TW202017459A - 伺服器機櫃與熱轉移設備的組合、用於伺服器機櫃的冷卻系統以及使伺服器機櫃維持於預定溫度範圍內的方法 - Google Patents

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Abstract

一種使伺服器機櫃維持於預定溫度範圍內的方法，包含藉由傳導性與對流性熱轉移以自伺服器機櫃移除熱。熱接觸結構放置於伺服器機櫃與散熱器之間。散熱器可為一體的形式，殼體包含輻射器於一壁上，且位於相對的壁上的風扇排透過輻射器吸入氣體冷卻劑。氣體冷卻劑接觸散熱器且一部分氣體冷卻劑導向伺服器機櫃。冷卻液藉由冷卻機供應給輻射器，冷卻機可相鄰於散熱器或位於遠離散熱器的位置。

Description

伺服器機櫃與熱轉移設備的組合、用於伺服器機櫃的冷卻系統以及使伺服器機櫃維持於預定溫度範圍內的方法
本發明係有關於一種合併液冷系統與室外冷卻機組的系統。具體而言，液冷系統運用熱置換設備以減緩伺服器機櫃系統生成的熱導致的溫度上升。同時，冷卻機組維持伺服器機櫃系統周圍的溫度以降低伺服器機櫃系統的總能量消耗。
典型的伺服器機櫃系統裝配以容納複數個伺服器與其他複數個零件。操作時每一個零件都會產生熱。這些伺服器與其他零件產生的熱結合使伺服器機櫃中的零件整體溫度、伺服器機櫃的溫度及伺服器機櫃周圍環境的溫度上升。此溫度上升導致個別伺服器與其包含的零件之效率降低。
一種降低伺服器機櫃系統的溫度的傳統方式包含運用熱置換設備。熱置換設備可藉由熱傳導提供冷卻，藉此將熱從較高溫的散熱器轉移至較低溫的散熱器。此熱轉移係藉由與中間的熱接觸結構接觸加以達成。然而，散熱器可能最終達成與伺服器機櫃平衡的溫度，如此一來單獨藉由傳導達成的熱轉移會降低或削弱。此外，傳導隨著散熱器的溫度而變。從而當溫度改變時，散熱器的冷卻效率同樣會改變。
另一種降低伺服器機櫃系統的溫度的傳統方式包含運用對流冷卻系統。在對流冷卻系統中，冷卻流體(通常是空氣)以風扇橫越熱源。然而，由於伺服器機櫃周圍環境多變，對流冷卻可能無法可靠地維持伺服器機櫃內的期望溫度。而且，漩渦氣流可再度引入升溫後的空氣覆蓋熱源。
兩種方式普遍皆不是使伺服器機櫃系統或其中任意零件維持於期望溫度的可靠手段。從而，遺留一個一直以來未解決的問題，此問題係為使伺服器機櫃的溫度維持於指定溫度範圍內以提升複數個伺服器與包含於其中的複數個電子零件的操作效率，同時降低整體伺服器機櫃系統的總能量消耗。
因此本揭露的目的之一是提供混合冷卻系統，混合冷卻系統不但結合熱置換的功能性使熱傳導性轉移於散熱器與伺服器機櫃之間，而且使用冷卻機組以對流方式冷卻伺服器機櫃及其零件。冷卻機組可定位於相鄰散熱器的位置，或可定位於遠離散熱器的位置，以室外冷卻機組的形式以免增加散熱器附近的熱環境。本揭露從而不但有關於結合的熱置換以使熱傳導性轉移於散熱器與伺服器機櫃之間，而且有關於使用冷卻機組以對流方式自伺服器機櫃及其零件移除熱。
本揭露之另一目的是提供一熱接觸結構或熱置換接觸設備，以使熱自伺服器機櫃轉移至熱置換接觸設備的散熱器。
本揭露之又一目的是提供一包含熱轉移裝置的液冷系統，熱轉移裝置包含輻射器(radiator)形式的熱交換器。冷卻機或冷卻機組提供的冷卻液流過輻射器以使輻射器內維持恆定、指定溫度。一系列風扇透過輻射器吸入氣體冷卻劑以使熱自輻射器中的液體冷卻劑轉移至氣體冷卻劑。或可選擇使一部分氣體冷卻劑導向伺服器機櫃以使氣體冷卻劑冷卻散熱器。
本揭露之另外的目的是提供一室外冷卻機組，更包含一冷卻機組之輻射器，以消耗來自冷卻機組之額外的熱。使冷卻機組定位於遠離散熱器的位置，例如定位於伺服器機櫃／散熱器資料中心的外部或室外不會增加伺服器機櫃／散熱器系統附近的周圍溫度，因此有助於進一步自伺服器機櫃移除熱。
這些目的與更多目的將以附圖與實施例之實施方式詳加描述。
本發明已搭配附圖加以說明，圖示中相同的元件符號代表相似或相同元件。圖示並非用以侷限本發明，而僅提供以描述本發明。為了描述本發明，以下配合實施例之應用以描述本發明之多個方面。應理解的是，闡述許多特定細節、關係與方法是為了提供本發明之全面理解。本技術領域之技術人員將了解附圖無法呈現所有元件。然而，本發明相關技術領域中具通常知識者將能輕易理解本發明不需一或更多特定細節或其他方法即可據以實施。在其他情況下，已知的結構或操作不再詳細說明以避免使本發明不明確。本發明並不侷限於示例之動作或事件順序，某些動作可能以不同的次序發生，且/或與其他動作或事件同時發生。此外，並非所有描述的動作或事件皆必須與本發明一致。
本揭露提供混合系統用以自資料中心內的複數個伺服器移除熱，並提升能源效率。混合系統包含與伺服器熱置換式接觸的散熱器和藉由對流方式從伺服器及其零件移除熱的冷卻系統。冷卻系統可提供液體冷卻劑，此液體冷卻劑通過包含室外冷卻機系統的熱交換器系統。透過這種方式，混合系統體現了散熱器與室外冷卻機組的效率。具體而言，所揭露的混合系統能有效率地把熱從伺服器抽走，且使熱釋放於資料中心的外部。
第1圖繪示依據本揭露之一實施例的合併傳導與對流系統的混合系統10。第2圖繪示第1圖之混合系統10的分解圖以說明混合系統10被視角遮蔽的部分。第1圖和第2圖中相同的元件符號代表相同元件。混合系統10包含伺服器機櫃11。在一些實施例中，伺服器機櫃11可容納複數個伺服器12與其他產熱電子設備。元件符號、伺服器的配置與類型、以及伺服器機櫃本身僅用於描述本發明，預期此處描述的冷卻系統可用於結合現有及未來的伺服器機櫃裝置。在實際使用上，伺服器機櫃11只是包含於資料中心內的許多伺服器中的一個。將被減少的熱負荷(heat load)隨資料中心內的伺服器數量、配置與環境有所不同。從而，仰賴周圍溫度以提供複數個伺服器必要的冷卻，以使伺服器維持於指定的操作溫度範圍內是不可靠的。有鑑於此，根據本揭露的組合提供數種冷卻途徑，以使伺服器維持於指定溫度範圍內。
混合系統10亦可包含第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14。第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14可接觸複數個伺服器12。在一些實施例中，第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14可以金屬製成且可直接接觸電子零件之熱表面。在其他實施例中，薄的導熱介面材料(thermal interface material)作用於兩個表面之間。
複數個伺服器12可包含複數個微處理器(microprocessors)與複數個功率控制半導體(power handling semiconductors)如同電子工業的實例。混合系統10亦可包含與伺服器機櫃11熱接觸的熱交換器16。第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14可裝配以藉由傳導使熱自複數個伺服器12與伺服器機櫃11轉移至熱交換器16 (即熱置換系統)。此處用詞「熱置換系統」意指不需要或不使用任何外部能源以引起零件之間的熱轉移之熱轉移系統。
熱交換器16可包含具有一或更多個平坦表面的金屬結構以確保熱交換器16與將被冷卻的伺服器機櫃11良好的熱接觸。熱交換器16亦可包含梳狀(comb)或類似鰭(fin-like)的凸出物以增加與空氣的表面接觸，且從而增加散熱速度。混合系統10亦可包含一風扇排15裝配以透過熱交換器16吸入冷卻空氣。透過這種方式，熱交換器16可用以和風扇排15一起增加熱交換器16上的氣流速度。此方式藉由比對流更快的方式取代暖空氣以維持較大的溫度梯度(temperature gradient)。
請隨即參照第3A圖，第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14可為伺服器機櫃11的一部分。第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14可包含泵(pump)24裝配以使水循環至熱交換器輻射器18。熱交換器輻射器18可裝配為熱轉移裝置以使流經熱交換器輻射器18的水溫降低。風扇排15可透過熱交換器輻射器18吸入空氣，如此一來當下已冷卻的水導向鄰接於複數個伺服器12的冷板(cold plate)。
熱交換器輻射器18可位於熱交換器16內。儘管第3A圖標示第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14包含泵24，應理解的是泵24可位於相鄰第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14的位置。在其他可選的實施例中，第一熱接觸結構13可具有相聯泵(associated pump)，且第二熱接觸結構14可具有一第二泵裝配以將水輸送至熱交換器輻射器18。泵24裝配以將冷水從熱交換器輻射器18抽至第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14。
如上述對示例之實施例的詳細說明，第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14皆可當冷板使用。在一些可選的實施例中，第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14可接觸冷板30。如第3B圖所示。
在第3B圖中，泵24裝配以將冷水從熱交換器輻射器18抽至冷板30，冷板30接觸第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14。
在第3A圖和第3B圖示例的實施例中，第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14經由熱管(heat pipe) 31熱接觸複數個伺服器12。複數個伺服器12和第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14之間經由熱管31的熱接觸可引起複數個伺服器12和第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14之間的熱置換。就第3A圖而言，這些零件之間的此種熱置換可使循環通過第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14的水的溫度增加，同時複數個伺服器12的表面區域的溫度降低。就第3B圖而言，複數個伺服器12和第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14之間的熱置換可使循環通過冷板30的水的溫度增加，同時數個伺服器12的表面區域的溫度降低。
泵24裝配以使溫度上升的水循環至熱交換器輻射器18，風扇排15於此處經由對流使水溫降低。在第3A圖中，水藉由風扇對流而冷卻後，循環回到第一熱接觸結構13與第二熱接觸結構14中並重複循環。或者，在第3B圖中，水藉由風扇對流而冷卻後，循環回到冷板30中並重複循環。
風扇排15可位於熱交換器16內。在一些實施例中，熱交換器16可為用於風扇排15、熱交換器輻射器18與冷卻機組19的殼體。冷卻機組19將於下文更詳細說明。
混合系統10亦可包含冷卻機組19。冷卻機組19可表現出類似致冷機組(refrigeration unit)的功能。在冷卻機組19中，致冷氣體(refrigerant gas)被壓縮且隨後膨脹，從而降低其溫度。冷卻機組19可連接至位於伺服器機櫃11內的冷卻機組輻射器22。當冷卻劑膨脹時，冷卻劑從冷卻機組19送出，流經冷卻機組輻射器22，第二風扇排21可於此處將冷空氣自輻射器推往伺服器機櫃11。第二風扇排21可裝配以和冷卻機組19結合運作以藉由對流方式自伺服器機櫃11及其零件移除熱。通過這種方式，冷卻機組19裝配以使包含其中的伺服器機櫃11與複數個伺服器12維持一致的指定溫度範圍，以維持複數個伺服器的效率。冷卻機組19亦可合併風扇20。合併風扇20以排出冷卻機組19內由於壓縮冷卻劑而產生的熱。
在一些實施例中，冷卻機組19提供一恆定的冷卻液體(chilled liquid)流(未繪示)至冷卻機組輻射器22。提供給冷卻機組輻射器22的恆定的冷卻液體流可藉由恆溫控制器(thermostatic controls)簡易調節，取決於伺服器機櫃11中的複數個伺服器12施加的冷卻要求。恆溫控制器可在冷卻機組輻射器22內以感應其中的液體冷卻劑的溫度。在一些實施例中，恆溫控制器亦可在熱交換器輻射器18內。
此外，因為冷卻機組19可提供恆定的冷卻液體供應至冷卻機組輻射器22，對複數個伺服器12而言，此為比來自第二風扇排21的冷卻空氣更加可靠的來源。另外，提供給冷卻機組輻射器22的冷卻液體之熱傳遞係數(heat transfer coefficient)係為可選擇的，以使冷卻液體比周圍空氣更有效率的轉移熱。在一些實施例中．冷卻機組19可利用致冷氣體系統(refrigerant gas system)以降低供應至冷卻機組輻射器22的流體溫度。
此處提供的第3A圖和第3B圖係繪示第1圖的側視圖與混合系統10被視角遮蔽的部分。第3A圖和第3B圖亦示例所有包含在伺服器機櫃11與熱交換器16內的元件詳細圖。雖然冷卻機組19繪示為在熱交換器16內，應特別理解的是，這類圖示僅為示例說明一實施例。冷卻機組19可位於相鄰或遠離熱交換器16的位置，例如以資料中心的外牆分離熱交換器16與冷卻機組19。在這樣的實施例中，複數個導管可從冷卻機組19至冷卻機組輻射器22布置冷卻流體源。連接冷卻機組19與冷卻機組輻射器22的複數個導管23可將冷卻流體自冷卻機組19運送至冷卻機組輻射器22，且重複循環。在一些實施方式中，這些導管23可為隔熱的，以避免冷卻流體被資料中心的周圍空氣加熱或避免將熱釋放至資料中心的周圍空氣。
複數個伺服器12可容納任意數量與類型的產熱電子裝置。這些電子裝置的實例包含在其他電子零件中的中央處理器(central processing units, CPUs)、圖形處理器(graphics processing units, GPUs)與快捷外設互聯標準(peripheral component interconnect express, PCIe或PCI-E)卡。為了使用效能，所有這些零件具有溫度範圍規範。一旦超出溫度範圍，零件的效能降低。從而，為了有效率的使用伺服器12，維持指定溫度範圍的需求是必要的。
此處使用的術語僅為了描述特定實施例且並非作為本發明之侷限。如同此處使用的單數形式「一」與「該」也包含複數形式的可能，除非內文有明確界定。此外，用於實施方式及/申請專利範圍的詞語「包括」、「具有」、「有」或其變化形係為一定程度上相似於詞語「包含」。
除非有其他定義，此處使用的所有詞語(包含技術或科學術語)具有與本發明所屬技術領域中具有通常知識者普遍理解的相同含意。此外，詞語，例如那些普遍使用的字典所定義的詞語，應解讀為具備與其在相關技術內容中的含意一致的含意，且將不會解讀為理想化或過度表面的意義，除非此處明確定義。
10:混合系統 11:伺服器機櫃 12:伺服器 13:第一熱接觸結構 14:第二熱接觸結構 15:風扇排 16:熱交換器 18:熱交換器輻射器 19:冷卻機組 20:風扇 21:第二風扇排 22:冷卻機組輻射器 23:導管 24:泵 30:冷板 31:熱管
為了更佳地理解本揭露、本揭露之優點及圖示，以下將配合附圖描述實施例。這些圖示僅用以描述實施例，而非作為多種實施例或申請專利範圍之範圍侷限。 第1圖繪示具有一外部冷卻機組的液冷系統與伺服器機櫃之組合的等角視圖(部分遮蔽)。 第2圖繪示第1圖的分解圖以說明個別零件。 第3A圖繪示第1圖的側視圖以說明第一實施例中的個別零件。 第3B圖繪示第1圖的側視圖以說明第二實施例中的個別零件。
10:混合系統
11:伺服器機櫃
12:伺服器
13:第一熱接觸結構
14:第二熱接觸結構
15:風扇排
16:熱交換器
18:熱交換器輻射器
19:冷卻機組
20:風扇

Claims (10)

  1. 一種一伺服器機櫃與一熱轉移設備的組合，該伺服器機櫃包含複數個伺服器於其中，包含： 該伺服器機櫃； 一散熱器，該散熱器係為一殼體的形式； 一熱接觸結構，用以於熱接觸下放置該伺服器機櫃與該散熱器；及 一冷卻機，該冷卻機提供一冷卻液源以冷卻該伺服器機櫃。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之組合，其中該殼體更包含一輻射器(radiator)可操作地連接至來自該冷卻機的該冷卻液，該殼體更包含一組冷卻風扇，該組冷卻風扇透過該輻射器吸入空氣以冷卻該些伺服器與該伺服器機櫃。
  3. 一種用於一伺服器機櫃中的複數個伺服器的冷卻系統，包含： 一熱接觸結構，用以放置該伺服器機櫃，使該伺服器機櫃與一散熱器熱接觸； 一冷卻機，裝配以提供一冷卻液源，其中該冷卻機包含一致冷氣體(refrigerant gas)； 一輻射器，可操作地連接至該冷卻機提供的該冷卻液；及 至少一風扇排，用以透過該輻射器吸入空氣以使空氣冷卻； 其中冷卻後的空氣使該伺服器機櫃中的複數個伺服器冷卻。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之冷卻系統，更包含一第二風扇排，其中該第二風扇排使一部分透過該輻射器吸入的空氣導向該伺服器機櫃。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之冷卻系統，其中該冷卻機更包含另一輻射器，該另一輻射器用以分散來自該冷卻機的廢熱，該冷卻機位於遠離該散熱器的位置。
  6. 一種使一伺服器機櫃中的一系列伺服器的操作溫度維持於預定溫度範圍內的方法，包含： 透過該伺服器機櫃與一散熱器傳導性熱接觸以自該伺服器機櫃移除熱； 藉由使一氣體冷卻劑(coolant gas)接觸一包含一冷卻液的輻射器以自該伺服器機櫃移除熱； 使該輻射器安裝於該散熱器上，且透過具有一風扇排的該輻射器吸入該氣體冷卻劑；及 使一部分該氣體冷卻劑導向該伺服器機櫃中的該些伺服器； 其中該輻射器之該冷卻液是由一冷卻機所供應。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含藉由壓縮該冷卻機內的一致冷氣體(refrigerant gas)以提供該冷卻液，且藉由使該冷卻液間接接觸該致冷氣體以自該冷卻液轉移熱，該間接接觸步驟係進行於一熱交換器中。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含藉由對流過程自該伺服器機櫃移除熱的一步驟，以及監控該伺服器機櫃的溫度，且控制該些自該伺服器機櫃移除熱的步驟，以使該伺服器機櫃維持於預定溫度範圍內。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含使該冷卻機定位於遠離該散熱器的位置。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含使該冷卻機放置於緊鄰該散熱器的位置，其中該散熱器係為一殼體的形式。
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