CN112099592A - 刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置 - Google Patents

刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，液冷散热装置包括：冷媒输送装置设置于腔体的底部，连接于浸没射流装置的进液端，用于将腔体底部的液态冷媒输送至浸没射流装置；浸没射流装置固定在腔体的侧壁，设置于发热元件的对侧，浸没射流装置的侧壁上设置有多个上倾斜的射流喷嘴，多个射流喷嘴分别连接于刀壳流道中多条逐级分流的流道分支，刀壳流道连接于冷媒输送装置，射流喷嘴喷射出的液态冷媒击打在发热元件上，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。通过本申请中的技术方案，将刀壳内未发生相变的液态冷媒通过射流喷嘴直接喷射至发热元件上，带走发热元件产生的热量，提升液冷服务器的散热性能。

Description

刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置
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，涉及刀片服务器壳内部的浸没射流相变液冷散热装置。
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。
传统的浸没式液冷服务器通过将服务器主板浸没在装有液态冷媒的服务器刀壳中，在服务器进行数据处理的过程中，主板上的发热元件发热升温，当发热元件的温度高于冷媒的沸点时，液态冷媒沸腾，发生相变汽化，产生大量的气泡，吸收发热元件产生的热量，当气泡脱离发热元件的表面时将热量带走，从而进行散热降低发热元件的温度。
目前超级计算机发热元件的热流密度又进一步提高，且发热元件的排布越来越密集，由于沸腾气泡阻碍液体冷媒与热源表面直接接触，进而无法高效换热。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，不能维持发热元件的温度恒定在低于发热元件的高温上限范围，从而存在导致发热元件烧毁的可能。
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：将刀壳内未发生相变的液态冷媒通过射流喷嘴直接喷射至发热元件上，带走发热元件产生的热量，提升液冷服务器的散热性能。同时，通过在射流喷嘴处添加流量控制装置，两者结合后，还能够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：提供了刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，液冷散热装置适用于刀片服务器，刀片服务器设置有服务器刀壳以及服务器主板，服务器刀壳内设置有腔体，腔体内盛放有液态冷媒，服务器主板上设置有多个发热元件，发热元件浸没于液态冷媒，液态冷媒对发热元件吸热后沸腾汽化，液冷散热装置包括：浸没射流装置以及冷媒输送装置；冷媒输送装置设置于腔体的底部，冷媒输送装置连接于浸没射流装置的进液端，冷媒输送装置用于将腔体底部的液态冷媒输送至浸没射流装置；浸没射流装置固定在腔体的侧壁，浸没射流装置设置于发热元件的对侧，浸没射流装置的侧壁上设置有多个上倾斜的射流喷嘴，多个射流喷嘴分别连接于刀壳流道中多条逐级分流的流道分支，刀壳流道连接于冷媒输送装置，射流喷嘴喷射出的液态冷媒击打在发热元件上，其中，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，刀壳流道内嵌于腔体的侧壁；液冷散热装置包括：流量控制装置；流量控制装置设置于流道分支的末端与射流喷嘴之间，流量控制装置用于调节由流道分支流入射流喷嘴的液态冷媒的流量。
上述任一项技术方案中，进一步地，液冷散热装置还包括：压力检测器以及压力平衡装置；压力检测器设置于腔体的顶部，压力检测器电连接于压力平衡装置，压力检测器用于检测腔体内部的压力值；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，液冷散热装置还包括：液位控制器；液位控制器设置于腔体侧壁的上方，液位控制器用于检测腔体内部液态冷媒的液位。
上述任一项技术方案中，进一步地，发热元件的表面刻蚀有微柱状结构。
上述任一项技术方案中，进一步地，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，射流喷嘴的底部设置有喷嘴密封槽，喷嘴密封槽内安装有密封垫。
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喷射动力，将液体冷媒由射流喷嘴喷出，直接喷在高热流密度的发热元件上，使发热元件散热过程中产生的气泡能够快速脱离，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，并且还有助于增加服务器刀壳内的冷媒扰动，将发热元件外侧、液态冷媒喷射到发热元件上，能够进一步提高换热性能，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。
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刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置的示意框图；
图2是根据本申请的一个实施例的浸没射流装置实现方式的示意图；
图3是根据本申请的一个实施例的刀壳流道的示意图；
图4是根据本申请的另一个实施例的浸没射流装置实现方式的示意图；
图5是根据本申请的一个实施例的射流喷嘴的示意图；
图6是根据本申请的一个实施例的射流喷嘴的剖视图。
其中，1-服务器主板、2-发热元件、3-穿壁密封电连接件、4-射流喷嘴、5-冷媒输送装置、6-流量控制装置、7-液体进口、8-汽体出口、9-压力平衡装置、10-压力检测器、11-液位控制器、12-服务器刀壳、13-刀壳流道、41-射流喷孔、42-射流喇叭口、43-喷嘴密封槽。
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，本实施例提供了刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，液冷散热装置适用于刀片服务器，刀片服务器的外部设置有配套的冷凝器、储液罐、循环泵、补液罐等装置，刀片服务器内部的液态冷媒吸热相变后，由刀片服务器上方设置的汽体出口8进入冷凝器，进行冷凝，重新形成液态冷媒，依次通过储液罐、循环泵，由刀片服务器侧方设置的液体进口7重新进入刀片服务器内部。
刀片服务器设置有服务器刀壳12以及服务器主板1，服务器刀壳12内设置有腔体，腔体内盛放有液态冷媒，液面上方具有气相区域，服务器主板1上设置有多个高热流密度的发热元件2，如GPU、CPU、内存等电子器件。
在对发热元件2进行液冷散热时，需要先在腔体内注入一定量的冷媒，使得发热元件2浸没于液态冷媒液面以下，其中，液体进口7在冷媒液面以下，汽体出口8则位于气相区域的上方，汽体出口8的内径大于液体进口7的内径，且均采用快速密封接头连接。
液态冷媒对发热元件2吸热后沸腾汽化，为了增加沸腾汽化过程中发热元件2的换热面积(表面积)、强化传热效果，可以对发热元件2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2的表面刻蚀形成微柱状结构。
需要说明的是，本实施例中的液态冷媒为低沸点不导电液体，与服务器主板1材料相容性良好，且其沸点低于高热流密度的发热元件2表面限定的最高温度。
本实施例中，为了对腔体内的冷媒增加扰动，一方面加快发热元件2表面气泡的脱离速度，另一方面使距离发热元件2较远的低温冷媒与发热元件2进行热交换，在该液冷散热装置中引入浸没射流装置，将其喷射出的冷媒击打在发热元件2上，以强化沸腾换热。
本实施例以CPU作为发热元件2，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6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。
该液冷散热装置包括：浸没射流装置以及冷媒输送装置5；冷媒输送装置5设置于腔体的底部，冷媒输送装置5连接于浸没射流装置的进液端。
本领域技术人员能够理解的是，在浸没式液冷散热过程中，距离发热元件2较远处的冷媒相比于发热元件2附近处的冷媒，其温度要低，因此，通过设置于腔体底部的冷媒输送装置5，可以将腔体底部的、距离发热元件2较远的液态冷媒输送至浸没射流装置，由浸没射流装置将其击打在发热元件2上，其中，冷媒输送装置5可以为变频式潜液泵；
本实施例中，冷媒流向如图1中箭头所示。
该浸没射流装置固定在腔体的侧壁，浸没射流装置设置于发热元件2的对侧，浸没射流装置中设置有多个射流喷嘴4，每一个发热元件2对应于至少一个射流喷嘴4，射流喷嘴4通过刀壳流道13相连，刀壳流道13连接于冷媒输送装置5，射流喷嘴4喷射出的液态冷媒击打在发热元件2上，使发热元件2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。
如图2和图3所示，本实施例示出浸没射流装置的一种实现方式，每一个CPU发热元件2对应一个射流喷嘴4，射流喷嘴4通过刀壳流道13相连，刀壳流道13内嵌于腔体的侧壁，刀壳流道13包括多条逐级分流的流道分支(如相连的多个T字形流道)，每一个流道分支的末端连接于一个射流喷嘴4，以保证在相同工作压力的前提下，各个射流喷嘴4中冷媒流量相同，实现冷媒的逐级分流。射流喷嘴4正对于发热元件2，射流喷嘴4喷射出的液态冷媒呈伞状分布，能够完全覆盖对应的发热元件2。
本实施例还示出了一种浸没射流装置实现方式，如图4所示，在上述实施例的基础上，射流喷嘴4倾斜设置于浸没射流装置的侧壁，该侧壁固定在腔体的侧壁上，射流喷嘴4上设置有多个阵列排布的射流喷孔41，具体排布方式可以为“5-6-5”式交错排列，射流喷孔41与发热元件2之间的间距为射流喷孔41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41为柱形、锥形、漏斗形中的一种。
在实施例中，如图5和图6所示，射流喷孔41为漏斗形，射流喷孔41的直径大小为1mm，射流喷孔41与射流喷嘴4流道采用采用射流喇叭口42进行过渡连接，其目的是为了减小流阻。
进一步的，射流喷嘴4倾斜设置于浸没射流装置的侧壁，射流喷嘴4射流端所在平面与发热元件2所在平面间的夹角为45-75°，该夹角如图4中箭头所示，其中，射流喷嘴4向上倾斜设置于浸没射流装置的侧壁。
本实施例中，设定射流喷孔41与发热元件2之间的最大距离L＝10mm，其所在平面与发热元件2所在平面之间的夹角为逆时针75°，其余射流喷孔41与发热元件2之间的距离等比例缩减，其范围在5-10mm之间。
通过这样的设置，一方面有助于发热元件2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41的直径、射流喷孔41与发热元件2之间距离，能够降低喷射出的液体冷媒对发热元件2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5能够提供一定角度的冷媒至射流喷嘴4，以保证散热装置的整体散热效率。
进一步的，射流喷嘴4的底部设置有喷嘴密封槽43，喷嘴密封槽43内安装有密封垫，以保证射流喷嘴4的密封性。射流喷嘴4通过螺栓密封连接在腔体的侧壁上，并与内嵌于侧壁上的刀壳流道13相连，以便于冷媒输送装置5将液态冷媒通过刀壳流道13，输送至射流喷嘴4，再由射流喷孔41喷射至发热元件2上。
进一步的，液冷散热装置包括：流量控制装置6，可以为电动阀、电磁阀、气动阀中的一种。流量控制装置6设置于流道分支的末端与射流喷嘴4之间，流量控制装置6用于调节由流道分支流入射流喷嘴4的液态冷媒的流量。
本实施例中可以通过常规的温度调节方式对流量控制装置6进行控制，实现对流入射流喷嘴4的冷媒的流量的调节，根据对应发热元件2的温度的不同，调整流量控制装置6的开合度。
当某个或某些发热元件2的功耗较高，而其余发热元件2的功耗偏低时，可以调节对应的流量控制装置6增大高能耗发热元件2对应的刀壳流道13内液态冷媒的流量，满足局部高热流密度的发热元器件2的散热，并减小低能耗发热元件2对应的刀壳流道13内冷媒的流量，以降低液冷系统整体的能耗。
进一步的，液冷散热装置还包括：压力检测器10以及压力平衡装置9；压力检测器10设置于腔体的顶部，压力检测器10电连接于压力平衡装置9，压力检测器10用于检测腔体内部的压力值；压力平衡装置9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。
具体的，腔体内部的压力通过压力检测器10进行检测，以便控制腔体内部压力在一定的范围内，当压力过高或过低时均通过压力平衡装置9进行压力平衡。
该压力平衡装置9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。需要说明的是，该压力阈值为一个压力取值范围，当小于该压力阈值时，表示腔体内部压力较低，反之，则表示腔体内部压力较高。
进一步的，液冷散热装置还包括：液位控制器11；液位控制器11设置于腔体侧壁的上方，液位控制器11用于检测腔体内部液态冷媒的液位，当液位低于一定值时，则利用外置的补液罐对前提内的液态冷媒进行补液，当液面回升后，则停止补液。
需要说明的是，刀片服务器侧方还设置有穿壁密封电连接件3，采用插针连接器穿过刀片服务器的腔体，并进行密封，以便于服务器主板1与刀片服务器外界进行电交互。
在本实施例中，设定6片CPU发热元件2都满负荷工作时，流量控制装置6全开，
当设定6片CPU发热元件2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4冷媒射流的流量和流速，实现根据CPU发热元件2的热量进行液冷散热降温。
当设定6片CPU发热元件2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6，如电动阀开度的大小，来控制射流至单个发热元件2的冷媒流量，对不同散热需求的发热元件2所对应的射流喷嘴4进行单独控制，进一步实现，每个发热元件2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6片CPU发热元件2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，本申请提出了刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，液冷散热装置包括：冷媒输送装置设置于腔体的底部，连接于浸没射流装置的进液端，用于将腔体底部的液态冷媒输送至浸没射流装置；浸没射流装置固定在腔体的侧壁，设置于发热元件的对侧，浸没射流装置的侧壁上设置有多个上倾斜的射流喷嘴，多个射流喷嘴分别连接于刀壳流道中多条逐级分流的流道分支，刀壳流道连接于冷媒输送装置，射流喷嘴喷射出的液态冷媒击打在发热元件上，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。通过本申请中的技术方案，将刀壳内未发生相变的液态冷媒通过射流喷嘴直接喷射至发热元件上，带走发热元件产生的热量，提升液冷服务器的散热性能。
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 (7)

1.刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，其特征在于，所述液冷散热装置适用于刀片服务器，所述刀片服务器设置有服务器刀壳(12)以及服务器主板(1)，所述服务器刀壳(12)内设置有腔体，所述腔体内盛放有液态冷媒，所述服务器主板(1)上设置有多个发热元件(2)，所述发热元件(2)浸没于所述液态冷媒，所述液态冷媒对所述发热元件(2)吸热后沸腾汽化，所述液冷散热装置包括：浸没射流装置以及冷媒输送装置(5)；
所述冷媒输送装置(5)设置于所述腔体的底部，所述冷媒输送装置(5)连接于所述浸没射流装置的进液端，所述冷媒输送装置(5)用于将所述腔体底部的液态冷媒输送至所述浸没射流装置；
所述浸没射流装置固定在所述腔体的侧壁，所述浸没射流装置设置于所述发热元件(2)的对侧，所述浸没射流装置的侧壁上设置有多个上倾斜的射流喷嘴(4)，多个所述射流喷嘴(4)分别连接于刀壳流道(13)中多条逐级分流的流道分支，所述刀壳流道(13)连接于所述冷媒输送装置(5)，所述射流喷嘴(4)喷射出的液态冷媒击打在所述发热元件(2)上，
其中，所述射流喷嘴(4)上设置有多个射流喷孔(41)，所述射流喷孔(41)与所述发热元件(2)之间的间距为所述射流喷孔(41)直径的预设倍数。
2.如权利要求1所述的刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，其特征在于，所述刀壳流道(13)内嵌于所述腔体的侧壁；
所述液冷散热装置包括：流量控制装置(6)；
所述流量控制装置(6)设置于所述流道分支的末端与所述射流喷嘴(4)之间，所述流量控制装置(6)用于调节由所述流道分支流入所述射流喷嘴(4)的所述液态冷媒的流量。
3.如权利要求2所述的刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，其特征在于，所述液冷散热装置还包括：压力检测器(10)以及压力平衡装置(9)；
所述压力检测器(10)设置于所述腔体的顶部，所述压力检测器(10)电连接于所述压力平衡装置(9)，所述压力检测器(10)用于检测所述腔体内部的压力值；
所述压力平衡装置(9)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内部的压力。
4.如权利要求2所述的刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，其特征在于，所述液冷散热装置还包括：液位控制器(11)；
所述液位控制器(11)设置于所述腔体侧壁的上方，所述液位控制器(11)用于检测所述腔体内部液态冷媒的液位。
5.如权利要求1至4中任一项所述的刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，其特征在于，所述发热元件(2)的表面刻蚀有微柱状结构。
6.如权利要求1所述的刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，其特征在于，所述射流喷嘴(4)射流端所在平面与所述发热元件(2)所在平面间的夹角为45-75°。
7.如权利要求6中任一项所述的刀片服务器壳内部的自循环浸没射流相变液冷散热装置，其特征在于，所述射流喷嘴(4)的底部设置有喷嘴密封槽(43)，所述喷嘴密封槽(43)内安装有密封垫。
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