一种服务器冷却浸没式液冷组合装置的制作方法

本发明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系统和装置。

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系统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。

技术实现要素：

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系统，该系统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，能大大提高冷却系统的效率，同时丰富了系统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；冷却液安全浸没服务器；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系统。

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、无需系统空调和风机，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；所述冷却液安全浸没服务器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系统具有两种实施方式，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，系统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系统冷却效果指标。

实施例1、4u服务器机组由上往下插入液冷箱体中，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，冷却系统运行稳定后，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插入液冷箱体中，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，冷却系统运行稳定后，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插入液冷箱体中，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，冷却系统运行稳定后，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℃。