CN111629570B - 一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，属于数据中心热管理技术领域，包括单元骨架、单元盖板、进液口、回液口、第一冷却回路、第二冷却回路、板卡插件。本发明采用汽液双回路循环，液体与蒸汽分开运行，控制简单，可靠性高；采用内部循环、与液体混合冷凝，冷凝效率高，能耗低，结构简单，占用空间小；采用喷雾冷却技术和射流冷却技术，散热能力强，流量需求少，综合成本低；采用直接冷却方式，冷却液与热源接触，换热热阻低，冷却效率高；可使用雾化喷嘴或射流喷嘴，可自由组合和更换，适应能力强；喷嘴倾斜安装，占用空间小，冷却液覆盖面积大，冷却液利用率高；采用模块化设计，热源与液冷系统高度集成，结构紧凑，可自由扩展。

Description

一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统

技术领域

本发明涉及数据中心热管理技术领域，具体涉及一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统。

背景技术

数据中心作为实现对数据信息进行存储、传输和分析的基础设施，已经成为全球技术与经济发展的基石，尤其是新一代网络技术、人工智能、自动驾驶、云计算、物联网等迅猛发展，产生的数据量、数据交互与数据运算规模庞大，因此，对数据中心性能和数量的需求随之快速增长，而相应能耗也快速增长。然而，作为能耗大户，当前数据中心整体能耗效率很低，远未达到节能减排和降低运行成本的发展需求。衡量能耗效率指标主要有PUE(Power Usage Effectiveness，即数据中心总设备能耗/IT设备能耗)，PUE越接近1，数据中心的能耗效率越高，数据中心越节能。根据统计，中国的数据中心PUE普遍大于2.2，能效远低于国际先进水平；而部分中心城市已经限制甚至禁止PUE过高的数据中心建立，因此，对高效、节能型的高效数据中心热管理系统展开研发对科技与经济的发展十分重要。

现有的数据中心热管理系统以风冷系统为主，即通过空调机组向数据中心服务器内部或服务器所在区域输送低温空调风降低环境温度，并根据需要增加局部风扇强化局部空气对流，实现热点温度和整机温度的控制。风冷系统存在较多缺陷，如固有散热性能低、系统设备量多且占用空间大、压缩机等组件能耗大、风扇多噪音大等问题，已经难以满足当前数据中心热管理发展的需求。因此，提出一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决当前的数据中心热管理系统换热性能低、使用能耗高、设备占用空间大、系统复杂等方面的问题，提供了一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，具有散热能力强、热阻低、冷却效率高、结构紧凑集成的优良特点。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括单元骨架、单元盖板、进液口、回液口、第一冷却回路、第二冷却回路、多个板卡插件，所述进液口、所述回液口、所述单元盖板、均设置在所述单元骨架外部，所述第一冷却回路、所述第二冷却回路、多个所述板卡插件均设置在所述单元骨架的内部，所述进液口、所述回液口均与所述第一冷却回路连通，所述第一冷却回路为液体回路，所述第二冷却回路为蒸汽回路。

更进一步的，所述第一冷却回路包括供液管路、喷嘴阵列、喷雾射流喷嘴、回液管路，所述喷嘴阵列设置在所述单元骨架与所述板卡插件之间的缝隙中，所述供液管路的一端与所述进液口连通，另一端与所述喷嘴阵列连通，所述喷嘴阵列与所述单元骨架连接，所述喷雾射流喷嘴的数量为多个，阵列设置所述喷嘴阵列上，所述回液管路的一端与所述回液口连接，另一端置于所述单元骨架底部的冷却液中。

更进一步的，所述喷嘴阵列上设有与所述喷雾射流喷嘴同数量的喷雾导向口，所述喷雾导向口可使所述喷雾射流喷嘴倾斜设置在所述喷嘴阵列上。

更进一步的，所述液冷系统还包括喷嘴阵列安装槽，所述喷嘴阵列安装槽设置在所述单元骨架的内部，所述喷嘴阵列通过所述喷嘴阵列安装槽与所述单元骨架连接。

更进一步的，所述喷嘴阵列的数量至少为两个，均为多层结构，至少为两层，所述喷嘴阵列上的喷雾射流喷嘴的数量和位置根据各所述板卡插件热耗分布调整，所述回液管路至少为两个，两个所述回液管路的一端部分别置于所述单元骨架底部冷却液的不同位置。

更进一步的，所述喷雾射流喷嘴的种类有两种，分别为喷雾喷嘴和射流喷嘴，喷雾喷嘴和射流喷嘴的接口相同，可单独使用一种或同时使用两种，根据各所述板卡插件上的热耗分布调整。

更进一步的，所述第二冷却回路包括蒸汽泵、蒸汽吸入器与蒸汽冷凝器，所述蒸汽泵的一端与所述蒸汽吸入器连通，另一端与所述蒸汽冷凝器连通，所述蒸汽吸入器设置在所述单元骨架内部空间的上部并与所述单元骨架连接，所述蒸汽泵与所述单元骨架连接，所述蒸汽冷凝器位于所述单元骨架底部的冷却液中。

更进一步的，所述蒸汽吸入器的端部设置为喇叭扩口，所述蒸汽冷凝器的浸没端设置有多个小孔，多个所述小孔均匀分布，所述蒸汽泵为增压泵。

更进一步的，所述液冷系统还包括插件导轨、密封结构与电接口，所述电接口设置在所述单元骨架上，所述密封结构设置在所述单元骨架与所述单元盖板之间，所述插件导轨设置在所述单元骨架内部，所述板卡插件通过所述插件导轨设置在所述单元骨架内部。

更进一步的，所述液冷系统还包括骨架加强筋，所述骨架加强筋设置在所述单元骨架上。

本发明相比现有技术具有以下优点：该喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，采用汽液双回路循环，液体与蒸汽分开运行，控制简单，可靠性高；采用内部循环、与液体混合冷凝，冷凝效率高，能耗低，结构简单，占用空间小；采用喷雾冷却技术和射流冷却技术，散热能力强，流量需求少，综合成本低；采用直接冷却方式，冷却液与热源接触，换热热阻低，冷却效率高；可使用雾化喷嘴或射流喷嘴，可自由组合和更换，适应能力强；喷嘴倾斜安装，占用空间小，冷却液覆盖面积大，冷却液利用率高；采用模块化设计，热源与液冷系统高度集成，结构紧凑，可自由扩展。

附图说明

图1是本发明实施例中喷雾射流式双回路数据中心液冷系统的外部结构示意图；

图2是本发明实施例中喷雾射流式双回路数据中心液冷系统的内部结构示意图；

图3是本发明实施例中双冷却回路的位置示意图；

图4是本发明实施例中单元骨架的内部结构示意图；

图5是本发明实施例中第一冷却回路的结构示意图；

图6是本发明实施例中喷嘴阵列的结构示意图；

图7是本发明实施例中回液管路的位置示意图；

图8是本发明实施例中第二冷却回路的结构示意图。

图中：1、单元骨架；11、电接口；12、密封结构；13、插件导轨；14、喷嘴阵列安装槽；15、骨架加强筋；2、单元盖板；3、进液口；4、回液口；5、排液/补液口；6、第一冷却回路；61、供液管路；62、喷嘴阵列；63、喷雾射流喷嘴；64、喷雾导向口；65、回液管路；7、第二冷却回路；71、蒸汽泵；72、蒸汽吸入器；73、蒸汽冷凝器；8、板卡插件。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～8所示，本实施例提供一种技术方案：一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，是一种针对数据中心服务器等电子设备散热的液冷系统，利用喷雾冷却或射流冷却的高效散热技术，采用汽液双回路循环设计、功能相对独立的模块化设计以及电子设备与液冷系统集成化设计，实现数据中心服务器内部芯片等功率器件的冷却。

如图1～3所示，该液冷系统主要包括单元骨架1、单元盖板2、进液口3、回液口4、排液/补液口5、第一冷却回路6、第二冷却回路7、板卡插件8。该单元骨架1与单元盖板2构成系统的壳体；该进液口3安装在单元骨架1侧板上部位置，分为两路设置，分别对应第一冷却回路6中设置在单元骨架1前后端内壁上的供液管路；该回液口4安装在单元骨架1侧板下部位置，分为两路设置，分别对应第一冷却回路6中设置在单元骨架1底部的两条回液管路；该排液/补液口5安装在单元骨架1的侧板下部位置，且不高于回液口4，用于为系统排液或补液；该进液口3、回液口4、排液/补液口5均为双向自密封快速接头，连接简单可靠；该第一冷却回路6为液体回路，第二冷却回路7为蒸汽回路，布置在单元骨架1内部的侧壁、底部和前后内壁近壁面处；该板卡插件8阵列排布在单元骨架1的内部，为功率板卡插件，集成了大量芯片等元器件，具备数据中心服务器的计算或存储功能。

如图4所示，该单元骨架1为机箱式或组合机柜式薄壳维护结构，包括电接口11、密封结构12、插件导轨13、喷嘴阵列安装槽14和骨架加强筋15等组件；该电接口11位于单元骨架1前后端外壁的底部位置，为密封航插接口，用于为系统内外供电、数据传输等连接；该密封结构12的密封方式为采用O型圈密封的方式(但不仅限于此种密封方式)，在单元骨架1上表面边缘处预留安装槽，用于安装O型圈对单元盖板2与单元骨架1之间的缝隙起到密封作用；该插件导轨13紧密分布在单元骨架1的前后内壁面，用于板卡插件8的安装固定；该喷嘴阵列安装槽14用于安装喷嘴阵列62，集成在单元骨架1的前后内壁面上，可根据板卡插件8上器件分布设置为单层或多层；该骨架加强筋15集成在单元骨架1的两侧壁面上，用于在控制单元骨架1重量的同时，强化其机械强度。

如图3、图5～7所示，该第一冷却回路6用于冷却液的输送与回收再冷却，主要包括供液管路61、喷嘴阵列62、喷雾射流喷嘴63、喷雾导向口64、回液管路65；该供液管路61和喷嘴阵列62组合使用，分布在单元骨架1的前后内壁面上，喷嘴阵列62安装在喷嘴阵列安装槽14的内部，使喷嘴阵列62上的喷嘴均匀对板卡插件8上元器件冷却；该喷雾射流喷嘴63分为喷雾喷嘴和射流喷嘴，接口一致，可单独使用一种或同时使用两种，根据各板卡插件8上的热耗分布调整；该喷雾导向口64使喷雾射流喷嘴63倾斜安装于喷嘴阵列62上，使产生的喷雾液滴或射流液柱以设定的角度倾斜冲击各板卡插件8，喷雾冷却需要一定的雾化距离和空间，即液体喷出喷嘴后巨大的湍流动能在空气中释放，在飞行中不断破碎和雾化；该设计采用倾斜喷雾的冷却方式，相对于法向垂直角度的喷雾冷却方式，优势在于：一是在机箱的侧壁面的极小空间集成，而倾斜的喷嘴中心与冷却器件距离可显著增大，避免了雾化距离的不足；二是该方式使喷雾锥(大量喷雾液滴形成的圆锥覆盖区域)在喷雾方向上的延展更加充分，在机箱中覆盖区域更大，因此，利于冷却液利用率的提高和液体覆盖面积的扩展；既降低了安装空间和液体雾化空间，又利于冷却液利用率的提高和液体覆盖面积的扩展；该回液管路65一端与回液口4连接，另一端浸没在单元骨架1底部的冷却液中，且两条管路以不同长度浸没在冷却液，一条位于单元骨架1底部一侧中间位置，另一条为单元骨架1底部的另一侧中间位置，用于冷却液的均匀回收。

如图3、8所示，该第二冷却回路7用于对系统内部产生的蒸汽的回收与冷凝，平衡系统内部压力，强化综合冷却效果；该第二冷却回路7主要包括蒸汽泵71、蒸汽吸入器72和蒸汽冷凝器73等组件；该蒸汽泵71为大流量紧凑型增压泵，从一端吸入蒸汽并从另一端排放；该蒸汽吸入器72一端连接蒸汽泵71，另一端设置成喇叭扩口，喇叭扩口处于系统内部的上部空间，用于收集蒸汽；该蒸汽冷凝器73一端连接蒸汽泵71，另一端浸没于冷却液中，且浸没端分布大量小孔，用于蒸汽的均匀释放和混合，大量释放的蒸汽在冷却液中混合换热，迅速冷凝。

工作原理：当系统功耗较低且器件壳温较低时，喷雾射流喷嘴63可采用结构更加简单的射流喷嘴，降低系统流阻；此时散热过程主要通过第一冷却回路6实现，即冷却液通过喷嘴冲击在板卡插件8上的元器件并快速换热，高温液体汇集在单元骨架1底部并通过回液管路65带走进行冷却；散热过程中产生极少量的蒸汽，通过单元骨架1等实现冷凝，系统压力实现平衡；当系统功耗较高或器件壳温较高时，喷雾射流喷嘴63需要采用可实现冷却液精细雾化的雾化喷嘴，大量分散液滴的喷雾冷却提高系统冷却效率，进一步降低系统流量需求；此时散热过程通过第一冷却回路6与第二冷却回路7共同实现，即冷却液通过喷嘴冷却元器件后汇集在单元骨架1底部，过程中产生的大量蒸汽通过第二冷却回路7回收并通入单元骨架1底部的冷却液中冷凝，最后通过回液管路65带走进行冷却；第二冷却回路7的高效冷凝实现系统内压力平衡。

综上所述，本实施例的喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，采用汽液双回路循环，液体与蒸汽分开运行，控制简单，可靠性高；采用内部循环、与液体混合冷凝，冷凝效率高，能耗低，结构简单，占用空间小；采用喷雾冷却技术和射流冷却技术，散热能力强，流量需求少，综合成本低；采用直接冷却方式，冷却液与热源接触，换热热阻低，冷却效率高；可使用雾化喷嘴或射流喷嘴，可自由组合和更换，适应能力强；喷嘴倾斜安装，占用空间小，冷却液覆盖面积大，冷却液利用率高；采用模块化设计，热源与液冷系统高度集成，结构紧凑，可自由扩展，值得被推广使用。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，其特征在于：包括单元骨架、单元盖板、进液口、回液口、第一冷却回路、第二冷却回路、多个板卡插件，所述进液口、所述回液口、所述单元盖板、均设置在所述单元骨架外部，所述第一冷却回路、所述第二冷却回路、多个所述板卡插件均设置在所述单元骨架的内部，所述进液口、所述回液口均与所述第一冷却回路连通，所述第一冷却回路为液体回路，所述第二冷却回路为蒸汽回路；

所述第一冷却回路包括供液管路、喷嘴阵列、喷雾射流喷嘴、回液管路，所述喷嘴阵列设置在所述单元骨架与所述板卡插件之间的缝隙中，所述供液管路的一端与所述进液口连通，另一端与所述喷嘴阵列连通，所述喷嘴阵列与所述单元骨架连接，所述喷雾射流喷嘴的数量为多个，阵列设置所述喷嘴阵列上，所述回液管路的一端与所述回液口连接，另一端置于所述单元骨架底部的冷却液中；

所述喷嘴阵列上设有与所述喷雾射流喷嘴同数量的喷雾导向口，所述喷雾导向口使所述喷雾射流喷嘴倾斜设置在所述喷嘴阵列上；

所述喷嘴阵列的数量至少为两个，均为多层结构，至少为两层，所述喷嘴阵列上的喷雾射流喷嘴的数量和位置根据各所述板卡插件热耗分布调整，所述回液管路至少为两个，两个所述回液管路的一端部分别置于所述单元骨架底部冷却液的不同位置；

所述喷雾射流喷嘴为喷雾喷嘴和/或射流喷嘴，喷雾喷嘴和射流喷嘴的接口相同；

所述第二冷却回路包括蒸汽泵、蒸汽吸入器与蒸汽冷凝器，所述蒸汽泵的一端与所述蒸汽吸入器连通，另一端与所述蒸汽冷凝器连通，所述蒸汽吸入器设置在所述单元骨架内部并与所述单元骨架连接，所述蒸汽泵与所述单元骨架连接，所述蒸汽冷凝器位于所述单元骨架底部的冷却液中。

2.根据权利要求1所述的一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，其特征在于：所述液冷系统还包括喷嘴阵列安装槽，所述喷嘴阵列安装槽设置在所述单元骨架上，所述喷嘴阵列通过所述喷嘴阵列安装槽与所述单元骨架连接。

3.根据权利要求2所述的一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，其特征在于：所述蒸汽吸入器的端部设置为喇叭扩口，所述蒸汽冷凝器的浸没端设置有多个小孔，所述蒸汽泵为增压泵。

4.根据权利要求1所述的一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，其特征在于：所述液冷系统还包括插件导轨、密封结构与电接口，所述电接口设置在所述单元骨架上，所述密封结构设置在所述单元骨架与所述单元盖板之间，所述插件导轨设置在所述单元骨架内部，所述板卡插件通过所述插件导轨设置在所述单元骨架内部。

5.根据权利要求1所述的一种喷雾射流式双回路数据中心液冷系统，其特征在于：所述液冷系统还包括骨架加强筋，所述骨架加强筋设置在所述单元骨架上。

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