WO2021000873A1 - 一种高功率密度机柜的整体高效散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率密度机柜的整体高效散热系统。高功率密度机柜的整体高效散热系统包括泵驱两相环路高功率芯片直接散热系统和机柜风冷系统。机柜风冷系统包括制冷剂循环回路和机柜内空气循环回路。为应对不同循环工况，制冷剂循环回路可分为两路，一路为泵驱两相循环回路，一路为蒸汽压缩循环回路。泵驱两相环路高功率芯片直接散热系统可以对服务器中的主要发热元件CPU、GPU等进行定点散热，机柜风冷系统可以对服务器其它发热元件进行风冷散热。高功率密度芯片定点散热和低功率密度元器件的风冷散热两者结合，一方面可以对大功率芯片直接定点散热，另一方面可以摆脱服务器机柜对空调降温的依赖，高效解决服务器机柜整体散热的问题。

Description

一种高功率密度机柜的整体高效散热系统 技术领域

本发明涉及一种高功率密度机柜的整体高效散热系统，属于设备散热技术领域。本发明还涉及一种用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统。

背景技术

随着信息技术的突飞猛进，服务器单个机柜功率密度显著提升，其主板上的主要发热元件为CPU、GPU等,其发热功率占到总发热功率的60％～70％，主板上的其他发热元件占到总发热功率的30％～40％。通过泵驱两相环路高功率芯片散热系统，主板上主要发热元件的散热得到了很好的解决，但主板上其他发热元件的散热问题仍然需要解决。

目前在评估数据中心能源效率时，通常采用PUE(Power Usage Effectiveness)值作为评价指标，PUE是数据中心消耗的所有能耗与IT负载使用的能耗之比。由于主板上其他发热元件分布比较分散，并且每个发热元件所产生的热量比较小，风冷技术更加适合解决其散热问题。传统方法是利用机房空调对主板上其它发热元件进行风冷，但通常机房的占地面积较大，空调与发热元件距离远，空调制冷很难精准地将主板上其它发热元件产生的热量带走。同时，在机房空调制冷的空气循环回路中，冷热空气相互掺混，空气与发热元件的温差减小，换热效果严重降低。在这种情况下，无论是提高风量还是降低载冷空气自身温度从而加大温差的方法，都将显著增加机房散热设备的能耗，导致PUE值更大，大大提高了机房的运行运行成本。

此外，传统的风冷模式利用空气强制对流对服务器进行散热，由于空气热阻大，空气和服务器之间需要较大的温差实现传热，因此需要配套的制冷设备，诸如机房空调，来冷却空气，维持有效的散热温差。当单个机柜功率密度不断提高，风冷模式只能通过不断降低空气温度，或者是提高风速加强对流来应对机柜散热问题，两者都会显著提升散热系统的能耗。

液冷模式利用液体强制对流对服务器进行散热，散热能力高于风冷模式。然而液冷散热机理与风冷模式相同，其对于机柜功率密度提升时的应对措施也相同。并且，液体泄露对服务器运行的潜在威胁也制约了其在服务器散热领域的应用。

结合传统热管(主要是毛细热管)的已有服务器散热方案一般包括：把热管热交换器贴合在服务器主要发热元件(CPU，GPU等)上，内部工质吸热相变将热量从热管的蒸发端转移到冷凝端，并在热管冷凝端将热量传递给一个冷却循环。这种模式换热能力强，扩展性强。但是由于热管需要和发 热元件和冷却循环的两次接触才能将产热转移，即有两个接触热阻，这无疑产生了不必要的温差，加大了散热代价。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种高功率密度机柜的整体高效散热系统，其中，泵驱两相环路高功率芯片散热系统可以对服务器中的主要发热元件CPU、GPU等进行散热，机柜风冷系统可以对服务器除CPU、GPU等主要发热元件之外的其它发热元件进行散热，高功率密度芯片定点散热和低功率密度元器件的风冷散热两者结合，一方面，可以彻底摆脱服务器机柜对房间空调降温的依赖，另一方面可以升高机柜内循环空气的温度，在更加节能的前提下，有效解决高功率密度机柜整体散热的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种高功率密度机柜的整体高效散热系统，其特征在于包括：

制冷剂循环回路,和

空气循环回路，

其中:

制冷剂循环回路包括：

泵驱两相循环回路，其包括制冷剂储液罐、液体泵、第一三通阀、节流装置、风冷蒸发器、第二三通阀、第三三通阀、Y型三通阀、冷凝器，

蒸汽压缩循环回路，其包括制冷剂储液罐、液体泵、第一三通阀、节流装置、风冷蒸发器、第二三通阀、蒸汽压缩机、第三三通阀、Y型三通阀、冷凝器，

空气循环回路包括风扇风冷蒸发器、密闭机柜形成的循环风道，

其中：

当使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀、第三三通阀将风冷蒸发器至压缩机、压缩机至Y型三通阀之间的通道关闭，将风冷蒸发器至Y型三通阀之间的通道打开，制冷剂储液罐中的液相制冷剂在液体泵的驱动下，通过第一三通阀进入节流装置，在节流装置中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器，制冷剂在风冷蒸发器中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经Y型三通阀，之后进入冷凝器冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热；

当使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀、第三三通阀将风冷蒸发器至Y型三通阀之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器至压缩机、压缩机至Y型三通阀之间的通道打开，制冷剂储液罐中的液相制冷剂在液体泵的驱动下，通过第一三通阀进入节流装置，在节流装置中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器，制冷剂在风冷蒸发 器中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机的入口，在压缩机的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机被压缩，之后被压缩的制冷剂流经Y型三通阀，进入冷凝器冷凝成液相，然后液相制冷剂回到储液罐，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。

针对上述现有技术的缺陷，本发明还提供了一种用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统，本系统可以对服务器主要发热元件进行散热，有效解决了局部热点的问题，并利用微小通道流动沸腾换热技术，显著提升单个机柜功率的功率密度，降低机柜噪音。

根据本发明的一方面，提供了一种用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统，其特征在于包括：

依次连通的制冷剂储液罐、泵、过滤器、分流管、多个服务器散热单元、汇流管、热交换器，其中所述热交换器和制冷剂储液罐连通从而形成循环回路；

其中：

所述分流管包括位于分流管底部的进液端口、自下而上层状排列的多个第一分流端口以及位于分流管顶部的第二分流端口，所述进液端口通过管路连接于所述过滤器的出口，各层的第一分流端口通过自锁接头分别连接于各服务器散热单元的进液口；

所述汇流管包括位于汇流管底部的主出口、自下而上层状排列的多个第一汇流端口、位于汇流管顶部的第二汇流端口以及位于汇流管顶部的辅助出口，所述主出口和所述辅助出口通过管路均连接于所述换热器的制冷剂入口，各层的第一汇流端口通过自锁接头分别连接于各服务器散热单元的出液口，

所述第二分流端口通过单向阀与所述第二汇流端口连接，

各服务器散热单元的进液口的前端，自锁接头之后设置有局部阻力元件，以使所述分流管整体形成自下而上逐渐变小的局部阻力。

本发明的一个进一步的方面，提供了上述的整体高效散热系统的高功率密度机柜的整体高效散热方法，其特征在于包括：

当使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀、第三三通阀将风冷蒸发器至压缩机、压缩机至Y型三通之间的通道关闭，将风冷蒸发器至Y型三通之间的通道打开，制冷剂储液罐中的液相制冷剂在液体泵的驱动下，通过第一三通阀进入节流装置，在节流装置中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器，制冷剂在风冷蒸发器中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经Y型三通阀，之后进入冷凝器冷凝成液相， 最后液相制冷剂回到储液罐，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热；

当使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀、第三三通阀将风冷蒸发器至Y型三通阀之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器至压缩机、压缩机至Y型三通阀之间的通道打开，制冷剂储液罐中的液相制冷剂在液体泵的驱动下，通过第一三通阀进入节流装置，在节流装置中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器，制冷剂在风冷蒸发器中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机的入口，在压缩机的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机被压缩，之后被压缩的制冷剂流经Y型三通阀，进入冷凝器冷凝成液相，然后液相制冷剂回到储液罐，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。

本发明的有益效果包括：

1)通过泵驱两相环路高功率芯片散热系统中的服务器散热单元对服务器中主要发热元件(如CPU，GPU芯片)进行散热，有效解决了机柜局部热点问题；

2)通过基于泵驱两相环路高功率芯片散热系统的机柜风冷系统，可以对服务器除CPU、GPU等主要发热元件之外的其他发热元件进行散热；

3)通过将泵驱两相环路高功率芯片散热系统与机柜风冷系统结合，对机柜内的主要发热元件和非主要发热元件采取不同的散热方法，一方面，可以彻底摆脱服务器机柜对房间空调降温的依赖，另一方面可以升高机柜内循环空气的温度，在更加节能的前提下，有效解决高功率密度机柜整体散热的问题，有利于边缘数据中心的建设；

4)根据室外环境温度情况，可以利用三通阀的开闭选择机柜风冷系统的制冷剂循环回路，在满足散热要求的基础上达到系统最节能的目的；

4)主要部件安装在抽屉式方舱，并且方舱与外界通过自锁接头形式连接，从而便于安装、维护和拆卸；

5)采用密闭式机柜，可以有效屏蔽外界环境对电子设备的影响，减小柜体内部元件的故障率；

6)实现了单个机柜和机房的完全隔离，可以降低数据中心机房的环境要求，拓宽了数据中心选址的范围，进而减小机房的运维成本；

8)通过以密闭式机柜为风道，减小了空气循环路径，最大程度减小冷热空气混合问题，从而提高换热效率，进而减小机房散热所需能耗；

9)制冷剂本身是绝缘介质，即使泄露也会瞬间气化，不会对服务器运行造成危害，并且制冷剂属于常温低压制冷剂，沸点高于室温(例如25℃)，系统可以运行在很低的正压状态，其各部件不需要额外的耐压要求。

本发明的用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统方案的有益效果包括：

通过服务器散热单元对服务器中主要发热元件(如CPU，GPU芯片)进行散热，有效解决了机柜局部热点问题；

采用层状排列，提高了机柜利用率，使得机柜内可以装填更多的服务器，大幅节约了机柜占地面积；

主要部件安装在抽屉式方舱，并且方舱与外界通过自锁接头形式连接，从而便于安装、维护和拆卸；

制冷剂在服务器散热单元的微小通道热交换器内的干度变化可以适应服务器芯片较大的功率波动，大幅降低了散热系统流量控制策略的复杂程度，同时制冷剂沸腾对流换热能力远大于风冷、液冷单相对流换热能力，能够有效解决高功率密度机柜的散热问题；

服务器或者服务器散热单元故障或者需要更换时，可以断开自锁接头来修复和更换服务器，其余服务器散热系统不需要停机；

制冷剂本身是绝缘介质，即使泄露也会瞬间气化，不会对服务器运行造成危害，并且制冷剂属于常温低压制冷剂，沸点高于室温(例如25℃)，系统可以运行在很低的正压状态，其各部件不需要额外的耐压要求；

本发明从服务器主要发热元件到外部冷却循环之间只有：界面导热材料产生的接触热阻和热路热管的整体传热热阻，因此减少了散热环节，有效降低了传热温差；

泵运行功耗小，可以显著降低散热系统的能耗。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的整体结构示意图。

图2为根据本发明的一个第一实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统局部结构的示意侧视图。

图3为本发明的一个第二实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统局部结构的示意侧视图。

图4为本发明的一个第三实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统局部结构的示意侧视图。

图5为根据本发明的一个实施例的用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统的结构示意图。

图6(a)为根据本发明的一个实施例的服务器散热单元的串联结构示意图，图6(b)为根据本发明的一个实施例的服务器散热单元的并联结构示意图。

图7为根据本发明的一个实施例的服务器散热单元和分液管、汇流管的连接示意图。

图8(a)-(b)为根据本发明的一个实施例的自锁接头的结构示意图，其中，图8(a)为自锁公头的结构示意图，图8(b)为自锁母头的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，根据本发明的高功率密度机柜的整体高效散热系统是在泵驱两相环路高功率芯片散热系统的基础上改进而得，其整体结构包括泵驱两相环路高功率芯片散热系统和机柜风冷系统。

如图1、图2、图3所示，根据本发明的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统包括制冷剂循环回路和空气循环回路。为应对不同循环工况，制冷剂循环回路分为两路：

一路为泵驱两相循环回路，包括制冷剂储液罐1、液体泵2、第一三通3、节流装置4、风冷蒸发器5、第二三通阀6、第三三通阀8、Y型三通9、冷凝器10；

另一路为蒸汽压缩循环回路，包括制冷剂储液罐1、液体泵2、第一三通3、节流装置4、风冷蒸发器5、第二三通阀6、蒸汽压缩机7、第三三通阀8、Y型三通9、冷凝器10。

机柜内空气循环回路包括风扇11、风冷蒸发器5。密闭机柜构成循环风道13。

在如图1、图2所示的第一实施例中，制冷剂储液罐1沿重力方向的位置低于冷凝器10，液体泵2沿重力方向的位置低于制冷剂储液罐1，

以下结合本发明的散热系统的具体散热过程来进一步说明本发明。

在如图1、图2所示的第一实施例中，制冷剂选择为R-141b，常压沸点32℃；热交换器12选为板式换热器，所用机柜为标准42U机柜，包含30个1U服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的CPU芯片。具体过程包括：

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的泵驱两相环路高功率芯片散热系统中，液相R-141b制冷剂通过在微小通道换热器中的相变对机柜中的主要发热元件CPU进行冷却；

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的制冷剂循环回路中，其中：

当使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至Y型三通9之间的通道关闭，将风冷蒸发器5至Y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相R-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过第一三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经Y型三通9，之 后进入冷凝器10冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐1，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热；

当使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至Y型三通9之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至Y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相R-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过第一三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机7的入口，在压缩机7的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机7被压缩，之后被压缩的制冷剂流经Y型三通9，进入冷凝器10冷凝成液相，然后液相制冷剂回到储液罐1，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。

-如图2所示，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的空气循环回路中，热空气3-3在风扇11的驱动下经过风冷蒸发器5，在风冷蒸发器5处，热空气3-3所携带的热量被制冷剂吸收，热空气3-3被冷却为冷空气3-1，冷空气3-1通过密闭机柜13的引导流向各层3-2主板，相对于热空气，冷空气的密度较高，冷空气在向上流动的过程中，可以在各层水平方向上起到均流的作用，在流经各层3-2主板的过程中，冷空气吸收各层3-2主板上非主要发热元件的热量，变成热空气3-3，热空气3-3通过密闭机柜13的引导流向风扇，空气在循环回路中形成循环，持续散热。

在如图3所示的第二实施例中，风冷蒸发器5和风扇11位于机柜顶部。

在第二实施例的一个具体实例中，制冷剂选择为R-141b，常压沸点32℃；热交换器12选为板式换热器，所用机柜为标准42U机柜，包含30个1U服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的CPU芯片。具体过程如下：

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的泵驱两相环路高功率芯片散热系统中，液相R-141b制冷剂通过在微小通道换热器中的相变对机柜中的主要发热元件CPU进行冷却；

-在如图3所示的第二实施例中，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的制冷剂循环回路中，其中：

使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至Y型三通9之间的通道关闭，将风冷蒸发器5至Y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相R-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在 风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经Y型三通9，之后进入冷凝器10冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐1，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热。

在某一工况下，使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至Y型三通9之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至Y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相R-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过第一三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机7的入口，在压缩机7的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂全部变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机7进行压缩，之后被压缩的制冷剂流经Y型三通9，进入冷凝器10冷凝成液相，然后液相制冷剂回到储液罐1，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。

-如图3所示，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的空气循环回路中，热空气3-3在风扇11的驱动下经过风冷蒸发器5，在风冷蒸发器5处，热空气3-3所携带的热量被被制冷剂吸收，热空气3-3被冷却为冷空气3-1，冷空气3-1通过密闭机柜13的引导流向各层3-2主板，在流经各层3-2主板的过程中，冷空气吸收各层3-2主板上非主要发热元件的热量，变成热空气3-3，相对于冷空气，热空气的密度较低，这样热空气3-3就会在压力差的作用下，通过密闭机柜13的引导流向风扇，空气在循环回路中形成循环，持续散热。

如图4所示，在第三实施例中，制冷剂循环回路只保留了泵驱两相循环回路，去掉了蒸汽压缩循环回路。如图4所示，制冷剂循环回路包括制冷剂储液罐1、液体泵2、三通3、节流装置4、风冷蒸发器5、Y型三通6、冷凝器7；空气循环回路包括风扇8、风冷冷凝器5、密闭机柜10构成循环风道。

在如图4所示的第三实施例中，制冷剂选择为R-141b，常压沸点32℃；热交换器12选为板式换热器，所用机柜为标准42U机柜，包含30个1U服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的CPU芯片。具体过程如下：

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的泵驱两相环路高功率芯片散热系统中，液相R-141b制冷剂通过在微小通道换热器中的相变对机柜中的主要发热元件CPU进行冷却；

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的制冷剂循环回路中，制冷剂储液罐1中的液相R-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时 温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经Y型三通6，之后进入冷凝器7冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐1，制冷剂在循环回路中形成循环，持续散热。

如图4所示，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的空气循环回路中，热空气3-3在风扇8的驱动下经过风冷蒸发器5，在风冷蒸发器5处，热空气3-3所携带的热量被被制冷剂吸收，热空气3-3被冷却为冷空气3-1，冷空气3-1通过密闭机柜10的引导流向各层3-2主板，在流经各层3-2主板的过程中，冷空气吸收各层3-2主板上非主要发热元件的热量，变成热空气3-3，相对于冷空气，热空气的密度较低，这样热空气3-3就会在压力差的作用下，通过密闭机柜10的引导流向风扇，空气在循环回路中形成循环，持续散热。

如图5所示，本发明的用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统包括依次连通的制冷剂储液罐107、泵101、分流管103、多个服务器散热单元104、汇流管105和热交换器106，热交换器106和制冷剂储液罐107连通从而形成循环回路。其中，泵101、过滤器102、热交换器106和制冷剂储液罐107固定在机柜底部的抽屉式方舱内，方舱与外界的管路连接通过自锁接头108完成，以便于安装，维护和拆卸。

在本实施例中，还包括与泵101并联布置的冗余泵101-1，其可在泵101出现故障后代替泵101工作，保证散热系统正常工作。特别地，泵101和冗余泵101-1在重力方向上的位置低于制冷剂储液罐107，同时制冷剂储液罐107在重力方向上的位置低于热交换器106。

分流管103包括位于分流管底部的进液端口103-1、自下而上层状排列的多个第一分流端口103-2以及位于分流管103顶部的第二分流端口103-3，其中，进液端口103-1通过管路连接于过滤器102的出口，各层的第一分流端口103-2通过自锁接头108分别连接于各服务器散热单元104的进液口。

各服务器散热单元104包括一个或多个微小通道换热器。在一个实例中，各服务器散热单元104包括两个串联(如图6(a)所示)或并联(如图6(b)所示)的微小通道换热器104-1。在微小通道换热器相互并联的情况下，各服务器散热单元104还包括流体分配模块104-2和流体汇集模块104-3，来自分流管103的液相制冷剂通过流体分配模块104-2进入微小通道换热器104-1，吸收服务器发热元件产热，发生沸腾，由液相制冷剂变成气液两相制冷剂，进入流体汇集模块104-3后进入汇流管105。在一些实施例中，微小通道热交换器104-1通过夹具固定在服务器发热元件(如CPU，GPU芯片)上，并且两者之间涂有高效导热材料。

特别地，在液相制冷剂进入分流管103后，由于需要克服重力因素和分支结构对流量分配的影响，因此在每层服务器散热单元105入口前安装局部 阻力元件，通过特定规律设计局部阻力元件得到不同的局部阻力(例如整体形成自下而上逐渐变小的局部阻力)，同时可以结合微小通道换热器104-1串并联或两者组合形式(并联形式阻力小，串联形式阻力大)，调控每层的整体阻力，达到制冷剂流量均匀分配的目的。特别地，局部阻力元件可以为限流环，例如各限流环的内径自下而上逐渐变大。

根据本发明的一个实施例，每个阻力元件包括一段管子和设置在管子中的圆柱体，圆柱体的直径小于管子的内径。通过改变圆柱体的直径，而提供了具有不同流体阻力的阻力元件。

汇流管105包括位于汇流管底部的主出口105-1、自下而上层状排列的多个第一汇流端口105-2、位于多个第一汇流端口105-2的上端的第二汇流端口105-3以及位于汇流管顶部的辅助出口105-4，其中主出口105-1和辅助出口105-4通过管路汇合连接于换热器106的制冷剂入口106-1，各层的第一汇流端口105-2通过自锁接头分别连接于各服务器散热单元的出液口。

汇流管105的辅助出口105-4可以使得由于浮力作用聚集在汇流管105顶部的气态制冷剂得以及时排出，降低了汇流管105的顶部压力，平衡了整个汇流管105内部的压力，为每一层服务器散热单元104的出口建立了相近的出口压力，有利于制冷剂的在每一层服务器散热单元4的均匀分配。

特别地，如图5所示，第二分流端口103-2通过单向阀109与第二汇流端口105-2直接连接。单向阀109用于调节分流管103和汇流管105之间的压力，当分流管103顶部有气态制冷剂聚集时，单向阀109可以将其导入汇流管105，保证液态制冷剂顺利进入顶部的服务器散热单元104，进而调节分流管103和汇集管105之间的压力。

如图7和8所示，自锁接头108包括自锁母头108-1和自锁公头108-2，自锁公头108-2与分流管103和汇流管105连接，自锁母头108-1与服务器散热单元104的两端软连接，当自锁母头108-1和自锁公头108-2接合时，内部导通；当两者断开时，各自自锁，保证系统子部件与环境隔绝。

下面结合本发明的散热系统的具体散热过程来进一步说明本发明，在本实施例中，制冷剂选择为R-141b，常压沸点32℃；热交换器6选为板式换热器，所用机柜为标准42U机柜，包含30个1U服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的CPU芯片。具体过程如下：

-液相R-141b制冷剂在泵1驱动下，经过滤器102通过分流管103的进液端口103-1进入分流管103，分流管103的每层分流端口103-2与各服务器散热单元104之间设有具有不同内径的限流环，限流环内径自下而上逐渐变大，形成不同的局部阻力，保证液相制冷剂均匀分配给每层服务器散热单元104；

-分流管103顶部运行一段时间后，会有气态冷却介质聚集，从第二分流端口103-3流出通过单向阀109调节，通过第二汇流端口106-3进入汇流管105，从而不会影响液相制冷剂进入靠近顶部的服务器散热单元4；

-液相制冷剂通过流体分配模块104-2均匀分配到每个微小通道热交换器104-1，微小通道热交换器104-1贴合在CPU芯片之上，当芯片工作时，液相制冷剂吸收芯片产热，发生沸腾，转变为气液两相，之后流经流体汇集模块104-3后通过第一汇流端口105-2进入汇流管105，大部分两相状态的制冷剂(以液态制冷剂为主)由于重力作用向汇流管105的下部汇集，并从汇流管105底部的主出口105-1流出进入热交换器107；为了使汇流管105内部压力趋于一致，少部分两相状态制冷剂(以气态制冷剂为主)从汇流管105顶部的辅助出口105-4流出，与从主出口105-1流出的两相状态的制冷剂汇合后，进入热交换器106；

-两相状态的制冷剂进入热交换器106的气相制冷剂与冷却介质发生换热，发生冷凝变为具有一定过冷度的液相，之后进入储液罐107，而冷却液吸收热量后流出热交换器106；

-制冷剂储液罐107内的液相制冷剂被泵101抽走，形成循环，持续对服务器进行散热。

Claims (7)

1. 高功率密度机柜的整体高效散热系统，其特征在于包括：

   制冷剂循环回路,和

   空气循环回路，

   其中:

   制冷剂循环回路包括：

   泵驱两相循环回路，其包括制冷剂储液罐(1)、液体泵(2)、第一三通阀(3)、节流装置(4)、风冷蒸发器(5)、第二三通阀(6)、第三三通阀(8)、Y型三通阀(9)、冷凝器(10)，

   蒸汽压缩循环回路，其包括制冷剂储液罐(1)、液体泵(2)、第一三通阀(3)、节流装置(4)、风冷蒸发器(5)、第二三通阀(6)、蒸汽压缩机(7)、第三三通阀(8)、Y型三通阀(9)、冷凝器(10)，

   空气循环回路包括风扇(11)风冷蒸发器(5)、密闭机柜形成的循环风道(13)，

   其中：

   当使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀(6)、第三三通阀(8)将风冷蒸发器(5)至压缩机(7)、压缩机(7)至Y型三通阀(9)之间的通道关闭，将风冷蒸发器(5)至Y型三通阀(9)之间的通道打开，制冷剂储液罐(1)中的液相制冷剂在液体泵(2)的驱动下，通过第一三通阀(3)进入节流装置(4)，在节流装置(4)中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器(5)，制冷剂在风冷蒸发器(5)中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器(5)之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经Y型三通阀(9)，之后进入冷凝器(10)冷凝成液相，最后液相制冷剂回到制冷剂储液罐，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热；

   当使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀、第三三通阀将风冷蒸发器至Y型三通阀之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器(5)至压缩机、压缩机至Y型三通阀之间的通道打开，制冷剂储液罐中的液相制冷剂在液体泵的驱动下，通过第一三通阀进入节流装置(4)，在节流装置中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器，制冷剂在风冷蒸发器中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器(5)之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机(7)的入口，在压缩机的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机被压缩，之后被压缩的制冷剂流经Y型三通阀，进入冷凝器冷凝成液相，然后液相制冷剂回到制冷剂储液罐，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。
2. 根据权利要求1所述的整体高效散热系统，其特征在于：

   在空气循环回路中，热空气(3-3)在风扇(11)的驱动下经过风冷蒸发器，在风冷蒸发器处，热空气所携带的热量被制冷剂吸收，热空气被冷却为冷空气(3-1)，冷空气通过密闭机柜(13)的引导流向(3-2)各层主板，因冷空气的密度比热空气的密度高，冷空气在向上流动的过程中，可以在各层水平方向上起到均流的作用，在流经各层主板的过程中，冷空气吸收各层主板上非主要发热元件的热量，变成热空气(3-3)，热空气通过密闭机柜的引导流向风扇，空气在循环回路中形成循环，持续散热。
3. 根据权利要求1所述的整体高效散热系统，其特征在于：

   制冷剂储液罐沿重力方向的位置低于冷凝器，液体泵沿重力方向的位置低于制冷剂储液罐。
4. 根据权利要求1所述的整体高效散热系统，其特征在于：

   其中：在每层服务器散热单元(105)入口前的制冷剂管路中设置有局部阻力元件，其中较上方的服务器散热单元(105)的局部阻力元件提供的局部阻力小于较下方的服务器散热单元(105)的局部阻力元件提供的局部阻力。
5. 根据权利要求1或4所述的整体高效散热系统，其特征在于：

   以微小通道换热器(104-1)的串联和/或并联的形式调节各层服务器散热单元(105)的制冷剂流动阻力。
6. 根据权利要求1所述的整体高效散热系统，其特征在于：

   制冷剂选择为R-141b，常压沸点32℃；热交换器选为板式换热器，所用机柜为标准42U机柜，包含30个1U服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的CPU芯片，具体过程包括：

   -在高功率密度机柜的整体高效散热系统的泵驱两相环路高功率芯片散热系统中，液相R-141b制冷剂通过在微小通道换热器中的相变对机柜中的主要发热元件CPU进行冷却；

   -在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的制冷剂循环回路中。
7. 根据权利要求2所述的整体高效散热系统，其特征在于：

   风冷蒸发器和风扇位于机柜顶部。

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