CN104465561B - 微槽道与水冷联合的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微槽道与水冷联合的冷却系统，该冷却系统利用了百微米量级尺寸的微槽道所具有的高强度取热能力，并结合了冷却盘管的高效冷却能力，具有效率高、耗能低、成本低、噪声低等优点，可用于芯片、光电子器件、电力器件的散热，有极高的推广应用价值。

Description

微槽道与水冷联合的冷却系统

技术领域

本发明涉及电力、电子、光电子器件的热管理技术领域，尤其涉及一种适用于CPU芯片冷却的微槽道与水冷联合的冷却系统。

背景技术

服务器作为数据存储和处理的终端，其重要性不言而喻。刀片服务器能够最大限度地节约服务器的使用空间和费用，但也同时造成了单个机架或机架局部单位面积发热量的急剧上升，从而导致了机房局部“发热”的高热流密度现象的产生。

为了解决上述发热问题，传统的风冷散热器已经被热管散热器取代。图1为传统的热管散热器的结构示意图。如图1所示，热管散热器2从CPU芯片1中取出热量，通过散热片3和风扇4，将热量释放到服务器所在的机房中。在机房中则安装大功率空调来保证机房的温度和湿度。

据统计，在机房的能耗组成当中，空调占据了能耗的40％左右，是能耗的主要设备。在IT行业最发达的美国，IT行业每年消耗电能的数量相当巨大，根据2011年美国环境保护部(EPA)发出的报告指出，IT行业能源预计使用量的上升速度远远高于其他工业，预计在5年后的用电量将是现在的两倍。而我国IT行业每年的耗电量为200多亿度，其中用于冷却的电量为70亿度左右，且这个数量还会以几何级数增长，因此IT行业节能已刻不容缓。

随着刀片服务器CPU芯片发热热流密度的提高，一方面热管式散热器取热能力已经达到了极限；另一方面，热管散热器将CPU芯片的巨大热量直接释放到机房中，这些热量都是通过大功率空调排到室外的环境中，如此巨大的热量使空调消耗了巨大的电能，如何能迅速而且有效的将刀片服务器产生的巨大热量转移走，保证服务器的稳定、安全运行就成了机房设计人员的一个艰巨的任务。此外，热管散热器表面安装有风扇进行强制对流散热，在机房中，数量众多的风扇将会带来巨大的噪声。

另外，随着大型数据中心高密度服务器与低密度混合模式的出现，由于服务器的密度不均衡，因而产生的热量也不均衡，为了保证机房运行的稳定性，需要以高密度服务器的热流密度调节空调的制冷量，由此造成了能源的巨大浪费，更重要的是低密度服务器表面温度过低，在夏季湿度较高时散热器的表面会产生结露，严重影响了服务器的稳定性与安全性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种微槽道与水冷联合的冷却系统，以解决现有刀片式服务器所采用的热管散热器取热能力有限，机房空调耗电量过大，风扇噪声过大，散热器表面存在结露的技术缺陷。

(二)技术方案

本发明微槽道与水冷联合的冷却系统包括：微槽道取热元件本体，其具有一与待冷却部件相贴合的取热面及一密闭空腔，所述取热面与所述密闭空腔的底面相对，在该底面内壁上形成微槽道，该微槽道向上开口，其宽度和深度的尺寸均介于100μm～1000μm之间；冷却盘管设置于密闭空腔中，其入口和出口均连通至密闭空腔的外部；其中，微槽道内具有液体工质，冷却盘管内注入有冷却液。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，微槽道的横截面呈矩形、向上开口的半圆形或向上开口的椭圆形。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，微槽道的横截面呈矩形，其宽度和高度均介于100μm～1000μm之间；微槽道的长度与密闭空腔的长度相当，相邻两微槽道的间距介于100μm～500μm之间。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，微槽道在微槽道取热元件本体底面的内壁上呈以下形状中的其中一种：螺旋线；渐开线；若干个同心圆；或相互平行的若干条。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，液体工质为氟利昂、水、乙醇或丙酮。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，液体工质在密闭空腔中的充液量占整个密闭空腔体积的20％-90％。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，冷却盘管(300)在密闭空腔内呈蛇形排布，其中注入的冷却液为水。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，微槽道取热元件本体及冷却盘管均由铜或铝制备。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，微槽道取热元件本体的取热面与待冷却部件通过导热硅脂紧密接触。

优选地，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统中，待冷却部件为芯片或光电子器件。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明微槽道与水冷联合的冷却系统具有以下有益效果：

(1)利用微槽道结构所具有的微尺度高强度取热能力，能够将刀片服务器中CPU芯片所产生的热量高效取出，该方法中微槽道所具有的高强度取热能力能够达到100W/cm²的量级，远高于目前CPU芯片的发热热流密度，能够满足当前及今后相当长一段时间内的CPU芯片散热需求；

(2)微槽道内的工质受热蒸发后变成蒸汽，在冷却盘管外表面冷凝后，将热量释放给冷却盘管内的冷却水，通过冷却盘管内的冷却水将热量带走。因此，CPU芯片产生的热量最终释放给冷却盘管中的冷却水，而不是机房内的空气，有效降低了机房内空气的温度。因此，采用本冷却系统可极大地减少甚至替代空调的使用，大幅度的减少空调的能耗；

(3)散热过程不需要风扇进行强制风冷散热，有效控制了机房噪声的产生；

(4)密闭空腔中始终充满着微槽道内工质相变产生的蒸汽，使密闭空腔的外壁面具有相对较高的温度，保证了外壁面的温度始终维持在空气的露点温度以上，避免了原有热管式散热器表面局部温度过低而产生的结露问题。

附图说明

图1为传统的热管散热器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例微槽道与水冷联合的冷却系统的结构示意图。

【主要元件】

100-密闭空腔的底面； 101-密闭空腔的侧壁面；

102-密闭空腔的顶面； 200-微槽道；

300-冷却盘管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明设计了一种全新的微槽道与水冷联合的冷却系统，其将微尺度结构的高强度取热能力与高效水冷技术相结合，从而既能有效地提高取热端的取热能力，又能有效地减少空调的使用，降低能源的消耗。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一为刀片服务器CPU芯片散热的微槽道与水冷联合的冷却系统。图2为根据本发明实施例微槽道与水冷联合的冷却系统的结构示意图。如图2所示，本实施例微槽道与水冷联合的冷却系统包括：微槽道取热元件本体以及冷却盘管300。其中，微槽道取热元件本体具有一与待散热的CPU芯片外表面相贴合的取热面以及一密闭空腔。其中，该密闭空腔的底面100与取热面相对，即密闭空腔底面的下表面为取热面。在底面内壁上形成有微槽道200，在该微槽道200向上开口且横截面尺寸为百微米量级，其内注入有液体工质。冷却盘管300设置于密闭空腔中。该冷却盘管300通入冷却液，其入口和出口均连通至密闭空腔的外部。

以下对本实施例微槽道与水冷联合的冷却系统的各个组成部分进行详细说明。

微槽道取热元件本体在整体上呈长方体形状，由紫铜等具有较高导热系数的材料制成。密闭空腔的形状也呈长方体形状，具有一底面100、四个侧壁面101和顶面102。该微槽道取热元件本体的底面100的外表面与CPU芯片的外表面相贴合的取热面为长方形，但本发明并不以此为限。

本发明中，该微槽道取热元件本体的整体形状需要视CPU芯片的形状以及整个机柜的形状进行设计，并且与CPU芯片相贴合的取热面需要根据CPU芯片的相应面的形状进行设计，如果CPU芯片的相应面为曲面的话，该取热面就需要设计与之相对应的曲面。例如，在本发明的其他实施例中，微槽道取热元件本体及密闭空腔的形状还可以是圆柱体形状等。

如图2所示，在密闭空腔底面100的内壁上，形成有相互平行的若干条微槽道200。该微槽道100的长度与密闭空腔的长度相同，其横截面呈矩形，该矩形的高度和宽度均介于100μm～1000μm之间。相邻两条微槽道之间的间距介于100μm～500μm之间。

由于本实施例中密闭空腔呈长方体形状，该微槽道设计为相互平行的若干条。而在本发明其他实施例中，该微槽道可以到延伸到整个内壁长度方向，或者只延伸到该内壁长度的一部分，或者在内壁长度方向分为若干段，或者该微槽道还可以是若干个的同心圆形状或者以密闭空腔底面内壁中心为始端的螺旋线或渐开线形状，均可以实现本发明。

为了加工的方便，该微槽道的横截面呈矩形，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，该微槽道的横截面还可以为向上开口的半圆形、向上开口的半椭圆形等形状，只要具有朝向上方的蒸发面即可，并且该横截面在各个维度上的尺寸只要介于100μm～1000μm之间即可。

本实施例中，微槽道200内分布有液体工质氟利昂，但本发明并不以此为限。在本发明其他实施例中，该液体工质还可以是水、乙醇、丙酮等具有较高汽化潜热、并具有较好润湿特性的液体工质。该液体工质充液量占整个密闭空腔体积的20％-90％。

众多学者的研究证明，百微米量级尺寸的微槽道能够在槽道内形成较大的毛细力，驱动具有较高汽化潜热的液体工质均匀的分布在槽道内，形成薄液膜区域和弯月面区域，这种结构的取热热流密度能够达到100W/cm²的量级，高于目前广泛使用的热管换热器的取热热流密度，能够满足目前及今后相当长一段时间内的刀片服务器CPU芯片的取热要求。

在密闭空腔内安装有一定直径和长度的具有较高导热系数的铜管，作为冷却盘管300，在冷却盘管300内通冷却水。其中，冷却盘管300在密闭空腔内的长度和形状可以根据需要进行设计，而不局限于本实施例中的蛇形排布。

本实施例中，刀片服务器的CPU芯片与密闭空腔底面100的外壁面通过导热硅脂紧密接触，CPU芯片所产生的热量通过底面100进入到微槽道内，加热微槽道内的液体工质，工质在微槽道内产生高强度的相变，从而高效的带走CPU芯片所产生的热量。

本实施例微槽道与水冷联合的冷却系统工作前需对密闭空腔进行抽真空，排出内部的不凝性气体，然后灌注液体工质氟利昂。工作过程中，微槽道200内氟利昂高强度微细尺度蒸发所产生的蒸汽在密闭空腔内的冷却盘管300的外表面冷凝，将蒸汽携带的CPU芯片热量释放给冷却盘管内的冷却水，蒸汽冷凝后的冷凝液滴重新流回到密闭空腔底面100的微槽道200内，最终CPU芯片所产生的热量由冷却水释放到环境中。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明微槽道与水冷联合冷却系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)微槽道的形状和尺寸可以根据需要进行调整；

(2)液体工质和冷却液的材料可以根据需要合理选择；

(3)微槽道取热元件本体的材料除了是紫铜以外，还可以是铝等其他具有较高导热系数的材料；

(4)冷却盘管的材料除了是铜管以外，还可以是铝管等其他具有较高导热系数的材料；

(5)微槽道与水冷联合的冷却系统还可以应用于光电子器件、电力器件等多个领域，而不局限于上述实施例中的芯片冷却。

此外，需要说明的是，所附的附图是简化过且作为示例用。附图中所示的元件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且元件的配置可能更为复杂。上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用。

综上所述，本发明利用百微米量级尺寸的微槽道所具有的高强度取热能力，结合冷却盘管的高效冷却能力，制备出一种微槽道与水冷联合的冷却系统，具有效率高、耗能低、成本低、噪声低等优点，可用于芯片、光电子器件、电力器件的散热，有极高的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微槽道与水冷联合的冷却系统，其特征在于，包括：

微槽道取热元件本体，其具有一与待冷却部件相贴合的取热面及一密闭空腔，所述取热面与所述密闭空腔的底面相对，在该底面内壁上形成微槽道(200)，该微槽道向上开口，其宽度和深度的尺寸介于100μm～1000μm之间；

冷却盘管(300)，设置于所述密闭空腔中，其入口和出口均连通至所述密闭空腔的外部；

其中，所述微槽道(200)内具有液体工质，所述冷却盘管(300)内注入有冷却液，所述微槽道内的液体工质受热蒸发后变成蒸汽，在所述冷却盘管(300)外表面冷凝后，将热量释放给所述冷却盘管(300)内的冷却液，通过冷却盘管内的冷却液将热量带走；

其中，所述微槽道(200)的横截面呈矩形，其宽度和高度均介于100μm～1000μm之间；所述微槽道(200)的长度与所述密闭空腔的长度相当，相邻两微槽道的间距介于100μm～500μm之间；所述微槽道(200)在微槽道取热元件本体底面的内壁上呈相互平行的若干条。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述液体工质为氟利昂、水、乙醇或丙酮。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述液体工质在密闭空腔中的充液量占整个密闭空腔体积的20％-90％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却盘管(300)在密闭空腔内呈蛇形排布，其中注入的冷却液为水。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述微槽道取热元件本体及冷却盘管(300)均由铜或铝制备。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述微槽道取热元件本体的取热面与所述待冷却部件通过导热硅脂紧密接触。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述待冷却部件为CPU芯片或光电子器件。