WO2012149768A1 - 一种浸没式冷却系统和方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to the field of information and communications, and in particular to an immersion cooling system and method. Background technique
  • the non-conductive working medium absorbs the heat generated by the heat source, and then the temperature rises and the volume expands, and the gas is squeezed. After the gas is squeezed from the non-conductive working medium, the volume of the gas is reduced due to the compressibility of the gas, and the internal pressure is increased. When the equilibrium state is reached, the volume reduced by the gas enthalpy will be equal to the volume added by the expansion of the non-conductive working fluid.
  • the heat generated by the decrease in the power consumption of the heat source decreases, the temperature of the non-conductive working medium decreases, or the temperature of the non-conductive working medium decreases due to other environmental factors, the volume of the gas enthalpy increases, and the gas volume increases. The internal pressure will also decrease. When equilibrium is reached, the volume added by the gas enthalpy will be equal to the volume that is reduced by the non-conductive working fluid.

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Description

一种浸没式冷却系统和方法 技术领域
本发明涉及信息和通信领域， 具体涉及一种浸没式冷却系统和方法。 背景技术
随着信息和通信产业的高速发展， 设备的集成度和热密度越来越高。 面 对芯片功耗的日益上升和设备集成度的日益增长， 传统的以空气为介质为 电子产品进行散热的技术越来越不能满足需求， 业界开始寻求更高密度的 散热解决方案， 浸没式冷却开始进入人们的视野。
浸没式冷却是将发热源浸没于不导电液体中进行散热， 从而把温度控 制在合理的范围之内。 相对传统的风冷技术， 浸没式散热可解决的热密度 可以高很多。 同时， 采用浸没式散热的系统方案相对筒单， 部件通常也比 较少， 可靠性较高。 但由于在浸没于不导电工质中热源产生的热量被不导 电工质吸收后， 不导电工质的温度将升高， 体积将膨胀。 因此采用浸没式 散热方案式， 必须考虑工质的体积膨胀问题， 以防止由此造成的对壳体的 破坏进而其引起的安全性问题。
为了控制浸没式冷却系统由于不导电工质体积膨胀所造成的压力升高 问题， 业界已有的浸没式冷却方案多采用安装排气阀门的方式。 现有的技 术方案中设置了专门的排气阀门以防止压力升高甚至造成安全问题。 不导 电工质盛于由固体材料制成的壳体中， 采用这种排气阀方案时， 通常的做 法是在充注液体工质时预留一定的空间， 也就是说不导电工质只占壳体所 围成的空间的一部分， 剩余的空间内仍然盛有气体。 当不导电工质温度升 高体积膨胀时就开始挤压气体， 当气体压力升高到一定程度时， 安装于壳 体壁面上的排气卸压阀开始工作， 将部分气体排到外界， 以降低壳体内部 的压力。
业界已有的排气卸压阀通常体积较大， 通常须安装于系统中较高的位 置， 因此其安装方式也受到一定的限制。 另外， 那些未能浸没于不导电工 质中而暴露在气体中的电子设备部分， 其散热能力会受到严重影响。 尤其 对于用于横插筐的单板级浸没系统， 空气层的存在严重恶化了不导电工质 与冷源外壳之间的换热， 导致整个系统的散热性能恶化。 发明内容
本发明实施例提供了一种浸没式冷却的系统和方法。
本发明实施例提供了一种浸没式冷却系统， 系统包括： 电子设备、 不导 电工质和一个或多个气嚢； 所述电子设备浸没于不导电工质中； 所述不导 电工质用于对电子设备散热， 随着温度升高所述不导电工质的体积膨胀； 所述气嚢壁面有弹性， 所述气嚢用于在受到不导电工质体积膨胀带来的挤 压时缩小体积， 以緩沖不导电工质的体积膨胀导致的系统内压力上升。
本发明实施例提供了一种浸没式冷却的方法， 所述方法包括： 在封闭容 器中使用不导电工质对电子设备散热， 所述电子设备浸没在不导电工质中， 在所述不导电工质中放置一个或多个可伸缩气嚢； 在受到不导电工质体积 膨胀带来的挤压时， 气嚢体积缩小以緩沖不导电工质的体积膨胀导致的系 统内压力上升。
本发明实施例提供的浸没式冷却的系统和方法， 使用气嚢代替排气阀安 装更加灵活； 并进一步的提高了冷却性能。
附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一筒单地介绍， 显而易见， 下面描述中的附图是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1为本发明浸没式冷却系统的一个实施例的结构图；
图 2为本发明实施例中只有部分壁面可以移动的气嚢示意图；
图 3为本发明浸没式冷却方法的一个实施例的流程图。 具体实施方式 为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本 发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描 述， 显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前 提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种浸没式冷却系统。 请参考图 1 , 图 1提供了本 发明浸没式冷却系统一个实施例的结构图。 系统包括： 电子设备 101、 不导 电工质 103和一个或多个气嚢 105 ; 所述电子设备浸没于不导电工质中； 所 述不导电工质用于对电子设备散热， 随着温度升高所述不导电工质的体积 膨胀； 所述气嚢壁面有弹性， 所述气嚢用于在受到不导电工质体积膨胀带 来的挤压时缩小体积， 以緩沖不导电工质的体积膨胀导致的系统内压力上 升。
热源电子设备 101浸没于不导电工质中， 103不导电工质充满于壳体内 部。 大小不一、 形状各异的气嚢被置于不导电工质内。
气嚢 105将气体包裹于其内部。 气嚢通常是由橡胶材料制成， 壁面具有 一定的压缩或者扩张能力。 本发明的一个具体实施案例便是将气嚢应用于 浸没式散热系统中， 以达到控制压力的目的。 气嚢可以采用目前在市政管 道和液压系统中常用的气嚢。 气嚢的本质是能够将气体包裹住， 并且部分或者全部壁面能够根据内 外压差的变化而变化， 从而使得当不导电工质膨胀时， 气嚢内的气体可以 被压缩； 反过来， 当不导电工质体积缩小时， 气嚢内的气体可以在内部压 力的作用下被扩张。 请参考附图 2 , 图 2给出了一个只有一个可移动壁面 201 的气嚢示意图， 当气体体积膨胀时， 可移动壁面向外移动， 从而使气体体 积增加； 当气体体积需要缩小时， 可移动壁面向内移动， 从而使气体体积 减小。 图 2中 )是气嚢的初始状态， 图 2中 （b )是气体膨胀后的气嚢状 态； 图 2中 （c )是气体压缩后的气嚢状态。
如果将气嚢内的气体看作工程热力学上的理想气体的话， 气嚢内气体 的压力将遵循工程热力学上的理想气体状态方程， 如公式（1 )所示：
VP = nRT ( 1 )
其中 P是气体的压强， V是气体的体积， T是气体的绝对温度， n是理想 气体物质的量， R是气体常数。 。
在系统工作时， 不导电工质吸收热源所产生的热量后温度升高体积膨 胀， 并挤压气嚢。 气嚢受到来自不导电工质的挤压后， 由于气体的可压缩 性， 气嚢体积缩小， 同时内部压力升高。 在达到平衡状态时， 气嚢所减小 的体积将等于不导电工质膨胀所增加的体积。 而当热源的功耗下降产生的 热量减少导致不导电工质的温度降低时， 或者由于其他环境因素的原因不 导电工质的温度降低体积缩小时， 气嚢的体积则会增大， 同时气嚢内部的 压力也将减小。 当达到平衡时， 气嚢所增加的体积将等于不导电工质所减 少的体积。
所述在受到不导电工质体积膨胀带来的挤压时所述气嚢的体积缩小包 括： 所述气嚢体积根据理想气体状态方程缩小， 所述气嚢缩小的体积根据 如下公式（ 1 )计算：
V2 - V, = nR ( — 1)
p2 Pl ( 2 ) ； 其中， vi是气嚢体积缩小前的气嚢体积， v2是气嚢体积缩小后的气 嚢体积； 是气嚢体积缩小前的气嚢内气体绝对温度， 是气嚢体积缩小 后的气嚢内气体绝对温度； Ρ2是气嚢体积缩小前的气嚢内气体压强， Ρ2是气 嚢体积缩小后的气嚢内气体压强； η是气嚢内气体的物质的量； R是气体常 数。
在本发明的实施例中， 浸没式系统中不导电工质的工作温度范围被控 制在一定的规格之内， 也就是说所述气嚢的温度变化是在一定的范围之内。 若将气嚢压缩或者扩张后的体积 V2 与气嚢的初始体积 ¥控制在一定的范 围之内， 气嚢的压力也控制在一定的允许范围之内。 由于浸没式系统中气 嚢内的压力和不导电工质的压力存在一定的平衡关系， 故通过气嚢的设计 可以使浸没式系统的压力得 'J控制。
所述一个或多个气嚢的气嚢数量根据不导电工质的体积膨胀值和各个 气嚢的体积缩小值确定， 具体包括根据公式（3 )计算： ； ( 3 ) 其中， vv是不导电工质的体积膨胀值， Vv'表示第 i个气嚢的体积缩小 值， 所述气嚢的气嚢数量 i要保证所有气嚢的体积缩小值之和大于或等于不 导电工质的体积膨胀值。
只要保证气嚢的总体积与不导电工质的膨胀体积的合理比值， 浸没式 系统的压力就可以得到控制。 在本发明的实施例中， 气嚢的形状和数量使 可以根据壳体内的具体情况进行任意的灵活设置。
虽然本实施案例中采用的是传统工业体系中的气嚢， 实际上， 气嚢的 具体形式可以根据浸没式散热方案的具体情况进行多种变形和设计。
所述气嚢固定于和所述电子设备 101通过不导电工质隔离的位置。 此设 计可以通过合理设置气嚢的位置避免现有方案中存在的电子设备暴露在气 体中， 空气隔离在不导电工质和外壳之间的热交换等缺陷， 进一步提高整 个系统的散热性能。
在本发明实施例中， 所述不导电工质是不导电液体或不导电气体。 本发明实施例提供了一种浸没式冷却的方法。 请参考图 3, 图 3提供了 本发明一个实施例的流程图。 所述方法包括：
S301使用不导电工质对电子设备散热；
S303在受到不导电工质体积膨胀带来的挤压时，气嚢体积缩小以緩沖不 导电工质的体积膨胀导致的系统内压力上升；
所述系统包括电子设备、 不导电工质和一个或多个气嚢。
在受到不导电工质体积膨胀带来的挤压时， 气嚢体积缩小包括， 所述气 嚢缩小的体积根据公式（4 )计算：
V2 X = nR ( ϋ )； ( 4 )
Ρ2 Ρ, 其中， Vi是气嚢体积缩小前的气嚢体积， V2是气嚢体积缩小后的气嚢 体积； 是气嚢体积缩小前的气嚢内气体绝对温度， 是气嚢体积缩小后 的气嚢内气体绝对温度； ρ2是气嚢体积缩小前的气嚢内气体压强， ρ2是气嚢 体积缩小后的气嚢内气体压强； η是气嚢内气体的物质的量； R是气体常数。
所述一个或多个气嚢的气嚢数量根据不导电工质的体积膨胀值和各个 气嚢的体积缩小值确定。
所述一个或多个气嚢的气嚢数量根据不导电工质的体积膨胀值和各个 气嚢的体积缩小值确定具体包括根据公式（5 )确定：
∑vv1≥vv ( 5 ) 其中， VV是不导电工质的体积膨胀值， Vv'表示第 i个气嚢的体积缩小 值， 其中 i是大于等于 1且小于等于 N的自然数， 所述气嚢的气嚢数量 i 要保证所有气嚢的体积缩小值之和大于或等于不导电工质的体积膨胀值。 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图， 附图中 的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对 其限制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通 技术人员应当理解： 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不 使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

权利要求
1. 一种浸没式冷却系统， 其特征在于， 系统包括： 电子设备、 不导电工质 和一个或多个气嚢； 所述电子设备浸没于不导电工质中； 所述不导电工 质用于对电子设备散热， 随着温度升高所述不导电工质的体积膨胀； 所 述气嚢壁面有弹性， 所述气嚢用于在受到不导电工质体积膨胀带来的挤 压时缩小体积， 以緩沖不导电工质的体积膨胀导致的系统内压力上升。
2. 根据权利要求 1所述的系统， 其特征在于， 所述气嚢缩小的体积根据如 下公式计算：
V2 - V, = nR ( ϋ P2 s )； 其中， ¼是气嚢体积缩小前的气嚢体积， v2是气嚢体积缩小后的气嚢体 积； 是气嚢体积缩小前的气嚢内气体绝对温度， τ2是气嚢体积缩小后的 气嚢内气体绝对温度； Ρ2是气嚢体积缩小前的气嚢内气体压强， Ρ2是气嚢体 积缩小后的气嚢内气体压强； η是气嚢内气体的物质的量； R是气体常数。
3. 根据权利要求 1或 2所述的系统， 其特征在于， 所述一个或多个气嚢的 气嚢数量根据不导电工质的体积膨胀值和各个气嚢的体积缩小值确定。
4. 根据权利要求 3所述的系统， 其特征在于， 所述一个或多个气嚢的气嚢 数量根据如下公式确定：
∑VVl > VV
i=l 其中， vv是不导电工质的体积膨胀值， Vv'表示第 i个气嚢的体积缩小 值， 其中 i是大于等于 1且小于等于 N的自然数， N是所述气嚢的气嚢 数量， N要保证所有气嚢的体积缩小值之和大于或等于不导电工质的体 积膨胀值。
5. 根据权利要求 1或 2所述的系统， 其特征在于， 所述气嚢固定于和所述 电子设备通过不导电工质隔离开的位置。
6. 根据权利要求 1所述的系统， 其特征在于， 所述不导电工质是不导电液 体或不导电气体。
7. 一种浸没式冷却的方法， 其特征在于， 所述方法包括：
在封闭容器中使用不导电工质对电子设备散热， 所述电子设备浸没在所述 不导电工质中， 在所述不导电工质中放置一个或多个气嚢； 积缩小以緩沖不导电工质的体积膨胀导致的系统内压力上升。
8. 根据权利要求 7所述的方法， 其特征在于， 所述气嚢缩小的体积根据以 下公式确定：
V2 - V, = nR ( ϋ )；
P2 s
其中， vi是气嚢体积缩小前的气嚢体积， v2是气嚢体积缩小后的气嚢体 积； 是气嚢体积缩小前的气嚢内气体绝对温度， 是气嚢体积缩小后的 气嚢内气体绝对温度； Ρ2是气嚢体积缩小前的气嚢内气体压强， Ρ2是气嚢体 积缩小后的气嚢内气体压强； η是气嚢内气体的物质的量； R是气体常数。
9. 根据权利要求 7或 8所述的方法， 其特征在于， 所述在所述不导电工质 中放置一个或多个气嚢包括： 根据不导电工质的体积膨胀值和各个气嚢 的体积缩小值确定所述一个或多个气嚢的气嚢数量。
10.根据权利要求 9所述的方法， 其特征在于， 所述根据不导电工质的体积 膨胀值和各个气嚢的体积缩小值确定一个或多个气嚢的气嚢数量具体 包括， 根据如下公式确定：
∑vVi > w 其中， vv是不导电工质的体积膨胀值， Vv'表示第 i个气嚢的体积缩小 值， 其中 i是大于等于 1且小于等于 N的自然数， N是所述气嚢的气嚢 数量， N要保证所有气嚢的体积缩小值之和大于或等于不导电工质的体 积膨胀值。
11.根据权利要求 7所述的方法， 其特征在于， 所述不导电工质是不导电液 体或不导电气体。
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