电子机架及IT设备冷却系统的制作方法

电子机架及it设备冷却系统
技术领域
1.本发明的实施方式大体上涉及服务器和数据中心冷却。更具体地，本发明的实施方式涉及高可用性异构电子机架解决方案。


背景技术：

2.用于包括若干活动电子机架的数据中心的热管理对于确保在机架中运行的服务器和其它it设备(例如，执行it服务)的适当性能是关键的。然而，在没有适当的热管理的情况下，机架内的热环境(例如，温度)可能超过热操作阈值，这可能导致不利的结果(例如，服务器故障等)。管理热环境的一种方法是使用冷却空气来冷却it设备。冷却空气再循环通过冷却单元。由it设备产生的热量由冷却空气捕获并且由冷却单元提取。一种常见的冷却单元是计算机房空调(crac)单元，其是一种吸入热排气回风并供应冷却空气以维持数据中心的热环境的装置。
3.近来，数据中心已经部署了更高功率密度的电子机架，其中更高密度的芯片被更紧密地封装在一起以提供更大的计算能力。通过维持适当的热环境来冷却这些高密度机架可能是现有冷却系统(例如crac单元)的问题。例如，尽管crac单元在更多常规的(或更低密度的)机架的情况下可以维持热环境，但是该单元可能不能有效地冷却高功率密度的机架，因为高功率密度的机架可能由于更高密度的电子器件而以更高的速率产生热负荷。或者可能需要大量成本来升级crac系统以满足高密度部署的冷却要求。空气冷却高密度机架的另一个挑战是移动足以冷却机架的大量气流。
4.另一方面，包含将电子器件至少部分地浸泡在电介质溶液中的浸没冷却是高密度电子器件的可行解决方案。然而，在现有的数据中心中实现浸没冷却具有挑战。例如，数据中心的冷却基础设施可能需要被修改以能够支持操作浸没冷却系统，因为现有的数据中心被设计为用于空气冷却或其它类型的液体冷却。此外，浸没冷却是比现有空气/液体解决方案更复杂的冷却方案。例如，单相浸没冷却需要用于电子元件的复杂硬件设计、可能发生故障/泄漏的机械泵、以及用于在数据中心中部署的显著空间修改。作为另一示例，传统的两相浸没冷却系统包括与浸没的电子器件一起(例如，位于电子器件上方)封装在浸没槽中的冷凝器。当进行维护时(例如，当需要更换服务器时)，现场数据中心操作员必须将冷凝器从槽中取出，从而断开现有的冷却回路，这可能导致电介质溶液的损失。此外，为了在进行维护时防止过热，可以关闭槽内的电子器件，这导致服务中断。
5.用于浸没系统的现有解决方案没有有效地解决高度异构的填充式(populated)电子机架的挑战，其中填充在电子机架上的每个单独服务器的设计和操作可以在服务器与服务器之间不同。


技术实现要素：

6.本公开的方面涉及实现用于服务器的两相冷却的电子机架设计。服务器被设计成至少部分地浸泡在用于冷却的两相冷却剂中。该电子机架包括蒸汽歧管，该蒸汽歧管将蒸
汽从各个服务器运送到电子机架顶部部分附近的机架安装冷凝器。冷凝器包括液体容器，并且包含在容器中的液体可以被输送到服务器。独立冷却剂单元(或冷却剂单元)可以管理填充到电子机架处的服务器的两相冷却剂。总体设计允许用于两相冷却剂的多个路径被提供给服务器，以在高异构性填充的电子机架中适应不同的服务器功率条件以及不同类型的服务器。
7.根据一个方面，电子机架包括一个或多个服务器，其中一个或多个服务器中的每个包含在相应服务器容器内，并且一个或多个服务器中的每个至少部分地浸泡在两相液体冷却剂内，其中，当一个或多个服务器提供it服务时，一个或多个服务器产生传递到两相液体冷却剂的热量，从而使两相液体冷却剂中的至少一些转变成蒸汽。电子机架包括安装在电子机架的顶部部分的冷凝器容器和在冷凝器容器上方的冷却冷凝器(或冷凝盘管)，以将蒸汽冷凝成两相液体冷却剂。电子机架包括沿着电子机架的长度设置的蒸汽歧管，该蒸汽歧管将冷凝器容器联接到一个或多个服务器的相应服务器容器，其中蒸汽歧管将蒸汽从一个或多个服务器引导到冷却冷凝器。电子机架包括联接到冷凝器容器的第一返回管线，其中第一返回管线将包含在冷凝器容器中的两相液体冷却剂返回到冷却剂单元。
8.在一个实施方式中，电子机架还包括沿着第一返回管线的长度的泵，以将两相液体冷却剂从冷凝器容器主动地返回到冷却剂单元。在一个实施方式中，电子机架还包括沿着电子机架的长度设置的液体歧管，该液体歧管联接到冷凝器容器。电子机架包括联接在液体歧管和冷却剂单元之间的第二返回管线，其中第一返回管线和/或第二返回管线将两相液体冷却剂从冷凝器容器返回到冷却剂单元。
9.在一个实施方式中，电子机架包括联接在第一返回管线和第二返回管线之间的第三返回管线，以及沿着第三返回管线的长度的阀，以接通/断开用于两相液体冷却剂从第一返回管线流到第二返回管线的连接路径。在一个实施方式中，液体歧管联接在第一返回管线和冷凝器容器之间。
10.在一个实施方式中，安装在电子机架的顶部部分的冷凝器容器包括入口端口和出口端口，其中泵使冷却液体循环通过冷却冷凝器的盘管。在一个实施方式中，冷却液体是与两相液体冷却剂不同的冷却介质。在一个实施方式中，入口端口和出口端口位于冷凝器容器的一侧，并且入口端口和出口端口使冷却液体循环通过冷却剂单元的内部。
11.在一个实施方式中，电子机架还包括位于冷却剂单元和一个或多个服务器之间的供应管线，以将两相液体冷却剂从冷却剂单元供应到一个或多个服务器。在一个实施方式中，冷却剂单元位于电子机架附近。
12.根据第二方面，信息技术(it)设备冷却系统包括用于供应两相液体冷却剂的冷却剂单元和联接到冷却剂单元的电子机架。电子机架包括一个或多个服务器，其中一个或多个服务器中的每个包含在相应服务器容器内，并且一个或多个服务器中的每个至少部分地浸泡在两相液体冷却剂内，其中在一个或多个服务器提供it服务的同时，一个或多个服务器产生传递到两相液体冷却剂的热量，从而使两相液体冷却剂中的至少一些转变成蒸汽。电子机架包括安装在电子机架的顶部部分的冷凝器容器和容纳在冷凝器容器中的冷却冷凝器，以将蒸汽冷凝成两相液体冷却剂。电子机架包括沿着电子机架的长度设置的蒸汽歧管，该蒸汽歧管将冷凝器容器联接到一个或多个服务器的相应服务器容器，其中蒸汽歧管将蒸汽从一个或多个服务器引导到冷却冷凝器。电子机架包括联接到冷凝器容器的第一返
回管线，其中第一返回管线将包含在冷凝器容器中的两相液体冷却剂返回到冷却剂单元。
附图说明
13.本发明的实施方式在附图中以示例的方式而不是限制的方式示出，在附图中相同的附图标记表示类似的元件。
14.图1是示出根据一个实施方式的冷却系统体系结构的示例的框图。
15.图2是示出根据一个实施方式的具有从冷凝器容器到冷却剂容器的附加流体路径的冷却系统的框图。
16.图3是示出根据一个实施方式的在流体释放歧管处具有流体连接的冷却系统的框图。
17.图4是示出根据一个实施方式的具有流体连接的冷却系统的框图。
18.图5是示出根据一个实施方式的在相邻冷却剂单元处具有流体端口的冷却系统的框图。
19.图6是示出根据一个实施方式的冷却剂路径的冷却系统的框图。
20.图7是示出根据一个实施方式的附加冷却剂路径的冷却系统的框图。
21.图8是示出根据一个实施方式的连接一个或多个冷却系统的设施回路的框图。
具体实施方式
22.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。下面的描述和附图是对本发明的说明，并不被解释为对本发明进行限制。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，为了提供本发明的实施方式的简洁讨论，没有描述公知的或常规的细节。
23.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特定特征、结构或特性可以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”不一定都指相同的实施方式。
24.图1是示出根据一个实施方式的冷却系统体系结构100的示例的框图。冷却系统体系结构100可以包括电子机架103和冷却剂单元105。冷凝单元115可以安装在电子机架103的顶部，并且冷凝单元115可以与冷凝器容器116一起封装。电子机架103可以包括填充在电子机架103上的一个或多个服务器117-1、117-2、117-3，其中服务器117-1、117-2、117-3容纳在相应的服务器容器或浸没槽中，并且服务器容器连接到蒸汽歧管122。在服务器117-1、117-2、117-3内产生的蒸汽可以经由蒸汽歧管122通过端口121-1、121-2、121-3行进到冷凝单元115。服务器117中的每个可以包括在操作时产生热量的一个或多个电子装置，例如处理器、存储器、储存装置等。
25.电子机架103可以包括一组液体分配歧管，其中该组液体分配歧管包括流体供应歧管123和流体释放歧管125。服务器流体供应歧管123和服务器流体释放歧管125可以分别向/从服务器117-1、117-2、117-3供应/释放两相液体冷却剂。尽管仅示出了三个服务器，但是冷却系统体系结构100可以包括任意数量的服务器。
26.冷却剂单元105可包括冷却剂容器111以储存两相液体冷却剂。在一个实施方式中，冷却剂容器111连接到冷凝单元115的冷凝器容器116。在一个实施方式中，冷却剂容器
111连接到流体供应歧管123和流体释放歧管125。在一个实施方式中，充液泵107联接在流体供应歧管123和冷却剂容器111之间，并且充液泵107可以从冷却剂容器111向流体供应歧管123充入冷却剂。排泄泵109可联接在流体释放歧管125和冷却剂容器111之间，排泄泵109可将冷却剂从流体释放歧管125释放到冷却剂容器111。在一个实施方式中，冷却剂单元105包括流体水平传感器127，其中流体水平传感器127的信号用于调节冷却剂单元105处的流体水平。例如，该信号可以由连接到冷却剂单元105的设施水平冷却剂供应和返回所使用，其中冷却剂容器111中的两相液体冷却剂水平由设施水平冷却剂供应和返回所调节。
27.在一个实施方式中，服务器117-1、117-2、117-3被设计成具有浸没冷却，其中各个服务器117-1、117-2、117-3包含在相应的服务器容器内。一个或多个服务器117-1、117-2、117-3中的每个至少部分地浸泡在相应容器内的两相液体冷却剂内，其中，当一个或多个服务器117-1、117-2、117-3提供it服务时，一个或多个服务器117-1、117-2、117-3产生传递到两相液体冷却剂的热量，从而使两相液体冷却剂中的至少一些变为蒸汽状态。
28.在服务器117-1、117-2、117-3的相应容器内的蒸气可以行进至冷凝单元115，并且冷凝单元115的冷凝盘管113将蒸气冷凝回液相冷却剂，其中液相冷却剂可以收集在冷凝器容器116中。这里，冷却液体可以从液体冷却源经由再循环泵119供应到冷凝盘管113，在冷凝盘管113中冷却液体将循环通过冷凝盘管113。然后，冷却液体承载通过冷凝盘管113从蒸汽中提取的热量并离开冷凝单元115。在一个实施方式中，两相液体冷却剂通过重力经由管线129从冷凝器容器116引导到冷却剂单元105的冷却剂容器111。
29.在一个实施方式中，从液体冷却源循环的冷却液体不同于两相液体冷却剂。在一个实施方式中，冷却液体是诸如冷却水的单相冷却流体，并且两相液体冷却剂是电介质溶液。
30.可以向服务器117-1、117-2、117-3泵送两相液体冷却剂。在一个实施方式中，连续地或以预定的时间间隔从冷却剂容器111向服务器117-1、117-2、117-3泵送两相液体冷却剂，从而允许两相液体冷却剂连续地提取由容纳在服务器117-1、117-2、117-3中的it电子器件产生的热量。两相液体冷却剂将经历从液体状态到蒸汽状态的状态变化，其中蒸汽经由蒸汽歧管122离开服务器117-1、117-2、117-3。这里，充液泵107可以以定时间隔或基于服务器的感测温度，周期性地将液相的两相液体冷却剂泵送到服务器117-1、117-2、117-3。在一个实施方式中，当单独的服务器117-1、117-2、117-3需要释放两相液体冷却剂时，例如为了维修和维护，排泄泵109进行操作。需要提及的是，服务器117-1、117-2、117-3可以包括在分别联接到流体供应歧管123和/或流体释放歧管125的相应端口129-1、129-2、129-3、130-1、130-2、130-3处的控制阀(未示出)，以控制流体何时进入/离开相应的服务器117-1、117-2、17-3。总之，图1示出液体冷却剂可以通过管线129或流体释放歧管125在冷凝器容器116和冷却剂容器111之间流动。
31.图2是示出根据一个实施方式的具有从冷凝器容器116到冷却剂容器111的附加流体路径的冷却系统200的框图。冷却系统200可以表示图1的冷却系统体系结构100。在一个实施方式中，冷却系统200可包括直接连接管线129和次级连接管线201以将液体从冷凝器容器116释放到冷却剂容器111，其中次级连接管线201从直接连接管线129延伸到排泄泵109。该实施方式允许排泄泵109帮助两相流体从冷凝器容器116流到冷却剂容器111。在一个实施方式中，次级连接管线201包括可控制以打开或关闭次级连接管线201的阀203。在一
个实施方式中，流体释放歧管125可以连接或不连接到冷凝单元115。在图2中可以看出，在该设计变型中，冷凝单元115没有连接到流体释放歧管125。
32.图3是示出根据一个实施方式的在流体释放歧管处具有流体连接的冷却系统300的框图。冷却系统300可以表示图1的冷却系统体系结构100。在一个实施方式中，冷却系统300可以包括连接管线129，其中连接管线129联接在流体释放歧管125和冷却剂容器111之间。冷凝单元115连接到流体释放歧管125。这种设计上的变化可以消除冷凝器容器116处的出口端口，否则，如果连接管线129要联接到冷凝器容器116，则将需要该出口端口。
33.图4是示出根据一个实施方式的具有流体连接的冷却系统400的框图。冷却系统400可以表示图1的冷却系统体系结构100。在一个实施方式中，冷却系统400在流体释放歧管125和冷却剂容器111之间仅包括一个连接管线129。连接管线129可以包括排泄泵109，其中连接管线129用作服务器117-1、117-2、117-3以及冷凝单元115的流体释放。
34.图5是示出根据一个实施方式的在冷却剂单元105处具有冷却液体端口的冷却系统500的框图。冷却系统500可以表示图1的冷却系统体系结构100。冷却系统500示出了设计上的变化，其中冷凝单元115通过冷却剂单元105接收冷却液，并且冷却剂单元105包括端口501、503以将冷却剂液体回路引导通过冷却剂单元105。这里，冷凝单元115通过冷却剂单元105从液体冷却源接收冷却液体。在一个实施方式中，冷凝单元115是气冷式冷凝单元并且包括气冷式冷凝器。因此，这种设计上的变化允许冷却剂单元105容纳从电子机架103充/排的所有流体端口(两相液体冷却剂和冷却液体)。
35.图6是示出根据一个实施方式的冷却剂路径的冷却系统的框图。图6示出了用于冷却系统600的两相冷却剂路径。冷却系统600可以表示图1的冷却系统体系结构100。参考图6，虚线路径601示出上升到冷凝单元115的蒸汽路径。路径603示出再循环泵119向冷凝单元115的冷凝盘管113供应冷却液，用于冷凝盘管113将蒸汽冷凝成液相。路径605示出了通过管线129从冷凝器容器116到冷却剂容器111的定向流体流可以由重力或泵驱动。路径607示出充液泵107可以将两相液体冷却剂从冷却剂容器111泵送到服务器117-1、117-2和117-3。
36.图7是示出根据一个实施方式的附加冷却剂路径的冷却系统的框图。冷却系统700可以表示图6的冷却系统600。除了图6所示的路径之外，图7示出了从冷凝器容器116到冷却剂容器111的附加的两相冷却剂路径609。路径609允许冷却系统700快速地将两相液体冷却剂从冷凝器容器116排放到冷却剂容器111。在用于附加路径609的设计中的这些变型可以以不同的速率从服务器117-1、117-2和117-3移除热负荷。例如，具有高热容量的服务器的冷却系统可以使冷却系统700适应附加的释放路径609。在一个实施方式中，可以独立地控制路径605、607和609。
37.图8是示出根据一个实施方式的连接一个或多个冷却系统100a-100f的设施回路801的框图的平面图。设施系统800包括连接到冷却系统100a-100f的各个冷却剂单元105a-105f的设施回路801。在一个实施方式中，冷却剂单元105a-105f在相应的电子机架部署之前被填充和调试。可以看出，由于冷却剂单元105a-105f可以设法使冷却流体和两相冷却冷却剂都通过冷却剂单元105a-105f，所以这样的设施系统800允许部署电子机架和服务器的快速和有效的解决方案。
38.在前面的说明书中，已经参考本发明的具体的示例性实施方式描述了本发明的实施方式。显然，在不背离如所附权利要求书中所阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情
况下，可以对其进行各种修改。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。