CN114554791B - 气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器及控制方法 - Google Patents

气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器及控制方法，包括气助式双面喷雾模块、刀片式服务器模块、进气管道、进液管道以及出口管道；所述气助式双面喷雾模块包括分别呈镜像对称分布的两组进气板和喷雾板以及位于镜像面的储气板；所述刀片式服务器模块由呈镜像对称设置的服务器箱体、喷雾腔、服务器主板及设置在主板上的元器件组成的两组刀片式服务器组件构成；本发明采用阵列式喷雾冷却，增大了喷雾面积，作用在换热面上的冷量更均匀，可有效解决电子元器件内部因热量传递不均匀而产生局部热点的问题。

Description

气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器及控制方法
技术领域
本发明涉及服务器散热领域，具体涉及一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器及控制方法。
背景技术
随着数据中心朝着大型化、集中化建设，机房高密度服务器设备不断增加，而刀片式服务器专门为密集计算环境而设计，是指在标准高度的机框内插装多个像刀片一样的卡式的服务器单元，每一块“刀片”就是一块系统主板，刀片式服务器与机架式服务器、塔式服务器相比，能够最大限度地节省服务器的使用空间、主板上的电子元器件的集成度更高，但散热问题也更为突出。
刀片式服务器散热方式为传统的风冷与以水为介质的内置或外置液冷模块散热，存在风冷散热效率低、噪音大，以及液冷模块体积大、冷却水需求量大以及漏水的问题，并且散热效率依旧跟不上持续增长的高性能刀片式服务器在高载荷的工作条件下对的散热需求。
喷雾冷却技术是一种新型相变冷却技术，具有较小的工质需求量以及与发热固体表面之间没有接触热阻等优点。采用阵列式分布的喷雾冷却技术，能在保证喷雾冷却的高效散热性能的同时，降低了芯片的局部热点温度，从而延长服务器芯片的使用寿命。因此，为实现数据中心的高度集成化需求，提出了一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器。
发明内容
为了解决高热流密度服务器散热的难题，本发明提供一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器及控制方法。
本发明采用如下技术方案实现：
一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器，该高功率刀片式服务器为对称结构，包括刀片式服务器模块及气助式双面喷雾模块；
所述刀片式服务器模块包括呈左右镜像设置，且结构相同的两个刀片式服务器组件，每个刀片式服务器组件包括服务器箱体、喷雾腔及服务器主板，所述服务器主板设置电子元器件，所述气助式双面喷雾模块喷出破碎液滴群，进入两个刀片式组件的喷雾腔内转变为雾状冲击喷雾腔内电子元器件的发热面，实现电子元器件的散热。
进一步，所述气助式双面喷雾模块包括两个呈左右镜像对称，且结构相同的喷雾组件，喷雾组件包括依次叠加放置的储气板、进气板及喷雾板；
所述储气板上设有气体腔以及进气流道，所述气体腔为空腔，所述进气流道分别与进气管道、气体腔相连通；所述气体腔用以容纳高压不凝性气体介质；
所述进气板上设有阵列进气孔；
所述喷雾板上设有分流腔、流体腔、阵列喷雾孔及进液流道；所述分流腔与流体腔无边界连通，所述进液流道分别与进液管道及分流腔相连通。
进一步，所述阵列进气孔沿放置水平方向孔径大小相同，沿重力方向的孔径呈阶梯递减，且单个进气孔的截面积沿孔内气体的流动方向逐渐减小，呈锥形。
进一步，所述阵列喷雾孔沿放置水平方向孔径大小相同，沿重力方向的孔径呈阶梯递减，且单个喷雾孔呈圆形漏斗状。
进一步，所述阵列喷雾孔与阵列进气孔的数量相等，且位置一一对应。
进一步，所述阵列喷雾孔初始端面的截面积小于阵列进气孔末端的截面积。
进一步，所述阵列进气孔及阵列喷雾孔采用顺排或错排的分布式布局。
进一步，两个喷雾组件共用储气板。
一种高功率刀片式服务器的控制方法，包括：
高压不凝性气体介质从进气管道通入储气腔，然后分别垂直进入两侧对称的阵列进气孔，随着阵列进气孔的截面沿气体流动方向逐渐减小，气体的速度逐渐加快，气体压强逐渐减小，在阵列进气孔的末端形成低压区；
同时，绝缘导热的液体冷却介质分别经由进液管道通入分流腔和液体腔，与高压气体进行混合进入阵列喷雾孔，在喷雾孔的截面积最小处气体速度最大，压强最小，液体冷却介质被吸入阵列喷雾孔中，在高压作用下，破碎成细小的液滴群后从阵列喷雾孔的末端喷出，进入喷雾腔内，在液体表面张力、粘性、空气阻力的相互作用下，转变为雾状微细液滴群并冲击至喷雾腔内的各电子元器件发热面，实现散热。
进一步，还包括雾状微细液滴群受热汽化并上升，在上升过程中遇到连续喷入的低温液体冷却介质后凝结成液态并下落至发热电子元器件的表面，继续参与换热，换热后的气液两相工质由出口管道排出。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用阵列式喷雾冷却，降低了喷雾高度，增大了喷雾面积，使得作用在换热面上的冷量更均匀，从而有效解决了电子元器件内部因热量传递不均匀而产生局部热点的问题；
(2)本发明采用高压不凝性气体辅助液体冷却介质实现雾化，产生的喷雾冲击加剧，冷却效果更好；
(3)本发明中冷却介质直接喷雾冲击至服务器的发热电子器件，与传统的散热技术相比，消除了发热器件与散热热沉间的接触热阻，有效提高了散热性能。
附图说明
图1是本发明一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器的结构示意图；
图2是本发明的一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器的纵向剖面结构示意图；
图3是本发明的气助式双面喷雾模块的结构示意图；
图4是本发明的储气板的结构示意图；
图5是本发明的进气板的结构示意图；
图6是本发明的喷雾板的结构示意图；
图7是本发明的刀片式服务器组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1及图2所示，一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器，该服务器为对称结构，包括气助式双面喷雾模块1、刀片式服务器模块2、进气管道3、进液管道4以及出口管道5；
所述进气管道3、进液管道4及出口管道5相互平行，可根据安装需求设置在气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器的同侧或不同侧。
所述刀片式服务器模块2包括结构相同且镜像对称设置的刀片式服务器组件21和刀片式服务器组件22。
如图7所示，所述刀片式服务器组件21包括服务器箱体211、喷雾腔212、服务器主板213以及设置在服务器主板213上的电子元器件，如硬盘、内存条、CPU、扩展插槽及主板芯片等，所述服务器箱体为刀片式服务器各电子远器件提供安装场所。
所述飞刀片式服务器组件22与刀片式服务器组件21结构相等，包括服务器箱体221、喷雾腔222、服务器主板223以及设置在服务器主板223上的电子元器件。
所述出水口与出口管道5连接。
如图2及图3所示，所述气助式双面喷雾模块包括两个呈左右镜像对称，且结构相同的喷雾组件11、喷雾组件12。两个喷雾组件共用储气板。
所述气助式双面喷雾模块1包括从左至右依次叠加放置的喷雾板113、进气板112、储气板111、进气板122、喷雾板123，所述进气板112和进气板122结构相同，为镜像对称分布，所述喷雾板113和喷雾板123结构相同，为镜像对称分布；所述储气板111、进气板112及喷雾板113构成喷雾组件11；所述储气板111、进气板122及喷雾板123构成喷雾组件21。
如图4所示，所述储气板111上设有用于引出接线的服务器外接接口区1111、气体腔1112，所述气体腔1112为空腔，即气体腔1112深度等于储气板111的深度，用以容纳高压不凝性气体介质；所述气体腔1112与进气管道3相连通；
如图5所示，所述进气板112上设有用于引出接线的服务器外接接口区1121、阵列进气孔1122，所述阵列进气孔1122呈锥形，其截面积沿气体在孔内的流动方向逐渐减小，是高压不凝性气体介质进入下一层喷雾板113流体腔1133的通道；所述阵列进气孔1122沿放置水平方向孔径大小相同，沿重力方向的孔径呈阶梯递减以实现高压气体从阵列进气孔1122末端均匀喷出。
如图6所示，所述喷雾板113上设有用于引出接线的服务器外接接口区1131、分流腔1132、流体腔1133、阵列喷雾孔1134；所述分流腔1132与进液管道4相连通；所述分流腔1132与流体腔1133无边界连通，是用来提供液体冷却介质暂存与分配的场所；所述流体腔1133、阵列喷雾孔1134为气液冷却介质混合提供空间；所述阵列喷雾孔1134呈圆形漏斗状，即阵列喷雾孔1134的截面积沿孔内流体的速度方向先减小后增大；所述阵列喷雾孔1134沿放置水平方向孔径大小相同，沿重力方向的孔径呈阶梯递减，以实现气液混合介质从阵列喷雾孔1134均匀喷出，确保喷雾效果；如图2所示，所述阵列喷雾孔1134与阵列进气孔1122数量相等，且位置一一对应，阵列喷雾孔1134初始端面的截面积小于阵列进气孔1122末端的截面积。
所述进气板112、喷雾板113为喷雾冷却的提前雾化提供条件。高压不凝性气体介质从阵列进气孔1122进入后，随着阵列进气孔1122截面积的减小，气体速度增加，根据伯努利方程，气体压强逐渐减小，在阵列进气孔1122的末端形成低压区。此时，液体冷却介质通过进液管道4、经由分流腔1132被吸入流体腔1133中与高压气体进行混合后进入阵列喷雾孔1134中，由于圆形漏斗状阵列喷雾孔1134的截面积沿流体流动方向先减小后增大，且初始端面截面积比阵列进气孔1122末端截面积小，进入阵列喷雾孔1134后的气体的流速继续增加，在阵列喷雾孔1134的截面积最小处，气体速度达到最大，压强最小，在阵列喷雾孔1134中形成低压区，此时，液体冷却介质以极快的速度被吸入阵列喷雾孔1134中；随后阵列喷雾孔1134的截面积逐渐增大，气体流速逐渐减小，压强逐渐增大，在高压的作用下，液体冷却介质破碎成细小的液滴群并快速从阵列喷雾孔1134的末端喷出；
所述喷雾腔为细小液滴实现雾化提供空间。经过阵列喷雾孔喷射出来的细小液珠群，遇到喷雾腔内静止或低速的气流，在液体表面张力、粘性、空气阻力的相互作用下，逐渐由滴落、平滑流、波状流转变为雾状微细群并冲击至服务器箱体内的各电子元器件发热面上，包括服务器主板以及设置在服务器主板上的电子元器件，如硬盘、内存条、CPU、扩展插槽及主板芯片等的发热面。
所述服务器箱体211设置出水口214与出口管道5连通；所述服务器箱体221设置出水口224与出口管道5连通，换热后的气液混合介质由出口管道5排出。
所述喷气板112、122上截面积沿气流方向逐渐减小的阵列进气孔1122、1222以及喷雾板113、123上截面积沿流体流动方向先减小后增大的呈圆形漏斗状喷雾孔1134、1234可采用顺排或错排的分布式布局，阵列进气孔为锥形。
所述气体介质为空气、氮气等不凝性气体；
所述液体冷却介质为绝缘导热的液体介质(如氟化液、矿物油等)。
本实施例的控制方法为：
高压不凝性气体介质连续不断从进气管道进入左右两侧呈镜像对称分布的气助式双面喷雾模块从而冷却刀片式服务器箱体中设置的发热元器件，即从进气管道3通入储气腔112的高压气体，分别垂直进入锥形阵列进气孔1122、1222，随着阵列进气孔1122、1222的截面沿气体流动方向逐渐减小，气体的速度逐渐加快，气体压强逐渐减小，在阵列进气孔1122、1222的末端形成低压区，此时，液体冷却介质经由进液管道4通入与之相连通的分流腔132、152和液体腔133、153内，与高压气体进行混合后进入圆形漏斗状(截面积沿流体流动方向先减小后增大)的阵列喷雾孔1134、1234中，在其截面积最小处，气体速度达到最大，压强最小，液体冷却介质进一步被吸入阵列喷雾孔1134、1234中，在高压的作用下，破碎成细小的液滴群后从阵列喷雾孔1134、1234的末端迅速喷出，遇到喷雾腔212、222内静止或低速的气流，在液体表面张力、粘性、空气阻力的相互作用下，逐渐由滴落、平滑流、波状流转变为雾状微细群并冲击至喷雾腔212、222内的各电子元器件发热面上，包括服务器主板213、223及设置在服务器主板213、223上的元器件，如硬盘2131、内存条2132、CPU2133、扩展插槽2134及主板芯片2135等的发热面，依靠喷雾冲击、液滴相变带走电子元器件的大量热量，此时，雾状微细液滴群受热汽化并上升，在上升过程中遇到连续不断喷入的低温液体冷却介质后凝结成液态并下落至发热电子元器件的表面，继续参与换热，换热后的气液两相工质由出口管道5排出。至此，气助式双面喷雾散热模块完成一个对高功率刀片式服务器的散热过程，依此循环。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气助式双面喷雾散热的高功率刀片式服务器，其特征在于，该高功率刀片式服务器为对称结构，包括刀片式服务器模块及气助式双面喷雾模块；
所述刀片式服务器模块包括呈左右镜像设置，且结构相同的两个刀片式服务器组件，每个刀片式服务器组件包括服务器箱体、喷雾腔及服务器主板，所述服务器主板设置电子元器件，所述气助式双面喷雾模块喷出破碎液滴群，进入两个刀片式服务器组件的喷雾腔内转变为雾状冲击喷雾腔内电子元器件的发热面，实现电子元器件的散热；
所述气助式双面喷雾模块包括两个呈左右镜像对称，且结构相同的喷雾组件，喷雾组件包括依次叠加放置的储气板、进气板及喷雾板；
所述储气板上设有气体腔以及进气流道，所述气体腔为空腔，所述进气流道分别与进气管道、气体腔相连通；所述气体腔用以容纳高压不凝性气体介质；
所述进气板上设有阵列进气孔；
所述喷雾板上设有分流腔、流体腔、阵列喷雾孔及进液流道；所述分流腔与流体腔无边界连通，所述进液流道分别与进液管道及分流腔相连通；
所述阵列进气孔沿放置水平方向孔径大小相同，沿重力方向的孔径呈阶梯递减，且单个进气孔的截面积沿孔内气体的流动方向逐渐减小，呈锥形；
所述阵列喷雾孔沿放置水平方向孔径大小相同，沿重力方向的孔径呈阶梯递减，且单个喷雾孔的截面积沿孔内流体流动方向先减小后增大；
所述阵列喷雾孔与阵列进气孔的数量相等，且位置一一对应；
所述阵列喷雾孔初始端面的截面积小于阵列进气孔末端的截面积；
高压不凝性气体通过进气管道进入气体腔，分别垂直进入两侧对称的阵列进气孔，并在阵列进气孔的末端形成低压区，此时液体冷却介质经由进液管道进入分流腔及流体腔，与高压不凝性气体进行混合后进入阵列喷雾孔，在高压的作用下，破碎成细小的液滴群后从阵列喷雾孔的末端迅速喷出。
2.根据权利要求1所述的高功率刀片式服务器，其特征在于，所述阵列进气孔及阵列喷雾孔采用顺排或错排的分布式布局。
3.根据权利要求1-2任一项所述的高功率刀片式服务器，其特征在于，两个喷雾组件共用储气板。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的高功率刀片式服务器的控制方法，其特征在于，包括：
雾状微细液滴群受热汽化并上升，在上升过程中遇到连续喷入的低温液体冷却介质后凝结成液态并下落至发热电子元器件的表面，继续参与换热，换热后的气液两相工质由出口管道排出。
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