EA019644B1

EA019644B1 - Теплообменник для охлаждения электронного устройства

Info

Publication number: EA019644B1
Application number: EA201100700A
Authority: EA
Inventors: Саймон Питер Дейвис
Original assignee: Аква Кулинг Солушнз Лтд.
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2014-05-30
Also published as: GB2465140B; US20110226446A1; GB2465140A; US8582295B2; GB0819910D0; ES2583055T3; EA201100700A1; EP2350767B1; WO2010049710A1; EP2350767A1

Abstract

Предложена электронная система, содержащая электронное устройство и теплообменник для теплообмена с указанным устройством. Теплообменник содержит трубопровод для приёма текучей среды, причём, по меньшей мере, участок трубопровода находится в тепловом контакте с устройством. Система также содержит средство для понижения давления текучей среды в указанном участке трубопровода до значения, меньшего, чем давление снаружи трубопровода, для минимизации протечки текучей среды на указанное устройство в случае повреждения указанного участка трубопровода.

Description

Настоящее изобретение относится к электронной системе и, в частности, но не исключительно, к компьютерной системе.

Компьютерные системы, в частности так называемые компьютерные серверные блоки, вырабатывают в процессе использования значительное тепло, и это тепло требуется отводить для минимизации возможности причинения вреда компонентам блока и для обеспечения оптимальной работы компонентов. Отвод тепла традиционно осуществляется посредством обдувания компонентов струёй воздуха. Воздух охлаждается в отдалении с помощью теплообменников и поддерживаемого над ними протекающего воздуха. Однако, поскольку вырабатываемое такими компонентами тепло возрастает линейно с увеличением их сложности, вместе с числом компонентов и устройств, установленных в любом месте, объём воздушного потока, который должен проходить через серверный блок, соответственно возрастает. В конечном счёте, этот воздушный поток становится таким, что он может вызвать повреждение или иное нарушение компонентов, поэтому его требуется заменить на более эффективный механизм охлаждения.

Отвод тепла может достигаться пропусканием жидкости через сеть трубок в непосредственной близости к различным компонентам для отвода тепла. Однако если трубка пробивается или соединение между трубками даёт утечку, то жидкость будет протекать на связанные компоненты, что может тем самым в дальнейшем повредить сервер или компьютер.

Вышеуказанные недостатки частично устранены в известной охлаждающей системе, показанной на фиг. 1. Устройство 10 снабжено охлаждающим оборудованием 12, установленным на раме 14. Первый резервуар 16 хладагента 18 помещён вблизи рамы 14, трубопровод 20 проходит от этого резервуара 16 и описывает извилистый тракт по раме 14, чтобы тем самым увеличить площадь поверхности трубопровода 20, который находится в тепловом контакте с оборудованием 12. Трубопровод 20 заканчивается во втором резервуаре 22, также выполненном для размещения хладагента 18. Выпуск резервуара 22 подан к насосу 24 по трубопроводу 26, чтобы втягивать жидкость из резервуара 22, который, в свою очередь, втягивает хладагент через трубопровод 20. Насос 24 служит также для возврата хладагента в резервуар 16 по трубопроводу 28.

Насос 24 снижает давление хладагента, проходящего через трубопровод 20, ниже атмосферного давления. Следовательно, если трубопровод 20 пробит или иным образом нарушена его целостность, так что в нём образуется путь для потенциальной утечки, в трубопровод 20 из окружающей среды всасывается воздух. Уровень хладагента во втором резервуаре 22 падает по мере того, как в систему 10 всасывается воздух. Когда этот уровень опускается ниже датчика 30 обнаружения нижнего уровня, насос 24 выключается, и сила тяжести используется для подачи хладагента 18 в резервуар 22 до тех пор, пока датчик 32 обнаружения верхнего уровня не воспримет увеличение уровня хладагента во втором резервуаре 22. Отсюда следует, что в течение этого периода отсутствия работы насоса давление в трубопроводе 20 нарастает и существует риск того, что хладагент выйдет из трубопровода 20 или что рама 14 должна быть немедленно изолирована от охлаждающей системы, пока утечка не будет устранена.

Желательно обеспечить охлаждающую систему, которая способна обеспечить продолжение работы устройства, даже если обнаруживается утечка вышеупомянутого типа. Теперь разработана электронная система, которая облегчает, по меньшей мере, некоторые из вышеупомянутых проблем.

Согласно первому варианту настоящего изобретения предложена электронная система, содержащая электронное устройство;

теплообменник для теплообмена с устройством, содержащий трубопровод для приёма текучей среды, причём, по меньшей мере, участок этого трубопровода размещён в тепловом контакте с устройством;

средство для снижения давления текучей среды в участке трубопровода до значения меньше, нежели давление снаружи трубопровода, причём это снижающее давление средство содержит насос, связанный с трубопроводом; и трубку Вентури.

Сниженное давление жидкости в теплообменнике по отношению к давлению снаружи от теплообменника гарантирует, что в случае утечки или пробивания в одном из трубопроводов, например в трубках теплообменника, текучая среда не будет проходить на компоненты связанного устройства. Сниженное давление, таким образом, гарантирует, что текучая среда удерживается в трубках. Далее, за счёт обеспечения трубки Вентури в снижающем давление средстве вместимость системы может быть сразу расширена до управления тепловым окружением всего помещения вычислительного оборудования без необходимости предусматривать дополнительные местные насосы.

Насос можно размещать в трубопроводе. Текучая среда может содержать жидкость.

Площадь внутреннего поперечного сечения участка трубопровода может быть меньше площади внутреннего сечения остальной длины этого трубопровода, за исключением упомянутого участка.

Участок трубопровода может быть размещён в тепловом контакте с теми частями электронного устройства, которые требуют теплообмена.

Электронная система может далее содержать средство обнаружения утечки для обнаружения нарушения целостности трубопровода. Это средство обнаружения может содержать воспринимающее средство для восприятия давления текучей среды по меньшей мере в одном трубопроводе. Альтернативно или в дополнение к этому, средство обнаружения утечки может содержать ультразвуковое восприни

- 1 019644 мающее средство для восприятия давления воздуха в трубопроводе.

Система может далее содержать сигнализирующее средство для обеспечения сигнализации в ответ на сигналы, выводимые из воспринимающего средства. Сигнализирующее средство может быть устроено для генерирования тревоги, когда воспринимающее давление средство воспринимает значение давления, которое находится вне диапазона значений давления.

Электронное устройство может содержать компьютер или компьютерный сервер либо комплект компьютерных серверов, к примеру информационный зал, где каждый сервер может быть установлен на отдельной раме. Каждая рама может иметь связанный с ней трубопровод, и каждый соответствующий трубопровод размещён в жидкостном сообщении со средством снижения давления.

Предпочтительно теплообменник отводит тепло по меньшей мере от одного устройства.

Согласно второму объекту настоящего изобретения предложен компьютерный теплообменник, содержащий трубопровод для приёма текучей среды, причём, по меньшей мере, участок этого трубопровода размещён в тепловом контакте с устройством;

средство для снижения давления текучей среды в участке трубопровода до значения меньше, нежели давление снаружи трубопровода, причём снижающее давление средство содержит насос, связанный с трубопроводом; и трубку Вентури.

Теперь будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения только посредством примеров и со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1 является условной иллюстрацией традиционной охлаждающей системы.

Фиг. 2 является условной иллюстрацией электронной системы согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 является условной иллюстрацией электронной системы согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 показана электронная система 110 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Система 110 содержит множество компьютерных компонентов 111 и теплообменник 112 для отвода тепла, вырабатываемого компонентами 11 во время использования компьютера (не показан).

Теплообменник 112 содержит резервуар 113 текучей среды для вмещения текучей среды, например жидкости 114, и контур 115, через который может протекать жидкость 114. Контур 115 содержит первичный трубопровод 116, который проходит от основания резервуара 113, например, по первому потоковому тракту перед возвращением в резервуар 113 в положении рядом с поверхностью жидкости 114 в резервуаре 113, например. Первичный трубопровод 116 также содержит трубку 122 Вентури, размещённую ниже по потоку от насоса 121 в первичном трубопроводе 116, которая содержит впускное отверстие 122а и выпускное отверстие 122Ь, соединённые узкой горловинной областью 122с. Когда жидкость 114 проходит из впускного отверстия 122а к выпускному отверстию 122Ь при движении по первичному трубопроводу 116, жидкость 114 должна перемещаться быстрее через узкую горловинную область 122с, чем через впускное отверстие 122а и выпускное отверстие 122Ь, поскольку масса сохраняется неизменной. Соответственно, давление жидкости 114 в горловинной области 122с снизится по отношению к давлению жидкости 114 в первичном трубопроводе 116.

Контур 115 также содержит первый вторичный трубопровод 123а, который проходит из резервуара 113 в положении вблизи основания резервуара 113, например. Первый вторичный трубопровод 123а разделен на множество третичных трубопроводов 124а-б, которые проходят в непосредственной близости к компьютерным компонентам 111 для облегчения отвода тепла, вырабатываемого этими компонентами во время работы компьютера (не показан). Третичные трубопроводы 124а-б впоследствии объединяются со вторым вторичным трубопроводом 123Ь, который сообщается по жидкости с горловинной областью 122с трубки 122 Вентури.

При использовании жидкость 114 накачивается через первичный трубопровод 116 по первому потоковому тракту насосом 121, размещённым в первичном трубопроводе 116. Пониженное давление жидкости 114 в горловинной области 122с трубки 122 Вентури, а тем самым и во вторичном трубопроводе 123Ь по отношению к жидкости 114 в резервуаре, вызывает всасывание жидкости 114 вдоль второго потокового тракта, который проходит вдоль первого вторичного трубопровода 123а, в третичные трубопроводы 124а-б. Третичные трубопроводы 124а-б могут иметь уменьшенный диаметр по сравнению со вторичными трубопроводами 123 для максимизации площади поверхности жидкости для эффективного отвода тепла от компонентов 111. Давление в третичных трубопроводах 124а-б является, следовательно, субатмосферным, к примеру, в диапазоне от 0,6 до 0,8 бар абс, предпочтительно в диапазоне от 0,7 до 0,75 бар абс.

Жидкость 114 затем проходит во второй вторичный трубопровод 123Ь и в горловину 122с трубки 122 Вентури перед возвращением по первичному трубопроводу 116 в резервуар 113 через выпускное отверстие 122Ь трубки 122 Вентури. Жидкость 114, проходящая в третичных трубопроводах 124а-б, нагревается, так как тепло извлекается из компонентов 111. Эта нагретая жидкость будет далее проходить в резервуар 113, где тепло может рассеиваться в большом объёме находящейся в нём жидкости 114.

- 2 019644

В случае, например, когда прокалываются один или несколько третичных трубопроводов 124а-й или если нарушаются одно или несколько уплотнений (не показаны) в соединениях между вторичными трубопроводами 123а-Ь и третичными трубопроводами 124а-й. текучая среда, окружающая третичные трубопроводы 124а-ф например воздух, будет всасываться в соответствующий трубопровод через прокол (не показано) или дефектное уплотнение (не показано) вместо того, чтобы жидкость 114 вытекала из соответствующего трубопровода на компьютерные компоненты 111. Это вызовет возрастание давления жидкости 114, текущей по вторичному потоковому тракту. Это увеличение давления будет восприниматься датчиком 119 давления, размещённым в третичных трубопроводах 124а-й. Каждый датчик 119 соединён с сигнализатором 120, так что, когда датчик 119 обнаруживает подъём давления выше порогового значения, этот датчик 119 будет выдавать сигнал в сигнализатор 120 для генерирования сигнала тревоги, чтобы, например, предупредить оператора (не показан) об утечке в системе 110. Может быть предусмотрено меньшее число датчиков 119, чем показано на фиг. 2, к примеру, можно предусмотреть один датчик 119 в каждом третичном трубопроводе 124а-й или один датчик 119 может располагаться во впускном вторичном трубопроводе 123а, а второй датчик 119 может располагаться в возвратном вторичном трубопроводе 123Ь.

Альтернативно или в дополнение к этому, может быть установлен датчик 119', относящийся к вторичным трубопроводам 123а, Ь и/или третичным трубопроводам 124а-й. Датчик 119' является ультразвуковым воздушным датчиком, способным обнаруживать присутствие даже малых количеств воздуха, который может попадать в трубопроводы через крошечное отверстие нарушения/прокола. Датчик 119 давления может быть недостаточно чувствительным для обнаружения малых утечек такой природы.

Работа электронной системы 110 может проходить в нормальном состоянии до тех пор, пока не подойдёт запланированное событие техобслуживания, когда нарушение может быть устранено. При этом происходит малая потеря эффективности, а любая такая потеря является местной для нарушения/прокола в трубопроводе. Следовательно, происходит незначительное нарушение нормальной работы системы 110 или не происходит никакого нарушения.

Согласно второму варианту осуществления изобретения, как видно из фиг. 3, показана альтернативная электронная система 210 по настоящему изобретению. Система 210 содержит множество компьютерных компонентов 211 и теплообменник 212 для отвода тепла, вырабатываемого компонентами 211 во время использования компьютера (не показан).

Теплообменник 212 содержит резервуар 213 текучей среды для вмещения текучей среды, например жидкости 214, и контур 215, через который жидкость 214 может течь. Контур 215 содержит первый потоковый тракт вдоль первичного трубопровода 216, который проходит от основания резервуара 213, например, перед возвращением в резервуар 213 в положение вблизи поверхности жидкости 214, например. Жидкость 214 нагнетается через первичный трубопровод 216 по первому тракту насосом 221, размещённым в первичном трубопроводе 216. Первичный трубопровод 216 содержит далее трубку 222 Вентури, расположенную ниже по потоку от насоса 221 и содержащую впускное отверстие 222а и выпускное отверстие 222Ь, соединённые узкой горловинной областью 222с. Когда жидкость 214 проходит от впускного отверстия 222а к выпускному отверстию 222Ь при движении по первичному трубопроводу 216, жидкость 214 должна перемещаться быстрее через узкую горловину 222с в соответствии с сохранением массы, так что давление жидкости 214 в этой горловинной области 222с снижается.

В положении, которое находится в первичном трубопроводе 216 между насосом 221 и трубкой 222 Вентури, предусмотрено соединение 225 с первым вторичным трубопроводом 223а, через которое жидкость 214 может протекать по второму потоковому тракту. Первый вторичный трубопровод 223а содержит клапан 226, который служит для снижения давления жидкости 214, выходящей из клапана 226, по сравнению с давлением жидкости 214, которая подаётся в клапан 226. Ниже по потоку от клапана 226 первый вторичный трубопровод 223а разветвляется на множество третичных трубопроводов 224а-ф которые проходят в непосредственной близости к компонентам 211 компьютера (не показан). Третичные трубопроводы 224а-й далее объединяются со вторым вторичным трубопроводом 223Ь, который сообщается по жидкости с горловиной 222с трубки 222 Вентури.

Жидкость 214 в горловине 222с трубки 222 Вентури находится под пониженным давлением по сравнению с давлением жидкости 214 в первичном трубопроводе 216 и в секции первого вторичного трубопровода 223а, находящейся ниже по потоку от клапана 226. В результате это вызывает протекание жидкости 214 из клапана 226 через третичные трубопроводы 224а-й в горловину 222с трубки 222 Вентури по второму вторичному трубопроводу 223Ь. Затем жидкость 214 выходит из трубки 222 Вентури через выпускное отверстие 222Ь и возвращается в резервуар 213 по первичному трубопроводу 216. Жидкость 214, проходящая в третичных трубопроводах 224а-ф нагревается, так как тепло выделяется из компонентов 111. Эта нагретая жидкость будет затем проходить в резервуар 213, где тепло может рассеиваться в большом объёме находящейся в нём жидкости 214.

Жидкость 214, текущая в третичные трубопроводы 224а-ф находится под пониженным давлением по сравнению с давлением жидкости 214 в первичном трубопроводе 216. Соответственно, давление жидкости в третичных трубопроводах 224а-й снижается до уровня, который ниже давления текучей среды, например воздуха, которая окружает третичные трубопроводы 224а-ф к примеру, приблизительно

- 3 019644

0,7 бар абс. В случае, когда прокалываются один или несколько третичных трубопроводов 224а-б или если нарушаются одно или несколько уплотнений (не показаны) в соединениях между вторичными трубопроводами 223а, Ь и третичными трубопроводами 224а-б, текучая среда, окружающая третичные трубопроводы 224а-б, будет всасываться в трубопроводы вместо того, чтобы жидкость 214 вытекала из соответствующего трубопровода на компьютерные компоненты 211. Это вызовет возрастание давления жидкости 214 в трубопроводах, что будет восприниматься датчиком 219 давления, размещённым в третичных трубопроводах 224а-б. Каждый датчик 219 соединён с сигнализатором 220, так что когда датчик 219 обнаруживает подъём давления выше порогового значения, этот датчик 219 будет выдавать сигнал в сигнализатор 220 для генерирования сигнала тревоги, чтобы, например, предупредить оператора (не показан) об утечке в системе 210, аналогично первому варианту осуществления. Опять-таки, может быть предусмотрено меньшее число датчиков 219, чем показано, как описано в отношении первого варианта осуществления. Один или несколько альтернативных или дополнительных ультразвуковых датчиков 219' можно предусмотреть в связи со вторичными трубопроводами 223а, Ь и/или третичными трубопроводами 224а-б для обнаружения малых количеств воздуха, присутствующего в трубопроводах.

Из вышеприведённых примерных вариантов осуществления очевидно, что пониженное давление жидкого хладагента в теплообменнике, связанном с электронной системой по настоящему изобретению, минимизирует попадание хладагента на электронные компоненты системы в случае утечки.

Хотя варианты осуществления показывают множество компьютерных компонентов 111, 211, один компьютерный компонент может охлаждаться теплообменником 112, 212, как описано здесь. Однако множество таких компонентов может также одновременно охлаждаться таким теплообменником 112, 212. При необходимости вместимость резервуара 113, 213 текучей среды и насосов 121, 221 можно увеличить и поместить удалённо от системы 110, 210. Соответственно, можно использовать трубки 122, 222 Вентури большей вместимости для понижения давления охлаждающей текучей среды до субатмосферных уровней.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Теплообменник (112, 212) для охлаждения электронного устройства, содержащий первичный трубопровод (116, 216), соединенный с резервуаром (113) текучей среды и образующий первый потоковый тракт для жидкости, первичный трубопровод содержит насос (121, 221) и трубку Вентури (122, 222), причем трубка Вентури имеет впускное отверстие (122а, 222а) и выходное отверстие (122Ь, 222Ь), связанные узкой горловинной областью (122с, 222с); и вторичный трубопровод (123а, Ь; 124а-б; 223а, Ь; 224а-б), образующий второй потоковый тракт для жидкости, причем часть второго потокового тракта расположена с возможностью теплообмена с электронным устройством (111, 211);

при этом вторичный трубопровод сообщается по текучей среде с узкой горловинной областью трубки Вентури таким образом, чтобы обеспечивалось понижение давления текучей среды на указанном участке вторичного трубопровода до значения, меньшего, чем давление снаружи трубопровода.
2. Теплообменник по п.1, в котором текучая среда содержит жидкость.
3. Теплообменник по п.1 или 2, в котором площадь проходного сечения на указанном участке вторичного трубопровода меньше площади проходного сечения по длине вторичного трубопровода, за исключением указанного участка.
4. Теплообменник по любому из пп.1-3, дополнительно содержащий средство (119, 219) обнаружения утечки для обнаружения нарушения целостности вторичного трубопровода.
5. Теплообменник по п.4, в котором средство обнаружения утечки содержит измерительное средство для измерения давления текучей среды в трубопроводе.
6. Теплообменник по п.4 или 5, в котором средство обнаружения утечки содержит ультразвуковое измерительное средство для детектирования наличия воздуха в трубопроводе.
7. Теплообменник по любому из пп.4-6, дополнительно содержащий сигнализирующее средство (120, 220) для подачи сигнала тревоги в ответ на сигналы, выводимые из измерительных средств.
8. Теплообменник по п.7, в котором сигнализирующее средство выполнено с возможностью генерирования сигнала тревоги в случае измерения измерительным средством значения давления, которое попадает вне некоторого диапазона значений давления.
9. Электронная система с электронным устройством и теплообменником для охлаждения электронного устройства, характеризующаяся тем, что теплообменник для охлаждения электронного устройства является теплообменником по любому из пп.1-8, а электронное устройство размещено с возможностью теплообмена с частью второго потокового тракта.
10. Система по п.9, в которой электронное устройство содержит компьютерный компонент или компонент компьютерного сервера.
11. Система по п.9, в которой электронное устройство содержит комплект компьютерных серверов, причём каждый сервер установлен на отдельной раме.
12. Система по п.11, в которой каждая рама имеет относящийся к ней трубопровод, причём каждый

- 4 019644 соответствующий трубопровод сообщается по текучей среде со средством понижения давления.