CN106413338B - 一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,包括服务器机柜，液体工质箱，液体工质箱位于所述服务器机柜底部；多层相互平行且水平布置的镂空或具有倒流槽道的隔板，服务器组件安装在隔板上；总管分液器，总管分液器竖直布置且通过主管道连通液体工质箱；多根液体工质喷淋管，多根液体工质喷淋管上均匀布置有多个喷液口，多根液体工质喷淋管水平布置且位于每层服务器组件的上方，同时连通总管分液器；喷液口的喷射方向与服务器组件的位置对应；喷液口喷射在所述服务器组件上的液体工质回流至液体工质箱。本发明雾状液态导热工质与服务器组件的发热面直接接触，没有任何中间介质和传热转换环节，显著提高换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，属于计算机及数据中心散热系统领域。
背景技术
随着通信及电子业的高速发展，高密度服务器部署是数据中心建设发展的必然趋势，同时适应各类应用的高效计算机也在推陈出新。服务器组件、处理器、存储器等计算核心部件也在朝着小型集成化和高功率密度方向发展。组件具有高功率性能的同时，其散热问题也较之前更加突出，如果不能有效的解决其散热问题，势必会制约高性能数据中心的进一步发展。当前技术领域内，在数据中心仍较多的采用传统的空调制冷方式，全年开启空调系统提供适宜数据中心正常工作的环境温度；空调制冷COP有其极限值，同时随数据中心热负荷升高，相对空调系统的耗功严重，也存在噪音污染。并且在高密度服务器的数据中心，由于单个机柜发热量大或者几个机柜小范围的热量过大以及不合理的气流组织，会出现空调系统无法解决的局部高热现象。在单体计算机冷却技术中，除采用传统强制风冷冷却技术，如今热管技术的成熟引入有助于解决高功率计算机核心部件发热问题，但仍存在技术盲点，且技术适应性、结构寿命等问题还有待进一步验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，克服现有技术中单个机柜发热量大或者几个机柜小范围的热量过大以及不合理的气流组织，会出现空调系统无法解决的局部高热，使电子器件结温过高，导致器件性能恶化或失效的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,包括服务器机柜，
液体工质箱，所述液体工质箱位于所述服务器机柜底部；
多层相互平行且水平布置的镂空或具有倒流槽道的隔板，所述服务器组件安装在所述隔板上；
总管分液器，所述总管分液器竖直布置且通过主管道连通所述液体工质箱；
多根液体工质喷淋管，多根所述液体工质喷淋管上均匀布置有多个喷液口，多根所述液体工质喷淋管水平布置且位于每层所述服务器组件的上方，同时连通所述总管分液器；所述喷液口的喷射方向与所述所述服务器组件的位置对应；所述喷液口喷射在所述服务器组件上的液体工质回流至所述液体工质箱。
上述的多根所述液体工质喷淋管平行布置在每层所述服务器组件的上方且喷射液体全面覆盖所述服务器组件，该系统进行服务器组件喷淋降温，提高降温效率。
优选地，所述喷液口处连接喷嘴，所述喷嘴全面覆盖所述服务器组件。
本发明的有益效果是：本发明由于通过将液体工质箱中的低温的绝缘导热液体工质直接通过喷液口喷射在所述服务器组件上，喷射出的雾状液态导热工质与器件发热面直接接触，吸收其产生的热量后重新落回液体工质箱中，如此循环，液体工质不断将电力器件的热带走，冷却液体工质直接与需要散热的服务器组件接触且传热过程中无相变，没有任何中间介质和传热转换环节，可以具有以下显著的优点：
1、喷淋的液体工质在发热器件表面形成雾化液膜，液膜热传导具有小流量、大温差、高传热系数，高热流密度等优良穿热特性；
2、提供液体工质喷淋的喷射部件具有结构简单、动力消耗小、制造技术成熟、可靠性高等优点；
3、液体工质完全可以直接接触发热的单体电器件表面，通过降低接触热阻并减少间接传热结构来提高热传导效率；同时，传热过程和结构越简单，其可靠性和可控性越高；
4、在同等的环境温度下，直接接触式冷却散热温差可控，与非直接接触式传热方式相比，可一进步降低器件发热面温度，降低结温，有助于提高此类服务器组件的工作寿命和可靠性。
5、采用喷淋式散热，液体工质与发热面有效接触面积(换热面积)会增加，从而理论热传导效率会提高(换热量与面积成正比关系)，液体工质有效利用率更高。
6、液体工质热传导性能普遍优于使用空气强制对流，并且相对于传统强制对流风冷系统需要新风单元以及一些复杂的架构设计，液体冷却技术架构的设计要求本身比较少，直接接触喷淋的结构可以更加简单，从而节约成本和延长器件使用寿命。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，所述液体工质箱的上端为敞口结构，其侧壁为所述服务器机柜下部的侧壁一体制成；或所述液体工质箱包括第一液体工质箱及第二液体工质箱，所述第一液体工质箱的上端为敞口结构，其侧壁为所述服务器机柜下部的侧壁一体制成，所述第二液体工质箱位于所述服务器机柜外侧且与所述第一液体工质箱连通。
采用上述进一步的有益效果是：在开放式的，非相变喷淋液体工质至发热面，液体工质与发热面换热面积会增加，从而理论热传导效率会提高，液体工质有效利用率更高，提高降温效率。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，还包括液体工质泵，所述液体工质泵位于所述液体工质箱内或液体工质箱外且与通过管道与所述总管分液器连通。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，还包括过滤器，所述过滤器安装在所述液体工质泵的进液口前端。
采用上述进一步方案的有益效果是：过滤器设置于液体工质泵前端，用于对重复循环使用的液体导热工质进行过滤，保证液体工质纯净度，防止杂质对泵体的损伤以及对喷嘴的堵塞，且在喷淋过程中液体工质无相变，因此系统循环不需要工质回收设备，只需设置常见过滤器用于过滤工质在开放式循环过程中产生的杂质，系统自适应性及可靠性更高。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，还包括液体工质冷却装置，所述液体工质冷却装置对液体工质箱内的工质进行冷却。
采用上述进一步的有益效果是：可以实现对液体工质箱中的工质不断进行冷却，以保证液体工质与服务器组件之间保持有效换热温差(通常为5～10℃)，以对其进行有效的冷却。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，所述液体工质冷却装置包括冷水机组，所述冷水机组包括冷媒压缩机、冷媒输送管及冷媒回流管及蒸发器；所述冷媒压缩机的出水口通过冷媒输送管与蒸发器的一端连通，所述冷媒压缩机的回水口通过冷媒回流管与所述蒸发器的另一端连通；所述蒸发器位于所述液体工质箱内。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，所述液体工质冷却装置为安装在所述液体工质箱外侧的散热翅片。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，所述液体工质冷却装置包括位于液体工质箱外的第一换热段和液体工质箱内的第二换热段，第一换热段的冷媒出口与第二换热段的冷媒入口连通，第二换热段的冷媒出口与第一换热段的冷媒入口连通。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，还包括风机，所述风机对所述散热翅片降温或对所述第一换热段进行降温。
本发明如上所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,进一步，所述绝缘导热液体工质为天然矿物油、硅油、植物油、变压油、导热油中的一种或任意几种。
采用上述进一步方案的有益效果是：上述的液体工质必须使用绝缘性好的导热液体工质，保证工质绝缘性，保证工质绝缘性，避免与电池接触导电，造成电池损毁和系统报废。液体工质普遍具有较高的导热系数，且通过喷淋可与发热的电池直接接触散热，从而能够高效的实现对电池组散热。
本发明所述服务器组件包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，其发热量主要来源于CPU、GPU、内存等元件。采用冷却介质为绝缘的液体导热工质为非极性物质，直接对服务器组件进行喷淋,不会对电子、电器设备及回路产生影响，对硬件不会有损坏。
附图说明
图1为本发明一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统主视图；；
图2为本发明一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统一种实施方式的示意图；
图3为本发明本发明一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统第二种实施方式的示意图；
图4为本发明本发明一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统第三种实施方式的示意图；
图5为本发明本发明一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统第四种实施方式的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、液体工质箱，101、绝缘导热液体工质，2、隔板，3、服务器组件，4、总管分液器，5、主管道，6、液体工质喷淋管，7、喷嘴，8、液体工质泵，9、过滤器，10、冷媒压缩机，11、冷媒输送管，12、冷媒回流管，13、蒸发器，14、散热翅片，15、风机，16、第一换热段，17、第二换热段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至5所示，一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,包括包括服务器机柜，所述服务器机柜一般竖直布置；液体工质箱1，所述液体工质箱1位于所述服务器机柜底部；多层相互平行且水平布置的镂空或具有倒流槽道的隔板，所述服务器组件安装在所述隔板2上；总管分液器4，所述总管分液器4竖直布置且通过主管道连通所述液体工质箱1；多根液体工质喷淋管6，多根所述液体工质喷淋管6上均匀布置有多个喷液口，多根所述液体工质喷淋管6水平布置且位于每层所述服务器组件3的上方，同时连通所述总管分液器4，即多根所述液体工质喷淋管6平行布置在每层所述服务器组件3的上方且喷射液体全面覆盖所述服务器组件3；所述喷液口的喷射方向与所述所述服务器组件3的位置对应；所述喷液口喷射在所述服务器组件3上的液体工质回流至所述液体工质箱1。具体地，所述喷液口处连接喷嘴7，所述喷嘴7正对所述服务器组件3，该结构喷射液体喷射后可以更加准确的喷淋在所述服务器组件3上。
本发明实施例总管分液器一端与液体工质泵连接，管路上不同高度设置有N(N≥1)个三通接头匹配安装该高度的液体工质喷淋管，各液体工质喷淋管上设置有多个喷嘴，喷射方向朝向需散热的各个器件。喷嘴需选用绝缘优良且工程强度符合要求的材料；本发明实施例将液体工质箱1中的低温的绝缘导热液体工质直接通过喷液口喷射在所述服务器组件3上，喷射出的雾状液态导热工质与服务器组件3发热面直接接触，吸收其产生的热量后重新落回液体工质箱1中，如此循环，液体工质不断将电力器件的热带走，冷却液体工质直接与需要散热的服务器组件接触且传热过程中无相变，没有任何中间介质和传热转换环节，喷淋结构可以更加简单，从而节约成本和延长器件使用寿命、提高降温效果。
根据本发明实施例一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，所述液体工质箱的上端为敞口结构，其侧壁为所述服务器机柜下部的侧壁一体制成，或所述液体工质箱包括第一液体工质箱及第二液体工质箱，所述第一液体工质箱的上端为敞口结构，其侧壁为所述服务器机柜下部的侧壁一体制成，所述第二液体工质箱位于所述服务器机柜外侧且与所述第一液体工质箱连通。该结构可以利用服务器机柜的原有空间直接制成液体工质箱，经过多根液体工质喷淋管喷射在服务器组件上的流下的液体直接进入机柜下部形成的液体工质箱中，系统构架简单，液体工质与发热面换热面积会增加，从而理论热传导效率会提高，液体工质有效利用率更高，提高降温效率。
上述实施例中具体地，所述总管分液器4竖直布置，多根所述液体工质喷淋管6均匀分布在所述总管分液器4上，多根所述液体工质喷淋管6的一端均与其连通，另一端均为封堵结构。
本发明在一些具体实施例中，还包括液体工质泵8，所述液体工质泵8位于所述液体工质箱1内且与通过管道与所述总管分液器4连通；具体还包括过滤器9，所述过滤器9安装在所述液体工质泵8的进液口前端。通过设置液体工质泵、过滤器保证循环能力，保证液体工质纯净度，防止杂质对泵体的损伤以及对喷嘴的堵塞，自适应性及可靠性高。
上述实施例中多根所述液体工质喷淋管6竖直均布在所述服务器组件3的三个侧面。液体喷淋可以从服务器组件3的三个方面进行喷淋降温，提高降温效率。
本发明在一些实施例中，具体地，还包括液体工质冷却装置，所述液体工质冷却装置对液体工质箱内的工质进行冷却。可以实现对液体工质箱中的工质不断进行冷却，以保证液体工质与服务器组件之间保持有效换热温差(通常为5～10℃)，以对其进行有效的冷却。
上述的液体工质冷却装置，可以通过以下方式实现：第一、如图2所示，液体冷却装置包括冷水机组，所述冷水机组包括冷媒压缩机10、冷媒输送管11及冷媒回流管12及蒸发器13；所述冷媒压缩机10的出水口通过冷媒输送管11与蒸发器13的一端连通，所述冷媒压缩机10的回水口通过冷媒回流管12与所述蒸发器13的另一端连通；所述蒸发器13位于所述液体工质箱1内。第二、如图5所示，所述液体工质冷却装置为安装在所述液体工质箱外侧的散热翅片14。第三、如图4所示，所述液体工质冷却装置为安装在所述液体工质箱外侧的散热翅片14外侧设有风机15，所述风机15对所述散热翅片14降温。第四、所述液体工质冷却装置包括位于液体工质箱外的第一换热段16和液体工质箱内的第二换热段17，第一换热段16的冷媒出口通过管道与第二换热段17的冷媒入口连通，第二换热段17的冷媒出口通过管道与第一换热段16的冷媒入口连通，所述第一换热段及第二换热段的循环管路中可以是水等冷媒，也可以是空气。第四、如图3所示，所述液体工质冷却装置包括位于液体工质箱1外的第一换热段16和液体工质箱内的第二换热段17，第一换热段16的冷媒出口与第二换热段17的冷媒入口连通，第二换热段17的冷媒出口与第一换热段16的冷媒入口连通，在所述第一换热段16外侧设有风机15，所述风机15对所述第一换热段16进行降温。
根据本发明实施例所示一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统,所述绝缘导热液体工质为天然矿物油、硅油、植物油、变压油、导热油中的一种或任意几种。上述的液体工质必须使用绝缘性好的导热液体工质，保证工质绝缘性，避免与服务器组件接触导电，造成器件损毁，严重的将导致系统报废。液体工质普遍具有较高的导热系数，且通过喷淋可与电力器件发热表面直接接触散热，从而能够实现高效散热。
本发明所述服务器组件包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，其发热量主要来源于CPU、GPU、内存等元件。采用冷却介质为绝缘的液体导热工质为非极性物质，直接对服务器组件进行喷淋,不会对电子、电器设备及回路产生影响，对硬件不会有损坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，包括服务器机柜，
液体工质箱，所述液体工质箱位于所述服务器机柜底部，内放置有非相变液体工质；
多层相互平行且水平布置的镂空或具有导流槽道的隔板，所述服务器组件安装在所述隔板上；
总管分液器，所述总管分液器竖直布置且通过主管道连通所述液体工质箱；
多根液体工质喷淋管，多根所述液体工质喷淋管上均匀布置有多个喷液口，多根所述液体工质喷淋管水平布置且位于每层所述服务器组件的上方，同时连通所述总管分液器；所述喷液口的喷射方向与所述所述服务器组件的位置对应；所述喷液口喷射在所述服务器组件上的液体工质回流至所述液体工质箱；所述液体工质箱的上端为敞口结构，其侧壁为所述服务器机柜下部的侧壁一体制成；或所述液体工质箱包括第一液体工质箱及第二液体工质箱，所述第一液体工质箱的上端为敞口结构，其侧壁为所述服务器机柜下部的侧壁一体制成，所述第二液体工质箱位于所述服务器机柜外侧且与所述第一液体工质箱连通。
2.根据权利要求1所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，还包括液体工质泵，所述液体工质泵位于所述液体工质箱内或液体工质箱外且与通过管道与所述总管分液器连通。
3.根据权利要求2所述的一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，还包括过滤器，所述过滤器安装在所述液体工质泵的进液口前端。
4.根据权利要求1所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，还包括液体工质冷却装置，所述液体工质冷却装置对液体工质箱内的工质进行冷却。
5.根据权利要求4所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，所述液体工质冷却装置包括冷水机组，所述冷水机组包括冷媒压缩机、冷媒输送管及冷媒回流管及蒸发器；所述冷媒压缩机的出水口通过冷媒输送管与蒸发器的一端连通，所述冷媒压缩机的回水口通过冷媒回流管与所述蒸发器的另一端连通；所述蒸发器位于所述液体工质箱内。
6.根据权利要求4所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，所述液体工质冷却装置为安装在所述液体工质箱外侧的散热翅片。
7.根据权利要求6所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，还包括风机，所述风机对所述散热翅片进行降温。
8.根据权利要求4所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，所述液体工质冷却装置包括位于液体工质箱外的第一换热段和液体工质箱内的第二换热段，第一换热段的冷媒出口与第二换热段的冷媒入口连通，第二换热段的冷媒出口与第一换热段的冷媒入口连通。
9.根据权利要求8所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，还包括风机，所述风机对所述第一换热段进行降温。
10.根据权利要求1所述一种用于计算机及数据中心散热的工质接触式冷却系统，其特征在于，所述非相变液体工质为天然矿物油、硅油、植物油、变压油、导热油中的一种或任意几种。
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