CN112099591B - 一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，该系统包括：冷凝器，刀壳流道以及浸没射流装置；冷凝器的输入端连接于服务器刀片的汽液出口，冷凝器的输出端连接于服务器刀片的液体进口，液体进口通过刀壳流道连接于浸没射流装置，冷凝器用于对吸热汽化后的冷媒进行冷凝液化，并将冷凝液化后的冷媒输送至浸没射流装置；浸没射流装置设置于发热元件的对侧，浸没射流装置中设置有多个射流喷嘴，射流喷嘴连接于刀壳流道，射流喷嘴喷射出的冷凝液化后的冷媒击打在发热元件上。通过本申请中的技术方案，在满足服务器主板的主体散热需求时，又同时满足局部高热流密度的发热元器件的散热。

Description

一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统

技术领域

本申请涉及浸没式液冷服务器的技术领域，具体而言，涉及一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统。

背景技术

液冷服务器的散热原理是利用工作流体作为中间热量传输的媒介，将热量由热区传递到远处再进行冷却。由于液体比空气的比热大很多，散热速度也远远大于空气，因此制冷效率远高于风冷散热。

随着5G、人工智能、大数据的快速推进，对于数据和图形处理效率要求越来越高，数据计算速度越快，所面临的散热问题将越来越严峻，目前超级计算机发热元器件的热流密度又进一步提高，传统的浸没式液冷服务器已不能满足散热需求。

传统的浸没式液冷服务器通过将服务器的主板浸泡在装有冷媒的刀壳中，主板发热元器件发热升温，当发热元器件的温度高于冷媒的沸点时，冷媒沸腾，冷媒沸腾时相变汽化，产生大量的气泡，吸收热量，气泡脱离发热元器件的表面将热量带走，从而维持发热元器件的温度恒定，低于发热元器件的高温上限。

目前超级计算机发热元器件的热流密度又进一步提高，单一依靠浸没冷媒沸腾的方式所产生的气泡无法带走更多的热量，不能维持发热元器件的温度恒定在低于发热元器件的高温上限范围，从而存在导致发热元器件烧毁的可能。

特别是当主板上设置有多个CPU、GPU等发热元件时，不同的发热元件可以工作于不同的状态，这就导致各个发热元件的散热需求并不相同，现有的液冷系统也无法根据各个发热元件的散热需求，对服务器中的冷媒进行调节，缺乏对各个发热元件单独进行液冷散热的手段。

因而，需要在此浸没液冷的基础上探索更好的散热方式。

发明内容

本申请的目的在于：通过添加喷嘴射流的方式，在满足服务器主板的主体散热需求时，又同时满足局部高热流密度的发热元器件的散热，从而进一步提升超算服务器的计算能力和散热性能。

本申请的技术方案是：提供了一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，浸没式液冷服务器中设置有至少一个服务器刀片，服务器刀片的发热元件浸没于冷媒，冷媒对发热元件吸热后沸腾汽化，系统包括：冷凝器，刀壳流道以及浸没射流装置；冷凝器的输入端连接于服务器刀片的汽液出口，冷凝器的输出端连接于服务器刀片的液体进口，液体进口通过刀壳流道连接于浸没射流装置，冷凝器用于对吸热汽化后的冷媒进行冷凝液化，并将冷凝液化后的冷媒输送至浸没射流装置；浸没射流装置设置于发热元件的对侧，浸没射流装置中设置有多个射流喷嘴，射流喷嘴连接于刀壳流道，射流喷嘴喷射出的冷凝液化后的冷媒击打在发热元件上，其中，刀壳流道内嵌于服务器刀片的盖板中，刀壳流道与射流喷嘴之间的连接方式为逐级分流连接。

上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：储液罐以及冷媒输送装置；储液罐与冷媒输送装置串联后连接在冷凝器的输出端、以及液体进口之间，冷媒输送装置用于将储液罐内存储的液态冷媒输送至浸没射流装置。

上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：压力检测器以及压力平衡装置；压力检测器设置于服务器刀片的顶部，压力检测器电连接于压力平衡装置，压力检测器用于检测服务器刀片内部的压力值；压力平衡装置被配置为当判定接收到的压力值大于或小于压力阈值时，由闭合状态调整为打开状态，以平衡服务器刀片内部的压力。

上述任一项技术方案中，进一步地，射流喷嘴倾斜设置于浸没射流装置的侧壁，射流喷嘴上设置有多个射流喷孔，射流喷孔与发热元件之间的间距为射流喷孔直径的预设倍数。

上述任一项技术方案中，进一步地，射流喷嘴倾斜设置于浸没射流装置的侧壁，射流喷嘴射流端所在平面与发热元件所在平面间的夹角为45-75°。

上述任一项技术方案中，进一步地，射流喷嘴向上倾斜设置于浸没射流装置的侧壁。

上述任一项技术方案中，进一步地，射流喷孔为柱形、锥形、漏斗形中的一种。

上述任一项技术方案中，进一步地，射流喷嘴的底部设置有喷嘴密封槽。

上述任一项技术方案中，进一步地，系统包括：流量控制装置；流量控制装置设置于刀壳流道上，流量控制装置用于调节由刀壳流道流入射流喷嘴的冷媒的流量。

上述任一项技术方案中，进一步地，发热元器件的表面刻蚀有微柱状结构。

本申请的有益效果是：

本申请中的技术方案，采用浸没射流进行强化沸腾。由冷媒输送装置提供冷媒循环动力，通过设置冷媒输送装置、射流喷嘴和传输管路、刀壳流道，将具有一定过冷度的液体冷媒喷出，喷在高热流密度的发热元器件上，并增加服务器刀片内的冷媒扰动，使发热元件散热过程中产生的气泡快速脱离，并对高热流密度发热元器件的表面进行处理，增加微柱状结构，能够显著提高汽化核心数，进一步提高换热性能，由于喷射出的冷媒具有一定的过冷度，使得该系统的换热效率较传统的池式沸腾换热效率提高数倍。

对于整个服务器刀片来说，本申请还可以通过调节流量控制装置，对射流喷嘴喷射的冷媒流量进行调节，既可以对低热流密度(发热量较小)的发热元件进行液冷冷却，又可以对高热流密度(发热量较大)的发热元件进行液冷冷却。因此，该系统同时满足了高热流密度发热元件和低热流密度发热元件的液冷冷却需求。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统的示意框图；

图2是根据本申请的一个实施例的浸没射流相变液冷系统的侧视图；

图3是根据本申请的一个实施例的射流喷嘴分布的示意图；

图4是根据本申请的一个实施例的射流喷嘴的示意图；

图5是根据本申请的一个实施例的射流喷嘴的剖视图；

图6是根据本申请的一个实施例的刀壳流道的示意图。

其中，1-服务器刀片、2-冷凝器、3-储液罐、4-冷媒输送装置、101-服务器主板、102-发热元件、103-穿壁密封电连接件、104-液体进口、105-汽液出口、106-压力平衡装置、107-压力检测器、108-射流喷嘴、1081-射流喷孔、1082-射流喇叭口、1083-喷嘴密封槽、109-流量控制装置、110-刀壳流道。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例提供了一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，浸没式液冷服务器中设置有至少一个服务器刀片1，该服务器刀片1的内部设置有密封腔体，密封腔体内设置有服务器主板101，服务器主板101上设置有多个高热流密度的发热元件102，如GPU、CPU、内存等电子器件。为了对发热元件102进行散热，在密封腔体内注入冷媒，进而将发热元件102浸没于冷媒，进行浸没液冷散热，在散热过程中，冷媒对发热元件102吸热后沸腾汽化。为了增加沸腾汽化过程中发热元件102的换热面积(表面积)、强化传热效果，可以对发热元件102的表面进行强化沸腾处理，增加表面粗糙度，如采用光刻蚀技术或者干式刻蚀技术，在发热元件102的表面刻蚀形成微柱状结构。

需要说明的是，本实施例中的冷媒为低沸点不导电液体，与服务器主板101材料相容性良好，且其沸点低于高热流密度的发热元件102表面限定的最高温度。

本实施例中，为了在密封腔体内的冷媒中增加扰动，一方面加快发热元件102表面气泡的脱离速度，另一方面使使距离发热元件102较远的低温冷媒与发热元件102进行热交换，在该液冷系统中引入浸没射流装置，将其喷射出的冷媒击打在发热元件102上，以强化沸腾换热。

本实施例以CPU作为发热元件102，设定其热流密度大小为80W/cm²，CPU表面最高温度要求不高于85℃，数量为8片，每个CPU的表面均进行表面处理，增加微柱状结构，具体处理方式采用光刻蚀技术，以强化沸腾效果。

该浸没射流相变液冷系统包括：冷凝器2，冷媒输送装置4以及浸没射流装置；冷凝器2的输入端连接于服务器刀片1的汽液出口105，冷媒沸腾换热后，被加热的汽液冷媒混合物由汽液出口105排出服务器刀片1，进入冷凝器2中，冷凝器2对吸热汽化后的冷媒进行冷凝液化，将汽液冷媒混合物重新冷凝成液体，形成过冷冷媒液体。

冷媒输送装置4的输入端连接于冷凝器2的输出端，冷媒输送装置4的输出端通过服务器刀片1的液体进口104连接于浸没射流装置。本实施例中的冷媒输送装置4可以为变频泵，冷媒输送装置4将冷凝液化后的冷媒输送至浸没射流装置，提供冷媒流动动力，同时通过调节冷媒输送装置4的频率，还可以调节泵入冷媒的流量。

本实施例中，冷媒流向如图1中箭头所示。

本实施例中，汽液出口105的内径大于液体进口104的内径，汽液出口105的位置在服务器刀片1高于液体进口104的位置，液体进口104和汽液出口105都采用快速密封接头连接。

如图2和图3所示，浸没射流装置设置于发热元件102的对侧，浸没射流装置中设置有多个射流喷嘴108，每一个发热元件102对应于至少一个射流喷嘴108，射流喷嘴108喷射出的冷凝液化后的冷媒击打在发热元件102上，使发热元件102上在冷媒沸腾散热过程中产生的气泡快速脱离，加快气泡产生速率，提高汽化核心数，进而实现提高散热效率的效果，并同时带动发热元件102周围的冷媒流动，有助于温度较低的冷媒流动至发热元件102的周围，与发热元件102相接触，提高浸没发热元件102的冷媒温度均一性。

本实施例中，每一个CPU发热元件102对应一个射流喷嘴108，射流喷嘴108通过刀壳流道110相连，刀壳流道110连接于液体进口104，刀壳流道110内嵌于服务器刀片1的盖板中，采用逐级一分二设计的方式，保证喷射至8片CPU发热元件102的冷媒流量均流分配。

进一步的，如图4和图5所示，射流喷嘴108倾斜设置于浸没射流装置的侧壁，该侧壁固定在服务器刀片1的盖板上，射流喷嘴108上设置有多个阵列排布的射流喷孔1081，具体排布方式可以为“5-6-5”式交错排列，射流喷孔1081与发热元件102之间的间距为射流喷孔1081直径的预设倍数，其中，预设倍数的取值范围为5-10。

优选的，射流喷孔1081为柱形、锥形、漏斗形中的一种。

在实施例中，射流喷孔1081为漏斗形，射流喷孔1081的直径大小为1mm，射流喷孔1081与射流喷嘴108流道采用采用射流喇叭口1082进行过渡连接，其目的是为了减小流阻。

进一步的，射流喷嘴108倾斜设置于浸没射流装置的侧壁，射流喷嘴108射流端所在平面与发热元件102所在平面间的夹角为45-75°，该夹角如图2中箭头所示，其中，射流喷嘴108向上倾斜设置于浸没射流装置的侧壁。

通过这样的设置，一方面有助于发热元件表面产生的气泡向上脱离，并结合本实施例中设定的射流喷孔的直径、射流喷孔与发热元件之间距离，能够降低喷射出的液体冷媒对发热元件的冲击，避免发热元件因外界冲击损坏；另一方面，还有助于腔体内部的冷媒循环，使得温度较高的冷媒向四周流动，使得冷媒传输装置能够提供一定角度的冷媒至射流喷嘴，以保证散热装置的整体散热效率。

本实施例中，设定射流喷孔1081与发热元件102之间的最大距离L＝10mm，其所在平面与发热元件102所在平面之间的夹角为逆时针75°，其余射流喷孔1081与发热元件102之间的距离等比例缩减，其范围在5-10mm之间。

进一步的，射流喷嘴108的底部设置有喷嘴密封槽1083，喷嘴密封槽1083内安装有密封垫，以保证射流喷嘴108的密封性。射流喷嘴108通过螺栓密封连接在服务器刀片1的侧壁上，该侧壁上设置有刀壳流道110，以便于冷媒输送装置4将冷凝器2中的冷媒通过刀壳流道110，输送至射流喷嘴108内部的流道，再由射流喷孔1081喷射至发热元件102上。

进一步的，在上述系统还可以设置储液罐3，该储液罐3串联于冷凝器2以及冷媒输送装置4之间，以便于对冷凝器2中液化后的冷媒进行存储。

进一步的，为了平衡上述系统内部压力，该系统还包括：压力检测器107以及压力平衡装置106；压力检测器107设置于服务器刀片1的顶部，压力检测器107电连接于压力平衡装置106，压力检测器107用于检测服务器刀片1内部的压力值；服务器刀片1内部的压力通过压力检测器107进行检测，控制压力在一定的范围内，压力过高或过低通过压力平衡装置106进行压力平衡。具体的，压力平衡装置106被配置为当判定接收到的压力值大于或小于压力阈值时，由闭合状态调整为打开状态，以平衡服务器刀片1内部的压力，该压力阈值为一个压力取值范围，当小于该压力阈值时，表示服务器刀片1内部压力较低，反之，则表示服务器刀片1内部压力较高。

进一步的，系统还包括：穿壁密封电连接件103，该穿壁密封电连接件103采用插针连接器穿过服务器刀片1的刀壳，并进行密封，以便于服务器刀片1中服务器主板101通过穿壁密封电连接件103与服务器刀片1外界进行电交互。

进一步的，如图6所示，本实施例示出一种刀壳流道110的实现方式，在刀壳流道110上，该系统还设置有流量控制装置109，以调节由刀壳流道110流入射流喷嘴108的冷媒的流量，即当某个或某些发热元件102的功耗较高，而其余发热元件102的功耗偏低时，可以调节对应的流量控制装置109增大高能耗发热元件102对应的刀壳流道110内冷媒的流量，满足局部高热流密度的发热元器件102的散热，并减小低能耗发热元件102对应的刀壳流道110内冷媒的流量，以降低液冷系统整体的能耗。

具体的，流量控制装置109设置于刀壳流道110上，每一个射流喷嘴108对应有一个流量控制装置109，流量控制装置109的控制可以由常规的温度控制实现，根据对应发热元件102的温度的不同，其开合度也不同，以调节由刀壳流道110流入射流喷嘴108的冷媒的流量，实现节能、高效散热的目的，其中，流量控制装置109为电动阀、电磁阀、气动阀中的一种。

本实施例中，冷媒输送装置4将低温冷媒通过液体进口104输送到服务器刀片1中，由刀壳流道110分为多个支路，由每个支路末端连接有一个流量控制装置109以及射流喷嘴108，冷媒通过射流喷嘴108喷射击打在高热流密度的发热元件102上，强化沸腾换热效果，吸收发热元件102的热量。

冷媒吸热后生成的汽液混合物，由汽液出口105排出，进入冷凝器2中进行冷凝，汽液混合的冷媒在冷凝器2中冷凝形成过冷液体，进入储液罐3中，再由冷媒输送装置4吸入，重新输送到服务器刀片1中，完成整个冷媒散热循环。

本实施例中，可以通过检测储液罐3中冷媒的温度，来控制冷凝器2中用于冷却汽液混合冷媒的冷却液的流量，当储液罐3中冷媒的温度高于设定温度(范围)时，加大冷凝器2中冷却液的流量，增加冷凝器2中冷媒换热量；当储液罐3中冷媒的温度低于设定温度时，减少冷凝器2中冷却液中流量，减小冷凝器2中冷媒的换热量，从而实现提高进入储液罐3中的冷媒温度。

在本实施例中，设定8片CPU发热元件102都满负荷工作时，流量控制装置109全开，冷媒通过逐级分流一分二设计的刀壳流道110，即该刀壳流道110主流道左右两侧分别设置有4个射流喷嘴108，将同侧的两个射流喷嘴108(横向或纵向)划分为一组，每一组射流喷嘴通过一级流道与主流道连接，而每个射流喷嘴108通过二级流道与一级流道相连，通过这样的分流方式，使得流入射流喷嘴108的冷媒的流量均流分配。

当设定8片CPU发热元件102相同负荷且非满负荷工作时，通过调节冷媒输送装置4的频率，进而调节射流喷嘴108冷媒射流的流量和流速，实现根据CPU发热元件102的热量进行液冷散热降温。

当设定8片CPU发热元件102的热流密度不一致，即散热需求不同时，通过调节流量控制装置109，如电动阀开度的大小，来控制射流至单个发热元件102的冷媒流量，对不同散热需求的发热元件102所对应的射流喷嘴108进行单独控制，进一步实现，每个发热元件102都在规定的温度范围内工作。

通过利用本实施例中的浸没射流相变液冷系统对上述8片CPU发热元件102进行浸没式液冷散热，经过试验测得，CPU的表面平均温度为75℃，小于设定的最高温度85℃，可以达到预期散热效果。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，浸没式液冷服务器中设置有至少一个服务器刀片，服务器刀片的发热元件浸没于冷媒，冷媒对发热元件吸热后沸腾汽化，系统包括：冷凝器，刀壳流道以及浸没射流装置；冷凝器的输入端连接于服务器刀片的汽液出口，冷凝器的输出端连接于服务器刀片的液体进口，液体进口通过刀壳流道连接于浸没射流装置，冷凝器用于对吸热汽化后的冷媒进行冷凝液化，并将冷凝液化后的冷媒输送至浸没射流装置；浸没射流装置设置于发热元件的对侧，浸没射流装置中设置有多个射流喷嘴，射流喷嘴连接于刀壳流道，射流喷嘴喷射出的冷凝液化后的冷媒击打在发热元件上，其中，刀壳流道内嵌于服务器刀片的盖板中，刀壳流道与射流喷嘴之间的连接方式为逐级分流连接。通过本申请中的技术方案，通过添加喷嘴射流的方式，在满足服务器主板的主体散热需求时，又同时满足局部高热流密度的发热元器件的散热。

在本申请中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本申请的原理进行说明，并非意在对本申请进行限制。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (9)

1.一种用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，该系统适用于浸没式液冷服务器，所述浸没式液冷服务器中设置有至少一个服务器刀片（1），所述服务器刀片（1）的发热元件（102）浸没于冷媒，所述冷媒对所述发热元件（102）吸热后沸腾汽化，所述系统包括：冷凝器（2），刀壳流道（110）以及浸没射流装置；

所述冷凝器（2）的输入端连接于所述服务器刀片（1）的汽液出口（105），所述冷凝器（2）的输出端连接于所述服务器刀片（1）的液体进口（104），所述液体进口（104）通过所述刀壳流道（110）连接于所述浸没射流装置，所述冷凝器（2）用于对吸热汽化后的冷媒进行冷凝液化，并将冷凝液化后的冷媒输送至所述浸没射流装置；

所述浸没射流装置设置于所述发热元件（102）的对侧，所述浸没射流装置中设置有多个射流喷嘴（108），所述射流喷嘴（108）连接于所述刀壳流道（110），所述射流喷嘴（108）倾斜设置于所述浸没射流装置的侧壁，所述射流喷嘴（108）射流端所在平面与所述发热元件（102）所在平面间的夹角为45-75°，所述射流喷嘴（108）喷射出的所述冷凝液化后的冷媒击打在所述发热元件（102）上，

所述射流喷嘴（108）的位置与所述发热元件（102）一一对应，

其中，所述刀壳流道（110）内嵌于所述服务器刀片（1）的盖板中，所述刀壳流道（110）与所述射流喷嘴（108）之间的连接方式为逐级分流连接。

2.如权利要求1所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述系统还包括：储液罐（3）以及冷媒输送装置（4）；

所述储液罐（3）与所述冷媒输送装置（4）串联后连接在所述冷凝器（2）的输出端、以及所述液体进口（104）之间，所述冷媒输送装置（4）用于将所述储液罐（3）内存储的液态冷媒输送至所述浸没射流装置。

3.如权利要求1所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述系统还包括：压力检测器（107）以及压力平衡装置（106）；

所述压力检测器（107）设置于所述服务器刀片（1）的顶部，所述压力检测器（107）电连接于所述压力平衡装置（106），所述压力检测器（107）用于检测所述服务器刀片（1）内部的压力值；

所述压力平衡装置（106）被配置为当判定接收到的所述压力值大于或小于压力阈值时，由闭合状态调整为打开状态，以平衡所述服务器刀片（1）内部的压力。

4.如权利要求1所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述射流喷嘴（108）倾斜设置于所述浸没射流装置的侧壁，所述射流喷嘴（108）上设置有多个射流喷孔（1081），所述射流喷孔（1081）与所述发热元件（102）之间的间距为所述射流喷孔（1081）直径的预设倍数。

5.如权利要求1所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述射流喷嘴（108）向上倾斜设置于所述浸没射流装置的侧壁。

6.如权利要求4所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述射流喷孔（1081）为柱形、锥形、漏斗形中的一种。

7.如权利要求4至6中任一项所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述射流喷嘴（108）的底部设置有喷嘴密封槽（1083）。

8.如权利要求1所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述系统包括：流量控制装置（109）；

所述流量控制装置（109）设置于所述刀壳流道（110）上，所述流量控制装置（109）用于调节由所述刀壳流道（110）流入所述射流喷嘴（108）的所述冷媒的流量。

9.如权利要求1所述的用于高热流密度超算服务器的浸没射流相变液冷系统，其特征在于，所述发热元器件（102）的表面刻蚀有微柱状结构。

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