CN112099593B - 一种用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，包括：刀壳流道内嵌于服务器刀片的盖板中，刀壳流道的一端连接于服务器刀片的冷媒入口，冷媒入口连接于冷媒输送装置，刀壳流道的另一端连接于浸没射流装置；浸没射流装置设置于发热元件的对侧，其侧壁上设置有多个阵列排布的、向上倾斜的射流喷嘴，射流喷嘴液体喷射端所在平面与发热元件所在平面间的夹角在预设角度范围内，射流喷嘴的液体输入端连接于刀壳流道，射流喷嘴的液体喷射端的喷射范围覆盖发热元件。通过本申请中的技术方案，将散热后的低温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

一种用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统

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服务器的浸没液冷散热系统。

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。

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液态冷媒的刀壳中，并在服务器外侧设置对应的冷媒散热器及冷媒循环装置，利用低温的、循环的液态冷媒，对浸没于其中的主板发热元件进行吸热，再由冷媒散热器，对吸收热量后的液态冷媒进行散热，重新形成低温的液态冷媒，实现对液冷服务器的散热。

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，导致传统的浸没式液冷服务器内部的液态冷媒温度呈现阶梯式分布，使得液冷服务器的散热效果无法满足发热元件的散热需求。

而现有技术中，通常是通过调大液态冷媒的流量，加速液态冷媒循环，同时设置冷媒流道，而这种方式不仅加大了液冷散热系统的设计难度，增加了生产成本，同时还使得液冷散热系统的能耗增加，不利于节能。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：将散热后的低温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。

本申请的技术方案是：提供了一种用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，浸没式液冷服务器包括串联的服务器刀片、冷媒散热器、储液罐以及冷媒输送装置，服务器刀片内部设置有密封腔体，密封腔体内盛放有液态冷媒，服务器刀片的发热元件浸没于液态冷媒，系统包括：浸没射流装置以及刀壳流道；刀壳流道内嵌于服务器刀片的盖板中，刀壳流道的一端连接于服务器刀片的冷媒入口，冷媒入口连接于冷媒输送装置，刀壳流道的另一端连接于浸没射流装置；浸没射流装置设置于发热元件的对侧，浸没射流装置的侧壁上设置有多个阵列排布的、向上倾斜的射流喷嘴，射流喷嘴液体喷射端所在平面与发热元件所在平面间的夹角在预设角度范围内，射流喷嘴的液体输入端连接于刀壳流道，射流喷嘴的液体喷射端的喷射范围覆盖发热元件。

上述任一项技术方案中，进一步地，侧壁固定在服务器刀片的盖板上，射流喷嘴的液体喷射端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，射流喷嘴的底部设置有喷嘴密封槽，喷嘴密封槽内设置有密封垫圈。

上述任一项技术方案中，进一步地，刀壳流道包括多条逐级分流的流道分支，流道分支的末端连接于射流喷嘴；系统包括：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，系统还包括：压力检测器；压力检测器设置于服务器刀片的顶部，压力检测器用于检测并显示服务器刀片内部的压力值。

上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：缓冲罐；

缓冲罐连接于储液罐，缓冲罐的罐体内设置有气囊，气囊内部填充有压力值为预设缓冲压力的气体，缓冲罐用于平衡系统内液态冷媒的压力。

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。

本申请的有益效果是：

本申请中的技术方案，通过在发热元件的对侧设置浸没射流装置，利用射流喷嘴直接将低温的液态冷媒喷射至发热元件上，对服务器刀片内密封腔体中的液态冷媒增加扰动，使得吸热后的液态冷媒逐渐向发热元件的四周扩散，提高了液冷散热系统的冷媒利用效率以及整体的散热性能。并通过对刀壳流道、射流喷嘴的优化设计，使得液态冷媒能够以更好地角度和流量喷射至发热元件上，进一步优化了发热元件的散热效果。

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服务器的浸没液冷散热系统的示意框图；

图2是根据本申请的一个实施例的刀壳流道的示意图。

图3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4是根据本申请的一个实施例的射流喷嘴分布的示意图；

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-服务器刀片、2-冷媒散热器、3-储液罐、4-冷媒输送装置、5-缓冲罐、101-服务器主板、102-发热元件、103-穿壁密封电连接件、104-冷媒入口、105-冷媒出口、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服务器的浸没液冷散热系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，浸没式液冷服务器包括串联的服务器刀片1、冷媒散热器2、储液罐3以及冷媒输送装置4。

本实施例中，服务器刀片1的冷媒出口105连接于冷媒散热器2，冷媒散热器2依次与储液罐3、冷媒输送装置4相连，冷媒输送装置4则连接于服务器刀片1的冷媒入口104。服务器刀片1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，密封腔体内盛放有液态冷媒，将发热元件102浸没于液态冷媒，利用液态冷媒吸收发热元件102工作过程中产生的热量。

该液态冷媒为高沸点不导电液体，与服务器主板101材料相容性良好。沸点高于高热流密度发热元件102表面限定最高温度。

本实施例中，冷媒输送装置4可以为供液泵。

本实施例中，冷媒流向如图1中箭头所示。服务器刀片1内部的液态冷媒在冷媒输送装置4的作用下，由冷媒出口105流向冷媒散热器2，冷媒散热器2对液态冷媒进行散热，形成低温液态冷媒，之后，将低温液态冷媒传输至储液罐3进行存储，并且在冷媒输送装置4的作用下，流向冷媒输送装置4，由冷媒入口104重新流入服务器刀片1，利用低温液态冷媒对发热元件102进行液冷散热，其中，冷媒出口105的内径大于液体进口104的内径。

需要说明的是，为了增加发热元件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。

本实施例中，为了在密封腔体内的液态冷媒中增加扰动，在该液冷系统中引入浸没射流装置，将其喷射出的、低温的液态冷媒击打在发热元件102上，以提高液冷系统的散热效果。

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，具体处理方式采用光刻蚀技术。

该液冷散热系统包括：浸没射流装置以及刀壳流道110；刀壳流道110内嵌于服务器刀片1的盖板中，刀壳流道110的一端连接于服务器刀片1的冷媒入口104，冷媒入口104连接于冷媒输送装置4，刀壳流道110的另一端连接于浸没射流装置；

如图2所示，刀壳流道110包括多条逐级分流的流道分支，采用逐级分流一分二设计的方式，保证喷射至8片CPU发热元件102的冷媒流量均流分配。

如图3和图4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阵列排布的射流喷嘴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的液体输入端连接于刀壳流道110，射流喷嘴108的液体喷射端的喷射范围覆盖发热元件102，射流喷嘴108喷射出的低温液态冷媒击打在发热元件102上，使得低温液态冷媒直接对发热元件102进行散热，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，避免发热元件102周围的液体冷媒温度呈现阶梯状分布，提高浸没发热元件102的液态冷媒温度均一性。

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，采用逐级分流一分二设计的方式，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5和图6所示，射流喷嘴108倾斜设置于浸没射流装置的侧壁，侧壁固定在服务器刀片1的盖板上，射流喷嘴108的液体喷射端设置有多个阵列排布的、向上倾斜的射流喷孔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，侧壁固定在服务器刀片1的盖板上，射流喷嘴108液体喷射端所在平面与发热元件102所在平面间的夹角在预设角度范围内。

本实施例中，预设角度范围为45-75°，该夹角如图3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，有助于加快腔体中冷媒的散热循环，并结合本实施例中设定的射流喷孔1081的直径、射流喷孔1081与发热元件102之间距离，能够降低喷射出的液体冷媒对发热元件102的冲击，避免发热元件因外界冲击损坏，同时设定此距离在换热效果上最优。

需要说明的是，本实施例中，还试验了夹角为45°、60°的两种情况，这两种夹角对应的散热效果与夹角为75度的散热效果基本相同，其中，夹角为45°时，对发热元件102刻蚀形成微柱状结构的冲击偏大。

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内设置有密封垫圈。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将冷媒散热器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，刀壳流道110包括多条逐级分流的流道分支，流道分支的末端连接于射流喷嘴108；系统包括：流量控制装置109；流量控制装置109设置于流道分支的末端与射流喷嘴108之间，流量控制装置109用于调节由流道分支流入射流喷嘴108的液态冷媒的流量，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。

进一步的，系统还包括：压力检测器107；压力检测器107设置于服务器刀片1的顶部，压力检测器107用于检测并显示服务器刀片1内部的压力值，便于操作人员知晓服务器刀片1内部的压力，当出现检测到的压力值超出液冷散热系统的安全运行压力范围时，可由操作人员进行停机操作或者系统自行停机，以保证服务器安全运行。

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。

本实施例中，可以通过检测储液罐3中冷媒的温度，来控制冷媒散热器2中用于冷却液态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，加大冷媒散热器2中冷却液的流量，增加冷媒散热器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，减少冷媒散热器2中冷却液中流量，减小冷媒散热器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。

进一步的，系统还包括：缓冲罐5；缓冲罐5连接于储液罐3，缓冲罐5的罐体内设置有气囊，气囊内部填充有压力值为预设缓冲压力的气体，缓冲罐用于平衡系统内液态冷媒的压力。

具体的，由于该系统中只存在液态冷媒，当系统中的液体压力大于缓冲罐5中气囊内部的液体压力时，储液罐3中的液态冷媒压入至缓冲罐5的罐体中，以均衡系统中的液体压力。同时，缓冲罐5的罐体中还可以存储有部分液态冷媒，当系统中的液体压力小于缓冲罐5中气囊内部的液体压力时，缓冲罐5中的液态冷媒压入至储液罐3，提高系统中的液体压力。

需要说明的是，气囊内部的气体压力可以根据系统的具体参数进行设置，本实施例中并不限定。

首先，可以设定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服务器的浸没液冷散热系统，该系统适用于浸没式液冷服务器，浸没式液冷服务器包括串联的服务器刀片、冷媒散热器、储液罐以及冷媒输送装置，服务器刀片内部设置有密封腔体，密封腔体内盛放有液态冷媒，服务器刀片的发热元件浸没于液态冷媒，其特征在于，系统包括：浸没射流装置以及刀壳流道；刀壳流道内嵌于服务器刀片的盖板中，刀壳流道的一端连接于服务器刀片的冷媒入口，冷媒入口连接于冷媒输送装置，刀壳流道的另一端连接于浸没射流装置；浸没射流装置设置于发热元件的对侧，浸没射流装置的侧壁上设置有多个阵列排布的、向上倾斜的射流喷嘴，射流喷嘴液体喷射端所在平面与发热元件所在平面间的夹角在预设角度范围内，射流喷嘴的液体输入端连接于刀壳流道，射流喷嘴的液体喷射端的喷射范围覆盖发热元件。通过本申请中的技术方案，将散热后的低温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)

1.一种用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，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包括串联的服务器刀片（1）、冷媒散热器（2）、储液罐（3）以及冷媒输送装置（4），所述服务器刀片（1）内部设置有密封腔体，所述密封腔体内盛放有液态冷媒，所述服务器刀片（1）的发热元件（102）浸没于所述液态冷媒，所述系统包括：浸没射流装置以及刀壳流道（110）；

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）的一端连接于所述服务器刀片（1）的冷媒入口（104），所述冷媒入口（104）连接于所述冷媒输送装置（4），所述刀壳流道（110）的另一端连接于所述浸没射流装置；

所述浸没射流装置设置于所述发热元件（102）的对侧，所述浸没射流装置的侧壁上设置有多个阵列排布的、向上倾斜的射流喷嘴（108），所述射流喷嘴（108）液体喷射端所在平面与所述发热元件（102）所在平面间的夹角在预设角度范围内，其中，所述预设角度范围为45-75°，

所述射流喷嘴（108）的位置与所述发热元件（102）一一对应，

所述射流喷嘴（108）的液体输入端连接于所述刀壳流道（110），所述射流喷嘴（108）的液体喷射端的喷射范围覆盖所述发热元件（102）。

2.如权利要求1所述的用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，其特征在于，所述侧壁固定在所述服务器刀片（1）的所述盖板上，所述射流喷嘴（108）的所述液体喷射端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。

3.如权利要求2所述的用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，其特征在于，所述射流喷嘴（108）的底部设置有喷嘴密封槽（1083），所述喷嘴密封槽（1083）内设置有密封垫圈。

4.如权利要求1至3中任一项所述的用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，其特征在于，所述刀壳流道（110）包括多条逐级分流的流道分支，所述流道分支的末端连接于所述射流喷嘴（108）；

所述系统包括：流量控制装置（109）；

所述流量控制装置（109）设置于所述流道分支的末端与所述射流喷嘴（108）之间，所述流量控制装置（109）用于调节由所述流道分支流入所述射流喷嘴（108）的所述液态冷媒的流量。

5.如权利要求1所述的用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，其特征在于，所述系统还包括：压力检测器（107）；

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）用于检测并显示所述服务器刀片（1）内部的压力值。

6.如权利要求1所述的用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，其特征在于，所述系统还包括：缓冲罐（5）；

所述缓冲罐（5）连接于所述储液罐（3），所述缓冲罐（5）的罐体内设置有气囊，所述气囊内部填充有压力值为预设缓冲压力的气体，所述缓冲罐用于平衡所述系统内液态冷媒的压力。

7.如权利要求1所述的用于高热流密度服务器的浸没液冷散热系统，其特征在于，所述发热元件（102）的表面刻蚀有微柱状结构。

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