采用水蒸气压缩系统促进电子装置机架冷却的装置和方法

专利名称：采用水蒸气压缩系统促进电子装置机架冷却的装置和方法
技术领域：
本发明涉及电子装置的水冷技术，以及更具体而言，涉及用于冷却电 子装置的装置和方法、冷却剂屏蔽的电子装置、以及用于冷却电子装置的 方法。
背景技术：
典型地，包括诸如个人计算机、服务器、工作站和/或大型计算机的电
子装置需要用于冷却诸如微处理器单元(此后称为MPU)或中央处理单 元(此后称为CPU)的热源的冷却设备，以便维持其性能稳定。近来，日 益需要以高性能和高时钟速率来操作电子装置，于是除了旧的问题之外， 来自电子装置的热生成在计算技术中还产生了新的问题。
该问题正是MPU和/或CPU的热生成，并且存在这样的4支术预测， 即，最近的MPU (其操作时钟速率约几千兆赫兹)的热生成密度会超过 原子反应堆的热密度，并在不久的将来达到太阳的热生成密度。
作为减小热生成问题的一个策略，以多核架构来制造MPU和/或CPU， 以便在保持整体性能的同时减小每单核的指令；然而，单核的时钟速率相 对于性能改善而言变得越来越高，热排放与处理器性能之间的折衷将给最 近的处理器技术制造4艮高障碍。
此外，近期的电子装置倾向于采用彼此协作操作的多个MPU和/或 CPU,即所谓的网格计算以及上述的多核架构，所以即使抑制了单元MPU 和/或CPU的时钟速率，每电子装置的信息处理密度也会增加；由于多核 架构或处理器之间的网格计算变得越来越流行和由于需要电子装置的高性 能^作，该倾向将被进一步加剧。据、用于搜索引擎的信息或 企业数据的数量庞大的信息的数据中心中，设置多个计算设备，并且该多 个计算设备以相互协作的方式操作。为了处理对高性能计算的增加的需求， 这样的数据中心倾向于iU艮其计算性能，因此归因于计算和减小数据中心 的投资成本，数据中心的热管理成为了需迫切解决的与全球变暖有关的严 重问题。
作为解决从电子装置中的MPU或CPU热排放的另一策略，公知采用 适当的冷却剂对MPU或CPU的直接冷却架构。
图14示出了用于电子装置的采用空气冷却机制的典型冷却系统1400。 图14的冷却系统,皮构建为在计算室中进行空气调节的同时冷却电子装置。 在计算室的空间中，在地面1410上^1置电子装置1440以计算各种lt据的。 电子装置1440可以为，例如，工作站、服务器和/或大型计算机等。
冷却器单元1420被设置在计算室中，以便主要向在地面1410之下形 成的空间1450提供冷却的空气。空间1450为冷却的空气等提供了流体通 路。地面1410包括多个穿孔板，冷却的空气可以通过该穿孔板从空间1450 向上到达计算室。
依赖于电子装置1440的冷却空气入口的位置确定穿孔板1430在地面 1410上的位置。将冷却空气提供到电子装置之间的空间中，电子装置的进 气侧(即低温侧)彼此相对。
参考图15，在图15中示例了冷却装置的示意性空气流1500。冷却的 空气1570通过在地面之下的空间1595并在穿孔板1580的位置处从地面之 下的空间1595流动到计算机室。穿孑L板1560被设置在被定位为面对彼此 低温侧的电子装置之间。
然后，冷却的空气被从低温侧吸入到两个电子装置中，并与装配在电 子装置中的MPIJ和/或CPU进行热交换。然后，从两个电子装置的高温 侧排出加热的空气1590。此后，排出的加热的空气1590向上流动，然后 朝CRAC(即，计算室空调器1510、 1560)横向流动，从而通过在CRAC 1510、 1560内的空调部件再生冷却的空气。然后，为了电子装置的热管理，冷却的空气1570被重新供给到地面之下的空间1595。
对于上述传统的冷却装置，冷却的空气主要用于冷却MPU和/或CPU; 换言之，为了冷却电子装置而消耗了大部分的冷却空气。然后，必须将计 算室中的空调制备为单独的空调系统。可选地，为了在计算室中建立整体 空调，必须增加CARC的冷却能力。
迄今为止已经开发了用于电子装置的直接冷却架构，以解决信息处理 装置的热消除。例如，日本专利(特开)No.2002-374086 (专利文献1) 公开了用于机架安装型信息处理装置的冷却装置。在其公开的方案中，采 用包括7jC冷却单元的机架，并在机架柜的每一个柱中提供水流通路。然后， 将通过柱的水引入到机架和CPU/LSI的水冷套，以便冷却在机架中的组 件。
日本专利(特开)No.2005-100091 (专利文件2)还公开了直接^殳置 在CPU上的共享水冷却模块和强制空气冷却模块的冷却模块，以便可以 切换空气和水冷却架构。
日本专利(特开)No.2006-285670 (专利文件3)还公开了用于信息 处理装置的刀片和包括该刀片的信息处理装置。通过流经在刀片中提供的 水通路的水来冷却上述刀片。将CPU或其他热源设置在刀片上并与刀片 进行热交换，由此通过水冷却的刀片冷却热源。
如上所述，水冷却架构被认为适合于电子装置的冷却架构；然而，7> 知，水具有潜在的缺陷，即，当水浸入电子装置中时会引起电子装置漏电。 当在电子装置的框体内漏水时，诸如数据中心的电子装置或设备将遭受巨 大的高成本损失。
同样，为了解决漏水的问题，迄今为止已经进行了多种尝试。例如， 日本专利(正审查)公开No.7-117330 (专利文件4)公开了一种冷却装置， 其在液体冷却介质的循环通路中包括腐蚀性离子的去除装置。公开的去除 装置可以选择性去BM^腐蚀作用的阳离子以改善冷却装置的腐蚀。
虽然已经做出了改善危险性高的从电子装置的冷却系统漏水的尝试， 但仍没有充分了解配管等等的腐蚀机理。那么，因为腐蚀及其规模实质上依赖于设置电子装置的特定的环境，所以实际上不能防止发生在各种M 下由腐蚀造成的问题。
此外，除了腐蚀之外，造成漏水的因素还包括例如由冲击导致的割裂 或破损以及松脱的接合连接，因此难以在考虑上述所有因素时解决上述各 种因素并克服不利的效果。
因此，仍需要有效的冷却装置，并且随着在提供数据中心的热管理时
高性能计算范例(paradigm)变得通过设备和信息技术的进步来实现，这 种需要变得越来越强烈。此外，存在克服电子装置的热排放的更高需求， 因此仍然希望用于包括MPU和/或CPU的电子装置的新型冷却装置。
相关的现有技术文献
日本专利(特开)No. 2002-374086
日本专利(特开)No. 2005-100091
日本专利(特开)No. 2006-285670
日本专利(审查的)公开No.7-117330

发明内容
本发明的目的为提供一种装置，其可以有效和安全地去除在MPU和/ 或CPU周围的热而不会泄漏诸如水的冷却介质，并减小由计算导致的环 境负担。
此外，本发明的另一目的为提併一种方法，用于冷却适当应用到数据 中心的电子装置，在所述数据中心中将诸如微型计算机、工作站、服务器 和大型计算机的多个电子装置设置在一起，以便协作地处理有价值的信息。
本发明的又一目的为提供一种冷却剂屏蔽的电子装置，用于抑制从电 子装置向外部环境排放热，同时抑制数据中心的功率消耗，从而为防止全 球气候变暖做出贡献。
为了解决上述常规冷却装置的问题，本发明提供了 一种用于冷却电子 装置的装置，其采用在相对于环境大气压力的减压下的冷却剂(例如水) 的潜热冷却装置。在本发明的实施例中，提供了用于冷却电子装置的装置。该电子装置
包括通过被冷却的冷却剂来制冷的诸如MPU和/或CPU的半导体部件。 通过在蒸发器中，相对于电子装置周围的大气压力的减压条件下的冷却剂 蒸发的潜热对冷却剂进行冷却。当在蒸发器中发生冷却剂的蒸发时，因为 潜热的去除而冷却仍处于液态的冷却剂，从而制备冷却的冷却剂。
通过旁路管线而与冷却剂的蒸发器和冷凝器连通的压缩机维持蒸发器 的减压。
然后，通过在诸如微型计算机、企业服务器、工作站或大型计算机等 等的电子装置的机壳、机架和/或计算节点的内部延伸的配置来循环冷却的 冷却剂，从而冷却从电子装置排放的空气流，以便从电子装置排放的空气 流不会对在设置了电子装置的诸如计算室的空间中的空气调节能力产生不 利影响。
此外才艮据本发明，为了解决不可预测的漏水，冷却剂在与电子装置的 热交换区中保持低于环境大气压力并由设置在该热交换区的侧面的上游处 的流动控制部件保持。因此，可以最小化冷却剂泄漏的可能性。
冷却剂在与冷却空气流进行热交换之后返回到蒸发器，以在减压下重 复再生被冷却的冷却剂。
与蒸发器流体连通的冷凝器在压缩机的下游接收冷却剂的加压蒸汽， 真空泵减小压缩机下游的背压并调整冷凝器中的压力。通过冷却塔、其他 适当冷却设备或热交换槽将冷凝器中的冷却剂冷却到大约周围温度。
在本发明的另一实施例中，提供了冷却剂屏蔽的电子装置。该冷却剂 屏蔽的电子装置包括用于计算信息的计算节点和用于保持计算单元的机 架，该计算节点包括多个部件，即，半导体部件、存储器、I/O单元、总 线。冷却剂屏蔽的电子装置还包括一对侧壁，并且侧壁中的每一个都允许 冷却剂从中通过。对于该冷却剂屏蔽的电子装置，门式热交换板被可拆卸 地附着到用于包封计算节点和机架的机壳。门式热交换器板接收冷却剂并 包括螺旋式热交换线圏，在热交换线圏中的冷却剂的压力保持比周围压力 低。此外，冷却剂屏蔽的电子装置还包括设置在计算节点中的低温区和风 扇。通过冷却剂来冷却低温区，同时与经过该计算节点的空气流进4亍热交 换。风扇使得环境空气流到计算节点中以形成朝向机壳的排放侧的空气流， 用于冷却计算节点内部的构件。
在本发明的另一实施例中，提供了一种用于冷却包括半导体的电子装 置的方法。
所述方法包括以下步骤
生成^皮冷却的冷却剂，其具有比周围压力低的减压；
经由通过所述电子装置的热交换区的配管使所述,皮冷却的冷却剂进行
循环，所述热交换区处于所述电子装置的高温侧；
在所述热交换区与通过所述半导体元件的空气流进行热交换； 使所述热交换后的所述冷却剂返回到冷凝器，所述冷凝器用于从所述
冷却剂的蒸气再生所述冷却剂；
其中在所述热交换区使所述冷却剂的压力保持比所述周围压力低。 此后，将使用在附图中示出的实施例描述本发明；然而，应该理解以
后描述的附图仅仅是本发明的说明而不提供对本发明的任何限制。


图1示出了通过包括本发明的装置的数据中心控制系统进行空气调节
的计算室；
图2示出了冷却装置200的一般结构；
图3示出了冷却装置的另一实施例；
图4示出了根据本发明的冷却机制400的详细实施例；
图5示出了本发明的另 一冷却机制500;
图6示出了门式热交换器(DHEX)板600的示意性透视图7示出了 DHEX板600的放大结构；
图8示出了冷却剂屏蔽的电子装置800的实施例；
图9示出了图8所示的屏蔽的电子装置的内部结构的示意性框图900;图10示出了计算节点940的示意性平面图11示出了从其后侧观察的屏蔽的电子装置1100的典型实施方式的实施例；
图12示出了当^f吏用水作为冷却剂时冷却装置的冷却性能；图13示出了作为减小电子装置的温度的实例的另一图1300;图14示出了电子装置的典型的冷却装置1400;以及图15示出了图14的冷却装置1400的示意性气流。
具体实施例方式
图l一般性地示出了实现装置、方法和屏蔽的电子装置的^t据中心控制系统。数据中心控制系统100包括CARC 110、多个电子装置120-150以及自动环境监视设备(此后，称为AOEMF)160。上述装置被设置在地板170上，地板170与楼板分离以提供用于公用配管的空间。；W1170具有《1入通过该空间提供的冷却空气的穿孔部分。
CRAC 110在计算室195中进行空气调节和装置的热管理。CRAC 110通过供给管线118从建筑骨干空调系统接收经冷却的冷却剂。通过风扇112将计算室195中的空气引入到CARS 110中，并且在热交换机114中进行热交换之后使空气返回到计算室195。
在热交换器114中，提供诸如水的经冷却的冷却剂以便与引入到CRAS IIO的空气进行热交换，然后，冷却剂的温度由于热交换而升高。然后，使经加热的冷却剂返回到本发明的冷却装置以再生经冷却的冷却剂。冷却剂选自公知的冷却介质，例如，诸如CFC、 HCFC和HFC的氟利昂或诸如碳氢化合物(hydro-carbon)、氨、二氧化碳、空气以及水的自然冷却介质；然而，从全球环境和影响人类健康的观点，水是最可能的作为冷却剂的候选者。在下面的对最优选实施方式的描述中，将個二没由水作为冷却剂来描4发明。
在所描述的实施例中，电子装置包括多个计算单元120-150,但不限于此，还可以包括在计算室195中存在的诸如路由器、打印机的任何其他电子装置。计算单元每一个都包括服务器122-126、 132-136、 144-148以及152-156。每一个服务器至少包括MPU、诸如RAM和/或ROM的存储器、以及I/O接口和通过每一个都邻近月良务器设置的风扇引入到每一个服务器122-126、 132-136、 144-148以及152-156中的经冷却的空气。
在图1的实施例中，计算单元120-150包括不同的冷却架构。图1的实施例仅仅是冷却架构的变型的实例，本发明的冷却架构不必对于各计算单元是不同的，并且在其他实施例中，从图1的结构中选择的一种类型的冷却架构可以被安装在数据中心中。作为实例，计算单元120包括后部门式热交换器128,该后部门式热交换器128被可脱离地附着到计算单元120的机壳或机架。当使用后部门式热交换器128时，经过服务器122-126的空气在通过后部门式热交换器128进行热交换之后被排放到计算室195。来自本发明的冷却装置的冷却水被引入到后部门式热交换器128中，并且在与来自服务器122-126的排放的空气热交换之后，7jC返回到再生冷却水的冷却装置。计算单元120的后部门式热交换器128典型地去除了服务器102的约50%的热负荷。在随后将解释冷却装置的详细结构。
同样，为计算单元130设置了前部门式热交换器138。前部门式热交换器138具有与后部门式热交换器实质上相同的结构，将冷却水引入其中，并在与来自计算单元130的排放空气进行热交换之后热7jC被返回到本发明的冷却装置。此后，上述后部门式热交换器128和前部门式热交换器138通常被称为门式热交换器，并在随后描述冷却装置和DHEX的详细结构。
此外，在计算单元140中采用另一实施方式。以称为边车(sidecar)的结构构建计算单元140。计算单元140的在其外壳140a中包围了空气。在外壳140a内的服务器机架142被构建为热交换器，通过在机架142中形成的水通路将来自冷却装置的7jC循环到热交换器。从服务器排放的空气在外壳内循环以使羞本上通过控制热平衡切断来自计算单元140的排热。在边车架构的情况下，当在外壳140a中理想屏蔽来自计算单元140的放热时，可以去除约100%的服务器的热负荷。
在图l提供了又一实施方式实施例。计算单元150包括多个服务器，每一个服务器包括设置为与MPU 158成热交换关系的冷板158a。来自冷却装置的冷却7jC被引入到冷板158a以冷却MPU 158b，然后返回到再生冷却水的冷却装置。通过一系列泵118b-118e为上述多个计算单元110-150提供冷却剂水，其中的每一个泵都通过独立的配管提供环境大气压以下的水。优选地，泵118b-118e选自诸如涡轮泵、离心泵和/或螺杆泵的非容积型泵，并还作为流动控制部件，即使发生不可预见的漏水而使得泵的正向压力(即每一个泵的下游侧方向的压力)增加到大气压力，也可能发生水的逆流。在另一实施例中，图l所清楚示出的流动控制部件被设置到数据中心控制系统100。为了处理紧急漏水，每一个流动控制部件包括通it^力感应型阀194a-194e连接到热交换器部件的上游侧的配管192a-192e，以使7JC返回到7jC返回管线的低压侧。为了处理在计算单元120-150的热交换区中的压力升高，当入口和出口侧之间的压力差等于或大于0.01MPa-0.101325MPa的预定压力阈值时，激活压力感应型阀194a-194e。依赖于特定的应用适当地设定阔值，并通过控制器162控制压力感应型阀194a画194e。
此外，对于上述计算单元，数据中心控制系统IOO包括AOEMF160,AOEMF 160包括控制器162，控制器162通过检测线路180、 190检测下列温度中的至少一个温度在计算室195中的环境空气温度、服务器的温度以及MPU的温度。控制器162向本发明的冷却装置的部件的控制部反馈检测结果，从而将计算室l卯中的空气条件维持在预定的水平。AOEMF160包括附着到计算单元120-150中的任一个的冷却架构。
现在，参考图2，示出了冷却装置200的一般结构。冷却装置200包括电子装置210、包括由方形虚线包围的部件的水蒸气压缩型制冷器(chiller)单元(此后简称为WCU) 230。电子装置210至少包括MPU和/或CPU并向外部返回计算结果以提供变化的信息或控制外部设备。
电子装置210通常选自计算机，例如，个人计算机、服务器、工作站、大型计算机、外围接口及其任何其他组合，并被设置在地面220上。地面220优选具有穿孔板，以便如图14所示安装好A/C系统之后，引入由单独
14的A/C系统提供的冷却空气。优选在其中管理多个计算机来计算各种有价值信息的任何建筑或地下隧道的数据中心内构建冷却装置200。
电子装置210通常包括由计算节点212和风扇214构成的组。风扇214产生计算室中的环境温度的空气流216,由箭头表示的该气流流过计算节点212。术语"计算节点"在这里表示在计算时起主要作用的电子装置210的部件，其由此包括/>^的MPU和/或CPU以及存储器和适当封装内的接口。当电子装置为服务器时，在其中包括多个计算节点以提供服务器所需的功能。
通过计算节点212的空气流在通过才艮据本发明的实施例的热交换线圈234冷却到近似环境温度之后被作为空气流218排放。在另 一实施例中，风扇214被设置在电子装置210的右侧(高温侧)而不是其左侧(低温侧)。在该实施例中，风扇从计算节点212将空气抽向热交换器线圏234并使其通过热交换器线圏。
热交换器线圈234延伸通过电子装置210，以便在MPU等之间进行热交换之后的热空气可以容易地与热交换器线圏234进行热交换过程。在电子装置中热交换线圏234延伸的区域限定了电子装置的热交换区。在上述实施例中，热交换器线圏234提供了防止向计算室直接排放热空气的功能，并且电子装置210不会向安装有电子装置210的数据中心的骨干空调装置提供显著的附加热负荷。
WCU 230产生将供给到电子装置210的冷却水并包括在其中包含水作为冷却剂介质的蒸发器236和冷凝器238。蒸发器236在小于大气压力或设置了电子装置的计算室的周围压力的减压条件下使水蒸发。冷凝器238被i殳置为通过多个旁路管线与蒸发器236流体连通，并使由蒸发器236传送的水蒸气返回液态。
蒸发器236和冷凝器238通过连接管线258而流体连通，以保持水位254和256平衡，从而稳定化通过冷却装置的循环的水面(head)。
在蒸发器236和冷凝器238中的剩余的空间同样通过旁路管线240、244而流体连通，旁路管线240、 244均包括压缩机242和旁路阀246。如上所述，蒸发器236作为用于通过水蒸发的潜热来冷却水的制冷机。为了冷却，通过压缩机242排空蒸发器236中的剩余空间。旁路阀246通过改变阀开启的水平来控制蒸发器236内的压力减小水平。同样，由真空泵250通过与真空泵250流体连通的配管排空冷凝器238以便为了补足由压缩机242传送的加压的水蒸气而使冷凝器238中的剩余空间的压力处于稳定状态。
压缩机242选自任何类型的压缩机或泵。在所解释的实施例中，压缩机242可以为机械增压泵，其通过以71/2弧度的相位差彼此邻近的对称或相同形状的一组转子来压缩空气。同样，旁路阀246选自任何阀，只要该阀可以在蒸发器236与冷凝器238之间通过具有受控的范围的流体连通。
因此，蒸发器236中的压力变为减小的压力。通过水的蒸发，从蒸发器236内的液态水去除水的潜热。由此，WCIJ230产生具有归因于水的蒸发速率和蒸发的潜热的适宜温度范围的冷却水。冷却水的该温度的范围为
O摄氏度到计算机室的环境温度，更优选，温度范围为从O摄氏度到25摄氏度，最优选，通过比计算室的环境温度低的温度偏移来设定温度，也就是预定的偏移值依赖于数据中心的骨干A/C系统的特定设置。
依赖于特定的条件设定这样的预定偏移温度，并且典型地对于计算单元而言，预定的偏移值的范围为约10摄氏度到约20摄氏度。因为大的温差可以增强热交换效率，所以较低的温JLA合适的；然而，当7JC温变得太低而超过预定的温差时，会发生来自环境空气的水的凝结。
同样，在本实施例中不达到高于环境温度的温度，因为冷却装置不包括用于水的加热部件。因此，本发明可以容易地在不使水凝结的温度与环境温度之间操作。由此，通过考虑避免环境空气的7JC凝结的冷却水的温度，保持由压缩机242和协调受控的旁路阀246所控制的蒸发器236的蒸发速率；同时在保持与大气压相比典型地0.101325MPa的低压时还考虑提升水位到达配管232的最上位置的顶部的压力差。此后将详述水的压力条件。
在图2的另一实施例的冷却装置中，可以为配管232设置多个压力传感器，以侵监视配管内的水压。在该实施例中，冷却装置200的控制器单元(未示出)监视管线中的压力并控制压缩机242的操作和阀246的开启 程度以在操作期间的范围内保持配管内的压力低于大气压力。此外，诸如 AOEMF 160的控制器通过线路中的压力波动如险测漏水，从而警告系统 管理员。
将冷凝器238中的水254供给到用于空气调节的冷却塔260。由冷却 塔260进行温度调节的冷却剂水通过配管262循环并通过喷淋到冷凝器 238中而返回。
可以独立于用于建筑骨干A/C管线的另一冷却塔而构建冷却塔260。 可选地，虽然冷却装置的COP会变得高于最优选的实施例，但当数据中 心的建筑采用冷却7K循环的A/C系统时冷却塔260可以与建筑骨干A/C管 线提供的冷却塔共享。在本发明的另一实施例中，冷却塔260可以采用开 放型水冷却架构。在开放型水冷却架构中，在冷却塔中包含的水为井水、 河水和/或地下水，这些水可以被冷却，或如果依赖于数据中心所处位置的 自然气候而需要一定程度的加热则可以通过地热来加热。在可选的实施例 中，可以通过诸如涡轮型制冷机、或常船目互膨胀型制冷机的其他适宜的 冷却设备取代冷却塔260，虽然总COP会低于最优选的实施例。
上述WCU 230通过水蒸发的潜热来制备适宜的温度范围的冷却水。 然后，通过配管232童新将冷却7jC返回到电子装置210，以与通过电子装 置210中的计算节点的空气流进行热交换。
此后，在与冷却水进行了热交换之后的空气流218被排放到周围环境， 由此本发明减小了计算产生的热对环境温度的不利影响。该温度的降低可 以减小约50%的总的热消除。该降低有利于减小建筑骨干A/C的冷却能 力，以便在保持预定的计算性能的同时减小维护和/或运行成本。
此外，在本实施中，如上所述保持通过电子装置210循环的水的压力 低于0.101325 MPa，并将其减小到5KPa (约大气压力的1/20)。然后， 压力减小范围为从5KPa到比大气压力低的压力。因此，如果发生漏水， 泄漏的水不会立即到达热交换线圈234的外部，从而减轻了漏水的问题。 为了该目的，这样的流动控制部件可以为循环泵248;在该实施例中，循环泵248选自这样的类型，即通过片或齿轮^^力室内或齿轮中的水不分 离从而为泵抽产生一个方向的流动，因此循环泵248选自所谓的非容积型 泵。例如，这样的非容积型泵选自诸如涡轮泵、离心泵和/或螺杆泵，并被 配置为适于在低压条件下应用的封闭类型。除了上述实施例之外，用于流 动控制部件的又一实施例为采用设置在热交换线圈234的上游管线的排水 管线。排水管线通过压力感应型阀与蒸发器236流体连通。在小于大气压 力时激活压力感应型阀，以4更在热交换线圏234中的水流不会泄漏到电子 装置。通过压力感应型阀激活上述非容积型循环泵和/或排水管线。
此外，在图2中仅仅为了示例的目的而示出了单级的循环泵248;然 而，可以通过一系列非容积型泵代替循环泵248，所述一系列非容积型泵 能够对于每个泵实现低水面和多级泵抽。因为以多级泵抽架构选择低水面 泵，当与单级泵抽比较时，冷却水的压力保持比环境大气压力低。
考虑其性能，循环泵252、 266可以选自任何的常规类型，因为循环泵 252、 266的作用仅为沿箭头C和D的方向分别传送水。
图3示出了冷却装置的另一实施例。图3中的冷却装置300具有与图 3中的冷却装置基;M目同的结构；然而，冷却装置300包括热交换槽360， 其中冷却水从冷却塔370循环到热交换槽360。
在第二实施例中，7JC从配管362沿箭头C的方向循环到热交换槽360 而不是循环到冷却塔370。水在热交换槽360中冷却，然后通过设置在配 管362中的喷淋部件返回到储水器(reservoir) 338。
循环泵348通过配管332将蒸发器336中的7JC供给到电子装置210， 循环泵348具有与图2的实施例相同的架构。然后，冷却水基于在计算节 点312中的热交换从空气流318除去热。然后，将冷却的空气流排放到计 算室，并将热水返回到蒸发器336。此后，将重复图2描述的冷却水的再 生循环。
在图3的实施例中，冷却塔370可以与建筑骨干A/C管线共享而不为 冷却装置提供额外的冷却塔。在该共享实施例中，可以通过增加沿箭头D 的方向传送水并连接到建筑骨干A/C管线的冷却塔370的额外的配管380将本发明的冷却装置增加到电子装置，这被认为对建筑骨干A/C管线的影 响最小。因此，当数据中心利用水循环建筑骨干A/C系统时，图3描述的 冷却装置还提供了将冷却装置安装到数据中心的低成本安装。同样，在图 3的实施例中，可以通过诸如涡轮型制冷机、或常^目互膨胀型制冷机的 其他适宜的冷却设备取代冷却塔370，虽然总COP会低于最优选的实施例。 在该实施例中，冷却设备调节热交换槽360中的水温。
现在参考图4，描述才艮据本发明的冷却机构400的详细实施例。电子 装置410在本实施例中称为"企业服务器，，，其在内部包含多个计算节点， 并且每一个计算节点由于操作而产生热。电子装置410在另一实施例中为 大型计算机和/或服务器、大型计算机及接口装置的任何组合。
计算室中的空气460、 470被通过风扇(未示出)从低温侧抽到电子装 置410中，并通过计算节点。当空气流沿箭头480示出的方向移动时，流 进电子装置410的空气被加热。在箭头480中，根部侧480a为较低温度侧， 尖端侧480b为较高温度侧。在图4中，通过阴影线的密度示例了示意性 温度分布；随着阴影变浅，温度变低。典型地，由于与MPU和/或CPU 的热交换，尖端侧的温度变为约60摄氏度或更大。
在图4的示例性实施例中，热交换线圈234或热交换线圏334被配置 为门式热交换器320的一部分，门式热交换器320被附着到电子装置410 的后侧或前侧。电子装置410被设置在包括没有穿孔的地板440和具有穿 孔的地板450的地面上。
支撑地板440和穿孔ilMl 450以相对于14l层490具有足够的偏移， 从而提供用作冷却配管等的实体空间的间隔495。穿《141必0允许冷却空 气从间隔495流到计算室和冷却装置410中。同样在地板处，提供开口 430 以来自本发明的冷却装置的配管。
在描述的配置中，由通过开口 430的配管引入水，并将该水的配管连 接到作为DHEX420的主要部件的热交换线圏。通过热交换线圏在DHEX 420中引入并循环水。仅仅通过DHEX420的热空气与DHEX420的热交 换线圏中的流动的水进行热交换，然后在冷却到适宜的温度后被排放到计算室的环境气氛中，如箭头480c所示。
现在参考图5，将解释本发明的另一冷却机构。在图5示例的实施例 中，空气流和水流的大多数配置与图4描述的实施例相同。同样，图5的 实施例包括泵单元535,用于增加对应于水管线530中的循环期间的压力 损失的压力。泵单元535确保支持平滑地循环水以对抗管线中的水面和压 力损失，同时保持水的压力比环境大气压力低。
图6示出了图5所概要示出的门式热交换器(DHEX)板600的详细 透视图。图6 (a)示出了正面透视图，以及图6 (b)示出了背面透视图。 这里，术语"正面"意义为面向机壳外部的面，以及术语"背面，，意义为 面向电子装置的机壳内部的面。图6的DHEX板600包括热交换线圈610、 支撑框架620、以及支撑枝630。热交换线圏610对应于图2和3中示出的 管线234、 334。热交换线圏610具有DHEX板600的沿横向和垂直方向 扩展的螺旋式结构以确保在DHEX板600的有效面积上的有效和平均的热 交换。
框架620牢固地支撑热交换线圏610，并且支撑枝从支撑框架620延 伸。通过穿过多个开口 640、 650的诸如螺丝、螺栓和螺母的组、或快速连 接器的固定装置，将支撑枝630可拆卸地固定到包含了电子装置的部件的 计算单元的正面和/或背面。热交换线圏610与设置在冷却区的横向边缘的 内部配管660流体连通，水通过内部配管660流进和流出热交换线圏610。
现在参考图7，示例了 DHEX板600的放大结构700。图7 (a)是平 面图以及图7(b)是DHEX板600沿箭头E的方向的侧视图。如图7(a) 所示，热交换线圈610致密地覆盖冷却区680以便避免热交换效率的不平 均并改善热交换性能。同样，在图7(b)中，热交换线圈610沿空气流的 方向倾斜以增加与空气流的有效热交换面积，并改善DHEX板600的热交 换性能。
从内部配管660的端部，将配管670连接到WCF，从而允许循环冷 却水。通过熔接、焊接、或铜焊直接固定内部配管660和配管670。可选 地，考虑到电子装置的维护，通过适当可脱离的连接器来彼此连接内部配管660和配管670。
图8示出了带有水屏蔽的电子装置800的示例性实施例，由图2和3 示出的本发明的WCU 230或330和DHEX板600向电子装置800提供通 过水蒸气压缩制备的冷却水。在图8示出的实施例中，将DHEX板600形 成为后部门式热交换器，并且屏蔽的电子装置800包括壳体810 (即，所 谓的附着框架)，并且壳体810包括机架和计算节点以及各种配管等等。 图8示出的同一结构可应用于正面门式热交换器的情况，差别仅为热交换 板的位置是在背面还是正面以及空气流方向。在壳体810中，装配机架的 一对侧壁835、 845、多个计算节点(节点#1-#]\0以及DHEX板850,以 便在热管理的M下提供计算功能。机架可以牢固支撑机壳810内的计算 节点#1-#]\。
在解释的实施例中，通过悬挂在机架的一端，将DHEX板850附着到 机架的背端，以便与背面机壳单独装配。在可选地实施例中，通过悬挂在 机壳810的一端，而将DHEX板850装配到机壳810，从而将DHEX板 850的处理整合到壳体810的移动。对于上述屏蔽的电子装置800，从机架 的侧壁通过成对的连接器将冷却水提供到计算节点830。侧壁提供了用于 保存水的集流腔(manifold)并充当水的流动通路。现在参考图8，详细 解释水屏蔽的冷却架构。
作为第一配管系统，将来自A/C供给管线870的水引入到根据本发明 的WCU组860中的WCU 1 ， WCU组860包括再生冷却水的WCU 1和 WCU2。将来自WCU1的冷却水引入侧壁845。侧壁835、 845包括在同 一垂直高度彼此相对的多个连接器接头(joint)。对于位于同一垂直高度 的每一个连接器，由连接器通过连接管线840连接计算节点830，连接器 不会泄漏水(例如，公称条件下的水)。
在描述的实施例中，侧壁835、 845支撑N个计算节点，并且通过形 成了阶梯流动通路的侧壁835、 845将冷却水引入到计算节点。例如，水流 进计算节点830中在计算节点830内的部件之间进行热交换。然后，水流 出计算节点并被引入到侧壁845。然后，水沿相反的流动方向流到计算节
21点"节点弁N-1",之后重新引入到侧壁835。相似的流动通路被提供给排 放位置，到WCU 1的配管815被连接到该排放位置。7jC到达排放点，该 排放点对应于从配管815排放到WCU 1的位置。
通过WCU 2提供第二配管系统2，新冷却水以与配管系统1相似的方 式流动；然而，来自WCU 2的冷却7jc被引入到侧壁835的较低位置，因 为提供配管系统2用于在DHEX板850处的热交换。从连接器835a到附 着在DHEX板850的最下端的连接器850a将从侧壁835排放的水泵抽并 引入到DHEX板850，以在DHEX板850处提供热交换。
引入到DHEX板850的水经过DHEX板850的热交换线圏并与通过 计算节点830等等的空气流进行热交换。然后，从连接器850b排放热水， 并将热水通过管线825经由在侧壁的最低端处的连接器845a传递到侧壁 845。废水最终通过形成在侧壁845的排放口被排放并作为用于再生新鲜冷 却水的水而返回到WCU 1。
上述的水流是考虑了配管系统1和配管系统2中的压力平衡的可能的 实施例中的一种。本领域的技术人员可以容易理解，可以通过考虑实际情 况的特定结构来调整流动路径。
图9示出了图8示出的屏蔽的电子装置800的内部结构的示意性^f匡图 卯0。如图9所示，屏蔽的电子装置800通常包括在矩形910中的部件，并 且这样的部件包括壳体920、计算节点940以及DHEX板960。 DHEX板 960牢固地安装到屏蔽的电子装置的正面和/或背面。如上所述，DHEX板 960可以附着机架或机壳920。在描述的实施例中，DHEX板960被i殳置 在电子装置的背面。机壳920从具有空气入口 935的正面板930延伸到 DHEX板960,以包围包括计算节点940等等的部件。WCU 970通过配管 980、 990与DHEX板960流体连通，以实现与空气流和水以及计算节点 940的热交换。
在描述的图9的实施例中，根据图8描述的实施例设计配管系统980、 990;然而，WCU970单独将7JC供给到DHEX板960和计算节点940，以 便配管980将7K供给到DHEX板960，以及管线990将7jC供给到计算节点
22940。
配管系统980从WCU 970延伸到计算节点940的内部(如虚线所示)， 并进一步延伸到WCU 970，从而将水从计算节点940返回到WCU 970。 在计算节点940内部延伸的配管提供了低温区，以便当冷却空气从中经过 时可以通过冷部冷却由风扇995吸引到计算节点940中的冷却空气。低温 区可以形成为包括在配管系统中的冷却管线的配管通路。可选地，低温区 可以被形成为冷板，MPU等等被设置在该冷板上并构成热交换关系。
现在参考图10,示出了计算节点940的平面图。计算节点940包含了 若干计算部件，例如，CPU 1010、 PCI总线单元1020、 1/0单元以及存储 器(DDR2规范的SRAM)。在计算节点940的内部，并列设置的冷却管 线沿计算节点940的厚度方向(即，垂直与图面的方向)^^f申并提餘f氐温 区1050。在描述的实施例中，计算节点940包括多个CPU 1010，以及冷 却风扇^t附着到每一个CPU 1010以改善空气冷却效率。CPU 1010以所谓 的多核或CPU网格架构的协作方式^Mt。虽然在描述的实施例中，以8 个CPU节点实施CPU 1010，然而根据本发明对包括在计算节点840中的 CPU或MPU的lt&本没有限制。
配管1070流体连通至形成低温区1050的冷却管线，以便从机架侧壁 中的一个侧壁引入水，并在完成上述的热交换方案之后将水从计算核返回 到另一机架侧壁。计算节点840还包括风扇1060，以便在对部件进行空气 冷却时使冷却空气在计算节点840内部流动。
图11示出了从其机架侧观察的屏蔽的电子装置的典型实施例。描述的 屏蔽电子装置100被实施为用于处理有价值的企业信息、数据库信息、或 互联网信息等等的企业服务器1100。机壳1110在定位于地面1150的特定 位置上的企业服务器1100的背端处牢固地保持了 DHEX板1120。
地面1150具有开口 1160，其用于通过来自地面1150之下的空间的水 配管1130、 1140和其他实体配管。例如，水配管1150供给来自WCU的 冷却水，水配管1140将废水返回到用于再生冷却水的WCU。可以再用穿 孔的地面与本发明的冷却装置，用于容易地采用已经构建的冷却装置；可选地，当计算室的环境和数据中心的冷却能力允许时而仅仅安装本发明的 冷却装置。
这里，参考图12，描述使用水作为冷却剂时的冷却装置的冷却性能。 图12示出了由COP (性能系数)的值与输入水温和输出水温的关系所表 示的冷却性能曲线1200。纵坐标表示COP值，横坐标表示输出水温。实 验曲线表示输入水温。使用下列/》*公式计算COP值
<公式1>
COP-冷却能力(kW) /消耗功率(kW)(1) 其中冷却能力由空间中包围的热源确定，以及冷却消耗功率为处理由热源 排除的热的电功率。因此高的COP值意味着高冷却能力。
如图13所示，在本发明的冷却装置中，COP值随着出口水温变高或 入口水温变低而变小。这些观察结果可以解释为，当倔j殳输入水温相同时， 具有较高温度的水需要大的电功率以将水冷却到设定温度。可选地，当输 入水温低于目标出口水温(即，18才聂氏度)时，该水必定加热输入水，那 么电功率消耗是低的，从而有利于增加COP值。
如上面所描述的，因为在配置或线圈周围的水凝结，所以低于给定值 的水温是不希望的。对于这一点，考虑计算室中的正常温度和湿度条件， 水的温度范围在最优选的实施例中为从约IO摄氏度到约20摄氏度。现在， 例如，假设要求18摄氏度的水。在该情况下，本实施例的COP值的范围 为从约4.5到大于15，如图12所示。
同样，对于使用常规HFC制冷器单元的比较实例，用于产生18摄氏 度的冷却水的COP值为约3.5。虽然图12示出的COP值随输入和出口水 温变化，但因为对于电子装置的冷却和/或数据中心的冷却而言冷却装置是 精密的，所以差异是非常显著的。如上所述，为了避免7jC凝结，希望水温 低于输入水温几摄氏度或最多低于约20摄氏度。在该温度范围，本发明的 冷却装置由此可以在电子装置中提供充足的冷却性能并具有优良的冷却效 率。
图13示出了用于降低电子装置的温度的实例的另一图1300。在图1300中，纵坐标表示从电子装置的背端排气的温度(摄氏度)，横坐标表示在
电子装置开始操作之后经过的时间(分min)。
如图13所示，仅仅在约10 min以内，输出空气温度从约20摄氏度增 加到约60摄氏度。该温度相对于约20摄氏度的环境温度而言是相当高的。 然后，在操作时间的10min的位置处，开始到DHEX板的水循环。如图 13所示，排放的空气流的温度迅速减小到约30摄氏度；这意味着，计算 单元的热负荷相对于常规计算单元减小了约一半。
此外，发明人简单测试了使用本冷却装置对二氧化碳排放的改善， DHEX板1可以从电子装置的背面散出的约28kVA的热中消除高达15 kVA (约50,000 BTU:英制热量单位)的热。因此，实施具有DHEX板的 冷却装置可以减小由电功率消耗和二氧化碳排放量导致的数据中心的热问 题和/或数据中心的维护成本。
此外，本发明通过降低大自计算设备(例如，企业数据中心、 机构和/或科学和技术机构等等)的维护成本而减小了总的电功率消耗，同 时保持计算能力并确保电子装置的稳定结构。除了上述显著优点之外，还
可以避免采用抗腐蚀添加剂和管理水质量的维护成本，从而降低长期维护 成本。
如上所述，至此为止基于特定的实施例描述了本发明。然而，本发明 并不局限于上述特定的实施例。本领域的技术人员应该理解，基于本发明 的教导而存在许多其他的实施例、增加、删除、备选实施例。然而，本发 明的范围仅仅由所附权利要求限制。
权利要求
1.一种用于包括半导体元件的电子装置的冷却装置，所述冷却装置包括蒸发器，其储存冷却剂，在比周围压力低的减压下使所述冷却剂蒸发，生成被冷却的冷却剂；冷凝器，其通过旁路管线与所述蒸发器连通，从所述冷却剂的蒸气再生所述冷却剂；以及循环泵和配管，其将所述被冷却的冷却剂供给到所述电子装置的热交换区，在所述电子装置的高温侧，与通过所述半导体元件的空气流进行热交换，将所述热交换之后的所述冷却剂返回到所述冷凝器，在所述热交换区的上游配置流动控制部件，经由所述流动控制部件在所述热交换区使所述冷却剂的压力保持比周围压力低。
2. 根据权利要求l所述的冷却装置，其中，所述第一旁路管线包括用于使所述冷却剂的所述蒸气返回到所述冷凝器的压缩机，所述冷却装置还包括第二旁路管线，该第二旁路管线包括控制所述减压的阀。
3. 根据权利要求2所述的冷却装置，其中，真空泵连接于所述冷凝器，调整所述冷凝器内部的压力。
4. 根据权利要求3所述的冷却装置，其中，所述冷凝器内的所述冷却剂向冷却i更备、或热交换槽循环，所述热交换槽通过用于调和所述冷却剂的温度的冷却设备来保持。
5. 根据权利要求l所述的冷却装置，其中，所述冷却剂是水，所述半导体部件是微处理器单元以及中央运算单元，或者是其中的任一个。
6. 根据权利要求l所述的冷却装置，其中，所述电子装置被配置在管理计算机进行的计算M算的数据中心的计算机室内。
7. 根据权利要求l所述的冷却装置，其中，所述电子装置包括计算机运算单元和低温区，所述计算机运算单元包括用于计算机信息处理的半导体元件、存储器、输入输出单元以及总线，所述低温区被配置在所迷计算机运算单元内，所述热交换区是可拆卸地附着到所述电子装置并单独准备的门式热交换面板，所述冷却剂的所述配管在所述低温区内延伸。
8. 根据权利要求6所述的冷却装置，其中，所述冷却剂是水，穿过所述冷却装置的所述水的温度比所述冷却装置的周围温度低。
9. 根据权利要求6所述的冷却装置，其中，所述冷却装置包括计算机室内的环境监视设备，所述环境监视设备包括用于经由检测信号线检测从所述计算机室内的周围空气的温度、计算机运算节点的温度、所述电子装置的温度、以及所述半导体元件的温度中选择的至少一种温度的控制器，所述控制器控制所述冷却装置的元件，使所述冷却剂的温度保持在从IO"C到所述计算机室内的所述温度之间，并且将所述计算机室内的周围温度设为预定的水平。
10. —种冷却剂屏蔽的电子装置，所述冷却剂屏蔽的电子装置包括计算机运算节点，其包括用于计算机信息处理的部件，所述部件分别包括半导体元件、存储器、输入输出单元以及总线；机架，其包括一组側壁并用于保持所述计算机运算节点，所述侧壁能够分别使所述冷却剂通过该侧壁中；以及门式热交换面板，其可拆卸地附着到所述冷却剂屏蔽的电子装置，所述门式热交换面板包括螺旋式热交换线圏，该螺旋式热交换线圏接受所述冷却剂，并经由用于所述冷却剂的流动控制部件^f吏所述冷却剂的压力保持比周围压力低。
11. 根据权利要求10所述的冷却剂屏蔽的电子装置，其中，所述计算机运算节点包括低温区和风扇，所述低温区由配置在所述计算M算节点内的所述冷却剂进行冷却，所述风扇^ 1起向所述计算机逸算节点和所述门式热交换面板流动的空气流，以冷却所述计算机运算节点内部的所述部件。
12. 根据权利要求ll所述的冷却剂屏蔽的电子装置，其中，通过所述半导体元件之后的所述空气流在通过所述门式热交换面板而被冷却之后被排放到所述冷却剂屏蔽的电子装置之外。
13. 根据权利要求10所述的冷却剂屏蔽的电子装置，其中，所述冷却剂是水，所述半导体部件是微处理器单元以及中央运算单元，或者是其中的任一个。
14. 根据权利要求10所述的冷却剂屏蔽的电子装置，其中，所述冷却剂屏蔽的电子装置被配置在管理计算机进行的计算^:算的数据中心的计算机室内。
15. —种用于冷却包括半导体元件的电子装置的方法，所述方法包括以下步骤生成被冷却的冷却剂，其具有比周围压力低的减压；经由通过所述电子装置的热交换区的配管使所述被冷却的冷却剂进行循环，所述热交换区处于所述电子装置的高温侧；在所述热交换区与通过所述半导体元件的空气流进行热交换；以及使所述热交换后的所述冷却剂返回到冷凝器，所述冷凝器用于从所述冷却剂的蒸气再生所述冷却剂，经由用于所述冷却剂的流动控制部件，在所述热交换区使所述冷却剂的压力保持比所述周围压力低。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤通iti^接于用于返回所述蒸气的第一旁路管线的压缩机和连接于第二旁路管线的阀，控制所述减压。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤通过连接于所述冷凝器的真空泵来调整所述冷凝器内部的压力。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤经由热交换槽或冷却设备，使所述冷凝器内的所述冷却剂进行循环，所述热交换槽通过用于调和所述冷却剂的温度的冷却设备来保持。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述冷却剂是水，所述半导体部件是微处理器单元以及中央运算单元，或者是其中的任一个，所述电子装置被配置在管理计算机进行的计算M算的数据中心的计算机室内，所述方法还包括以下步骤经由检测信号线检测从所述计算机室内的周围空气温度、计算M算节点的温度、所述电子装置的温度以及所述半导体元件的温度中选择的至少一种温度；和使所述冷却剂的温度保持在从IOTC到所述计算机室内的所述温度之间，并且将所述计算机室内的周围温度控制在预定的水平。
20. —种冷却剂屏蔽的电子装置，所述冷却剂屏蔽的电子装置包括计算机运算节点，其包括用于计算机倌息处理的部件，所述部件分别包括半导体元件、存储器、输入输出单元以及总线；机架，其包括一组侧壁并用于保持所述计算机运算节点，所述侧壁能够分别4吏所述冷却剂通过该侧壁中；以及门式热交换面板，其可拆卸地附着到所述冷却剂屏蔽的电子装置，所述门式热交换面板包括螺旋式热交换线圈，该螺旋式热交换线圏接受所述冷却剂，并经由用于所述冷却剂的流动控制部件4吏所述冷却剂的压力保持比周围压力低，所述计算机运算节点包括低温区和风扇，所述低温区由配置在所述计算机运算节点内的所述冷却剂进行冷却，所述风扇51起向所述计算机运算节点和所述门式热交换面板流动的空气流，以冷却所述计算M算节点内部的所述部件，所述冷却剂是水，所述半导体部件是孩t处理器单元以及中央运算单元，或者是其中的任一个。
全文摘要
本发明提供一种用于促进电子装置机架冷却的装置以及方法。用于冷却包括半导体元件的电子装置的冷却装置，包括蒸发器、冷凝器以及循环泵和配管，所述蒸发器储存冷却剂，在比周围压力低的减压下使冷却剂蒸发，生成被冷却的冷却剂；所述冷凝器通过旁路管线与蒸发器连通，从冷却剂的蒸气再生冷却剂；所述循环泵和配管将被冷却的冷却剂供给到电子装置的热交换区，在电子装置的高温侧，与通过半导体元件的空气流进行热交换，将热交换之后的冷却剂返回到冷凝器；在与空气流的热交换区使冷却剂的压力保持比周围压力低。
文档编号G06F1/20GK101677091SQ20091017191
公开日2010年3月24日 申请日期2009年9月18日 优先权日2008年9月19日
发明者R·R·施密特, 井上良则, 今井正昭, 塚本刚史, 小内实, 船津正义, 高吉顺二 申请人:国际商业机器公司