CN117241566B - 一种浸没式多相耦合液冷系统 - Google Patents

Abstract

一种浸没式多相耦合液冷系统，包括液冷机柜、循环泵和冷却塔，所述液冷机柜包括密封机柜及设置在密封机柜内的仿生散热器、脉动热管和储热型冷凝器；在所述密封机柜内还设置有服务器阵列和浸没式冷却液，服务器阵列浸没在所述浸没式冷却液内；所述储热型冷凝器设置在所述服务器阵列上方，所述脉动热管平行地布置在所述服务器阵列之间；所述脉动热管的上部与所述储热型冷凝器相连，所述储热型冷凝器的进出口与所述循环泵和冷却塔相连构成外循环冷却回路。本发明解决了数据中心传统两相浸没式液冷系统中气液堵塞与均温性差的问题，同时强化了抑制短时高热负荷脉冲热冲击的能力并提升了外循环冷却回路的能效水平。

Description

一种浸没式多相耦合液冷系统

技术领域

本发明涉及数据中心浸没式液冷技术领域，尤其涉及一种通过气-液/固-液多相耦合热控技术实现热量高效输运、储存及散释的新型两相浸没式液冷系统。

背景技术

随着5G技术的飞速发展与数字中国等战略的实施，数据密度面临爆炸式增长，为数据中心的热管理能力带来了严峻的挑战。然而，现有数据中心的热管理系统存在严重的高能耗问题，难以满足数据中心的可持续发展需求。因此，现阶段数据中心的当务之急是寻求新的高效可靠的热管理方案。

纵观现有数据中心的热管理技术，风冷是最常见、最广泛、最简单的散热方式。然而，风冷对外界环境温度要求较高，限制了数据中心建设选址，同时风冷本身的散热性能较差，不足以支撑日渐增长的数据中心热管理负荷。与之相比，液冷不仅在散热性能上远好于风冷，还可以节省服务器机柜空间，并降低系统运行的噪音，是更可靠、更高效的热管理方式。其中，浸没式液冷的传热效率和均匀性相较于冷板式液冷、喷淋式液冷等方式更佳，是目前数据中心热管理技术最具发展潜力的热点研究方向。浸没式液冷根据浸没式冷却液是否相变可分为单相浸没式液冷与两相浸没式液冷。与单相浸没式液冷相比，两相浸没式液冷利用了浸没式冷却液的相变潜热，其冷却能力比单相浸没液冷最大约提升80%，更加符合未来数据中心对高负荷系统热管理的要求。总而言之，为了满足数据中心未来发展的热管理需求，急需发展可靠、稳定、高效的两相浸没式液冷技术。

尽管两相浸没式液冷性能十分优异，但在两相浸没式液冷系统的实际建设与运行的过程中依然存在一些问题。在电子器件与浸没式冷却液换热的过程中，浸没式冷却液在电子器件表面吸收热量沸腾，当电子器件发热功率较高时，表面浸没式冷却液气化的速率加快，易导致气膜生成，造成传热恶化。此外，服务器表面各元件的发热功率不同会导致两相浸没式液冷机柜内部的温度均匀性较差，而服务器下部产生的浸没式冷却液蒸汽又会不断向上积聚，使均温性进一步恶化。此外，现有的通过冷却盘管对浸没式冷却液蒸汽冷凝的方式在系统长时间运行的情况下易出现热源温度降低而冷却水温度升高、传热温差变小的情况，导致冷凝效果被削弱而增加了系统的能耗。综上所述，两相浸没式液冷技术仍需进一步的改进优化以使其更好的投入到实际运用中。

发明内容

本发明目的在于针对目前两相浸没式液冷系统的问题，提出一种浸没式多相耦合液冷系统，通过在服务器间灵活设置脉动热管、在高功率电子器件表面加装仿生散热器以及使用具有相变材料的储热型冷凝器，解决数据中心传统两相浸没式液冷系统中气液堵塞与传热均温性差的问题，同时强化抑制短时高热负荷脉冲热冲击的能力并提升了外循环冷却回路的能效水平。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种浸没式多相耦合液冷系统，包括液冷机柜、循环泵和冷却塔，所述液冷机柜包括密封机柜及设置在密封机柜内的仿生散热器、脉动热管和储热型冷凝器；在所述密封机柜内还设置有服务器阵列和浸没式冷却液，服务器阵列浸没在所述浸没式冷却液内；所述仿生散热器设置在所述服务器阵列的高功率电子器件表面用于将高功率电子器件产生的热量释放到浸没式冷却液内；所述储热型冷凝器设置在所述服务器阵列上方，所述脉动热管平行地布置在所述服务器阵列之间，所述脉动热管与浸没式冷却液通过气-液相变实现所述服务器上电子器件热量的高效热输运；所述脉动热管的上部与所述储热型冷凝器相连，所述储热型冷凝器的进出口与所述循环泵和冷却塔相连构成外循环冷却回路，所述脉动热管与储热型冷凝器通过气-液/固-液相变耦合进行热交换和热存储，最终将多余热量通过所述外循环冷却回路中的所述冷却塔散释到环境中。

仿生散热器采用了启迪于“呼吸现象”的气液分离设计思路，主要由用来供液体回流的热沉基台和用来供蒸汽逃逸的莲花型多孔结构组合而成，所述热沉基台上布置有微肋柱，所述微肋柱的高度应控制在所述热沉基台厚度的三分之一左右以保证气体通过微肋柱间流动阻力足够大的同时液体可以借助毛细力抽吸及时回流，所述微肋柱的阵列密度由中心向四周逐渐增加而水力直径从中心向四周逐渐减小，造成蒸汽向外逃逸的阻力增大，同时外围微肋柱的密集排布增大了与液体的接触面积并借助表面张力的梯度变化进一步强化液体回流的毛细抽吸能力。

微肋柱阵列的间距通过流动沿程阻力损失确定，管内流动沿程阻力损失的表达式如下：

(1)

式中，h _f 为管内流动沿程阻力损失，λ为沿程阻力系数，为管道长度，d为管道内径，V为蒸汽速度，g为重力加速度。

蒸汽流过微肋柱间通道时，为使蒸汽从莲花型多孔结构逸出，两条路径的沿程阻力应符合如下关系：

(2)

式中，h _f1 为蒸汽流过所述微肋柱间通道沿程阻力，h _f2 为蒸汽流过所述莲花型多孔结构孔隙沿程阻力，为热沉基台宽度的二分之一，d ₁ 为微肋柱间距，蒸汽流过莲花型多孔结构孔隙时，/>为莲花型多孔结构厚度，d ₂ 为莲花型多孔结构平均孔径；

近似地，认为λ ₁ 和λ ₂ 相等，V ₁ 和V ₂ 相等，因此，所微肋柱间距d ₁ 应满足如下条件：

(3)

定义，与/>的比值为仿生散热器的特征比，则微肋柱间距应小于所述特征比与莲花型多孔结构平均孔径的乘积。

莲花型多孔结构启发于莲花根茎内部结构，莲花根茎内部有竖直的孔洞，中心孔洞直径大而四周孔洞直径小，孔洞主要作用为运输氧气，有鉴于此，莲花型多孔结构通过在立方体金属块的纵向上开有贯穿的、大小不一的锥形孔洞而得，所述孔洞大小总体上符合中心大四周小的分布规律，所述孔洞直径范围为0.1~1mm，所述孔洞直径从靠近所述热沉基台一侧向外渐缩以防止浸没式冷却液回流至所述孔洞内，所述莲花型多孔结构布置在所述热沉基台的上方，并且其孔隙率应大于90%以减小蒸汽的流动阻力，保证蒸汽按照预期设想从莲花型多孔结构逸出进而实现气液路径分离。

储热型冷凝器包括了冷凝翅片、密封壳体、脉动热管冷凝段、冷却盘管以及相变材料，所述冷凝翅片布置在密封壳体的外部，所述脉动热管冷凝段和冷却盘管布置在密封壳体内部，所述相变材料填充在所述密封壳体中的空隙中，作为媒介实现所述脉动热管气-液相变高效热传导和固-液相变高效热存储的耦合热控策略，在高峰期系统热负荷骤增而外循环冷却回路冷凝量无法匹配高热负荷时，将无法及时散释的热量储存在相变材料中达到抑制短时高热负荷脉冲热冲击的目的，相变材料在吸热熔化时温度不变使储热型冷凝器与外循环冷却回路间传热温差保持稳定，避免了由于传热温差减小导致的换热效率下降进而提升外循环冷却回路的能效水平。

仿生散热器、脉动热管通道以及储热型冷凝器框架的材质包括不锈钢、铝、铜等金属及其合金的一种或多种组合。

脉动热管的工作介质包括水、氨、乙二醇等的其中一种。

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、矿物油等的其中一种。

相变材料包括水合无机盐、石蜡类、饱和脂肪酸类和液态金属类的其中一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出的一种浸没式多相耦合液冷系统，通过在服务器间灵活设置脉动热管、在高功率电子器件表面加装仿生散热器以及使用填充相变材料的储热型冷凝器，实现了热量的高效输运、储存及散释，改善了机柜内部均温性较差的情况，解决了数据中心传统两相浸没式液冷系统中发热表面气液阻塞产生气膜导致传热恶化的问题，同时强化了抑制短时高热负荷脉冲热冲击的能力并提升了外循环冷却回路的能效水平。因而，这种气-液/固-液多相耦合热控技术实现了对传统两相浸没式液冷系统散热能力的全面优化，为数据中心的高热流密度电子器件热管理提供了一种高效可靠的技术方案。

2、脉动热管的灵活可调管网布局设计改变了传统两相浸没液冷系统的局部冷却方式，转而借助高热传导的脉动热管使得热量在浸没式冷却液中的输运距离大幅缩短，而且在优化传热路径的同时有效改善了机柜内部的温度均匀性。

3、仿生散热器利用气体通过热沉基台与莲花型多孔结构压损的差异，实现了热源表面气液输运路径的分离，杜绝了气液阻塞现象以及高热阻气膜对系统换热能力的削弱，有效提高了热源表面的临界热通量并强化了气液两相流的换热效果。

4、储热型冷凝器利用相变材料作为两相浸没式液冷机柜与外循环冷却回路换热的媒介，提升了系统应对短时热脉冲冲击的能力并降低了外循环冷却回路的能耗。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例脉动热管结构示意图；

图3为本发明实施例仿生散热器结构示意图；

图4为本发明实施例仿生散热器热沉基台结构示意图；

图5为本发明实施例储热型冷凝器外部结构示意图；

图6为本发明实施例储热型冷凝器内部结构示意图；

其中：1-密封机柜；2-服务器阵列；3-仿生散热器；4-储热型冷凝器；5-脉动热管；6-外循环冷却水管；7-冷却水进口流动方向；8-冷却水出口流动方向；9-循环泵；10-冷却塔；11-冷凝段；12-绝热段；13-蒸发段；14-相变材料；15-莲花型多孔结构；16-热沉基台；17-电子器件；18-微肋柱；19-冷凝翅片；20-密封壳体；21-冷却盘管；22-浸没式冷却液液体流动方向；23-浸没式冷却液蒸气流动方向；151-主孔洞；152-次孔洞。

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展示出了一种浸没式多相耦合液冷系统的具体实施例，包括：密封机柜1、服务器阵列2、仿生散热器3、储热型冷凝器4、脉动热管5、外循环冷却水管6、循环泵9、冷却塔10。其中服务器阵列2排布在密封机柜1中，密封机柜1的空隙内充填有浸没式冷却液，浸没式冷却液的高度不低于服务器阵列2的高度，以部分浸没冷凝器为佳。在服务器之间平行地布置脉动热管5，储热型冷凝器4对应地安装在服务器阵列2上方并通过外循环冷却水管6与循环泵9、冷却塔10相连接，组成外循环冷却回路。

图2为脉动热管5的结构示意图，包括冷凝段11、绝热段12、蒸发段13。脉动热管5的管内工质在蒸发段13吸收服务器阵列2附近的浸没式冷却液中的热量，并在冷凝段11将热量散逸到储热型冷凝器4中，绝热段12对应浸没式冷却液上方以及储热型冷凝器4下方的脉动热管5部分。脉动热管5具有极高的传热效率，通过将脉动热管5布置在服务器之间，使得热量在浸没式冷却液中的输运距离大幅缩短，实现了热量在服务器阵列2、浸没式冷却液、脉动热管5之间的高效热输运，脉动热管5的截面形状包括但不限制于圆形、矩形等，脉动热管5的管路布局可根据服务器阵列2上的电子器件布局而灵活设计以适应不同多热源系统的均匀传热需求，达到改善服务器阵列2附近温度均匀性的目的。

图3、4为仿生散热器3的结构示意图，包括莲花型多孔结构15、热沉基台16、电子器件17、微肋柱18。如图3所示，仿生散热器3由热沉基台16和莲花型多孔结构15组合而成，莲花型多孔结构15布置在热沉基台的上方。仿生散热器3放置在电子器件17表面，热沉基台16与电子器件17表面接触。如图4所示，热沉基台16上布置有微肋柱18，微肋柱18的高度应控制在热沉基台16厚度的三分之一左右，微肋柱18间距应小于仿生散热器3的特征比与莲花型多孔结构15平均孔径的乘积，这样的设计是为了确保气体通过微肋柱18间的流动压损足够大使气体不会从热沉基台16逸出，同时便于液体借助毛细抽吸力及时回流。本实施例中的仿生散热器3是一种启迪于“呼吸现象”的新型散热器，利用气体流经热沉基台16和莲花型多孔结构15压损的不同，诱导气体从流动压损更小的莲花型多孔结构15一侧逸出，而液体则通过热沉基台16回流补充到换热表面，微肋柱18的阵列密度由中心向四周逐渐增加而水力直径从中心向四周逐渐减小，造成蒸汽向外逃逸的阻力增大，同时外围微肋柱18的密集排布增大了与液体的接触面积并借助表面张力的梯度变化进一步强化液体回流的毛细抽吸能力，莲花型多孔结构15通过在立方体金属块的纵向上开有贯穿的、大小不一的孔洞而得，莲花型多孔结构15的孔隙率应大于90%以减小蒸汽的流动阻力，这些设计保证了浸没式冷却液蒸汽和液体的气液输运路径分离，避免了气液阻塞现象导致气膜生成使传热恶化，进而达到了强化传热目的。孔洞直径范围为0.1~1mm。

孔洞包括主孔洞151，主孔洞151的孔径大小总体上符合中心大四周小的分布规律。

孔洞还可以包括次孔洞152，次孔洞152分布在主孔洞151之间，且直径小于主孔洞151的直径。

孔洞可采用锥型孔洞，直径从靠近热沉基台16一侧向外渐缩以防止浸没式冷却液回流至孔洞内。

图5、6为储热型冷凝器4的结构示意图。如图5所示，密封壳体20的表面阵列排布冷凝翅片19，未被充分冷却的浸没式冷却液蒸汽通过冷凝翅片19冷凝至液态并回落。如图6所示，储热型冷凝器4内部布置脉动热管冷凝段11、冷却盘管21，相变材料14填充在密封壳体20中剩余的空隙中，作为媒介实现了脉动热管5气-液相变高效热传导和固-液相变高效热存储的耦合热控策略，利用相变材料14的高潜热特性抑制短时高热负荷脉冲热冲击，同时由于相变材料14材料熔化时保持恒定温度，其与外循环冷却水换热时可以保持稳定的换热温差，提高了与外循环冷却回路的换热效率，达到提升外循环冷却回路能效水平的目的。

仿生散热器3、脉动热管5通道以及储热型冷凝器4框架的材质包括但不限于不锈钢、铝、铜等金属及其合金。

脉动热管5的工作介质包括但不限于水、氨、乙二醇等。

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。

相变材料14包括但不限于水合无机盐、石蜡类、饱和脂肪酸类和液态金属类等。

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 (9)

1.一种浸没式多相耦合液冷系统，包括液冷机柜、循环泵（9）和冷却塔（10），其特征在于：所述液冷机柜包括密封机柜（1）及设置在密封机柜内的仿生散热器（3）、脉动热管（5）和储热型冷凝器（4）；在所述密封机柜（1）内还设置有服务器阵列（2）和浸没式冷却液，服务器阵列（2）浸没在所述浸没式冷却液内；所述仿生散热器（3）设置在所述服务器阵列（2）的高功率电子器件表面用于将高功率电子器件产生的热量释放到浸没式冷却液内；所述储热型冷凝器（4）设置在所述服务器阵列（2）上方，所述脉动热管（5）平行地布置在所述服务器阵列（2）之间，所述脉动热管（5）与浸没式冷却液通过气-液相变实现所述服务器阵列（2）上电子器件热量的高效热输运；所述脉动热管（5）的上部与所述储热型冷凝器（4）相连，所述储热型冷凝器（4）的进出口与所述循环泵（9）和冷却塔（10）相连构成外循环冷却回路，所述脉动热管（5）与储热型冷凝器（4）通过气-液/固-液相变耦合进行热交换和热存储，最终将多余热量通过所述外循环冷却回路中的所述冷却塔（10）散释到环境中；

所述仿生散热器（3）包括用来供液体回流的热沉基台（16）和用来供蒸汽逃逸的莲花型多孔结构（15），所述莲花型多孔结构（15）布置在所述热沉基台（16）的上方，并且莲花型多孔结构（15）的孔隙率大于90%以减小蒸汽的流动阻力；所述热沉基台（16）上布置有微肋柱（18），所述微肋柱（18）的高度为所述热沉基台（16）厚度的四分之一到二分之一，所述微肋柱（18）间距小于仿生散热器（3）的特征比与所述莲花型多孔结构（15）平均孔径的乘积，所述微肋柱（18）的阵列密度由中心向四周逐渐增加以增大蒸汽流动阻力的同时增大液体的毛细抽吸能力，仿生散热器（3）的特征比为所述热沉基台（16）宽度的二分之一与所述莲花型多孔结构（15）厚度的比值；所述莲花型多孔结构（15）是通过在立方体金属块纵向开有贯穿的、大小不一的孔洞而得，孔洞直径范围为0.1~1mm，孔洞包括按照第一规律分布的主孔洞，第一规律为孔洞的直径从中心向四周逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：孔洞还包括次孔洞，次孔洞分布在主孔洞间且直径小于周边最小直径的主孔洞直径。

3.根据权利要求1或2所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：所述孔洞为锥型孔洞，所述孔洞直径从靠近所述热沉基台（16）一侧向外渐缩以防止浸没式冷却液回流至所述孔洞内。

4.根据权利要求1所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：所述脉动热管（5）由蒸发段（13）、绝热段（12）与冷凝段（11）构成，所述蒸发段（13）对应所述脉动热管（5）在浸没式冷却液中的部分，所述冷凝段（11）对应所述脉动热管（5）上部嵌入所述储热型冷凝器（4）内的部分，所述绝热段（12）对应所述浸没式冷却液上方以及储热型冷凝器（4）下方的所述脉动热管（5）部分。

5.根据权利要求4所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：所述脉动热管（5）管道的截面形状为圆形或矩形。

6.根据权利要求1所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：所述储热型冷凝器（4）包括冷凝翅片（19）、密封壳体（20）、冷却盘管（21）以及相变材料（14），所述冷凝翅片（19）布置在密封壳体（20）的外部，所述冷却盘管（21）布置在密封壳体（20）内部；所述相变材料（14）填充在所述密封壳体（20）中的空隙中，所述脉动热管（5）的冷凝段（11）至于相变材料（14）内，相变材料（14）作为媒介实现所述脉动热管（5）气-液相变高效热传导和固-液相变高效热存储的耦合热控策略，抑制短时高热负荷脉冲热冲击的同时提升所述外循环冷却回路的能效水平。

7.根据权利要求6所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：所述相变材料（14）为水合无机盐、石蜡类、饱和脂肪酸类或液态金属类。

8.根据权利要求1所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：所述脉动热管（5）的工作介质为水、氨或乙二醇。

9.根据权利要求1所述的一种浸没式多相耦合液冷系统，其特征在于：所述浸没式冷却液为氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物或矿物油。