CN109548380B - 一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，包括供液总管，回液总管，位于供液总管和回液总管上下两端的阀门，位于供液总管和回液总管上端的排气阀，依次连接供液总管和回液总管的第一分支供液管和第一分支回液管，依次连接第一分支供液管和第一分支回液管的第二分支供液管和第二分支回液管，热管单元以及监测报警单元。本发明公开的回路装置适用于采用了热管模组的刀片服务器，具有装置简单可靠、便于刀片服务器拆装维护，同时提高散热效率、大幅降低机房制冷能耗和液冷安全隐患。

Description

一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置

技术领域

本发明属于机房散热技术领域，尤其涉及一种用于刀片服务器的液冷散热装置。

背景技术

数据中心(又称机房)的散热能耗问题随着数据中心规模和机柜功率密度的增大而越来越受到关注和重视。目前现有技术主要是针对机房整体或单个机柜进行散热设计，如风冷空调、水冷空调、列间空间、液冷背板等，都可归属于机房级和机柜级的散热模式，因此无法有效地解决机柜中无数服务器芯片的局部散热问题和实现高功率密度下工作温度的有效控制。而从服务器产生热量的来源角度来看，主要芯片产生的热量占服务器发热的70％以上。要想解决这一问题，适应未来高功率密度机柜和大功率服务器芯片的发展需要，开发一种基于芯片级散热模式的新型机房散热方式将成为今后的主流方向。

热管技术作为一种被动式两相换热技术，被誉为“热的超导体”，近年来在数据中心得到了初步的应用。基于热管模组的芯片级散热方案属于一种很有前途和应用前景的机房芯片级散热技术，它通过高性能热管将芯片产生的热量快速转移到服务器的出口位置或服务器的外部，再耦合位于服务器外的液体循环回路将热量带走。基于热管模组的芯片级散热方案，相比通入服务器内的单相液冷回路和芯片浸泡式液冷，大大降低了泄露安全隐患和维护繁琐程度，同时具有散热效果强、芯片控温效果好、制冷能耗极低的优势，能够满足未来单芯片功耗达到200-400W和单机柜功率达到20-40kW的绿色化散热需求。

目前用作高性能计算需求的刀片式服务器的芯片级散热技术主要是采用直接单相液冷技术；而采用基于高性能热管模组的芯片级散热技术还未成熟与在刀片服务器上应用，与之配套耦合的整机柜液冷散热循环回路也尚未开发和公开报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，作为基于热管模组的芯片级散热方案的一个重要组成部分，该装置简单、便于刀片服务器拆装维护，填补了国内相关技术空白，同时提高散热效率、降低机房制冷能耗和液冷安全隐患。

本发明的技术解决方案是：一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，该循环回路装置包括供液总管、回液总管，位于所述供液总管、回液总管上下两端的阀门，位于所述供液总管、回液总管上端的排气阀、第一分支供液管和第一分支回液管、第二分支供液管和第二分支回液管、热管单元；

其中，热管单元包括气管、液管、蒸发端和冷却端，冷却端内经过冷凝形成的液体经过液管流至蒸发端，蒸发端位于刀片服务器的内部并与芯片外表面接触贴合，刀片服务器内芯片产生的热量将蒸发端内部的液体加热蒸发，气化后的循环工质沿气管返回至冷却端，在冷却端气管和液管密封连通；所述冷却端还包括进液口、出液口，冷却液从进液口流入，从出液口流出，使冷却端内部填充流动的冷却液，用于冷却气管中的循环工质使之液化后通过液管流出；

第二分支供液管一端连通热管单元的冷却端的进液口，另一端通过第一分支供液管连通至第一供液总管；第二分支回液管一端连通热管单元的冷却端的出液口，另一端通过第一分支回液管连通至回液总管，构成液冷散热循环回路。

所述热管单元的冷却端位于刀片服务器的内部并紧靠服务器的进风前端。

所述热管单元的冷却端位于刀片服务器的外部并紧靠服务器的进风前端。

所述供液总管和回液总管位于刀片服务器外部。

所述液冷散热循环回路装置，还包括漏液监测传感器，所述漏液监测传感器安装在供液总管和回液总管与阀门的连接处、阀门与外部液体循环管路的连接处、供液总管与第一分支供液管的连接处、回液总管与第一分支回液管的连接处、第一分支供液管与第二分支供液管连接处、第一分支回液管与第二分支回液管的连接处、

第二分支供液管与热管冷却端进液口的连接处和/或第二分支回液管与热管冷却端出液口的连接处。

所述供液总管的管径大于第一分支供液管；回液总管的管径大于第一分支回液管；第一分支供液管的管径大于第二分支供液管的管径、第一分支供液管的管径大于第二分支供液管、第一分支回液管的管径大于第二分支回液管。

所述供液总管和回液总管为硬管结构，管壳材料为金属。

所述第一分支管为硬管或软管结构，管壳材料为金属或塑料；

所述第二分支液管、第二分支回液管为软管结构，可任意弯曲，管壳材料为塑料。

所述供液总管与第一分支供液管之间、回液总管与第一分支回液管之间、第一分支供液管与第二分支供液管之间、第一分支供液管与第二分支供液管之间、第一分支回液管与第二分支回液管之间均采用固定连接方式连接或者快插拔方式连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明回路装置的供液总管和回液总管上设计有四个阀门，与机房液体回路系统连接便利，总管上设计有两个排气阀，便于安装调试时进行装置管路排气，减小流动阻力。

(2)、本发明整个回路装置位于服务器外，保证装置内的液体不进入服务器，提高服务器运行安全性；回路装置为小型管路系统，布置在机柜的外部，占用空间较小，布置紧凑且对称美观；回路装置的所有连接部位还设置有漏液监测器，具备微漏液报警功能。

(3)、本发明整个回路装置的管路结构简单，弯曲较少，管路内径大于4mm，全系统无微通道内部结构，因此管路流动阻力降较小，回路装置不需要循环泵，仅靠机房液体循环管路的动力就能满足循环需求，具有零功耗的特点。

(4)、本发明回路装置中第一分支管与第二分支管之间采用快插拔的方式，实现二者间的快速断开而不会有液体泄漏发生，便于服务器的安装维护。

(5)、本发明回路装置的热管单元为一根整体环路型热管，热管内的循环工质由于气液分离原理可实现单根热管的传热功率达600W以上，可以满足多个服务器芯片产生的热量通过多个蒸发端传递到一个冷却端的需要。整体环路型热管结构具有模块化的特征，较大程度地简化了液冷散热回路装置的结构复杂性，提高了空间的有效利用率和工程实施的可行性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于刀片服务器的液冷散热回路装置的整体结构示意图；

图2(a)是本发明实施例中液冷散热回路装置的热管冷却端布置在服务器内部的示意图；

图2(b)是本发明实施例中液冷散热回路装置的热管冷却端布置在服务器外部的示意图；

图3是本发明实施例中并联式热管单元示意图。

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，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，本发明提供的某一具体实施例包括供液总管201、回液总管202，位于所述供液总管201、回液总管202上下两端的阀门203，位于所述供液总管201、回液总管202上端的排气阀204、第一分支供液管205和第一分支回液管208、第二分支供液管206和第二分支回液管207、热管单元106。

其中，热管单元106包括气管、液管、蒸发端105和冷却端104，冷却端内经过冷凝形成的液体经过液管流至蒸发端，蒸发端105位于刀片服务器103的内部并与芯片外表面接触贴合，刀片服务器内芯片产生的热量将蒸发端105内部的液体加热蒸发，气化后的循环工质沿气管返回至冷却端104，在冷却端104气管和液管密封连通；所述冷却端104还包括进液口、出液口，冷却液从进液口流入，从出液口流出，使冷却端104内部填充流动的冷却液，用于冷却气管中的循环工质使之液化后通过液管流出。

在本实施例中，液冷散热回路装置中各零部件之间的具体连接结构如下：所述供液总管201和回液总管202位于机柜101的外部并靠近侧壁固定；所述第一分支供液管205一端连通供液总管201，另一端为盲管且固定在机柜101的壁面上；所述第一分支回液管208一端连接回液总管202，另一端为盲管且固定在机柜101的壁面上；所述第二分支供液管206一端连通第一分支供液管205，另一端连通热管单元106的冷却端104的进液口；所述第二分支回液管207一端连通第一分支回液管208，另一端连通热管单元106的冷却端104的出液口。

第一分支供液管205和第一分支回液管208统称为第一分支管，第二分支供液管206和第二分支回液管207统称为第二分支管；

作为优选方案，所述液冷散热循环回路装置还包括漏液监测传感器，或者类似的监测报警元件。所述漏液监测传感器或监测报警元件安装在供液总管201和回液总管202与阀门203的连接处、阀门203与外部液体循环管路的连接处、供液总管201与第一分支供液管205的连接处、回液总管202与第一分支回液管208的连接处、第一分支供液管205与第二分支供液管206连接处、第一分支回液管208与第二分支回液管207的连接处、第二分支供液管206与热管冷却端104进液口的连接处和/或第二分支回液管207与热管冷却端104出液口的连接处。漏液监测传感器，或者类似的监测报警元件获得的监测信号或数据，最终汇总到机房动环监测软件中。当液冷散热回路装置中某个连接处有微泄露产生时，动环监测软件中就会有报警提示，并告知具体的泄露位置，提醒机房运维人员进行检修。

优选的，所述供液总管201的管径大于第一分支供液管205；回液总管202的管径大于第一分支回液管208；第一分支供液管205的管径大于第二分支供液管206的管径、第一分支供液管205的管径大于第二分支供液管206、第一分支回液管208的管径大于第二分支回液管207。管路内径大于4mm，全系统无微通道内部结构，因此管路流动阻力降较小，回路装置不需要循环泵，仅靠机房液体循环管路的动力就能满足循环需求，具有零功耗的特点。

优选的，所述供液总管201和回液总管202为硬管结构，管壳材料为金属。

优选的，第一分支供液管205和第一分支回液管208为硬管或软管结构，管壳材料为金属或塑料；可任意弯曲，管壳材料优选为塑料。

优选的，所述第二分支液管207、第二分支回液管207为软管结构，可任意弯曲，管壳材料为塑料。

优选的，供液总管201与第一分支供液管205之间、回液总管202与第一分支回液管208之间、第一分支供液管205与第二分支供液管206之间、第一分支供液管205与第二分支供液管206之间、第一分支回液管208与第二分支回液管207之间均采用固定连接方式连接或者快插拔方式连接。

优选的，当单个刀片服务器103出现故障需要运维时，通过快插拔的方式断开第一分支管与第二分支管的连接，之后将整个刀片服务器103连同热管单元106和第二分支管一起从刀箱102中取出。

在本实施例中，为了保证在机柜101不同高度位置的第一分支供液管205和冷却端104获得相对均匀的液体流量，如图1，优选供液总管201下端的阀门203与机房房间的液体供液管路连接，回液总管202上端的阀门203与机房房间的液体回液管路连接，其他两个阀门203则处于关闭状态。液冷散热循环回路装置第一次联调运行时，需要打开排气阀204，排出管路内的多余空气，保证管路内液体流通顺畅和分配均匀。

在本实施例中，当刀片服务器103内部电子器件布置密集而无多余空间时，所述冷却端104可以优选布置在刀片服务器103的外部并紧靠服务器的进风前端。见图2(a)所示；当刀片服务器103内部前端有多余空间时，所述冷却端104可以优选布置在刀片服务器103的内部并紧靠服务器的进风前端，见图2(b)所示。

在本发明的一优选实施例中，如图2(a)和图2(b)所示，所述热管单元106的蒸发端105位于刀片服务器103的内部并与芯片外表面接触贴合。

进一步优选的，所述多个蒸发端105与多个芯片分别贴合，多个蒸发端105通过并联的方式与一个冷却端104连通，所有连接处优选采用焊接的形式实现密封。

如图3所示，所述用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，并联式环路热管包括：第二蒸发端3、第一蒸发端4、第二气体管路5、第一蒸发管路6、第一气体管路7、第二液体管路8、第一液体管路9、三通结构件10、冷却端104。

第一液体管路9连接第一蒸发端4、第一蒸发端4通过第二液体管路8连接第二蒸发端3，第二蒸发端3通过第二气体管路5连接至三通结构件10，同时，三通结构件10通过第一蒸发管路6连接第一蒸发端4，连接第一气体管路7，所述第一气体管路7连接伸进冷却端104，在冷却端104内部绕圈形成盘管108，盘管108伸出冷却端与第一液体管路9连通，第一气体管路7和第一液体管路9处于冷却端104内部的部分与盘管108共同构成热管冷凝器。所述热管冷凝器伸入服务器的内部，分别与设置在所述服务器内部的第一芯片1和第二芯片2接触并固定，芯片上的在工作过程中产生的热量将蒸发端内的液体蒸发成气体，由蒸发管路和气体管路送至冷却端104，在冷却端104内与冷却端104内的冷却流体进行热交换，冷凝成液体，从而实现芯片散热。其中，所述第一蒸发端4和第二蒸发端3伸入服务器的内部，分别与所述第一芯片1和第二芯片2接触并固定。所述冷却端11还包括进液口101、出液口102，进液口101连通第二分支供液管206、出液口102连通第二分支回液管207。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于包括供液总管(201)、回液总管(202)，位于所述供液总管(201)、回液总管(202)上下两端的阀门(203)，位于所述供液总管(201)、回液总管(202)上端的排气阀(204)、第一分支供液管(205)和第一分支回液管(208)、第二分支供液管(206)和第二分支回液管(207)、热管单元(106)、漏液监测传感器；所述供液总管(201)和回液总管(202)位于刀片服务器外部；

其中，热管单元(106)包括气管、液管、蒸发端(105)和冷却端(104)，冷却端内经过冷凝形成的液体经过液管流至蒸发端，蒸发端(105)位于刀片服务器(103)的内部并与芯片外表面接触贴合，刀片服务器内芯片产生的热量将蒸发端(105)内部的液体加热蒸发，气化后的循环工质沿气管返回至冷却端(104)，在冷却端(104)气管和液管密封连通；所述冷却端(104)还包括进液口、出液口，冷却液从进液口流入，从出液口流出，使冷却端(104)内部填充流动的冷却液，用于冷却气管中的循环工质使之液化后通过液管流出；

第二分支供液管(206)一端连通热管单元(106)的冷却端(104)的进液口，另一端通过第一分支供液管(205)连通至第一供液总管(201)；第二分支回液管(207)一端连通热管单元(106)的冷却端(104)的出液口，另一端通过第一分支回液管(208)连通至回液总管(202)，构成液冷散热循环回路；

所述漏液监测传感器安装在供液总管(201)和回液总管(202)与阀门(203)的连接处、阀门(203)与外部液体循环管路的连接处、供液总管(201)与第一分支供液管(205)的连接处、回液总管(202)与第一分支回液管(208)的连接处、第一分支供液管(205)与第二分支供液管(206)连接处、第一分支回液管(208)与第二分支回液管(207)的连接处；

第二分支供液管(206)与热管冷却端(104)进液口的连接处和/或第二分支回液管(207)与热管冷却端(104)出液口的连接处。

2.根据权利要求1所述的一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于所述热管单元(106)的冷却端(104)位于刀片服务器(103)的内部并紧靠服务器的进风前端。

3.根据权利要求1所述的一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于所述热管单元(106)的冷却端(104)位于刀片服务器(103)的外部并紧靠服务器的进风前端。

4.根据权利要求1所述的一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于供液总管(201)的管径大于第一分支供液管(205)；回液总管(202)的管径大于第一分支回液管(208)；第一分支供液管(205)的管径大于第二分支供液管(206)的管径、第一分支供液管(205)的管径大于第二分支供液管(206)、第一分支回液管(208)的管径大于第二分支回液管(207)。

5.根据权利要求1所述的一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于所述供液总管(201)和回液总管(202)为硬管结构，管壳材料为金属。

6.根据权利要求1所述的一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于所述第一分支管为硬管或软管结构，管壳材料为金属或塑料。

7.根据权利要求1所述的一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于所述第二分支液管(207)、第二分支回液管(207)为软管结构，可任意弯曲，管壳材料为塑料。

8.根据权利要求1所述的一种用于刀片服务器的液冷散热循环回路装置，其特征在于供液总管(201)与第一分支供液管(205)之间、回液总管(202)与第一分支回液管(208)之间、第一分支供液管(205)与第二分支供液管(206)之间、第一分支供液管(205)与第二分支供液管(206)之间、第一分支回液管(208)与第二分支回液管(207)之间均采用固定连接方式连接或者快插拔方式连接。

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