CN111176389A - 一种半导体除湿装置及液冷服务器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体除湿装置及液冷服务器，所述除湿装置包括半导体制冷片、散热器和TCM液冷板，所述半导体制冷片位于散热器和TCM液冷板之间。本发明利用半导体制冷除湿装置对湿空气制冷除湿、降温，避免湿空气在CPU液冷板、液冷管路等位置冷凝成液滴危害液冷服务器电气安全，并对PCIE插件、内存条、阵列磁盘、电源插件进行风冷散热。

Description

一种半导体除湿装置及液冷服务器

技术领域

本发明涉及一种除湿散热装置，特别是一种半导体除湿装置及液冷服务器。

背景技术

传统的数据中心一般采用精密空调冷却技术，通过冷风与服务器芯片的散热器换热，由于空气本身的换热特性差，换热系数低，已经无法满足数据中心新型高密度异构计算服务器的散热需求；制冷机组能耗占数据中心能耗的比例在40％左右，能源成本的不断攀升以及人们对绿色环保的重视，在保证设备安全、高性能运行的前提下，如何提高数据中心的能源利用效率，降低PUE，已成为数据中心基础设施追求的目标之一。液体技术可以实现更高的换热效率。

现有液冷服务器多采用浸没式直接液冷方案，是将服务器芯片及其它器件直接浸没在不导电的液体直接进行换热，单相浸没冷却由于其换热采用对流方式，存在流场不均、换热效率低问题，维护时完全干燥需要较长时间，影响服务器正常维护；两相浸没液冷却系统高效均匀，但一般体积较大，价格较高，维护冷却液蒸发耗散较大，环境适应性低，使得两相浸没液冷服务器无法规模化应用。

冷板式间接液冷服务器方案结构简单，维护方便，但在夏季尤其在潮湿、高热的梅雨季节，内部液冷板可能出现凝露现象，为减小凝露风险一般采用高于环境温度的冷却介质，限制了液冷服务器散热性能进一步提高；凝露对于服务器危害性很大，容易造成电气短路，从而影响液冷服务器正常运行，甚至引起事故发生，导致冷板式间接液冷服务器可靠性、安全性降低，限制了液冷冷板式液冷服务器进一步推广。

传统加热型除湿器的原理是温度较高时，湿空气中能容纳较多水分，加热空气就能使可能凝成露珠水分保留在空气中，而不在设备表面凝露，但是湿气还在服务器内，当遇到温差大时，湿空气中的水分就会在设备表面结露，仍然会对设备正常运行造成影响；服务器工作时CPU发热量较大，加热方式除湿影响服务器可靠性和性能提高。

由此可见，虽然液冷服务器应用范围不断扩大，但现有的液冷服务器仍存在结构复杂、不便维护、安全性低、环境适应性差等缺陷而亟待进一步改进。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种半导体除湿装置及液冷服务器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种半导体除湿装置，包括半导体制冷片、散热器和TCM液冷板，所述半导体制冷片位于散热器和TCM液冷板之间。

优选的，所述半导体制冷片热端连接于TCM液冷板，冷端连接于散热器。

优选的，还包括集水器，所述集水器设置于所述散热器下方，用于集聚冷凝水；半导体制冷片的外部罩有导流罩，导流罩的侧面设置导流风机。

优选的，半导体制冷片的温度由与其相连的TCM控制器模块控制；所述TCM控制器模块包括信息采集单元、信息处理单元和控制单元，用于检测湿空气温湿度和/或散热器表面的实时温度,并对半导体制冷片制冷温度进行控制。

优选的，所述散热器包含间距分布的散热翅片，相邻散热翅片之间具有通流栅道，所述通流栅道与集水器连通。

一种基于半导体除湿装置的液冷散热系统，包括分集流器、液流管路、CPU液冷板和TCM液冷板，所述分集流器、CPU液冷板和TCM液冷板通过液流管路串联。

优选的，TCM液冷板与半导体制冷片相接触；所述CPU液冷板采用射流方式强化换热，流道内布置错列扰流柱。

优选的，所述分集流器的进液口流体连接器与回液口流体连接器为自卸压式自锁流体连接器，与液冷源断开时内部液流管路压力大于0.4MPa时自动卸压。

一种基于液冷散热系统的液冷服务器，包括服务器机箱、主板模块、电源插件、PCIE插件、内存条、阵列磁盘、半导体制冷除湿装置、液冷散热装置；所述主板模块、电源插件、PCIE插件、内存条、阵列磁盘、半导体制冷除湿装置和液冷散热装置均位于服务器机箱中；

液冷服务器密闭腔内空气流经半导体制冷除湿装置，在散热器表面降温、冷凝除湿后循环进入液冷服务器对PCIE插件、内存条、阵列磁盘、电源插件这些发热部件进行风冷散热。

优选的，所述服务器机箱包括前面板、框架、转接板、上盖板，前面板、框架、转接板、上盖板均采用高强度6061铝合金，导电氧化处理后外表面涂镀油漆，接触面均采用导电橡胶条密封；液冷散热装置中的CPU液冷板与主板模块CPU座浮动安装；

所述液冷服务器内设置固体干燥剂，对密闭腔内湿空气进行吸湿干燥；

所述液冷散热系统中的冷却介质，为去离子水、65#冷冻液或氟化液。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提供了一种半导体除湿装置及液冷服务器，利用半导体制冷除湿装置对液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿、降温，避免湿空气在CPU液冷板、液冷管路等位置冷凝成液滴危害液冷服务器电气安全，并对PCIE插件、内存条、阵列磁盘、电源插件进行风冷散热；利用液冷板提高冷却介质与CPU液冷板换热效率，适用于高性能CPU或噪声指标要求较高服务器，解决现有风冷散热服务器散热效率低、能耗高、噪音高、占用空间大和现有液冷服务器结构复杂、可靠性低等问题，扩大均液冷服务器的应用范围，并具有体积紧凑、环境适应性强等特点；2)本发明采用液冷与风冷结合的方式对服务器进行降温，降温效果更好；3)本发明的半导体除湿装置，利用半导体除湿装置降低液冷服务器密闭腔内湿空气相对湿度和温度，避免湿空气在液冷板、液冷管路等位置冷凝成液滴危害液冷服务器电气安全；半导体制冷片热端面TCM液冷板散热效能高，保证冷端面稳定低温而具有优异的冷凝除湿效率，满足冷却液与环境温度温差较大或变化较大时液冷服务器可靠性要求；4)本发明的液冷服务器，设有多个液冷板，可解决多个热源散热问题；CPU液冷板采用射流方式强化换热，流道内可布置错列扰流柱，服务器的散热效率大幅提，可满足更高功耗CPU的散热需求；半导体除湿装置位于液冷散热装置的下游，不影响液冷散热装置对主板模块中CPU散热性能；5)本发明的装置提高液冷服务器的散热能力和环境适应性，扩大液冷服务器应用范围。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的液冷服务器组成示意图。

图2为本发明的半导体制冷除湿装置组成示意图。

图3为本发明的液冷散热装置组成示意图。

图4为本发明的CPU液冷板结构示意图。

图5为本发明的半导体除湿方法流程图。

图中标号说明：

1-服务器机箱、2-主板模块、3-PCIE插件、4-半导体制冷除湿装置、5-液冷散热装置、6-内存条、7-TCM控制器模块、8-导流板、9-前面板、10-阵列磁盘、11-电源插件、12-导流风机、13-框架、14-转接板、15-进液口流体连接器、16-分集流器、17-液流管路、18-CPU液冷板、19-TCM液冷板、20-回液口流体连接器、21-半导体制冷片、22-散热器、23-导流罩、24-集水器。

具体实施方式

下面结合图1～图5对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种适用于冷却介质温度低于环境温度或高湿热环境的机架式液冷服务器由服务器机箱1、主板模块2、电源插件11、PCIE插件3、内存条6、阵列磁盘10、半导体制冷除湿装置4、液冷散热装置5等组成，半导体制冷除湿装置4对液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿并对内存条6、阵列磁盘10、电源插件11等小发热部件散热，液冷散热装置5对主板模块2CPU、半导体制冷片21等大发热部件散热，适用于高性能CPU或噪声指标要求较高场合的服务器，解决现有液冷服务器结构复杂、可靠性低等问题，扩大液冷服务器的应用范围，并具有结构紧凑、环境适应性强等特点。

服务器机箱1密闭腔内湿空气在导流板8、导流风机12、导流罩23导引下进入半导体制冷除湿装置4，在散热器22的表面制冷除湿、降温后循环进入液冷服务器，避免湿空气在液冷管路17、CPU液冷板18等位置冷凝成液滴危害液冷服务器电气安全，提高液冷服务器的安全性、可靠性；温度降低后空气循环进入液冷服务器对PCIE插件3、内存条6、阵列磁盘10、电源插件11等小发热部件风冷散热。

服务器机箱1由前面板9、框架13、转接板14、上盖板等组成，前面板9、框架13、转接板14、上盖板均采用高强度6061铝合金，导电氧化处理后外表面涂镀油漆，接触面均采用导电橡胶条密封，可有效实现防水、防潮、防尘和电磁屏蔽，可实现湿热环境中长时间可靠工作。所述服务器机箱1模块化结构，框架13焊接成型。

如图2所示，液冷散热装置5由进液口流体连接器15、分集流器16、液流管路17、CPU液冷板18、TCM液冷板19、回液口流体连接器20串并联组成，冷却介质在外部液冷源驱动下由进液口流体连接器15进入液冷散热装置5液冷通路，与CPU液冷板18、TCM液冷板19强制对流换热，温度升高后经回液口流体连接器20回流至外部液冷源循环使用。

进一步的，TCM液冷板19位于液冷散热装置5的下游，不影响液冷散热装置5对主板模块2CPU散热性能。

液冷散热装置5的进液口流体连接器15与回液口流体连接器20为TSAX-8Z05自卸压式自锁流体连接器，实现液冷服务器与外部液冷源液流管路的快速锁定和解锁。当自锁液流连接器安装到位时，液冷连接器自动锁紧并导通液流通道；当拔出流体连接器时，沿轴线方向推动接头并旋转，液冷连接器断开瞬间液流通道自动密封，方便系统维修和现场更换；液冷服务器运输、储存过程中或与外部液冷源断开时，环境温度升高后导致内部液流管路压力大于0.4MPa时，TSAX-8Z05自卸压式自锁流体连接器自动卸压，保护液冷服务器内部液流管路、液冷板不破坏，提高液冷服务器可维修性、安全性。

如图3所示，半导体制冷除湿装置4由依次层叠的半导体制冷片21、散热器22、导流罩23与TCM控制器模块7、集水器24等组成，半导体制冷片21的热端连接于TCM液冷板19，冷端连接于所述散热器22，集水器24设置于所述散热器22的下方，用于集聚冷凝水并排出服务器机箱1。

半导体制冷除湿装置4散热器22与半导体制冷片21、半导体制冷片21与水冷换热器通过螺钉紧固，导热界面间隙填充液态导热胶SE4420，减小TCM液冷板19至半导体制冷片21、半导体制冷片21至散热器22的等效传导热阻。

进一步的，半导体制冷除湿装置4TCM控制器模块7包括半导体制冷除湿装置4TCM控制器模块7包括信息采集单元、信息处理单元和控制单元，用于检测液冷服务器内腔湿空气温湿度和/或散热器22表面的实时温度,经判断、处理后在线调整半导体制冷片21制冷温度。

如图4所示，液冷散热装置5中CPU液冷板18射流方式强化换热，流道内可布置错列扰流柱25，服务器的散热效率大幅提，充分满足液冷服务器的多热源、高功耗CPU散热要求。

如图5所示，液冷服务器开机时，液冷除湿系统初始化，TCM控制器模块7检测半导体制冷除湿装置4、液冷散热装置5状态及液冷服务器工况值、冷却介质压力值、温度值及内部湿空气冷凝情况及冷凝温度阀值，有冷凝现象或湿空气低于当前工况理想露点阀值时，TCM控制器模块7调整半导体制冷片21输入电压，直至散热器22表面温度达到冷凝除湿温度范围并保持，对内部湿空气制冷除湿；液冷除湿系统初始化后初始化电气系统，TCM控制器模块7检测服务器内PCIE插件3、电源插件11等温度及内部湿空气冷凝温度阀值，当冷却介质温度变化使湿空气低于当前工况理想露点阀值时，TCM控制器模块7调整半导体制冷片21输入电压，直至散热器22表面温度达到冷凝除湿温度范围并保持，对内部湿空气制冷除湿，完成除湿后调整半导体制冷片21制冷工况，仅对PCIE插件3、内存条6、阵列磁盘10、电源插件11进行散热。

所述导流风机12有多个，设置于所述液冷服务器不同位置，形成内部空气环流。

本发明适用于冷却介质温度低于环境温度或高湿热环境的密闭液冷服务器，还适用到内部PCIE插件3、电源插件11等部件发热量较大服务器热控制。

所述液冷服务器内设置固体干燥剂，对密闭腔内湿空气进行吸湿干燥；

所述液冷服务器中冷却介质，为去离子水、65#冷冻液或氟化液。

本发明的液冷散热装置及液冷服务器，液冷散热装置的CPU液冷板与主板模块CPU座浮动安装，可快速带走CPU热量，大幅提升服务器散热效率；半导体制冷除湿装置对液冷服务器密闭腔内湿空气制冷除湿、降温，防止液冷服务器内部湿空气在CPU液冷板、液冷管路等位置冷凝成液滴危害液冷服务器电气安全，同时通过导流风机带动内部空气循环，完成对电源插件、PCIE插件、阵列磁盘、内存条等发热部件风冷散热，尤其适用于冷却介质温度低于环境温度或高湿热环境的机架式液冷服务器。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

本发明的一种液冷服务器机箱外壳由框架、转接板、上盖板、前面板构成；机箱内容上方并排设置两个导流风机，中部依次设置主板模块、PCIE插件、两个电源插件，下部包括内存条、TCM控制器模块，底部设置导流风机、阵列磁盘、导流板。液冷散热装置的进液口流体连接器、回液口流体连接器，与转接板相连通过分集流器向下分有两个分支，左分支的液流管路连接TCM液冷板，右分支穿过PCIE插件、电源插件的空隙连接在穿插于内存条中间的CPU液冷板，最终右分支与TCM液冷板相连形成回路，其中TCM液冷板与半导体制冷除湿装置的导流罩相连形成盒子结构，半导体制冷片和散热器存于盒内，盒子外接小型风机，集水器位于盒子结构下方方便拿取，湿空气通过导流板、导流风机、导流罩导引下进入半导体制冷除湿装置，在散热器的表面制冷除湿、降温后，离开半导体制冷除湿装置，循环进入液冷服务器，对PCIE插件、内存条、阵列磁盘、电源插件等小发热部件风冷散热，以避免湿空气在液冷板、液冷管路等位置冷凝成液滴危害液冷服务器电气安全，提高液冷服务器的安全性、可靠性。

本发明适用于高性能CPU或噪声指标要求较高服务器，解决现有风冷散热服务器散热效率低、能耗高、噪音高、占用空间大和现有液冷服务器结构复杂、可靠性低等问题，扩大均液冷服务器的应用范围，并具有体积紧凑、环境适应性强等特点。

应当理解的是，以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本方面的技术实质对上述实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本方面技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种半导体除湿装置，其特征在于，包括半导体制冷片(21)、散热器(22)和TCM液冷板(19)，所述半导体制冷片(21)位于散热器(22)和TCM液冷板(19)之间。

2.根据权利要求1所述的半导体除湿装置，其特征在于，所述半导体制冷片(21)热端连接于TCM液冷板(19)，冷端连接于散热器(22)。

3.根据权利要求1或2所述的半导体除湿装置，其特征在于，还包括集水器(24)，所述集水器(24)设置于所述散热器(22)下方，用于集聚冷凝水；半导体制冷片(21)的外部罩有导流罩(23)，导流罩(23)的侧面设置导流风机。

4.根据权利要求1或2所述的半导体除湿装置，其特征在于，半导体制冷片(21)的温度由与其相连的TCM控制器模块(7)控制；所述TCM控制器模块(7)包括信息采集单元、信息处理单元和控制单元，用于检测湿空气温湿度和/或散热器(22)表面的实时温度,并对半导体制冷片(21)制冷温度进行控制。

5.根据权利要求3所述的半导体除湿装置，其特征在于，所述散热器(22)包含间距分布的散热翅片，相邻散热翅片之间具有通流栅道，所述通流栅道与集水器(24)连通。

6.一种基于半导体除湿装置的液冷散热系统，其特征在于，包括分集流器、液流管路、CPU液冷板和TCM液冷板，所述分集流器、CPU液冷板和TCM液冷板通过液流管路串联。

7.根据权利要求6所述的基于半导体除湿装置的液冷散热系统，其特征在于，TCM液冷板与半导体制冷片(21)相接触；所述CPU液冷板(18)采用射流方式强化换热，流道内布置错列扰流柱。

8.根据权利要求6所述的基于半导体除湿装置的液冷散热系统，其特征在于，所述分集流器的进液口流体连接器与回液口流体连接器为自卸压式自锁流体连接器，与液冷源断开时内部液流管路压力大于0.4MPa时自动卸压。

9.一种基于权利要求6所述液冷散热系统的液冷服务器，其特征在于，包括服务器机箱(1)、主板模块(2)、电源插件(11)、PCIE插件(3)、内存条(6)、阵列磁盘(10)、半导体制冷除湿装置、液冷散热装置；所述主板模块(2)、电源插件(11)、PCIE插件(3)、内存条(6)、阵列磁盘(10)、半导体制冷除湿装置和液冷散热装置均位于服务器机箱(1)中；

液冷服务器密闭腔内空气流经半导体制冷除湿装置，在散热器表面降温、冷凝除湿后循环进入液冷服务器对PCIE插件(3)、内存条(6)、阵列磁盘(10)、电源插件(11)这些发热部件进行风冷散热。

10.根据权利要求9所述的液冷服务器，其特征在于，所述服务器机箱(1)包括前面板(9)、框架(13)、转接板(14)、上盖板，前面板(9)、框架(13)、转接板(14)、上盖板均采用高强度6061铝合金，导电氧化处理后外表面涂镀油漆，接触面均采用导电橡胶条密封；液冷散热装置中的CPU液冷板与主板模块CPU座浮动安装；

所述液冷服务器内设置固体干燥剂，对密闭腔内湿空气进行吸湿干燥；

所述液冷散热系统中的冷却介质，为去离子水、65#冷冻液或氟化液。

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