CN112839490B - 一种两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置及方法，系统级结构包括机柜散热装置，冷凝水系统，余热回收装置，储液器，液体泵，气体室以及流体工质和相应管道。以上结构构成一个闭合环路，环路充入氮气保持低压状态，由液体泵驱动管道流体流动；气体室维持两相流环路中气压相对稳定；储液器连通气体室，提供了使得相变更容易发生的足够气体空间；机柜散热装置可切换主被动模式，以求在良好散热能力下达到PUE最小化；冷凝水系统独立于环路外，为机架级热虹吸管冷凝端提供冷源；余热回收装置回收余热，并使热虹吸管入口工质温度保持稳定。本发明高集成度，自动控制，多级结构散热，能效比优良。

Description

一种两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置及方法

技术领域

本发明涉及一种散热装置及方法，特别涉及一种两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置及方法，属于机房散热技术领域。

背景技术

随着云计算业务的高速发展，数据中心的规模逐渐增大，数据中心机柜中的刀片服务器发热量越来越大，加之电子设备尤其是CPU集成集体管数量激增，为了保证电子设备正常运行，这些热量需要高效的被输送出去，因此，数据中心机柜的散热系统有着更新换代以匹配更高散热要求的必要；此外，数据中心机柜服务器的高散热需求也会增大PUE(PowerUsage Effectiveness，电能利用效率)值，PUE值是指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比，已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标，出于节能考虑，数据中心机柜的散热系统需要在满足散热需求的前提下尽可能减少能源消耗。

目前，数据中心散热主要有风冷、单相液冷以及两种方式结合三种方案，而部分方案中含有热管的使用。风冷散热主要针对的是数据中心机房的散热，虽然方案较成熟，耗能较小，但是风冷散热难以满足机柜内部的散热需求；风冷与单相液冷结合的散热方法使用也较为广泛，兼顾了机房散热与机柜散热，但是两种散热系统须分别供能，能耗较高；单相液冷方案应用较少，且由于少了机房级风冷散热，散热效果不如风冷与单相液冷结合的方案。也有不少方案应用了现有的热管技术，运用到了气液两相流，但是热管仅作为一个散热组件出现，气液两相流并不是数据中心系统的主要散热手段。

根据目前数据中心机柜散热方案，可以发现具体存在以下几个问题，首先，对于机柜散热，没有一个既高效又足够节能的散热方案，两相流散热可以解决这个问题但是目前没有一个成形的方案以支持数据中心的两相流散热；其次，目前的数据中心散热方案层次不够分明，没有一个集芯片级散热，组件级散热和系统级散热于一体的高效易集成的散热方案，对于芯片级散热，现有方案涉及较少，且都不够具体可行，与组件级散热和系统级散热不相兼容；其三，目前的散热方案有较多涉及到散热模式的转换，以实现根据散热需求而改变散热模式进而实现减小能耗的目标，但风冷和单相液冷的散热模式转换难以提供高散热性能与节约能耗兼具的方案。

授权公告号为CN 111479441 B的专利提供了一个泵驱两相流循环的数据中心散热系统，其中涉及到了两相散热和散热模式的转换，还涉及到通过风冷与外界环境的换热，具有高效的散热性能；不过，该专利涉及到气液分离器和喷淋装置，结构复杂，散热方式众多但同时也意味着耗能的增加，同时，该专利应用到两相散热，但没有对该专利所述热收集模块应用模式转化，直接热源处没有散热手段的改进，具体的模式转换效果可能不明显。

结合以上情况，现在的数据中心机柜亟需一个兼具高散热性能与节约能耗的散热系统，而其中两相流散热是一个值得考虑的优良选择；同时考虑到数据中心载荷变化幅度大，需要一个可根据散热需求而改变散热模式的散热系统，以实现能耗的最小化，当然，此系统也需要高度的自动控制以降低应用的难度。

发明内容

技术问题：针对数据中心机柜散热难以集成，能效低，自动化程度低的问题，本发明提出了一种两相流主被动式数据中心机柜散热装置及方法，根据数据中心机柜不同工作状态调整散热模式，从而达到低耗能的自动控制散热。

技术方案：本发明的一种两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置中，数据中心机柜阵列包含多个数据中心机柜，每一个数据中心机柜中包含多个刀片服务器主板，每个刀片服务器主板的机架级环路热虹吸管级联并连接到热虹吸管冷却工质入口管道和热虹吸管冷却工质出口管道；每个机柜的热虹吸管冷却工质入口管道和热虹吸管冷却工质出口管道级联并和其他组件通过液体管道连接；位于每个机架级环路热虹吸管上的机柜冷凝装置的冷凝水入口管道和冷凝水出口管道级联；冷却工质入口的储液器和冷却工质出口的储液器均有气体空间，并通过储液器间气体歧管，机柜气体歧管相互连接并连接至具有很大气体空间的气体室和机架级环路热虹吸管的顶端；冷却工质入口的储液器位于比机架级环路热虹吸管高的位置，而冷却工质出口的储液器位于比机架级环路热虹吸管低的位置；

具体连接方式：

冷却工质入口的储液器液体出口连接至数据中心机柜的热虹吸管冷却工质入口管道，热虹吸管冷却工质出口管道通过液体管道依次连接冷却工质循环余热回收装置，冷却工质出口的储液器，并连接到冷却工质循环的液体泵液体入口，冷却工质循环的液体泵液体出口通过液体管道连接至冷却工质入口的储液器液体入口；

机柜冷凝装置的冷凝水出口管道通过液体管道连接冷凝水循环余热回收装置，再通过液体管道连接至冷凝水系统的液体泵液体入口，冷凝水系统的液体泵液体出口连接至机柜冷凝装置的冷凝水入口管道；

冷却工质入口的储液器气体出口连接至冷却工质出口的储液器气体入口，冷却工质出口的储液器气体出口连接至气体室和机架级环路热虹吸管顶部管道。

其中，

所述数据中心机柜包含多个刀片服务器主板，刀片服务器主板的散热装置包括机架级环路热虹吸管和刀片服务器冷凝装置；每个机架级环路热虹吸管的入口和出口分别连接至热虹吸管冷却工质入口管道和热虹吸管冷却工质出口管道；每个刀片服务器冷凝装置的入口和出口分别连接至冷凝水入口管道和冷凝水出口管道。

所述刀片服务器冷凝装置和冷凝水出口管道的连接管道处设有冷凝装置温度传感器和冷凝水出口温控阀，冷凝装置温度传感器相对冷凝水出口温控阀更靠近刀片服务器冷凝装置；冷凝水入口温控阀位于刀片服务器冷凝装置和冷凝水入口管道的连接管道处；冷凝装置温度传感器、冷凝水入口温控阀和冷凝水出口温控阀之间通过冷凝装置导线连接。

所述机架级环路热虹吸管和热虹吸管冷却工质入口管道的连接管道处设有冷却工质入口的温控阀；冷却工质出口的温控阀位于机架级环路热虹吸管和热虹吸管冷却工质出口管道的连接管道处；气体阀位于机架级环路热虹吸管和机柜气体歧管的连接管道处；第一CPU温度传感器和第二CPU温度传感器分别位于刀片服务器主板上的刀片服务器的第一CPU，刀片服务器的第二CPU处；冷却工质入口的温控阀、冷却工质出口的温控阀、气体阀、第一CPU温度传感器以及第二CPU温度传感器之间通过热虹吸管导线连接。

所述刀片服务器的第一CPU、刀片服务器的第二CPU与热界面材料集成在一起，热界面材料中包裹热虹吸管蒸发段管道的圆环结构包裹着热虹吸管蒸发段管道；4个热虹吸管蒸发段管道并联，且与机架级环路热虹吸管连接；热界面材料带有分形树状流道，具有热界面材料工质左入口，热界面材料工质右入口两个流体入口；热界面材料工质左出口，热界面材料工质右出口两个流体出口；热界面材料工质左入口和热界面材料工质右入口通过热界面材料工质入口管道连接至机架级环路热虹吸管在热虹吸管蒸发段管道左侧的管道；热界面材料工质左出口和热界面材料工质右出口通过热界面材料工质出口管道连接至机架级环路热虹吸管在热虹吸管蒸发段管道右侧的管道。

所述热界面材料内包含上下两层分形树状流道，两层分形树状流道之间通过位于分形树状流道末梢的分形树状流道上下层连接管道相连；分形树状流道中包含多个微池，包裹热虹吸管蒸发段管道的圆环结构刻蚀有多个热界面材料圆环结构中的流道，微池和热界面材料圆环结构中的流道一一连接。

本发明的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置的散热方法，冷却工质入口的储液器、机架级环路热虹吸管、冷却工质循环余热回收装置、冷却工质出口的储液器、冷却工质循环的液体泵构成封闭循环结构，冷却工质工作在低气压状态，工质采用蒸馏水，此封闭循环结构抽真空后充入少量氮气，最终使系统在注入工质后工作在0.1个大气压下；机柜冷凝装置、冷凝水循环余热回收装置、冷凝水系统的液体泵构成封闭循环结构，此封闭循环结构采用水作为冷却工质，工作在常压下；由冷凝装置温度传感器监测冷凝水温度；由第一CPU温度传感器和第二CPU温度传感器监测CPU结温。

其中，

当冷凝装置温度传感器监测的冷凝水温度低于冷凝水的高温阈值时，冷凝水入口温控阀和冷凝水出口温控阀均关闭，冷凝水系统的液体泵关闭；当冷凝装置温度传感器监测的冷凝水温度高于冷凝水的高温阈值时，冷凝装置温度传感器发出信号开启冷凝水入口温控阀和冷凝水出口温控阀，并开启冷凝水系统的液体泵，不断向机柜冷凝装置注入冷凝水；当冷凝装置温度传感器监测的冷凝水温度低于冷凝水低温阈值并且冷凝水入口温控阀、冷凝水出口温控阀和冷凝水系统的液体泵均处于开启状态时，冷凝装置温度传感器发出信号，冷凝水系统的液体泵关闭，随后冷凝水入口温控阀和冷凝水出口温控阀也先后关闭。

所述第一CPU温度传感器和第二CPU温度传感器监测的CPU结温均低于CPU高温阈值时，冷却工质入口的温控阀、冷却工质出口的温控阀和气体阀均关闭，机架级环路热虹吸管进行被动式两相流冷却；当第一CPU温度传感器或第二CPU温度传感器监测的CPU结温高于CPU高温阈值时，超过阈值温度的传感器发出信号，冷却工质入口的温控阀和冷却工质出口的温控阀开启，气体阀维持关闭状态，位于高处的冷却工质入口的储液器中的工质流向机架级环路热虹吸管，并通过管道流向位于低处的冷却工质出口的储液器，机架级环路热虹吸管开始进行主动式两相流冷却；第一CPU温度传感器和第二CPU温度传感器监测的CPU结温均低于CPU低负荷阈值温度，且冷却工质入口的温控阀、冷却工质出口的温控阀开启时，第一CPU温度传感器和第二CPU温度传感器发出信号，冷却工质入口的温控阀关闭，同时气体阀开启，机架级环路热虹吸管顶部管道的工质流向低处的冷却工质出口的储液器，随后冷却工质出口的温控阀与气体阀关闭，机架级环路热虹吸管回到被动式两相流冷却。

所述机架级环路热虹吸管左侧管道的工质通过热界面材料工质入口管道流入热界面材料中的分形树状流道，并通过热界面材料工质出口管道流出至机架级环路热虹吸管的右侧管道；微池和热界面材料圆环结构中的流道构成微型热虹吸管。

有益效果：本发明具有以下优点：

第一、本发明为两相流散热提供了一整套的实施方案，相比于传统液冷和风冷散热具有更好的散热效果；

第二、本发明设计了具有多层次的散热结构和自动控制方案，解决了目前数据中心散热系统集成度低，难以实现自动控制的难题；

第三、本发明根据数据中心机柜的载荷不同，设计了主被动两相流散热两种不同模式，散热系统仅需提供驱动液体泵和传感器的电能即可，在保证散热效果的基础上保证了数据中心的PUE尽可能低；

第四、本发明结合了微通道冷却技术并加以改进，使得芯片产生的热量更高效的进入散热系统中。

附图说明

图1为本发明的系统结构简图。

图2为机柜散热系统的内部示意图。

图3为单个刀片服务器散热系统顶部的结构图。

图4是单个刀片服务器散热系统热源处的结构图。

图5是热界面材料的示意图。

图6显示的是热界面材料的分形树状流道，

图7显示的是圆环结构中的流道，

图8是分形树状流道的细节图。

图中有：数据中心机柜阵列1，数据中心机柜2，机柜冷凝装置3，冷却工质循环的液体泵4，冷凝水系统的液体泵5，冷却工质入口的储液器6，冷却工质出口的储液器7，冷凝水循环余热回收装置8-1，冷却工质循环余热回收装置8-2，储液器间气体歧管9-1，机柜气体歧管9-2，气体室10，机架级环路热虹吸管11，热虹吸管冷却工质入口管道12，热虹吸管冷却工质出口管道13，冷凝水入口管道14，冷凝水出口管道15；机柜外壳16，刀片服务器主板17，刀片服务器冷凝装置18；冷却工质入口的温控阀19，冷却工质出口的温控阀20，气体阀21，冷凝装置温度传感器22，冷凝水入口温控阀23，冷凝水出口温控阀24，冷凝装置导线25-1，热虹吸管导线25-2；刀片服务器的第一CPU26-1，刀片服务器的第二CPU26-2，第一CPU温度传感器27-1，第二CPU温度传感器27-2，热虹吸管蒸发段管道28，热界面材料29，热界面材料工质入口管道30，热界面材料工质出口管道31，包裹热虹吸管蒸发段管道的圆环结构32；热界面材料工质左入口33-1，热界面材料工质右入口33-2，热界面材料工质左出口34-1，热界面材料工质右出口34-2，分形树状流道35，微池36，热界面材料圆环结构中的流道37，分形树状流道上下层连接管道38。

冷却工质入口的储液器液体入口a，冷却工质入口的储液器液体出口b，冷却工质入口的储液器气体出口c，冷却工质出口的储液器气体入口d，冷却工质出口的储液器气体出口e，冷却工质循环的液体泵液体入口f，冷却工质循环的液体泵液体出口g，冷凝水系统的液体泵液体出口m，冷凝水系统的液体泵液体入口n，机架级环路热虹吸管顶部管道p。

具体实施方式

本发明的一种两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置中，数据中心机柜阵列1包含多个数据中心机柜2，每一个数据中心机柜2中包含多个刀片服务器主板17，每个刀片服务器主板17的机架级环路热虹吸管11级联并连接到热虹吸管冷却工质入口管道12和热虹吸管冷却工质出口管道13；每个机柜的热虹吸管冷却工质入口管道12和热虹吸管冷却工质出口管道13级联并和其他组件通过液体管道连接；位于每个机架级环路热虹吸管11上的机柜的机柜冷凝装置3的冷凝水入口管道14和冷凝水出口管道15级联；冷却工质入口的储液器6和冷却工质出口的储液器7均有气体空间，并通过储液器间气体歧管9-1，机柜气体歧管9-2相互连接并连接至具有很大气体空间的气体室10和机架级环路热虹吸管11的顶端；冷却工质入口的储液器6位于比机架级环路热虹吸管11高的位置，而冷却工质出口的储液器7比机架级环路热虹吸管11低的位置；

具体连接方式：

冷却工质入口的储液器液体出口b连接至数据中心机柜2的热虹吸管冷却工质入口管道12，热虹吸管冷却工质出口管道13通过液体管道依次连接冷却工质循环余热回收装置8-2，冷却工质出口的储液器7，并连接到冷却工质循环的液体泵液体入口f，冷却工质循环的液体泵液体出口g通过液体管道连接至冷却工质入口的储液器液体入口a；

机柜冷凝装置3的冷凝水出口管道15通过液体管道连接冷凝水循环余热回收装置8-1，再通过液体管道连接至冷凝水系统的液体泵液体入口n，冷凝水系统的液体泵液体出口m连接至机柜冷凝装置3的冷凝水入口管道14；

冷却工质入口的储液器气体出口c连接至冷却工质出口的储液器气体入口d，冷却工质出口的储液器气体出口e连接至气体室10和机架级环路热虹吸管顶部管道p。

本发明采用多层级的散热结构，包括芯片级，组件级以及系统级。

芯片级散热方案：刀片服务器的双路CPU芯片与热界面材料(TIM)集成，热界面材料选用高热导率的金刚石作为构造材料，并在金刚石内部刻蚀出流体沟道，沟道主体采用分形树状结构，使得热量可在热界面材料层均匀分布；此外，热界面材料在分形树状结构末端添加众多微池，与上方的圆环形结构的沟道组成微型环路热虹吸管，圆环形沟道刻蚀在热界面材料上部的圆环状结构中，此结构包裹着机架级环路热虹吸管的蒸发段，此圆环状结构与环路热虹吸管中间用导热硅脂粘合，使得热量更高效的传导至流体工质中；热界面材料中的沟道入口通过导管与环路热虹吸管蒸发段的入口流道相连，出口同样连接热虹吸管的蒸发段出口。

组件级散热方案：组件级散热主体是机架级环路热虹吸管，还包括冷凝装置，温度传感器以及温控阀。如芯片级散热方案所述，机架级环路热虹吸管的蒸发段与热界面材料粘合，通过直接冷却热界面材料来实现散热；环路热虹吸管的冷凝段浸没在冷凝装置中，冷凝装置中低温水作为冷却工质，使得热虹吸管蒸发段入口工质温度下降，进而使得热虹吸管拥有更好的持续散热效果；温度传感器获取工作状态下CPU芯片结温和冷凝水出口温度，温控阀根据温度的变化自动控制热虹吸管的工作模式和冷凝装置的工作模式。

系统级散热方案：系统级散热方案将机柜中多个机架级环路热虹吸管并联，机房中多个机柜间的散热系统也可并联，构成散热系统的主体。此外还包括的组件有液体泵，储液器，余热回收装置，气体室以及相应气体歧管和气阀。液体泵驱动工质循环以及冷凝系统循环；储液器存储液体并保留气体空间，气体空间连接气体室，使得液体工质的相变不会导致气压的剧烈变化；余热回收装置回收冷却工质和冷凝水中的余热，使入口处的工质和冷凝水温度维持相对低温；气体歧管连接两储液器的气体部分，并连接机架级环路热虹吸管的顶部，使得系统各个部分气压平衡，使得气阀打开时液体在重力作用下流动。同时，每个机架级环路热虹吸管的冷凝装置并联，并经过余热回收装置回收余热，由液体泵泵送至入口端。

所述系统由两个封闭循环构成，冷却工质循环和冷凝水循环。主要的冷却工质工作在低气压状态，工质采用蒸馏水，封闭系统抽真空后充入少量氮气，最终使系统工作在0.1个大气压下。冷凝水循环采用水作为冷却工质，工作在常压下。

所述系统随着所述数据中心热负荷的改变，可采用主被动式两相流两种工作模式：

被动两相流：当数据中心机柜处于低负荷运行时，所有温控阀和气阀关闭，系统依靠机架级环路热虹吸管进行被动式两相流冷却模式。液体工质在热虹吸管蒸发段和热界面材料中发生相变，从而蒸发段出口出现两相流，其密度小于入口处的单相流，则入口端压力高于出口端，工质在此压差下流动，热虹吸管工作在被动式两相流冷却模式。

主动两相流：温度传感器获取刀片服务器CPU的芯片结温，当数据中心机柜处于高负荷运行，芯片结温超过了危险阈值时，热虹吸管入口和出口的温控阀开启，处在高处的储液器中的液体工质由于重力作用流向热虹吸管，经过环路后，液体工质从出口阀门流出，经余热回收装置流进位于低处的储液器。此时系统工作在主动式流动相变散热模式。需要注意的是，当低处储液器液体积累到一定程度，打开液体泵将液体泵送至高处的储液器。

当所述系统工作在低负荷状态时，整体散热装置采取被动式两相流散热；当所述系统由低负荷状态转向高负荷状态时，整体散热装置转变为主动式两相流散热；当所述系统由高负荷状态转向低负荷状态时，整体散热装置回归为被动式两相流散热。

所述冷凝水系统的液体循环独立于上述工作模式转换过程，温度传感器获取冷凝装置出口处温度，当温度超过阈值时，冷凝器入口和出口的温控阀打开，液体泵打开向相应冷凝装置注入冷凝水；当出口处温度低于一定阈值时，液体泵关闭，随后两个温控阀关闭，冷凝装置再次在封闭情况下与热虹吸管顶管进行热交换。

所述散热系统及其控制方法具有以下特征：

1.具有多层次的散热结构，芯片级、组件级与系统级层次分明，易于集成；

2.应用了两相流散热方式，具有更高的换热系数和散热效果；

3.散热系统针对数据中心不同散热需求调整工作模式，保持较大的能效比；

4.利用温度传感器和温控阀实现系统模式转换，实现了高度的自动控制；

5.气体室维持封闭系统气压稳定，且气体可辅助系统的自动控制；

6.使用微流道和微池并加以结合改进，使得芯片处的散热效果更显著。

下面结合附图对本发明做出进一步详细说明。

如图1所示，冷凝水系统的液体泵5、余热回收装置8-1和机柜冷凝装置3组成冷凝水系统，而数据中心机房的机柜阵列1中的机架级环路热虹吸管11，冷却工质循环的液体泵4，冷却工质入口的储液器6，冷却工质出口的储液器7，冷却工质循环余热回收装置8-2，储液器间气体歧管9-1、机柜气体歧管9-2和气体室10构成所述机柜散热装置。所述机柜散热装置构成闭合环路，工作在0.1个大气压下，其中液体工质为蒸馏水(0.1个大气压下水沸点约为46℃，符合两相流工作条件)。当数据中心热负荷较小时，所述机架级环路热虹吸管11处于被动式冷却，机柜散热装置不工作，没有能耗，仅有冷凝水系统工作。而当数据中心热负荷较大时，所述机架级环路热虹吸管11处于主动式冷却，所述机架级环路热虹吸管11变为主动冷却的流体管道，冷却工质入口的储液器6位于高处，向所述机架级环路热虹吸管11中注入液体工质，而出口工质进入冷却工质循环余热回收装置8-2中回收余热，而后进入冷却工质出口的储液器7，当冷却工质入口的储液器6中液体工质过少时，启动冷凝水系统的液体泵5，将冷却工质出口的储液器7中液体泵送至冷却工质入口的储液器6。值得注意的是，两储液器的气体部分通过储液器间气体歧管9-1相互连通，并通过机柜气体歧管9-2连接至气体室10和机架级环路热虹吸管11的冷凝段，既保证两储液器气压平衡，使得两者液体交换顺利发生，又由于气体室10的大空间，气压不会发生剧烈变化。

如图2、图3所示，18为刀片服务器冷凝装置，为机架级环路热虹吸管11的顶部冷却，使机架级环路热虹吸管11蒸发段入口工质保持较低温度；冷却工质入口的温控阀19控制着机架级环路热虹吸管的入口，冷却工质出口的温控阀20控制着机架级环路热虹吸管11的出口，而气体阀21控制着所述机架级环路热虹吸管11与图2中机柜气体歧管9-2的连接。当所述机架级环路热虹吸管11处于被动散热模式时，冷却工质入口的温控阀19，冷却工质出口的温控阀20以及气体阀21均关闭；当机架级环路热虹吸管11进入主动冷却模式时，冷却工质入口的温控阀19和冷却工质出口的温控阀20打开，此时由于图1中冷却工质入口的储液器6的气体部分和冷却工质出口的储液器7的气体部分与机架级环路热虹吸管11连通，气压平衡，冷却工质入口的储液器6中工质由于重力自动流向机架级环路热虹吸管11中，机架级环路热虹吸管11进入主动两相流散热模式；当机架级环路热虹吸管11再次进入被动散热模式时，冷却工质入口的温控阀19关闭，气体阀21开启，此时机柜气体歧管9-2连通机架级环路热虹吸管11的顶部管道和冷却工质出口的储液器7的气体部分，气压平衡，机架级环路热虹吸管11顶部管道的工质由于重力会流向冷却工质出口的储液器7，完成散热模式转换，而后冷却工质出口的温控阀20和气体阀21关闭，系统进入被动散热模式。冷凝装置温度传感器22监测冷凝装置出口温度，冷凝水入口温控阀23，冷凝水出口温控阀24分别控制冷凝装置分路的入口和出口，当冷凝装置温度传感器22监测到温度上升到一定阈值时，冷凝装置温度传感器22通过冷凝装置导线25-1发出信号至冷凝水入口温控阀23和冷凝水出口温控阀24，冷凝水入口温控阀23和冷凝水出口温控阀24开启，图1中冷却工质循环液体泵4开启，向刀片服务器冷凝装置18中注入冷凝水，当温度下降到一定阈值，且冷凝水入口温控阀23和冷凝水出口温控阀24开启时，冷却工质循环液体泵4关闭，冷凝水入口温控阀23和冷凝水出口温控阀24随后关闭，刀片服务器冷凝装置14再次在封闭情况下与机架级环路热虹吸管11顶管进行热交换。

如图4、图5所示，26-1、26-2分别为刀片服务器的第一CPU和刀片服务器的第二CPU，也是散热系统的热源；第一CPU温度传感器27-1、第二CPU温度传感器27-2分别监测刀片服务器的第一CPU26-1、刀片服务器的第二CPU26-2的芯片结温，通过导线26-2与图3中冷却工质入口的温控阀19和冷却工质出口的温控阀20及气体阀21相连，当其中一个CPU芯片结温超过危险阈值时，第一CPU温度传感器27-1、第二CPU温度传感器27-2通过热虹吸管导线25-2发出信号到冷却工质入口的温控阀19、冷却工质出口的温控阀20和气体阀21，控制机架级环路热虹吸管11进入主动两相流散热模式，当两CPU芯片结温都低于一定阈值，且冷却工质入口的温控阀19、冷却工质出口的温控阀20打开时，第一CPU温度传感器27-1、第二CPU温度传感器27-2通过热虹吸管导线25-2发出信号到冷却工质入口的温控阀19、冷却工质出口的温控阀20和气体阀21，使机架级环路热虹吸管11再次进入被动两相流散热模式，具体控制方式如上文所述；28是热虹吸管蒸发段管道，为了增大换热面积，蒸发段分为四管道；29是热界面材料，其与刀片服务器的第一CPU26-1、刀片服务器的第二CPU26-2集成，直接与芯片交换热量，且其材料为金刚石，内部刻蚀有微流道，微流道通过热界面材料工质入口管道30和热界面材料工质出口管道31连接着机架级环路热虹吸管11，与其换热，此外热界面材料29的环状结构包裹着热虹吸管蒸发段管道28，使热量更均匀的传导至机架级环路热虹吸管11。包裹热虹吸管蒸发段管道的圆环结构32的四个环状结构分别包裹着图4所示环路热虹吸管蒸发段的管道28，两者间用导热硅脂粘合，使热阻更小，包裹热虹吸管蒸发段管道的圆环结构32内部也刻蚀着流道，使热量在热界面材料上均匀传导。

如图6、图7和图8所示，热界面材料内部流道采用上下双层的分形树状流道35，图中所示为上层流道，热界面材料工质左入口33-1和热界面材料工质右入口33-2连接下层的分形树状结构，而热界面材料工质左出口34-1和热界面材料工质右出口34-2连接上层的分形树状结构，上下层流道除了出入口方向不同，结构均相同，两层流道通过图8中分形树状流道上下层连接管道38连接；分形树状流道35分为两个独立分形树，左分形树的左侧与右分形树的右侧分别直接处于刀片服务器的第一CPU26-1、刀片服务器的第二CPU26-2上方，为了将热量在热界面材料均匀的传导，将两分形树分别拓展到热界面材料29的中央区域；热界面材料29中还包含着众多微池结构，即微池36，增加分形树工质质量的同时，与图7热界面材料圆环结构中的流道37相连接。热界面材料圆环结构中的流道37厚度很小，内部工质处于薄膜状态，蒸发效率很高，有利于换热的进行。

Claims (8)

1.一种两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，该散热装置中，数据中心机柜阵列（1）包含多个数据中心机柜（2），每一个数据中心机柜（2）中包含多个刀片服务器主板（17），每个刀片服务器主板（17）的机架级环路热虹吸管（11）级联并连接到热虹吸管冷却工质入口管道（12）和热虹吸管冷却工质出口管道（13）；每个机柜的热虹吸管冷却工质入口管道（12）和热虹吸管冷却工质出口管道（13）级联并和其他组件通过液体管道连接；位于每个机架级环路热虹吸管（11）上的机柜冷凝装置（3）的冷凝水入口管道（14）和冷凝水出口管道（15）级联；冷却工质入口的储液器（6）和冷却工质出口的储液器（7）均有气体空间，并通过储液器间气体歧管（9-1），机柜气体歧管（9-2）相互连接并连接至具有很大气体空间的气体室（10）和机架级环路热虹吸管（11）的顶端；冷却工质入口的储液器（6）位于比机架级环路热虹吸管（11）高的位置，而冷却工质出口的储液器（7）位于比机架级环路热虹吸管（11）低的位置；

具体连接方式：

冷却工质入口的储液器液体出口（b）连接至数据中心机柜（2）的热虹吸管冷却工质入口管道（12），热虹吸管冷却工质出口管道（13）通过液体管道依次连接冷却工质循环余热回收装置（8-2），冷却工质出口的储液器（7），并连接到冷却工质循环的液体泵液体入口（f），冷却工质循环的液体泵液体出口（g）通过液体管道连接至冷却工质入口的储液器液体入口（a）；

机柜冷凝装置（3）的冷凝水出口管道（15）通过液体管道连接冷凝水循环余热回收装置（8-1），再通过液体管道连接至冷凝水系统的液体泵液体入口（n），冷凝水系统的液体泵液体出口（m）连接至机柜冷凝装置（3）的冷凝水入口管道（14）；

冷却工质入口的储液器气体出口（c）连接至冷却工质出口的储液器气体入口（d），冷却工质出口的储液器气体出口（e）连接至气体室（10）和机架级环路热虹吸管顶部管道（p）；

所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置的散热方法为：冷却工质入口的储液器（6）、机架级环路热虹吸管（11）、冷却工质循环余热回收装置（8-2）、冷却工质出口的储液器（7）、冷却工质循环的液体泵（4）构成封闭循环结构，冷却工质工作在低气压状态，工质采用蒸馏水，此封闭循环结构抽真空后充入少量氮气，最终使系统在注入工质后工作在0.1个大气压下；机柜冷凝装置（3）、冷凝水循环余热回收装置（8-1）、冷凝水系统的液体泵（5）构成封闭循环结构，此封闭循环结构采用水作为冷却工质，工作在常压下；由冷凝装置温度传感器（22）监测冷凝水温度；由第一CPU温度传感器（27-1）和第二CPU温度传感器（27-2）监测CPU结温；

所述第一CPU温度传感器（27-1）和第二CPU温度传感器（27-2）监测的CPU结温均低于CPU高温阈值时，冷却工质入口的温控阀（19）、冷却工质出口的温控阀（20）和气体阀（21）均关闭，机架级环路热虹吸管（11）进行被动式两相流冷却；当第一CPU温度传感器（27-1）或第二CPU温度传感器（27-2）监测的CPU结温高于CPU高温阈值时，超过阈值温度的传感器发出信号，冷却工质入口的温控阀（19）和冷却工质出口的温控阀（20）开启，气体阀（21）维持关闭状态，位于高处的冷却工质入口的储液器（6）中的工质流向机架级环路热虹吸管（11），并通过管道流向位于低处的冷却工质出口的储液器（7），机架级环路热虹吸管（11）开始进行主动式两相流冷却；第一CPU温度传感器（27-1）和第二CPU温度传感器（27-2）监测的CPU结温均低于CPU低负荷阈值温度，且冷却工质入口的温控阀（19）、冷却工质出口的温控阀（20）开启时，第一CPU温度传感器（27-1）和第二CPU温度传感器（27-2）发出信号，冷却工质入口的温控阀（19）关闭，同时气体阀（21）开启，机架级环路热虹吸管（11）顶部管道的工质流向低处的冷却工质出口的储液器（7），随后冷却工质出口的温控阀（20）与气体阀（21）关闭，机架级环路热虹吸管（11）回到被动式两相流冷却。

2.根据权利要求1所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，所述数据中心机柜（2）包含多个刀片服务器主板（17），刀片服务器主板（17）的散热装置包括机架级环路热虹吸管（11）和刀片服务器冷凝装置（18）；每个机架级环路热虹吸管（11）的入口和出口分别连接至热虹吸管冷却工质入口管道（12）和热虹吸管冷却工质出口管道（13）；每个刀片服务器冷凝装置（18）的入口和出口分别连接至冷凝水入口管道（14）和冷凝水出口管道（15）。

3.根据权利要求2所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，所述刀片服务器冷凝装置（18）和冷凝水出口管道（15）的连接管道处设有冷凝装置温度传感器（22）和冷凝水出口温控阀（24），冷凝装置温度传感器（22）相对冷凝水出口温控阀（24）更靠近刀片服务器冷凝装置（18）；冷凝水入口温控阀（23）位于刀片服务器冷凝装置（18）和冷凝水入口管道（14）的连接管道处；冷凝装置温度传感器（22）、冷凝水入口温控阀（23）和冷凝水出口温控阀（24）之间通过冷凝装置导线（25-1）连接。

4.根据权利要求2所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，所述机架级环路热虹吸管（11）和热虹吸管冷却工质入口管道（12）的连接管道处设有冷却工质入口的温控阀（19）；冷却工质出口的温控阀（20）位于机架级环路热虹吸管（11）和热虹吸管冷却工质出口管道（13）的连接管道处；气体阀（21）位于机架级环路热虹吸管（11）和机柜气体歧管（9-2）的连接管道处；第一CPU温度传感器（27-1）和第二CPU温度传感器（27-2）分别位于刀片服务器主板上的刀片服务器的第一CPU（26-1），刀片服务器的第二CPU（26-2）处；冷却工质入口的温控阀（19）、冷却工质出口的温控阀（20）、气体阀（21）、第一CPU温度传感器（27-1）以及第二CPU温度传感器（27-2）之间通过热虹吸管导线（25-2）连接。

5.根据权利要求4所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，所述刀片服务器的第一CPU（26-1）、刀片服务器的第二CPU（26-2）与热界面材料（29）集成在一起，热界面材料（29）中包裹热虹吸管蒸发段管道的圆环结构（32）包裹着热虹吸管蒸发段管道（28）；4个热虹吸管蒸发段管道（28）并联，且与机架级环路热虹吸管（11）连接；热界面材料（29）带有分形树状流道（35），具有热界面材料工质左入口（33-1），热界面材料工质右入口（33-2）两个流体入口；热界面材料工质左出口（34-1），热界面材料工质右出口（34-2）两个流体出口；热界面材料工质左入口（33-1）和热界面材料工质右入口（33-2）通过热界面材料工质入口管道（30）连接至机架级环路热虹吸管（11）在热虹吸管蒸发段管道（28）左侧的管道；热界面材料工质左出口（34-1）和热界面材料工质右出口（34-2）通过热界面材料工质出口管道（31）连接至机架级环路热虹吸管（11）在热虹吸管蒸发段管道（28）右侧的管道。

6.根据权利要求5所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，所述热界面材料（29）内包含上下两层分形树状流道（35），两层分形树状流道（35）之间通过位于分形树状流道（35）末梢的分形树状流道上下层连接管道（38）相连；分形树状流道（35）中包含多个微池（36），包裹热虹吸管蒸发段管道的圆环结构（32）刻蚀有多个热界面材料圆环结构中的流道（37），微池（36）和热界面材料圆环结构中的流道（37）一一连接。

7.根据权利要求1所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，当冷凝装置温度传感器（22）监测的冷凝水温度低于冷凝水的高温阈值时，冷凝水入口温控阀（23）和冷凝水出口温控阀（24）均关闭，冷凝水系统的液体泵（5）关闭；当冷凝装置温度传感器（22）监测的冷凝水温度高于冷凝水的高温阈值时，冷凝装置温度传感器（22）发出信号开启冷凝水入口温控阀（23）和冷凝水出口温控阀（24），并开启冷凝水系统的液体泵（5），不断向机柜冷凝装置（3）注入冷凝水；当冷凝装置温度传感器（22）监测的冷凝水温度低于冷凝水低温阈值并且冷凝水入口温控阀（23）、冷凝水出口温控阀（24）和冷凝水系统的液体泵（5）均处于开启状态时，冷凝装置温度传感器（22）发出信号，冷凝水系统的液体泵（5）关闭，随后冷凝水入口温控阀（23）和冷凝水出口温控阀（24）也先后关闭。

8.根据权利要求1所述的两相流主被动式多层级数据中心机柜散热装置，其特征在于，所述机架级环路热虹吸管（11）左侧管道的工质通过热界面材料工质入口管道（30）流入热界面材料（29）中的分形树状流道（35），并通过热界面材料工质出口管道（31）流出至机架级环路热虹吸管（11）的右侧管道；微池（36）和热界面材料圆环结构中的流道（37）构成微型热虹吸管。

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