对泵310和316以及电连接器326。所有的这些部件安装在夹层卡302上。为了使得容易保养拆卸，夹层卡包括具有最低平均无故障时间(MTBF)并且要求经常维护的部件。夹层卡还包括容易从叶片202进行卡的拆卸的部件，如把手。

在泵模块238中，流体储存器304具有入口306以及出口308。泵316具有快速连接/断开装置324附着其上的入口320以及通过管道330耦合到储存器入口306的出口318。同样，泵310具有通过管道328耦合到储存器的出口308的入口312，并且具有快速连接/断开装置(fitting)322附着其上的出口314。

流体储存器304附着在夹层卡302上并且只要该流体存储器可维持工作流体的要求体积并且满足其它限定条件，其可为任何形状以及大小。在一个实施例中，工作流体为大气压下的水，但在其它实施例中，可使用不同压强下的不同流体或者流体混合物。例如，可使用在大气压下的乙二醇和水的50％的混合物。在其它实施例中，工作流体可为多状态的，意味着例如其可在系统中以流体和以气态存在。还可使用与大气压不同的压强。

尽管在其它实施例中，储存器可具有不同的形状和大小，但在所示实施例中，储存器304是薄的矩形盒，其尺寸符合夹层卡的ATCA 3.0标准。流体储存器304可包括流体液位传感器，如浮阀(未示出)，以测出储存器中的流体量。流体液位传感器可耦合到也安装在夹层卡302上的逻辑电路(未示出)，并且逻辑电路连接到流体液位的某种外部指示器上。在所示实施例中，外部指示器是夹层卡面板上的发光二极管(LED)332，当流体液位低于所需要的液位时发光。然而，在其它实施例中，外部指示器可为某些不同的东西，例如指示储存器中流体的实际液位是否太低的量规。当储存器中的流体液位低时，流体可采用连接到储存器和面板的流体再充端口334进行补充而不拆卸夹层卡。

在所示实施例中，在夹层卡302上有串联连接的两个泵310和316。泵310和316可为任一类型的电子泵，其满足系统的大小和流动要求。在一个实施例中，泵310和316为电压驱动单列活塞泵。然而，在其它实施例中，可使用其它类型的泵。例如，可使用商用泵，例如在水族馆中通常使用的那些泵。许多数量的泵可放置在夹层卡上以满足冗余性以及提高流体流动。所示的实施例具有两个泵310和316，但其它实施例可使用多于两个的泵或者仅使用一个泵，只要一个泵是足够可靠的(即，具有足够高的平均无故障时间(MBTF))。泵310具有附着到其出口的快速连接/断开装置322并且泵316具有附着到其入口的快速连接/断开装置324。当泵模块328被安装在叶片202上时，装置322和324与快速连接/断开装置422和424在无泄漏连接器220上啮合(见图4)。

夹层卡302还包括电连接器326以与无泄漏连接器上的电连接器对接。当与无泄漏连接器220上的对应电连接器426耦合时(见图4)，电连接器326提供必要的电源以运行泵310和316，耦合到LED 332并且耦合到储存器内部的流体液位传感器的逻辑电路(未示出)，以及夹层卡上需要电源的其它任何装置。电连接器326还在叶片202和夹层卡之间提供数据连接。

图4示出了无泄漏连接器220的实施例的细节。连接器220设计成容纳两个泵模块，但可容易修改为容纳更多或更少的模块。无泄漏连接器220包括壳体402，壳体402内存在连接到提供流体给泵模块的四个管道的平衡通道412：管道416提供流体给泵模块238并且管道414从该泵模块接收流体，同时管道420提供流体给泵模块240并且管道418从该泵模块接收流体。主入口222通过管道244耦合到冷却板并且提供流体给连接器220，同时主出口224通过管道248耦合到热交换器226并且载送流体离开连接器220。

连接器220还包括两个泵接口408和410，每个泵模块有一个泵接口.泵接口408包括其上具有快速连接/断开装置422的管道414的末端，其上具有快速连接/断开装置424的管道416的末端，以及电连接器426.泵接口410具有类似的部件.当泵模块238位于其安装位置时，来自泵310出口的装置322由快速连接/断开装置422啮合，来自泵316入口的装置324由快速连接/断开装置424啮合，并且电连接器426由夹层卡302上的电连接器326进行啮合.快速连接/断开装置与连接器220的设计结合使用使得泵模块成为可热插拔的，意味着它们可在系统运行时拆卸和/或插入，而不需要切断系统.

在连接器220的运行过程中，平衡通道412的直径进行优化，使得连接器220自平衡，意味着如果另一个泵模块被拆卸其仍使得流体流到一个泵模块上；代表性地，平衡通道的直径将比连接器220中的其它管道的直径小。在图4中，当两个泵模块238和240安装并且起作用时流体随着箭头路径流动。泵的压力使得流体绕过流体平衡通道412并且直接流到泵模块或者从泵模块直接流出。

图5A-5B示出对于其中泵模块中的一个被拆卸或者不起作用的情况下无泄漏连接器220的运行。图5A示出其中泵模块240被拆卸或者不起作用的情况，并且图5B示出其中泵模块238被拆卸或者不起作用的情况。每种情况中通过连接器220的流动由箭头示出。平衡通道412的直径进行优化以平衡连接器中的压力并且确保流体流过连接到工作泵模块的通道。该设计的这一方面使得当一个泵模块不存在或者不起作用时流体冷却系统仍然起作用。

本发明所示实施例的上述描述，包括摘要所描述的，并不旨在穷举或者限定本发明为所公开的精确形式。尽管本发明的特定实施例以及本发明的实例在此为演示目的而进行描述，但各种等效修改在本发明的范围内也是可以的，正如相关领域技术人员所熟知的。可根据上述具体描述对本发明作出修改。

在所附权利要求中所使用的术语并不构成将本发明限定为在说明书和权利要求书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围完全由下述权利要求所确定，该下述权利要求应当根据已确立的权利要求的解释原则来解释。

Claims (31)

1.一种装置，包括：

具有入口和出口的冷却板，该冷却板附着在热源上；

具有入口和出口的热交换器，其中热交换器的出口耦合到冷却板的入口；以及

包括至少一个泵的可热插拔泵模块，该可热插拔泵模块能够在冷却系统运行期间被移去而不用中断冷却系统的运行，该泵模块耦合到冷却板并且耦合到热交换器。

2.权利要求1的装置，还包括无泄漏连接器，该无泄漏连接器具有主入口、主出口以及包括入口和出口的泵接口，其中主入口耦合到冷却板的流体出口，主出口耦合到热交换器的入口，并且可热插拔泵模块耦合到泵接口。

3.权利要求2的装置，其中泵接口为第一泵接口，并且其中无泄漏连接器还包括第二泵接口，该第二泵接口包括入口和出口。

4.权利要求3的装置，其中可热插拔泵模块为第一可热插拔泵模块，并且还包括连接到第二泵接口的第二可热插拔泵模块。

5.权利要求3的装置，其中无泄漏连接器是自平衡的。

6.权利要求2的装置，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速连接/断开装置。

7.权利要求2的装置，其中无泄漏连接器还包括电连接器。

8.权利要求7的装置，其中可热插拔泵模块还包括能够耦合到无泄漏连接器的电连接器的电连接器。

9.权利要求1的装置，其中可热插拔泵模块包括：

具有入口和出口的储存器；

第一泵，其入口连接到泵接口的出口，并且其出口连接到储存器的入口；以及

第二泵，其入口连接到储存器的出口，并且其出口连接到泵接口的入口。

10.权利要求9的装置，其中储存器包括流体液位传感器。

11.权利要求10的装置，其中可热插拔模块包括耦合到流体液位传感器并且耦合到流体液位可视指示器的逻辑电路。

12.一种装置，包括：

具有入口和出口的冷却板，该冷却板可附着在热源上；

具有入口和出口的热交换器，其中热交换器的出口耦合到冷却板的入口；

无泄漏连接器，具有主入口、主出口和包括入口和出口的泵接口，其中主入口耦合到冷却板的流体出口，主出口耦合到热交换器的入口；并且

耦合到泵接口的可热插拔泵模块，该可热插拔泵模块能够在冷却系统运行期间被移去而不用中断冷却系统的运行，该可热插拔泵模块包括一个储存器和至少一个泵。

13.权利要求12的装置，其中泵接口为第一泵接口，并且其中无泄漏连接器还包括第二泵接口，该第二泵接口包括入口和出口。

14.权利要求13的装置，其中可热插拔泵模块为第一可热插拔泵模块，并且还包括连接到第二泵接口的第二可热插拔泵模块。

15.权利要求14的装置，其中无泄漏连接器是自平衡的。

16.权利要求12的装置，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速连接/断开装置。

17.权利要求12的装置，其中无泄漏连接器包括耦合到电源上的电连接器。

18.权利要求17的装置，其中可热插拔泵模块包括可耦合到无泄漏连接器的电连接器上的电连接器.

19.权利要求12的装置，其中储存器具有入口和出口并且可热插拔泵模块包括：

第一泵，其入口连接到泵接口的出口，并且其出口连接到储存器的入口上；以及

第二泵，其入口连接到储存器的出口，并且其出口连接到泵接口的入口上。

20.权利要求19的装置，其中储存器包括流体液位传感器。

21.权利要求20的装置，其中可热插拔模块包括耦合到流体液位传感器并且耦合到流体液位可视指示器的逻辑电路。

22.一种系统，包括；

计算机叶片，其上具有处理器以及同步动态随机存取存储器(SDRAM)；

具有入口和出口的冷却板，该冷却板附着在处理器上；

具有入口和出口的热交换器，其中热交换器安装到叶片上并且热交换器的出口耦合到冷却板的入口；以及

可附着到计算机叶片上的夹层卡，该夹层卡其上具有包括至少一个泵的可热插拔泵模块，该可热插拔泵模块能够在冷却系统运行期间被移去而不用中断冷却系统的运行，该可热插拔泵模块耦合到冷却板上并且耦合到热交换器上。

23.权利要求22的系统，还包括附着在叶片上的无泄漏连接器，该无泄漏连接器具有主入口，主出口，以及包括入口和出口的泵接口，其中主入口耦合到冷却板的流体出口上，主出口耦合到热交换器的入口，并且可热插拔泵模块耦合到泵接口上。

24.权利要求23的系统，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速连接/断开装置。

25.权利要求22的系统，其中可热插拔泵模块包括：

具有入口和出口的储存器；

第一泵，其入口连接到泵接口的出口，并且其出口连接到储存器的入口；以及

第二泵，其入口连接到储存器的出口，并且其出口连接到泵接口的入口。

26.权利要求25的系统，其中储存器包括流体液位传感器。

27.权利要求26的系统，其中夹层卡包括耦合到流体液位传感器并且耦合到流体液位可视指示器的逻辑电路。

28.一种方法，包括：

采用闭合回路冷却系统冷却热源，包括：

具有入口和出口的冷却板，该冷却板可附着在热源上，

具有入口和出口的热交换器，其中热交换器的出口耦合到冷却板的入口；以及

包括至少一个泵的可热插拔泵模块，该可热插拔泵模块能够在冷却系统运行期间被移去而不用中断冷却系统的运行，该泵模块耦合到冷却板上并且耦合到热交换器上；以及

可在冷却系统运行的同时拆卸或者安装泵模块。

29.权利要求28的方法，其中冷却系统还包括无泄漏连接器，该无泄漏连接器具有主入口、主出口和包括入口和出口的泵接口，其中主入口耦合到冷却板的流体出口，主出口耦合到热交换器的入口，并且可热插拔泵模块耦合到泵接口。

30.权利要求29的方法，其中泵接口的入口和出口包括其上的快速连接/断开装置。

31.权利要求30的方法，其中可热插拔泵模块包括：

具有入口和出口的储存器；

第一泵，其入口连接到泵接口的出口并且其出口连接到储存器的入口上；以及

第二泵，其入口连接到储存器的出口并且其出口连接到泵接口的入口上。

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