CN115707217A - 一种强化冷凝传热的两相浸没式冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种两相浸没式冷却装置，包括箱体、发热元件、冷凝器、盖体和至少一个风扇。箱体的容纳腔中容纳有冷却液。发热元件设置于容纳腔中并浸没于冷却液中。冷凝器容纳于容纳腔中、位于冷却液和发热元件的上方并沿着箱体的侧壁设置。冷凝器远离多个内侧壁包围形成的上部空腔。在所述上部空腔内设置一固定在箱盖上的至少一个风扇。本申请提供的两相浸没式冷却装置可强化冷凝传热，使得所述箱体中的冷却液的蒸发速率和冷凝速率趋于平衡，降低了密闭的箱体内由于冷却液蒸气冷凝不完全形成的温度和压力不断升高的情况，减小了箱体内外的压差，降低了冷却液蒸气的泄漏损失，提高了两相浸没式冷却装置的经济性。

Description

一种强化冷凝传热的两相浸没式冷却装置

技术领域

本发明涉及一种两相浸没式冷却装置，尤其涉及一种强化冷凝传热的两相浸没式冷却装置。

背景技术

随着计算机芯片、物联网、新能源汽车的电池、电子器件、居家数字化电器设备、数字医疗、边缘计算的芯片和电子器件、量子计算、机械设备的发热部件或电子设备的发热部件功率及热流密度的快速提高，发热元件的冷却技术也经历了一代又一代的快速发展。经历过了被动散热方式的冷却，强化空气冷却，热虹吸式回路热管冷却，液体冷却和浸没式单相冷却技术的不断发展后，浸没式两相冷却方法是目前最具发展前途和最有效的服务器冷却技术之一。

现有的两相浸没式冷却装置包括一个箱体、发热元件、冷却液以及冷凝器。所述发热元件容纳于下部分的箱体中并浸没于所述冷却液中。所述冷凝器沿着箱体上部的多个内侧壁环绕周缘设置。所述冷凝器远离所述多个侧壁包围形成供所述发热元件上下穿过的空腔。所述冷却液吸收所述发热元件产生的热而被沸腾气化，发热元件由此而被冷却，冷却液蒸气上升至箱体上部的并在所述冷凝器上凝结，凝结于所述冷凝器上的冷却液在重力的作用下落回所述冷却液中，以此循环达到冷却发热元件的效果。然而，现有两相浸没式冷却装置在使用过程中的冷却液损失较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可降低冷却液损失的两相浸没式冷却装置。

本申请第一方面提供一种两相浸没式冷却装置，包括箱体、发热元件、冷凝器、盖体和至少一风扇。所述箱体包括首尾依次连接的多个侧壁和连接所述多个侧壁的一端的底壁，所述多个侧壁和所述底壁共同形成一容纳腔，所述容纳腔的下部容纳有冷却液。所述发热元件设置于所述容纳腔中并浸没于所述冷却液中。所述冷凝器容纳于所述容纳腔中、位于所述冷却液和所述发热元件的上方并沿着所述多个侧壁设置，所述冷凝器远离所述多个内侧壁包围形成的上部空腔。所述盖体适于覆盖所述箱体以密封所述容纳腔，且所述盖体适于展开于所述箱体而使所述容纳腔暴露于外界。所述至少一风扇固定设置于所述盖体上并容纳于所述上部空腔中。

在一些实施方式中，所述盖体可拆卸地或可翻转地连接于所述箱体上。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置包括多个风扇，所述多个风扇均匀设置于所述空腔中并与所述盖体连接。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述容纳腔中的至少一感测器，所述至少一感测器用于感测所述容纳腔中的气体温度、液体温度、气体湿度、所述容纳腔中的气体压力中和所述冷却液液体界面高度的至少一者。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述箱体顶部的安全阀门，当所述容纳腔中的气压高于预设气压时，打开所述安全阀门直至所述容纳腔中的气压低于预设气压，以保证所述两相浸没式冷却装置在安全的压力下工作。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括冷却液管理系统，用于向所述容纳腔中补充冷却液和过滤冷却液中的杂质。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括控制器，所述控制器与所述至少一风扇、至少一感测器、至少一冷凝器、至少一液面感测器、至少一安全阀门、至少一冷却液管理系统、至少一警报器电连接；当所述至少一感测器感测到所述容纳腔中的气体温度高于预设温度或所述容纳腔中的气体压力高于预设压力时，所述控制器控制调节所述风扇的风量、风压以及所述凝器冷中的冷却液的进口温度和流量。当所述液面感测器检测到的所述冷却液的液面高度低于预设高度时，所述控制器控制所述警报器发出警报并控制所述冷却液管理系统向所述容纳腔中补充冷却液。

在一些实施方式中，所述至少一感测器包括温度感测器、湿度感测器、压力感测器和液面感测器中至少一者。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述箱体上的液面感测器，所述液面感测器与所述容纳腔相连通并用于检测所述冷却液的液面高度。

在一些实施方式中，所述发热元件包括应用于数据中心的服务器、应用于新能源汽车的电池、电子芯片或电子器件、应用于居家智能数字化电器设备、应用于数字医疗的电子芯片或电子器件、应用于边缘计算的芯片和电子器件、应用于量子计算的芯片或电子器件、应用于机器人的芯片或电子器件、应用于机械设备的发热部件或电子设备的发热部件。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括密封地设置于所述箱体上的两个双面插座。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述箱体上的抽气阀门，所述抽气阀门用于与真空泵相连接以将所述容纳腔中的不凝气体抽出。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述盖体上的把手。

在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述箱体的底面的支撑件，所述支撑件为支撑架或滚轮。

本申请提供的两相浸没式冷却装置，通过在所述冷凝器远离所述侧壁的边缘包围形成的空腔中均匀地设置风扇，风扇转动可将位于所述空腔中的冷却液蒸气推至所述箱体周边的冷凝器上进行冷凝，增加了冷却液蒸气与所述冷凝器的接触速率，有效地强化了所述冷凝器的传热效果，使得所述箱体中的冷却液的蒸发速率和冷凝速率趋于平衡，降低了因蒸发速率高于冷凝速率所引起的箱体内的温度和压力不断增加的情况，减小了所述箱体内外的压力差，降低了昂贵的冷却液蒸气的泄露损失。

附图说明

图1为本申请一实施方式提供的两相浸没式冷却装置的立体结构示意图。

图2为图1的盖体展开于箱体的示意图。

图3为图1所示两相浸没式冷却装置沿III-III的剖视图。

图4为图1的盖体和箱体的分解图。

图5为本申请一实施方式提供的两相浸没式冷却装置的部分组件示意图。

主要元件符号说明

两相浸没式冷却装置 100

箱体 10

盖体 15

冷却液 20

发热元件 30

冷凝器 40

冷凝管 41

容纳腔 101

侧壁 12

底壁 13

空腔 401

风扇 60

控制器 62

温度感测器 63

湿度感测器 69

压力感测器 64

液面感测器 65

警报器 66

双面插座 70

把手 80

支撑件 90

液面窗口 125

抽气阀门 50

冷却液管理系统 67

安全阀门 68

冷凝器控制器 42

安全阀门控制器 681

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

本申请中，所述箱体的高度方向指的是与所述箱体的底壁相垂直向上的方向。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合或替换。

请参阅图1至图5，本申请一实施方式提供的两相浸没式冷却装置100，包括箱体10、盖体15、冷却液20、发热元件30、冷凝器40以及风扇60。所述箱体10设有容纳腔101。所述盖体15适于覆盖所述箱体10以密封所述容纳腔101，且所述盖体15适于展开于所述箱体10而使所述容纳腔101暴露于外界。所述盖体15可拆卸地或可翻转地连接于所述箱体10上。所述盖体15可以但不限于通过法兰连接、卡钩连接、咬缝连接、卡箍连接、或螺钉连接等方式与所述箱体10实现可拆卸连接。

所述箱体10包括首尾依次连接的多个侧壁12和连接所述多个侧壁12的一端的底壁13。所述多个侧壁12和所述底壁13共同形成所述容纳腔101。

所述冷却液20设置于所述容纳腔101中。所述冷却液20可以但不限于是具有低沸点以及绝缘特性的液体，这里所谓的低沸点例如可介于约40～70度之间或是低于所述发热元件30运作时所产生的热的温度，也就是说，所述冷却液20是适于与发热元件30直接接触并可有效吸收所述发热元件30产生的热量而沸腾蒸发的物质，但本发明并非以所述冷却液20及其种类与物理特性等为限。所述冷却液20通过吸收所述发热元件30产生的热而快速沸腾气化以降低所述发热元件的温度。

所述发热元件30设置于所述容纳腔101中，并浸没于所述冷却液20中。所述发热元件30可以但不限于是应用于数据中心的服务器，新能源汽车的电池、电子器件，居家智能数字化电器的电子芯片和设备、数字医疗为应用于数字医疗的电子芯片和电子器件、边缘计算的芯片和电子器件，量子计算的芯片、机器人的芯片、机械设备的发热部件或电子设备的发热部件。本申请并非以所述发热元件30及其种类、数量、尺寸或规模等为限。

所述冷凝器40沿着所述多个侧壁12设置，并容纳于所述容纳腔101中，且位于所述冷却液20及所述发热元件30的上方。所述冷凝器40远离所述侧壁12包围形成的空腔401，所述空腔401用于供所述发热元件30在安装、取出、维修保养时上下穿过。所述空腔401为所述容纳腔101的一部分。本实施方式中，所述冷凝器40包括多个冷凝管41，所述多个冷凝管41在所述箱体10的上部间隔排列，且每个冷凝管41环绕所述箱体10上部的周缘设置。在其他实施方式中，所述冷凝器40还可仅包括至少一排和一列冷凝管41。当所述冷却液20被气化形成冷却液蒸气后，具有高热能的冷却液蒸气在密闭的容纳腔101中向上流动至所述冷凝器40并在所述冷凝器40上凝结，凝结于所述冷凝器40上的冷却液在重力的作用下落回冷却液中，以此循环达到散热冷却发热元件的效果。

所述风扇60固定设置于所述盖体15上，并容纳于所述空腔401中。所述风扇60用于将所述空腔401中的冷却液蒸气推向位于周边的冷凝器40进行冷凝，使得所述容纳腔101中的所有冷却液蒸气都可在所述冷凝器40的表面进行冷凝，且所述风扇60形成的冷却液蒸气气流强化了所述冷凝器40的传热效果。本实施方式中，所述两相浸没式冷却装置100包括四个风扇60，所述四个风扇60固定设置于所述盖体15上并均匀设置于所述空腔401中，以将位于所述空腔401中的冷却液蒸气均匀地输送至位于所述空腔401周围的冷凝器40上。在其他实施方式中，所述风扇60的数量可为一个、两个、三个或大于四个。

所述风扇60可以但不限于是鼠笼式风扇、轴流风扇、离心风扇、混流风扇、无叶风扇或旋转叶轮等。所述风扇60的驱动电机可以为笼型感应电机或绕线转子感应电动机，还可以为恒速电动机或调速电动机，或者还可以为电容起动式单相异步电动机或电容运转式单相异步电动机。所述风扇60可在所述发热元件30运作时启动，并可在所述发热元件30停止运作时关闭。

当所述空腔401中不设置所述风扇60时，由于位于所述空腔401中的冷却液蒸气和位于所述冷凝器40处的冷却液蒸气之间的压差过小，使得仅小部分位于所述空腔401中的冷却液蒸气在设置于所述箱体10上的冷凝器40上冷凝，而大部分冷却液蒸气滞留在所述空腔401中未被冷凝下来，使得所述箱体10内的冷却液的蒸发速率和冷凝速率不能达到平衡。随着所述发热元件30不断发热，经过一段时间，密闭的箱体10内的整体温度逐渐升高，温度越高，则所述箱体10内的压力越大。当所述箱体10内的压力逐渐高于所述箱体10外的压力形成压力差时，所述箱体10内的蒸气在所述压力差的作用下或者由箱体10密封不严处泄露出所述箱体10外，或者为防止爆箱而由安全阀泄压泄露出所述箱体10外，造成极其昂贵的冷却液的损失。

本申请中，通过在所述空腔401中设置所述风扇60，将位于所述空腔401中的冷却液蒸气推至周边所述冷凝器40上进行冷凝，增加了冷却液蒸气与所述冷凝器40的接触速率，有效地强化了所述冷凝器40的传热效果，使得所述箱体10中的冷却液20的蒸发速率和冷凝速率趋于平衡，降低了因蒸发速率高于冷凝速率所引起的箱体10内的温度和压力不断增加的情况，减小了所述箱体10内外的压力差，从而降低了昂贵的冷却液蒸气的泄露损失。

所述两相浸没式冷却装置100还包括控制器62、多个温度感测器63、湿度感测器69、多个压力感测器64、液面感测器65、冷凝器控制器42、警报器66、安全阀门控制器681、冷却液管理系统67，所述温度感测器63、所述湿度感测器69和所述压力感测器64设置于所述容纳腔中且分别用于感测所述容纳腔中不同位置的气体、液体温度，气体湿度和气体压力。所述控制器62与所述风扇60、所述温度感测器63、所述湿度感测器69、所述压力感测器64、所述液面感测器65、所述冷凝器控制器42、所述警报器66、所述安全阀门控制器681、所述冷却液管理系统67电连接，并可依据所述温度感测器63所感测到的气体、液体温度、所述湿度感测器69所感测到的湿度及所述压力感测器64所感测到的气体压力中的至少一者而判断所述容纳腔内是否有气态的冷却液，据以控制所述风扇60的启动与否。当所述温度感测器63所感测到的气体温度高于预设温度、或所述湿度感测器69所感测到的湿度高于预设湿度、或所述压力感测器64所感测到的气体压力高于预设压力时，所述控制器62控制所述风扇60启动。

所述控制器62还可依据所述冷凝器的传热量而判断所述冷凝器的冷凝量是否足够，据以控制调节所述风扇60的风量和风压。当所述温度感测器63所感测到的气体温度高于预设温度或所述湿度感测器69所感测到的湿度高于预设湿度或所述压力感测器64所感测到的气体压力高于预设压力时，所述控制器62控制调节所述风扇60的功率，例如调节所述风扇60的转速，达到调节风量和风压的目的。

所述控制器62还通过所述冷凝器控制器42与所述冷凝器40电连接，以控制所述冷凝器40的冷凝能力。当所述温度感测器63所感测到的气体温度高于预设温度或所述压力感测器64所感测到的气体压力高于预设压力时，所述控制器62控制调节所述冷凝器40中的冷却液的进口温度或流量。

所述两相浸没式冷却装置100还包括安全阀门68。所述安全阀门68设置于所述箱体10上，并通过所述安全阀门控制器681与所述控制器62电连接。当所述容纳腔101中的气压高于预设压力时，所述控制器62还用于控制所述安全阀门68打开直至所述容纳腔101中的气压低于预设气压，以控制箱体内在安全的压力下操作。

所述液面感测器65设置于所述箱体10的侧壁上，并用于检测所述冷却液20的液面高度。具体的，所述液面感测器65采用连通器原理与位于所述容纳腔101相连通，可通过观察所述液面感测器65的液面得知所述容纳腔101中的冷却液20的液面高度。

所述控制器62可依据所述液面感测器65检测到的冷却液20的液面高度控制所述警报器66的启动与否。当所述液面感测器65所检测到的液面高度低于预设高度时，所述控制器62控制所述警报器66发出警报并控制所述冷却液管理系统67向所述容纳腔101中补充冷却液。所述冷却液管理系统67包括溢流堰板、储液池、泵、管道、阀门和过滤器。所述储液池在所述容纳腔101的底部通过溢流堰板与冷却液池分隔而成。所述泵、管道、阀门和过滤器在箱体外与所述容纳腔相连通。当所述容纳腔101中的冷却液的液面高度低于预设高度，所述控制器62控制所述泵开启并控制所述阀门打开，使冷却液能从所述储液池中泵出至所述容纳腔101底部的冷却液池中，以保持冷却液液面的恒定过量泵入的冷却液流经溢流堰板上端流入到所述储液池中，以保持冷却液液面的恒定。

可以理解的是，所述风扇60、所述温度感测器63、所述湿度感测器69、所述压力感测器64、所述液面感测器65、所述警报器66、所述冷却液管理系统67、所述安全阀门68和所述冷凝器40的数量可根据实际需要设置，其数量可为1、2、3、4等。

所述两相浸没式冷却装置100还包括两个双面插座70。所述双面插座70设置于所述侧壁12上。每个双面插座70的内插座暴露于所述容纳腔101中，每个双面插座70的外插座暴露于所述箱体10外。其中一个双面插座70的内插座与所述风扇60电连接，其外插座与外部电源相连接，使得所述风扇60通过相应的双面插座70与所述外部电源实现电连接。另外的双面插座70的内插座与所述发热元件30、温度感测器63、湿度感测器69、压力感测器64、液面感测器65电连接，其外插座与所述发热元件30、温度感测器63、湿度感测器69、压力感测器64、液面感测器65的外部连接线电连接，使得所述发热元件30、温度感测器63、湿度感测器69、压力感测器64、液面感测器65与外部元件实现电连接。所述双面插座70密封地连接于所述箱体10上，以密封所述容纳腔。

所述两相浸没式冷却装置100还包括设置于所述盖体15上的把手80，方便使用者打开所述盖体15。

所述两相浸没式冷却装置100还包括支撑件90。所述支撑件90设置于所述箱体10的底面，用于支撑所述箱体10。所述支撑件90可以但不限于是支撑架，以稳固所述箱体10；或者是滚轮，以方便移动所述箱体10。

所述两相浸没式冷却装置100还包括设置于所述箱体10上的液面窗口125。透过所述液面窗口125，可观察所述发热元件30的运行状态或观察所述冷却液20的液面高度。

所述两相浸没式冷却装置100还包括设置于所述箱体10上的抽气阀门50。在对所述发热元件30进行冷却前，即在所述发热元件30开始运作前，利用真空泵通过所述抽气阀门50将所述容纳腔101中的空气或其它不凝气体抽出，以保证所述容纳腔101中的高效冷凝传热操作。

当使用者拟更换、拿取、组装或维修所述发热元件30时，首先将所述风扇60停止运行，然后打开所述盖体15，此时所述风扇60随着所述盖体15的打开而离开所述空腔401，然后将所述发热元件30通过所述空腔401取出所述箱体10外或放入到所述箱体10中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明任何形式上的限制，虽然本发明已是较佳实施方式公开如上，但并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (16)

1.一种两相浸没式冷却装置，包括箱体、发热元件、冷凝器、盖体和至少一风扇，所述箱体包括首尾依次连接的多个侧壁和连接所述多个侧壁的一端的底壁，所述多个侧壁和所述底壁共同形成一容纳腔，所述容纳腔底部容纳有冷却液，所述发热元件设置于所述容纳腔中并浸没于所述冷却液中，所述冷凝器位于所述冷却液和所述发热元件的上方并沿着所述多个侧壁设置，所述冷凝器远离所述多个内侧壁包围形成的上部空腔，所述盖体适于覆盖所述箱体以密封所述容纳腔，且所述盖体适于展开于所述箱体而使所述容纳腔暴露于外界，其特征在于，至少一风扇固定设置于所述盖体上并容纳于所述上部空腔中。

2.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述盖体可拆卸地或可翻转地连接于所述箱体上。

3.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置包括多个风扇，所述多个风扇均匀设置于所述上部空腔中。

4.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置还包括控制器和至少一感测器，所述控制器与所述至少一风扇、所述至少一感测器和所述冷凝器电连接；当所述至少一感测器感测到所述容纳腔中的气体温度高于预设温度或所述容纳腔中的气体压力高于预设压力时，所述控制器控制调节所述至少一风扇的风量、风压以及所述凝器冷中的冷却液的进口温度和流量。

5.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述容纳腔中的至少一感测器，所述至少一感测器用于感测所述容纳腔中的气体温度、液体温度、气体湿度、气体压力、冷却液液面高度中的至少一者。

6.如权利要求4或5所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述至少一感测器包括温度感测器、湿度感测器、压力感测器和液面感测器中至少一者。

7.如权利要求6所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述液面感测器设置于所述箱体上、与所述容纳腔相连通并用于检测所述冷却液的液面高度。

8.如权利要求6所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置还包括警报器和冷却液管理系统，所述控制器与所述液面感测器、所述警报器和所述冷却液管理系统电连接，当所述液面感测器检测到的所述冷却液的液面高度低于预设高度时，所述控制器控制所述警报器发出警报并控制所述冷却液管理系统向所述容纳腔中补充冷却液。

9.如权利要求8所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述冷却液管理系统包括溢流堰板、储液池、泵、管道、阀门和过滤器。

10.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述发热元件包括应用于数据中心的服务器、应用于新能源汽车的电池或电子器件、应用于居家智能数字化电器的电子芯片或设备、数字医疗的电子芯片或电子器件、应用于边缘计算的芯片和电子器件、应用于量子计算的芯片和应用与机械设备的发热部件或电子设备的发热部件。

11.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述至少一风扇是鼠笼式风扇、轴流风扇、离心风扇、混流风扇、无叶风扇或旋转叶轮，所述至少一风扇的驱动电机为笼型感应电机、绕线转子感应电动机、恒速电动机、调速电动机、电容起动式单相异步电动机或电容运转式单相异步电动机。

12.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置还包括密封地设置于所述箱体上的两个双面插座。

13.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述箱体上的抽气阀门，所述抽气阀门用于与真空泵相连接以将所述容纳腔中的不凝气体抽出。

14.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述盖体上的把手。

15.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述箱体的底面的支撑件，所述支撑件为支撑架或滚轮。

16.如权利要求1所述的两相浸没式冷却装置，其特征在于，所述箱体设有安全阀门，当所述容纳腔中的气压高于预设气压时，打开所述安全阀门直至所述容纳腔中的气压低于预设气压。

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