CN220041071U - 一种单相浸没冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种单相浸没冷却系统，包括：冷却箱，设有用于盛装第一冷却液和浸没在第一冷却液内的待冷却设备的冷却空间；第一循环泵，与冷却空间连通；散热流道，设于冷却箱内，设置成流通第二冷却液，第二冷却液设置成与第一冷却液换热以冷却第一冷却液；散热设备，与散热流道连通；和第二循环泵，与散热设备连通。该方案可以解决单相浸没冷却系统内部泄露影响设备稳定运行的问题，且成本低，对箱体密封及系统状态监测要求也相对较低，且能够实现单相浸没冷却系统的自然对流冷却与强制对流冷却的切换。

Description

一种单相浸没冷却系统

技术领域

本文涉及但不限于浸没式冷却系统技术，尤指一种单相浸没冷却系统。

背景技术

典型单相浸没冷却系统如图1所示，主要由以下部分组成：冷却箱1’；服务器板卡2’；第一冷却液3’；换热器4’；第一循环泵5’；第二循环泵6’；散热设备7’。浸没冷却液在浸没液循环泵的驱动下，将待冷却设备(如服务器板卡2’)的热量通过管路带到热交换器。在热交换器中，通过浸没冷却液与冷却水的热交换，二次侧循环泵驱动冷却水，将热量携带至二次冷却侧设备，最终热量通过二次侧冷却设备传递到外界环境中。

单相浸没冷却系统中，用于浸没冷却液与冷却水热交换的热交换器设置在浸没液箱体外部，通常采用板式换热器。板式换热器热侧为浸没冷却液，冷侧为冷却水，板式换热器的浸没冷却液的流道和水冷侧流道交错堆叠布置。

由于组成各层流道的板片相互焊接而成，存在泄漏风险。一旦热交换器内部泄漏，冷却水会进入浸没液箱体，造成箱体内的设备(如服务器板卡2’)短路，对待冷却设备的稳定运行存在威胁。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种单相浸没冷却系统，可以解决单相浸没冷却系统内部泄露影响设备稳定运行的问题，且成本较低。

为此，本申请实施例提供了一种单相浸没冷却系统，包括：冷却箱，设有用于盛装第一冷却液和浸没在所述第一冷却液内的待冷却设备的冷却空间；第一循环泵，与所述冷却空间连通，设置成驱动所述第一冷却液流动；散热流道，设于所述冷却箱内，设置成流通第二冷却液，所述第二冷却液设置成与所述第一冷却液换热以冷却所述第一冷却液；散热设备，与所述散热流道连通，设置成对所述散热流道内的第二冷却液进行散热；和第二循环泵，与所述散热设备连通，设置成驱动所述第二冷却液循环流动。

在一种示例性的实施例中，所述冷却空间内设有换热器，所述换热器设置成至少部分浸没于所述第一冷却液内，所述散热流道设于所述换热器。

在一种示例性的实施例中，所述换热器包括换热管，所述换热管的内部空间形成所述散热流道。

在一种示例性的实施例中，所述换热器还包括换热翅片，所述换热翅片固定于所述换热管。

在一种示例性的实施例中，所述换热器包括水冷板，所述水冷板的内部流道形成所述散热流道。

在一种示例性的实施例中，所述换热器还包括换热翅片，所述换热翅片固定于所述水冷板。

在一种示例性的实施例中，所述散热流道位于所述冷却箱的箱壁内。

在一种示例性的实施例中，所述冷却箱的内侧壁还设有换热翅片。

在一种示例性的实施例中，所述换热器的入口和/或出口位于所述第一冷却液的液面之上。

在一种示例性的实施例中，所述冷却箱设有第二冷却液入口和第二冷却液出口，所述第二冷却液入口与所述换热器的入口连通，所述第二冷却液出口与所述换热器的出口连通；所述第二冷却液入口和/或所述第二冷却液出口位于所述第一冷却液的液面之上。

在一种示例性的实施例中，所述冷却箱设有与所述冷却空间连通的第一冷却液入口和第一冷却液出口；所述单相浸没冷却系统还包括设于所述冷却空间外侧的第一管路，所述第一管路与所述第一冷却液入口及所述第一冷却液出口连通；所述第一循环泵设于所述第一管路，设置成驱动所述第一冷却液循环流动；或者，所述第一循环泵设于所述冷却空间内，所述单相浸没冷却系统还包括设于所述冷却空间内的吸液流道和喷液流道，所述第一循环泵的两个端口分别与所述吸液流道及所述喷液流道连通，设置成驱动所述散热流道冷却后的所述第一冷却液依次流经所述吸液流道、所述第一循环泵及所述喷液流道喷向所述待冷却设备。

相较于现有技术，本申请实施例提供的单相浸没冷却系统，具有以下有益效果：

本申请实施例提供的单相浸没冷却系统，将散热流道设置在冷却箱内，且散热流道内只流动一种冷却液(即第二冷却液)，而无需流动两种冷却液。这样，散热流道可以设置成无缝的封闭流道，而无需设置两种流道交错堆叠布置的结构，因而可以避免散热流道发生冷却液泄露的情况，从而提高了单相浸没冷却系统的稳定性，避免了散热流道泄露第二冷却液而影响待冷却设备稳定运行的问题。

并且，虽然散热流道位于冷却箱内，但冷却箱内并不涉及气液相变的问题，因此对系统的气密性要求及系统状态监测要求(相较于两相浸没冷却系统)，也比较低。

此外，通过第一循环泵的启停，可以实现单相浸没冷却系统的强制对流冷却与自然对流冷却的切换，这样可以提高单相浸没冷却系统的适用性和经济性。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为相关技术中单相浸没冷却系统的结构示意图；

图2为本申请一些实施例提供的单相浸没冷却系统在强制对流冷却状态下的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的单相浸没冷却系统在自然对流冷却状态下的等效结构示意图；

图4为本申请另一些实施例提供的单相浸没冷却系统在强制对流冷却状态下的结构示意图。

其中，图1中的附图标记如下：

1’冷却箱；2’服务器板卡；3’第一冷却液；4’换热器；5’第一循环泵；6’第二循环泵；7’散热设备。

图2至图4中的附图标记如下：

1冷却箱，11冷却空间，111第一冷却液入口，112第一冷却液出口，113第二冷却液入口，114第二冷却液出口；

2服务器板卡；3第一冷却液；4换热器；5第一循环泵；6第二循环泵；7散热设备；8第一管路，81吸液流道，82喷液流道；9第二管路。

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明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

浸没式冷却系统根据浸没液体的不同，分为单相浸没冷却系统和两相浸没冷却系统。

单相浸没冷却系统通过液体的对流与待冷却设备(如服务器板卡)进行热交换。单相浸没冷却系统热交换器内部存在泄漏风险，目前还没有很好的解决方案，存在冷却水进入浸没冷却箱体造成服务器板卡短路的风险。

目前能杜绝泄漏的较好的冷却方式是采用两相浸没冷却方案，将管翅式热交换器封闭在浸没冷却箱中，设置在浸没液上方。浸没液受热蒸发为气体，气体遇到温度较低的管翅式热交换器表面变为液体，在重力的作用下滴入浸没液中，再进行气液两相冷却循环。但是，两相浸没冷却方案成本较高，气液相变对箱体密封以及系统状态监测都提出了更高的要求。

并且，现有的单相浸没冷却系统，由于两种冷却液只能在冷却箱外侧的热交换器内进行换热，因而两个循环泵必须都开启才能实现换热，故现有的单相浸没冷却系统只能实现强制对流冷却，降低了系统的适用性。

如图2所示，本申请实施例提供了一种单相浸没冷却系统，用于冷却待冷却设备，既能够解决单相浸没冷却系统的泄露问题，且成本低，对箱体密封及系统状态监测要求也相对较低，且能够实现单相浸没冷却系统的自然对流冷却与强制对流冷却的切换。

在本申请实施例中，待冷却设备以服务器板卡2为例。当然，待冷却设备不限于服务器板卡2，也可以用于冷却处理器的单板、发动机、变压器等设备。

在本申请实施例中，如图2所示，单相浸没冷却系统包括：冷却箱1、第一循环泵5、散热流道、散热设备7和第二循环泵6。

其中，第一冷却箱1设有冷却空间11。冷却空间11用于盛装第一冷却液3以及浸没在第一冷却液3内的待冷却设备。第一冷却液3可以是常规的浸没冷却液，如氟化液或矿物油等。待冷却设备可以为但不限于服务器板卡2。

冷却空间11可以是第一冷却箱1围设出的内部空间。

散热流道设于冷却箱1内，设置成流通第二冷却液。第二冷却液设置成与第一冷却液3换热以冷却第一冷却液3。第二冷却液可以为但不限于冷却水。第二冷却液通过与第一冷却液3换热，吸收第一冷却液3的热量，对第一冷却液3起到冷却降温作用，使得第一冷却液3可以持续对待冷却设备进行冷却降温。

散热设备7可以通过第二管路9与散热流道连通，设置成对散热流道内的第二冷却液进行散热。如此，散热设备7、第二管路9、散热流道相互连通形成供第二冷却液循环流动的闭合回路。散热设备7可以为但不限于冷却塔或干冷器等。

第二循环泵6设于第二管路9，设置成驱动第二冷却液循环流动。这样，在第二循环泵6的驱动下，第二冷却液可以在散热设备7、第二管路9、散热流道形成的闭合回路中循环流动，可以将第二冷却液携带的热量在散热设备7处快速散失，使得第二冷却液可以持续对第一冷却液3进行冷却降温。

本申请实施例提供的单相浸没冷却系统，将散热流道设置在冷却箱1内，且散热流道内只流动一种冷却液(即第二冷却液)，而无需流动两种冷却液。这样，散热流道可以设置成无缝的封闭流道，而无需设置两种流道交错堆叠布置的结构，因而可以避免散热流道发生冷却液泄露的情况，从而提高了单相浸没冷却系统的稳定性，避免了散热流道泄露第二冷却液而影响待冷却设备稳定运行的问题。

并且，虽然散热流道位于冷却箱1内，但冷却箱1内并不涉及气液相变的问题，因此对系统的气密性要求及系统状态监测要求(相较于两相浸没冷却系统)，也比较低。

在一些实施例中，如图2所示，冷却箱1还设有与冷却空间11连通的第一冷却液入口111和第一冷却液出口112。第一冷却液入口111供第一冷却液3进入冷却空间11，第一冷却液出口112供第一冷却液3流出冷却空间11。

单相浸没冷却系统还包括第一管路8。第一管路8和第一循环泵5均位于冷却空间外侧。第一管路8的两端分别与第一冷却入口及第一冷却液出口112连通，使得冷却空间11与第一管路8可以形成供第一冷却液3循环流动的闭合回路。

第一循环泵5设于第一管路8，设置成驱动第一冷却液3循环流动。这样，在第一循环泵5的驱动下，第一冷却液3可以在冷却空间11与第一管路8形成的闭合回路中循环流动。

本申请实施例提供的单相浸没冷却系统的工作原理如下：

如图2所示，在第一循环泵5的驱动下，第一冷却液3将服务器板卡2的热量带到同在冷却箱1内的散热流道处，使第一冷却液3的热量传导至散热流道内的第二冷却液。在第二循环泵6的驱动下，第二冷却液将热量携带至散热设备7处，热量最终通过散热设备7传递到外界环境中。

并且，通过第一循环泵5的启停，可以实现单相浸没冷却系统的强制对流冷却与自然对流冷却的切换，这样可以提高单相浸没冷却系统的适用性和经济性。具体地，当服务器板卡2功耗较低时，第一循环泵5可以停止工作，完全通过第一冷却液3的自然对流对服务器板卡2进行冷却，实现单相浸没冷却系统的自然对流冷却，该方案相当于省去了第一循环泵5和第一管路8(如图3所示的等效示意图)。当服务器板卡2功耗较高时，启动第一循环泵5，可以强化第一冷却液3与服务器板卡2之间的对流换热，实现单相浸没冷却系统的强制对流冷却。

在一些实施例中，如图2所示，第一冷却液出口112可以设于冷却箱1的侧壁，第一冷却液入口111可以设于冷却箱1的底壁。

由于第一冷却液3受热后密度减小会向上流动，受冷后密度增加会向下流动，故将第一冷却液3的出口设在冷却箱1的侧壁，便于第一冷却液3与服务器板卡2换热后由第一冷却液出口112排出；将第一冷却液3的入口设在冷却箱1的底壁，以便于与散热流道换热后温度较低的第一冷却液3由第一冷却液入口111进入冷却空间11。

当然，第一冷却液出口112也可以设置在冷却箱1的其他位置，比如设置在冷却箱1的底壁，或者设置在冷却箱1的顶壁。第一冷却液入口111也可以设置在冷却箱1的其他位置，比如设置在冷却箱1的侧壁，或者设置在冷却箱1的顶壁。并且，第一冷却液出口112与第一冷却液入口111可以互换。

在另一些示例性的实施例中，如图4所示，第一循环泵5设于冷却空间11内，单相浸没冷却系统还包括设于冷却空间11内的吸液流道81和喷液流道82。第一循环泵5的两个端口分别与吸液流道81及喷液流道82连通，设置成驱动散热流道冷却后的第一冷却液3依次流经吸液流道81、第一循环泵5及喷液流道82喷向待冷却设备。

换言之，第一循环泵5与吸液流道81、喷液流道82相配合，使得冷却空间11内的第一冷却液3可以在冷却空间11内实现循环流动。由于冷却空间11内的第一冷却液3的温度并非均匀一致，比如：位于散热流道附近的第一冷却液3由于被散热流道内的第二冷却液冷却因而温度相对较低，而位于待冷却设备附近的第一冷却液3则因为吸收了待冷却设备的热量而温度相对较高。因此，可以将吸液流道81的入口设置在散热流道附近，将吸液流道81的出口与第一循环泵5的入口连通，并喷液流道82的入口与第一循环泵5的出口连通，喷液流道82的出口设置在待冷却设备的上游侧。比如：沿第一冷却液3的流动方向，吸液流道81的入口设于散热流道的下游侧，喷液流道82的出口设于待冷却设备的上游侧。

这样，第一循环泵5可以将散热流道冷却后的第一冷却液3输送至待冷却设备的上游侧，使得温度较低的第一冷却液3流经待冷却设备后再流向散热流道。如此可以提高单相浸没冷却系统对待冷却设备的冷却效率。

其中，吸液流道81可以是管路结构，也可以是冷却箱设置的流道。喷液流道82可以是管路结构，也可以是冷却箱设置的流道。

在一些示例性的实施例中，冷却空间11内设有换热器4，如图2所示。换热器4设置成至少部分浸没于第一冷却液3内，散热流道设于换热器4。

这样，本申请实施例提供的单相浸没冷却系统，与典型的单相浸没冷却系统相比，主要组成部分没有变化，只是将换热器4由冷却箱1外转移到冷却箱1内部，且改变了换热器4的种类，简化了换热器4的结构，既解决了单相浸没冷却系统的换热器4内部泄露问题，也实现了单相浸没冷却系统自然对流冷却与强制对流冷却的切换。

在一些示例性的实施例中，换热器4包括换热管(图中未示出)，换热管的内部空间形成散热流道。换热管可以采用无缝管。

换热管通常为多排结构或者蛇形结构，则相邻的换热管之间的间隙可以形成供第一冷却液流动的流道，可以称为热侧流道。而散热流道为冷侧流道。这样热侧流道与冷侧流道可以形成交错叠加的结构形式，即类似于板式换热器的结构形式，因而有利于提高第一冷却液3与第二冷却液的换热效率。

进一步，换热器4还包括换热翅片(图中未示出)，换热翅片固定于换热管。换热翅片通常也为多个，因而相邻的换热翅片之间的间隙也可以形成热侧流道的一部分，有利于促进第一冷却液流动，有利于提高热侧流道与冷侧流道的换热效率。

换言之，换热器4可以采用管翅式换热器4，由于管翅式换热器4使用无缝管，排除了换热器4内部漏水的风险，从而提高了单相浸没冷却系统的稳定性。

并且，管翅式换热器4可以合理调整换热翅片的间距和换热翅片的排布形式，使得管翅式换热器4可以在冷却箱1内部形成类似于滤网结构。通过滤网结构规划冷却空间11内第一冷却液3的流道，可以调节第一冷却液3在不同区域内的流量和流速，使得温度高的区域第一冷却液3的流量和/或流速可以相对大一些，温度低的区域第一冷却液3的流量和/或流速可以相对小一些，这样有利于实现单相浸没冷却系统的均流设计，从而提高对服务器板卡2的冷却均匀性。

当然，换热翅片主要起到强化换热的作用，换热器4也可以不设置换热翅片，直接采用光管设计界，第一冷却液3直接接触光管，与光管内部的第二冷却液也能实现换热，从而实现本案的目的，因而也在本案的保护范围内。

在另一些示例性的实施例中，换热器4包括水冷板(图中未示出)，水冷板的内部流道形成散热流道。

相较于管翅式换热器4，水冷板结构更加简单，既便于加工成型，也便于根据需要合理设计散热流道的数量及尺寸。

并且，水冷板与冷却箱1的内侧壁之间的间隙也可以形成热侧流道，有利于促进第一冷却液3流动，从而提高冷却效率。

进一步，换热器4还包括换热翅片(图中未示出)，换热翅片固定于水冷板。换热翅片通常也为多个，因而相邻的换热翅片之间的间隙也可以形成热侧流道的一部分，有利于促进第一冷却液流动，有利于提高热侧流道与冷侧流道的换热效率。

换热翅片可以强化水冷板的换热效果，有利于提高单相浸没冷却系统的冷却效率。

换热翅片可以采用焊接、铸造、紧固件连接等方式固定在水冷板上。

在一些示例性的实施例中，换热器4的入口和/或出口位于第一冷却液3的液面之上。

这样可以降低对换热器4接口的密封设计要求，有利于降低第二冷却液的泄露风险。

当然，换热器4的入口和/或出口也可以位于第一冷却液3的液面之下，如图2所示。

在一些示例性的实施例中，冷却箱1设有第二冷却液入口113和第二冷却液出口114。第二冷却液入口113与换热器4的入口连通，第二冷却液出口114与换热器4的出口连通，

第二冷却液入口113和/或第二冷却液出口114位于第一冷却液3的液面之上。

第二冷却液入口113供第二冷却液进入冷却空间11内，进而进入换热器4。第二冷却液出口114供第二冷却液流出冷却空间11。

将第二冷却液入口113、第二冷却液出口114也设置在第一冷却液3的液面之上，可以降低对第二冷却液入口113、第二冷却液出口114的密封设计要求，有利于降低第一冷却液3的泄露风险。

当然，第二冷却液入口113和/或第二冷却液出口114也可以位于第一冷却液3的液面之下。

在又一些示例性的实施例中(图中未示出)，散热流道位于冷却箱1的箱壁内。

换言之，散热流道不是单独设置在独立于冷却箱1的换热器4中，而是集成设置在冷却箱1的箱壁(可以设有夹层结构，散热流道位于夹层)内。这样，冷却箱1既具有盛装第一冷却液3和待冷却设备的功能，也具有盛装第二冷却液的功能。如此可以减小单相浸没冷却系统的部件数量，简化单相浸没冷却系统的结构和装配工序，有利于降低单相浸没冷却系统的成本。

在一些实施例中，冷却箱1的内侧壁还设有换热翅片。

换热翅片通常也为多个，因而相邻的换热翅片之间的间隙也可以形成热侧流道的一部分，有利于促进第一冷却液流动，有利于提高热侧流道与冷侧流道的换热效率。

换热翅片可以强化散热流道的换热效果，有利于提高单相浸没冷却系统的冷却效率。

换热翅片可以采用焊接、铸造、紧固件连接等方式固定在水冷板上。

在本实用新型中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、“口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。应该注意，上述实施例或实施方式仅仅是示例性的，而不是限制性的。因此，本实用新型不限于在此具体示出和描述的内容。可以对实施的形式及细节进行多种修改、替换或省略，而不脱离本实用新型的范围。

Claims (10)

1.一种单相浸没冷却系统，其特征在于，包括：

冷却箱，设有用于盛装第一冷却液和浸没在所述第一冷却液内的待冷却设备的冷却空间；

第一循环泵，与所述冷却空间连通，设置成驱动所述第一冷却液流动；

散热流道，设于所述冷却箱内，设置成流通第二冷却液，所述第二冷却液设置成与所述第一冷却液换热以冷却所述第一冷却液；

散热设备，所述散热流道连通，设置成对所述散热流道内的第二冷却液进行散热；和

第二循环泵，与所述散热设备连通，设置成驱动所述第二冷却液循环流动。

2.根据权利要求1所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述冷却空间内设有换热器，所述换热器设置成至少部分浸没于所述第一冷却液内，所述散热流道设于所述换热器。

3.根据权利要求2所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述换热器包括换热管，所述换热管的内部空间形成所述散热流道。

4.根据权利要求3所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述换热器还包括换热翅片，所述换热翅片固定于所述换热管。

5.根据权利要求2所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述换热器包括水冷板，所述水冷板的内部流道形成所述散热流道。

6.根据权利要求5所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述换热器还包括换热翅片，所述换热翅片固定于所述水冷板。

7.根据权利要求1所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述散热流道位于所述冷却箱的箱壁内。

8.根据权利要求7所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述冷却箱的内侧壁还设有换热翅片。

9.根据权利要求2至6中任一项所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述换热器的入口和/或出口位于所述第一冷却液的液面之上。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的单相浸没冷却系统，其特征在于，

所述冷却箱设有与所述冷却空间连通的第一冷却液入口和第一冷却液出口；所述单相浸没冷却系统还包括设于所述冷却空间外侧的第一管路，所述第一管路与所述第一冷却液入口及所述第一冷却液出口连通；所述第一循环泵设于所述第一管路，设置成驱动所述第一冷却液循环流动；或者

所述第一循环泵设于所述冷却空间内，所述单相浸没冷却系统还包括设于所述冷却空间内的吸液流道和喷液流道，所述第一循环泵的两个端口分别与所述吸液流道及所述喷液流道连通，设置成驱动所述散热流道冷却后的所述第一冷却液依次流经所述吸液流道、所述第一循环泵及所述喷液流道喷向所述待冷却设备。