CN116193826A - 一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统 - Google Patents

Abstract

一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，包括浸没式液冷机柜、冷却液分配单元和冷却塔，所述浸没式液冷机柜包括机柜本体、均流板、导流板，所述机柜本体设置有冷却液入口、冷却液出口，所述均流板水平设置在所述机柜本体内，均流板上均匀分布有若干导流孔，机柜本体内部每个导流孔的上方安装有服务器刀片，所述导流板平行设置在所述服务器刀片之间，导流板上靠近服务器刀片一侧设置有导流沟槽，所述冷却液分配单元与所述冷却液入口、冷却液出口相连形成内循环回路、所述冷却液分配单元与所述冷却塔相连接形成外循环回路。本发明解决了数据中心传统单相浸没式液冷系统中热点与冷却液匹配性不佳以及整体传热均匀性差的问题。

Description

一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统

技术领域

本发明涉及浸没式液冷技术领域，尤其涉及一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统。

背景技术

随着移动互联网、云计算和大数据等技术的蓬勃发展，大规模营建数据中心已经成为重要的国家发展战略之一。然而，当前数据中心的高能耗特性严重限制了数据中心的发展进程。特别地，如何提高占据数据中心运行总能耗30％-45％的冷却系统的能效，已经成为当前数据中心热管理领域最迫切的重大问题。

目前，传统的风冷散热模式已经难以满足新一代数据中心的多样化发展需求。虽然冷却效率较高的冷板式散热方案有了部分商用案例，但其存在着泄露、污染等可靠性问题。在此背景下，浸没式冷却方案应运而生。需要强调的是，浸没式液冷技术拥有的高效制冷效果不仅可以提升服务器的使用效率和稳定性，同时还使得数据中心可以在单位空间布置更多服务器，提高运算效率，还能够为数据中心节能、降噪。目前，浸没式液冷根据冷却液是否相变可分为单相浸没与两相浸没式液冷。其中，两相浸没式液冷利用了冷却液的相变潜热，其散热能力比单相浸没液冷要高72％-79％。但是，与两相浸没式液冷相比，单相浸没式液冷的冷却液价格相对更低，同时无需担心冷却液蒸发溢出或人员吸入的安全风险。而且，由于单相浸没式液冷的冷却机理简单，其冷却系统的设计难度小，前期投资成本低，且长期适用性和维护便利性好。总而言之，单相浸没式液冷除了散热能力相对较差外，其在安全性与成本两方面远好于两相浸没式液冷，更适合大规模推广和商业化应用。有鉴于此，为了满足数据中心不断发展的高能效、高可靠热管理需求，急需发展提升单相浸没式冷却系统散热能力的相关传热强化技术。

纵观现有单相浸没式冷却系统的传热强化方法，最常见的便是在浸没式液冷机柜的底部安装多孔网板进行均流。然而，由于服务器主板上的热源通常是不均匀无规律分布的，入口处的均流作用虽然可以在一定程度上改善机柜的传热均匀性，却无法进一步提升单个服务器主板的冷却性能，还会增大冷却液的流动阻力损失。为了提高局部热点的冷却效果，部分现有方案采用在底部设置射流孔的方案，通过射流强化传热以及对流扰动。然而，这种设计仅能够提升入口处的对流传热，对下游器件的影响较小。除此之外，由于浸没式冷却液的特殊性，其导热系数往往比冷却水低一个数量级，传统换热器的低下换热效率必然导致泵功耗增加，无疑会增加单相浸没式液冷系统的PUE(电源使用效率)。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，通过径向-轴向耦合射流、均流板以及导流板结构拓扑优化，解决了数据中心传统单相浸没式液冷系统中热点与冷却液匹配性不佳以及整体传热均匀性差的问题。

一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：包括浸没式液冷机柜、冷却液分配单元和冷却塔，所述浸没式液冷机柜包括机柜本体、均流板、导流板，所述机柜本体的下端设置有冷却液入口，上端设置有冷却液出口，所述均流板水平设置在所述机柜本体内冷却液入口的上方，均流板上均匀分布有若干导流孔，机柜本体内部每个导流孔的上方安装有服务器刀片，所述导流板平行设置在所述服务器刀片之间，导流板上靠近服务器刀片一侧设置有导流沟槽，所述冷却液分配单元与所述冷却液入口、冷却液出口相连形成内循环回路、所述冷却液分配单元与所述冷却塔相连接形成外循环回路，浸没式冷却液和冷却水分别在所述内循环回路和外循环回路中循环并进行热交换。

进一步的，所述导流沟槽的形状布局为类叶脉拓扑结构，并与所述服务器刀片上的热点位置相对应。

进一步的，所述均流板为多孔结构的网板，所述导流孔的形状包括矩形、圆形、蜂窝形，导流孔的水力直径小于所述冷却液入口处等效水力直径的八分之一。

进一步的，所述浸没式液冷机柜还包括射流管，所述射流管的两端设置有轴向射流孔，管身上设置有若干径向射流孔，射流管竖直对称布置在所述导流板的两侧，其下端的轴向射流孔与所述均流板相连接。

进一步的，所述径向射流孔孔径沿着浸没式冷却液流动的方向逐渐增大。

进一步的，所述冷却液分配单元包括循环泵、流量计、仿生换热器，所述仿生换热器上设置有仿生换热器冷却液入口、仿生换热器冷却液出口、仿生换热器冷却水入口、仿生换热器冷却水出口，所述冷却液出口、仿生换热器冷却液入口、仿生换热器冷却液出口、循环泵、流量计、冷却液入口依次相连形成内循环回路，所述冷却塔和仿生换热器冷却水入口、仿生换热器冷却水出口相连形成外循环回路。

进一步的，所述仿生换热器内设置有波纹板片和仿生板片，所述仿生换热器冷却液入口和仿生换热器冷却液出口连通所述仿生板片，形成浸没式冷却液换热侧，所述仿生换热器冷却水入口和仿生换热器冷却水出口连通所述波纹板片，形成冷却水换热侧，仿生板片表面上沿浸没式冷却液流动方向线性叉排设置有若干仿生凸起，所述仿生凸起为仿鲨鱼皮表面凸起的导流鳍结构。

进一步的，所述波纹板片表面上沿冷却水流动方向V型线性设置有若干梯形凸起。

进一步的，所述仿生板片和波纹板片的表面经过微纳化处理。

进一步的，所述浸没式冷却液包括氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物、矿物油。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明提出的一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，通过径向-轴向耦合射流、换热器仿生优化和导流板结构拓扑优化，不仅解决了数据中心传统单相浸没式液冷系统中热点与冷却液匹配性不佳以及整体传热均匀性差的问题，还改善了传统板式换热器内浸没式冷却液侧由于导热能力差而导致的换热效率低下现状，实现了对传统单相浸没式液冷系统的全流域传热优化，使单相浸没式液冷系统的换热能力得到大幅强化，可以更好地应对目前数据中心高热流密度散热的需求，并将浸没式液冷机柜与冷却液分配单元进行一体集成化装配以节约空间，为数据中心的电子器件热管理提供了一种高效而安全可靠的技术方案。2、导流沟槽的空间布局是根据所述服务器刀片上的热点分布进行拓扑优化而得，在减小流动阻力的同时实现了热量和冷却液的按需分配。3、浸没式液冷机柜中浸没式冷却液采用上行流流动模式，自下而上流经所述的服务器刀片阵列，形成强迫对流和自然对流协同作用的混合对流强化换热机制。4、仿生凸起采用仿鲨鱼皮表面凸起导流鳍结构，同时对换热板片表面进行微纳化处理，在强化换热能力的同时减小浸没式冷却液的流动阻力。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例浸没式液冷机柜结构示意图；

图3为本发明实施例导流板结构示意图；

图4为本发明实施例射流管结构示意图；

图5为本发明实施例射流管侧视图；

图6为本发明实施例冷却液分配单元结构示意图；

图7为本发明实施例仿生换热器结构爆炸图；

图8为本发明实施例波纹板片结构示意图；

图9为本发明实施例仿生板片结构示意图；

图10为本发明实施例仿生凸起结构示意图；

图11为本发明实施例波纹板片与仿生板片的流动阻力随工质流量变化的曲线图；

图12为本发明实施例波纹板片与仿生板片的换热系数随工质流量变化的曲线图；

其中：1-一体化机柜；2-浸没式液冷机柜；3-冷却液分配单元；4-冷却塔；5-上盖板；6-冷却液入口；7-服务器刀片；8-均流板；9-冷却液出口；10-射流管；11-导流板；12-导流沟槽；13-径向射流孔；14-轴向射流孔；15-循环泵；16-流量计；17-仿生换热器；18-波纹板片；19-仿生凸起；20-机柜本体；21-导流孔；22-仿生板片；23-仿生换热器冷却液入口；24-仿生换热器冷却液出口；25-仿生换热器冷却水入口；26-仿生换热器冷却水出口

具体实施方式

为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

图1-10示出了一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统的具体实施例，包括：浸没式液冷机柜2、冷却液分配单元3、冷却塔4。其中，浸没式液冷机柜2和冷却液分配单元3设置在一体化机柜1内，一体化机柜1上方放置上盖板5使一体化机柜1密封，浸没式液冷机柜2和冷却液分配单元3之间连接管道用于浸没式冷却液的内部循环，冷却塔4安装在一体化机柜1外部，与冷却液分配单元3通过管路相连，冷却水在二者之间进行外部循环。

图2为浸没式液冷机柜2的结构示意图，包括：机柜本体20、均流板8、导流板11、射流管10，机柜本体20的下端设置有冷却液入口6、上端设置有冷却液出口9。均流板8安装在机柜本体20内冷却液入口6上侧附近，其上开有均匀分布的导流孔21以实现流量的均匀分配，不仅可以改善浸没式液冷机柜2内部传热均匀性，同时还可以形成底部轴向射流，均流板8为多孔结构的网板，导流孔21的形状包括矩形、圆形、蜂窝形，导流孔21的水力直径小于冷却液入口6处等效水力直径的八分之一。服务器刀片7阵列均匀垂直布置于均流板8上方一段距离处，以保证浸没式冷却液能够充分发展。导流板11平行安装在服务器刀片7阵列之间，射流管10底部连接在均流板8上并对称布置在导流板11的两侧。

图3为导流板11的结构示意图。如图3所示，为了增加服务器刀片7的传热性能，导流板11在靠近服务器刀片7热源的一侧布置有导流沟槽12。由于服务器刀片7上电子器件的不均匀分布，导致其上的热点分布也不均匀。基于这一特点，对导流板11的导流沟槽12进行类叶脉结构的拓扑优化，使导流沟槽12的布局与服务器刀片7上的热点位置相对应，进而实现热量大小和浸没式冷却液的按需分配并起到减小流动阻力与降低整体噪音的作用。因此通过导流板11及其导流沟槽12，可实现对冷却液流动路径的限制，同时可以按照不同部件的发热量来分配冷却液，这样就使冷却液的流动过程传热得到充分利用，达到了强化传热的目的。

图4、5为射流管10的结构示意图。如图4所示，射流管10为具有轴向射流和径向射流相耦合的混合射流功能的薄壁圆管。其中，轴向射流从射流管10底部轴向射流孔14进入并沿着射流管10的中心主管道喷射，而径向射流则从射流管10的径向射流孔13喷出。在两种射流耦合作用下，浸没式冷却液的对流扰动大幅提升，对流传热随之明显增强。考虑到射流管10竖直放置于浸没式液冷机柜2中，浸没式冷却液在射流管10中的流动阻力沿着流动方向逐渐增大，如图5所示，本实施例中使径向射流孔13的孔径沿着浸没式冷却液的流动方向逐渐增大以保证各处射流强度均匀。

图6为冷却液分配单元3的结构示意图，具体包括：循环泵15、流量计16、仿生换热器17。浸没式冷却液从浸没式液冷机柜2的冷却液出口9通过仿生换热器冷却液入口23流至仿生换热器17中的浸没式冷却液换热侧与冷却水进行换热，然后浸没式冷却液从仿生换热器冷却液出口24流至循环泵15加压后通过浸没式液冷机柜2的冷却液入口6流回浸没式液冷机柜2中，形成浸没式冷却液的内循环回路。流量计16安装在循环泵15和冷却液入口6之间用以监测浸没式冷却液的循环流量。冷却水则从冷却塔4的出口流出通过仿生换热器冷却水入口25流至仿生换热器17的冷却水换热侧与浸没式冷却液进行换热，然后冷却水从仿生换热器冷却水出口26流回冷却塔4入口，形成冷却水的外循环回路。

图7-9给出了仿生换热器17的原理与结构示意图，仿生换热器17主要由波纹板片18和仿生板片22构成。在换热过程中，浸没式冷却液与冷却水在仿生换热器17内相邻的区域进行换热。对于冷却水换热侧，使用传统的波纹板片18，在浸没式冷却液换热侧，如图10所示，使用仿生板片22，其上添加了换热板表面仿生凸起19，是一种仿鲨鱼皮表面凸起的导流鳍结构。该仿生凸起19不仅增大了浸没式冷却液与仿生板片22间的换热面积，还可以降低浸没式冷却液的流动阻力损失，进而改善由于大多数浸没式冷却液导热能力差而导致的浸没式冷却液换热侧换热效率低下的现状。除此以外，本实施例还对波纹板片18和仿生板片22的表面进行微纳化处理，进一步强化仿生换热器的换热能力。

图11、12分别给出了上述实施例中波纹板片18与仿生板片22的流动阻力与换热系数随工质流量变化的示意图。在本实施例中，波纹板片18与仿生板片22的凸起高度均为1.6mm，波纹板片18凸起的截面为梯形，上底为2.3mm，下底为7mm，凸起呈V型，沿冷却水流动方向线性排布；仿生板片22上仿生凸起19的截面为仿鲨鱼皮表面凸起结构，沿浸没式冷却液流动方向呈现线性、叉排布局。仿真结果得出：随仿生换热器17入口出浸没式冷却液的流速增加，两种板片导致的流动阻力都上升，且仿生板片的流动阻力损失始终低于波纹板片。除此之外，随入口浸没式冷却液的流速增加，两种板片与浸没式冷却液的换热系数都增加，且仿生板片22的换热系数始终高于波纹板片18。由此可见，本实施例提出的仿生板片不仅可以提升仿生换热器浸没式冷却液换热侧的换热能力，还可以减小浸没式冷却液的流动阻力损失，进而提升了单相浸没式液冷系统的能效水平。

优选的，浸没式冷却液包括但不限于氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物、矿物油等。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：包括浸没式液冷机柜(2)、冷却液分配单元(3)和冷却塔(4)，所述浸没式液冷机柜(2)包括机柜本体(20)、均流板(8)、导流板(11)，所述机柜本体(20)的下端设置有冷却液入口(6)，上端设置有冷却液出口(9)，所述均流板(8)水平设置在所述机柜本体(20)内冷却液入口(6)的上方，均流板(8)上均匀分布有若干导流孔(21)，机柜本体(20)内部每个导流孔(21)的上方安装有服务器刀片(7)，所述导流板(11)平行设置在所述服务器刀片(7)之间，导流板(11)上靠近服务器刀片(7)一侧设置有导流沟槽(12)，所述冷却液分配单元(3)与所述冷却液入口(6)、冷却液出口(9)相连形成内循环回路，所述冷却液分配单元(3)与所述冷却塔(4)相连接形成外循环回路，浸没式冷却液和冷却水分别在所述内循环回路和外循环回路中循环并进行热交换。

2.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述导流沟槽(12)的形状布局为类叶脉拓扑结构，并与所述服务器刀片(7)上的热点位置相对应。

3.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述均流板(8)为多孔结构的网板，所述导流孔(21)的形状包括矩形、圆形、蜂窝形，导流孔(21)的水力直径小于所述冷却液入口(6)处等效水力直径的八分之一。

4.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述浸没式液冷机柜(2)还包括射流管(10)，所述射流管(10)的两端设置有轴向射流孔(14)，管身上设置有若干径向射流孔(13)，射流管(10)竖直对称布置在所述导流板(11)的两侧，其下端的轴向射流孔(14)与所述均流板(8)相连接。

5.根据权利要求4所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述径向射流孔(13)孔径沿着浸没式冷却液流动的方向逐渐增大。

6.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述冷却液分配单元包括循环泵(15)、流量计(16)、仿生换热器(17)，所述仿生换热器(17)上设置有仿生换热器冷却液入口(23)、仿生换热器冷却液出口(24)、仿生换热器冷却水入口(25)、仿生换热器冷却水出口(26)，所述冷却液出口(9)、仿生换热器冷却液入口(23)、仿生换热器冷却液出口(24)、循环泵(15)、流量计(16)、冷却液入口(6)依次相连形成内循环回路，所述冷却塔(4)和仿生换热器冷却水入口(25)、仿生换热器冷却水出口(26)相连形成外循环回路。

7.根据权利要求6所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述仿生换热器(17)内设置有波纹板片(18)和仿生板片(22)，所述仿生换热器冷却液入口(23)和仿生换热器冷却液出口(24)连通所述仿生板片(22)，形成浸没式冷却液换热侧，所述仿生换热器冷却水入口(25)和仿生换热器冷却水出口(26)连通所述波纹板片(18)，形成冷却水换热侧，仿生板片(22)表面上沿浸没式冷却液流动方向线性叉排设置有若干仿生凸起(19)，所述仿生凸起(19)为仿鲨鱼皮表面凸起的导流鳍结构。

8.根据权利要求7所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述波纹板片(18)表面上沿冷却水流动方向V型线性设置有若干梯形凸起。

9.根据权利要求8所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述仿生板片(22)和波纹板片(18)的表面经过微纳化处理。

10.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述浸没式冷却液包括氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物、矿物油。

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