用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统

摘要

本发明公开了一种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、泵、过滤器、分流管、多个服务器散热单元、汇流管、热交换器，热交换器和制冷剂储液罐连通从而形成循环回路，分流管包括进液端口、自下而上层状排列的多个第一分流端口和第二分流端口；汇流管包括主出口、自下而上层状排列的多个第一汇流端口、第二汇流端口和辅助出口，第二分流端口通过单向阀与第二汇流端口连接，各服务器散热单元的进液口的前端设置有局部阻力元件。本系统可以对服务器主要发热元件进行散热，有效解决了服务器和机柜局部热点的问题，并利用微小通道流动沸腾换热技术，显著提升单个机柜内服务器的功率密度，并降低机柜散热风扇噪音。

权利要求

1.一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，所述热交换器和制冷剂储液罐连通从而形成循环回路；

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，所述进液端口与所述过滤器连通，各层的第一分流端口通过可插拔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和辅助出口，所述主出口和所述辅助出口通过管路均连接于所述热交换器的制冷剂入口，各层的第一汇流端口通过可插拔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通，

各服务器散热单元的进液口的前端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，所述局部阻力元件为限流环，各限流环的内径自下而上逐渐变大。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵、所述制冷剂储液罐、所述过滤器以及所述热交换器设置于机柜底部的抽屉式方舱，所述方舱通过可插拔自锁接头与所述分流管和所述汇流管连接。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，各服务器散热单元包括一个或多个微小通道换热器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，多个微小通道换热器通过串联、并联或两者组合的方式连接。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，位于上部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器以并联的方式连接，位于下部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器以串联的方式连接，在多个微小通道换热器以并联的方式连接的情况下，各服务器散热单元还包括流体分配模块和流体汇集模块，来自所述分流管的液相制冷剂通过所述流体分配模块进入各微小通道换热器，吸收服务器发热元件产热后变成气液两相制冷剂，进入所述流体汇集模块后进入所述汇流管。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微小通道换热器通过夹具固定于服务器发热元件，所述微小通道换热器与服务器发热元件之间连接有高导热材料。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括与所述泵并联布置的冗余泵。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述制冷剂储液罐在重力方向的位置低于所述热交换器。

9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述泵根据机柜内各服务器发热元件的最高温度来自动调节转速，从而调节供液流量，所述热交换器为板式或其它类型高效热交换器，所述制冷剂为常温低压制冷剂。

说明书

用于高功率密度机柜的泵驱两相环路散热系统

技术领域

[0001] 本发明属于设备散热技术领域，特别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

[0002] 随着信息技术的突飞猛进，对运算速度更快、功能更强的服务器需求猛增，由此导致单个机柜功率密度显著提升。

[0003] 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。

[0004] 传统的液冷模式利用单相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或特种液体的高昂成本均制约了其在服务器散热领域的广泛应用。

[0005] 目前结合传统热管(主要是毛细热管)的散热模式在服务器散热领域得到了广泛的应用和实践，其主要形式为：热管热交换器贴合在服务器主要发热元件(如CPU，GPU芯片)之上，其内部工质吸热相变后，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产生接触面，才能将产热转移，即会产生两次接触热阻，而接触热阻在整体热阻中占比明显，这无疑产生了不必要的温差，增加了散热代价。此外，热管自身传热能力有限，且蒸发端和冷凝端均需较大散热面积才能传递高功率密度的热量，决定了热管并不完全适合高功率密度芯片服务器对高效、紧凑散热的需求。

发明内容

[0006] 针对上述现有技术的缺陷，本发明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，显著提升单个机柜内服务器的功率密度，降低机柜冷却风扇的噪音。

[0007] 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，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，所述热交换器和制冷剂储液罐连通从而形成循环回路；

[0008] 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，所述进液端口与所述过滤器连通，各层的第一分流端口通过可插拔自锁接头分别连接于各服务器散热单元的进液口；

[0009] 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和辅助出口，所述主出口和所述辅助出口通过管路均连接于所述热交换器的制冷剂入口，各层的第一汇流端口通过可插拔自锁接头分别连接于各服务器散热单元的出液口，

[0010] 所述第二分流端口通过单向阀与所述第二汇流端口连通，

[0011] 各服务器散热单元的进液口的前端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。

[0012] 在一些实施方式中，所述泵、所述制冷剂储液罐、所述过滤器以及所述热交换器可以设置于机柜底部的抽屉式方舱，所述方舱可以通过可插拔自锁接头与所述分流管和所述汇流管连接。

[0013] 在一些实施方式中，所述局部阻力元件可以为限流环，各限流环的内径自下而上逐渐变大。

[0014] 在一些实施方式中，各服务器散热单元可以包括一个或多个微小通道换热器。

[0015] 在一些实施方式中，多个微小通道换热器可以通过串联、并联或两者组合的方式连接。

[0016] 在一些实施方式中，位于上部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器可以并联的方式连接，位于下部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器可以串联的方式连接。在多个微小通道换热器以并联的方式连接的情况下，各服务器散热单元还可以包括流体分配模块和流体汇集模块，来自所述分流管的液相制冷剂通过所述流体分配模块进入各微小通道换热器，吸收服务器发热元件产热后变成气液两相制冷剂，进入所述流体汇集模块后进入所述汇流管。

[0017] 在一些实施方式中，所述微小通道换热器可以通过夹具固定于服务器发热元件上，所述微小通道换热器与服务器发热元件之间连接有高导热材料。

[0018] 在一些实施方式中，所述散热系统还可以包括与所述泵并联布置的冗余泵。

[0019] 在一些实施方式中，所述制冷剂储液罐可以在重力方向的位置低于所述热交换器。

[0020] 在一些实施方式中，所述泵可以根据机柜内各服务器发热元件的最高温度来自动调节转速，从而调节供液流量。在一些实施方式中，所述热交换器可以为板式或其它类型高效热交换器，所述制冷剂可以为常温低压制冷剂。

[0021] 本发明的有益效果：

[0022] 1)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；

[0023] 2)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；

[0024] 3)主要部件安装在抽屉式方舱，并且方舱与外界通过可插拔自锁接头形式连接，从而便于安装、维护和拆卸；

[0025] 4)制冷剂在服务器散热单元的微小通道换热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；

[0026] 5)服务器故障或者需要更换时，可以断开可插拔自锁接头来修复和更换服务器，其余服务器及整个散热系统不需要停机；

[0027] 6)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；

[0028] 7)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微通道相变散热器的整体传热热阻，因此减少了散热环节，有效降低了传热温差；

[0029] 8)泵运行功耗小，可以显著降低散热系统的能耗。

附图说明

[0030] 图1为本发明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。

[0031] 图2(a)-(b)为本发明的一实施方式的服务器散热单元的结构示意图，其中，图2(a)为服务器散热单元中的微小通道换热器的串联结构示意图，图2(b)为服务器散热单元中的微小通道换热器的并联结构示意图。

[0032] 图3为本发明的服务器散热单元和分液管、汇流管的连接示意图。

[0033] 图4(a)-(b)为本发明的可插拔自锁接头的结构示意图，其中，图4 (a)为自锁公头的结构示意图，图4(b)为自锁母头的结构示意图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和具体实施方式进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施方式旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

[0035] 如图1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7、泵1、分流管3、多个服务器散热单元4、汇流管5和热交换器6，热交换器6和制冷剂储液罐7连通从而形成循环回路。其中，泵1、过滤器2、热交换器6和制冷剂储液罐
7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可插拔自锁接头8完成，以便于安装，维护和拆卸。

[0036] 在本实施方式中，还包括与泵1并联布置的冗余泵1-1，其可在泵1出现故障后代替泵1工作，保证散热系统正常工作。特别地，泵1和冗余泵1- 1在重力方向上的位置低于制冷剂储液罐7，制冷剂储液罐7在重力方向上的位置低于热交换器6。

[0037] 分流管3用于给每层服务器的服务器散热单元4供制冷剂，其包括位于分流管底部的进液端口3-1、自下而上层状排列的多个第一分流端口3-2以及位于分流管3顶部的第二分流端口3-3，其中，进液端口3-1与过滤器2连通，各层的第一分流端口3-2通过可插拔自锁接头8分别连接于各服务器散热单元4的进液口。

[0038] 各服务器散热单元4用于对服务器内发热元件进行冷却，其包括一个或多个微小通道换热器。在图2所示示例中，各服务器散热单元4包括两个串联(如图2(a)所示)或并联(如图2(b)所示)的微小通道换热器4-1。在微小通道换热器相互并联的情况下，如图2(b)所示，各服务器散热单元 4还包括流体分配模块4-2和流体汇集模块4-3，来自分流管3的液相制冷剂通过流体分配模块4-2进入微小通道换热器4-1，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4-3后进入汇流管5。在一些实施方式中，微小通道换热器4-1通过夹具固定在服务器发热元件(如CPU，GPU芯片)上，并且两者之间连接有高效导热材料。

[0039] 特别地，在液相制冷剂进入分流管3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5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4-1串并联或两者组合形式。在一些实施方式中，可以将位于上部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器以并联的方式连接，将位于下部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器以串联的方式连接(并联形式阻力小，串联形式阻力大)，以便调控每层的整体阻力，达到制冷剂流量均匀分配的目的。在一些实施方式中，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。

[0040] 汇流管5包括位于汇流管底部的主出口5-1、自下而上层状排列的多个第一汇流端口5-2、位于汇流管5顶部的第二汇流端口5-3和辅助出口5-4，其中，主出口5-1和辅助出口5-4通过管路均连接于热交换器6的制冷剂入口6-1，各层的第一汇流端口5-2通过可插拔自锁接头分别连接于各服务器散热单元的出液口。

[0041] 汇流管5的辅助出口5-4可以使得由于浮力作用聚集在汇流管5顶部的气态制冷剂得以及时排出，降低了汇流管5的顶部压力，平衡了整个汇流管5内部的压力，为每一层服务器散热单元4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。

[0042] 特别地，如图1所示，第二分流端口3-3 通过单向阀9与第二汇流端口 5-3 直接连通。单向阀9用于调节分流管3和汇流管5之间的压力，当分流管3顶部有气态制冷剂聚集时，单向阀9可以将其导入汇流管5，保证液态制冷剂顺利进入顶部的服务器散热单元4，进而调节分流管3和汇集管5之间的压力。

[0043] 如图3和4所示，可插拔自锁接头8包括自锁母头8-1和自锁公头8-2，自锁公头8-2与分流管3和汇流管5连接，自锁母头8-1与服务器散热单元4的两端软连接。当自锁母头8-1和自锁公头8-2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。

[0044] 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，在本实施方式中，制冷剂选择为R-141b，常压沸点32℃；热交换器6选为板式热交换器，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：

[0045] -液相R-141b制冷剂在泵1驱动下，经过滤器2通过分流管3的进液端口3- 1进入分流管3。分流管3的每层分流端口3-2与各服务器散热单元4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4。

[0046] -分流管3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3-3流出通过单向阀9调节，通过第二汇流端口5 -3进入汇流管5，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。

[0047] -液相制冷剂通过流体分配模块4-2均匀分配到每个微小通道换热器4- 1，微小通道换热器4-1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4-3后通过第一汇流端口5-2进入汇流管5，大部分两相状态的制冷剂(以液态制冷剂为主)由于重力作用会向汇流管5的下部汇集，并从汇流管5底部的主出口5-1流出进入热交换器7。为了使汇流管5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5顶部的辅助出口5-4流出，与从主出口5- 1流出的两相状态的制冷剂汇合后，进入热交换器6。

[0048] -两相状态的制冷剂进入热交换器6后，其中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，之后进入制冷剂储液罐7，而冷却液吸收热量后流出热交换器6。

[0049] -制冷剂储液罐7内的液相制冷剂被泵1抽走，形成循环，持续对服务器进行散热。

[0050] 对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施方式做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。