用于高性能计算机的模块化冷却系统

摘要

本发明属于冷却技术领域，旨在解决现有的冷却装置不易应用于分布式热源的冷却问题，提供了一种用于高性能计算机的模块化冷却系统，包括与发热元件紧密接触的N个冷却装置、通过回液总管连通的一级温控装置和二级温控装置；N个冷却装置的出口通过N个集气管路与一级温控装置连通，入口通过N个分液管路与二级温控装置连通；在工作状态下，冷却装置中的蒸发冷却工质吸收发热元件中的热量发生相变，相变后的两相蒸发冷却工质沿集气管路进入一级温控装置，经过与一级温控装置中的二次冷却工质热交换，冷凝至饱和液态工质，然后经过回液总管进入二级温控装置中冷却，被冷却后的工质通过分液管路回流至冷却装置以进行下一阶段的换热循环。

说明书

技术领域

本发明属于冷却技术领域，具体涉及一种用于高性能计算机的模块化冷却系统。

背景技术

随着高性能计算机的高速发展，其计算速度、数据处理能力不断提高，相应地能耗也不断增加，然而若芯片等核心部件的温度升高，对计算机性能及工作寿命均有不同程度的影响；因此，高性能计算机冷却成为亟需解决的关键问题之一。

作为一种传统冷却方式，空冷系统原理简单，操作简单，具有良好的安全可靠性；目前，高性能计算机普遍采用的冷却方式为空冷，然而，空冷系统的冷却效率较低，并且面对集成度、复杂度越来越高的高性能计算机，空冷系统较难在复杂系统中实现均匀的温度分布；不仅如此，在实际应用中还需面对噪音，以及冷却系统自身的能耗问题。蒸发冷却技术利用蒸发冷却介质的潜热实现冷却；与传统的冷却方式利用工质比热吸热相比，蒸发冷却技术冷却效率高，温度分布均匀性好；该技术所采用的蒸发冷却工质具有绝缘性好、不燃不爆、安全稳定、无毒环保的特点，保证系统运行的安全可靠性；不仅如此，自循环蒸发冷却系统不需要提供外部动力，且运行压力较低，具有自调节自适应的能力，易于运行和维护。

现有技术中公开的用于高性能计算机的表贴式蒸发冷却装置，可以和计算机系统的模块化组件一起使用，但是装置中的冷凝器需要安装在计算机机柜的顶部，位置设置受限于冷凝器的结构和安装，不易于实现模块化设计和应用，不便于应用于分布式热源，降低构建系统的灵活性、可扩展性和可互换性的能力，并且当高性能计算机采用节点式计算的运行方式，集中设置的冷凝器会给各并联液路带来不可避免的影响。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的冷却装置不易应用于分布式热源的冷却问题，本发明提供了一种用于高性能计算机的模块化冷却系统，其特征在于，该系统包括一级温控装置、二级温控装置和N个冷却装置，所述一级温控装置与所述二级温控装置通过回液总管连通；N个所述冷却装置与M个发热元件紧密接触；N个所述冷却装置的出口通过N个集气管路与所述一级温控装置连通，入口通过N个分液管路与所述二级温控装置连通；

当计算机处于工作状态时，所述冷却装置中的蒸发冷却工质吸收发热元件中的热量发生相变，相变后的两相蒸发冷却工质沿N个所述集气管路进入所述一级温控装置，经过与所述一级温控装置中的二次冷却工质热交换，冷凝至饱和液态工质；饱和液态工质经过所述回液总管进入所述二级温控装置中冷却，被冷却后的工质通过N个所述分液管路回流至N个所述冷却装置以进行下一阶段的换热循环。

在一些优选实施例中，所述一级温控装置为冷凝器；

所述二级温控装置为冷却器；

所述冷却装置为冷却液盒。

在一些优选实施例中，该系统设置于计算机的机柜中；

所述冷凝器设置于N个所述冷却液盒的上方；

所述冷却器设置于N个所述冷却液盒的下方；

所述冷却液盒为多种异型结构液槽，液槽与待冷却发热元件匹配设置。

在一些优选实施例中，所述集气管路与所述冷凝器的连接部设置有第一单向控制装置，以控制相变后的两相蒸发冷却工质单向流入所述冷凝器；所述分液管路与所述冷却器的连接部设置有第二单向控制装置，以控制冷却后的工质单向流入所述冷却液盒。

在一些优选实施例中，所述冷凝器、所述冷却器为管壳式、管翅式、板翅式或管束式中的任一种。

在一些优选实施例中，所述冷却液盒的材质为金属。

在一些优选实施例中，所述冷却液盒的内部为光滑平面。

在一些优选实施例中，所述冷却液盒的内部设置有强化换热结构；

所述强化换热结构为凹槽、肋或肋阵。

在一些优选实施例中，N≥M。

在一些优选实施例中，所述蒸发冷却工质为氟碳类化合物；

所述蒸发冷却工质的沸点温度为h，h∈[30℃，60℃]。

1)本发明提供的用于高性能计算机的模块化冷却系统可对高性能计算机分层、分计算单元节点灵活应用，同时也可实现模块化控制，配合高性能计算机的不同工作模式。

2)本发明提供的用于高性能计算机的模块化冷却系统采用分级冷凝冷却，冷凝器和冷却器的容量减小，可实现集成化设计，可依据实际情况紧凑布置于冷却液盒附近；如此，不仅缩短了循环回路的路径，而且无需在柜体外外置冷凝器，可完全实现冷却装置的单元化、模块化；因此，所述装置的适用性、灵活性更强，不仅可针对整体机柜利用模块装置组合实现，也可作为其他冷却方式的补充分布式布置。

3)本发明中的蒸发冷却工质为符合环保要求、绝缘性好的氟碳化合物，因此即使发生泄露，也不会发生类似水冷系统的事故。选择合适沸点的工质，确保高性能计算机能够运行在最佳工作温度。

4)本发明提供的用于高性能计算机的模块化冷却系统是一个密闭的独立单元，因此可配套控制系统实现节点化控制；在高性能计算机工作在整机开启，或按照计算节点分别开启等不同模式下，可通过对模块化超计算机表贴式蒸发冷却装置的控制，对冷却系统实现同步控制，使其开启或关闭；这可避免不同运行状态下冷却液盒之间的互相影响，确保优异的冷却效果，考虑到二次冷却侧的消耗，本发明也有利于实现节能降耗。

5)本发明中冷却液盒的设计及安装方式应与被冷却对象相匹配，可水平放置，也可为竖直方式；本发明中构成1个冷却单元的N个冷却液盒，可包含单一结构、单一形态，也可为多种不同结构、形态的组合。

6)本发明适用于高性能计算机，也适用于其他高功率密度的设备或器件的模块化冷却。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一种具体实施例的示意图。

附图标记说明：1、冷却液盒；2、冷凝器；3、冷却器；4、集气管路；5、回液总管；6、分液管路。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种用于高性能计算机的模块化冷却系统，该系统包括一级温控装置、二级温控装置和N个冷却装置，一级温控装置与二级温控装置通过回液总管连通，N个冷却装置并联设置；N个冷却装置与M个发热元件紧密接触；N个冷却装置的出口通过N个集气管路与一级温控装置连通，入口通过N个分液管路与二级温控装置连通，其中，N大于等于M；冷却装置、一级温控装置、二级温控装置通过由集气管路、回液总管、分液管路组成的循环管路形成一个密闭的循环冷却回路系统，一级温控装置、二级温控装置通过多个对应的管路直接与多个冷却装置连接，一级温控装置、二级温控装置的容量减小，有效缩短循环回路的路径，实现冷却系统集成化、模块化、灵活化设置。

当计算机处于工作状态时，即高性能计算机的主要发热元件处于发热需降温的状态时，发热元件工作时散发的热量首先传递给对应的冷却装置，对应冷却装置中的蒸发冷却工质吸热后温度上升，当升至饱和沸腾温度将发生相变；两相状态的蒸发冷却工质沿对应的集气管路进入一级温控装置；在一级温控装置中，两相蒸发冷却工质与二次冷却工质发生热交换，冷凝为饱和液体，然后再沿回液总管进入二级温控装置；饱和液态工质在二级温控装置中再次与二次冷却工质发生热交换，冷却至合适温度；在因密度差而产生的静压头作用下，被冷却至合适温度的液态工质沿多个分液管路重新流入多个冷却液盒，开始进入新的循环；如此循环往复，形成可持续的自循环。

进一步地，一级温控装置为冷凝器；二级温控装置为冷却器；冷却装置为冷却液盒。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1，图1是本发明一种具体实施例的示意图，本发明提供了一种用于高性能计算机的模块化冷却系统，包括N个冷却液盒1、一个冷凝器2和一个冷却器3，冷凝器与冷却器通过回液总管5连通；N个冷却液盒并联设置；N个冷却装置与M个发热元件紧密接触，其中，N大于等于M；N个冷却装置的出口通过N个集气管路4与冷凝器连通，入口通过N个分液管路6与冷却器连通；冷却液盒、冷凝器、冷却器通过由集气管路、回液总管、分液管路组成的循环管路形成一个密闭的循环冷却回路系统。

高性能计算机各分布热源的热量通过对应的冷却液盒的金属表面传递给其内部的蒸发冷却工质，液态工质温度上升，直至到达饱和沸腾点发生相变；相变之后的混合两相态工质通过对应的集气管路流入冷凝器，在冷凝器中完成第一级冷凝，冷凝为饱和液态工质；之后饱和液态工质沿回液总管流入冷却器，在冷却器中完成第二级冷却，冷却至适合温度；由液态工质与气态工质的密度差所产生的静态压头驱动下，被冷却至适合温度的液态工质通过对应的分液管路回冷却液盒内部，开始新的循环；如此，无需额外动力装置，形成了密闭的自循环。

本发明提供的用于高性能计算机的模块化冷却系统是一个密闭的独立单元，因此可配套控制系统实现节点化控制；在高性能计算机工作在整机开启，或按照计算节点分别开启等不同模式下，可通过对模块化超计算机表贴式蒸发冷却装置的控制，对冷却系统实现同步控制，使其开启或关闭；这可避免不同运行状态下冷却液盒之间的互相影响，确保优异的冷却效果，考虑到二次冷却侧的消耗，本发明也有利于实现节能降耗。

优选地，冷凝器、冷却器中的二次冷却工质可以为水或空气；即使为水，由于二次冷却侧与一次冷却侧相互隔绝，可免于水泄露的隐患。

本系统采用冷凝器、冷却器实现分布式、分级冷凝冷却，容量减小，体积减小；因此本系统中冷凝器、冷却器可依据热源的冷却液盒就近布置；本系统中冷凝器、冷却器可为管壳式、管翅式、板翅式、管束式等，也可通过各种肋化表面、丝网状材料等途径提高冷凝器、冷却器的紧凑性。

本发明模块化表贴式蒸发冷却装置可对高性能计算机分层、分计算单元节点灵活应用，同时也可实现模块化控制，配合高性能计算机的不同工作模式。

优选地，冷却器设置于N个冷却液盒的最下方，冷凝器设置于N个冷却液盒的最上方；冷却液盒紧贴于高性能计算机的刀片计算单元、电源单元等热源元件放置。该系统设置于计算机的机柜中；冷却液盒为多种异型结构液槽，液槽与待冷却发热元件匹配设置。

优选地，集气管路与冷凝器的连接部设置有第一单向控制装置，以控制相变后的两相蒸发冷却工质单向流入冷凝器；第一单向控制装置为N个，N个第一单向控制装置与N个集气管路对应设置，N个集气管路均匀间隔设置；分液管路与冷却器的连接部设置有第二单向控制装置，以控制冷却后的工质单向流入冷却液盒；第二单向控制装置为N个，N个第二单向控制装置与N个分液管路对应设置，N个分液管路均匀间隔设置。

进一步地，第一单向控制装置、第二单向控制装置可为单向阀。

优选地，冷却液盒的材质为金属。

优选地，冷却液盒的内部为光滑平面，或者，冷却液盒的内部设置有换热结构，其中，换热结构可包括凹槽、肋或肋阵等其它强化换热结构。

进一步地，蒸发冷却工质为氟碳类化合物；本系统所使用的蒸发冷却介质是符合环保要求的氟碳类化合物，该介质具有高绝缘性能，即使发生泄露也不会引起像水冷那样的短路电气事故，其沸点温度可以根据被冷却对象的最佳工作温度来选取，优选地，蒸发冷却工质的沸点温度为h，h∈[30℃，60℃]。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来；本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。