НАСОСНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И КОМПОНЕНТОВ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к оборудованию для охлаждения электронных компонентов, в частности к насосному модулю для устройства жидкостного охлаждения электронных компонентов и электрических приборов, в частности посредством их погружения в жидкую диэлектрическую охлаждающую среду, и может быть использована для создания заданной термостабильной среды для различных электронных компонентов в области вычислительной техники, электроники, электротехники и машиностроения, а также тепловой техники и бытовой техники для оптимизации режимов циркуляции жидкости в любом циркуляционном контуре.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наибольшее распространение в охлаждении компьютерных устройств получила система воздушного охлаждения. Однако рост плотности размещения электронных компонентов по отношению к объему устройства, а также рост удельного тепловыделения компонентов, вызнанный увеличением скорости производимых расчетов, обнаружили неэффективность использования для охлаждения воздуха как среды с малой теплоемкостью, поскольку в этом случае требуется значительное увеличение энергозатрат для обеспечения высокой скорости воздушного потока для отвода выделяемого тепла и проникновения в плотно загруженное электронными компонентами пространство компьютера или сервера. Это сопровождается значительным шумом вентиляционных устройств, электризацией электронных компонентов и плат, а также накапливанием пыли в узких каналах или на участках с падением скорости потока и т.п.  Кроме того, в случае воздушного охлаждения эффективное отведение тепла от компонентов электронного устройства обеспечивается только вдоль ориентации интенсивного воздушного потока, в то время как поперечные к нему направления воздушным потоком эффективно не обдуваются.
Известен также метод непосредственного жидкостного охлаждения тепловыделяющих электронных компонентов компьютерных устройств. Подвод охлаждающей жидкости к электронным компонентам и ее отвод от них осуществляется при этом по трубопроводам согласно топологии распределения в компьютерном устройстве элементов с максимальным тепловыделением, таких как, например, процессор, память, источник питания и др. Эффективность такого охлаждения значительно выше, чем при воздушном охлаждении за счет многократно более высокой теплоемкости жидкости по сравнению с воздухом. При этом практически отсутствует шум, электризация элементов компьютера, а также предотвращается скопление пыли на электронных приборах плат.
Однако любое изменение пространственного расположения тепловыделяющих элементов, осуществляемое в связи с необходимостью апгрейда системы или ее реконструкции, требует изменения конструкции, конфигурации и размеров подводящих и отводящих жидкий хладагент трубопроводов, а это возможно только после предварительного проектирования таких трубопроводов и их промышленного или производственного изготовления.
Наиболее технологичным, эффективным, бесшумным и удобным для проведения любых реконструкций охлаждаемых компьютерных устройств в пределах определенного объема является устройство для  иммерсионного охлаждения (УИМО) электрических приборов, электронных устройств и компонентов, предусматривающее погружение охлаждаемых компонентов в циркулирующую, отдельно охлаждаемую через теплообменник диэлектрическую жидкость.
Известно устройство для непосредственного жидкостного охлаждения электронных компонентов RU 2695089 [1], которое может быть выбрано в качестве прототипа. Известное устройство для непосредственного жидкостного охлаждения электронных компонентов содержит резервуар-ванну, выполненный с возможностью помещения в него извлекаемой стойки с размещенными на ней электронными компонентами, подлежащими охлаждению.
При этом конструкция устройства обеспечивает образование параллельных вертикальных потоков диэлектрической охлаждающей жидкости между электронными компонентами, обеспечивая тем самым охлаждение и поддержание заданной термостабильной среды для электронных компонентов. Извлекаемая стойка выполнена с интегрированными в нее диэлектрическими перегородками, установленными для обеспечения разделения параллельных потоков диэлектрического хладагента и функциональных зон внутри резервуара.
Диэлектрический хладагент, совершающий перемещение вверх в виде параллельных потоков между электронными компонентами, поступает в резервуар через по меньшей мере одну форсунку, расположенную в нижней части стойки на дне резервуара, причем форсунка или форсунки расположены напротив направляющих отверстий горизонтальной панели, разделяющей верхнюю и нижнюю секции стойки.
Непосредственно в составе модуля теплообмена предусмотрен насос, который соединен с указанной по меньшей мере одной форсункой посредством впускного трубопровода резервуара-ванны и производит непрерывную подачу диэлектрического хладагента, тем самым обеспечивая подъем диэлектрического хладагента вверх с его прохождением через электронные компоненты, размещенные на стойке, и перелив диэлектрического хладагента через наружную диэлектрическую перегородку каркаса стойки  в зону перелива, расположенную между наружной диэлектрической перегородкой на каркасе стойки и стенкой резервуара.
В зоне перелива расположен выпускной трубопровод, горловина или горловины которого выполнены с возможностью приема всего потока хладагента, переливающегося через наружную диэлектрическую перегородку каркаса стойки.
В известном устройстве также предусмотрен теплообменник, который входит в состав «модуля теплообмена», содержащего также насос, и соединен с резервуаром с помощью герметичного быстроразъемного соединения, обеспечивающего подключение к впускному трубопроводу прямого потока и выпускному трубопроводу обратного потока жидкого хладагента в резервуаре.
Выпускной трубопровод резервуара соединен с выходным отверстием зоны перелива для вывода диэлектрического хладагента посредством насоса из резервуара в теплообменник для его охлаждения и последующего возврата обратно в резервуар.
Поток хладагента посредством насоса следует через первичный контур теплообменника, передавая тепло во вторичный контур. Вторичный контур, в свою очередь, соединен посредством герметичного соединения, в частности быстроразъемного, с трубопроводами системы рекуперации тепла. Каждый из контуров может быть снабжен индивидуальным насосом для перекачивания охлаждающей жидкости.
УИМО также снабжено контроллером. Контроллер реализует мониторинг температуры диэлектрического хладагента посредством температурных датчиков с целью определения разности температур в системе и регуляции потока диэлектрического хладагента через электронные компоненты для поддержания заданной термостабильной среды.
Известное устройство обладает рядом следующих недостатков.
Сменный «модуль теплообмена», включающий в себя теплообменник и насос, в случае  дисфункции насоса позволяет оперативно заменить его на новый только за счет временного нарушения работы всего устройства для охлаждению электронных компонентов посредством прерывания циркуляции и прекращения охлаждения самой охлаждающей жидкости ввиду отсоединения насоса от устройства в виде модуля вместе с теплообменником, входящим в его состав.
Однако такие наиболее важные и дорогостоящие компоненты известного «модуля теплообмена», как насос и теплообменник, имеют разный рабочий ресурс, отличающийся в несколько раз, а именно эксплуатационная долговечность насоса в несколько раз ниже, чем у теплообменника. Поэтому замена каждый раз всего модуля при выходе из строя только насоса нерационально, материалоемко и затратно, поскольку новый модуль должен содержать как новый насос, так и новый теплообменник, стоимость которого сравнима со стоимостью насоса. Частая замена такого модуля приводит к значительным технологическим простоям и материальным затратам. Кроме того, ввиду отсоединения от устройства вместе с насосом также теплообменника делает неэффективным использование аварийного циркуляционного насоса ввиду отсутствия во время замены модуля в УИМО теплообменника, необходимого для охлаждения нагретого хладагента. Кроме того, надежность такой системы будет определяться надежностью компонента с самым низким сроком службы. Наличие в таком модуле только одного насоса также приводит к более частым перерывам в работе УИМО в случае выхода насоса из строя и повышению материальных затрат.
Иммерсионный охладитель в силу своей работы в составе электронных устройств повышенной важности и значимости, таких как, например, серверные компьютерные устройства, должен являться системой высокой надежности и, в то же время, подстраиваться в режимах своей работы под фактическое тепловыделение охлаждаемых электронных компонентов, компенсируя, например, пиковые тепловыделения электронных элементов, таких как, в частности, процессоры при их 100% загрузке сложными вычислениями, а также переходить на энергетически более экономные режимы охлаждения в случае снижения тепловыделения электронных компонентов при снижении интенсивности вычислительной нагрузки этих компьютеров или серверов. Однако, наличие только одного насоса в устройстве иммерсионного охлаждения (далее УИМО) при недостаточной мощности насоса не позволяет компенсировать пиковые тепловыделения охлаждаемых электронных компонентов, а при избыточной мощности насоса приводит к дополнительным материальным затратам как на его покупку так и на эксплуатацию. Кроме того, работа на предельных мощностях дополнительно снижает ресурс насоса.
Кроме того, в случае такого исполнения УИМО при замене одного единственного насоса структурных элементов виде «модуля теплообмена»  циркуляция охлаждающей жидкости временно прекращается, а поскольку пиковое тепловыделение в охлаждаемых электронных компонентах в связи с производимым вычислительным процессом при решении поставленных задач не является прогнозируемым, то это пиковое тепловыделение может совпасть по времени с интервалом времени остановки циркуляции охлаждающей жидкости при замене насоса, что может привести к перегреву электронных компонентов и выходу их из строя, что недопустимо с точки зрения надежности.
Для повышения долговечности и надежности работы компьютерных устройств необходимо контролируемое (управляемое) охлаждение электронных компонентов.
Повышение долговечности и надежности УИМО, как любой технической системы связано, прежде всего, с возможностью быстрой своевременной замены изношенных частей системы, обладающих пониженным временным ресурсом своей работы в составе всей системы, на новые.
В устройстве иммерсионного охлаждения именно циркуляционный насос содержит движущиеся компоненты и поэтому является наиболее быстро изнашиваемым компонентом УИМО. При длительном непрерывном или периодическом функционировании УИМО, например в течение месяцев и даже лет, насос проявляет себя как наименее долговечная часть устройства и поэтому при выходе его из строя он должен быть заменен на новый без ущерба для охлаждения работающих электронных компонентов устройств.
Таким образом, актуальной является проблема повышения долговечности и надежности работы УИМО в целом и снижения его эксплуатационных затрат.
Указанные недостатки прототипа [1] предлагается устранить с помощью «насосного модуля» согласно предлагаемой полезной модели.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение долговечности и надежности работы устройства жидкостного охлаждения, снижение его эксплуатационных затрат, в том числе посредством интеллектуального управления насосами циркуляционного контура.
Указанный технический результат достигается насосным модулем для устройства жидкостного охлаждения (УЖО) электронных компонентов, который  выполнен в виде быстросменного автономного модуля и содержит два подключенных параллельно циркуляционных насоса (насосную группу), причем насосный модуль снабжен патрубками в виде быстроразъемных гидравлических  соединений, сообщающимися с циркуляционными насосами, для соединения насосов насосного модуля по текучей среде с патрубками циркуляционного контура охлаждающей жидкости УЖО.
Предпочтительно насосы модуля выполнены с возможностью их попеременной или одновременной работы, в частности под управлением контроллера, например контроллера УЖО, или посредством органов управления, расположенных на насосном модуле или непосредственно на самих насосах.
В одном из вариантов реализации насосный модуль снабжен быстроразъемным соединением для линии электропитания насосов и/или электро-сигнальной линии, по которой обеспечивается управление работой насосов посредством контроллера устройства жидкостного охлаждения. При этом электропитание насосов может быть обеспечено как от источника питания, расположенного в УЖО, так и автономного источника питания, например посредством аккумуляторов, расположенных на насосном модуле.
В одном из вариантов реализации патрубки насосного модуля снабжены датчиками для измерения значений рабочих параметров охлаждающей жидкости и, при необходимости, циркуляционных насосов и их передачи контроллеру, управляющему работой насосов насосного модуля с учетом данных от измерительных датчиков.
Датчики могут быть, в частности предназначены для измерения параметров циркуляционного потока, таких как температура и расход хладагента, рабочая частота насоса и другие. Информация о параметрах потока жидкости может передаваться дистанционно или по электро-сигнальной линии, в частности на контроллер УЖО, который на основании полученной информации регулирует режимы работы циркуляционных насосов, что позволяет, например, включать или отключать отдельные насосы, задавать периодичность их работы, в частности обеспечивать их попеременный или одновременный (параллельный) режим работы. В случае «умных» насосов посредством контроллера может регулироваться рабочая частота насосов и их производительность (расход жидкости).
Таким образом, сменный насосный модуль согласно полезной модели содержит только насосную группу циркуляционного контура и не содержит теплообменник, который остается размещенным в УЖО. Это, в частности позволяет обеспечить оперативную замену вышедшего из строя циркуляционного насоса или насосной группы посредством замены сменного насосного модуля без необходимости замены теплообменника, имеющего существенно больший срок службы.
В одном из вариантов реализации насосный модуль снабжен быстроразъемным соединением для линии электропитания и/или электро-сигнальной линии, по которой осуществляется управление работой насосов насосного модуля с помощью контроллера, расположенного в УЖО.
В одном из вариантов реализации средняя продолжительность работы каждого из насосов насосной группы в режиме попеременной работы по существу одинакова. В контексте настоящей полезной модели понятие по «существу» означает, что разница значений сравниваемых величин или отклонение величины, указанной после понятия «по существу», не превышает 10%.
Насосный модуль по настоящей полезной модели позволяет быстро, без утечки охлаждающей жидкости, заменять изношенный циркуляционный насос на новый, в том числе без остановки охлаждения электронных компонентов, благодаря непрерывной работе расположенного в УЖО теплообменника с использованием, при необходимости, размещаемого в УЖО аварийного насосного модуля, в том числе при отсоединении насосного модуля по настоящей полезной модели от УЖО при его замене, без необходимости одновременной замены теплообменника, имеющего более длительный срок службы.
Для обеспечения максимальной эффективности работы УЖО желательно использование для его комплектации двух насосных модулей по настоящей полезной модели, работающих в следующих режимах, которые реализуются с помощью контроллера:
два насоса, расположенные в насосном модуле, работают попеременно с заданной периодичностью, например, управляемой контроллером, сохраняя непрерывную циркуляцию охлаждающей жидкости во время планового штатного тепловыделения электронных компонентов при стандартных вычислительных действиях компьютеров или серверов и обеспечивая, тем самым, практически удвоенный временной ресурсобоихнасосов и насосного модуля в целом. При этом обеспечивается повышение долговечности и надежности работы УЖО за счет попеременной работы его насосов и по существу двукратного увеличения срока его службы. При этом, в случае выхода из строя одного из насосов возможно обеспечение циркуляции посредством работающего насоса вплоть до замены насосного модуля (резервирование);
в случае выполнения охлаждаемыми компонентами вычислительных операций на пределе или близко к пределу вычислительной мощности их процессоров, сопровождающихся повышенным тепловыделением, оба насоса, расположенные в насосном модуле, по сигналу, например, контроллера включаются в работу параллельно, увеличивая поток циркуляции охлаждающей жидкости и обеспечивая, тем самым, отведение дополнительно выделяющейся теплоты от электронных компонентов. Подключение одновременно двух насосов позволяет снимать временное пиковое тепловыделение на электронных компонентах с использованием насосов пониженной мощности по сравнению, например, с одним постоянно работающим насосом повышенной мощности, обеспечивающим отвод тепла как при низкоинтенсивной работе электронных устройств, так и при пиковом тепловыделении на электронных компонентах. При этом обеспечивается повышение долговечности и надежности работы УЖО, а также снижение эксплуатационных затрат;
на время замены насосных модулей, например, вышедших из строя, при необходимости, по сигналу контроллера или вручную с помощью органов управления, расположенных на насосном модуле, может включаться в работу дополнительный «аварийный» насосный модуль УЖО, выполненный согласно настоящей полезной модели и обеспечивающий непрерывную циркуляцию охлаждающей жидкости без прерывания работы охлаждаемых электронных компонентов приборов, что повышает надежность работы УЖО и охлаждаемого электронного оборудования.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить долговечность и  надежность работы УИМО и снизить эксплуатационные затраты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого насосного модуля.
На фиг.2 представлена схема возможного расположения предлагаемого насосного модуля и аварийного насосного модуля на корпусе резервуара УИМО.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Насосный модуль для устройства жидкостного охлаждения, в частности устройства иммерсионного охлаждения (УИМО), состоит из площадки или конструкционной рамы, представляющей собой корпус 1 насосного модуля (фиг.1), на которой крепится группа из двух циркуляционных насосов 2, подключенных параллельно, входные патрубки 3 и выходные патрубки 4 для подачи охлаждающей жидкости (хладагента) в насосный модуль и ее отвода из модуля, сообщающиеся с насосами 2 насосного модуля по текучей среде, представляющей собой рабочую среду насосов. Патрубки 3, 4 выполнены в виде быстроразъемных соединений (БРС), обеспечивающих при присоединении насосного модуля 8 к корпусу 7 УИМО (фиг. 2) соединение по текучей среде насосов 2 модуля с размещенными на корпусе 7 УИМО выходным патрубком 10 резервуара-ванны и входным патрубком  11 трубопровода циркуляционного контура охлаждающей жидкости УИМО и практически исключающих утечку жидкости при их разъединении и соединении. На корпусе 1 модуля может быть также размещено  быстроразъемное соединение 5 для линии электропитания насоса и, при необходимости, быстроразъемное соединение 6 для электро-сигнальной линии, предназначенной, например, для передачи сигналов о состоянии циркулирующей жидкости от датчиков (не показаны) на размещенный в УИМО контроллер  (не показан) и сигналов  управления насосами 2 и другими возможными компонентами сменного модуля от контроллера УИМО. Таким образом, насосный модуль 8 выполнен в виде автономного быстросменного модуля, присоединяемого к УИМО посредством БРС.
Насосный модуль 8 также предпочтительно содержит датчики (не показаны), размещенные, в частности, на патрубках и измеряющие рабочие параметры насосов 2, в частности параметры циркулирующей жидкости, и передающие указанные параметры проводным, например по электро-сигнальной линии, или беспроводным образом контроллеру УИМО для обеспечения управления работой насосов 2 насосного модуля с учетом данных измерений, полученных от датчиков. Измеряемыми рабочими параметрами насосов могут являться величина расхода охлаждающей жидкости (хладагента), температура хладагента, фактическая мощность насоса, рабочая частота насоса и т.п.
Насосы 2 насосного модуля под управлением контроллера, расположенного в УИМО, или вручную, например посредством расположенных на насосном модуле органов управления, работают попеременно или одновременно в зависимости от требуемой интенсивности охлаждения электронных компонентов, помещенных в УИМО. Контроллер УИМО также может управлять, при необходимости, любым из рабочих параметров насосов 2 посредством линии электропитания и/или электро-сигнальной линии. Контроллер для управления режимами работы насосов, органы управления, а также источник питания, могут быть также расположены в самом насосном модуле или на нем.
В одном из вариантов реализации предлагаемой полезной модели, с целью обеспечения максимальной эффективности работы УИМО, насосный модуль 8 может представлять собой рабочий насосный модуль 8 (фиг. 2), обеспечивающий циркуляцию хладагента циркуляционного контура охлаждающей жидкости в штатном режиме работы УИМО, и/или представлять собой аналогично выполненный аварийный насосный модуль 9, предназначенный для обеспечения циркуляции хладагента УИМО во время отсоединения рабочего насосного модуля при его замене, при этом УИМО может одновременно комплектоваться как рабочим, так и аварийным насосными модулями, выполненными согласно настоящей полезной модели.
Сменные насосные модули 8, 9 конструктивно могут закрепляться как снаружи, так и внутри корпуса 7 резервуара УИМО, например, на стенках и/или на каркасе корпуса 7 резервуара, например с его боковой стороны или со стороны днища резервуара.
УИМО с использованием быстросменного модуля согласно настоящей полезной модели работает следующим образом.
УИМО содержит размещенную в корпусе 7 резервуар-ванну для охлаждающей жидкости, выполненный с возможностью погружения в него и фиксации в нем извлекаемой стойки или корзины с подлежащими охлаждению электронными компонентами (не показаны).
Стойку или корзину иммерсионного охладителя с закрепленными на ней электронными компонентами, например, вычислительных или других устройств, подлежащих охлаждению, погружают и фиксируют в резервуаре-ванне корпуса 7 УИМО. Резервуар-ванна заполняется охлаждающей жидкостью (хладагентом) с обеспечением ее циркуляции по первичному циркуляционному контуру, соединенному с теплообменником, посредством группы циркуляционных насосов 2, размещенных в сменном насосном модуле 8, присоединяемом к корпусу 7 УИМО посредством патрубков 3, 4 в виде быстроразъемных гидравлических соединений с обеспечением непроливаемости теплоносителя и, при необходимости, быстроразъемных электрических соединений 5, 6. Хладагент подается в резервуар-ванну посредством по меньшей мере одной форсунки, расположенной в нижней части резервуара-ванны корпуса 7 УИМО, в которой формируются восходящие потоки охлаждающей жидкости (хладагента), что обеспечивает охлаждение размещенных в стойке или корзине электронных компонентов и поддержание вокруг них заданной термостабильной среды.
По вторичному контуру теплообменника УИМО циркулирует холодная или активно охлаждаемая жидкость, уносящая из жидкости первичного контура тепло, полученное при омывании нагретых электронных компонентов, тем самым охлаждая хладагент перед его возращением в первичный циркуляционный контур через форсунку. Тем самым обеспечивается заданный штатный температурный режим функционирования электронных компонентов.
Циркуляционные насосы, расположенные в насосном модуле, работают попеременно с заданной периодичностью, управляемой контроллером УИМО. Предпочтительно, они работают попеременно, причем среднее время работы одного насоса по существу равно среднему времени работы второго насоса. Это обеспечивает равномерный во времени износ насосов и увеличивает срок службы насосного модуля по настоящей полезной модели по существу в два раза по сравнению с насосным модулем, содержащим только один насос. Кроме того, наличие в насосном модуле двух насосов  позволяет обеспечить режим повышенного теплоотведения за счет одновременного включения обоих насосов, а также функцию резервирования.
Датчики, размещенные в насосном модуле, измеряют и передают на контроллер УИМО по электро-сигнальной линии или беспроводным образом необходимые параметры рабочей жидкости и насосов, такие как, например, величина расхода охлаждающей жидкости (хладагента), температура хладагента, фактическая мощность насоса, частота вращения насоса для обеспечения интеллектуального управления работой насосов 2 насосного модуля 8, а контроллер осуществляет управление работой насосов с учетом данных измерений, полученных от датчиков.
В случае прекращения нагрева и тепловыделения электронных компонентов, например, при их останове или прекращении их функционирования, циркуляция охлаждающей жидкости может также прерываться посредством выключения циркуляционных насосов модуля, в частности, с помощью контроллера УИМО или вручную посредством органов управления, расположенных на насосном модуле.
При необходимости экстренной или аварийной замены насоса или насосов, размещенных в сменном насосном модуле, они могут быть быстро заменены посредством замены рабочего насосного модуля целиком, частью которого они являются, на новый рабочий модуль по существу без прерывания циркуляции хладагента, поскольку насосный модуль имеет все необходимые, предпочтительно быстроразъемные, механические соединения или фиксаторы для его крепления на площадке корпуса 7 резервуара, а также быстроразъемные гидравлические и, при необходимости,  электрические соединения. При этом при снятии насосного модуля 8 посредством контроллера УИМО или вручную может быть включен аварийный насосный модуль 9, а после завершения замены насосного модуля 8 сразу продолжено функционирование УИМО с предварительным отключением аварийного модуля 9. Тем самым обеспечивается как надежность работы УИМО, поскольку функционирование охлаждаемых электронных компонентов при выходе из строя насоса не прекращается, так и долговечность всей системы за счет обеспечения возможности оперативной замены ее самых уязвимых и быстро изнашиваемых частей.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить долговечность и надежность работы УИМО и снизить эксплуатационные затраты.
Несмотря на то, что настоящая полезная модель была описана на примере ее использования для устройства жидкостного, в  частности иммерсионного охлаждения, насосный модуль по настоящей полезной модели может быть использован для множества других охлаждающих и/или нагревающих устройств, использующих циркуляцию жидкости для поддержания термостабильной среды, то есть стабильного диапазона температуры в циркулирующем потоке рабочей жидкости.