CN111352489B - 一种流动沸腾浸没式液冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流动沸腾浸没式液冷装置，涉及服务器硬件设备技术领域。该装置包括冷却单元，所述的冷却单元包括一方形箱体，所述的箱体内填充有能够发生相变的冷却液。所述箱体的左侧板和/或右侧板上固定设置有主板，且所述的冷却液浸没所述的主板。所述箱体的前侧板上从上往下依次设置有回气口、溢流口和进液管。所述的回气口与风冷冷凝器的进口相连，所述风冷冷凝器的出口与储液箱的第一进口相连，所述的溢流口与所述储液箱的第二进口相连，所述储液箱的出口通过进液管路与所述的进液管相连，且所述的进液管路上设置有第一循环泵。该系统有效减少了冷却液的用量，不仅减小了整个设备的体积，而且提高了冷却液的流动性，进而提高散热效果。
Description
技术领域
本发明涉及服务器硬件设备技术领域，具体地说是一种流动沸腾浸没式液冷装置。
背景技术
伴随着我国数据中心产业技术创新步伐的加快，数据中心和服务器国产化水平不断提升，涌现出越来越多的产品。根据摩尔定律，服务器芯片功耗逐年增加，在未来2年内，CPU芯片功耗将超过300W，GPU芯片功耗将超过500W。过高的芯片功耗导致采用风冷冷却方式，芯片热量难以完全散失，易产生局部热点，造成服务器芯片温度过高，发生宕机等危害。因此，服务器及芯片新型冷却方式成为当今工业界和学术界一个重要研究课题。
液冷是新兴的一种服务器制冷方法，分为间接接触式液冷和直接浸没式液冷两种方式。
间接接触式液冷是利用液冷冷板接触CPU等发热部件，冷板中通过连接管道或设置流动槽道使冷却液在其中流动，代替传统的风扇换热。
直接接触式液冷是指冷却液直接与服务器发热部件进行接触，液体流经服务器并将服务器发热部件产生的热量带走。这种方式需要液体全覆盖整个服务器，优点是换热均匀，完全省去服务器风扇作用，更加节能。缺点是，通常情况下，设计该种冷却形式时，会设计一个尺寸巨大的冷却箱体，并将多组服务器放置于该箱体中，进行集中式冷。由于箱体尺寸较大，服务器液体流过服务器流速较慢，对流传热系数小，对于芯片等高功率密度区域，传热能力有限，依旧易产生局部热点，同时，过大的箱体会承载过多的冷却液，造成冷却液过量使用的同时，也会造成冷却液易于挥发和浪费。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种流动沸腾浸没式液冷装置，该系统有效减少了冷却液的用量，不仅减小了整个设备的体积，而且提高了冷却液的流动性，进而提高散热效果。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种流动沸腾浸没式液冷装置，包括冷却单元，所述的冷却单元包括一方形箱体，所述的箱体内填充有能够发生相变的冷却液；
所述箱体的左侧板和/或右侧板上固定设置有主板，且所述的冷却液浸没所述的主板；
所述箱体的前侧板上从上往下依次设置有出气口、溢流口和进液管；
所述的出气口与风冷冷凝器的进口相连，所述风冷冷凝器的出口与储液箱的第一进口相连，所述的溢流口与所述储液箱的第二进口相连，所述储液箱的出口通过进液管路与所述的进液管相连，且所述的进液管路上设置有第一循环泵；
所述的箱体内位于所述主板的上方设置有隔板，且所述的出气口位于所述隔板的下方，所述箱体的顶板和隔板之间设置有沿前后方向延伸的流道分隔板，且所述的流道分隔板将箱体的上部空间分割成U型的冷却流道，所述箱体的前侧板上位于所述流道分隔板的左、右两侧分别设置有进水口和出水口，所述的进水口和出水口分别通过水冷管路与冷却水箱相连，并与所述的冷却水箱共同形成了冷凝水冷却回路，所述的冷凝水冷却回路上设置有第二循环泵；
所述隔板的下侧面设置有冷凝肋；
所述的冷凝肋为呈柱状的针肋，且在主板主要发热芯片上部的冷凝肋直径小，且排列紧密，在无发热或发热量低的区域上部的冷凝肋直径大，且排列疏松；
所述冷却流道的进水流道和出水流道内从前往后依次设置有第一扰流板和扰流柱，所述的进水流道和出水流道之间弯曲段设置有呈U型的第二扰流板，所述的扰流柱设置于冷凝肋密集区，且错流排列，所述的第一扰流板和第二扰流板设置于冷凝肋疏松区；
位于所述箱体内的进液管上沿前后方向均布设置有多个出液孔；
所述的进液管上设置有喷液管，所述喷液管的一端与所述的进液管相连通，所述喷液管的另一端朝向所述主板上的主要发热元件，所述主板的主要发热元件上贴装有针肋散热器。
进一步地，所述流道分隔板的后端到所述箱体的后侧板之间的距离等于箱体宽度的1/2。
进一步地，所述箱体的内侧壁上设置有第二凸台，且所述的主板在锁紧螺钉的作用下压紧在所述第二凸台悬空端的端面上。
进一步地，所述的冷却液采用氟化液，所述的第一循环泵采用变量泵，所述的箱体内设置有液位计。
本发明的有益效果是：
1、该系统采用能够发生相变的氟化液作为冷却液，其沸点低于服务器芯片正常工作温度(约50-55℃)，液体在流经服务器芯片等发热元件时，温度升高并沸腾，带走热量，同时室外采用风冷冷凝器，利用风冷自然冷源进行冷凝，实现系统去压缩机运行。
2、将单个或两个服务器单独封装在一个箱体内，并在箱体内填充一定量的冷却液，冷却液与服务器直接接触，能够有效保证散热效果，同时这样可以减少冷却液的用量，从而提高冷却液的流动性，有利于提高散热效果。
3、通过在箱体的底部设置进液管，并在进液管上均匀设置出液孔，这样能够保证冷却液流动的均匀性，避免局部温度过高。
4、通过在进液管上设置喷液管，从而对高功耗元件进行精确喷液制冷，局部提高高功耗元件周围冷却液的流动性，避免局部温度过高。
5、通过在服务器的主要发热芯片表面覆盖针肋散热器，这样容易形成沸腾气泡，从而强化传热。
6、同时设置冷凝水冷却回路与冷却液冷却回路，并根据工况选择不同的工作模式，可以减少冷却液回路开启时间，更加节能。
7、通过在隔板的下侧面设置冷凝肋片，能够提高冷凝水系统的冷却效果，另外，通过对冷凝肋的大小、密度进行设计，在保证换热均匀的前提下能够节省材料成本。
8、冷凝水流道内设计扰流结构，可以增大冷凝水流速，提高换热效果。
附图说明
图1为液冷装置的系统图；
图2为冷却单元的立体结构示意图；
图3为冷却单元的主视图；
图4为图3中的A-A剖视图；
图5为图3中的B-B剖视图；
图6为图3中的C-C剖视图；
图7为图3中的D-D剖视图；
图8为冷却单元的内部结构示意图；
图9为图8中A部分的放大结构示意图；
图10为图8中B部分的放大结构示意图；
图11为针肋散热器的立体结构示意图；
图12为实施例二的结构示意图。
图中：11-前侧板，111-出气口，112-溢流口，113-进水口，114-出水口，12-后侧板，13-左侧板，14-右侧板，15-顶板，16-底板，17-隔板，171-第一扰流板，172-第二扰流板，173-扰流柱，174-冷凝肋，18-流道分隔板，19-第二凸台，2-主板，21-针肋散热器，3-进液管，31-出液孔，32-第一凸台，4-喷液管，5-锁紧螺钉，61-风冷冷凝器，62-储液箱，63-出气管路，64-回液管路，65-进液管路，66-第一循环泵，67-溢流管路，71-冷却水箱，72-水冷管路，73-第二循环泵。
具体实施方式
实施例一
为了方便描述，现定义坐标系如图2所示。
如图1所示，一种流动沸腾浸没式液冷装置包括冷却单元，如图3和图8所示，所述的冷却单元包括一由前侧板11、后侧板12、左侧板13、右侧板14、顶板15和底板16组成的方形箱体，所述的箱体内填充有能够发生相变的冷却液。作为一种具体实施方式，本实施例中所述的冷却液采用氟化液。
所述的箱体内固定设置有主板2，且所述的冷却液浸没所述的主板2。
作为一种具体实施方式，本实施例中所述的主板2固定设置于所述箱体的右侧板14上，并通过锁紧螺钉5与所述箱体的右侧板14固定连接。
所述箱体的前侧板11上从上往下依次设置有出气口、溢流口112和进液管3。所述的出气口通过回气管路与风冷冷凝器61的进口相连，所述风冷冷凝器61的出口通过回液管路64与储液箱62的第一进口相连，所述的风冷冷凝器61放置于所述储液箱62的上方，这样经过冷凝的冷却液在重力的作用下便可以回到储液箱62内。所述箱体上的溢流口112通过溢流管路67与所述储液箱62的第二进口相连，所述储液箱62的出口通过进液管路65与所述的进液管3相连，且所述的进液管路65上设置有用于向进液管3泵送冷却液的第一循环泵66。所述的第一循环泵66采用变量泵，所述的箱体内设置有液位计(图中未示出)。
工作时，如图1所示，第一循环泵66将储液箱62内的冷却液泵送如箱体内，随着箱体内冷却液液位的升高，一部分冷却液会经过溢流口112和溢流管路67回到储液箱62内，另一部分被气化的冷却液经过出气口111和出气管路63进入风冷冷凝器61内，经过冷凝的蒸汽液化，并经过回液管路64回流到储液箱62内。当功耗大，被气化的冷却液增多时，就会导致通过进液管3进入到箱体内的冷却液小于从箱体内流出的冷却液，这样冷却液的液面就会降低。通过在箱体内设置液位计，可以检测箱体内冷却液的液位，当冷却液低于设定的液面时，就可以调节第一循环泵66的流量，从而加大第一循环泵66的排量，从而使液面维持在一定的高度上。
进一步地，如图3和图8所示，所述的箱体内位于所述主板2的上方设置有一水平设置的隔板17，且所述的隔板17将所述箱体的内部空间分割为互不联通的上下两部分。所述的出气口111位于所述隔板17的下方。
如图4所示，所述箱体的顶板15和隔板17之间设置有沿前后方向延伸的流道分隔板18，所述流道分隔板18的前端与所述箱体的前侧板11相连，所述流道分隔板18的后端与所述箱体的后侧板12之间具有一定的距离M，且所述流道分隔板18的后端到所述箱体的后侧板12之间的距离M等于所述箱体宽度(沿左右方向的尺寸)的1/2。所述箱体的上部空间被所述的流道分隔板18分割成呈U型的冷却流道。所述箱体的前侧板11上位于所述流道分隔板18的左、右两侧分别设置有与所述箱体的上部空间相连通的进水口113和出水口114。
如图1所示，所述的进水口113和出水口114分别通过水冷管路72与冷却水箱71相连，并与所述的冷却水箱71共同形成了冷凝水冷却回路。所述的冷凝水冷却回路上设置有用于给冷凝水冷却回路提供循环动力的第二循环泵73。
这样设计的原因在于，冷凝水冷却回路与冷却液冷却回路共同作用。当IT设备发热功耗较小时，冷却液冷却回路关闭，仅冷凝水冷却回路工作，此时模块化冷却单元中的冷却液仅呈现自然流动沸腾状态，气泡上升至隔板17处，冷凝后液滴下落，完成循环。
当IT设备发热功耗较大时，冷却液冷却回路开启，从而更好地进行冷却，支持更高的热功耗。该种设计可以减少冷却液冷却回路的开启时间，更加节能。
进一步地，如图3和图5所示，所述隔板17的下侧面设置有冷凝肋174，作为一种具体实施方式，本实施例中所述的冷凝肋174为呈柱状的针肋，且在主板2主要发热芯片上部的冷凝肋174直径小，且排列紧密，在无发热或发热量低的区域上部的冷凝肋174直径大，且排列疏松。通过对冷凝肋174片的大小、密度进行设计，这样在保证换热均匀的前提下能够节省材料成本。
进一步地，为了保证箱体内冷却液流动的均匀性，如图7和图8所示，所述的进液管3位于所述的箱体内，且一端开口一端封闭，所述进液管3的开口端穿过所述箱体的前侧板11延伸至所述箱体的外部。所述箱体的前侧板11上设置有用于容纳所述进液管3的通孔，且所述的进液管3与所述箱体的前侧板11密封连接。所述的进液管3上沿前后方向均布设置有多个出液孔31。
进一步地，如图9和图10所示，所述的进液管3上设置有若干个喷液管4，且所述的喷液管4与所述主板2上主要发热元件一一对应。所述喷液管4的一端与所述的进液管3相连通，所述喷液管4的另一端朝向所述主板2上的主要发热元件。
进一步地，所述进液管3的出液孔31处设置有截面呈圆环状的第一凸台32，且所述的第一凸台32与所述的出液孔31同轴布置，所述喷液管4的下端与所述的第一凸台32螺纹连接，所述喷液管4的下端设置有外螺纹，所述第一凸台32的内侧圆柱面上设置有与所述的外螺纹相配合的内螺纹。
优选的，所述的喷液管4采用能够调整形状和喷口位置角度的竹节管。
这样，可以有针对性的增加局部的冷却液的流动性，从而有针对性的对局部进行强化散热，避免出现局部热点。
进一步地，为了加强散热效果，如图9所示，所述主板2的主要发热元件上贴装有针肋散热器21，如图11所示，所述的针肋散热器21包括一平板，所述的平板上均匀布置有成圆柱状的针肋。
进一步地，如图4所示，所述冷却流道的进水流道和出水流道内从前往后依次设置有第一扰流板171和扰流柱173，所述的进水流道和出水流道之间弯曲段设置有截面呈U型的第二扰流板172。所述的扰流柱173设置于冷凝肋174密集区，且错流排列，这样，可以增大冷凝水流速，换热效果更好。所述的第一扰流板171和第二扰流板172设置于冷凝肋174疏松区，且沿着水流动的走向延伸，这样可以减少系统流阻，节省泵功。
进一步地，为了提高散热效果，如图6所示，所述箱体的右侧板14上设置有第二凸台19，且所述的主板2在锁紧螺钉5的作用下压紧在所述第二凸台19悬空端的端面上。
实施例二
如图12所示，所述箱体的左侧板13和右侧板14上分别设置有主板2，且所述的主板2通过螺钉与所述的箱体固定连接，所述的进液管3位于两个所述的主板2之间，其余结构同实施例一。
Claims (4)
1.一种流动沸腾浸没式液冷装置，其特征在于：包括冷却单元，所述的冷却单元包括一方形箱体，所述的箱体内填充有能够发生相变的氟化液作为冷却液；
所述箱体的左侧板和/或右侧板上固定设置有主板，且所述的冷却液浸没所述的主板；
所述箱体的前侧板上从上往下依次设置有出气口、溢流口和进液管；
所述的出气口与风冷冷凝器的进口相连，所述风冷冷凝器的出口与储液箱的第一进口相连，所述的溢流口与所述储液箱的第二进口相连，所述储液箱的出口通过进液管路与所述的进液管相连，且所述的进液管路上设置有第一循环泵；
所述的箱体内位于所述主板的上方设置有隔板，且所述的出气口位于所述隔板的下方，所述箱体的顶板和隔板之间设置有沿前后方向延伸的流道分隔板，且所述的流道分隔板将箱体的上部空间分割成U型的冷却流道，所述箱体的前侧板上位于所述流道分隔板的左、右两侧分别设置有进水口和出水口，所述的进水口和出水口分别通过水冷管路与冷却水箱相连，并与所述的冷却水箱共同形成了冷凝水冷却回路，所述的冷凝水冷却回路上设置有第二循环泵；
所述隔板的下侧面设置有冷凝肋；
所述的冷凝肋为呈柱状的针肋，且在主板主要发热芯片上部的冷凝肋直径小，且排列紧密，在无发热或发热量低的区域上部的冷凝肋直径大，且排列疏松；
所述冷却流道的进水流道和出水流道内从前往后依次设置有第一扰流板和扰流柱，所述的进水流道和出水流道之间弯曲段设置有呈U型的第二扰流板，所述的扰流柱设置于冷凝肋密集区，且错流排列，所述的第一扰流板和第二扰流板设置于冷凝肋疏松区；
位于所述箱体内的进液管上沿前后方向均布设置有多个出液孔；
所述的进液管上设置有喷液管，所述喷液管的一端与所述的进液管相连通，所述喷液管的另一端朝向所述主板上的主要发热元件，所述主板的主要发热元件上贴装有针肋散热器。
2.根据权利要求1所述的一种流动沸腾浸没式液冷装置，其特征在于：所述流道分隔板的后端到所述箱体的后侧板之间的距离等于箱体宽度的1/2。
3.根据权利要求1所述的一种流动沸腾浸没式液冷装置，其特征在于：所述箱体的内侧壁上设置有第二凸台，且所述的主板在锁紧螺钉的作用下压紧在所述第二凸台悬空端的端面上。
4.根据权利要求1所述的一种流动沸腾浸没式液冷装置，其特征在于：所述的冷却液采用氟化液，所述的第一循环泵采用变量泵，所述的箱体内设置有液位计。
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