CN112394792A - 高热流密度芯片浸没式相变冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明专利涉及一种高热流密度芯片浸没式相变冷却系统，包括分别安装在主体机柜各个区域内的相变冷却插箱、氟碳冷却液循环系统、冷却水循环系统和氟利昂循环系统，氟碳冷却液循环系统包括氟碳冷却液循环管路、储液箱和循环泵；冷却水循环系统包括冷凝器、过冷器、板换水箱、供液泵、过滤器和水循环管路；氟利昂循环系统包括压缩机、蒸发器、膨胀阀、干燥过滤器、冷凝器、散热风机和氟利昂制冷剂循环管路。本发明可作为超算与云计算服务器、大规模集成电路芯片、微系统工程和有源相控阵天线等高集成电路与芯片的热解决方案；具有散热效率高、结构集成化与轻量化程度高、投资少等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷却系统，尤其涉及一种芯片高热流密度、高散热效率的冷却系统。
背景技术
近年来，随着CPU运算速度的提高和微电子技术不断发展，芯片功耗和发热量越来越大，需要更强的空气流动散热。由于风扇功率的增加，噪音也随之越来越大，针对一些高性能CPU需要风扇转速超过7000rpm，进而会产生60分贝噪音。因此，风冷系统已不能适应于更快速度CPU散热要求，而液冷系统通过将芯片与冷板直接接触从而实现热传递与散热，但是芯片与冷板的接触热阻仍对传热效率存在一定瓶颈，且对流道的加工以及接触面的加工要求较高，提升了设计生产成本。因此，需要更高效率的冷却方式，实现高热流密度散热要求。因此，设计一种高热流密度芯片浸没式相变冷却系统显得十分重要。
发明内容
本发明的目的主要在于克服目前高热流密度高负荷运转芯片散热效率不足，提出了一种基于氟碳冷却液相变高散热效率特点，通过三级循环冷却从而将芯片发热量转移到空气中的浸没式冷却系统。
本发明的上述目的主要通过以下技术方案实现：一种高热流密度芯片浸没式相变冷却系统，包括分别安装在主体机柜各个区域内的相变冷却插箱、氟碳冷却液循环系统、冷却水循环系统和氟利昂循环系统，氟碳冷却液循环系统包括氟碳冷却液循环管路、储液箱和循环泵，相变冷却插箱安装有流体分配器，氟碳冷却液循环管路与流体分配器连通，通过循环泵的动力支持，将储液箱内氟碳冷却液抽入相变冷却插箱内进行循环冷却；
冷却水循环系统包括冷凝器、过冷器、板换水箱、供液泵、过滤器和水循环管路，所述冷凝器和过冷器置于储液箱内，板换水箱内具有循环水，冷凝器、过冷器、板换水箱、供液泵和过滤器通过水循环管路串联，形成循环；
氟利昂循环系统包括压缩机、蒸发器、膨胀阀、干燥过滤器、冷凝器、散热风机和氟利昂制冷剂循环管路，压缩机、蒸发器、膨胀阀、干燥过滤器、冷凝器和散热风机通过氟利昂制冷剂循环管路串联，形成循环，并与板换水箱连通。
优选的，所述相变冷却插箱包括由助拔器、主体插箱、聚四氟乙烯导轨、盲插水接头、服务器主板、导向销、电连接器、快速接头和密封条，所述助拔器分别与主体插箱的上下两端连接，服务器主板固定在主体插箱的一侧，且周边具有密封条，快速接头具有两个，分别为相变冷却插箱的进水和出水口，并与流体分配器连接，流体分配器上具有两个快速接头，并通过软管与氟碳冷却液循环系统连通，所述盲插水接头、导向销和电连接器实现水、机械和电的一体式盲插。
优选的，所述氟碳冷却液循环系统还包括泄压阀、用于监测氟碳蒸汽温度的第一温度传感器、第一过滤器、第一流量计、用于监测氟碳冷却液温度的第二温度传感器和第一压力传感器，泄压阀、第一温度传感器、第一过滤器、第一流量计、第二温度传感器和第一压力传感器均安装在氟碳冷却液循环管路上。
优选的，所述冷却水循环系统的水循环管路上还设置有第二流量计、第二压力传感器和第三温度传感器。
本发明将服务器主板芯片完全浸没在低沸点的绝缘氟碳冷却液中，介质通过沸腾相变带走服务器运行工作中产生的热量，同时气化后的氟碳冷却液与冷却水循环系统在储液箱进行两级热交换，降温后的氟碳蒸汽变为液体，由储液箱中的循环泵吸入进入相变冷却插箱中。经吸热后的冷却水变为高温循环水，在板换水箱中与氟碳冷却液循环系统的氟利昂制冷剂进行充分热交换，高温循环水变为低温循环水回到板换水箱中，再通过供液泵继续输送至储液箱。经吸热后的氟利昂制冷剂蒸发为高温低压气体，经过压缩机压缩后，经冷凝器和散热风机将热量转移到空气中，继续变为低温高压饱和液体再次循环到蒸发器中与冷却水进行热交换，从而实现对芯片的三级冷却循环，提高散热效率。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明相变冷却插箱示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。
参见图1和2所示，本实施例具体工作过程如下：
高热流密度芯片浸没式相变冷却系统是通过氟碳冷却液循环系统200、冷却水循环系统300和氟利昂循环系统400的协同工作实现。首先，通过储液箱12的加液口进行加液，加满液后，循环泵15启动，将储液箱12的氟碳冷却液经流体分配器8和供液盲插水接头5输送到相变冷却插箱100，相变冷却插箱100的两侧盖板为有机玻璃材料，能观察到插箱内液位高低，两侧盖板通过密封条10与插箱主体结构2形成密封结构。直到相变冷却插箱100的服务器主板4完全浸没在氟碳冷却液中，若不能完全浸没，则需要在储液箱12再次补液。
所述的相变冷却插箱100固定在主体机柜上，通过聚四氟乙烯导轨3和导向销6来实现相变冷却插箱的定位与插拔，相变冷却插箱100盲插到到位后通过助拔器1进行锁定。其盲插水接头5和电连接器7实现水路和电路的连接，同时水路能实现插拔过程中的自密封。
由于氟碳冷却液具有良好的导热性能和高介电常数，服务器工作过程中，服务器主板4产生大量的热被氟碳冷却液吸收后，相变蒸发为氟碳蒸汽，通过插箱顶部的盲插水接头5，流经流体分配器8的流道，快速接头9和与之相连的金属软管而进入储液箱12内的冷凝腔。冷凝腔内设有两级冷凝：一级为冷凝器13、二级为过冷器14。氟碳冷却液蒸汽先经过冷凝器13，在冷凝器中13与冷却水进行热交换，冷凝后的液体滴落在储液箱12底部，未被冷凝的氟碳冷却液蒸汽继续经过过冷器14处被冷凝成液体，进入储液箱12底部，被设置在储液箱底部的循环泵15吸入后继续进行输送。氟碳冷却液流经氟碳冷却液循环管路21，通过快速接头9和流体分配器8的流道，然后通过插箱底部供液盲插水接头5，送至相变冷却插箱100内，形成整个氟碳冷却液的循环过程。
所述的氟碳冷却液循环系统200上设置有第一温度传感器17用来检测相变氟碳蒸汽的温度，供液管路上设置有第一流量计22、第二温度传感器23和第一压力传感器24用来监测氟碳冷却液体供液流量、供液温度和压力。其氟碳冷却液循环管路21的回液管路和供液管路通过法兰密封与储液箱12连接，法兰与法兰之间通过O型圈进行密封；管路中间通过金属软管与相变冷却插箱100的出液口与进液口的快速接头9连接，实现密封。
所述的冷却水循环系统300为闭式系统，采用纯净水作为循环介质。相变后的氟碳蒸汽进入储液箱12，此时冷却水循环系统启动，供液泵33将板换水箱29中的纯净水通过冷却水循环管路25输送至二级过冷器14和冷凝器13。其中在冷却水循环管路25上设置第二压力传感器26和第三温度传感器27用来监测冷却水的出水温度和压力，使温度控制在15-35℃。在储液箱12中，相变氟碳蒸汽与冷凝器13和二级过冷器14中的低温冷却水充分热交换，将氟碳蒸汽冷却为氟碳冷却液体，冷却水吸热变为高温循环水。
冷却水循环管路25与储液箱12和板换水箱29通过法兰连接，法兰内嵌入O型圈实现密封，中间连接管路采用金属软管，方便拆装。
氟利昂循环系统400主要包括压缩机31、蒸发器30、膨胀阀42、干燥过滤器41、冷凝器34和散热风机35，并通过氟利昂制冷剂循环管路28串联。
在水循环系统启动同时，低温低压的R22气体被压缩机31吸入，压缩成高温高压的气体，通过散热风机35和冷凝器34将热量交换到空气中，被冷却成高压饱和液体，制冷剂液体经膨胀阀节流降压后进入板换水箱中的蒸发器30，液态制冷剂在蒸发器30中与循环水热交换产生蒸发吸热，使循环水温度降低，蒸发后的R22气体再次被吸入压缩机31，形成氟利昂的循环过程。
本发明可作为超算与云计算服务器、大规模集成电路芯片、微系统工程和有源相控阵天线等高集成电路与芯片的热解决方案；具有投资少，散热效率高和集成化高等优点。
Claims (4)
1.一种高热流密度芯片浸没式相变冷却系统，其特征在于：包括分别安装在主体机柜各个区域内的相变冷却插箱(100)、氟碳冷却液循环系统(200)、冷却水循环系统(300)和氟利昂循环系统(400)，氟碳冷却液循环系统(200)包括氟碳冷却液循环管路(21)、储液箱(12)和循环泵(15)，相变冷却插箱(100)安装有流体分配器(8)，氟碳冷却液循环管路(21)与流体分配器(8)连通，通过循环泵(15)的动力支持，将储液箱(12)内氟碳冷却液抽入相变冷却插箱(100)内进行循环冷却；
冷却水循环系统(300)包括冷凝器(13)、过冷器(14)、板换水箱(29)、供液泵(33)、过滤器(32)和水循环管路(25)，所述冷凝器(13)和过冷器(14)置于储液箱(12)内，板换水箱(29)内具有循环水，冷凝器(13)、过冷器(14)、板换水箱(29)、供液泵(33)和过滤器(32)通过水循环管路(25)串联，形成循环；
氟利昂循环系统(400)包括压缩机(31)、蒸发器(30)、膨胀阀(42)、干燥过滤器(41)、冷凝器(34)、散热风机(35)和氟利昂制冷剂循环管路(28)，压缩机(31)、蒸发器(30)、膨胀阀(42)、干燥过滤器(41)、冷凝器(34)和散热风机(35)通过氟利昂制冷剂循环管路(28)串联，形成循环，并与板换水箱(29)连通。
2.根据权利要求1所述的高热流密度芯片浸没式相变冷却系统，其特征在于：所述相变冷却插箱(100)包括由助拔器(1)、主体插箱(2)、聚四氟乙烯导轨(3)、盲插水接头(5)、服务器主板(4)、导向销(6)、电连接器(7)、快速接头(9)和密封条(10)，所述助拔器(1)分别与主体插箱(2)的上下两端连接，服务器主板(4)固定在主体插箱(2)的一侧，且周边具有密封条(10)，快速接头(9)具有两个，分别为相变冷却插箱(100)的进水和出水口，并与流体分配器(8)连接，流体分配器(8)上具有两个快速接头(9)，并通过软管与氟碳冷却液循环系统(200)连通，所述盲插水接头(5)、导向销(6)和电连接器(7)实现水、机械和电的一体式盲插。
3.根据权利要求1所述的高热流密度芯片浸没式相变冷却系统，其特征在于：所述氟碳冷却液循环系统(200)还包括泄压阀(16)、用于监测氟碳蒸汽温度的第一温度传感器(17)、第一过滤器(18)、第一流量计(22)、用于监测氟碳冷却液温度的第二温度传感器(23)和第一压力传感器(24)，泄压阀(16)、第一温度传感器(17)、第一过滤器(18)、第一流量计(22)、第二温度传感器(23)和第一压力传感器(24)均安装在氟碳冷却液循环管路(21)上。
4.根据权利要求1所述的高热流密度芯片浸没式相变冷却系统，其特征在于：所述冷却水循环系统(300)的水循环管路(25)上还设置有第二流量计(20)、第二压力传感器(26)和第三温度传感器(27)。
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