CN101430590A - 用于计算机***的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于计算机***的冷却装置以及用于冷却计算机***的至少一个发热组件的方法。用于计算机***的冷却装置具有用于工作介质的蒸发器(2)，其可热耦接到计算机***的至少一个发热组件。在此，冷却装置被构造成热机或吸收式致冷器以便进行热力循环。

Description

用于计算机***的冷却装置
技术领域
本发明涉及用于计算机***的冷却装置以及用于冷却计算机***的至少一个发热组件的方法。
背景技术
现今的计算机***，例如所谓的服务器群，已经可具有高达数千个处理器。考虑到网络业务的越来越多的需求，可预测在未来的***中处理器数量的持续增长。此外，单个处理器的逐渐提高的性能伴随着需要的电功率的增长。合在一起，一方面这导致大型计算机***的巨大的主功率需求(功率消耗)，而另一方面导致大量的废弃热量，其必须通过适当的冷却装置从计算机***传输出去，其中已知使用废弃热量用于加热目的或用于生产热水并因此使其有用。
发明内容
本发明的目的是创造一种用于计算机***的冷却装置，以及用于冷却计算机***的至少一个发热元件的方法，其使得能够进行有效的冷却并且使得来自计算机***的废弃热量能被高效且多方面地利用。
这个问题被通过独立权利要求的特征解决。改进和有利的配置在各从属权利要求中指出。
根据本发明的第一方面，所述问题通过一种用于计算机***的冷却装置来解决，所述冷却装置具有用于工作介质的蒸发器，其中所述蒸发器可热耦接到计算机***的至少一个发热组件，并且所述冷却装置是热机。
对于冷却装置，工作介质的蒸发实现有效的热量吸收，这带来良好的冷却特性。在冷却装置中，所吸收的热量可在热机的热力循环中被转化成机械能，其可以多种方式利用。例如，可采用具有用于将机械能转化成电功率的发电机的蒸汽涡轮机，并且所述电功率可用来满足计算机***的主功率需求。还可将蒸汽涡轮机耦接到用于空调***中的冷却介质压缩机。空调***常被用来对用于计算机***的房间提供气候控制。如果用于操作空气调节***所需的能量/功率的一部分是通过利用计算机***的废弃热量来提供，这转而导致与计算机***的操作有关的能量消耗的减少。
在冷却装置的优选的改进中，工作介质是氨和水的混合物。基于该工作介质的热力循环也被称作Kalina过程。该混合物在低于电子组件(尤其是处理器)的最大可能工作温度的温度蒸发。因此，这种工作介质的蒸发较好地适用于冷却计算机***的组件。此外，在蒸发期间出现氨含量高的气相和氨含量低的液相，借助于此，在蒸发期间混合物中仍然是液态的部分的蒸发温度升高。所述升高导致蒸发器中良好的热量传递特性。如果在通过蒸汽涡轮机之后气相重新与工作介质的未蒸发液相结合，沸点相似地同样降低，导致冷凝器中温度降低。这样实现的在蒸发器和冷凝器之间较大的温度差导致比使用具有恒定沸点的工作介质可实现更高的Carnot效率。
根据本发明的第二方面，所述问题通过一种用于冷却计算机***的至少一个发热组件的方法来解决，其中蒸发器能够热耦接到计算机***的至少一个发热组件并且冷却装置是吸收式致冷器。
被吸收进蒸发器中的热量可通过吸收式致冷器的热力循环来用于冷却装置中的冷却目的。例如，可操作并支持空调***以便为计算机***的房间提供气候控制，从而有效地降低与计算机***的操作相关的主功率需求。
根据本发明的第三方面，所述问题通过下述方法来解决：工作介质在蒸发器中通过产生的热量至少部分地被蒸发，以及在蒸发期间出现的工作介质的气相在蒸汽涡轮机中膨胀，其中传递机械当量(mechanical yield)。
根据本发明的第四方面，所述问题通过下述方法来解决：工作介质在蒸发器中通过产生的热量至少部分地被蒸发，在部分蒸发期间出现的所述工作介质的气相被致冷并冷凝，并且所冷凝的工作介质在另外的蒸发器中被蒸发，同时吸收蒸发热量。
本发明的第三和第四方面的优点对应于第一和第二方面的优点。
附图说明
在下面，借助于三个附图基于实施例更详细地解释本发明。
附图所示为：
图1是用于计算机***的冷却装置的第一实施例的示意图，
图2是用于计算机***的冷却装置的第二实施例的示意图，以及
图3是用于计算机***的冷却装置的第三实施例的示意图。
附图标记列表
1处理器       2蒸发器          3工作介质回路    4分离器
5蒸汽涡轮机   6发电机          7冷凝器          8冷却水流
9冷凝泵       10第一热交换器   11第二热交换器   13冷却介质泵
13冷却回路    14冷却表面       15冷却气流       16另外的蒸发器
17冷却回路    18吸收器         19回程
具体实施方式
对于图1中所示的冷却装置，处理器1与蒸发器2直接热接触。蒸发器2通过工作介质回路3连接到分离器4。分离器4的第一出口连接到蒸汽涡轮机5，所述蒸汽涡轮机5耦接到发电机6。蒸汽涡轮机5的低压出口与分离器4的第二出口被引导至连到冷却水流8的冷凝器7。冷凝器7的出口通过冷凝泵9连接到蒸发器2。
在图1所示的冷却装置的操作期间，来自计算机***的发热组件(这里举例来说，处理器1)的废弃热量被蒸发器2吸收。出于此目的，蒸发器2与处理器1直接热接触。为此，蒸发器2最好具有与处理器1的接触表面以及与用于处理器1的散热装置或冷却元件的规格相对应的装配元件。
在通过冷凝泵9驱动时，工作介质3流经蒸发器2。所述工作介质是在工作介质回路3中以相对低的温度在主要的压力条件下蒸发或部分蒸发的液体。工作介质在蒸发器2中蒸发，由此根据它的蒸发热量和流率吸收一些热量。因此，蒸发器2可被带到的最低温度是在工作介质回路3中的主要压力下蒸发器2中的工作介质的沸腾温度。由于处理器1和蒸发器2之间的温度梯度，处理器1的温度将比工作介质的沸腾温度略高，例如几度，所述温度梯度是由所用材料的热导值以及热传输阻抗(尤其是在从处理器1到蒸发器2过渡处)引起的。因为处理器和电子组件通常不能超过某一最大温度，在其之上可导致错误功能和/或寿命缩短，所以要适当选择工作介质使得组件在工作期间到达可接受的工作温度。
氨和水的混合物尤其适合作为工作介质。使用此类工作介质操作的热力循环也称作Kalina过程。Kalina过程的独特特性是在蒸发期间出现氨含量高的气相和氨含量低的液相。改变液相中的氨浓度增加它的蒸发温度，导致蒸发器2中良好的热传递特性。
液相和气相在分离器4中被彼此分离。气相被提供给设计为低压涡轮机的蒸汽涡轮机5，所述气相在蒸汽涡轮机5中膨胀，同时传递机械能，该机械能被输送到发电机6来产生电功率。发电机6产生的电功率可被再次提供给计算机***，从而减少计算机***的主功率需求(能量消耗)。可替选地，由蒸汽涡轮机5提供的机械能可以其它方式利用，例如用来操作用于空调的压缩机，其常与大型计算机***一起使用，以便通过空气流通进行额外的冷却。计算机***的功率需求也可被这样间接地降低。
离开蒸汽涡轮机5的低压出口的膨胀的氨含量高的蒸气与被分离器4分离的氨含量低的液相混合并提供给冷凝器7。混合降低了工作介质的沸点，这导致压力降低。蒸汽涡轮机5利用的压力差因而增加，这对于蒸汽涡轮机5中的有效能量转换是有利的。此外，冷凝器中的温度降低使在蒸发器和冷凝器之间可达到的温度差比使用具有恒定沸点的工作介质可达到的温度差更大。这导致相应的较高Carnot效率。
在冷凝器7中，工作介质被制冷到液化点，继而可通过冷凝泵9提供给蒸发器2，从而结束热力循环。可替选地，液化也可直到通过冷凝泵9压缩时或者在通过冷凝泵9压缩期间发生。
为了驱散工作介质的冷凝热量，冷却水流8通过冷凝器7。所述冷却水流8可以是闭合回路的部分，其中吸收的热量被散发，例如在建筑物外部通过热交换器散发到周围空气，或者被提供给加热***。可替选地，冷却水流8可以是新鲜水流，其中吸收的热量因而用于例如生产热水。
为清楚起见，图1中仅示出一个处理器1作为计算机***中的发热组件。实际上，在冷却装置被用于具有大量发热组件(例如，大量处理器又或者电源)的大型计算机***时，以所示方式对计算机***的废弃热量进行有意义的利用是有效的。倘若如此，可预先安排在每个发热组件上提供蒸发器2，其中蒸发器2被布置成并联在工作介质回路3中。可在每个蒸发器2上提供温度相关受控阀，以便控制被引导经过单独的蒸发器2的部分工作介质流。此外，可为数个发热组件(例如，空间上彼此邻近布置的数个处理器)的每个实例提供一个蒸发器2，所述蒸发器2通过导热元件(如热管)连接到各个发热元件。较大型的服务器群通常具有多个服务器机架，其各自配备了许多的单独服务器，其中每个服务器可具有数个处理器1。然后，例如，可为每个服务器提供一个蒸发器2，其通过热管热耦接到服务器的各个处理器1。
图2示出用于计算机***的冷却装置的另外的实施例。这里，图1和图2中的相同标号表示相同的或等效的元件。
对于图2的冷却装置，两个处理器1分别与第一热交换器10直接热接触。第一热交换器10与第二热交换器11以及冷却介质泵12一起形成闭合的冷却回路13。蒸发器2与第二热交换器11直接热接触。蒸发器2与耦接到发电机6的蒸汽涡轮机5、冷凝器7以及冷凝泵9一起形成闭合的工作介质回路3。冷凝器7具有暴露于冷却气流15的冷却表面14。
如同图1所示的实施例，在图2的实施例中，在热力循环完成时，工作介质的蒸发热量也在蒸发器2中被用来冷却计算机***的处理器1。
与图1的实施例不同，工作介质回路3不具有分离器4。因此对于热力循环而言不是具有在蒸发期间经历浓度变化的混合工作介质的双重方法。作为混合工作介质的替代物，具有固有的低沸点的工作介质，如硅树脂油或其它有机化合物是合适的。使用此类工作介质实现的热力循环也被称为有机Rankine循环(ORC)。
在两个实施例中冷凝器7也被不同地设计。对于图2的实施例，提供了借助于冷却表面14和冷却气流15对冷凝器7进行空气冷却，而不是液体冷却。
在图2的实施例中，借助于第一热交换器10和第二热交换器11间接地进行从计算机***的发热组件吸收热量，其中所述两个热交换器与冷却介质泵12一起形成冷却回路13。这里，热交换器10被布置成并联在冷却回路13中。为了确保冷却介质以足够的流率通过各个热交换器10，可在每个热交换器之前提供控制阀。所述控制阀可例如将流率控制在预定值。还可预先安排根据热交换器10或相应的处理器1的温度来控制流率。
这样的构造可以容易地实现将数个发热组件热耦接到蒸发器2。该布置的额外的优点是可使用在服务器领域中常用的、在市场上可购得的用于液体冷却的冷却元件作为第一热交换器10。这也使得工作介质回路3中的可能具有侵蚀性的工作介质能与计算机***在空间上隔离，如图2中虚线所示。例如，可为每个服务器机架提供安装在服务器外部的一个蒸发器2，其通过一个或数个第二热交换器11、一个或数个冷却回路13以及相应数量的第一热交换器10连接到服务器的处理器1。
用于计算机***的冷却装置的另外的实施例示于图3中。与图1和图2中相同的标号也表示相同的等效的元件。
如同在图2的实施例中，两个处理器1也与第一热交换器10分别直接热接触。第一热交换器10与第二热交换器11以及冷却介质泵12一起形成闭合的冷却回路13。蒸发器2直接热耦接到第二热交换器11。蒸发器2与冷凝器7、另外的蒸发器16、吸收器18以及冷凝泵9一起形成闭合的工作介质回路3。冷凝器7和吸收器18热耦接到冷却水流8。另外的蒸发器16与冷却回路17热接触。从蒸发器2到吸收器18并且从吸收器18到另外的蒸发器16提供了回程19。
如同在上述实施例中，在图3的实施例中，工作介质的蒸发热量也在蒸发器2中被用来利用计算机***的处理器1的废弃热量驱动热力循环。然而，热力循环在此不用于产生机械能而是用于通过吸收式致冷器制冷。为此使用具有至少两个彼此相溶的成分的工作介质，例如氨和水的混合物或溶于水中的溴化锂。对于吸收式致冷器而言，蒸发器2也常被称为喷射器。
工作介质在蒸发器2中部分地蒸发，工作介质中的一个成分被浓缩在气相。所述一个成分(对于氨/水混合物为氨，对于溴化锂/水混合物为水)也被称作冷却介质。在剩余的液相中，工作介质的另一成分将相应地以浓缩的方式存在。工作介质的液相被通过图3中由实线示出的返回线路19引回到吸收器18。冷却介质含量高的气相接着在冷凝器7中被冷却并液化。在此积累的热量被冷却水流8吸收，并可被用于加热目的和/或生产热水。
然后，在另外的蒸发器16中，冷却介质含量高的工作介质在低压下蒸发，其中可提供阻塞(choke)元件以便降低压力。由于低压力，蒸发热量从冷却回路17以这样低的温度等级吸收，使得冷却回路17可被用来对房间进行空气调节。计算机***的废弃热量可被直接地这样利用(即不需要转化成机械能)，以便对计算机***在其中操作的房间进行空气调节。用于操作计算机***的总的主能量需求可因此降低。
在蒸发之后，冷却介质含量高的工作介质继而在吸收器18中被冷凝并溶于从蒸发器2引回的冷却介质含量低的工作介质中。在此放出的冷凝热量和溶解热量被冷却剂流8引走。在此，可另外提供具有辅助介质(例如，在氨/水混合物作为工作介质的情况下为氢气)的辅助介质循环。然后，图3中用虚线示出的可选的回程19用于使辅助介质从吸收器18返回到另外的蒸发器16。
借助于工作介质泵9，工作介质接着从吸收器18又引到蒸发器2，从而结束循环。
对于所有三个实施例，即使对于蒸发器2的在60-100℃范围内的相对低的温度，选择适当的工作介质和适当的组件的尺寸也可用来实现废弃热量的高效利用。在这些温度，计算机***的组件，尤其是处理器，可在没有任何错误功能和损坏的危险的情况下工作。
实施例的特征当然可以其它方式彼此组合。例如，通过冷却回路13从处理器1到蒸发器2的间接热量传输也可与图1所示的Kalina循环结合使用，或者结合图2示出的冷凝器7的空气冷却也可与其它实施例一起使用。

Claims (19)

1.一种用于计算机***的冷却装置，包括用于工作介质的蒸发器(2)，其中蒸发器(2)可热耦接到所述计算机***的至少一个发热组件，并且所述冷却装置是热机。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中提供了蒸汽涡轮机(5)。
3.根据权利要求2所述的冷却装置，其中发电机(6)耦接到蒸汽涡轮机(5)来发电。
4.根据权利要求1-3之一所述的冷却装置，其中所述工作介质包括有机成分并具有低沸腾温度。
5.根据权利要求1-3之一所述的冷却装置，其中所述工作介质具有氨和水的混合物。
6.根据权利要求5所述的冷却装置，其中分离器(4)在蒸发器(2)的下游，以便分离所述工作介质的气相和液相，所述冷却装置被设置使得所述气相被提供给蒸汽涡轮机(5)，并在蒸汽涡轮机(5)中膨胀之后又与所述液相融合。
7.一种用于计算机***的冷却装置，具有用于工作介质的蒸发器(2)，其中蒸发器(2)可热耦接到所述计算机***的至少一个发热组件，并且所述冷却装置是吸收式致冷器。
8.根据权利要求7所述的冷却装置，其中提供了另外的蒸发器(16)，其热耦接到空调***的冷却回路(17)。
9.根据权利要求7或8之一所述的冷却装置，其中所述工作介质具有氨和水的混合物。
10.根据权利要求7或8之一所述的冷却装置，其中所述工作介质包含溴化锂。
11.根据权利要求1-10之一所述的冷却装置，其中为了传递热量，蒸发器(2)可通过接触表面直接地连接到所述至少一个发热组件。
12.根据权利要求1-10之一所述的冷却装置，其中为了传递热量，蒸发器(2)可通过导热元件连接到所述至少一个发热组件。
13.根据权利要求12所述的冷却装置，其中所述导热元件是热管。
14.根据权利要求1-10之一所述的冷却装置，其中为了传递热量，蒸发器(2)可通过热传递装置连接到所述至少一个导热元件。
15.根据权利要求14所述的冷却装置，其中热传递装置包括至少第一热交换器(10)和与其耦接的第二热交换器(11)，其中所述至少一个第一热交换器(10)可直接连接到所述至少一个发热组件，而所述第二热交换器(11)热连接到所述蒸发器(2)。
16.一种用于冷却计算机***的至少一个发热组件的方法，其中
-工作介质在蒸发器(2)中通过产生的热量至少部分地被蒸发，以及
-在所述工作介质蒸发期间出现的气相在蒸汽涡轮机(5)中膨胀并输出机械能。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述蒸汽涡轮机(5)驱动发电机(6)以便发电。
18.一种用于冷却计算机***的至少一个发热组件的方法，其中
-工作介质在蒸发器(2)中通过产生的热量至少部分地被蒸发，
-在所述部分蒸发期间出现的所述工作介质的气相被冷却并冷凝，以及
-所冷凝的工作介质在另外的蒸发器(16)中被蒸发，同时吸收蒸发热量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述蒸发热量是为了对周围空气进行调节而被移除。
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