CN110581114A - 一种热管、相变材料与浸没式液冷相结合的散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热管、相变材料与浸没式液冷相结合的散热系统，所述系统包括箱体、冷却液进口、冷却液出口、热管、动力泵、冷媒源和封装箱，所述箱体中充满冷却液体，所述封装箱设置在箱体内，所述封装箱中包括服务器和相变材料，所述服务器包围在相变材料的内部，所述热管的蒸发端设置在相变材料中，热管的冷凝端延伸穿出到封装箱的外部；所述箱体上分别设置冷却液体进口和出口，供冷却液体进出箱体；所述冷却液体进口和出口由管路分别与冷媒源及动力泵连接，形成“冷媒源‑动力泵‑冷却液进口‑箱体‑冷却液出口‑动力泵‑冷媒源”的散热循环。本发明使用热管输运产生的热量，利用了液体相变传热，相较于常规的对流换热具有更快的散热响应速度，同时也有更高的散热效率，能够很好地解决高热流密度的散热问题。

Description

一种热管、相变材料与浸没式液冷相结合的散热系统

技术领域

本发明涉及管壳式换热器领域，具体涉及一种热管、相变材料与浸没式液冷相结合的散热系统。

背景技术

随着互联网以及物联网的迅猛发展，全球正在由互联网技术时代转向数据技术时代。为应对云计算、物联网及5G网络发展所带来的数据存储量及数据计算量的大爆发，谷歌、阿里、百度等互联网巨头都加紧了数据中心的建设。可以预见，随着大数据、云计算、“互联网+”等行业的快速发展，数据中心的需求会越来越大，因而数据中心巨大的能耗问题就亟待解决。

数据中心是耗能大户。根据互联网数据中心的推测，到2024年数据中心耗电量将占到全世界耗电量的5%以上，其中散热占了数据中心非常大比例的电能消耗，甚至可能达到一半以上。数据中心通常包括计算设备、存储设备、网络设备、安全设备等，这其中最需要散热，也是最值得改进散热方式的就是计算设备的散热，也就是服务器及其内部的处理器的散热。传统的自然冷却散热的方案越来越不能满足服务器的散热需求，目前服务器的散热方案主要有风冷、液冷和热管散热冷却。风冷即通过空气强迫对流来冷却服务器，一般可以通过添加散热片，增大服务器散热面积和添加强制冷却风扇等方式来达到冷却需求。但是这种方式需要改善加工服务器的散热面，同时风扇有噪音，对于某些场合不适用。此外，受冷却介质空气的性质限制，风冷不适用于高热流密度的服务器散热面冷却。液冷即通过水泵驱动液体循环流动，液体经过服务器散热面带走其产生的热量。由于采用液体作为冷却介质，液冷方式的散热能力是风冷散热方式的数十倍，且降噪效果明显。近年来，为满足服务器高热流密度散热的需求，服务器浸没式液冷的方案得到广泛研究。服务器浸没式液冷方案将高热流密度服务器、存储系统以及其他系统附件完全浸没于绝缘冷却液中，从而提供完整的集群计算硬件平台。同时，服务器浸没式液冷无需配备风扇及空调，极大地降低了能耗。此外，由于服务器设备被高度集成，因而也极大地减小了数据中心的用地成本。而且由于服务器完全浸泡在封闭的液体环境中，CPU和GPU等计算部件可长时间稳定工作在高性能频率状态，因而不仅服务器计算效率获得大幅度提升，而且得益于免除了灰尘等的影响，服务器运行环境被极大优化，服务器的计算性能和使用寿命得到提高。热管散热是利用了介质的相变潜热能力，介质在密闭空间内实现蒸发和冷凝过程的耦合，实现热量传递，其导热能力是纯铜的百倍以上。热管包括蒸发端、冷凝端等。热管散热方案因为具有噪声低、尺寸小且导热能力高等特点也得到了广泛的应用。

研究和工程应用都表明，浸没式液冷和热管都各自有着优异的散热性能。除此以外，相变材料由于其吸热放热过程温度平稳，可以使得整个系统达到均温的效果，因而在大功率电力电子器件的冷却领域得到广泛应用。将三者结合应用到服务器散热系统中，通过浸没式液冷优化服务器整体的散热，同时辅以热管及相变材料进行服务器局部散热的优化，能够为服务器散热问题提供一个优异的解决方案。

发明内容

为了解决服务器散热的问题，本发明提供了一种结合热管、相变材料以及浸没式液冷的服务器散热方案，此方案可以满足高热流密度的服务器散热要求，特别适用于对服务器的性能、节能、静音等有高要求的工作情况。将浸没式液冷和热管及相变材料结合应用到服务器散热系统中，实现从整体到局部的服务器散热优化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热管、相变材料与浸没式液冷相结合的散热系统，所述系统包括箱体、分液进口板、集液出口板、热管、动力泵、冷媒源和封装箱，所述箱体中充满冷却液体，所述封装箱设置在箱体内，所述封装箱中包括服务器和相变材料，所述服务器包围在相变材料的内部，所述热管的蒸发端设置在相变材料中，热管的冷凝端延伸穿出到封装箱的外部；所述箱体上分别设置冷却液体进口和出口，供冷却液体进出箱体；所述冷却液体进口和出口由管路分别与冷媒源及动力泵连接，形成 “冷媒源-动力泵-冷却液进口-箱体-冷却液出口-动力泵-冷媒源”的散热循环。

作为优选，冷却液是绝缘冷却液。

作为优选，所述封装箱浸没于绝缘冷却液中，并由支架悬垂固定。

作为优选，所述箱体外观是一长方体容器，其配有对应尺寸的可拆卸式上盖。

作为优选，分液进口板布置于浸没箱体的一端，所述分液进口板一侧中心处开一大孔，用来与浸没箱体外部管路连接，所述分液进口板的另一侧均匀开有若干个小孔。所述分液进口板内部完全贯通，这样绝缘冷却液可以在动力泵的驱动下，从一侧大孔进入，再从另一侧若干个小孔流出，进入浸没箱体。

作为优选，所述集流出口板布置于与分液进口板相对的另一侧。所述集流出口板一侧中心处开一大孔，用来与浸没箱体外部管路连接。所述集流出口板的另一侧均匀开有若干个小孔。所述集流出口板内部完全贯通，这样绝缘冷却液可以在动力泵的驱动下，由若干个小孔集流后，再从另一侧大孔流出浸没箱体。

作为优选，所述封装箱内部等间距均匀布置若干服务器，在相邻两服务器的间隙及服务器与服务器封装箱壁间都填充有相变材料，若干热管被插入这些相变材料中。其中所述热管的蒸发端布置在服务器封装箱内，所述热管的冷凝端布置在服务器封装箱外。

作为优选，所述热管内表面被设计成多孔结构或在所述热管内表面开若干槽道，以此来提供热管工质由冷凝端回流到蒸发端的动力。

作为优选，所述热管可以采用顺排或叉排等排布方式。

本发明具有如下优点：

1）本发明使用热管输运服务器产生的热量，利用了液体相变传热，相较于常规的对流换热具有更快的散热响应速度，同时也有更高的散热效率，能够很好地解决高热流密度的服务器的散热问题。

2）本发明将服务器封装于填充有相变材料的服务器封装箱中，可以解决服务器各部件产生的热流密度不相等的问题，使整个系统具有很好的均温性。同时由于服务器封装箱被浸没在绝缘冷却液中，免除了灰尘等对服务器的影响，服务器运行环境被极大优化，服务器的计算性能和使用寿命都可以得到提高。

3）本方案没有风扇，同时服务器浸没于绝缘冷却液中，因而能够有效降噪。

4）本方案将热管冷凝端的冷却与浸没式液冷相结合，能够快速高效地冷却热管的冷凝端，提高整个服务器的散热效率，保证服务器长期高效稳定地运行。

5）本发明根据大量的研究确定了沿着高度方向热管冷凝端的长度变化，并确定了最优化的设计公式，能够使得散热更均匀，延长服务器使用寿命。

附图说明：

图1为本方案的结构示意图；

图2为服务器封装箱的结构示意图；

图3为服务器封装箱A剖面的结构示意图；

图4沿着高度方向热管冷凝端长度变化示意图

图中：1、浸没箱体；2、分液进口板；3、热管；4、服务器封装箱；5、集流出口板；6、服务器；7、冷凝端；8、蒸发端；9、相变材料。

具体实施方式

图1展示了一种热管、相变材料与浸没式液冷相结合的散热系统。如图1所示，所述系统包括箱体1、冷却液体进口、冷却液体出口、热管3、动力泵、冷媒源和封装箱4，所述箱体1中充满冷却液体，所述封装箱4设置在箱体1内，所述封装箱4中包括服务器6和相变材料9，所述服务器6被包围在相变材料9的内部，所述热管3的蒸发端8设置在相变材料9中，热管3的冷凝端7延伸穿出封装箱4的外部；所述箱体1上分别设置冷却液体进口和出口，供冷却液体进出箱体1；所述冷却液体进口和出口由管路分别与冷媒源及动力泵连接，形成 “冷媒源-动力泵-冷却液进口-箱体-冷却液出口-动力泵-冷媒源”的散热循环。

本发明通过热管、相变材料与浸没式液冷三者相结合来对服务器进行散热，使得服务器产生的热量首先传递给相变材料，相变材料发生相变，然后热量通过热管蒸发端传递给冷凝端，由冷凝端向外传递蒸发端，然后蒸发端传递给冷却液体，从而实现服务器快速的散热。

本发明通过设置相变材料包围服务器，通过相变材料的相变供热，通过相变潜热吸收更多的热量，保证蓄热材料的温度恒定，从而可以保证服务器的温度恒定。

本发明通过相变材料，可以使得服务器的外壁面的不同位置保持与相变材料温差基本相同，保证整体的散热均匀，避免局部温差过大过小，造成散热不均匀，造成局部损坏。

本发明一方面使用热管输运服务器产生的热量，利用了液体相变传热，相较于常规的对流换热具有更快的散热响应速度，同时也有更高的散热效率，能够很好地解决高热流密度的服务器的散热问题。

本发明将服务器封装于填充有相变材料的服务器封装箱中，可以解决服务器各部件产生的热流密度不相等的问题，使整个系统具有很好的均温性。

本发明的应用范围广，可以使用极冷的极端环境。如果设置在极冷的极端环境，因为相变材料可以同时起到蓄热作用，通过停止冷却液体的循环，或者通过加入热流体，还可以起到一定的保温效果，避免服务器在极端环境下停止运行。

作为优选，冷却液是绝缘冷却液。进一步优选，所述绝缘冷却液可以选择FC-72、NOVEC绝缘冷却液等。通过设置绝缘冷却液，能够进一步保证系统的安全，避免电泄漏。

作为优选，所述的封装箱的外壁面是导热体，通过设置外壁面导热体以及绝缘冷却液，冷却液体也可以直接通过封装箱的外壁面接触直接进行散热，更好的解决散热问题，提高散热效果。

作为优选，所述封装箱4浸没于绝缘冷却液中，并由支架悬垂固定。由于服务器封装箱4被浸没在绝缘冷却液中，免除了灰尘等对服务器的影响，服务器运行环境被极大优化，服务器的计算性能和使用寿命都可以得到提高。而且通过支架悬垂固定，保证封装箱下部也浸没在冷却液中，保证全方位的散热。

作为优选，所述箱体1外观是一长方体容器，其配有对应尺寸的可拆卸式上盖，可以方便浸没式液冷服务器的安装及维修等操作。所述整个浸没式箱体在内部设备安装完毕，服务器投入使用之前要进行严格的密封处理，以确保绝缘冷却液不发生泄露。

进一步的，所述分液进口板2布置于浸没箱体的一端。所述分液进口板一侧中心处开一大孔，用来与浸没箱体外部管路连接。所述分液进口板的另一侧均匀开有若干个小孔。所述分液进口板内部完全贯通，这样绝缘冷却液可以在动力泵的驱动下，从一侧大孔进入，再从另一侧若干个小孔流出，进入浸没箱体。通过大孔小孔的配合使用，可以使进液流量更加均匀。

进一步的，所述集流出口板5布置于与分液进口板相对的另一侧。所述集流出口板一侧中心处开一大孔，用来与浸没箱体外部管路连接。所述集流出口板的另一侧均匀开有若干个小孔。所述集流出口板内部完全贯通，这样绝缘冷却液可以在动力泵的驱动下，由若干个小孔集流后，再从另一侧大孔流出浸没箱体。通过大孔小孔的配合使用，可以提高集液效率。

进一步的，所述热管包括蒸发端、冷凝端。进一步的，所述服务器封装箱4内包含服务器、热管、相变材料等。所述服务器封装箱内等间距布置若干服务器6。在相邻两服务器6的间隙及服务器与服务器封装箱壁间都填充有相变材料，若干热管3被插入这些相变材料9中。其中所述热管的蒸发端8布置在服务器封装箱4内，所述热管的冷凝端7布置在服务器封装箱4外，热管与服务器封装箱接触处进行严格的密封处理，以实现服务器封装箱内部与外部的隔离。所述服务器封装箱内部布置的相变材料可用来使服务器封装箱内部具有良好的均温性。

所述热管采用优质导热材料如铜制造。所述热管蒸发端插入服务器封装箱内填充的相变材料中。所述热管的冷凝端位于服务器封装箱外部。所述热管内表面被设计成多孔结构或在所述热管内表面开若干槽道，以此来提供热管工质由冷凝端回流到蒸发端的动力。为进一步强化冷凝端的散热效果可以在冷凝端外表面实施其他辅助散热措施如：外加散热片等。所述热管工作工质可以选择液氨，水，丙烷、有机制冷剂等。

进一步的，所述热管可以采用顺排或叉排等排布方式。

进一步的，所述绝缘冷却液可以选择FC-72、NOVEC绝缘冷却液等。

进一步的，所述绝缘冷却液流出浸没箱体后可通过外部的散热系统，如空调、换热器等进行冷却，冷却后的绝缘冷却液由动力泵驱动重新回到冷媒源。

作为优选，热管的冷凝端垂至于封装箱4的壁面设置。

作为优选，封装箱的每个壁面都设置热管冷凝端。

作为优选，所述服务器沿着高度设置，所述的相变材料也沿着高度方向设置。热管沿着高度方向布置多个。

作为优选，沿着高度方向，所述热管设置为多个，沿着高度方向，伸出封装箱的热管冷凝端的长度不断增加。上述的结果是通过大量的数值模拟和实验得到的结论。能够使得散热更均匀，延长服务器使用寿命。通过理论分析，因为封装箱浸没在冷却液体中，因此封装箱内的冷却液体因为对流会导致上部的液体的温度高于下部，因为上部与热管冷凝端的温差就变小，导致换热效果明显差于下部，通过设置热管冷凝端的长度不断增加，使得整体增加换热面积，从而增加上部的散热量，使得整体上部下部散热量均匀，避免局部温度过高，造成局部损坏。上述的热管冷凝端的长度不断增加的技术特征是通过大量实验和数值模拟得到的结果，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。

进一步优选，沿着高度方向，热管冷凝端的长度不断增加的幅度越来越大。这一技术特征是通过大量实验和数值模拟得到的结果，符合液体温度的分布，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。

作为优选，封装箱的高度为H，沿着高度方向，封装箱最低端的热管的冷凝端长度是L，则距离封装箱最低端距离为h位置的热管的冷凝端长度l规律如下：l＝L+b*L*（h/H）^a，其中a、b是系数，满足如下要求：

1.23<a<1.45,0.35<b <0.38。

作为优选，随着h/H增加，a、b逐渐增加。

作为优选，1.30<a<1.38,0.36<b <0.37。

作为优选沿着高度方向，所述热管设置为多个，沿着高度方向，伸出封装箱的热管冷凝端的分布数量不断增加。上述的结果是通过大量的数值模拟和实验得到的结论。能够使得散热更均匀，延长服务器使用寿命。通过理论分析，因为封装箱浸没在冷却液体中，因此封装箱内的冷却液体因为对流会导致上部的液体的温度高于下部，因为上部与热管冷凝端的温差就变小，导致换热效果明显差于下部，通过设置热管冷凝端的分布密度不断增加，使得整体增加换热面积，从而增加上部的散热量，使得整体上部下部散热量均匀，避免局部温度过高，造成局部损坏。上述的热管冷凝端的长度不断增加的技术特征是通过大量实验和数值模拟得到的结果，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。

进一步优选，沿着高度方向，热管冷凝端的分布密度不断增加的幅度越来越大。这一技术特征是通过大量实验和数值模拟得到的结果，符合液体温度的分布，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。

作为优选，封装箱的高度为H，沿着高度方向，封装箱最低端的热管的冷凝端分布密度是D，则距离封装箱最低端距离为h位置的热管的冷凝端分布密度d规律如下：

d＝D+b*D*（h/H）^a，其中a、b是系数，满足如下要求：

1.3<a<1.5,0.34<b <0.37。

作为优选，随着h/H增加，a、b逐渐增加。

作为优选，1.38<a<1.42,0.35<b <0.36。

作为优选，热管是圆柱体，其外壁直径为50mm；

封装箱尺寸为950mm×550mm×400mm;

浸没箱体尺寸为1000mm×600mm×1500mm。

服务器6工作产生热量，由于服务器封装箱4内填充了相变材料9，因而整个服务器封装箱4内部具有良好的均温性。热管3蒸发端8的工作介质由于受热而发生相变，将热量转移到热管3的冷凝端7，从而实现服务器6的散热。在动力泵的驱动下，冷媒源内的绝缘冷却液经由分液进口板2进入浸没箱体1，绝缘冷却液流过热管3的冷凝端7，从而带走服务器6产生的热量。绝缘冷却液带走热量的同时自身温度升高，由集流出口板5流出浸没箱体1后，经由外部的散热系统，如空调、换热器等进行冷却，冷却后的绝缘冷却液由动力泵驱动重新回到冷媒源。整个服务器散热方案形成绝缘冷却液由“冷媒源-动力泵-分液进口板-浸没箱体-集液出口板-动力泵-冷媒源”的散热循环。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种热管、相变材料与浸没式液冷相结合的散热系统，所述系统包括箱体、冷却液体进口、冷却液出口、热管、动力泵、冷媒源和封装箱，其特征在于，所述箱体中充满冷却液体，所述封装箱设置在箱体内，所述封装箱中包括服务器和相变材料，所述服务器包围在相变材料的内部，所述热管的蒸发端设置在相变材料中，热管的冷凝端延伸穿出到封装箱的外部；所述箱体上分别设置冷却液体进口和出口，供冷却液体进出箱体；所述冷却液体进口和出口由管路分别与冷媒源及动力泵连接，形成 “冷媒源-动力泵-冷却液进口-箱体-冷却液出口-动力泵-冷媒源”的散热循环。

2.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，冷却液是绝缘冷却液。

3.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述封装箱浸没于绝缘冷却液中，并由支架悬垂固定。

4.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述箱体外观是一长方体容器，其配有可拆卸式上盖。

5.如权利要求3所述的散热系统，其特征在于，所述封装箱内部等间距均匀布置若干服务器，在相邻两服务器的间隙及服务器与服务器封装箱壁间都填充有相变材料，若干热管被插入这些相变材料中，其中所述热管的蒸发端布置在服务器封装箱内，所述热管的冷凝端布置在服务器封装箱外。

6.一种热管，包括封装箱，所述封装箱内具有热源和相变材料，所述热源包围在相变材料的内部，所述热管的蒸发端设置在相变材料中，热管的冷凝端延伸穿出到封装箱的外部。