СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА Российский патент 2025 года по МПК G06F1/20 H05K7/20 

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к конструкции систем охлаждения электронных компонентов суперкомпьютеров.

Известна система охлаждения, в которой модуль емкости, выполненный с возможностью использования в системе охлаждения путем помещения электрических приборов в жидкость, содержащий: емкость, выполненную с возможностью погружения в диэлектрическую жидкость множества электрических приборов, каждый из которых размещается в соответствующем интервале установки электрического прибора, распределенном по вертикали вдоль и проходящем перпендикулярно длинной стенки емкости, содержащую: перелив, встроенный по горизонтали в длинную стенку емкости около всех интервалов установки электрических приборов, выполненный с возможностью обеспечения практически равномерного возврата диэлектрической жидкости, протекающей через каждый интервал установки электрического прибора, первичное средство циркуляции, выполненное с возможностью циркуляции диэлектрической жидкости через емкость, содержащее: нагнетатель, расположенный рядом с дном емкости, выполненный с возможностью практически равномерного распределения диэлектрической жидкости в направлении вверх через каждый интервал установки электрического прибора, и средство управления, выполненное с возможностью управления работой первичного средства циркуляции жидкости в качестве функции температуры диэлектрической жидкости в емкости (патент РФ 2 645 721, 2013 г.). Однако данное устройство имеет недостаточную эффективность охлаждения из-за повышенной температуры жидкости и снижения эффективности теплообмена у концевых элементов и жидкости.

Наиболее близким по технической сути является система охлаждения состоящая из герметичного резервуара с установленными в нем вычислительными узлами, блоками питания, накопителями информации, заполненного охлаждающей жидкостью, снабженного крышкой, впускным и выпускным патрубками, сообщающимися посредством трубопровода с насосом и теплообменником, резервуар снабжен двумя печатными платами, причем первая печатная плата установлена параллельно днищу резервуара вплотную к стенкам резервуара и состыкована при помощи концевых разъемов данных и питания "стык в стык" со второй печатной платой, установленной параллельно одной из стенок резервуара вплотную к остальным стенкам резервуара, а к месту состыковки первой печатной платы и второй печатной платы вплотную к стенками резервуара прикреплена перегородка, продолжающаяся до той стенки резервуара, параллельно которой установлена вторая печатная плата, образуя при этом камеру, ограниченную днищем резервуара и плотно примыкающими к стенкам резервуара первой печатной платой и перегородкой; при этом выпускной патрубок установлен выше линии прикрепления перегородки к стенке резервуара и через первый обратный запорный клапан сообщен первым напорным трубопроводом, в который последовательно подсоединены циркуляционный насос и фильтр грубой очистки, с теплообменником, соединенным с другой стороны посредством обратного напорного трубопровода и второго обратного запорного клапана с впускным патрубком, установленным выше линии прикрепления перегородки к стенке резервуара, а между фильтром грубой очистки и теплообменником установлен запорный трехходовой электромагнитный клапан, третий патрубок которого соединен с первым концом второго напорного трубопровода, второй конец которого соединен с третьим патрубком трехходового разветвителя, встроенного в обратный напорный трубопровод между теплообменником и вторым обратным запорным клапаном; вычислительный узел установлен на первую печатную плату параллельно второй печатной плате вплотную к стенкам резервуара при помощи выполненных в нижней части монтажных панелей разъемов данных и питания, являющихся ответными частями к разъемам данных и питания, расположенным на первой печатной плате, причем вычислительный узел состоит из двух удерживаемых параллельно друг другу монтажных панелей и материнских плат, смонтированных на обращенных друг к другу поверхностях монтажных панелей, причем нижняя кромка монтажных панелей выполнена с выступами, предназначенными для приведения в действие пружинного механизма, а к нижним ребрам вертикальных граней трехмерной фигуры, образованной примыкающими друг к другу радиаторами, и перпендикулярных поверхности материнских плат, плотно примыкают две наклоненные навстречу друг к другу пластины, продолжающиеся вплотную до первой печатной платы и прикрепленные к нижней части монтажных панелей; при этом на первой печатной плате вдоль края, противоположного стыковочному краю со второй печатной платой, выполнен ряд разъемов данных, а вдоль противоположного края выполнен ряд разъемов питания, а между рядом разъемов данных и разъемов питания соосно между собой в один ряд выполнены отверстия, предназначенные для доступа охлажденной жидкости из камеры через первую печатную плату к вычислительным узлам, таким образом, что при вертикальной установке вычислительных узлов на первую печатную плату центры этих отверстий совпадают с серединой воображаемого отрезка, концы которого являются наиболее удаленными точками пересечения воображаемой замкнутой области, полученной путем ортогонального проецирования трехмерной фигуры, образованной примыкающими друг к другу и установленными на обращенных друг к другу материнских платах радиаторами, на первую печатную плату, с воображаемой прямой, проведенной в плоскости первой печатной платы параллельно и равноудаленно от ортогональных проекций монтажных панелей на первую печатную плату, причем центры таких отверстий равноудалены от линий примыкания пластин к первой печатной плате, а сами отверстия находятся между этими линиями примыкания, а параллельно ряду разъемов данных и ряду разъемов питания соосно между собой в два ряда выполнены ответные прорези под выступы нижней кромки монтажных панелей, и между каждым разъемом данных и между каждым разъемом питания выполнено отверстие для крепления к первой печатной плате пружинного механизма, выполненного с возможностью локального перекрывания прохождения вертикального потока охлаждающей жидкости из камеры через первую печатную плату на том ее участке, где вычислительный узел не установлен, а также между разъемами питания и разъемами данных установлены нагревательные элементы; на второй печатной плате расположены сетевые коммутаторы, которые соединены с внешними кабелями передачи данных, пропущенными внутрь резервуара через отверстия, выполненные в стенке резервуара, вблизи которой установлена вторая печатная плата, другие концы которых подключены к внешнему управляющему устройству, причем в нижней части второй печатной платы выполнены концевые разъемы данных и питания для ее стыковки с первой печатной платой, а в ее верхней части выполнен разъем питания, к которому подключены внешние кабели питания, пропущенные внутрь резервуара через отверстия, выполненные в стенке резервуара, вблизи которой установлена вторая печатная плата, другие концы которых подключены к внешнему источнику питания, причем сетевые коммутаторы питаются от разъема питания, расположенного в верхней части второй печатной платы, посредством разведенных на второй печатной плате токопроводящих дорожек для питания, а электронные компоненты вычислительных узлов получают питание от внешнего источника питания посредством внешних кабелей питания, разъемов питания и токопроводящих дорожек для питания, разведенных по второй печатной плате, первой печатной плате и материнским платам, при этом обмен данных между внешним управляющим устройством и электронными компонентами вычислительных узлов осуществляется посредством внешних кабелей данных, разъемов данных и токопроводящих дорожек для питания, разведенных по второй печатной плате, первой печатной плате и материнским платам, крышка резервуара установлена с возможностью съема и подъема в режиме остановки и работы серверной фермы и выполнена с возможностью герметичного прилегания к верхнему краю стенок резервуара (патент РФ 2 559 825, 2015 г.). Однако данное устройство имеет ограниченную эффективность охлаждения из-за снижения теплоотдачи и повышения температуры жидкости при прохождении потока жидкости через рабочие элементы.

Технический результат - повышение эффективности охлаждения рабочих элементов компьютера за счет усовершенствования конструкции.

Он достигается тем, что в устройстве, содержащем герметичный резервуар с установленным в нем вычислительными узлами, блоками питания, накопителями информации, впускными и выпускными патрубками, резервуар разделен на герметичную и негерметичную части, герметичная часть состоит из вертикальных каналов, образованных внешними стенками и внутренними стенками резервуара, с гнездами для установки вычислительных плат, в местах расположения плат толщина внутренней стенки резервуара уменьшена наполовину, в гнездах вычислительные платы закреплены с помощью пружинного механизма, между платами установлена тепловая изоляция, негерметичная часть состоит из воздушных каналов и вторичных испарителей, оснащенных приточными вентиляторами, верхняя часть резервуара образует внутренний отделитель жидкости с выпускными патрубками, нижняя часть резервуара образует внутренний жидкостный коллектор, оснащенный двумя сетчатыми экранами, улучшающими распределение хладагента, электронные компоненты вычислительных узлов связаны с блоками питания посредством кабелей, установленных в негерметичной части резервуара, блоки питания, охлаждаемые хладагентом через испарители, соединены с верхней частью резервуара, в нижней и верхней части резервуара имеются отверстия для подачи хладагента в вертикальные каналы, образованные внешними и внутренними стенками резервуара, дополнительно в верхней части резервуара установлен поплавковый датчик уровня хладагента, соединенный с верхней частью резервуара, имеется блок управления вентиляторами и блок поддержания влажности, установленные в воздушных каналах и связанные с ними, имеются датчики влажности и температуры, закрепленные на стенках воздушных каналов, выпускные патрубки, установленные в резервуаре и связанные с паровой линией компрессорно-конденсаторных блоков, установленных снаружи резервуара и соединенных с паровой линией через дополнительный отделитель жидкости и паровые фильтры, жидкостная линия соединяет впускные патрубки в нижней части резервуара через жидкостный коллектор и жидкостные фильтры с жидкостной линией компрессорно-конденсаторных блоков, на стенке воздушных каналов установлен датчик фреона, соединенный с блоком управления вентиляторами и звуковой сигнализацией, установленной в верхней части воздушных каналов, снаружи резервуар покрыт тепловой изоляцией, вычислительные платы внутри резервуара расположены зеркально по отношению к четным и нечетным рядам вычислительных плат, крышки воздушных каналов установлены с возможностью съема при работе, воздушные каналы оснащены рельсовой системой снятия вычислительных плат, имеется соленоидный вентиль, установленный между отделителем жидкости и дополнительным отделителем жидкости и соединенный с ними, линейный ресивер, установленный после компрессорно-конденсаторных блоков и соединенный с ними, вентиль регулировки подачи хладагента, установленный в жидкостной линии и соединенный с резервуаром и компрессорно-конденсаторными блоками, дополнительные соленоидные вентили, установленные в жидкостной линии, дополнительные соленоидные вентили, установленные на вторичных испарителях и соединенные с ними.

Применение вертикальных каналов в герметичном резервуаре позволяет использовать для охлаждения вычислительных плат кипящий хладагент при низких температурах. Применение датчиков температуры и влажности позволяет контролировать параметры в воздушных каналах, устанавливая наиболее выгодные условия для работы вычислительных плат, применение рельсовой системы и гнезд для установки плат, существенно облегчает эксплуатацию. Зеркальное расположение вычислительных плат выбрано для образования воздушных каналов и быстрого доступа к электронным устройствам.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства (фиг. 1 -общий вид, фиг. 2 -вид сбоку, фиг. 3-схема системы охлаждения, фиг. 4 - гнездо установки вычислительной платы).

Устройство содержит герметичный резервуар 1 с установленным в нем вычислительными узлами 2, блоками питания 3, накопителями информации 4, впускными 5 и выпускными 6 патрубками, резервуар 1 разделен на герметичную и негерметичную части, герметичная часть состоит из вертикальных каналов 7, образованных внешними стенками 8 и внутренними стенками 9 резервуара 1, с гнездами 10 для установки вычислительных плат 11, в местах расположения вычислительных плат 11 толщина внутренней стенки 9 резервуара 1 уменьшена наполовину, в гнездах 10 вычислительные платы 11 закреплены с помощью пружинного механизма 12, между платами установлена тепловая изоляция 13, не герметичная часть состоит из воздушных каналов 14 и вторичных испарителей 15, оснащенных приточными вентиляторами 16, верхняя часть резервуара 1 образует внутренний отделитель жидкости 17 с выпускными патрубками 6, нижняя часть резервуара 1 образует внутренний жидкостный коллектор 18, оснащенный двумя сетчатыми экранами 19, улучшающими распределение хладагента, электронные компоненты вычислительных узлов 2 связанны с блоками питания посредством трех кабелей 20, установленных в негерметичной части резервуара 1, блоки питания 3, охлаждаемые хладагентом через испарители 21, соединенные с верхней частью резервуара 1, в нижней и верхней части резервуара 1 имеются отверстия 22 и 23 для подачи хладагента в вертикальные каналы и вывода хладагента из них, образованные внешними 8 и внутренними 9 стенками резервуара 1, дополнительно в верхней части резервуара установлен поплавковый датчик 24 уровня хладагента, соединенный с верхней частью резервуара 1, имеется блок управления вентиляторами 25 и блок поддержания влажности 26, установленные в воздушных каналах 14 и связанные с ними, имеются датчики влажности 27 и температуры 28, закрепленные на стенках воздушных каналов 14, выпускные патрубки 6, установленные в резервуаре 1 и связанные с паровой линией 29 компрессорно-конденсаторных блоков 30, установленных снаружи резервуара 1 и соединенных с паровой линией 29, через дополнительный отделитель жидкости 31 и паровые фильтры 32, жидкостная линия 33 соединяет впускные патрубки 5 в нижней части резервуара через жидкостный коллектор 34 и жидкостные фильтры 35 с внутренней жидкостной линией 36 компрессорно-конденсаторных блоков 30, на стенке воздушных каналов 14 установлен датчик фреона 37, соединенный с блоком управления вентиляторами 25 и звуковой сигнализацией 38, установленной в верхней части воздушных каналов 14, снаружи резервуар 1 покрыт тепловой изоляцией 39, вычислительные платы 11 внутри резервуара расположены зеркально по отношению к четным и нечетным рядам вычислительных плат, крышки 40 воздушных каналов 14 установлены с возможностью съема при работе, воздушные каналы 14 оснащены рельсовой системой снятия 41 вычислительных плат 11, соленоидный вентиль 42, установленный между внутреннем отделителем жидкости 17 и дополнительным отделителем жидкости 31 и соединенный с ними, линейный ресивер 43, установленный после компрессорно-конденсаторных блоков 30 и соединенный с ними через внутреннюю жидкостную линию 36, вентиль регулировки подачи хладагента 44, установленный в жидкостной линии 33 и соединенный с резервуаром 1 и компрессорно-конденсаторным блоками 30, дополнительные соленоидные вентили 45, установленные в жидкостной линии 33, дополнительные соленоидные вентили 46 установленные на вторичных испарителях 15 и соединенные с ними.

Устройство работает следующим образом:

При работе вычислительных плат 11 в внутренний жидкостный коллектор 18 резервуара 1 через впускные патрубки 5 подается хладагент, которые разбивается о сетчатые экраны 19 и распределяется по вертикальным каналам 7, где кипит, отбирая тепло вычислительных плат 11. Далее парожидкостная смесь поступает в внутренний отделитель жидкости 17, где жидкость отделяется от пара и образует слой над выходом из вертикальных каналов 7, который поддерживается с помощью поплавкового датчика 24 и при превышении уровня жидкости нормированной величины снижает подачу хладагента через вентиль 44. Пар через выпускные патрубки 6 поступает в дополнительный отделитель жидкости 31, где жидкость дополнительно сепарируется от пара и сливается в линейный ресивер 43. Затем пар всасывается в компрессорно-конденсаторные блоки 30, где сжимается и конденсируется, после чего поступает в линейный ресивер 43, откуда по жидкостной линии 33 через жидкостные фильтры 35 поступает в жидкостный коллектор 34, затем к вентилю 44 и оттуда распределяется по впускным патрубкам 5 в резервуар 1. Часть жидкости из слоя в внутреннем отделителе поступает в испарители 21, которые отводят тепло от блоков питания 3, жидкость из нижней части резервуара 1 подается также во вторичные испарители 15 где выкипает охлаждая воздух, который с помощью вентиляторов 16 подается в воздушные каналы 14, охлаждая вычислительные платы 11. При необходимости демонтажа вычислительных плат 11, весь ряд плат с помощью рельсового системы 41 снимается из гнезд 10, при срабатывании рельсовой системы 41 пружинный механизм 12 автоматически выталкивает платы 11 из гнезд 10. Доступ к рельсовой системе 41 осуществляется через крышки 40. Во вторичные испарители 15 хладагент поступает через дополнительные соленоидные вентили 46, где выкипает и поступает во внутренний отделитель жидкости 17.

Пример конкретного выполнения устройства:

1. Компрессорно-конденсаторный блок 30, необходимый для сжатия и конденсации хладлагента - https://vent-element.nj/promkondicioner/kkb/yc/kom 300.html

2. Вычислительные платы (блейд-сервер) 11 необходимые для выполнения работы устройства - https://servermall.ru/catalog/blade/blade -ibm-hs22-4/

3. Вентиляторы 16, подающие воздух в воздушные каналы -https://www.ozon.ru/product/kanalnyy-vytyazhnoy-ventilyator-bkk-315-m-kruglyy-

654162667/? rr=l&from sku=654162684&from url=https%253A%252F%252F www.googl.com%252 F&oos search=false

4. Вторичные испарители 15, охлаждающие воздух в воздушных каналах - http: //dnp- studio. ru/oborud/freon isparitel/364/

5. Линейный ресивер 43, для накопления хладагента и подачи в жидкостную линию 33 - https://www.cooltech.ru/production/refrigerant-vessels/liquid-receiver/

6. Сетчатые экраны 19, служащие для улучшения распределения хладагента по вертикальным каналам 7 - https://tortuga-shop.com/zaschitnyy-ekran-setka/

Предлагаемое устройство обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом: имеет более высокую холодопроизводительность и позволяет удерживать температуру плат на низком уровне, защищая электронные компоненты от перегрева. Применение герметичных каналов с кипящим хладагентом позволяет избежать неравномерности охлаждения по высоте канала, а расположение вычислительных плат в гнездах, примыкающих к вертикальному каналу, позволяет улучшить их охлаждение за счет повышения коэффициентов теплопередачи от электронных компонентов к кипящему потоку хладагента. Применение рельсовой системы позволяет производить текущий ремонт без остановки компьютера. Кроме того, охлаждение вспомогательного оборудования за счет вторичных испарителей увеличивает защищенность устройства от перегрева в целом.

Положительный эффект - предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность охлаждения вычислительных плат суперкомпьютера за счет усовершенствования конструкции.

Устройство относится к системе охлаждения электронных компонентов суперкомпьютеров. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения рабочих элементов компьютера за счет усовершенствования конструкции. Технический результат достигается применением в системе охлаждения суперкомпьютера, содержащей герметичный резервуар с установленными в нём вычислительными узлами, блоками питания, накопителями информации, впускными и выпускными патрубками, вертикальных каналов в герметичном резервуаре, позволяющих использовать для охлаждения вычислительных плат кипящий хладагент при низких температурах, применением датчиков температуры и влажности, позволяющих контролировать параметры в воздушных каналах, устанавливая наиболее выгодные условия для работы вычислительных плат, применением рельсовой системы и гнезд для установки плат. 4 ил.

Система охлаждения суперкомпьютера, содержащая герметичный резервуар с установленными в нём вычислительными узлами, блоками питания, накопителями информации, впускными и выпускными патрубками, отличающаяся тем, что резервуар разделён на герметичную и негерметичную части, герметичная часть состоит из вертикальных каналов, образованных внешними стенками и внутренними стенками резервуара, с гнездами для установки вычислительных плат, в местах расположения плат толщина внутренней стенки резервуара уменьшена наполовину, в гнёздах вычислительные платы закреплены с помощью пружинного механизма, между платами установлена тепловая изоляция, негерметичная часть состоит из воздушных каналов и вторичных испарителей, оснащенных приточными вентиляторами, верхняя часть резервуара образует внутренний отделитель жидкости с выпускными патрубками, нижняя часть резервуара образует внутренний жидкостный коллектор, оснащённый двумя сетчатыми экранами, улучшающими распределение хладагента, электронные компоненты вычислительных узлов связанны с блоками питания посредством кабелей, установленных в негерметичной части резервуара, блоки питания, охлаждаемые хладагентом через испарители, соединены с верхней частью резервуара, в нижней и верхней частях резервуара имеются отверстия для подачи хладагента в вертикальные каналы, образованные внешними и внутренними стенками резервуара, дополнительно в верхней части резервуара установлен поплавковый датчик уровня хладагента, соединённый с верхней частью резервуара, имеется блок управления вентиляторами и блок поддержания влажности, установленные в воздушных каналах и связанные с ними, имеются датчики влажности и температуры, закреплённые на стенках воздушных каналов, выпускные патрубки, установленные в резервуаре и связанные с паровой линией компрессорно-конденсаторных блоков, установленных снаружи резервуара и соединённых с паровой линией, через дополнительный отделитель жидкости и паровые фильтры, жидкостная линия соединяет впускные патрубки в нижней части резервуара через жидкостный коллектор и жидкостные фильтры с жидкостной линией компрессорно-конденсаторных блоков, на стенке воздушных каналов установлен датчик фреона, соединённый с блоком управления вентиляторами и звуковой сигнализацией, установленной в верхней части воздушных каналов, снаружи резервуар покрыт тепловой изоляцией, вычислительные платы внутри резервуара расположены зеркально по отношению к чётным и нечётным рядам вычислительных плат, крышки воздушных каналов установлены с возможностью съёма при работе, воздушные каналы оснащены рельсовой системой снятия вычислительных плат, имеется соленоидный вентиль, установленный между отделителем жидкости и дополнительным отделителем жидкости и соединённый с ними, линейный ресивер, установленный после компрессорно-конденсаторных блоков и соединённый с ними, вентиль регулировки подачи хладагента, установленный в жидкостной линии и соединённый с резервуаром и компрессорно-конденсаторными блоками, дополнительные соленоидные вентили, установленные в жидкостной линии, дополнительные соленоидные вентили, установленные на вторичных испарителях и соединённые с ними.