CN218735743U - 基于重力热管的服务器散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于重力热管的服务器散热系统，用于对服务器的芯片进行散热，包括：蒸发器，设置在服务器的机箱内，并与芯片接触，蒸发器内部具有第一腔体；冷凝器，设置在服务器的上方，冷凝器内具有第二腔体；绝热管段，穿过机箱并连接蒸发器和冷凝器，并连通第一腔体和第二腔体，使蒸发器、冷凝器和绝热管段组成重力热管，以容纳通过收放热量实现液态与气态间转换的工质；芯片产生的热量经蒸发器传递至位于第一腔体内处于液态的工质，工质吸收热量转换为气态，通过绝热管段上升至冷凝器的第二腔体，工质的热量透过冷凝器传递至外部环境，工质转换为液态并通过绝热管段下降至第一腔体。本实用新型有效解决了芯片散热问题，同时由于重力热管的工作不依赖电力，能够降低服务器所在环境的用电指标。

Description

基于重力热管的服务器散热系统

技术领域

本实用新型涉及计算机技术领域，具体涉及一种基于重力热管的服务器散热系统。

背景技术

在当下数据中心蓬勃发展的同时，行业能耗问题也受到社会各界广泛关注。尤其在我国提出2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的目标后，数据中心绿色发展问题变得尤为迫切。2020年以来，从国家到地方各层面密集出台各种PUE(能源使用效率)相关政策，驱动数据中心向绿色节能方向发展，绿色清洁能源、能源高效节能技术将是数据中心能源未来的发展方向。国家有关部委和地方政府纷纷出台了数据中心建设能效标准和监管政策，数据中心建设也进入了能效强监管时代，PUE将是数据中心建设的硬约束。

因此，需要一种技术方案，解决数据中心高性能计算芯片工作过程的高功率密度散热及传热问题，同时显著降低数据中心运行过程的PUE指标及用电成本。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，提出了本实用新型，以解决数据中心高性能计算芯片工作过程的高功率密度散热及传热问题，同时显著降低数据中心运行过程的PUE指标及用电成本。

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于重力热管的服务器散热系统，用于对服务器的芯片进行散热，包括：蒸发器，设置在所述服务器的机箱内，并与所述芯片接触，所述蒸发器内部具有第一腔体；冷凝器，设置在所述服务器的上方，所述冷凝器内具有第二腔体；绝热管段，穿过所述机箱并连接所述蒸发器和所述冷凝器，并连通所述第一腔体和第二腔体，使所述蒸发器、所述冷凝器和所述绝热管段组成重力热管，以容纳通过收放热量实现液态与气态间转换的工质；所述芯片产生的热量经所述蒸发器传递至位于所述第一腔体内处于液态的所述工质，所述工质吸收热量转换为气态，通过所述绝热管段上升至所述冷凝器的第二腔体，所述工质的热量透过所述冷凝器传递至外部环境，所述工质转换为液态并通过所述绝热管段下降至所述第一腔体。

优选地，前述的服务器散热系统，所述芯片为CPU和/或GPU。

优选地，前述的服务器散热系统，所述蒸发器安装在所述机箱上，所述芯片的上部固定在所述蒸发器的下表面上。

优选地，前述的服务器散热系统，所述蒸发器包括盖板、底板、毛细结构，所述盖板和所述底板配合构成所述第一腔体，所述毛细结构安装在所述底板的上表面并与所述工质接触，一个或多个所述芯片的上部通过绝缘导热固定件安装在所述底板的下表面，所述芯片的热量经所述底板的下表面、所述毛细结构传递至所述工质。

优选地，前述的服务器散热系统，所述工质为去离子水、液氨、丙酮或氟氯烃等。

优选地，前述的服务器散热系统，所述冷凝器上具有多个翅片，用于将热量传递至外部环境。

优选地，前述的服务器散热系统，还包括：冷凝器换热器，安装在所述冷凝器上，用于驱动所述冷凝器外部环境的介质流动以带走所述冷凝器传递到外部环境的热量。

优选地，前述的服务器散热系统，还包括：制冷装置，用于降低所述冷凝器、所述冷凝器换热器外部环境的介质温度，使所述芯片的热量向所述冷凝器、所述冷凝器换热器外部环境的介质传递。

优选地，前述的服务器散热系统，还包括：切换模块，连接所述冷凝器换热器和所述制冷装置，根据所述冷凝器外部环境的介质温度高低，判断是否启动所述冷凝器换热器或所述制冷装置。

优选地，前述的服务器散热系统，所述绝热管段外表面包覆有绝热阻燃材料。

本实用新型上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

本实用新型的技术方案中，蒸发器、冷凝器、绝热管段组成重力热管，芯片产生的热量被蒸发器中的液态工质吸收，之后工质转换为气态上升至冷凝器，冷凝器将工质的热量释放到外部环境，工质重新转换为液态，在重力作用下，下降到蒸发器中继续吸收芯片热量，有效解决了芯片散热问题，同时由于重力热管的工作不依赖额外电能，能够降低服务器所在环境的用电指标，而且由于蒸发器设置在机箱中并与芯片直接接触，使得芯片位于电路板和蒸发器之间，形成对芯片良好的支撑作用。

附图说明

参照附图，本实用新型的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本实用新型的保护范围组成限制。其中：

图1是根据本实用新型的一个实施例的基于重力热管的服务器散热系统的框图；

图2是根据本实用新型的一个实施例的基于重力热管的服务器散热系统的示意图；

图3是根据本实用新型的一个实施例的基于重力热管的服务器散热系统应用于数据中心的示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，术语“A和/或B”表示所有可能的A与B的组合，比如只是A、只是B或者A和B。术语“至少一个A或B”或者“A和B中的至少一个”含义与“A和/或B”类似，可以包括只是A、只是B或者A和B。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。

如图1所示，本实用新型的一个实施例中提供了一种基于重力热管的服务器散热系统，用于对服务器的芯片进行散热，该服务器可以是单独的服务器，也可以是位于数据中心的服务器集群，该系统包括：

蒸发器101，设置在服务器的机箱内，并与芯片102接触，蒸发器101内部具有第一腔体。

本实施例中，由于蒸发器101设置在机箱中并与芯片102直接接触，使得芯片102位于电路板和蒸发器101之间，形成对芯片102良好的支撑作用。本实施例中，芯片102可以是CPU或GPU，所以本实施例的方案能够针对CPU和GPU进行散热。

冷凝器103，设置在服务器的上方，冷凝器103内具有第二腔体。

绝热管段104，穿过机箱并连接蒸发器101和冷凝器103，并连通第一腔体和第二腔体，使蒸发器101、冷凝器103和绝热管段104组成重力热管，以容纳通过收放热量实现液态与气态间转换的工质105。

本实施例中，工质105包括但不限于去离子水、液氨、丙酮或氟氯烃等易于发生气液相变，且传热品质优异的工质种类。

根据重力热管工作原理，芯片102产生的热量经蒸发器101传递至位于第一腔体内处于液态的工质105，工质105吸收热量转换为气态，通过绝热管段104上升至冷凝器103的第二腔体，工质105的热量透过冷凝器103传递至外部环境，工质105转换为液态并通过绝热管段104下降至第一腔体。

根据本实施例的技术方案，蒸发器101、冷凝器104、绝热管段105组成重力热管，芯片102产生的热量被蒸发器101中的液态工质105吸收，之后工质105转换为气态上升至冷凝器103，冷凝器103将工质105的热量释放到外部环境，工质105重新转换为液态，在重力作用下，下降到蒸发器101中继续吸收芯片102热量，有效解决了芯片102散热问题，同时由于重力热管的工作不依赖额外电能，能够降低服务器所在环境的用电指标，而且由于蒸发器101设置在机箱中并与芯片102直接接触，使得芯片102位于电路板和蒸发器101之间，形成对芯片102良好的支撑作用。

如图2和图3所示，本实用新型的一个实施例中提供了一种基于重力热管的服务器散热系统。本实施例的技术方案应用于数据中心/服务器大功率CPU/GPU计算芯片散热系统设计。本实施例中，数据中心服务器可以采用标准机柜分层布置方式，可根据数据中心建筑结构布置成单层、双层、三层甚至多层结构，服务器CPU/GPU模块均通过重力热管进行独立散热。本实施例的系统包括：

蒸发器201，安装在服务器301机箱上，芯片202的上部固定在蒸发器201的下表面上，具体地，蒸发器201包括盖板203、底板204、毛细结构205，盖板203和底板204配合构成第一腔体，毛细结构205安装在底板204的上表面并与工质206接触，一个或多个芯片202的上部通过绝缘导热固定件安装在底板204的下表面，芯片202的热量经底板204的下表面、毛细结构205传递至工质206。

本实施例中，大功率发热器件(即芯片)202与蒸发器201下表面进行导热安装，保证CPU/GPU芯片202上部与底板紧密贴合，具体地，通过绝缘导热固定件与底板204进行导热安装，固定件可为螺钉或卡箍压片。毛细结构205、盖板203、底板204通过烧结和真空钎焊工艺组成封闭的第一腔体，内部填充液态工质206。底板204与多个大功率发热器件202进行导热连接，毛细结构205内部填充液态工质206保证底板204内表面处于湿润。毛细结构205固定于底板204上，可由金属粉末烧结、金属丝网或沟槽结构中一种或组合方式构型；盖板203和底板204可由铜基金属材料、铝基金属材料或不锈钢等易焊性好、成本较低及工质相容性好的金属材料加工。

冷凝器207，设置在服务器301的上方，冷凝器207内具有第二腔体。冷凝器207上具有多个翅片，用于将热量传递至外部环境。冷凝器207翅片采用竖直布置方式，有利于气态工质206上升冷却及液态工质206回流。

绝热管段209，穿过服务器301机箱并连接蒸发器201和冷凝器207，并连通第一腔体和第二腔体，使蒸发器201、冷凝器207和绝热管段209组成重力热管302，以容纳通过收放热量实现液态与气态间转换的工质206。蒸发器201上部与绝热管段209进行连通。绝热管段209外表面包覆有临近热绝缘直径的保温隔热材料2010。保温隔热材料2010不限于聚氨酯泡沫、多层隔热组件等。

本实施例中，绝热管段209通过保温隔热材料2010与环境隔热处理。系统整体布局保持蒸发器201在下部，冷凝器207在上部，且绝热管段209布置过程应保证有利于液态工质206回流。绝热管段209从机箱侧板或背板统一引出，再沿着高度方向延伸至建筑物上层冷凝器207进行耗散。绝热管段209采用分段加工、现场组装并结合建筑物具体特征灵活布局方式进行装配。绝热管段209各管段间采用先密封螺接，再焊接方式进行连接。绝热管段209内表面进行钝化处理，外表面通过保温隔热材料2010与环境进行热隔离，绝热管段209具体实施过程应保证有利于液态工质206回流方式进行固定，水平布置需保持10°至15°倾角。

根据重力热管工作原理，芯片202产生的热量经蒸发器201传递至位于第一腔体内处于液态的工质206，工质206吸收热量转换为气态，通过绝热管段209按第一方向2011上升至冷凝器207的第二腔体，工质206的热量透过冷凝器207传递至外部环境，工质206转换为液态并在重力(图2中的g表示重力)影响下通过绝热管段209按第二方向2012下降至第一腔体。

冷凝器换热器2013，安装在冷凝器207上，用于驱动冷凝器207外部环境的介质流动以带走冷凝器207传递到外部环境的热量。外部环境介质可以是空气，也可以是水或其他冷却介质。

本实施例中，冷凝器207与冷凝器换热器2013进行一体化设计。为增大冷凝器207散热面积，在冷凝器207表面增设冷凝器换热器2013，一方面冷凝器换热器2013可显著增加系统自然对流及强制散热能力；另一方面冷凝器换热器2013与制冷换热器303进行热交换，进一步提升系统工作性能及高温环境适应能力。

此外，冷凝器207上部设置加液阀2014及不凝气体除气阀，用于注入工质206以及排出不凝气体。蒸发器201上设置排液阀2015，用于排出工质206。

制冷装置，用于降低冷凝器207、冷凝器换热器2013外部环境的介质温度，使芯片202的热量向冷凝器207、冷凝器换热器2013外部环境的介质传递。

切换模块，根据冷凝器207外部环境的介质温度高低，判断是否启动冷凝器换热器2013或制冷装置。

本实施例中，具有制冷装置，并可通过切换模块进行通断控制。本实施例中，制冷装置包括制冷机组304、制冷空调管路305、制冷空调出风口306、制冷换热器303等，对数据中心服务器301工作场所进行空气温湿度调节，必要时通过切换模块指示提供辅助制冷，降低服务器CPU/GPU模块202温度水平。

本实施例中，切换模块搭配冷凝器207、冷凝器换热器2013、制冷换热器303，可根据外界环境温度(空气、水或其他介质)以自然对流、强制对流、辅助制冷三种散热模式进行系统热量耗散，各模式可自动切换。具体地，自然对流是指，环境介质温度较低时，冷凝器207、冷凝器换热器2013通过与环境介质直接进行自然对流换热，不耗费额外能源，该模式最节省电能，PUE指标最小；强制对流是指，环境介质温度适中时，启动冷凝器换热器2013的风扇或泵等驱动装置307，加快环境介质按第三方向2016流动进行强化换热，该模式需要耗费一定能量驱动风机或泵，该模式也较为节省电能，PUE指标适中；辅助制冷是指，环境介质温度较高时，为保证芯片温度不至超限停机，通过制冷机组304及制冷换热器303降低冷凝器换热器2013温度方式辅助进行散热，该模式耗电量较大，但较传统数据中心服务器散热方式PUE仍具一定优势。本实施例中，重力热管302、数据中心服务器303、服务器CPU/GPU模块202、数据中心建筑结构308均可采用标准化机械、电气及热接口的模块化设计。

本实施例技术方案的工作原理在于：蒸发器201内液态工质206吸热气化形成工质206蒸汽，在毛细结构205抽吸作用下，周围液态工质206迅速补充大功率发热器件202安装区，保证工作区处于湿润状态不至干涸；工质206蒸汽在浮升力作用下上升至绝热管段209，由于绝热管段209进行绝热处理，在此管段基本不发生热交换，工质206蒸汽不出现或少量发生液化，其大部分可顺利抵达冷凝器207放热液化，液化后工质206在重力作用下回流至蒸发器204进而完成热量传递及工质206循环而不需消耗其他辅助能源，进行实现显著降低数据中心/服务器电源使用效率(PUE)的效果。

进一步地，冷凝器换热器2013上部还需设置屋顶遮阳板309，并可根据散热或保温需求自动开启或关闭，进一步调节系统散热能力；在建筑物最顶端设置避雷装置3010或其他静电释放装置，提高数据中心设备使用安全。

本实施例的技术方案，解决了现有数据中心散热技术中电源使用效率较低的问题，采用被动无源驱动的重力热管作为CPU/GPU芯片散热主通过，将数据中心较大份额热耗引至数据中心顶层换热器进行耗散，而不需要通过耗电量较大的空调制冷机组进行冷却降温，甚至可将计算系统CPU和GPU芯片工作时产生的热耗传输到室外进行耗散或进行二次回收利用，显著降低数据中心运行过程的PUE指标及用电成本。应用本实施例技术方案的数据中心，机房采用机箱式分层布局方式，蒸发器既作为散热结构也作为电路板芯片承载支撑结构，机箱内部每层计算板均通过重力热管进行独立散热，所需产品采用预制化、标准化设计，安装维护灵活，运行稳定，接近零噪声，提高散热系统可靠性并减少额外能源消耗。在国家提出“东数西算”发展战略的基础上该新型绿色数据中心也可作为城市中小型数据中心建设的有效补充，经济效益及社会效益兼具，具有广泛应用前景。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种基于重力热管的服务器散热系统，用于对服务器的芯片进行散热，其特征在于，包括：

蒸发器，设置在所述服务器的机箱内，并与所述芯片接触，所述蒸发器内部具有第一腔体；

冷凝器，设置在所述服务器的上方，所述冷凝器内具有第二腔体；

绝热管段，穿过所述机箱并连接所述蒸发器和所述冷凝器，并连通所述第一腔体和第二腔体，使所述蒸发器、所述冷凝器和所述绝热管段组成重力热管，以容纳通过收放热量实现液态与气态间转换的工质；

所述芯片产生的热量经所述蒸发器传递至位于所述第一腔体内处于液态的所述工质，所述工质吸收热量转换为气态，通过所述绝热管段上升至所述冷凝器的第二腔体，所述工质的热量透过所述冷凝器传递至外部环境，所述工质转换为液态并通过所述绝热管段下降至所述第一腔体。

2.根据权利要求1所述的服务器散热系统，其特征在于，

所述芯片为CPU和/或GPU。

3.根据权利要求1所述的服务器散热系统，其特征在于，

所述蒸发器安装在所述机箱上，所述芯片的上部固定在所述蒸发器的下表面上。

4.根据权利要求3所述的服务器散热系统，其特征在于，

所述蒸发器包括盖板、底板、毛细结构，所述盖板和所述底板配合构成所述第一腔体，所述毛细结构安装在所述底板的上表面并与所述工质接触，一个或多个所述芯片的上部通过绝缘导热固定件安装在所述底板的下表面，所述芯片的热量经所述底板的下表面、所述毛细结构传递至所述工质。

5.根据权利要求1所述的服务器散热系统，其特征在于，

所述工质为去离子水、液氨、丙酮或氟氯烃等。

6.根据权利要求1所述的服务器散热系统，其特征在于，

所述冷凝器上具有多个翅片，用于将热量传递至外部环境。

7.根据权利要求1所述的服务器散热系统，其特征在于，还包括：

冷凝器换热器，安装在所述冷凝器上，用于驱动所述冷凝器外部环境的介质流动以带走所述冷凝器传递到外部环境的热量。

8.根据权利要求7述的服务器散热系统，其特征在于，还包括：

制冷装置，用于降低所述冷凝器、所述冷凝器换热器外部环境的介质温度，使所述芯片的热量向所述冷凝器、所述冷凝器换热器外部环境的介质传递。

9.根据权利要求8所述的服务器散热系统，其特征在于，还包括：

切换模块，连接所述冷凝器换热器和所述制冷装置，根据所述冷凝器外部环境的介质温度高低，判断是否启动所述冷凝器换热器或所述制冷装置。

10.根据权利要求1所述的服务器散热系统，其特征在于，

所述绝热管段外表面包覆有绝热阻燃材料。

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