CN109413945A - 服务器机柜及其虹吸式散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供服务器机柜及其虹吸式散热装置。所述虹吸式散热装置包括：蒸发器，用以设于服务器机柜内并接触所述服务器机柜内的发热源；冷凝器，分别通过气体管路和液体管路与所述蒸发器连接，用以设于所述服务器机柜内的远离所述发热源的空余通风位置；其中，所述蒸发器中的工质液体在吸收所述发热源的热量后汽化为工质气体；工质气体通过所述气体管路进入所述冷凝器，所述冷凝器在气流作用下将工质气体液化为工质液体；工质液体通过所述液体管路重新进入所述蒸发器。本发明的虹吸式散热装置结构简单、成本低廉，比传统的散热器具有更佳优良的散热效果。

Description

服务器机柜及其虹吸式散热装置

技术领域

本发明涉及服务器技术领域，特别是涉及服务器机柜及其虹吸式散热装置。

背景技术

传统的热管/蒸汽室(HP/VC)散热器均是在电子芯片(CPU/GPU/FPGA)的垂直方向上焊接翅片，当风扇吹过翅片时，通过翅片带走芯片的热量。

目前，服务器上应用最多的散热器就是传统的HP散热器。由于在垂直方向上受高度空间的限制，加上HP散热能力受自身长度的影响(水平垂直方向超过300mm性能会降低)、主板设计局限、散热器面积也不会太大等因素，使得散热器的散热功能受到限制。

当芯片处于工作状态时，由于HP散热器的局限性，芯片的核心温度升高较快，此时服务器就需要通过提高风扇转速来对芯片进行散热，这无疑会造成服务器功耗的提高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供服务器机柜及其虹吸式散热装置，用于解决现有技术中服务器的散热器散热效果不佳的技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种虹吸式散热装置，包括：蒸发器，用以设于服务器机柜内并接触所述服务器机柜内的发热源；冷凝器，分别通过气体管路和液体管路与所述蒸发器连接，用以设于所述服务器机柜内的远离所述发热源的空余通风位置；其中，所述蒸发器中的工质液体在吸收所述发热源的热量后汽化为工质气体；工质气体通过所述气体管路进入所述冷凝器，所述冷凝器在气流作用下将工质气体液化为工质液体；工质液体通过所述液体管路重新进入所述蒸发器。

于本发明一实施例中，所述冷凝器中还设有风扇。

于本发明一实施例中，所述蒸发器、所述冷凝器、所述气体管路、及所述液体管路均采用铝质材料制成。

于本发明一实施例中，所述蒸发器的底面及所述冷凝器的底面分别设有安装孔。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种服务器机柜，包括：至少一个如上任一项所述的虹吸式散热装置；其中，所述蒸发器设于所述服务器机柜内并接触所述服务器机柜内的发热源；所述冷凝器设于所述服务器机柜内的远离所述发热源的空余通风位置。

于本发明一实施例中，所述蒸发器及所述冷凝器通过连接件固定于所述服务器机柜的内壁上。

于本发明一实施例中，所述连接件包括：弹簧螺丝。

于本发明一实施例中，所述冷凝器的底部设缓冲垫片。

于本发明一实施例中，所述冷凝器远离所述蒸发器的一侧设有阻挡气流通过的挡风件。

于本发明一实施例中，每一所述发热源对应设置一所述虹吸式散热装置。

如上所述，本发明的服务器机柜及其虹吸式散热装置，具有以下有益效果：

1、在服务器机箱内不受长度和方向的限制，能有效利用机箱内部的空余空间散热；

2、能有效节省风扇功耗；

3、散热效果佳，支持更高功耗芯片的散热；

4、成本低廉、可靠性强；

5、结构简单、便于安装，无需对服务器机柜的结构做额外调整。

附图说明

图1A显示为本发明一实施例中的虹吸式散热装置的结构示意图。

图1B显示为图1所示的虹吸式散热装置于另一视角下的结构示意图。

图2显示为本发明的虹吸式散热装置的工作原理示意图。

图3显示为本发明一实施例中的服务器机柜的结构示意图。

元件标号说明

1 蒸发器

11 蒸发器安装孔

2 冷凝器

21 冷凝器安装孔

3 气体管路

4 液体管路

5 挡风件

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1A～1B所示，本实施例提供一种应用于服务器的虹吸式散热器。所述虹吸式散热器包括蒸发器1、冷凝器2、气体管路3、液体管路4，其中，蒸发器1和冷凝器2之间分别通过气体管路3和液体管路4连通。较佳的，蒸发器1、冷凝器2、气体管路3及液体管路4全部采用铝质材料制成，有利于降低成本。

本实施例的虹吸式散热装置，在使用时安装在服务器机柜内，蒸发器1需接触所述服务器机柜内的发热源，如计算节点、存储节点等，冷凝器2则设置在所述服务器机柜的空余空间，该空余空间最好远离所述发热源且通风情况良好。

具体的，蒸发器1的底面设置有蒸发器安装孔11，冷凝器2的底面设置有冷凝器安装孔21，利用螺丝等连接件即可将蒸发器1和冷凝器2固定在服务器机柜内。

由于蒸发器1和冷凝器2之间可能会存在其他结构。为了不对服务器机柜内的这些结构造成影响，气体管路3和液体管路4在设置时需根据实际情况设置路径，必要时通过弯折一定角度来实现避让。

参阅图2，本实施例的虹吸式散热装置基于热虹吸循环技术(Passive ThermalLoop，简称PTL)进行散热。蒸发器1中的工质液体在吸收发热源的热量后汽化为工质气体，工质气体通过气体管路3进入冷凝器2。冷凝器2在气流作用下将工质气体液化为工质液体，工质液体通过液体管路4重新进入蒸发器1。详细而言，液体在封闭的区间内有五种状态，即非饱和液体状态、饱和液体状态、非饱和气液状态、饱和气液状态、过饱气体状态。当发热源处于断电不工作状态时，封闭腔体内的气液处于饱和状态，系统内的流体不流动；当发热源处于上电工作状态时，蒸发器1的液体吸收热量使得液体相变蒸发，蒸发端压力增大；冷凝器2由于风扇冷却作用，气体冷凝成液体重新回到蒸发端，冷凝端压力减小。蒸发端与冷凝端之间存在压力差产生虹吸力，推动封闭腔体气液循环。蒸发端与冷凝端的压差越大，产生的虹吸力越大，越有利于散热。

为了提高本实施例的虹吸式散热装置的散热性能，可以从以下几个角度加以改进：

1、冷凝器的翅片面积

冷凝器翅片面积大小会影响其腔体内虹吸力的产生。翅片面积越大，越有利于散热。

2、风扇的转速

当风扇的转速越大，通过冷凝器带走的热量越多，虹吸力也就越大，越有利于驱动其腔体内部的气液循环。

3、腔体内的槽道设计

气体和液体在腔体内流动，存在沿程阻力和局部阻力损失，腔体内的槽道设计优化，有利于减少阻力损失，促进气液循环。

4、腔体内的液体工质

不同的液体工质，由于比热容不同、沸点不同，会影响气液的相变速度，从而影响虹吸式散热器的性能。

5、蒸发器与冷凝器的高度差

在服务器允许的高度范围内，高度差越高有利于推动腔体内的气液循环，促进虹吸式散热器散热。

6、虹吸式散热器的材质

虹吸散热性的导热系数越高，越有利于散热。

如图3所示，本实施例提供一种服务器机柜。所述服务器机柜包括前述实施例介绍的虹吸式散热装置。由于上文详细阐述了虹吸式散热装置的结构和工作原理，所以于此不再重复赘述。

在本实施例的服务器机柜内，虚线方框示意为发热源的大致位置。虹吸式散热装置的蒸发器1接触服务器机柜内的发热源，虹吸式散热装置的冷凝器2设于服务器机柜内的远离发热源的空余通风位置。在服务器机柜空间允许的情况下，每一发热源皆对应设置有一虹吸式散热装置，通过对发热源单独散热，在提高散热效果的同时，也能减少彼此间的干扰。

另外，为了将服务器机柜的风量全部导入冷凝器2中以提高虹吸式散热装置的散热效果，如图3所示，在冷凝器2的上方，也即远离蒸发器1的一侧，设有阻挡气流通过的挡风件5。挡风件5可采用海绵等材料制成。

较佳的，蒸发器1及冷凝器2通过弹簧螺丝固定于服务器机柜的内壁上。冷凝器2的底部，也即在冷凝器2与服务器机柜侧壁之间，还设有缓冲垫片，如高缓冲性能泡棉。弹簧螺丝和缓冲垫片能够起到缓冲减震的作用，可有效避免运输过程中机箱前后不同频对散热器接口及管路的破坏，从而提高虹吸式散热器的可靠性及抵抗破坏的性能。

在服务器机柜中，分别为CPU0与CPU1更换PTL散热器与HP散热器做对比测试。以150W CPU芯片为测试对象，对两种散热器的散热性能做对比，测试数据如表1所示：

表1使用虹吸式散热器与热管散热器CPU核心温度对比

表1中的CPU负载“idle”状态是指服务器处于闲置状态，即只开机，不运行程序；“yes”状态是指CPU正常运行负荷，“ptu”状态是指CPU满载运行负荷。于实际应用中，客户机房业务以“yes”状态为标准。

由测试数据可知，因虹吸式散热器具有更大的散热面积，克服了热管散热器的空间限制，使得散热能力大大提升。在20℃idle条件下，使用PTL散热器，CPU核心温度最高可降低24℃，在45℃idle条件下，使用PTL散热器，CPU核心温度最少可降低12℃。从整体上看，PTL散热器让CPU的降温能力都是非常明显的。

分别使用服务器中CPU TDP(thermal design power热设计功耗)为150W和165W作为测试芯片，手动调节风扇转速，控制CPU芯片温度固定在85℃，分别在环境温度为30℃、35℃、40℃条件下对比使用HP散热器与PTL散热器所消耗的风扇功耗，测试数据如表2所示：。

表2使用HP散热器与PTL散热器风扇功耗对比

如表2测试数据可知，在不同环境温度，不同CPU功耗下，PTL散热器均比HP散热器节省较多功耗，单个风扇最多可节省176W，在同行竞争中的优势较为显著。

综上所述，本发明的服务器机柜及其虹吸式散热装置，相比于现有散热器，具有以下优势：

1、可有效利用服务器空间散热：通常HP散热器以其内部吸液芯毛细力/重力的作用使得冷媒在热管内部循环来达到散热效果，但随着长度和方向的改变，毛细力/重力的作用会变得微弱。本发明的虹吸式散热器克服了HP散热器的这一缺陷，在机箱内不受长度和方向的限制，能有效利用机箱内部的空余空间放置冷凝器来带走芯片更多的热量。机箱内部的空余空间越大，本发明的虹吸式散热器的优势就会越明显；

2、节省风扇功耗：目前服务器风扇均采用PID控速方式，即风扇的转速会随着芯片的温度变化而变化，当芯片温度降低的同时风扇的转速也得到相应的降低。采用本发明的虹吸式散热器可以有效节省风扇功耗；

3、有效降低电子组件温度，支持更高功耗芯片：本发明的虹吸式散热器采用了蒸发器与冷凝器之间的压差所产生蒸汽虹吸力来驱动散热，一方面，虹吸式散热器的蒸发器内部腔体较大，使得与芯片上接触的蒸发器相变传热面积增大，提高了散热能力；另一方面，远端安装冷凝器，布置较大的翅片，能有效利用服务器多余空间来散热，有效提高了散热能力，故可支持更高功耗的芯片；传统HP散热器最多可支持到150W CPU的散热，本发明的虹吸式散热器可有效解决CPU功耗为165W，甚至是200W以上的CPU的散热；

4、量产价格不高：本发明的虹吸式散热器采用铝质材料制成，相比于铜质翅片和热管，成本大大降低；

5、结构简单，安装时无需对服务器机柜的结构做出改动：仅需将目前常用的HP散热器替换为本发明的虹吸式散热器即可满足散热需求，操作简单方便，完全满足客户机房升级CPU的需求；

6、可靠性高：本发明的虹吸式散热器在冷凝器底部增加高缓冲性能泡棉，上方用弹簧螺丝紧固，可有效解决运输过程中，机箱前后部分不同频对散热器接口及管路的破坏，从而提高了虹吸式散热器的可靠性。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种虹吸式散热装置，其特征在于，包括：

蒸发器，用以设于服务器机柜内并接触所述服务器机柜内的发热源；

冷凝器，分别通过气体管路和液体管路与所述蒸发器连接，用以设于所述服务器机柜内的远离所述发热源的空余通风位置；

其中，所述蒸发器中的工质液体在吸收所述发热源的热量后汽化为工质气体；工质气体通过所述气体管路进入所述冷凝器，所述冷凝器在气流作用下将工质气体液化为工质液体；工质液体通过所述液体管路重新进入所述蒸发器。

2.根据权利要求1所述的虹吸式散热装置，其特征在于，所述冷凝器中还设有风扇。

3.根据权利要求1所述的虹吸式散热装置，其特征在于，所述蒸发器、所述冷凝器、所述气体管路、及所述液体管路均采用铝质材料制成。

4.根据权利要求1所述的虹吸式散热装置，其特征在于，所述蒸发器的底面及所述冷凝器的底面分别设有安装孔。

5.一种服务器机柜，其特征在于，包括：至少一个如权利要求1～4中任一项所述的虹吸式散热装置；其中，

所述蒸发器设于所述服务器机柜内并接触所述服务器机柜内的发热源；

所述冷凝器设于所述服务器机柜内的远离所述发热源的空余通风位置。

6.根据权利要求5所述的服务器机柜，其特征在于，所述蒸发器及所述冷凝器通过连接件固定于所述服务器机柜的内壁上。

7.根据权利要求6所述的服务器机柜，其特征在于，所述连接件包括：弹簧螺丝。

8.根据权利要求6所述的服务器机柜，其特征在于，所述冷凝器的底部设缓冲垫片。

9.根据权利要求5所述的服务器机柜，其特征在于，所述冷凝器远离所述蒸发器的一侧设有阻挡气流通过的挡风件。

10.根据权利要求5所述的服务器机柜，其特征在于，每一所述发热源对应设置一所述虹吸式散热装置。