TW202021448A - 伺服器機櫃及其虹吸式散熱裝置 - Google Patents

Abstract

一種伺服器機櫃及其虹吸式散熱裝置。虹吸式散熱裝置包括：蒸發器，用以設於伺服器機櫃內並接觸伺服器機櫃內的發熱源；冷凝器，分別通過氣體管路和液體管路與蒸發器連接，用以設於伺服器機櫃內的遠離發熱源的空餘通風位置；其中，蒸發器中的工作液體在吸收發熱源的熱量後汽化為工作氣體；工作氣體通過氣體管路進入冷凝器，冷凝器在氣流作用下將工作氣體液化為工作液體；工作液體通過液體管路重新進入蒸發器。本發明的虹吸式散熱裝置結構簡單、成本低廉，比傳統的散熱器具有更佳優良的散熱效果。

Description

伺服器機櫃及其虹吸式散熱裝置

本發明涉及伺服器技術領域，特別是涉及伺服器機櫃及其虹吸式散熱裝置。

傳統的熱管/蒸汽室(HP/VC)散熱器均是在電子晶片(CPU/GPU/FPGA)的垂直方向上焊接翅片，當風扇吹過翅片時，通過翅片帶走晶片的熱量。

目前，伺服器上應用最多的散熱器就是傳統的HP散熱器。由於在垂直方向上受高度空間的限制，加上HP散熱能力受自身長度的影響（水準垂直方向超過300mm性能會降低）、主機板設計局限、散熱器面積也不會太大等因素，使得散熱器的散熱功能受到限制。

當晶片處於工作狀態時，由於HP散熱器的局限性，晶片的核心溫度升高較快，此時伺服器就需要通過提高風扇轉速來對晶片進行散熱，這無疑會造成伺服器功耗的提高。

鑒於以上現有技術的缺點，本發明的目的在於提供伺服器機櫃及其虹吸式散熱裝置，用於解決現有技術中伺服器的散熱器散熱效果不佳的技術問題。

本發明之一實施例所揭露之虹吸式散熱裝置，包括：蒸發器，用以設於伺服器機櫃內並接觸伺服器機櫃內的發熱源；冷凝器，分別通過氣體管路和液體管路與蒸發器連接，用以設於伺服器機櫃內的遠離發熱源的空餘通風位置；其中，蒸發器中的工作液體在吸收發熱源的熱量後汽化為工作氣體；工作氣體通過氣體管路進入冷凝器，冷凝器在氣流作用下將工作氣體液化為工作液體；工作液體通過液體管路重新進入蒸發器。

於本發明一實施例中，冷凝器中還設有風扇。

於本發明一實施例中，蒸發器、冷凝器、氣體管路、及液體管路均採用鋁質材料製成。

於本發明一實施例中，蒸發器的底面及冷凝器的底面分別設有一安裝孔。

本發明之另一實施例所揭露之伺服器機櫃，包括：至少一個如上任一項的虹吸式散熱裝置；其中，蒸發器設於伺服器機櫃內並接觸伺服器機櫃內的發熱源；冷凝器設於伺服器機櫃內的遠離發熱源的空餘通風位置。

於本發明一實施例中，蒸發器及冷凝器通過一連接件固定於伺服器機櫃的內壁上。

於本發明一實施例中，連接件包括：彈簧螺絲。

於本發明一實施例中，冷凝器的底部設一緩衝墊片。

於本發明一實施例中，冷凝器遠離蒸發器的一側設有阻擋氣流通過的一擋風件。

於本發明一實施例中，每一發熱源對應設置一虹吸式散熱裝置。

根據上述實施例所揭露的伺服器機櫃及其虹吸式散熱裝置，具有以下有益效果：1、在伺服器主機殼內不受長度和方向的限制，能有效利用主機殼內部的空餘空間散熱；2、能有效節省風扇功耗；3、散熱效果佳，支援更高功耗晶片的散熱；4、成本低廉、可靠性強；5、結構簡單、便於安裝，無需對伺服器機櫃的結構做額外調整。

以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

請參閱圖1至圖3。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便於敘述的明瞭，而非用以限定本發明可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的範疇。

如圖1A~1B所示，本實施例提供一種應用於伺服器的虹吸式散熱器。虹吸式散熱器包括蒸發器1、冷凝器2、氣體管路3、液體管路4，其中，蒸發器1和冷凝器2之間分別通過氣體管路3和液體管路4連通。較佳的，蒸發器1、冷凝器2、氣體管路3及液體管路4全部採用鋁質材料製成，有利於降低成本。

本實施例的虹吸式散熱裝置，在使用時安裝在伺服器機櫃內，蒸發器1需接觸伺服器機櫃內的發熱源，如計算節點、存儲節點等，冷凝器2則設置在伺服器機櫃的空餘空間，空餘空間最好遠離發熱源且通風情況良好。

具體的，蒸發器1的底面設置有蒸發器安裝孔11，冷凝器2的底面設置有冷凝器安裝孔21，利用螺絲等連接件即可將蒸發器1和冷凝器2固定在伺服器機櫃內。

由於蒸發器1和冷凝器2之間可能會存在其他結構。為了不對伺服器機櫃內的這些結構造成影響，氣體管路3和液體管路4在設置時需根據實際情況設置路徑，必要時通過彎折一定角度來實現避讓。

參閱圖2，本實施例的虹吸式散熱裝置基於熱虹吸迴圈技術（Passive Thermal Loop，簡稱PTL）進行散熱。蒸發器1中的工作液體在吸收發熱源的熱量後汽化為工作氣體，工作氣體通過氣體管路3進入冷凝器2。冷凝器2在氣流作用下將工作氣體液化為工作液體，工作液體通過液體管路4重新進入蒸發器1。詳細而言，液體在封閉的區間內有五種狀態，即非飽和液體狀態、飽和液體狀態、非飽和氣液狀態、飽和氣液狀態、過飽氣體狀態。當發熱源處於斷電不工作狀態時，封閉腔體內的氣液處於飽和狀態，系統內的流體不流動；當發熱源處於上電工作狀態時，蒸發器1的液體吸收熱量使得液體相變蒸發，蒸發端壓力增大；冷凝器2由於風扇冷卻作用，氣體冷凝成液體重新回到蒸發端，冷凝端壓力減小。蒸發端與冷凝端之間存在壓力差產生虹吸力，推動封閉腔體氣液迴圈。蒸發端與冷凝端的壓差越大，產生的虹吸力越大，越有利於散熱。

為了提高本實施例的虹吸式散熱裝置的散熱性能，可以從以下幾個角度加以改進：

1、冷凝器的翅片面積

冷凝器翅片面積大小會影響其腔體內虹吸力的產生。翅片面積越大，越有利於散熱。

2、風扇的轉速

當風扇的轉速越大，通過冷凝器帶走的熱量越多，虹吸力也就越大，越有利於驅動其腔體內部的氣液迴圈。

3、腔體內的槽道設計

氣體和液體在腔體內流動，存在沿程阻力和局部阻力損失，腔體內的槽道設計優化，有利於減少阻力損失，促進氣液迴圈。

4、腔體內的液體工質

不同的液體工質，由於比熱容不同、沸點不同，會影響氣液的相變速度，從而影響虹吸式散熱器的性能。

5、蒸發器與冷凝器的高度差

在伺服器允許的高度範圍內，高度差越高有利於推動腔體內的氣液迴圈，促進虹吸式散熱器散熱。

6、虹吸式散熱器的材質

虹吸散熱性的導熱係數越高，越有利於散熱。

如圖3所示，本實施例提供一種伺服器機櫃。伺服器機櫃包括前述實施例介紹的虹吸式散熱裝置。由於上文詳細闡述了虹吸式散熱裝置的結構和工作原理，所以於此不再重複贅述。

在本實施例的伺服器機櫃內，虛線方框示意為發熱源的大致位置。虹吸式散熱裝置的蒸發器1接觸伺服器機櫃內的發熱源，虹吸式散熱裝置的冷凝器2設於伺服器機櫃內的遠離發熱源的空餘通風位置。在伺服器機櫃空間允許的情況下，每一發熱源皆對應設置有一虹吸式散熱裝置，通過對發熱源單獨散熱，在提高散熱效果的同時，也能減少彼此間的干擾。

另外，為了將伺服器機櫃的風量全部導入冷凝器2中以提高虹吸式散熱裝置的散熱效果，如圖3所示，在冷凝器2的上方，也即遠離蒸發器1的一側，設有阻擋氣流通過的擋風件5。擋風件5可採用海綿等材料製成。

較佳的，蒸發器1及冷凝器2通過彈簧螺絲固定於伺服器機櫃的內壁上。冷凝器2的底部，也即在冷凝器2與伺服器機櫃側壁之間，還設有緩衝墊片，如高緩衝性能泡棉。彈簧螺絲和緩衝墊片能夠起到緩衝減震的作用，可有效避免運輸過程中主機殼前後不同頻對散熱器介面及管路的破壞，從而提高虹吸式散熱器的可靠性及抵抗破壞的性能。

在伺服器機櫃中，分別為CPU0與CPU1更換PTL散熱器與HP散熱器做對比測試。以150W CPU晶片為測試物件，對兩種散熱器的散熱性能做對比，測試資料如表1所示：

表1 使用虹吸式散熱器與熱管散熱器CPU核心溫度對比

表1中的CPU負載“idle”狀態是指伺服器處於閒置狀態，即只開機，不運行程式；“yes”狀態是指CPU正常運行負荷，“ptu”狀態是指CPU滿載運行負荷。于實際應用中，客戶機房業務以“yes”狀態為標準。

由測試資料可知，因虹吸式散熱器具有更大的散熱面積，克服了熱管散熱器的空間限制，使得散熱能力大大提升。在20°C idle條件下，使用PTL散熱器，CPU核心溫度最高可降低24°C，在45°C idle條件下，使用PTL散熱器，CPU核心溫度最少可降低12°C。從整體上看，PTL散熱器讓CPU的降溫能力都是非常明顯的。

分別使用伺服器中CPU TDP(thermal design power熱設計功耗)為150W和165W作為測試晶片，手動調節風扇轉速，控制CPU晶片溫度固定在85°C，分別在環境溫度為30℃、35℃、40℃條件下對比使用HP散熱器與PTL散熱器所消耗的風扇功耗，測試資料如表2所示：。

表2 使用HP散熱器與PTL散熱器風扇功耗對比

如表2測試資料可知，在不同環境溫度，不同CPU功耗下，PTL散熱器均比HP散熱器節省較多功耗，單個風扇最多可節省176W，在同行競爭中的優勢較為顯著。

綜上，本發明的伺服器機櫃及其虹吸式散熱裝置，相比于現有散熱器，具有以下優勢：

1、可有效利用伺服器空間散熱：通常HP散熱器以其內部吸液芯毛細力/重力的作用使得冷媒在熱管內部迴圈來達到散熱效果，但隨著長度和方向的改變，毛細力/重力的作用會變得微弱。本發明的虹吸式散熱器克服了HP散熱器的這一缺陷，在主機殼內不受長度和方向的限制，能有效利用主機殼內部的空餘空間放置冷凝器來帶走晶片更多的熱量。主機殼內部的空餘空間越大，本發明的虹吸式散熱器的優勢就會越明顯；

2、節省風扇功耗：目前伺服器風扇均採用PID控速方式，即風扇的轉速會隨著晶片的溫度變化而變化，當晶片溫度降低的同時風扇的轉速也得到相應的降低。採用本發明的虹吸式散熱器可以有效節省風扇功耗；

3、有效降低電子元件溫度，支援更高功耗晶片：本發明的虹吸式散熱器採用了蒸發器與冷凝器之間的壓差所產生蒸汽虹吸力來驅動散熱，一方面，虹吸式散熱器的蒸發器內部腔體較大，使得與晶片上接觸的蒸發器相變傳熱面積增大，提高了散熱能力；另一方面，遠端安裝冷凝器，佈置較大的翅片，能有效利用伺服器多餘空間來散熱，有效提高了散熱能力，故可支援更高功耗的晶片；傳統HP散熱器最多可支援到150W CPU的散熱，本發明的虹吸式散熱器可有效解決CPU功耗為165W，甚至是200W以上的CPU的散熱；

4、量產價格不高：本發明的虹吸式散熱器採用鋁質材料製成，相比於銅質翅片和熱管，成本大大降低；

5、結構簡單，安裝時無需對伺服器機櫃的結構做出改動：僅需將目前常用的HP散熱器替換為本發明的虹吸式散熱器即可滿足散熱需求，操作簡單方便，完全滿足客戶機房升級CPU的需求；

6、可靠性高：本發明的虹吸式散熱器在冷凝器底部增加高緩衝性能泡棉，上方用彈簧螺絲緊固，可有效解決運輸過程中，主機殼前後部分不同頻對散熱器介面及管路的破壞，從而提高了虹吸式散熱器的可靠性。

所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。

1:蒸發器 11:蒸發器安裝孔 2:冷凝器 21:冷凝器安裝孔 3:氣體管路 4:液體管路 5:擋風件

圖1A顯示為本發明一實施例中的虹吸式散熱裝置的結構示意圖。 圖1B顯示為圖1所示的虹吸式散熱裝置於另一視角下的結構示意圖。 圖2顯示為本發明的虹吸式散熱裝置的工作原理示意圖。 圖3顯示為本發明一實施例中的伺服器機櫃的結構示意圖。

1:蒸發器

11:蒸發器安裝孔

2:冷凝器

21:冷凝器安裝孔

3:氣體管路

4:液體管路

Claims (10)

1. 一種虹吸式散熱裝置，其中，包括： 一蒸發器，用以設於一伺服器機櫃內並接觸該伺服器機櫃內的一發熱源；以及一冷凝器，分別通過一氣體管路和一液體管路與該蒸發器連接，用以設於該伺服器機櫃內的遠離該發熱源的空餘通風位置；其中，該蒸發器中的工作液體在吸收該發熱源的熱量後汽化為工作氣體；工作氣體通過該氣體管路進入該冷凝器，該冷凝器在氣流作用下將工作氣體液化為工作液體；工作液體通過該液體管路重新進入該蒸發器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之虹吸式散熱裝置，其中，該冷凝器中還設有風扇。
3. 如申請專利範圍第1項所述之虹吸式散熱裝置，其中，該蒸發器、該冷凝器、該氣體管路、及該液體管路均採用鋁質材料製成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之虹吸式散熱裝置，其中，該蒸發器的底面及該冷凝器的底面分別設有一安裝孔。
5. 一種伺服器機櫃，其中，包括：至少一個如權利要求1~4中任一項所述之虹吸式散熱裝置；其中，該蒸發器設於該伺服器機櫃內並接觸該伺服器機櫃內的一發熱源；該冷凝器設於該伺服器機櫃內的遠離該發熱源的空餘通風位置。
6. 如申請專利範圍第5項所述之伺服器機櫃，其中，該蒸發器及該冷凝器通過一連接件固定於該伺服器機櫃的內壁上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之伺服器機櫃，其中，該連接件包括一彈簧螺絲彈簧螺絲。
8. 如申請專利範圍第6項所述之伺服器機櫃，其中，該冷凝器的底部設一緩衝墊片。
9. 如申請專利範圍第5項所述之伺服器機櫃，其中，該冷凝器遠離該蒸發器的一側設有阻擋氣流通過的一擋風件。
10. 如申請專利範圍第5項所述之伺服器機櫃，其中，每一該發熱源對應設置一該虹吸式散熱裝置。

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