CN111669952A - 一种数据中心浸没式散热装置 - Google Patents

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耿文广
李子淳
员冬玲
孙荣峰
王鲁元
姜建国
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Abstract

本发明涉及一种数据中心浸没式散热装置，包括液冷机柜、冷却液、若干振荡热管，冷却液填充在液冷机柜中，若干振荡热管的蒸发区伸入液冷机柜中，振荡热管的冷凝区位于液冷机柜的外侧，振荡热管的管束中灌注介质，介质为有机溶剂，振荡热管与液冷机柜侧壁的连接区域为绝热区，绝热区位于冷凝区和蒸发区之间。利用振荡热管进冷却液中的热量传递到液冷机柜的外侧。发热元件将热量传递给冷却液，热管管束的蒸发区浸没在冷却液中，吸收冷却液的热量，热管管束内灌注有一定压力的有机溶剂作为介质，介质受热后蒸发，在热管管束内形成气液相间的柱塞型流体，柱塞型流体将热量迅速传递至热管管束的冷凝区。传热系数高，能耗低，节能环保。

Description

一种数据中心浸没式散热装置
技术领域
本发明属于液冷技术领域，具体涉及一种数据中心浸没式散热装置。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着互联网和计算机技术的不断发展,大数据时代背景下的数据中心建设也在迅猛发展当中,大数据的快速发展为计算机的发展既带来了机会也带来了新的挑战。由于全球数据处理需求不断升温，高耗能指标为数据中心的快速发展也带来了新的挑战。全球市场洞察公司(GMI)的研究报告显示，数据中心目前的用电量约占全球总用电量的3％，预计到2030年，这一数字将上升到8％。由于冷却***能耗约占数据中心总能耗的40％，对智能化节能解决方案的需求有望推动数据中心冷却市场的不断增长。
Christian Belady在2006年提出数据中心能源利用率(PUE)的概念，数据中心的PUE的值等于数据中心总能耗与IT设备能耗的比值，比值越小，表示数据中心的能源利用率越高，该数据中心越符合低碳、节能的标准。目前国内一些小规模的，其值可能高达3左右，对比国际IT企业，雅虎数据中心(PUE＝1.08)，Facebook数据中心(PUE＝1.15)，谷歌比利时数据中心(PUE＝1.16)，惠普英国温耶德数据中心(PUE＝1.16)，微软都柏林数据中心(PUE＝1.25)，微软爱尔兰都柏林数据中心，采用创新设计的“免费冷却”***和热通道控制，使其PUE值远低于微软其他数据中心的1.6。而国内技术水平领先的IT企业，如阿里巴巴的所有自研数据中心平均PUE值已经低于1.3，2018年腾讯深圳光明数据中心的实测年度PUE值为1.26，这与国际先进企业尚有一定差距。
传统数据中心冷却***采用精密空调(即风冷技术)对机柜所在房间进行冷却，由于数据中心的发热量很大且要求基本恒温恒湿永远连续运行，因此能适合其使用的空调***要求可靠性高(一般设计都有冗余备机)、制冷量大、小温差和大风量，数据中心的空调***具有其显著地特殊性，一是全年不间断运行，工况差别非常的大；二是温度湿度控制精度高，除湿、加湿、加热、小温差大风量等比一般民用空调***消耗的附加能量更多，主要体现在风***动力消耗高，且会导致数据中心部分机柜内产生局部高温区。处在高温区的IT设备不能正常工作甚至会停止工作，且高温环境会缩短设备的使用寿命，造成不可估量的经济损失。但由于风冷技术的成本较低且安装部署更为简单，所以仍然是当前数据中心领域主流的散热技术。
近几年，随着数据中心热流密度的急剧增大，液冷技术以其冷却效果突出，能耗低等优点，逐渐地成为了解决数据中心未来散热难题的关键技术之一。其中，冷却液如氟化液等，可以直接与IT设备直接接触，这种浸没式冷却技术具有良好的散热效果和明显的节能优势，该技术有助于进一步提高服务器的数据密度和计算能力，但现有该冷却技术仍存在温度分布不均匀、能耗偏高等相关问题，现有技术中公开的浸没式液冷服务器冷却***，包括服务器机箱、箱盖、散热组片、散热器、集油箱和油泵。该***传热效率高，实现了节能环保的效果，能够有效的针对芯片等发热元件的局部流动冷却，并且容易均温，有利于发热芯片更加有效地散热。其弊端在于，油泵在运行过程中噪音较大，并且增加了能耗，其震动也是***安全稳定运行的隐患，散热器以及制冷剂的选择也增加了成本。
无论是直接冷却还是浸没式冷却***，都有着成本较高、震动或噪音较大、布置方式受机房空间限制的缺点。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种数据中心浸没式散热***。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种数据中心浸没式散热装置，包括液冷机柜、冷却液、若干振荡热管，冷却液填充在液冷机柜中，若干振荡热管的蒸发区伸入液冷机柜中，振荡热管的冷凝区位于液冷机柜的外侧，振荡热管的管束中灌注介质，介质为有机溶剂，振荡热管与液冷机柜侧壁的连接区域为绝热区，绝热区位于冷凝区和蒸发区之间。
本发明利用振荡热管对液冷机柜进行散热。充分利用振荡热管的散热特点使液冷机柜的散热效果更好，不需要外加动力。震动和噪音小。振荡热管的安装形式较为灵活，不用受到机房空间的限制。
在管内抽成真空的状态下，灌注一定量的有机溶剂作为介质，液体未充满整个振荡热管管束的内部空腔。介质在冷热端温差和表面张力的作用下形成气液相间的柱塞型流体随机地出现在管路中。
液冷机柜内产生的热量通过冷却液传递给振荡热管，振荡热管的蒸发区中，有机溶剂受热进行蒸发，然后在振荡热管的管束内形成气液相间的柱塞型流体，气液柱与管壁之间的液膜因受热而不断蒸发，导致汽泡膨胀，并推动气液柱塞流向冷凝区冷凝收缩，从而在冷、热端之间形成较大的压差。由于气液柱塞交错分布，因而在管内产生强烈的往复振荡运动，从而实现高效热传递。振荡热管的冷凝区将热量散发，可以通过自然风的冷却作用，将冷凝区的热量带走，整个热量传递过程不需要消耗外部的机械功和电功，且不用风机、泵等耗能设备。
第二方面，上述数据中心浸没式散热装置在数据中心浸没式散热中的应用。
本发明的有益效果：
(1)冷却液与发热设备直接接触，具有较低的对流热阻，传热系数高，散热均匀，也可迅速带走热量，散热效果好；
(2)振荡热管热阻小，传热性能优异，并且机构简单，可以灵活布置，不受方向影响，可任意弯曲，不受机房空间影响，而且热管内介质为有机溶剂，工作启动温度低，可以确保冷却液保持较低的温度；
(3)整个***的热量传递过程不需要消耗外部的机械功和电功，属于热驱动下的自激振荡传热。可有效降低***能耗，节能环保。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的数据中心浸没式散热装置的结构图；
图2为本发明的振荡热管的正视图；
图3为本发明的振荡热管的侧视图；
图4为本发明的振荡热管的侧视图；
其中，1、机房，2、第一液冷机柜，3、第二液冷机柜，4、第三液冷机柜，5、服务器，6、振荡热管，7、冷凝区，8、绝热区，9、蒸发区。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，一种数据中心浸没式散热装置，包括液冷机柜、冷却液、若干振荡热管，冷却液填充在液冷机柜中，若干振荡热管的蒸发区伸入液冷机柜中，振荡热管的冷凝区位于液冷机柜的外侧，振荡热管的管束中灌注介质，介质为有机溶剂，振荡热管与液冷机柜侧壁的连接区域为绝热区，绝热区位于冷凝区和蒸发区之间。
利用振荡热管进冷却液中的热量传递到液冷机柜的外侧。液冷机柜的内部由于具有服务器等设备，是发热部件，发热元件将热量传递给冷却液，热管管束的蒸发区浸没在冷却液中，吸收冷却液的热量，热管管束内灌注有一定压力的有机溶剂作为介质，介质受热后蒸发，在热管管束内形成气液相间的柱塞型流体，柱塞型流体将热量迅速传递至热管管束的冷凝区。
在本发明的一些实施方式中，振荡热管为蛇形闭合回路结构。本发明涉及的振荡热管为蛇形回路管，介质预先灌注在振荡热管内，介质在振荡热管内可以自由流动，从一端流至另一端。
振荡热管的管束内的蒸发区受热，管束内的液体发生泡状沸腾，整个过程发生的很快，而且管内为真空状态，不会产生噪音。
在本发明的一些实施方式中，有机溶剂为乙醇。有机溶剂的不同，有机溶剂的物性不同。甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂比热容和汽化潜热较大，作为工质可使振荡热管的传热效果好，同时动力粘度较小，流动时形成柱塞的效果好。乙醇沸点相比于两外两种有机溶剂较高，避免烧干的现象。
在本发明的一些实施方式中，振荡热管的管径为1-3mm。管径在上述范围内，能够实现液塞和气泡的共存，管径的大小影响气液塞流体的形成，所以本申请选择了一个适合的管径范围，有助于实现气液塞流的形成的同时不会导致流动阻力过大而对振荡效果产生影响。
在本发明的一些实施方式中，振荡热管的管束为支管束或弯曲形状的管束。振荡热管具有形状可变的优点。
在本发明的一些实施方式中，振荡热管的通道弯头数没有具体限制，但不宜小于15。振荡热管为蛇形回路的结构，弯头数过少会影响热管启动，随着弯头数的增多，可使换热面积增大，热管更容易启动，传热性能更好，运行也更加稳定，具体可根据实际情况进行布置。
在本发明的一些实施方式中，振荡热管的蒸发区与冷凝区的长度(或者说面积)比为1：1.5-2.5；优选为1：2。
在本发明的一些实施方式中，振荡热管的充液率为35-50％。充液率为工作介质的总体积占振荡热管内部总容积的百分比，合适的充液率可以提高换热性能并减小传热热阻，本发明中，上述的充液率范围有助于实现提高换热性能。
第二方面，上述数据中心浸没式散热装置在数据中心浸没式散热中的应用。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
在一个机房1内设置有三个液冷机柜，液冷机柜内设置若干服务器5，若干服务器5呈分层设置的状态。三个液冷机柜分别为第一液冷机柜2、第二液冷机柜3、第三液冷机柜4，第一液冷机柜2设置的振荡热管成L型设置。蒸发区9位于液冷机柜内，冷凝区7位于机房的外侧，绝热区8位于与机房、液冷机柜的连接区域。第一液冷机柜1的振荡热管6的侧面图如图3所示，振荡热管呈L型设置，振荡热管6的蒸发区9吸收液冷机柜的热量，然后在冷凝区7将热量散发到空气中，在冷凝区7，空气流动，与振荡热管6进行热交换。
第二液冷机柜3设置的振荡热管6由液冷机柜的顶部伸入液冷机柜，具体如图2所示。振荡热管6的管束为直管。第三液冷机柜4设置的振荡热管6的冷凝区7与绝热区8呈L型设置，蒸发区的9振荡热管呈弯管的形式，具体如图4所示。第三液冷机柜4的振荡热管6与第一液冷机柜2的振荡热管的布置方式不同。第三液冷机柜4的绝热区集中分布在第三液冷机柜4的中部位置，然后蒸发区9的振荡热管6在液冷机柜的内部呈辐射状设置。
第一液冷机柜2、第二液冷机柜3、第三液冷机柜4的高度为2m，振荡热管6的管径为2mm。管束内的有机溶剂介质为乙醇，充液率为40％。振荡热管的通道弯头数没有具体限制，但不宜小于15。
本实施例的热流密度为1000W/cm2。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数据中心浸没式散热装置，其特征在于：包括液冷机柜、冷却液、若干振荡热管，冷却液填充在液冷机柜中，若干振荡热管的蒸发区伸入液冷机柜中，振荡热管的冷凝区位于液冷机柜的外侧，振荡热管的管束中灌注介质，介质为有机溶剂，振荡热管与液冷机柜侧壁的连接区域为绝热区，绝热区位于冷凝区和蒸发区之间。
2.如权利要求1所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：振荡热管为蛇形闭合回路结构。
3.如权利要求1所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：有机溶剂为乙醇。
4.如权利要求1所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：振荡热管的管径为1-3mm。
5.如权利要求1所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：振荡热管的管束为支管束或弯曲形状的管束。
6.如权利要求1所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：振荡热管的通道弯头数不小于15。
7.如权利要求1所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：振荡热管的蒸发区与冷凝区的长度比为1：1.5-2.5。
8.如权利要求7所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：振荡热管的蒸发区与冷凝区的长度比为1：2。
9.如权利要求1所述的数据中心浸没式散热装置，其特征在于：振荡热管的充液率为35-50％。
10.如权利要求1-9任一所述的数据中心浸没式散热装置在数据中心浸没式散热中的应用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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