TWI693013B - 一種噴淋式液冷伺服器 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種噴淋式液冷伺服器，包括主機殼、板卡和電子器件， 主機殼主要由頂面開口的箱體和設於箱體開口上的蓋板組成，在蓋板的內面上設有一用於盛裝絕緣冷卻液的密閉噴淋腔體，密閉噴淋腔體上設有用於引入絕緣冷卻液的冷卻液入口，且冷卻液入口延伸至蓋板上，在密閉噴淋腔體的底面上分佈有貫穿的噴淋孔，箱體的底板上設有冷卻液出口。本發明採用噴淋式液體冷卻模式，提高了伺服器內的空間利用率，且器件擴展表面所用的散熱器可減小，使得主機殼的高度降低，可以在原來的架構空間中形成更加緊密的器件佈局，集成度高，提升了伺服器的計算能力；本發明減小了噪音，優化了操作人員的工作環境，降低了電力消耗；本發明的散熱效果好，延長了使用壽命。

Description

一種噴淋式液冷伺服器

本發明涉及一種液冷伺服器，尤其涉及一種噴淋式液冷伺服器。

隨著電腦通信行業及電子業的高速發展，IDC機房高密度伺服器在不斷增加，伺服器集成度和處理能力也逐漸提高，但同時伺服器的消耗功率也隨之增大，使得伺服器內部電子器件的散熱問題成為了本行業亟待解決的技術難題。

目前，伺服器大多依靠風冷對其電子器件進行強制對流散熱，但是，風冷散熱模式是一種傳熱效率十分低下的間接接觸冷卻方式，它佔用了伺服器內部較大的空間，總熱阻高，散熱效果差。為了將更高功率器件的廢熱帶走或者實現更低的總熱阻時，本行業通常是採用功率更高的風扇或者更低的進風溫度來控制電子器件的溫度，然而，前一種方式會引起更大的噪音，後一種方式則容易產生溫度過低所致的濕空氣結露問題。

因為液冷散熱的液體工質密度與比熱的乘積所體現的工質的載熱能力比風冷散熱模式的載熱能力要高出接近2000倍，因此，液冷散熱在不久的將來必定會成為伺服器散熱的主流技術。由本公司研發的噴淋式液體冷卻系統是將絕緣冷卻液直接噴淋到伺服器發熱器件的表面上或噴淋到與發熱器件相接觸的擴展表面上，冷卻液帶走發熱器件所排放的廢熱，從而對發熱器件進行高效熱管理。

雖然，以上這種噴淋式液體式冷卻系統的冷卻效率比風冷散熱模式的冷卻效率要高出幾個數量級，但是，傳統伺服器的結構均是適用于風冷散熱模式的架構，其結構並不適用於噴淋式液冷散熱方式，從而造成了伺服器內部空間的浪費和集成度低的缺點。

本發明的目的在於提供一種可提高空間利用率、減小噪音、降低能耗、集成度高、散熱效果好、可延長使用壽命的噴淋式液冷伺服器。

本發明的目的通過以下技術措施來實現：一種噴淋式液冷伺服器，包括主機殼、內置於主機殼中的板卡和設於板卡上的電子器件，所述主機殼主要由頂面開口的箱體和設於箱體開口上的蓋板組成，其特徵在於：在所述蓋板的內面上設有一用於盛裝絕緣冷卻液的密閉噴淋腔體，所述密閉噴淋腔體上設有用於引入絕緣冷卻液的冷卻液入口，且所述冷卻液入口延伸至蓋板上，在所述密閉噴淋腔體的底面上分佈有貫穿的噴淋孔，所述箱體的底板上設有冷卻液出口，絕緣冷卻液從冷卻液入口進入密閉噴淋腔體中，通過噴淋孔噴淋到發熱的電子器件或與其接觸的擴展表面上，將電子器件工作所產生的熱量帶走，吸熱後的絕緣冷卻液從冷卻液出口流出，再通過主機殼外部的冷卻裝置冷卻後回流至冷卻液入口，如此迴圈。

本發明採用噴淋式液體冷卻模式，替代了傳統的風冷散熱模式，由於沒有使用風扇，節約了伺服器內部空間，提高了伺服器的空間利用率，同時因為本發明採用噴淋液冷方式，電子器件的擴展表面所用的散熱器可以減小，從而使得主機殼的高度降低，可以在原來的架構空間中形成更加緊密的器件佈局，集成度高，提升了伺服器的計算能力，經驗證，本發明相比于傳統風冷伺服器單位空間內性能提高約四倍。而且，由於本發明沒有使用風扇，減小 了噪音，優化了操作人員的工作環境，同時降低了伺服器的電力消耗。另外，本發明的散熱效果好，電子器件的工作溫升明顯降低，並且伺服器內部器件溫度的均勻性和穩定性較好，保持伺服器內的器件工作在最高效的溫度區間，降低功耗，並延長使用壽命。

作為本發明的一種優選實施方式，位於發熱量越大的電子器件的正上方的噴淋孔排布得越密集；所述噴淋孔的下孔緣向下延伸成為短筒狀，所述噴淋孔的橫截面為方形、圓形或多邊形，或者所述噴淋孔為上大下小的錐形體。

作為本發明的一種改進，所述板卡上的電子器件包括處理器、硬碟、記憶體、系統匯流排和電源，所述電源包括電源外殼和位於其內部的發熱器件，在電源外殼上設有進液孔和出液孔，絕緣冷卻液從進液孔流入電源外殼中對發熱器件進行冷卻，再從出液孔流出到箱體內。本方案的絕緣冷卻液可為直接噴淋流下的絕緣冷卻液，也可以是包括直接噴淋流下的絕緣冷卻液和已經流過其他電子器件的絕緣冷卻液，其中，已經流過其他電子器件的絕緣冷卻液再通過電源外殼的進液孔和出液孔對電源內部的相關發熱器件進行冷卻，這是指電源與其他發熱器件不處於同一層的情況。

本發明所述噴淋式液冷伺服器還包括位於主機殼外的電源，所述電源包括電源外殼和位於其內部的發熱器件，在電源外殼上設有進液孔和出液孔，電源外殼內的發熱器件由在主機殼外部噴淋的絕緣冷卻液從進液孔流入再從出液孔流出進行冷卻。

本發明所述硬碟直接由絕緣冷卻液噴淋散熱，或者通過設於硬碟發熱表面並與之緊貼導熱結構將硬碟產生的熱量匯出至主機殼內部或者外部後再由絕緣冷卻液對導熱結構進行噴淋散熱。

作為本發明推薦的實施方式，所述導熱結構是高效傳熱元件或者導熱片、或者所述導熱結構由導熱片外接散熱器組成、或者所述導熱結構由高效傳熱元件外接散熱器組成。

本發明所述蓋板與密閉噴淋腔體一體製成，密閉噴淋腔體的頂面即是蓋板的內面，或者所述蓋板和密閉噴淋腔體獨立設置，所述密閉噴淋腔體固定在所述蓋板內側。

本發明在所述主機殼內增設PCB板，所述PCB板設于傳統伺服器風扇和通風通道的位置上，所述PCB板上設有晶片及其擴展表面，所述晶片為新增的晶片、或為原有的晶片、或包括新增的晶片和原有的晶片，並在拆除多層傳統伺服器風扇和/或降低電子器件的擴展表面後，可降低主機殼的高度，使得伺服器內部空間緊湊，大大提高伺服器單位空間的計算能力。

為了對伺服器各電子器件的溫度進行精准控制，作為本發明的進一步改進，在主機殼內設有液體溫度感應系統，所述液體溫度感應系統包括控制器、設於冷卻液入口上的控制閥和設置在發熱的電子器件、冷卻液出口上的溫度感測器，所述溫度感測器、控制閥分別與控制器相連，各溫度感測器分別採集發熱的電子器件和冷卻液出口處的溫度信號並將其傳送至控制器，由控制器對進入冷卻液入口的絕緣冷卻液的溫度進行控制，同時控制控制閥的開度來調節進入密閉噴淋腔體的絕緣冷卻液的流量，從而實現對電子器件噴淋冷卻的自動調節。

作為本發明的優選實施方式，所述絕緣冷卻液是礦物油、矽油或氟化液等，在實際應用中，絕緣冷卻液只要導熱絕緣即可。

本發明還可以做以下改進，多個所述的噴淋式液冷伺服器放置於同一機櫃中，各機櫃與噴淋式液體冷卻系統相配合，即所述噴淋式液體冷卻系統包括迴圈管路、設於迴圈管路上的散熱器、油箱和冷卻液迴圈動力系統，各 機櫃中每個噴淋式液冷伺服器的冷卻液入口和冷卻液出口通過其所在的機櫃上的進油口和回油口連接在噴淋式液體冷卻系統的迴圈管路中；各噴淋式液冷伺服器的液體溫度感應系統的控制器集成為一體構成控制系統，由控制系統對噴淋式液體冷卻系統整體的工作狀態進行自動控制。

與現有技術相比，本發明具有如下顯著的效果：

(1)本發明採用噴淋式液體冷卻模式，替代了傳統的風冷散熱模式，由於沒有使用風扇，節約了伺服器的內部空間，提高了伺服器的空間利用率，即傳統伺服器中原一層用於放置風扇的位置可以用來放置PCB板，另，高密度伺服器風扇數量較多，有時需要分為兩層放置，在拆除風扇後，可以減小伺服器高度，同時因為本發明採用噴淋液冷方式，電子器件的擴展表面所用的散熱器可以減小，從而使得主機殼的高度降低，因此，可以在傳統伺服器原來的架構空間中形成更加緊密的器件佈局，集成度高，提升了伺服器的計算能力，經驗證，本發明相比于傳統風冷伺服器單位空間內性能提高約四倍。

(2)由於本發明沒有使用風扇，減小了噪音，優化了操作人員的工作環境，同時降低了伺服器的電力消耗。

(3)本發明的散熱效果好，電子器件的工作溫升明顯降低，並且伺服器內部器件溫度的均勻性和穩定性較好，保持伺服器內的器件工作在最高效的溫度區間，降低功耗，並延長使用壽命。

1:主機殼

2:板卡

3:密閉噴淋腔體

4:冷卻液入口

5:噴淋孔

6:冷卻液出口

7:處理器

8:硬碟

9:電源

11:箱體

12:蓋板

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。

圖1是本發明的整體結構示意圖之一。

圖2是本發明的整體結構示意圖之二(拆除側板)。

圖3是本發明的整體結構示意圖之三(拆除側板、蓋板和密閉噴淋腔體)。

圖4是本發明密閉噴淋腔體的結構示意圖。

如圖1~4所示，一種噴淋式液冷伺服器，包括主機殼1、內置於主機殼1中的板卡2和設於板卡2上的電子器件，主機殼1主要由頂面開口的箱體11和設於箱體11開口上的蓋板12組成，在蓋板12的內面上設有一用於盛裝絕緣冷卻液的密閉噴淋腔體3，絕緣冷卻液可以是礦物油、矽油或氟化液等，絕緣冷卻液只要導熱絕緣即可。在本實施例中，蓋板12與密閉噴淋腔體3一體製成，密閉噴淋腔體3的頂面即是蓋板12的內面，在其它實施例中，蓋板12和密閉噴淋腔體3也可以分別獨立設置，密閉噴淋腔體3固定在蓋板12內側。密閉噴淋腔體3上設有用於引入絕緣冷卻液的冷卻液入口4，且冷卻液入口4延伸至蓋板上，在密閉噴淋腔體3的底面上分佈有貫穿的噴淋孔5，位於發熱量越大的電子器件的正上方的噴淋孔5排布得越密集；噴淋孔5的下孔緣向下延伸成為短筒狀，具體地，噴淋孔的橫截面可以為方形、圓形或多邊形等形狀，或要求冷卻液流速大時，噴淋孔可以設計成上大下小的錐形體。箱體11的底板上設有冷卻液出口6，絕緣冷卻液從冷卻液入口4進入密閉噴淋腔體3中，通過噴淋孔5噴淋到發熱的電子器件或與其接觸的擴展表面上，將電子器件工作所產生的熱量帶走，吸熱後的絕緣冷卻液從冷卻液出口6流出，再通過主機殼1外部的冷卻裝置冷卻後回流至冷卻液入口4，如此迴圈。

伺服器板卡2上的電子器件包括處理器7、硬碟8、記憶體、系統匯流排和電源9，電源9包括電源外殼和位於其內部的發熱器件，在電源外殼上分別設有進液孔和出液孔，絕緣冷卻液從進液孔流入電源外殼中對發熱器件進行冷卻，再從出液孔流出到箱體內。優選地，進液孔位於電源外殼的頂面，而 出液孔則位於電源外殼的底面上。在其它實施例中，噴淋式液冷伺服器的電源位於主機殼1外，電源包括電源外殼和位於其內部的發熱器件，在電源外殼上設有進液孔和出液孔，電源外殼內的發熱器件由在主機殼1外部噴淋的絕緣冷卻液從進液孔流入再從出液孔流出進行冷卻。

硬碟8直接由絕緣冷卻液噴淋散熱，或者通過設於硬碟8發熱表面並與之緊貼的導熱結構將硬碟產生的熱量匯出至主機殼1內部或者外部後再由絕緣冷卻液對導熱結構進行噴淋散熱。固態硬碟、氦氣硬碟等可以採取上述兩種散熱模式，機械硬碟優選通過導熱結構散熱。具體地，導熱結構可以是高效傳熱元件或者導熱片、或者導熱結構由導熱片外接散熱器組成、或者導熱結構由高效傳熱元件外接散熱器組成。

本發明在主機殼1內增設PCB板，PCB板設于傳統伺服器風扇和通風通道的位置上，PCB板上設有晶片及其擴展表面，晶片為新增的晶片、或為原有的晶片、或包括新增的晶片和原有的晶片，並在拆除多層傳統伺服器風扇和/或降低電子器件的擴展表面後，可降低主機殼1的高度，節約了伺服器內部空間，提高了伺服器的空間利用率，同時因為本發明採用噴淋液冷方式，電子器件的擴展表面所用的散熱器可以減小，從而使得主機殼1的高度降低，可以在原來的架構空間中形成更加緊密的器件佈局，集成度高，提升了伺服器的計算能力。為了對伺服器各電子器件的溫度進行精准控制，在主機殼1內設有液體溫度感應系統，液體溫度感應系統包括控制器、設於冷卻液入口上的控制閥和設置在發熱的電子器件、冷卻液出口上的溫度感測器，溫度感測器、控制閥分別與控制器相連，各溫度感測器分別採集發熱的電子器件和冷卻液出口處的溫度信號並將其傳送至控制器，由控制器對進入冷卻液入口的絕緣冷卻液的溫度進行控制，同時控制控制閥的開度來調節進入密閉噴淋腔體的絕緣冷卻液的流量，從而實現對電子器件噴淋冷卻的自動調節。

多個噴淋式液冷伺服器放置於同一機櫃中，各機櫃與噴淋式液體冷卻系統相配合，即噴淋式液體冷卻系統包括迴圈管路、設於迴圈管路上的散熱器、油箱和冷卻液迴圈動力系統，各機櫃中每個噴淋式液冷伺服器的冷卻液入口4和冷卻液出口6通過其所在的機櫃上的進油口和回油口連接在噴淋式液體冷卻系統的迴圈管路中；各噴淋式液冷伺服器的液體溫度感應系統的控制器集成為一體構成控制系統，由控制系統對噴淋式液體冷卻系統整體的工作狀態進行自動控制。

本發明的工作過程如下：

(1)當伺服器開始工作之前，噴淋式液體冷卻系統啟動，當伺服器正式啟動時，伺服器內的核心器件開始發熱，噴淋式液體冷卻系統的絕緣冷卻液通過冷卻液入口傳輸到密閉噴淋腔體內，通過噴淋孔噴淋至發熱的電子器件上，並對電子器件進行冷卻，吸熱後的絕緣冷卻液通過冷卻液出口輸送到伺服器外部進行散熱冷卻，冷卻後的絕緣冷卻液重新進入噴淋式液體冷卻系統，再次進入噴淋式液冷伺服器吸熱，如此迴圈。

(2)伺服器內部設置的液體溫度感應系統對伺服器各發熱器件溫度進行監測，協同控制系統對噴淋式液體冷卻系統的啟停等進行控制。

(3)伺服器冷卻液入口處設置控制閥，噴淋式液體冷卻系統的控制系統設置噴淋速度控制模組，根據回饋的伺服器各部件溫度對控制閥進行控制，調節進入密閉噴淋腔體的液體流量。

本發明的實施方式不限於此，根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明密閉噴淋腔體的具體結構和設置方式、噴淋孔在密閉噴淋腔體底面上的分 佈形式、噴淋孔的形狀、絕緣冷卻液等等還具有其它的實施方式，因此本發明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發明權利保護範圍之內。

1:主機殼

4:冷卻液入口

6:冷卻液出口

11:箱體

12:蓋板

Claims (8)

1. 一種噴淋式液冷伺服器，包括主機殼、內置於主機殼中的板卡和設於板卡上的電子器件，所述主機殼主要由頂面開口的箱體和設於箱體開口上的蓋板組成，在所述蓋板的內面上設有一用於盛裝絕緣冷卻液的密閉噴淋腔體，所述密閉噴淋腔體上設有用於引入絕緣冷卻液的冷卻液入口，且所述冷卻液入口延伸至蓋板上，在所述密閉噴淋腔體的底面上分佈有貫穿的噴淋孔，所述箱體的底板上設有冷卻液出口，絕緣冷卻液從冷卻液入口進入密閉噴淋腔體中，通過噴淋孔噴淋到發熱的電子器件或與其接觸的擴展表面上，將電子器件工作所產生的熱量帶走，吸熱後的絕緣冷卻液從冷卻液出口流出，再通過主機殼外部的冷卻裝置冷卻後回流至冷卻液入口，如此迴圈；位於發熱量越大的電子器件的正上方的噴淋孔排布得越密集；所述噴淋孔的下孔緣向下延伸成為短筒狀，所述噴淋孔的橫截面為方形、圓形或多邊形，或者所述噴淋孔為上大下小的錐形體；所述板卡上的電子器件包括處理器、硬碟、記憶體、系統匯流排和電源，所述電源包括電源外殼和位於其內部的發熱器件，在電源外殼上設有進液孔和出液孔，絕緣冷卻液從進液孔流入電源外殼中對發熱器件進行冷卻，再從出液孔流出到箱體內；或者所述噴淋式液冷伺服器還包括位於主機殼外的電源，所述電源包括電源外殼和位於其內部的發熱器件，在電源外殼上設有進液孔和出液孔，電源外殼內的發熱器件由在主機殼外部噴淋的絕緣冷卻液從進液孔流入再從出液孔流出進行冷卻。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的噴淋式液冷伺服器，其中：所述硬碟直接由絕緣冷卻液噴淋散熱，或者通過設於硬碟發熱表面並與之緊貼的導熱結構將硬碟產生的熱量匯出至主機殼內部或者外部後再由絕緣冷卻液對導熱結構進行噴淋散熱。
3. 依據申請專利範圍第2項所述的噴淋式液冷伺服器，其中：所述導熱結構是高效傳熱元件或者導熱片、或者所述導熱結構由導熱片外接散熱器組、或者所述導熱結構由高效傳熱元件外接散熱器組成。
4. 依據申請專利範圍第3項所述的噴淋式液冷伺服器，其中：所述蓋板與密閉噴淋腔體一體製成，密閉噴淋腔體的頂面即是蓋板的內面，或者所述蓋板和密閉噴淋腔體獨立設置，所述密閉噴淋腔體固定在所述蓋板內側。
5. 依據申請專利範圍第4項所述的噴淋式液冷伺服器，其中：在所述主機殼內增設PCB板，所述PCB板設于傳統伺服器風扇和通風通道的位置上，所述PCB板上設有晶片及其擴展表面，所述晶片為新增的晶片、或為原有的晶片、或包括新增的晶片和原有的晶片，並在拆除多層傳統伺服器風扇和/或降低電子器件的擴展表面後，可降低主機殼的高度，使得伺服器內部空間緊湊。
6. 依據申請專利範圍第5項所述的噴淋式液冷伺服器，其中：在主機殼內設有液體溫度感應系統，所述液體溫度感應系統包括控制器、設於冷卻液入口上的控制閥和設置在發熱的電子器件、冷卻液出口上的溫度感測器，所述溫度感測器、控制閥分別與控制器相連，各溫度感測器分別採集發熱的電子器件和冷卻液出口處的溫度信號並將其傳送至控制器，由控制器對進入冷卻液入口的絕緣冷卻液的溫度進行控制，同時控制控制閥的開度來調節進入密閉噴淋腔體的絕緣冷卻液的流量，從而實現對電子器件噴淋冷卻的自動調節。
7. 依據申請專利範圍第1~6任一項所述的噴淋式液冷伺服器，其中：多個所述的噴淋式液冷伺服器放置於同一機櫃中，各機櫃與噴淋式液體冷卻系統相配合，即所述噴淋式液體冷卻系統包括迴圈管路、設於迴圈管路上的散熱器、油箱和冷卻液迴圈動力系統，各機櫃中每個噴淋式液冷伺服器的冷 卻液入口和冷卻液出口通過其所在的機櫃上的進油口和回油口連接在噴淋式液體冷卻系統的迴圈管路中；各噴淋式液冷伺服器的液體溫度感應系統的控制器集成為一體構成控制系統，由控制系統對噴淋式液體冷卻系統整體的工作狀態進行自動控制。
8. 依據申請專利範圍第7項所述的噴淋式液冷伺服器，其中：所述絕緣冷卻液是礦物油、矽油或氟化液。

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