РЕЗЕРВУАР СИСТЕМЫ ИММЕРСИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
IMMERSION COOLING SYSTEM TANK FOR ELECTRONIC COMPONENTS OF COMPUTER EQUIPMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к элементам систем охлаждения электронных устройств путем погружения нагревающихся электронных компонентов в охлаждающую жидкость.
Уровень техники.
В US 9992914 В2, 05.096.2018, раскрыта система с емкостью для погружения электрических приборов в жидкость, включающая в себя емкость с охлаждающей жидкостью, поддерживающее устройство для отвода избыточного тепла от охлаждающей жидкости емкости и рассеивания отведенного тепла в среде. В этой системе в большинстве случаев имеются неравномерные структуры потока через некоторое количество интервалов установки электрического устройства в пределах емкости, что потенциально приводит к неравномерному охлаждению через все интервалы установки, узкие порты подачи и возврата в емкости диэлектрической жидкости приводят к возникновению нецелесообразно высоких скоростей потока жидкости в соответствующих точках соединения с емкостью, что определяет недостаточное внимание к надежности работы при отказе.
Также известна система RU 2500012 С1, 02.07.2012, в которой форма с иммерсионной системой охлаждения, содержащая нагревающиеся электронные компоненты, помещена в диэлектрическую охлаждающую жидкость герметичного контейнера, причем контейнеров может быть несколько и располагаются они в стойке параллельно друг другу. В качестве модуля распределения используется распределительная труба, установленная параллельно днищу контейнера и образованная двумя параллельными друг другу перфорированными трубами, соединенными U-образным соединителем. Причем один конец распределительной трубы заглушен, а второй соединен с впускным патрубком, установленным в нижней части контейнера. Такая конструкция контейнера, когда модуль распределения отводит тепло от размещенных в контейнере электронных устройств в целом, не обеспечивает достаточно эффективного отвода тепла от наиболее нагретых компонентов электронных устройств.
В качестве ближайшего аналога рассмотрен резервуар системы иммерсионного охлаждения электронных компонентов (RU 2695089 С2, 19.07.2019), выполненный в виде прямоугольного контейнера, в полости которого размещены извлекаемая стойка с установленными на ней электронными компонентами для охлаждения, и заполненный диэлектрическим хладагентом, совершающим движение вверх в параллельных потоках между электронными компонентами через, по крайней мере, одну форсунку, расположенную на дне резервуара. Накачка хладагента осуществляется насосом через входной патрубок резервуара, тем самым заставляя диэлектрический хладагент подниматься вверх через электронные компоненты и обеспечивая перелив диэлектрического хладагента через выпускное отверстие и выпускной трубопровод в теплообменник для последующего возвращения насосом в резервуар через нижний патрубок. Конструкция резервуара при этом не предусматривает эффективный отвод тепла при переливе и разделении восходящего и отводящего потоков из-за их большой площади контакта при прохождении отводящего потока по внешним стенкам резервуара.
Кроме того, к недостаткам известных технических решений относится невысокая плотность установки охлаждаемых электронных устройств из-за неравномерного отвода тепла, что приводит к ненадежности работы системы.
Сущность изобретения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции резервуара, направленной на формирование потока перелива, обеспечивающего надежность иммерсионной системы охлаждения для электронных устройств, при улучшении эксплуатационных характеристик и обеспечении высокой плотности размещения вычислительных ресурсов (электронных устройств).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы иммерсионной системы охлаждения для электронных устройств за счет конструктивного выполнения емкости (резервуара) для охлаждения при подаче охлажденного потока снизу емкости и равномерного распределения потока охлаждающей жидкости за счет конструкции стенок емкости и использования физического эффекта «конвекция» (усиление потока за счет естественной циркуляции «направление потока снизу вверх, то есть поток, нагреваясь, поднимается вверх за счет естественной конвекции для последующего отвода тепла из емкости»), а также за счет улучшения эксплуатационных характеристик резервуара, обеспечиваемого выбором материала и способа изготовления резервуара.
Сущность изобретения достигается тем, что в резервуаре системы иммерсионного охлаждения электронных компонентов, содержащем прямоугольный контейнер, выполненный с возможностью размещения в его полости извлекаемой стойки, с установленными на ней электронными компонентами для охлаждения, и заполненный диэлектрическим хладагентом, снабженный, по крайней мере, одним впускным отверстием, расположенным на дне контейнера с возможностью соединения через входной патрубок с насосом, и выпускным отверстием для обеспечения перелива диэлектрического хладагента через выпускной трубопровод в теплообменник, контейнер выполнен сварным из нержавеющей стали, на одной из его длинных боковых стенок сформирована зона перелива для физического разделения восходящего и отводящего потоков диэлектрического хладагента, выполненная в виде вынесенного отделенного кармана, на дне которого расположено выпускное отверстие, при этом объем кармана определен как произведение площади поверхности жидкого диэлектрического хладагента в резервуаре и высоты слоя жидкости над установленными в резервуаре электронными компонентами.
Предпочтительно, чтобы высота слоя жидкости над установленными в резервуаре электронными компонентами составляла от 3 см до 4 см.
Также на одной из боковых стенок контейнера может быть размещен блок управления работой системы и мониторинга ее параметров.
Использование в качестве материала резервуара нержавеющей стали и сборка резервуара при изготовлении посредством сварки позволяет расширить диапазон применяемых при эксплуатации диэлектрических хладагентов, что улучшает его эксплуатационные характеристики.
Надежное физическое разделение восходящего потока и отводящего потока нагретого теплоносителя с помощью конструктивно выполненного кармана резервуара, сформированного на длинной боковой стенке, объем которого рассчитан на основании площади поверхности жидкого диэлектрического хладагента, залитого в резервуар (фактически это площадь резервуара по верхней кромке, за вычетом площади толщин стенок) и высоты слоя жидкости над установленными в резервуаре электронными компонентами, которая выбирается при конструировании резервуара и составляет от 3 см до 4 см, ускоряет отвод теплоносителя и предотвращает теплообмен между восходящим и отводящим потоками теплоносителя.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид резервуара системы иммерсионного охлаждения.
На фиг. 2 представлена схема перемещения потоков диэлектрического хладагента в резервуаре в процессе работы системы иммерсионного охлаждения.
Осуществление изобретения
Резервуар системы иммерсионного охлаждения электронных компонентов содержит прямоугольный контейнер (1, фиг. 1) с карманом (2). В полости контейнера размещают извлекаемую стойку с установленными на ней электронными компонентами для охлаждения (на рисунке не показано) и заполняют диэлектрическим хладагентом (теплоносителем) (фиг. 2).
3
3
Резервуар выполнен из нержавеющей стали, а его сборка осуществляется посредством сварки. В качестве диэлектрического хладагента может быть использован широкий диапазон инженерных жидкостей, таких как 3М™ Novec™, минеральное масло, силиконовое масло, натуральные полиэфирные масла, в том числе масла на основе сои, и синтетические полиэфирные масла. Диэлектрический хладагент осуществляет передачу тепла от электронных компонентов, размещенных в стойке внутри резервуара (1). Использование нержавеющей стали позволяет, в случае использования диэлектрических теплоносителей (например: силиконовых масел) при скорости прокачки 3 м/час с объема резервуара 0,8 м, эффективно отводить до 15 кВт тепловой мощности, выделяемой электронными компонентами. При этом температура компонентов не превысит 40°С.
На дне контейнера (резервуара) выполняют одно или несколько входных отверстий (3) для формирования восходящего потока диэлектрика, при этом входное отверстие соединено через входной патрубок с насосом (на рисунке не показано).
Насос осуществляет непрерывную подачу диэлектрического хладагента, тем самым направляя потоки хладагента вверх через электронные компоненты (фиг. 2, восходящие и отводящие потоки хладагента указаны стрелками). Подача диэлектрического хладагента приводит к его переливу (фиг. 2). При переливе хладагент движется в обратном направлении через зону перелива (4), которая представляет собой объем, сформированный вынесенным на широкой боковой стенке контейнера карманом и отделяющей диэлектрической перегородкой. На дне кармана имеется выпускное отверстие (5), которое соединено с выпускным трубопроводом (на рисунке не показано) для последующего отведения на внешнюю систему охлаждения (например - драйкулер).
Объем кармана определяют как произведение площади жидкости в резервуаре и высоты слоя жидкости над установленными в резервуаре электронными компонентами. Высота слоя жидкости над установленными в резервуаре электронными компонентами составляет от 3 см до 4 см.
3
Всего поверхностный объем жидкости, отводимой для охлаждения, например, составляет 110×70×4=30800 см. Учитывая ширину кармана 10 см и принимаемый резерв по объему в 50%, высота кармана определяется в 42 см ((30800/1100/10)×1,5=42). Таким образом, высота кармана составит 42 см, что значительно меньше высоты боковой стенки резервуара. При таком решении осуществляется физическое разделение восходящего и отводимого потоков теплоносителя, при этом практически исключается перенос отводимого хладагентом тепла на отводимом потоке на восходящий холодный поток, что существенно повышает эффективность теплоотвода.
Для удобства использования на боковой стенке резервуара размещают блок управления работой системы иммерсионного охлаждения и мониторинга параметров (на рисунке не показан). Блок может включать контроллер, предназначенный для управления работой системы и мониторинга параметров, таких как температура и поток диэлектрического хладагента.