用于数据中心电子设备机架的服务器液体冷却的冷却箱设计

摘要

电子设备机架包括以堆叠方式布置的多个服务器机箱。每个服务器机箱包括一个或多个服务器，并且每个服务器包括一个或多个处理器。电子设备机架还包括与服务器机箱相对应的多个冷却箱。每个冷却箱配置成向服务器机箱的处理器提供液体冷却。冷却箱包括具有一个或多个冷却装置的冷却模块，其中，冷却装置布置和定位成与相应服务器机箱的处理器竖直对准，以提取从处理器产生的热量。冷却箱还包括冷却单元，该冷却单元联接至冷却模块以形成冷却回路，从而使冷却液在冷却装置与冷却单元之间循环，以使携带通过冷却装置提取的热量的冷却液冷却。在冷却箱上装配和适配有自然对流冷却回路。

说明书

技术领域

本发明的实施方式总体涉及数据中心。更具体地，本发明的实施方式涉及用于数据中心中电子设备机架的液体冷却的冷却箱设计。

背景技术

高功率密度芯片和处理器的热管理是关键问题，尤其是随着诸如CPU(中央处理单元)和GPU(通用处理单元)的高端芯片的功率密度的增加。在冷却系统设计中使用的冷却装置用于通过去除由芯片产生的热量来保持芯片的热条件。如果温度超过热规范的限制，芯片可能无法正常运行并且可能发生节流。此外，通过在芯片工作时为芯片提供适当的或更好的热条件，可实现更好的性能或更低的功耗。

冷却装置设计至关重要。随着功率密度的增加，冷却装置设计或冷却系统设计成为一个非常具有挑战性的问题。它要求冷却装置提供更高的传热系数、低热阻、更大的传热面积、以及高可靠性和低运行能量成本以及价格成本。用于数据中心的电子设备机架内的服务器冷却的有效冷却设计是缺乏的。

发明内容

本公开的一方面提供了一种数据中心的电子设备机架，其包括：多个服务器机箱，以堆叠方式进行布置，每个服务器机箱包括一个或多个服务器，并且每个服务器具有一个或多个处理器；以及多个冷却箱，每个冷却箱对应于服务器机箱中的一个，其中，冷却箱中的每个配置成向相应服务器机箱的一个或多个处理器提供液体冷却。其中，每个冷却箱包括：冷却模块，具有一个或多个冷却装置，一个或多个冷却装置布置和定位成与相应服务器机箱的一个或多个处理器竖直对准，以提取从处理器产生的热量，以及冷却单元，联接至冷却模块以形成冷却回路，使冷却液在冷却装置与冷却单元之间循环，以使携带通过冷却装置提取的热量的冷却液冷却。

本公开的另一方面提供了一种数据中心系统，其包括电子设备机架阵列，其中，每个电子设备机架包括：多个服务器机箱，以堆叠方式进行布置，每个服务器机箱包括一个或多个服务器，并且每个服务器具有一个或多个处理器；以及多个冷却箱，每个冷却箱对应于服务器机箱中的一个，其中，冷却箱中的每个配置成向相应服务器机箱的一个或多个处理器提供液体冷却。每个冷却箱包括：冷却模块，具有一个或多个冷却装置，一个或多个冷却装置布置和定位成与相应服务器机箱的一个或多个处理器竖直对准，以提取从处理器产生的热量，以及冷却单元，联接至冷却模块以形成冷却回路，使冷却液在冷却装置与冷却单元之间循环，以使携带通过冷却装置提取的热量的冷却液冷却。

本公开的又一方面提供了一种具有多个服务器机箱的电子设备机架的冷却箱，该冷却箱包括：冷却模块，具有一个或多个冷却装置，一个或多个冷却装置布置和定位成与相应服务器机箱的一个或多个处理器竖直对准，以提取从处理器产生的热量；以及冷却单元，联接至冷却模块以形成冷却回路，使冷却液在冷却装置与冷却单元之间循环，以使携带通过冷却装置提取的热量的冷却液冷却，其中，冷却箱能够插入到多个服务器插槽中的任何一个中，并且位于相应服务器机箱的顶部，以使得冷却箱的冷却装置与服务器机箱的处理器接触。

附图说明

本发明的实施方式在附图的各图中以示例而非限制的方式示出，附图中的相同参考标记指示相似元件。

图1是示出根据一个实施方式的冷却箱和服务器机箱的示例的框图。

图2示出了根据一个实施方式的处于分离配置的冷却箱和服务器机箱。

图3示出了根据一个实施方式的冷却箱的俯视图。

图4示出了根据一个实施方式的使用热虹吸技术的冷却箱。

图5是示出根据一个实施方式的电子设备机架的示例的框图。

具体实施方式

将参考下面讨论的细节描述本发明的各种实施方式和方面，并且附图将示出各种实施方式。以下描述和附图是对本发明的说明，而不应解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，没有描述众所周知的或常规的细节以便提供对本发明的实施方式的简洁讨论。

在说明书中提及“一个实施方式”或“实施方式”意味着结合该实施方式描述的具体特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方式中。在说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”不一定都指同一实施方式。

本公开的实施方式提供了与数据中心中使用的电子设备机架的服务器机箱兼容的冷却箱设计。该构思也可扩展到在自动驾驶车辆中使用的其它电子设备或IT仪器。冷却箱向服务器机箱的一个或多个服务器提供液体冷却。冷却箱位于相应服务器机箱的顶部。一对冷却箱和服务器机箱可插入到电子设备机架的任何插槽或搁架中。冷却箱还包括冷却单元和冷却模块，它们可集成为单个单元或单独的单元。冷却箱包括连接冷却单元和冷却模块的液体供应管线和液体返回管线，从而形成封闭的液体冷却回路。该设计可用具有适当设计的不同类型的冷却解决方案来实现，诸如添加流体泵、风扇或其它部件。冷却液可以是单相冷却液或两相冷却液，其中，两相冷却液，作为热虹吸自然对流技术的一部分，可根据温度和压力在液态和气态之间转换。

根据一个方面，电子设备机架包括以堆叠方式布置的多个服务器机箱。每个服务器机箱包括一个或多个服务器，并且每个服务器包括一个或多个处理器。电子设备机架还包括与服务器机箱相对应的多个冷却箱。每个冷却箱配置成向服务器机箱的处理器提供液体冷却。冷却箱包括具有一个或多个冷却装置的冷却模块，一个或多个冷却装置布置和定位成与相应服务器机箱的处理器竖直对准，以提取从处理器产生的热量。冷却箱还包括冷却单元，该冷却单元联接至冷却装置/模块以形成冷却回路，从而使冷却液在冷却装置与冷却单元之间循环，以使携带通过冷却装置提取的热量的冷却液冷却。

在一个实施方式中，每个冷却箱位于相应服务器机箱的顶部，以使得冷却箱的冷却装置与服务器机箱的处理器接触。冷却液在冷却箱内的冷却单元与冷却装置之间循环，而不使用冷却箱外的外部冷却液。冷却单元包括空气-液体热交换器。冷却装置可以是其中设置有冷却液分配通道的冷板。冷却单元可位于冷却装置上方。

在一个实施方式中，冷却箱还包括从冷却单元延伸的液体供应管线，以向冷却装置供应冷却液。冷却箱还包括液体返回管线，该液体返回管线从冷却装置延伸回到冷却单元以使冷却液循环，这可使用设置在冷却箱内的液体泵来实施。冷却液可以是单相液体或两相液体，当冷却液的温度高于第一预定阈值时，两相液体可转变成蒸气，并且当温度下降到第二预定阈值以下时，两相液体可从蒸气转变回液态。

根据另一方面，冷却箱与要在电子设备机架内使用的服务器机箱共享相似的形状因子，并包括冷却模块和冷却单元。冷却模块包括一个或多个冷却装置，该一个或多个冷却装置布置和定位成与相应服务器机箱的一个或多个处理器竖直对准，以提取从处理器产生的热量。冷却单元联接至冷却模块以形成冷却回路，从而使冷却液在冷却装置与冷却单元之间循环。冷却单元配置成降低携带通过冷却装置提取的热量的冷却液的温度。冷却箱可插入到任何服务器插槽或搁架中，并且位于相应服务器机箱的顶部，以使得冷却箱的冷却装置与服务器机箱的处理器的外表面接触。

根据另一方面，数据中心系统包括多个电子设备机架。每个电子设备机架包括一个或多个服务器机箱和一个或多个冷却箱。每个冷却箱包括如上所述的冷却模块和冷却单元。

图1是示出根据一个实施方式的根据电子设备机架的服务器机箱的冷却箱的示例的框图。参照图1，冷却箱101定位并附接在电子设备机架内的服务器机箱102的顶部上。冷却箱101包括冷却单元103和冷却模块104。冷却模块104包括一个或多个冷却装置105A至105C(统称为冷却装置105)。服务器机箱102包括一个或多个服务器，并且每个服务器均包括一个或多个处理器106A至106C(统称为处理器106)。当冷却箱101位于服务器机箱102的顶部时，冷却模块104的冷却装置105与服务器机箱102的处理器106接触，以提取从处理器106产生的热量。

在一个实施方式中，冷却单元103位于冷却模块104的顶部。冷却单元103经由液体供应管线107和液体返回管线108联接至冷却模块，以使冷却液在冷却单元103与冷却模块104的冷却装置105之间循环。液体供应管线107配置成将冷却液供应至冷却装置105，冷却液在此处已被冷却单元103冷却。冷却液经由一个或多个液体分配通道流经冷却装置105中的每一个，以交换从处理器106产生的热量。可使用不同的液体分配方法，诸如并列方式、串联方式；诸如歧管的流体分配装置可装配在冷却模块104中。携带交换的热量的冷却液经由液体返回管线108返回冷却单元103，由冷却单元103再次冷却以便循环。注意，冷却液完全在冷却箱101内循环，而不使用外部冷却液或连接至外部冷却液源。

在一个实施方式中，冷却箱101和服务器机箱102具有相似或相同的形状因子(例如，相似或相同的物理尺寸)。冷却箱101可插入到电子设备机架的任何服务器插槽或服务器搁架中。通常，冷却箱101可堆叠在服务器机箱102的顶部。然后将堆叠的冷却箱101和服务器机箱102插入到电子设备机架的相应插槽中。

在该示例中，冷却单元103和冷却模块104作为单个集成单元集成在冷却箱101内。可替代地，如图2中所示，冷却单元103和冷却模块104可单独组装，并且可由不同的厂商或制造商提供。参照图2，冷却单元103可经由配对的供应管线107A至107B和返回管线108A至108B连接至冷却模块104。配对的供应线107A至107B和/或配对的返回线108A至108B可使用无滴盲配对连接器连接。基于实际使用情况，可将不同的连接方法应用于回路108A、108B和107A、107B。在一个实施方式中，为了使冷却液更有效地循环，冷却箱101内可设置液体泵。

图3示出了根据一个实施方式的冷却箱的俯视图。参照图3，在该示例中，冷却单元103可以是热交换器，具体地，为空气-液体热交换器。冷却液由冷却单元103冷却并经由液体供应管线107供应至冷却装置。携带通过冷却装置提取的热量的冷却液经由液体返回管线108返回至冷却单元。液体泵110可设置在供应管线107上以使冷却液循环，或者可替代地，液体泵110可设置在液体返回管线108上。此外，冷却风扇112安装在侧部以向热交换器103提供空气冷却。在一个实施方式中，热交换器103的外表面可包括作为散热片或散热器的一部分的一组翅片，以借助于冷却风扇112辐射热量。此外，可在该区域中设置诸如泄漏检测传感器、流体传感器等的附加功能。

上述冷却液被认为是单相冷却液。即，该冷却液不会因其温度而改变其状态或形式。根据一个实施方式，多相冷却液也可用作热虹吸技术的一部分。当冷却液的温度低于第一预定阈值时，两相冷却液处于液态，而当其温度高于第二预定阈值时，两相冷却液转变成气态。

图4是示出根据一个实施方式的使用热虹吸技术的冷却箱的示例的框图。参照图4，在该示例中，冷却液是两相冷却液。冷却单元103用作冷凝器以冷却和冷凝处于气态的冷却液，当冷却液的温度下降到预定阈值以下或由于冷却液的密度变化(即，增大)时，冷却液转变回液体状态。液态的冷却液经由液体供应管线向下供应到冷却装置105。当液态的冷却液流经冷却装置105中的每个时，冷却液从液态转变为气态。蒸气经由由虚线表示的蒸气路径向上移动至冷却单元103的蒸气区域201中。蒸气被冷却单元103冷却，其密度增大，从气态转变成液态，并且由于其重力和密度而落入液体区域202中。然后，液态的冷却液向下循环至冷却装置105。

在一个实施方式中，冷却箱101还包括具有附接至冷却单元的顶表面的一个或多个翅片的散热器。可替代地，冷却单元103的盖包括集成在其上的一个或多个翅片。冷却箱还包括使空气吹过翅片以冷却冷却单元103的容器的温度的一个或多个冷却风扇。冷却单元103的盖或容器可由诸如金属的导热材料制成。

图5是示出根据一个实施方式的电子设备机架的示例的框图。参照图5，电子设备机架500包括多个插槽或搁架。每个插槽均可接收如上所述的服务器机箱或冷却箱。如上所述，在被插入到插槽中之前，冷却箱定位并附接至服务器机箱的顶部。在该示例中，电子设备机架500包括捆装部501至503。捆装部501至503中的每一个均包括如上所述的位于服务器机箱顶部的冷却箱。电子设备机架500还包括其它部件504，诸如电源、备用电池单元等。在后端，可利用一个或多个风扇505来提供空气冷却。

在以上的说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施方式对本发明的实施方式进行了描述。将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改。因此，应当以说明性意义而不是限制性意义来理解本说明书和附图。