冷却设备、冷却系统和冷却剂控制方法

冷却设备、冷却系统和冷却剂控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种冷却设备、冷却系统和冷却剂控制方法。用于主动控制两相冷却的方法和设备包括冷却容积，其具有空腔和在所述空腔中的主动冷却剂流控件，所述主动冷却剂流控件被配置为调整通过所述空腔的冷却剂流。储液器与所述空腔流体连通，并且在所述储液器和所述空腔中具有两相冷却剂。所述两相冷却剂具有在环境温度与预期设备温度之间的相变温度。冷却剂传感器被配置为确定所述空腔中的冷却剂相状况。控制模块被配置为响应于所确定的冷却剂相状况而调整所述主动冷却剂流控件。
【专利说明】
冷却设备、冷却系统和冷却剂控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及冷却系统，更具体地说，涉及利用改变冷却剂相之间的电性质而主动控制两相冷却系统。
【背景技术】
[0002]在典型的空气冷却环境中，处理器核心产生热量，该热量通过热界面材料(TIM)传导到通常由铜制成的散热器。散热器通过第二 ??Μ层附接到空气吸热器，并且吸热器将热量传导到房间环境。在数据中心中，环境温度通常约为25摄氏度。典型空气冷却式服务器的总热阻约为0.24C/W，这针对250W处理器在环境温度与处理器核心之间导致60摄氏度温度梯度。这将导致85摄氏度的核心温度。
[0003]液体冷却系统(具体地说两相冷却系统)能够大幅降低热阻，从而降低结温。这在给定计算吞吐量下最小化处理器电力消耗。通常，当与较大通道或池沸腾方法相比时，涉及较小空腔通道的单相或两相热传递在热源附近导致每单位流面积较大的热传递表面。但是，两相液体冷却系统可以遇到困难，因为它们例如可能在沉重的计算负荷下变干(dryout) ο

【发明内容】

[0004]—种冷却设备包括冷却容积(cooling volume)，其具有空腔和在所述空腔中的主动冷却剂流控件，所述主动冷却剂流控件被配置为调整通过所述空腔的冷却剂流。储液器与所述空腔流体连通，并且在所述储液器和所述空腔中具有两相冷却剂。所述两相冷却剂具有在环境温度与预期设备温度之间的相变温度。冷却剂传感器被配置为确定所述空腔中的冷却剂相状况。控制模块被配置为响应于所确定的冷却剂相状况而调整所述主动冷却剂流控件。
[0005]—种冷却系统包括待冷却设备和与所述待冷却设备集成的冷却设备。所述冷却设备包括:冷却容积，其具有空腔和在所述空腔中的主动冷却剂流控件，所述主动冷却剂流控件被配置为调整通过所述空腔的冷却剂流；与所述空腔流体连通的储液器，所述储液器包括液体出口和用于气体或气-液混合物的入口 ；在所述储液器和空腔中的两相冷却剂，其中所述两相冷却剂具有在环境温度与预期设备温度之间的相变温度；以及电容传感器，其被配置为确定所述空腔中的冷却剂电容。控制模块被配置为基于所测量的电容确定所述冷却剂的蒸气干度(vapor quality)和空隙度(void fract1n)，并且在所确定的蒸气干度和空隙度指示变干状况的情况下增加冷却剂流。辅助冷却线路从所述冷却设备移除热量。
[0006]—种用于冷却剂控制的方法包括测量发热设备中的空腔内的冷却剂相状况。将所述冷却剂相状况与阈值相比较以判定是否应调整冷却剂流。根据所述判定调整冷却剂流。
[0007]从以下将结合附图阅读的对本发明的示例性实施例的详细说明，本发明的这些和其它特性和优点将变得显而易见。
【附图说明】
[0008]本公开将参考以下附图在以下对优选实施例的说明中提供详细信息，这些附图是:
[0009]图1是根据本原理的主动两相冷却系统的图；
[0010]图2是根据本原理的用于冷却剂流控制的方法的框图/流程图；
[0011]图3是根据本原理的用于冷却剂流控制的方法的框图/流程图；
[0012]图4是根据本原理的冷却设备中的通道的图；
[0013]图5是根据本原理的现场可更换冷却设备的图；
[0014]图6是根据本原理的具有嵌入式栗的现场可更换冷却设备的图；
[0015]图7是根据本原理的具有外部栗的现场可更换冷却设备的图；
[0016]图8是根据本原理的冷却剂控制系统的框图；
[0017]图9是根据本原理的示例性冷却剂中的介电常数与温度的图；
[0018]图10是根据本原理的示例性水基冷却剂中的介电常数与蒸气干度的图；
[0019]图11是根据本原理的示例性水基冷却剂中的介电常数与空隙度的图；
[0020]图12是根据本原理的示例性介电冷却剂中的介电常数与蒸气干度的图；以及
[0021]图13是根据本原理的示例性介电冷却剂中的介电常数与空隙度的图。
【具体实施方式】
[0022]本发明的实施例提供两相冷却系统的可控冷却。使用芯片内两相蒸发冷却最小化热阻，并且在片结与局部制冷剂温度之间实现较低温度梯度。当与单相液体冷却解决方案相比时，流沸腾中的潜热缓解了跨芯片的结温增加的问题。此外，本实施例解决了热通量、热密度、总热量和热点迀移方面的难题。
[0023]本实施例采用电感测确定冷却设备中的冷却速率和流体体积。通过利用液相与气相之间的电容变化，能够确定冷却元件中的每个相的体积。基于该信息，能够改变冷却剂流的速率以便响应变化的状况。例如，如果冷却元件主要包含气体，则需要额外冷却剂以便防止冷却元件变干。
[0024]现在参考附图，其中相同标号表示相同或相似元素，并且首先参考图1，示出冷却系统的图。设备102在使用期间产生热量。在设备102上形成吸热器104，方式为:将吸热器104安装在设备102的表面上，或将吸热器104与设备102形成整体。吸热器104包括一个或多个通道，液体冷却剂106通过这些通道流动。当冷却剂106被加热时，它将状态更改为气体形式108，其从吸热器104上升并且进入冷凝器/储液器110。气体冷却剂108在冷凝器110中冷却并且变回液态106，从而落下到储液器中。过滤器/栗112将液体从储液器110移动到吸热器104。传感器118测量冷却剂106的电性质(例如电容)，以便用于调整冷却剂流。
[0025]冷凝器/储液器110又由单独的冷却系统冷却，并且与液体冷却剂113形成液-液热交换。第二冷却剂113从第一冷却剂106获得热量并且将其移动到干/湿冷却器114。栗116然后将冷却后的第二冷却剂113再次栗送到冷凝器/储液器110中。
[0026]应该理解，两相冷却剂106可以表示任何适当的两相冷却剂，其具有在环境温度与设备102的预期操作温度之间的相变温度。具体地说，构想可以使用R1234ze。同时，第二冷却剂113应该在环境温度和芯片的操作温度下处于其液态。
[0027]对于许多应用，蒸馏水是用于该目的的合适冷却剂。在数据中心中，环境温度通常约为25摄氏度。常规空气冷却式服务器的总热阻约为0.24C/W，这针对250W处理器在环境温度与处理器核心之间导致60度温度梯度。这导致大约85摄氏度的核心温度。本发明的实施例将热阻降低到大约0.04C/W或更小值，从而降低结温并且在类似计算吞吐量下最小化处理器电力消耗。当与较大通道或池沸腾技术相比时，涉及吸热器104中的小空腔通道的两相热传递在热源附近提供每单位流面积较大的热传递表面。
[0028]较低热阻实现数据中心的全年室外环境冷却，从而减少将芯片热量传递到室外环境需要的冷却能量。在图1的实施例中，主封闭式制冷剂环路将热量从设备102传递到辅助液体环路，辅助液体环路又将热量传递到干/湿冷却器114以便将热量消散到室外环境。如果辅助环路中的冷却剂的温度足够高，则可以重获热量，从而导致系统效率的进一步提高。与基线空气冷却式系统比较，本实施例能够使冷却能量最多减少20倍。能够通过在芯片模块级别实现动态控制而进一步优化冷却能力。
[0029]现在参考图2，示出用于两相冷却系统的主动控制的方法。方框202在存在液态和气态冷却剂的情况下，校准冷却剂106的电容。给定材料在其液相中的介电常数与同一材料在其气相中的介电常数显著不同。因此，能够针对冷却剂106的不同测量的介电常数，确定蒸气干度(作为蒸气的饱和混合物的质量分数)和空隙度(气相占用的通道的体积或横截面积的分数)ο方框202中的校准涉及当改变液相和气相温度以及电容器中的蒸气和液体量时的电容测量。
[0030]方框204然后使用传感器118测量实际电容。方框206基于测量的电容估计蒸气干度和空隙度，从而提供有关吸热器104中的多少冷却剂106处于其气态的信息。方框208然后通过调整栗112的栗送率，对冷却剂流进行需要的任何调整。调整可以包括重新分配通过吸热器104的流以及调整设备102中的工作负载以便调节散热。重复该过程，并且按需进行测量和调整以便响应变化的冷却状况。应该注意，空隙容量、蒸气干度与电容之间的关系凭经验确定，因为它取决于如何以及在何处定位电容传感器。通道形体的几何形状和介电常数也影响电容传感器。
[0031]本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
[0032]计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是一但不限于一电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROMS闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0033]这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0034]用于执行本发明操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言一诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言一诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络一包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
[0035]这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
[0036]这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其它设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
[0037]也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
[0038]附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0039]本说明书中对本原理的“一个实施例”或“一实施例”以及它们的其它变型的引用指结合该实施例描述的特定特性、结构或特征等被包括在本原理的至少一个实施例中。因此，本说明书的各位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”以及任何其它变型不一定都指同一实施例。
[0040]应该理解，使用以下、“和/或”以及“至少一个”(例如，在“A/B”、“A和/或B”以及“A和B中的至少一个”的情况下)的任意一个都旨在包含仅选择第一列出的选项(A)，或者仅选择第二列出的选项(B)，或者选择两个选项(A和B)。作为进一步实例，在“A、B和/或C”以及“A、B和C中的至少一个”的情况下，这种措词旨在包含仅选择第一列出的选项(A)，或者仅选择第二列出的选项(B)，或者仅选择第三列出的选项(C)，或者仅选择第一和第二列出的选项(A和B)，或者仅选择第一和第三列出的选项(A和C)，或者仅选择第二和第三列出的选项(B和C)，或者选择所有三个选项(A和B和C)。这可以扩展以便列出多个项，如所属技术领域和相关技术领域的普通技术人员很容易地显而易见的那样。
[0041]现在参考图3，示出用于冷却剂流调整的详细方法。系统在方框302开始，其中最大冷却剂流通过吸热器104。方框304考虑要执行第一工作负载，并且计算如何跨设备102的一个或多个处理核心执行工作负载的预期功率图。方框306然后调整通过吸热器104的冷却剂流以便最大化预期冷却效率。这通过调整主动组件，包括栗112以及吸热器104本身中的主动组件来实现。
[0042]方框308例如使用传感器118处的电容感测，监视冷却剂106中的空隙度和蒸气干度。方框310使用所监视的冷却剂信息判定冷却剂106是否变干。如果冷却剂变干，则方框312判定冷却剂流是否已经处于最大容量。如果额外容量可用，则方框314向设备102增加冷却剂流，但是如果不可用，则方框316减小芯片功率以便降低冷却剂需求。
[0043]在一种情况下，芯片功率可能需要被减小到关闭点。此外，如果在方框318没有变干状况，但工作负载改变，则一个选项是使工作负载结束并且使设备芯片关闭。方框320判定是否指示关闭状况。如果是，则方框322等待预定时间段以便设备102冷却并且然后关闭冷却剂流。否则，处理返回到方框304以便针对改变后的工作负载计算新的预期功率图。
[0044]现在参考图4，示出吸热器104中的通道404的俯视图。通道404由通道壁402限定并且允许冷却剂106流动。还存在主动控件406，其能够部分或完全阻挡通道404以便调整通过通道404的冷却剂106的流量。应该理解，主动控件406可以是可移动组件，其例如基于微机电系统(MEMS)或压电设备。在压电主动控件406的情况下，可移动组件通过施加电压更改位置或方向。使用此类设备，可以改变通道内部的流的有效横截面。较小横截面意味着对流的较高阻力。传感器408位于通道壁404之上、之中或周围，以便检测通道404中的冷却剂106的蒸气干度和空隙度。
[0045]现在参考图5，示出提供额外现场更换能力的一个备选实施例。更换图1的实施例中的吸热器104将涉及断开吸热器104与冷凝器/储液器110之间的连接。修改的冷凝器/储液器504因此作为处理设备502的一部分形成或者结合到处理设备502。两相冷却剂用于冷却设备502，并且其液相506沿着设备表面附近的通道通过。如上所述，液体冷却剂506在被加热时转换为气相508。气态冷却剂508在冷凝器/储液器510中聚集，它在此处返回到其液态并且被再循环。吸热器504可以包括一个或多个栗(未示出)，它们安装在储液器510的内部或者安装在盖的内部、盖的周边或者吸热器504的外部。栗例如可以是隔膜或注射型栗。
[0046]可以在吸热器504的空腔中使用芯吸(wicking)结构，以便芯吸液体冷却剂506并且保持通道表面变湿。如果芯吸结构的特征长度尺度足够小，则芯吸力将足以使冷却剂循环。芯吸结构在通道表面上实现薄液膜，从而当加热时导致薄膜蒸发。因此形成的蒸气508将移动到通道的中心，并且在上升到盖顶部之前将扩散到周围。通过将蒸气路径与液体流馈给路径隔离，有助于蒸气逸出。吸热器504通过热界面材料512热连接到辅助冷却系统514。辅助冷却系统514可以采用任何适当的冷却技术，例如包括液体冷却剂516和湿/干冷却器，如上面图1中所示。
[0047]现在参考图6，示出具有嵌入式栗602的一个实施例。嵌入式栗602位于储液器510与吸热器504的通道之间并且促使液体冷却剂506进入通道。除了栗602之外，可以在通道中使用芯吸结构以便移动冷却剂506材料。现在参考图7，示出具有外部栗的一个实施例，外部栗从储液器移动液体冷却剂506并且将其直接提供给吸热器504的通道。除了栗702之外，可以在通道中使用芯吸结构以便移动冷却剂506材料。
[0048]现在参考图8，示出冷却剂控制系统800。控制系统800包括处理器802和存储器804，存储器804用于存储和实现冷却剂控制信息。传感器模块806从传感器118接收信息，传感器118允许处理器802根据由校准模块808存储在存储器804中的校准信息，确定蒸气干度和空隙度。基于这些量，处理器802判定是增加还是减小冷却剂流并且用信号通知栗112、602或702以及主动控件406，以便相应地调整冷却剂流。
[0049]现在参考图9，示出显示示例性水基冷却剂的横轴上的温度与纵轴上的介电常数之间的关系的图。跨整个温度范围，蒸气与液体的介电常数之间具有明显的差异。
[0050]现在参考图10，示出显示水基冷却剂的横轴上的蒸气干度与纵轴上的介电常数之间的关系的图。在这种情况下，随着蒸气干度的增加，介电常数急剧下降。
[0051 ]现在参考图11，示出显示水基冷却剂的横轴上的空隙度与纵轴上的介电常数之间的关系的图。使用跨介电常数的广泛值的连续曲线，该测量提供一种用于确定冷却剂的空隙度的很好方式。
[0052]现在参考图12，示出显示介电冷却剂(例如R245fa和R1234ze)的横轴上的蒸气干度与纵轴上的介电常数之间的关系的图。该曲线没有用于水的曲线陡峭，以使得能够跨整个蒸气干度范围使用蒸气干度关系。
[0053]现在参考图13，示出显示介电冷却剂的横轴上的空隙度与纵轴上的介电常数之间的关系的图。
[0054]已描述一种主动控制两相冷却的系统和方法的优选实施例(它们旨在是示例性的而不是限制性的)，要注意的是，所属技术领域的技术人员可以根据上述教导进行修改和变型。因此，应该理解，可以在公开的特定实施例中进行更改，这些更改在所附权利要求概述的本发明的范围内。已经以专利法需要的细节和特殊性如此描述本发明的各个方面，在所附权利要求中给出专利证书要求和期望保护的事物。
【主权项】
1.一种冷却设备，包括: 冷却容积，其包括: 空腔；以及 主动冷却剂流控件，其在所述空腔中并被配置为调整通过所述空腔的冷却剂流； 储液器，其与所述空腔流体连通； 两相冷却剂，其在所述储液器和空腔中，其中所述两相冷却剂具有在环境温度与预期设备温度之间的相变温度； 冷却剂传感器，其被配置为确定所述空腔中的冷却剂相状况；以及 控制模块，其被配置为响应于所确定的冷却剂相状况而调整所述主动冷却剂流控件。2.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述冷却剂传感器是被配置为测量所述空腔中的冷却剂的电容的电容传感器。3.如权利要求2所述的冷却设备，其中所述控制模块被配置为基于所测量的电容确定蒸气干度和空隙度。4.如权利要求3所述的冷却设备，其中所述控制模块被配置为在所确定的蒸气干度和空隙度指示变干状况的情况下增加冷却剂流。5.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述储液器包括液体出口和用于气体或气-液混合物的入口。6.如权利要求5所述的冷却设备，进一步包括栗，其被配置为将液体冷却剂从所述储液器栗送到所述空腔中。7.如权利要求6所述的冷却设备，其中所述栗被嵌入所述设备。8.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述空腔包括芯吸材料。9.如权利要求1所述的冷却设备，其中所述冷却设备是单个现场可更换单元。10.—种冷却系统，包括: 待冷却设备； 冷却设备，其与所述待冷却设备集成，所述冷却设备包括: 冷却容积，其包括: 空腔；以及 主动冷却剂流控件，其在所述空腔中并被配置为调整通过所述空腔的冷却剂流； 储液器，其与所述空腔流体连通，所述储液器包括液体出口和用于气体或气-液混合物的入口； 两相冷却剂，其在所述储液器和空腔中，其中所述两相冷却剂具有在环境温度与预期设备温度之间的相变温度；以及 电容传感器，其被配置为确定所述空腔中的冷却剂电容； 控制模块，其被配置为基于所测量的电容确定所述冷却剂的蒸气干度和空隙度，并且在所确定的蒸气干度和空隙度指示变干状况的情况下增加冷却剂流;以及辅助冷却线路，其从所述冷却设备移除热量。11.如权利要求10所述的冷却设备，进一步包括栗，其被配置为将液体冷却剂从所述储液器栗送到所述空腔中。12.如权利要求11所述的冷却设备，其中所述栗被嵌入所述设备。13.如权利要求10所述的冷却设备，其中所述空腔包括芯吸材料。14.如权利要求10所述的冷却设备，其中所述冷却设备是单个现场可更换单元。15.—种用于冷却剂控制的方法，包括: 测量发热设备中的空腔内的冷却剂相状况； 将所述冷却剂相状况与阈值相比较以判定是否应调整冷却剂流；以及 根据所述判定调整冷却剂流。16.如权利要求15所述的方法，其中测量冷却剂相状况包括: 测量所述空腔中的冷却剂的电容；以及 基于所述电容确定蒸气干度和空隙度。17.如权利要求15所述的方法，其中调整冷却剂流包括调整栗。18.如权利要求15所述的方法，其中调整冷却剂流包括致动所述空腔中的一个或多个阻塞结构。19.如权利要求15所述的方法，其中进一步根据预测的工作负载功率图执行调整冷却剂流。
【文档编号】G06F1/20GK105938386SQ201610003786
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年1月4日
【发明人】T·J·谢纳尔, P·R·派力达, J·A·西尔贝曼
【申请人】国际商业机器公司