CN209472923U - 一种服务器冷却浸没式液冷组合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：包括金属箱体和第一冷凝管束；金属箱体内盛装有冷却液；冷却液浸没服务器；第一冷凝管束位于冷却液液面下，第一冷凝管束与第一冷却水分配单元连通。本实用新型的服务器及电气设备完全浸没在电子氟化液体中，液体与发热元器件充分接触，换热效果显著。

Description

一种服务器冷却浸没式液冷组合装置

技术领域

本实用新型涉及服务器散热液体冷却技术领域，尤其涉及一种服务器冷却浸没式液冷组合***和装置。

背景技术

微电子芯片技术的快速发展，电子元器件的小型化、集成化的发展趋势，使得芯片组装密度不断提高，组件和设备服务器的热流密度不断加大，如果不采取合理的散热控制技术，将严重影响电子元器件的性能和寿命。

目前，计算机服务器芯片主要采用风冷冷却技术，即用空气来直接冷却电子设备的发热元器件，利用设备元器件之间的间隙和壳体进行热传导、对流和辐射换热，实现发热元件热量向周围环境散热和冷却的目的，风冷冷却技术一般用于服务器热流密度不高的场所，当服务器热流密度高于80w/cm2，风冷所面临的高能耗，局部热岛效应以及噪音问题将非常明显，产品的可靠性也会进一步降低。

浸没式液冷技术是液体冷却中效率较高的冷却方式，主要是将服务器电子元器件浸没在不导电的液体中，热量从发热元器件传到冷却液体，然后利用外部流体循环或者蒸发冷却散热传到外部环境中，从而达到高效冷却的效果。浸没式液冷技术根据选择浸没工质不同，可分为单相浸没和相变浸没两种技术。以水和空气为例，10kW的设备，控制设备温升为10度，则需要空气3250m3/h，冷却水为900L/h，两者体积相差275倍。由此可见，风冷冷却不是最佳选择，采用液冷冷却技术远胜于风冷技术。

关于液冷技术，大量研究和实际应用主要停留在冷板式液冷服务器，而浸没式液冷技术还主要处于理论研究和试验阶段，距离实际产品应用需求还存在严重贫瘠。在最新研究中，一种传热性热优于水同时具有绝缘性能的电子氟化液受到行业关注，这一优势打破了常规冷却***中矿物油冷却和冷板冷却，冷却液体不能和电子元器件直接接触的行业局限性。而进一步选用电子氟化液与冷却对象进行直接热交换，可提高液冷的冷却效率。

发明内容：

针对相关技术问题，本发明涉及的设计方案，是在电子氟化液冷 却液基础上来设计一套可同时满足单相和相变传热两套方案的液冷 ***，该***中服务器发热元器件完全浸没在液体中，通过直接接触 进行热量传递，能大大提高冷却***的效率，同时丰富了***设计多 种液冷方案的选择。

本发明的技术方案为：一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，包 括金属箱体和第一冷凝管束；金属箱体内盛装有冷却液；冷却液浸没 服务器；第一冷凝管束位于冷却液液面下，第一冷凝管束与第一冷却 水分配单元连通。

更进一步的，还包括位于金属箱体底部的用于固定服务器的支座。 支座上设有卡槽，相邻卡槽之间设有间隔。卡遭用于固定服务器。卡 槽之间的间隔使得服务器之间留有间隙。有利于服务器和冷却液热交 换生成的气泡充分形成和脱离，增强沸腾传热效果，同时便于单个服 务器的操作和维护。

更进一步的，支座为高度可调的支座。通过支座来调整服务器高 度尺度，以满足不同深度服务器的需求。高度可调的支座为现有技术，

更进一步的，冷却液包括沸点在34-61℃的相变电子氟化液和沸 点在75-170℃的单相电子氟化液或矿物冷却油。电子氟冷却液为一种 无赦透明粘度低，不易燃，不导电，安全性能非常高的液体，其特性 与水不相容。相变传热方案选用相变电子氟化液；单相传热方案选用 单相电子氟化液或矿物冷却油。两种类型的冷却液应用于不同性能服 务机组。

更进一步的，还包括位于冷却液液面上方的第二冷凝管束，第二 冷凝管束与第二冷却水分配单元连通。该结构适用于相变传热方案。

更进一步的，还包括设置于金属箱体侧面的风扇，风扇靠近金属 箱体顶部。风扇从下往上吸风，完成箱体内部汽化液的快速循环，增 强冷凝管束的换热效率。

更进一步的，还包括电气配件装置、对外接口装置和冷却水对外 快速接头；电气配件装置包括电源、电源分配单元、网线和光纤，电 气配件装置设置在箱体底部靠近壳体处；对外接口装置和冷却水对外 快速接头分别设置在箱体的外侧面上。

更进一步的，箱体包括内层壳体和外层壳体；外层壳体的顶部、 前侧面和后侧面上分别设有观察窗体；内层壳体为封闭壳体。观察窗 体用于观察内部换热情况。内层壳体为封闭壳体，保证箱体内部液体 和气体不会泄露。

更进一步的，第一冷凝管束和第二冷凝管束的管径均为5-12mm， 排数为2-3排，列数为10-15列。第一冷却水分配单元一端提供第一 冷凝管束冷却水均匀分配任务，另一端口采用与软管与冷却水对外快 速接头连接。

第二冷却水分配单元一端提供第二冷凝管输冷却水均匀分配任 务，另一端口采用与软管与冷却水对外快速接头连接。

更进一步的，还包括设有箱体上的安全阀。

有益效果：

1、服务器及电气设备完全浸没在电子氟化液体中，液体与发热 元器件充分接触，换热效果显著。

2、服务器之间存在间隙，有利于服务器和氟化液热交换生成的 气泡充分形成和脱离，增强沸腾传热效果，同时便于单个服务器的操 作和维护。

3、可兼顾浸没式液冷相变换热和非相变换热，以满足不同电子 氟化液和不同负荷服务器之间的换热需求。

4、两相浸没可实现蒸发冷却自循环流动，通过冷凝管束冷却水 将服务器热量带出***。

5、箱体全密封设计，确保冷媒不外漏损害其它电子设备和机房 环境，同时可减少电子液冷媒的过程消耗。

6、适用用高密度服务器场所，可满足热负荷高于80w/cm2服务 器机组。

7、无需***空调和风机，机组运行噪音低，能源利用效率高， 机房PUE值可低于1.1。

附图说明：

图1为本发明服务器冷却浸没式液冷组合装置的主视图；

图2为本发明服务器冷却浸没式液冷组合装置的俯视图；

图3为本发明一具体实施案例浸没式液冷两相浸没方案图；

图4为本发明另一具体实施案例浸没式液冷单相浸没方案图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实 施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明 之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请 所附权利要求所限定的范围。

如附图所示，一种服务器3冷却浸没式液冷组合装置，包括金属 箱体1和第一冷凝管束2；所述金属箱体1内盛装有冷却液；所述冷 却液完全浸没服务器3；所述第一冷凝管束2位于冷却液液面4下， 所述第一冷凝管束2与第一冷却水分配单元201连通。

更进一步的，还包括位于金属箱体1底部的用于固定服务器3的 支座5。所述支座5上设有卡槽，相邻卡槽之间设有间隔。卡遭用于 固定服务器3。卡槽之间的间隔使得服务器3之间留有间隙。有利于 服务器3和冷却液热交换生成的气泡充分形成和脱离，增强沸腾传热 效果，同时便于单个服务器3的操作和维护。

更进一步的，所述支座5为高度可调的支座5。通过支座5来调 整服务器3高度尺度，以满足不同深度服务器3的需求。高度可调的 支座5为现有技术。选用NIELEON耐朗(上海)工业设备有限公司的型 号为NL00642。

更进一步的，所述冷却液包括沸点在34-61℃的相变电子氟化液 和沸点在75-170℃的单相电子氟化液或矿物冷却油。所述电子氟冷却 液为一种无赦透明粘度低，不易燃，不导电，安全性能非常高的液体， 其特性与水不相容。相变传热方案选用相变电子氟化液；单相传热方 案选用单相电子氟化液或矿物冷却油。

更进一步的，还包括位于冷却液液面4上方的第二冷凝管束6， 所述第二冷凝管束6与第二冷却水分配单元601连通。该结构适用于 相变传热方案。

更进一步的，还包括靠近金属箱体1顶部的风扇7，所述风扇位 于金属箱体1侧面距离顶部5cm处。风扇7从下往上吸风，完成箱 体1内部汽化液的快速循环，增强冷凝管束的换热效率。

更进一步的，还包括电气配件装置8、对外接口装置9和冷却水 对外快速接头10；所述电气配件装置8包括电源、电源分配单元、 网线和光纤，所述电气配件装置8设置在箱体1底部靠近壳体处；所 述对外接口装置9和冷却水对外快速接头10分别设置在箱体1的外侧面上。同时配置的电气配件有对外接口装置，方便与外单元电气件 连接。所述的，冷却水对外快速接头，采用不锈钢材质，提供冷凝管 束的供回水，方便内部液冷结构(如冷凝管和分配单元)与外机的快 速连接。

更进一步的，所述箱体1包括内层壳体和外层壳体；所述外层壳 体的顶部、前侧面和后侧面上分别设有观察窗体；所述内层壳体为封 闭壳体。观察窗体用于观察内部换热情况。内层壳体为封闭壳体，保 证箱体1内部液体和气体不会泄露。

更进一步的，所述第一冷凝管束2和第二冷凝管束6的管径均为 5-12mm，排数为2-3排，列数为10-15列。第一冷却水分配单元201 一端提供第一冷凝管束2冷却水均匀分配任务，另一端口采用与软管 与冷却水对外快速接头10连接。

第二冷却水分配单元601一端提供第二冷凝管输冷却水均匀分 配任务，另一端口采用与软管与冷却水对外快速接头10连接。

更进一步的，还包括设有箱体1上的安全阀11。

本装置浸没式液冷组合***具有两种实施方式，包括浸没式液冷 两相浸没方案和浸没式液冷单相浸没方案。

浸没式液冷两相浸没方案具体实施方式如图2所示，冷却单元I 运行，冷却单元II关闭，冷却液选用低沸点电子氟化液，具体工作方 式如下：

浸没在冷却液中的服务器3和电气模块将热量传到周围液体中， 电子氟化液吸收热量，产生气泡，在气泡的扰动下加快沸腾传热，最 终脱离液面生成气体，另一方面，冷却单元冷凝管束I通过冷却水冷 却电子氟化液气体，使其在冷凝管束I外壁处冷凝，在重力的作用下， 重新回到罐体内部，至此，完成一次循环过程。该实施方式，电子氟 化液内部沸腾生成气泡过程有利于服务器3和冷却液的传热，而风扇 7能加快汽化液和冷却水之间的传热效果。

浸没式液冷单相浸没方案具体实施方式如图3所示，冷却单元II 运行，冷却单元I关闭，冷却液选用高沸点电子氟化液或低粘度冷却 油，具体工作方式如下：

服务器3浸没方案和上述基本一致，不同点在于，浸没在冷却液 中的服务器3和电气模块将热量传输到周围液体中，冷却液吸收服务 器3散发出的热量，温度上升，热流体向上运动，冷流体补充到服务 器3周围，实现冷却液热流自循环过程，该冷却液流体内部温差小于 5℃，另一方面，浸没在冷却液中冷却单元II通过冷却水带走冷却液 的热量，在热密度的作用下，实现冷热流体自循环过程。

以上两种方案不保证同时运行，***之间具有相互制约限制，削 弱彼此的性能和可靠性。

在具体运行测试中，使用4U，单机功率600w的服务器3浸没在 现有结构方案中，以实测CPU核心温度作为浸没式服务器3***冷 却效果指标。

实施例1、4U服务器机组由上往下***液冷箱体中，冷却液为电子 氟化液，沸点为56℃，热传导系数0.059w/m·k，密度1680kg/m3， 汽化热94kJ/kg，CPU主频2.4GHz，冷却***运行稳定后，实测CPU 温度为58～62℃。

实施例2、同上述1机组方案，不同在于CPU主频3.0GHz，冷却系 统运行稳定后，实测CPU温度为61～66℃。

实施例3、4U服务器机组由上往下***液冷箱体中，冷却液为电子 氟化液，沸点为76℃，热传导系数0.069w/m·k，密度1430kg/m3， 汽化热126kJ/kg，CPU主频2.4GHz，冷却***运行稳定后，实测CPU 温度为66～72℃。

实施例4、同上述3机组方案，不同在于CPU主频3.0GHz，冷却系 统运行稳定后，实测CPU温度为69～76℃。

实施例5、4U服务器机组由上往下***液冷箱体中，冷却液为矿物 冷却油，沸点为128℃，热传导系数0.129w/m·k，密度845kg/m3，、 CPU主频2.4GHz，冷却***运行稳定后，实测CPU温度为49～52℃。

实施例6、同上述5机组方案，不同在于CPU主频3.0GHz，冷却系 统运行稳定后，实测CPU温度为49～54℃。

Claims (10)

1.一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：包括金属箱体(1)和第一冷凝管束(2)；所述金属箱体(1)内盛装有冷却液；所述冷却液浸没服务器(3)；所述第一冷凝管束(2)位于冷却液液面(4)下，所述第一冷凝管束(2)与第一冷却水分配单元(201)连通。

2.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：还包括位于金属箱体(1)底部的用于固定服务器的支座(5)；所述支座(5)上设有卡槽(501)，相邻卡槽(501)之间设有间隔。

3.根据权利要求2所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：所述支座(5)为高度可调的支座。

4.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：所述冷却液包括沸点在34-61℃的相变电子氟化液和沸点在75-170℃的单相电子氟化液或矿物冷却油。

5.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：还包括位于冷却液液面(4)上方的第二冷凝管束(6)，所述第二冷凝管束(6)与第二冷却水分配单元(601)连通。

6.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：还包括设置于金属箱体(1)侧面的风扇(7)，所述风扇(7)靠近金属箱体(1)顶部。

7.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：还包括电气配件装置(8)、对外接口装置(9)和冷却水对外快速接头(10)；所述电气配件装置(8)包括电源、电源分配单元、网线和光纤，所述电气配件装置(8)设置在箱体(1)底部靠近壳体的处；所述对外接口装置(9)和冷却水对外快速接头(10)分别设置在箱体(1)的外侧面上。

8.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：所述箱体(1)包括内层壳体和外层壳体；所述外层壳体的顶部、前侧面和后侧面上分别设有观察窗体；所述内层壳体为封闭壳体。

9.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：所述第一冷凝管束(2)和第二冷凝管束(6)的管径均为5-12mm，排数为2-3排，列数为10-15列。

10.根据权利要求1所述的一种服务器冷却浸没式液冷组合装置，其特征在于：还包括设有箱体(1)上的安全阀(11)。