CN115942712A - 一种热管散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于数据中心冷却技术领域，公开了热管散热装置，包括N个蒸发器、气体主管、N个气体支管、液体主管、N个液体支管和冷凝器，N为大于1的自然数，N个蒸发器的出口与N个气体支管的入口一一对应连接，N个气体支管的出口分别与气体主管的入口连接，气体主管的出口与冷凝器的入口连接，冷凝器的出口与液体主管的入口连接，液体主管的出口分别与N个液体支管的入口连接，N个液体支管的出口与N个蒸发器的入口一一对应连接，该热管散热装置使N个蒸发器并联设置，采用一个冷凝器即可实现多发热芯片的同步高效散热，避免机箱内部出现局部热点，且结构简单，可保证服务器机箱的高集成度。

Description

一种热管散热装置

技术领域

本发明涉及数据中心冷却技术领域，尤其涉及一种热管散热装置。

背景技术

服务器CPU芯片的热设计功耗已逼近400W大关，这意味着其热流密度已超过100W/cm²，而常用的风冷散热方式仅能处理热流密度10W/cm²量级的热问题。为突破这一限制，新型高效的冷却技术急待开发，液冷技术被认为是解决芯片级高热流密度散热问题的关键突破口。

在进行大量尝试后，目前较成熟的芯片级液冷技术主要是单相浸没式液冷和单相冷板式液冷。单相浸没式液冷是将一个或多个服务器整个泡在浸没池中，池内充满绝缘冷却液，由冷却液与发热芯片表面直接接触带走热量。该方案由于冷却液与电子元件直接接触，对冷却液的绝缘性、热稳定性、与电子元器件的兼容性具有极高的要求。此外，浸没式液冷需要专门定制的服务器和机柜结构，并由于机柜内部填充大量液体工质，对土建的承重要求也极高，故而该方案不适用于大型数据中心的改造。而单相冷板式液冷采用换热冷板与芯片表面接触，再以外部循环泵驱动冷却液在冷板内部流动，通过强制对流换热带走芯片产生的热量。该方案为主动式循环，需增加额外泵功耗，换热机理为单相对流，换热效率较低。

热管采用相变传热的机理，在内部工质气液相变的过程，通过潜热的吸收和释放可高效地完成高热流密度热量的传递。其结构轻便，且与发热芯片间接接触，对工质性能要求较低，故而热管技术比浸没式和单相冷板式液冷更具优势。然而，在应对服务器机箱内多个发热芯片的散热问题时，目前已公开的芯片级热管散热技术均采用单个热管回路与发热芯片一对一匹配或多个热管回路以串联形式安装的方式。前者由于每个发热芯片都需要对应一套热管装置，管路部件杂多，导致服务器机箱的结构繁冗，体积庞大。而后一种串联的方式，会导致管路中流动阻力显著增加，且无法实现不同热管间液体工质均匀分配，甚至出现下游热管无液体工质，这将使该热管蒸发器出现干烧而无法对发热芯片进行冷却从而导致芯片过热损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管散热装置，其旨在解决目前数据中心服务器内多个发热芯片的散热，冷却装置结构繁杂，多芯片间冷量分配不均匀、易出现局部热点，数据中心运行可靠性受损的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种热管散热装置，包括N个蒸发器、气体主管、N个气体支管、液体主管、N个液体支管和冷凝器，N为大于1的自然数，N个所述蒸发器的出口与N个所述气体支管的入口一一对应连接，N个所述气体支管的出口分别与所述气体主管的入口连接，所述气体主管的出口与所述冷凝器的入口连接，所述冷凝器的出口与所述液体主管的入口连接，所述液体主管的出口分别与N个所述液体支管的入口连接，N个所述液体支管的出口与N个所述蒸发器的入口一一对应连接。

优选地，所述气体主管的内径大于所述气体支管的内径，所述液体主管的内径大于所述液体支管的内径。

优选地，所述N为2，所述蒸发器设置有两个，所述气体支管设置有两个，分别为第一气体支管和第二气体支管，所述液体支管设置有两个，分别为第一液体支管和第二液体支管，每个所述蒸发器的长为25cm，宽为25cm，所述第一气体支管长度为200mm，内径为5mm，所述第二气体支管长度为80mm，内径为3mm，所述气体主管的内径大于5mm，所述第一液体支管长度为200mm，内径为5mm，所述第二液体支管长度为80mm，内径为3mm，所述液体主管的内径大于5mm。

优选地，还包括气体管路连接件和液体管路连接件，所述气体主管通过所述气体管路连接件与N个所述气体支管连接，所述液体主管通过所述液体管路连接件与N个所述液体支管连接。

优选地，所述气体管路连接件设置有多个不同内径的第一连接口，多个所述第一连接口分别与所述气体主管和N个所述气体支管一一适配。

优选地，所述液体管路连接件设置有多个不同内径的第二连接口，多个所述第二连接口分别与所述液体主管和N个所述液体支管一一适配。

优选地，所述冷凝器包括本体和设置在本体内的两相管路，所述两相管路包括纵横交错设置的气相管和液相管，所述气相管和所述液相管均呈蛇形盘绕状，所述气相管设置有蒸汽入口和液体出口，所述液相管设置有冷却水入口和冷却水出口，所述气体主管与所述蒸汽入口连接，所述液体主管与所述液体出口与连接。

优选地，所述蒸发器为平板式结构，所述蒸发器包括金属壳体及设置在所述金属壳体内的毛细结构。

优选地，所述热管散热装置还包括导热硅胶，所述导热硅胶设置在所述蒸发器与发热芯片之间。

本发明提供的热管散热装置设置有N个蒸发器、N个气体支管和N个液体支管，并使N个蒸发器并联设置，可极大简化服务器机箱内部结构，采用一个冷凝器即可实现多发热芯片的同步高效散热，避免机箱内部出现局部热点，且结构简单，可保证服务器机箱的高集成度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的热管散热装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的冷凝器的内部示意图。

附图标号说明：

10、蒸发器；20、气体主管；31、第一气体支管；32、第二气体支管；40、液体主管；51、第一液体支管；52、第二液体支管；60、冷凝器；61、本体；62、两相管路；621、气相管；6211、蒸汽入口；6212、液体出口；622、液相管；6221、冷却水入口；6222、冷却水出口；70、气体管路连接件；80、液体管路连接件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图2所示，其为本发明的一种实施例的热管散热装置，图1中箭头表示循环方向。

请参阅图1-图2所示，本发明实施例的一种热管散热装置，包括N个蒸发器10、气体主管20、N个气体支管、液体主管40、N个液体支管和冷凝器60，N为大于1的自然数，N个蒸发器10的出口与N个气体支管的入口一一对应连接，N个气体支管的出口分别与气体主管20的入口连接，气体主管20的出口与冷凝器60的入口连接，冷凝器60的出口与液体主管40的入口连接，液体主管40的出口分别与N个液体支管的入口连接，N个液体支管的出口与N个蒸发器10的入口一一对应连接。

可以理解地，蒸发器10的数量与发热芯片的数量一致，在使用过程，蒸发器10与发热芯片表面紧密接触，蒸发器10注入液体工质，工质采用去离子水。

优选地，热管散热装置还包括填充在蒸发器10与发热芯片之间的导热硅胶(图未示)，蒸发器10表面及发热芯片表面之间填充有导热硅胶以减小接触热阻。

可选地，蒸发器10为平板式结构，其包括金属壳体(图未示)及设置在金属壳体内的毛细结构(图未示)，平板式结构的蒸发器10能够与发热芯片更加紧密贴合，提高热传导效率。

热管散热装置的工作原理如下：

当CPU运行发热时，热量经过蒸发器10外表面传至腔体内部，蒸发器10内存在的液体工质吸收热量发生气化并生产蒸汽，蒸汽积聚到一定程度后流入对应的气体支管，N个气体支管的蒸汽汇合流入气体主管20；气体主管20延伸至服务器机箱外与冷凝器60连接；蒸汽经过冷凝器60时向冷却水释放热量并再次冷凝成液体工质，液体工质由液体主管40流进服务器机箱内部，并由液体主管40分配至N个液体支管，并回流至对应的蒸发器10内再冷吸收热量气化从而形成循环，完成热量传递的过程，实现发热芯片的高效散热。

本发明实施例的热管散热装置设置有N个蒸发器10、N个气体支管和N个液体支管，并使N个蒸发器10并联设置，可极大简化服务器机箱内部结构，采用一个冷凝器60即可实现多发热芯片的同步高效散热，避免机箱内部出现局部热点，且结构简单，可保证服务器机箱的高集成度。

请参阅图1和图2所示，示例性地，在某些实施例中，冷凝器60包括本体61和设置在本体61内的两相管路62，两相管路62包括纵横交错设置的气相管621和液相管622，气相管621和液相管622均呈蛇形盘绕状，气相管621设置有蒸汽入口6211和液体出口6212，液相管622设置有冷却水入口6221和冷却水出口6222，气相管621和液相管622纵横交错设置，以及气相管621和液相管622均呈蛇形盘绕状，能够增强与冷却水的换热效果，气体主管20延伸至服务器机箱外与气相管621的蒸汽入口6211连接，气相管621的液体出口6212与液体主管40的入口连接，蒸汽经过两相管路62时向冷却水释放热量并再次冷凝成液体工质，液体工质由液体主管40路流进服务器机箱内部，冷却水由液相管622的冷却水入口6221流入并由液相管622的冷却水出口6222流出，冷却水进水温度为30oC。

请参阅图1和图2所示，示例性地，在某些实施例中，气体主管20的内径大于气体支管的内径，液体主管40的内径大于液体支管的内径，不同支路之间采用变径处理，可根据实际情况调整各支路管径从而控制各支路流动阻力相当，实现液体工质流量的均匀分配，从而保证对多个发热芯片进行同步精准控温，避免个别发热芯片出现干烧过热的恶劣情况。

进一步地，热管散热装置还包括气体管路连接件70和液体管路连接件80，气体主管20通过气体管路连接件70与N个气体支管连接，液体主管40通过液体管路连接件80与N个液体支管连接，通过设置气体管路连接件70既保证了气体主管20与气体支管的连接稳定性，又提高了热管散热装置的集成度，通过设置液体管路连接件80既保证了液体主管40与液体支管的连接稳定性，又提高了热管散热装置的集成度。

可以理解地，为了实现气体主管20与气体支管的变径连接，气体管路连接件70设置有多个不同内径的第一连接口(图未示)，多个第一连接口分别与气体主管20和N个气体支管一一适配。

同理，为了实现液体主管40与液体支管的变径连接，液体管路连接件80设置有多个不同内径的第二连接口(图未示)，多个第二连接口分别与液体主管40和N个液体支管一一适配。

请参阅图1和图2所示，示例性地，在某些实施例中，N为2，即，蒸发器10设置有两个，气体支管设置有两个，分别为第一气体支管31和第二气体支管32，液体支管设置有两个，分别为第一液体支管51和第二液体支管52，每个蒸发器10尺寸均为25cm*25cm，与发热芯片的尺寸一致，第一气体支管31长度为200mm，内径为5mm，第二气体支管32长度为80mm，内径为3mm，气体主管20的内径大于5mm，第一液体支管51长度为200mm，内径为5mm，第二液体支管52长度为80mm，内径为3mm，液体主管40的内径大于5mm，通过合理布置热管散热装置各部件的尺寸规格，使得热管散热装置尽可能利用较小体积，发挥较大散热效率，能够进一步提高服务器机箱的高集成度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种热管散热装置，其特征在于，包括N个蒸发器、气体主管、N个气体支管、液体主管、N个液体支管和冷凝器，N为大于1的自然数，N个所述蒸发器的出口与N个所述气体支管的入口一一对应连接，N个所述气体支管的出口分别与所述气体主管的入口连接，所述气体主管的出口与所述冷凝器的入口连接，所述冷凝器的出口与所述液体主管的入口连接，所述液体主管的出口分别与N个所述液体支管的入口连接，N个所述液体支管的出口与N个所述蒸发器的入口一一对应连接。

2.如权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，所述气体主管的内径大于所述气体支管的内径，所述液体主管的内径大于所述液体支管的内径。

3.如权利要求2所述的热管散热装置，其特征在于，所述N为2，所述蒸发器设置有两个，所述气体支管设置有两个，分别为第一气体支管和第二气体支管，所述液体支管设置有两个，分别为第一液体支管和第二液体支管，每个所述蒸发器的长为25cm，宽为25cm，所述第一气体支管长度为200mm，内径为5mm，所述第二气体支管长度为80mm，内径为3mm，所述气体主管的内径大于5mm，所述第一液体支管长度为200mm，内径为5mm，所述第二液体支管长度为80mm，内径为3mm，所述液体主管的内径大于5mm。

4.如权利要求2所述的热管散热装置，其特征在于，还包括气体管路连接件和液体管路连接件，所述气体主管通过所述气体管路连接件与N个所述气体支管连接，所述液体主管通过所述液体管路连接件与N个所述液体支管连接。

5.如权利要求4所述的热管散热装置，其特征在于，所述气体管路连接件设置有多个不同内径的第一连接口，多个所述第一连接口分别与所述气体主管和N个所述气体支管一一适配。

6.如权利要求4所述的热管散热装置，其特征在于，所述液体管路连接件设置有多个不同内径的第二连接口，多个所述第二连接口分别与所述液体主管和N个所述液体支管一一适配。

7.如权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，所述冷凝器包括本体和设置在本体内的两相管路，所述两相管路包括纵横交错设置的气相管和液相管，所述气相管和所述液相管均呈蛇形盘绕状，所述气相管设置有蒸汽入口和液体出口，所述液相管设置有冷却水入口和冷却水出口，所述气体主管与所述蒸汽入口连接，所述液体主管与所述液体出口连接。

8.如权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，所述蒸发器为平板式结构，所述蒸发器包括金属壳体及设置在所述金属壳体内的毛细结构。

9.如权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，还包括导热硅胶，所述导热硅胶设置在所述蒸发器与发热芯片之间。

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