CN208904008U - 一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，包括冷却盒、N个蒸发器、N‑1个三通结构件、N段气体管路、N段液体管路和N‑1段蒸发管路，N个蒸发器通过蒸发管路、气体管路和液体管路并联连接在冷却盒上，同时，第1段气体管路伸进冷却盒，在冷却盒内部绕圈形成盘管，盘管伸出冷却盒与第1段液体管路连通，所述N蒸发器伸入服务器的内部，分别与N个芯片接触并固定，芯片上的在工作过程中产生的热量将蒸发器内的液体蒸发成气体，由蒸发管路和气体管路送至冷却盒，在冷却盒内与冷却盒内的冷却流体进行热交换，冷凝成液体，从而实现芯片散热，N≥1。本实用新型简化了散热结构、提高了散热效率，降低了能耗成本和安全隐患。

Description

一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置

技术领域

本实用新型属于机房散热技术领域，涉及一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置。

背景技术

数据中心(又称机房)的散热能耗问题随着数据中心规模和机柜功率密度的增大而越来越受到关注和重视。数据中心传统的散热方式主要是空调风冷系统和单相循环水冷系统。其中，空调风冷系统结构简单，最易实施，但散热能力有限，能耗高；水冷系统散热能力强，但系统庞大复杂，并且出于安全考虑水冷管路一般布置在机房或机柜外。

热管技术作为一种被动式两相换热技术，被誉为“热的超导体”，近年来在数据中心得到了初步的应用，包括热管换热器(热管式空调)和热管背板等，在节能降耗方面发挥了巨大的作用。

目前现有技术主要是针对机房整体或单个机柜进行散热设计，属于机房级和机柜级的散热模式，因此无法有效地解决机柜中无数服务器芯片的局部散热问题和实现高功率下工作温度的有效控制。而从服务器产生热量的来源角度来看，主要芯片产生的热量占服务器发热的70％以上。要想解决这一问题，适应未来高功率密度机柜和大功率服务器的发展需要，开发一种基于芯片级散热模式的新型机房散热方式将成为今后的主流方向。

芯片级散热模式是指采用先进冷却技术直接作用于服务器的芯片发热位置。备选的技术包括单相液冷回路、浸泡式液冷、热管冷却技术等。单相液冷回路是将液体通过管路直接输送到发热芯片表面带走热量，浸泡式液冷是将芯片直接浸没在液体中，然而，这两种方式都存在辅助配套系统庞大、成本高、后期维护繁琐、存在泄露安全隐患等问题，且受结构和服务器内部空间限制，散热效率有限。热管冷却技术是利用热管高速传热的原理，将取热端直接贴合服务器芯片，把服务器芯片的热量通过热管快速递传递到冷却端，实现对服务器芯片的精确控温，属于芯片级散热技术。实用新型者所在团队针对芯片级环路热管散热装置已经申请了系列专利，已申请的专利均是一个热管散热装置对应一个服务器芯片，一般的服务器拥有两个CPU及其他芯片，这意味着需要两个以上热管散热装置同时安装在服务器内部，在空间允许的情况下可以很好地满足服务器的散热需求。随着服务器技术的发展，芯片的功率越来越大，而服务器内部空间则越来越小，而且服务器内部结构也在发生变化，在空间上的约束可能会影响多个热管散热装置的布置。因此，研究出一种可以满足多芯片同时散热的单个热管散热装置很有必要，可以解决未来服务器芯片的散热需求。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，旨在进一步简化结构、提高散热效率、降低能耗成本和安全隐患。

本实用新型的技术解决方案是：一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，包括冷却盒、N个蒸发器、N-1个三通结构件、N段气体管路、N段液体管路和N-1段蒸发管路，第1段液体管路连接第1个蒸发器、第1个蒸发器通过第2段液体管路连接第2个蒸发器，依次类推，直到第N-1个蒸发器通过第N段液体管路连接第N个蒸发器，第N个蒸发器再通过第N段气体管路连接至第N-1个三通结构件，同时，第N-1个三通结构件通过第N-1段蒸发管路连接第N-1个蒸发器，通过第N-1气体管路连接第N-2个三通结构件，第N-2个三通结构件再通过第N-2段蒸发管路连接第N-2个蒸发器，同时，通过第N-2段蒸发管路连接第N-3个三通结构件，依次类推，直到第2个三通结构件通过第2段气体管路连接第1个三通结构件，第1个三通结构件通过第1段蒸发管路连接第1个蒸发器，同时，第1段气体管路伸进冷却盒，在冷却盒内部绕圈形成盘管，盘管伸出冷却盒与第1段液体管路连通，第1段气体管路和第1段液体管路处于冷却盒内部的部分与盘管共同构成热管冷凝器，所述N蒸发器伸入服务器的内部，分别与N个芯片接触并固定，芯片上的在工作过程中产生的热量将蒸发器内的液体蒸发成气体，由蒸发管路和气体管路送至冷却盒，在冷却盒内与冷却盒内的冷却流体进行热交换，冷凝成液体，从而实现芯片散热，N大于等于1。

所述冷却盒包括：进水口、出水口，冷却液从进水口入，从出水口出，使冷却盒内部填充流动的冷却液。

所述冷却液为纯净水或者氟利昂系列冷却液。

所述冷却盒还包括内部结构件，所述内部结构件，内部结构件用于填充盘管围绕形成的空间，防止盘管散发的热量在其围绕形成的空间内聚集。

所述内部结构件为实心或者空心结构体。

所述内部结构件为具备相变储热功能的结构体4，用于吸收盘管的热量。

所述第n个气体管路的横截面积大于等于第n个蒸发管路和第n段蒸发管路截面面积之和,n＝1～N-1。

所述蒸发器内部为空腔结构，所述空腔结构包括毛细芯结构和气液隔离结构。

所述第1段气体管路和第1段液体管路处于冷却盒内部的部分与盘管一体成型。

所述第n个液体管路的内部最低点应与第n个蒸发器的最低点一致,n＝1～N。

本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型所述的用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，创新地设计了一种快速、高效、便捷和远距离地传递芯片热量的并联式环路热管，并联式环路热管包含两个以上接触芯片的蒸发器、一个冷却盒以及连接各蒸发器和冷却盒的管路三个部分，为一个整体结构，热管内的工质在这三个部分的密封封闭空间内发生气液两相相变和循环流动，可以直接将芯片产生的热量快速、高效、便捷和远距离地转移到服务器外，相比简单的圆管热管耦合基座平板和水冷板，所述嵌入式热管的传热效率更高，整体热阻则大大降低，大幅提高了对芯片的散热控温水平。

(2)、在本实用新型所述的用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置中，设计了一种冷却盒，冷却盒中放置嵌入式热管的冷凝器，冷却液体可以在冷却盒中流过冷凝器外表面进行换热，这样通过嵌入式热管与冷却盒液冷相结合的散热形式，实现了热管高效传热和液冷快速吸热两种方式的有机耦合，相比单相液冷回路，它一方面保证了散热效率，另一方面通过液体在服务器外带走热管传递出来的热量，避免了液体在服务器内泄漏对电子芯片带来的严重后果，大大提高了散热装置的安全性和可靠性，真正将数据中心的散热模式从传统的机房级、机柜级提升到了芯片级的高水准。另外，冷却盒内部可以嵌入具备相变储热功能的结构体，由相变材料封装在金属外壳构成，该结构体起到的作用是：如因意外导致冷却设备断电，冷却盒无法有效冷却热管，具备相变储热功能的结构体可以在短时间内把热量吸收，起到缓冲的作用。

(3)相比现有服务器芯片上的翅片加风扇散热方式，本实用新型的嵌入式热管的蒸发器的吸热面积、厚度和体积都大幅度减小，一个并联式环路热管散热装置可以满足两个以上CPU的散热需求，所占空间进一步减小，从而服务器内的空间利用率进一步提升，为以后服务器的结构优化和性能提升创造了更好的空间条件。

(4)、采用本实用新型的散热装置，一方面服务器的风扇墙可以减少风扇的数量，甚至可以去掉一半以上的风扇；另一方面还去掉了现有翅片结构上的风扇，因此带来的直接收益有两个，一是服务器的风扇噪声可以大幅降低，二是服务器的电力消耗得到了降低，从而降低了服务器的能耗。

(5)、本实用新型能够有效地解决芯片的局部过热和温度超高的问题，相比现有服务器芯片上的风冷翅片，其降低芯片工作温度或控制芯片温度的能力更强，因此采用本实用新型带来的收益还有两方面，一是保证服务器工作不会出现“宕机”现象，服务器芯片的有效利用率提高；二是在满足芯片最高工作温度上限的前提下，可以大幅地提高机房的送风温度和冷却盒的液体进口温度，从而显著降低机房制冷系统的能耗。

附图说明

图1(a)是本实用新型实施例一中并联式环路热管散热装置结构正视示意图；

图1(b)是本实用新型实施例一中并联式环路热管散热装置结构俯视示意图；

图2(a)是本实用新型实施例二中并联式环路热管散热装置结构正视示意图；

图2(b)是本实用新型实施例二中并联式环路热管散热装置结构俯视示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型公共的实施方式作进一步详细描述。

实施例1

参照图1(a)和图1(b)，示出了本实用新型实施例中一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置结构示意图。在本实施例中，所述用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，并联式环路热管包括：第二蒸发器3、第一蒸发器4、第二气体管路5、第一蒸发管路6、第一气体管路7、第二液体管路8、第一液体管路9、三通结构件10、冷却盒11。

第一液体管路9连接第一蒸发器4、第一蒸发器4通过第二液体管路8连接第二蒸发器3，第二蒸发器3通过第二气体管路5连接至三通结构件10，同时，三通结构件10通过第一蒸发管路6连接第一蒸发器4，连接第一气体管路7，所述第一气体管路7连接伸进冷却盒11，在冷却盒11内部绕圈形成盘管104，盘管104伸出冷却盒与第一液体管路9连通，第一气体管路7和第一液体管路9处于冷却盒11内部的部分与盘管104共同构成热管冷凝器。所述热管冷凝器伸入服务器的内部，分别与设置在所述服务器内部的第一芯片1和第二芯片2接触并固定，芯片上的在工作过程中产生的热量将蒸发器内的液体蒸发成气体，由蒸发管路和气体管路送至冷却盒11，在冷却盒11内与冷却盒11内的冷却流体进行热交换，冷凝成液体，从而实现芯片散热，N大于等于1。其中，所述第一蒸发器4和第二蒸发器3伸入服务器的内部，分别与所述第一芯片1和第二芯片2接触并固定。

在本实施例中，如图1(a)和图1(b)，所述第一蒸发器4的下底面与所述第一芯片1的上表面接触并固定；其中，所述第一蒸发器4的下底面面积大于或等于所述第一芯片1的上表面面积；所述第二蒸发器3的下底面与所述第二芯片2的上表面接触并固定；其中，所述第二蒸发器3的下底面面积大于或等于所述第二芯片2的上表面面积；以目前主流CPU的尺寸为标准，优选地，蒸发器的各边长度比CPU长0.5cm。所述第一蒸发器4和所述第二蒸发器3在垂直方向的高度根据服务器内部空间的高度决定，优选地，高度小于或等于2cm；所述第一蒸发器4和所述第二蒸发器3内部为空腔结构，其中，所述空腔结构包括：毛细芯结构和气液隔离结构，优选地，毛细芯结构为烧结毛细芯，如考虑加工难度及批量化生产等工艺问题，可以选择槽道结构作为毛细芯。

在本实施例中，如图1(a)和图1(b)，所述三通结构件10的作用是把第二气体管路5和第一蒸发管路6产生的气体汇集在一起经第一气体管路7到达冷却盒，其结构形式包括但不限于“T”型、“人”型等通用三通结构，亦可以直接把第二气体管路5、第一蒸发管路6和第一气体管路7焊接形成一个整体。优选地，第二气体管路5和第一蒸发管路6的管径一致，第一气体管路7的管径比第二气体管路5和第一蒸发管路6大，优选地，第一气体管路7的横截面积为第二气体管路5和第一蒸发管路6横截面积的和。

在本实施例中，如图1(a)和图1(b)，在垂直方向，整体高度应小于服务器内部空间所允许的最大高度，一般地，整体高度小于5cm。在垂直方向，第二蒸发器3不得高于第一蒸发器4，冷却盒11应高于第二蒸发器3及第一蒸发器4；在水平方向，第二蒸发器3、第一蒸发器4及冷却盒11不做限制，根据服务器内部芯片的位置及外部冷却空间决定。第二液体管路8的内部最低点应与第二蒸发器3的最低点一致，不能形成内部台阶；第一液体管路9的内部最低点应与第一蒸发器4的最低点一致，不能形成内部台阶。第二液体管路8的管径小于或等于第一液体管路9。

在本实施例中，如图1(a)和图1(b)，所述冷却盒11包括：进水口101、出水口102、内部结构件103；第一气体管路7伸进冷却盒11，在冷却盒11内部围绕内部结构件103绕圈形成盘管104，盘管104的圈数根据冷却盒11的大小及管径决定，优选地，至少盘两圈以上，盘管104伸出冷却盒成为第一液体管路9，第一气体管路7、盘管104和第一液体管路9为一整体，管径一致；在垂直方向，第一气体管路7的最低点应比第一液体管路9的最高点高，优选地，在垂直高度上，第一气体管路7的最低点比第一液体管路9的最高点高3cm以上。另外，所述的进水口101在垂直方向上应比出水口102低，一般地，进水口101位于冷却盒11侧面的底部，出水口102位于冷却盒11另一个侧面的顶部；冷却盒的冷却流体可以是水、氟利昂系列或其他冷却介质，优选地，选用纯净水作为冷却介质。所述内部结构件103的作用是避免冷却盒内部冷却流体在中间滞留，无法有效地与盘管104进行热交换，从而降低冷却盒的换热效率，其结构可以是实心/空心金属体、实心/空心非金属体体或具备某种功能的结构体，优选地，选用具备相变储热功能的结构体。所述内部结构件103可以是具备相变储热功能的结构体，由相变材料封装在金属外壳构成，相变材料的融点在30℃至60℃之间，具体成分不做限定，其作用是：如因意外导致冷却设备断电，冷却盒无法有效冷却热管，具备相变储热功能的结构体可以在短时间内把热量吸收，起到缓冲的作用。在意外停机的情况下，相变储能结构体可以在短时间内保证热管的正常运行，避免服务器芯片的温度迅速升高而发生“宕机”甚至烧毁，在这段时间内，可以让报警系统或后备系统有足够的反应时间，避免严重的意外发生。

实施例2

本实用新型不限于满足两个芯片同时散热的情况，可以延展为三个芯片不限于CPU芯片同时散热的情况。参照图2(a)和图2(b)，，示出了本实用新型实施例中一种用于服务器芯片散热的三蒸发器并联式环路热管散热装置的结构示意图。

在本实施例中，所述用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，并联式环路热管包括：第一蒸发器33、第二蒸发器32、第三蒸发器31、第一液体管路48、第二液体管路47、第三液体管路46、第三气体管路41、第二气体管路43、第一气体管路45、第二蒸气管路42、第一蒸气管路44、第二三通结构51、第一三通结构52和冷却盒11。

第一液体管路48连接第一蒸发器33、第一蒸发器33通过第二液体管路47连接第二蒸发器32，第二蒸发器32通过第三液体管路46连接第三蒸发器31，第三蒸发器31通过第三气体管路41连接至第二三通结构51，同时，第二三通结构51通过第二蒸气管路42连接第二蒸发器32，通过第二气体管路43连接第一三通结构52，第一三通结构52通过第一蒸气管路44连接第一蒸发器33，同时第一三通结构52连接第一气体管路45，所述第一气体管路45伸进冷却盒11，在冷却盒11内部绕圈形成盘管104，盘管104伸出冷却盒与第一液体管路48连通，第一气体管路45和第一液体管路48处于冷却盒11内部的部分与盘管104共同构成热管冷凝器。所述热管冷凝器伸入服务器的内部，分别与设置在所述服务器内部的第一芯片21、第二芯片22、第三芯片23接触并固定，芯片上的在工作过程中产生的热量将蒸发器内的液体蒸发成气体，由蒸发管路和气体管路送至冷却盒11，在冷却盒11内与冷却盒11内的冷却流体进行热交换，冷凝成液体，从而实现芯片散热，N大于等于1。其中，所述第一蒸发器33、第二蒸发器32、第三蒸发器31伸入服务器的内部，分别与所述第一芯片21、第二芯片22、第三芯片23接触并固定。

在本实施例中，如图2(a)和图2(b)，，其蒸发器大小及其内部结构、冷却盒大小及其内部结构以及管路的布置等均与图1一致，在此不再累述。需要注意的是，在管径方面，第一气体管路45大于或等于第二气体管路43和第一蒸发管路44；第二气体管路43大于或等于第三气体管路41和第二蒸发管路42；第三液体管路46大于或等于第二液体管路47；第二液体管路47大于或等于第一液体管路48。一般地，为了简化工艺，方便实施，所有的气体管路和液体管路管径可以选择一致。各蒸发器的大小及位置(包括水平方向及垂直方向)根据服务器内部芯片的大小决定，在此不做任何限制，需要注意的是，在垂直方向，第一蒸发器33的高度大于或等于第二蒸发器32，第三蒸发器32的高度大于或等于第一蒸发器31，冷却盒的高度大于第一蒸发器33。另外，四蒸发器乃至多蒸发器并联式环路热管散热装置结构可以类推，在此不再详细说明。

需要说明的是，在本实用新型中，在选择热管的壳体和工质材料时，可以但不仅限于按照如下方式进行选择：铝合金和液氨的组合、铝合金和丙酮的组合、铜合金和蒸馏水的组合、铜合金和氟利昂的组合等，本实用新型对此不作限制。

在本实用新型中，所述的用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，创新地设计了一种快速、高效、便捷和远距离地传递芯片热量的并联式环路热管，并联式环路热管包含两个以上接触芯片的蒸发器、一个冷却盒以及连接各蒸发器和冷却盒的管路三个部分，为一个整体结构，热管内的工质在这三个部分的密封封闭空间内发生气液两相相变和循环流动，可以直接将芯片产生的热量快速、高效、便捷和远距离地转移到服务器外，相比简单的圆管热管耦合基座平板和水冷板，所述嵌入式热管的传热效率更高，整体热阻则大大降低，大幅提高了对芯片的散热控温水平。

以上所述，仅为本实用新型最佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：包括冷却盒(11)、N个蒸发器、N-1个三通结构件、N段气体管路、N段液体管路和N-1段蒸发管路，第1段液体管路连接第1个蒸发器、第1个蒸发器通过第2段液体管路连接第2个蒸发器，依次类推，直到第N-1个蒸发器通过第N段液体管路连接第N个蒸发器，第N个蒸发器再通过第N段气体管路连接至第N-1个三通结构件，同时，第N-1个三通结构件通过第N-1段蒸发管路连接第N-1个蒸发器，通过第N-1气体管路连接第N-2个三通结构件，第N-2个三通结构件再通过第N-2段蒸发管路连接第N-2个蒸发器，同时，通过第N-2段蒸发管路连接第N-3个三通结构件，依次类推，直到第2个三通结构件通过第2段气体管路连接第1个三通结构件，第1个三通结构件通过第1段蒸发管路连接第1个蒸发器，同时，第1段气体管路伸进冷却盒(11)，在冷却盒(11)内部绕圈形成盘管(104)，盘管(104)伸出冷却盒与第1段液体管路连通，第1段气体管路和第1段液体管路处于冷却盒(11)内部的部分与盘管(104)共同构成热管冷凝器，所述N蒸发器伸入服务器的内部，分别与N个芯片接触并固定，芯片上的在工作过程中产生的热量将蒸发器内的液体蒸发成气体，由蒸发管路和气体管路送至冷却盒(11)，在冷却盒(11)内与冷却盒(11)内的冷却流体进行热交换，冷凝成液体，从而实现芯片散热，N大于等于1。

2.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述冷却盒(11)包括：进水口(101)、出水口(102)，冷却液从进水口(101)入，从出水口(102)出，使冷却盒(11)内部填充流动的冷却液。

3.根据权利要求2所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述冷却液为纯净水或者氟利昂系列冷却液。

4.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述冷却盒(11)还包括内部结构件(103)，所述内部结构件(103)，内部结构件(103)用于填充盘管围绕形成的空间，防止盘管散发的热量在其围绕形成的空间内聚集。

5.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述内部结构件(103)为实心或者空心结构体。

6.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述内部结构件(103)为具备相变储热功能的结构体4，用于吸收盘管的热量。

7.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述第n个气体管路的横截面积大于等于第n个蒸发管路和第n段蒸发管路截面面积之和,n＝1～N-1。

8.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述蒸发器内部为空腔结构，所述空腔结构包括毛细芯结构和气液隔离结构。

9.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述第1段气体管路和第1段液体管路处于冷却盒(11)内部的部分与盘管(104)一体成型。

10.根据权利要求1所述的一种用于服务器芯片散热的并联式环路热管散热装置，其特征在于：所述第n个液体管路(9)的内部最低点应与第n个蒸发器(4)的最低点一致,n＝1～N。