一种用于刀片服务器芯片的散热装置和系统的制作方法

本实用新型属于机房散热技术领域，尤其涉及一种用于刀片服务器芯片的散热装置和系统。

背景技术：

数据中心(又称机房)的散热能耗问题随着数据中心规模和机柜功率密度的增大而越来越受到关注和重视。数据中心传统的散热方式主要是空调风冷系统和单相循环水冷系统。其中，空调风冷系统结构简单，最易实施，但散热能力有限，能耗高；水冷系统散热能力强，但系统庞大复杂，并且出于安全考虑水冷管路须布置在机房外。

热管技术作为一种被动式两相换热技术，被誉为“热的超导体”，近年来在数据中心得到了初步的应用，包括热管换热器(热管式空调)和热管背板等，在节能降耗方面发挥了巨大的作用。

目前现有技术主要是针对机房整体或单个机柜进行散热设计，属于机房级和机柜级的散热模式，因此无法有效地解决机柜中无数服务器芯片的局部散热问题和实现高功率下工作温度的有效控制。而从服务器产生热量的来源角度来看，主要芯片产生的热量占服务器发热的70％以上。要想解决这一问题，适应未来高功率密度机柜和大功率服务器的发展需要，开发一种基于芯片级散热模式的新型机房散热方式将成为今后的主流方向。

芯片级散热模式是指采用先进冷却技术直接作用于服务器的芯片发热位置。备选的技术包括单相液冷回路、浸泡式液冷、热管冷却技术等。单相液冷回路是将液体通过管路直接输送到发热芯片表面带走热量，浸泡式液冷是将芯片直接浸没在液体中，然而，这两种方式都存在辅助配套系统庞大、成本高、后期维护繁琐、存在泄露安全隐患等问题，且受结构和服务器内部空间限制，散热效率有限。

技术实现要素：

本实用新型的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于刀片服务器芯片的散热装置和系统，旨在简化结构、提高散热效率、降低成本。

为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种用于刀片服务器芯片的散热装置，包括：第一嵌入式热管(1)，和设置在所述第一嵌入式热管(1)下方的第二嵌入式热管(2)，以及，刀片服务器(3)；

所述第一嵌入式热管(1)包括：依次连接的第一蒸发器(101)、长气体管路(102)、长液体管路(103)和第一翅片冷凝器(104)；其中，长气体管路(102)的一端与第一蒸发器(101)的出口连接，管路沿高度方向上升第一设定高度后向水平方向拐弯，沿水平方向延伸第一设定距离后，长气体管路(102)的另一端与第一翅片冷凝器(104)的入口连接；长液体管路(103)的一端与第一翅片冷凝器(104)的出口连接，管路沿水平方向延伸第二设定距离后，长液体管路(103)的另一端与第一蒸发器(101)的入口连接；

所述第二嵌入式热管(2)包括：依次连接的第二蒸发器(201)、短气体管路(202)、短液体管路(203)和第二翅片冷凝器(204)；其中，短气体管路(202)的一端与第二蒸发器(201)的出口连接，管路沿高度方向上升第二设定高度后向水平方向拐弯，沿水平方向延伸第三设定距离后，短气体管路(202)的另一端与第二翅片冷凝器(204)的入口连接；短液体管路(203)的一端与第二翅片冷凝器(204)的出口连接，管路沿水平方向延伸第四设定距离后，短液体管路(203)的另一端与第二蒸发器(201)的入口连接；

所述刀片服务器(3)包括：设置在所述刀片服务器(3)内部的第一芯片(301)和第二芯片(302)；其中，所述第一嵌入式热管(1)的第一蒸发器(101)和所述第二嵌入式热管(2)的第二蒸发器(201)伸入刀片服务器(3)的内部，分别与所述刀片服务器(3)的第一芯片(301)和第二芯片(302)接触并固定。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

当所述第一芯片(301)和第二芯片(302)设置在靠近刀片服务器(3)入口端的一侧时，所述第一嵌入式热管(1)和第二嵌入式热管(2)设置在所述 刀片服务器(3)外侧、靠近刀片服务器(3)入口端的一侧；

当所述第一芯片(301)和第二芯片(302)设置在靠近刀片服务器(3)出口端的一侧时，所述第一嵌入式热管(1)和第二嵌入式热管(2)设置在所述刀片服务器(3)外侧、靠近刀片服务器(3)出口端的一侧。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

所述散热装置，还包括：第一封闭通道(401)、第二封闭通道(402)和第三封闭通道(403)；

所述第一封闭通道(401)和第二封闭通道(402)分别设置在刀片服务器(3)的两侧；其中，所述第一封闭通道(401)设置在靠近刀片服务器(3)入口端的一侧，与机柜(7)连接相通；所述第二封闭通道(402)设置在靠近刀片服务器(3)出口端的一侧，与机柜(7)连接相通；

当所述第一芯片(301)和第二芯片(302)设置在靠近刀片服务器(3)入口端的一侧时，所述第三封闭通道(403)与第一封闭通道(401)相邻设置，与第一封闭通道(401)连接但隔绝密封；

当所述第一芯片(301)和第二芯片(302)设置在靠近刀片服务器(3)出口端的一侧时，所述第三封闭通道(403)与第二封闭通道(402)相邻设置,与第二封闭通道(402)连接但隔绝密封。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

所述第一翅片冷凝器(104)和第二翅片冷凝器(204)固定在第三封闭通道中；

所述第一翅片冷凝器(104)和第二翅片冷凝器(204)结构相同，内部设置有工质流动通道；

所述第一翅片冷凝器(104)的下表面高于第二翅片冷凝器(204)的上表面；

第一翅片冷凝器(104)与第二翅片冷凝器(204)的高度总和小于所述刀片服务器(3)的总高度；

在垂直于纸面方向，第一翅片冷凝器(104)的总厚度小于刀片服务器(3) 的总厚度，第二翅片冷凝器(204)的总厚度小于刀片服务器(3)的总厚度。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

所述第一封闭通道(401)的下方设置有第一入口(501)；

第二封闭通道(402)的上方设置有第一出口(601)；

第三封闭通道(403)的下方设置有第二入口(502)、上方设置有第二出口(602)；

其中，所述第一入口(501)和第二入口(502)分别设置在机房地底冷气流的出口位置处。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

所述第一嵌入式热管(1)的总长度大于所述第二嵌入式热管(2)的长度；

其中，所述第一翅片冷凝器(104)和第二翅片冷凝器(204)交错排布设置。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

所述第一翅片冷凝器(104)的设置高度大于或等于第一蒸发器(101)的设置高度；

所述第二翅片冷凝器(204)的设置高度大于或等于第二蒸发器(201)的设置高度。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

蒸发器下底面的面积大于或等于芯片上表面的面积；

蒸发器的体积小于等于60cm³，在垂直于纸面方向的厚度小于等于1.5cm；

蒸发器内部为空腔结构，包括：毛细芯结构和气液隔离结构；

其中，

在垂直于纸面方向，所述第一蒸发器(101)的下底面与所述第一芯片(301)的上表面接触并固定，第二蒸发器(201)的下底面与所述第二芯片(302)的上表面接触并固定。

在上述用于刀片服务器芯片的散热装置中，

所述散热装置还包括：隔热保护层(8)；

所述隔热保护层(8)包裹在所述第一蒸发器(101)、长气体管路(102)和长液体管路(103)的外表面，以及，所述第二蒸发器(201)、短气体管路(202)和短液体管路(203)的外表面。

本实用新型还公开了一种用于刀片服务器芯片的散热系统，包括：多个上述散热装置；

其中，所述多个散热装置沿高度方向和垂直于纸面方向两个维度布置。

本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型创新地设计了一种快速、高效、便捷和远距离地传递芯片热量的嵌入式热管，嵌入式热管包含接触芯片的蒸发器、管路和翅片冷凝器，为一个整体结构，可以直接将芯片产生的热量快速、高效、便捷和远距离地转移到刀片服务器外，相比简单的圆管热管耦合基座平板和翅片换热板，所述嵌入式热管的传热效率更高，整体热阻则大大降低，大幅提高了对芯片的散热控温水平。

(2)本实用新型采用嵌入式热管替代现有刀片服务器有限空间内芯片上的风冷翅片，相比风冷翅片，置于封闭通道中的嵌入式热管的翅片冷凝器的散热面积更大、空气流过翅片冷凝器更为顺畅，且由于翅片冷凝器近似于一个等温体，故，翅片肋效也更高，从而散热和控温能力更强。

(3)相比现有刀片服务器芯片上的风冷翅片，本实用新型的嵌入式热管的蒸发器的吸热面积、厚度和体积都大幅度减小，从而刀片服务器可以做得更薄、更紧凑，单个机柜的空间利用率进一步提升，单个机柜的服务器功率密度可以进一步提升。

(4)本实用新型在嵌入式热管的结构方案的基础上，实现了与机房现有风冷系统的耦合，芯片产生的热量快速、高效、便捷和远距离地转移封闭通道中，充分利用了机房现有风冷系统，大大提高风冷的散热效率，有效解决高功率密度机柜或大功率服务器的散热和芯片过热超温的问题，具有安全、洁净、高效和可实施性强的特点；满足了真实服务器工程应用和实际推广的需求，将数据中心的散热模式从传统的机房级、机柜级提升到了芯片级的高水准。

(5)由于刀片服务器的大部分热量都通过嵌入式热管转移到封闭通道中，因此刀片服务器内的风扇功率和风扇体积都能大幅减小，从而刀片服务器可以做得更薄，服务器风扇噪声可以大幅降低，单个机柜的空间利用率进一步提升，单个机柜的服务器功率密度可以进一步提升。

(6)本实用新型保留和充分利用了现有精密空调和地下送风模式，对传统风冷模式的机房改动较小，整个装置结构可以实现模块化设计、安装、维护，工程可实施性强，易于推广应用，相比水冷模式更加安全可靠，相比引入新风模式更加洁净安全。

(7)本实用新型能够有效地解决芯片的局部过热和温度超高的问题，相比现有刀片服务器芯片上的风冷翅片，其降低芯片工作温度或控制芯片温度的能力更强，因此采用本实用新型带来的收益还有两方面，一是保证服务器工作不会出现“宕机”现象，服务器的有效利用率提高；二是在满足芯片最高工作温度上限的前提下，可以适当提高机房地底送风温度和服务器进口冷风温度，从而降低机房精密空调的能耗。

附图说明

图1是本实用新型实施例中一种用于刀片服务器芯片的散热装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中又一种用于刀片服务器芯片的散热装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中一种用于刀片服务器芯片的散热系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型公共的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本实用新型实施例中一种用于刀片服务器芯片的散热装置的结构示意图。在本实施例中，所述用于刀片服务器芯片的散热装置，包括：第一嵌入式热管1，和，设置在所述第一嵌入式热管1下方的第二嵌入式热管2， 以及，刀片服务器3。

如图1，第一嵌入式热管1包括：依次连接的第一蒸发器101、长气体管路102、长液体管路103和第一翅片冷凝器104。

在本实施例中，第一嵌入式热管1中各零部件之间的具体连接结构如下：长气体管路102的一端与第一蒸发器101的出口连接，管路沿高度方向上升第一设定高度后向水平方向拐弯，沿水平方向延伸第一设定距离后，长气体管路102的另一端与第一翅片冷凝器104的入口连接；长液体管路103的一端与第一翅片冷凝器104的出口连接，管路沿水平方向延伸第二设定距离后，长液体管路103的另一端与第一蒸发器101的入口连接。

第二嵌入式热管2包括：依次连接的第二蒸发器201、短气体管路202、短液体管路203和第二翅片冷凝器204。

在本实施例中，第二嵌入式热管2中各零部件之间的具体连接结构如下：短气体管路202的一端与第二蒸发器201的出口连接，管路沿高度方向上升第二设定高度后向水平方向拐弯，沿水平方向延伸第三设定距离后，短气体管路202的另一端与第二翅片冷凝器204的入口连接；短液体管路203的一端与第二翅片冷凝器204的出口连接，管路沿水平方向延伸第四设定距离后，短液体管路203的另一端与第二蒸发器201的入口连接。

其中，需要说明的是，第一设定高度、第二设定高度，以及，第一设定距离、第二设定距离、第三设定距离和第四设定距离可以根据实际情况确定，取值可以相同也可以不同，换而言之，气体管路和液体管路的长度、布置和走向可根据刀片服务器3内电子器件的位置和剩余空间的实际情况而进行调节和弯曲变形，布置灵活度高，约束性少，本实施例对此不作限制。

刀片服务器3包括：设置在所述刀片服务器3内部的第一芯片301和第二芯片302。

在本实施例中，所述第一嵌入式热管1的第一蒸发器101和所述第二嵌入式热管2的第二蒸发器201伸入刀片服务器3的内部，分别与所述刀片服务器3的第一芯片301和第二芯片302接触并固定。

其中，需要说明的是，在本实施例中，芯片在刀片服务器3内的设置位置可以有多种情况，如图1所示，第一芯片301和第二芯片302可以设置在靠近刀片服务器3入口端的一侧。此外，第一芯片301和第二芯片302也可以设置在靠近刀片服务器3出口端的一侧，如图2所示，其中，图2，示出了本实用新型实施例中又一种用于刀片服务器芯片的散热装置的结构示意图。

优选的，如图1所示，当所述第一芯片301和第二芯片302设置在靠近刀片服务器3入口端的一侧时，所述第一嵌入式热管1和第二嵌入式热管2可以设置在所述刀片服务器3外侧、靠近刀片服务器3入口端的一侧，便于安装和维护。

优选的，如图2所示，当所述第一芯片301和第二芯片302设置在靠近刀片服务器3出口端的一侧时，所述第一嵌入式热管1和第二嵌入式热管2设置在所述刀片服务器3外侧、靠近刀片服务器3出口端的一侧，便于安装和维护。

在本实用新型的一优选实施例中，所述散热装置还可以包括：第一封闭通道401、第二封闭通道402和第三封闭通道403。

优选的，所述第一封闭通道401和第二封闭通道402分别设置在刀片服务器3的两侧。其中，所述第一封闭通道401设置在靠近刀片服务器3入口端的一侧，与机柜7连接相通；所述第二封闭通道402设置在靠近刀片服务器3出口端的一侧，与机柜7连接相通。

进一步的，当所述第一芯片301和第二芯片302设置在靠近刀片服务器3入口端的一侧时，如图1所示，所述第三封闭通道403与第一封闭通道401相邻设置，与第一封闭通道401连接但隔绝密封。当所述第一芯片301和第二芯片302设置在靠近刀片服务器3出口端的一侧时，如图2所示，所述第三封闭通道403与第二封闭通道402相邻设置，与第二封闭通道402连接但隔绝密封。其中，第三封闭通道403只允许嵌入式热管的气体管路和液体管路穿过其中。

参照图1或2所示可知，第一翅片冷凝器104和第二翅片冷凝器204固定在第三封闭通道403中。优选的，第一翅片冷凝器104和第二翅片冷凝器204可以采用任意一种适当的方式安装固定在所述第三封闭通道403中，例如，第 一翅片冷凝器104和第二翅片冷凝器204可以通过第三封闭通道403中的细长横梁实现固定和安装，本实施例不作详述。

在本实施例中，第一翅片冷凝器104和第二翅片冷凝器204结构相同，内部设置有工质流动通道。其中，第一翅片冷凝器104的下表面高于第二翅片冷凝器204的上表面；第一翅片冷凝器104与第二翅片冷凝器204的高度总和小于所述刀片服务器3的总高度；在垂直于纸面方向，第一翅片冷凝器104的总厚度小于刀片服务器3的总厚度，第二翅片冷凝器204的总厚度小于刀片服务器3的总厚度。

优选的，在本实施例中，第一封闭通道401的下方可以设置有第一入口501；第二封闭通道402的上方可以设置有第一出口601；第三封闭通道403的下方设置有第二入口502、上方设置有第二出口602。其中，所述第一入口501和第二入口502分别设置在机房地底冷气流的出口位置处。

在本实施例中，机房地底冷气流分别沿第一入口501和第二入口502流入第一封闭通道401和第三封闭通道403；流入第一封闭通道401中的冷气流流过刀片服务器3后吸热变成热气流，从第二封闭通道402的第一出口601流出；流入第三封闭通道403中的冷气流流过第一翅片冷凝器104和第二翅片冷凝器204后吸热变成热气流，从第三封闭通道403的第二出口602流出。基于各封闭通道实现了本实用新型所述的散热装置与机房现有的风冷系统之间的耦合，充分利用了机房现有风冷系统，大大提高了机房现有风冷系统的散热效率，有效解决高功率密度机柜或大功率服务器的散热和芯片过热超温的问题，具有安全、洁净、高效和可实施性强的特点。

在本实用新型的一优选实施例中，参照图1，第一嵌入式热管1的总长度大于所述第二嵌入式热管2的长度，进而，第一翅片冷凝器104和第二翅片冷凝器204可以交错排布设置，增大了气流的流动面积，提高了散热效率，同时，交错排布的设置节约了空间。

其中，需要说明的是，在本实施例中，嵌入式热管的类型可以但不仅限于是：环路型热管或分离型重力热管。换而言之，第一翅片冷凝器104的设置高 度可以大于或等于第一蒸发器101的设置高度，第二翅片冷凝器204的设置高度大于或等于第二蒸发器201的设置高度。当翅片冷凝器的设置高度大于蒸发器的设置高度时，可以将嵌入式热管视为是分离型重力热管；当翅片冷凝器的设置高度等于蒸发器的设置高度时，可以将嵌入式热管视为是环路型热管。

在本实用新型的一优选实施例中，如图1所示，蒸发器下底面的面积大于或等于芯片上表面的面积；蒸发器的体积小于等于60cm³，在垂直于纸面方向的厚度小于等于1.5cm；蒸发器内部为空腔结构，包括：毛细芯结构和气液隔离结构。优选的，一种可行的蒸发器的具体结构可以参照申请号为201610286818.3的专利，在此不再赘述。

其中，在垂直于纸面方向，所述第一蒸发器101的下底面与所述第一芯片301的上表面接触并固定，第二蒸发器201的下底面与所述第二芯片302的上表面接触并固定。需要说明的是，第一蒸发器101和第二蒸发器201的结构、尺寸可以完全相同，蒸发器的外形可以是方形或圆形等任意与芯片相匹配的形状，本实施例对此不作限制。

此外，在本实施例中，优选的，所述用于刀片服务器芯片的散热装置还可以包括：隔热保护层8。隔热保护层8可以是低导热系数的保温材料，所述隔热保护层8可以包裹在所述第一蒸发器101、长气体管路102和长液体管路103的外表面，以及，所述第二蒸发器201、短气体管路202和短液体管路203的外表面，实现对蒸发器和管路的隔热保护。

在本实施例中，在选择嵌入式热管的壳体和工质材料时，可以但不仅限于按照如下方式进行选择：铝合金和液氨的组合、铝合金和丙酮的组合、铜合金和蒸馏水的组合、铜合金和氟利昂的组合等，本实施例对此不作限制。

在上述实施例的基础上，本实用新型实施例还公开了一种用于刀片服务器芯片的散热系统。参照图3，示出了本实用新型实施例中一种用于刀片服务器芯片的散热系统的结构示意图。在本实施例中，所述用于刀片服务器芯片的散热系统可以包括：多个上述实施例中所述的散热装置，如图3中所示的第一散热装置100、第二散热装置200···等。其中，各个散热装置的结构相同，其具 体结构可以参照上述实施例中的描述，在此不再赘述。

在本实施例中，散热系统中的各个散热装置可以作为一个整体，实现了模块化安装，提高了安装效率，且便于更换和维护。优选的，多个散热装置可以沿高度方向和垂直于纸面方向两个维度进行扩展布置：沿高度方向进行任意适当数量的扩展，以及，沿垂直于纸面方向进行任意适当数量的扩展。且，如前所述，两个嵌入式热管中的翅片冷凝器交错排布，确保了各散热装置之间没有空间冲突，排布更紧密。

综上所述，本实用新型创新地设计了一种快速、高效、便捷和远距离地传递芯片热量的嵌入式热管，嵌入式热管包含接触芯片的蒸发器、管路和翅片冷凝器，为一个整体结构，可以直接将芯片产生的热量快速、高效、便捷和远距离地转移到刀片服务器外，相比简单的圆管热管耦合基座平板和翅片换热板，所述嵌入式热管的传热效率更高，整体热阻则大大降低，大幅提高了对芯片的散热控温水平。

其次，采用嵌入式热管替代现有刀片服务器有限空间内芯片上的风冷翅片，相比风冷翅片，置于封闭通道中的嵌入式热管的翅片冷凝器的散热面积更大、空气流过翅片冷凝器更为顺畅，且由于翅片冷凝器近似于一个等温体，故，翅片肋效也更高，从而散热和控温能力更强。且，相比现有刀片服务器芯片上的风冷翅片，本实用新型的嵌入式热管的蒸发器的吸热面积、厚度和体积都大幅度减小，从而刀片服务器可以做得更薄、更紧凑，单个机柜的空间利用率进一步提升，单个机柜的服务器功率密度可以进一步提升。

再次，本实用新型在嵌入式热管的结构方案的基础上，实现了与机房现有风冷系统的耦合，芯片产生的热量快速、高效、便捷和远距离地转移封闭通道中，充分利用了机房现有风冷系统，大大提高风冷的散热效率，有效解决高功率密度机柜或大功率服务器的散热和芯片过热超温的问题，具有安全、洁净、高效和可实施性强的特点；满足了真实服务器工程应用和实际推广的需求，将数据中心的散热模式从传统的机房级、机柜级提升到了芯片级的高水准。且，由于刀片服务器的大部分热量都通过嵌入式热管转移到封闭通道中，因此刀片 服务器内的风扇功率和风扇体积都能大幅减小，从而刀片服务器可以做得更薄，服务器风扇噪声可以大幅降低，单个机柜的空间利用率进一步提升，单个机柜的服务器功率密度可以进一步提升。.

此外，本实用新型保留和充分利用了现有精密空调和地下送风模式，对传统风冷模式的机房改动较小，整个装置结构可以实现模块化设计、安装、维护，工程可实施性强，易于推广应用，相比水冷模式更加安全可靠，相比引入新风模式更加洁净安全。

最后，本实用新型能够有效地解决芯片的局部过热和温度超高的问题，相比现有刀片服务器芯片上的风冷翅片，其降低芯片工作温度或控制芯片温度的能力更强，因此采用本实用新型带来的收益还有两方面，一是保证服务器工作不会出现“宕机”现象，服务器的有效利用率提高；二是在满足芯片最高工作温度上限的前提下，可以适当提高机房地底送风温度和服务器进口冷风温度，从而降低机房精密空调的能耗。

以上所述，仅为本实用新型最佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。