液冷装置和包括液冷装置的服务器的制作方法

本申请是名称为“一种浸没式液冷装置、刀片式服务器和机架式服务器”，专利申请号为201710580412.0，申请日为2017年7月17日的分案申请。

本申请涉及电子元器件冷却装置领域，尤其涉及一种液冷装置和包括液冷装置的服务器。

背景技术：

在电子设备中，随着硬件集成度的提升，电子元器件的功耗显著增大，以往风冷散热的散热效果已无法满足电子设备的散热需求，液体冷却(简称液冷)技术作为一种高效冷却方式，已经在it领域得到初步应用。

常用的液体冷却方式为板级液冷和浸没式液冷，其中，板级液冷是指电子设备内部电子元器件先将热量传导到散热块上，然后通过散热块与整板导热垫接触，导热垫将热量传导至电子设备的上盖，然后，上盖再通过水将热量传导到电子设备外部，以此达到散热的目的。浸没式液冷是指将电子设备整体沉浸在带有冷却液的密闭容器中，通过冷却液的流动传导电子设备的热量。但是，浸没式液冷该方式在设备维护时，需要首先将电子设备整体从冷却液内取出，再拆卸故障模块，而此时设备整体沾满冷却液，不易进行拆卸操作和维护。现有技术中，板级液冷方式的最大散热效率仅能达到80％。而浸没式液冷方式的最大散热效率却能够达到100％，因此，对电子设备的散热越来越倾向采用浸没式冷却。但是，上述浸没式液冷方式存在着电子元器件的维护和部署不方便、成本较高等问题，无法满足规模应用的需求。亟需开发一种便于电子元器件维护和部署，成本低而且散热率高的液冷装置。

技术实现要素：

本申请提供了一种浸没式液冷装置，以解决液冷系统散热效率低、生产成本或者运行成本高、电子元器件维护不便等问题。

为了解决上述技术问题，本申请提供了如下几方面：

第一方面，提供一种浸没式液冷装置，该液冷装置包括壳体和与所述壳体相连接的外部制冷设备，在壳体内部开设有一条或者多条流道，流道与外部制冷设备形成回路，回路中填充有第二冷却液，外部制冷设备用于冷却第二冷却液并且为第二冷却液提供循环动力，第一冷却液填充于密闭腔体中，在所述流道与所述制冷设备形成的闭合回路中填充有第二冷却液，第二冷却液在所述流道和所述制冷设备之间循环流动，通过与密闭腔体将第一冷却液传导的待散热的电子元器件的热量排出壳体外部，以此实现对待散热的电子元器件散热。

在一种可能的实现方式中，待散热的电子元器件固定设置于印制电路板(pcb板)上形成设备单板上，设备单板固定安装在壳体中，使得待散热的电子元器件设置于密闭腔体内部。

在另一种可能的实现方式中，所述壳体包括中空的壳主体、与所述壳主体底端密封连接的底板和与所述主体顶端密封连接的顶板，其中，所述底板和所述顶板中至少一个与所述壳主体为可拆卸连接，构成可拆卸的壳体。

在另一种可能的实现方式中，在所述壳主体与可拆卸连接的所述顶板和/或所述底板连接处设置有密封件。

在另一种可能的实现方式中，在设备单板上还设置有连接器，用于与背板或者其它电子元器件电连接，所述连接器伸出壳体外部或者卡嵌于壳体本体上，所述连接器用于与背板或者其它电子元器件电连接。

在另一种可能的实现方式中，流道设置于壳主体本体的内部、顶板本体的内部和底板本体的内部中的一种或者多种。

在另一种可能的实现方式中，所述流道包括主流道和分流道，所述分流道与所述主流道连通。

在另一种可能的实现方式中，所述流道在所述壳体上的两个端口分别为所述壳体进液口和所述壳体出液口，在所述外部制冷设备上设置有制冷进液口和制冷出液口，所述壳体上的两个端口和所述外部制冷设备上的所述制冷进液口和所述制冷出液口之间形成密封通道，用于所述第二冷却液在所述流道与所述冷却设备冷却之间循环，其中，在所述壳体进液口上设置有壳体进液快速接头，在所述壳体出液口设置有所述壳体出液快速接头，在所述制冷进液口上设置有与所述壳体出液快速接头匹配的制冷进液快速接头，在所述制冷出液口上设置有与所述壳体进液快速接头匹配的制冷出液快速接头，所述进液快速接头和所述出液快速接头用于密封所述第二冷却液。

在另一种可能的实现方式中，在所述壳体与所述外部制冷设备之间，还连通有用于驱动所述第二冷却液循环的动力设备和用于净化第二冷却液的净化设备。

在另一种可能的实现方式中，所述第一冷却液为硅矿物油和/或氟化液；所述第二冷却液为水和/或添加剂与水形成的组合物。

本申请公开的浸没式液冷装置，将待散热的电子元器件封装于填充有第一冷却液的金属制密封壳体中，在所述密封壳体的本体上开设有与外部冷却设备连通的流道，在流道中充满用于在密封壳体本体和外部冷却设备之间循环的第二冷却液，电子元器件在运行时产生的热量直接传递给第一冷却液，第一冷却液再通过金属制的密封壳体将热量传递给低温的第二冷却液，完成电子元器件与外界的热交换，密封壳体内直接与电子元器件接触的第一冷却液使用量小，而且各个密封壳体之间相互独立，便于对电子元器件的维护，提升了维护效率。另一方面，由于循环于密闭腔体与外部冷却设备之间的第二冷却液可以使用廉价的水或者其它廉价冷却介质，从而解决了全浸没式或者节点式液体冷却需要消耗大量昂贵的冷却液，降低了液冷系统的成本。而且通过流道位置和数量的设计，提升了液冷系统的散热效率。

第二方面，本申请还提供一种设置有液冷装置的刀片式服务器，所述刀片式服务器中设置有如第一方面及第一方面任意一种可能实现方式中所述的浸没式液冷装置。在刀片式服务器中设置至少一个壳体和至少一个外部制冷设备，即，在刀片式服务器中可以设置一个壳体，也可以设置多个壳体，多个壳体可以共用一个外部制冷设备，也可以每个壳体分别配置一个外部制冷设备。

第三方面，本申请还提供一种设置有液冷装置的机架式服务器，所述机架式服务器中设置有如第一方面及第一方面任意一种可能实现方式中所述的浸没式液冷装置。在机架式服务器中设置至少一个壳体和至少一个外部制冷设备，即，在刀片式服务器中可以设置一个壳体，也可以设置多个壳体，多个壳体可以共用一个外部制冷设备，也可以每个壳体分别配置一个外部制冷设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请提供的一种浸没式液冷装置的纵剖结构示意图；

图2为本申请提供的另一种浸没式液冷装置的纵剖结构示意图；

图3为本申请提供的另一种浸没式液冷装置的纵剖结构示意图；

图4为本申请提供的一种壳体的分解结构示意图；

图4a为本申请提供的另一种壳体的分解结构示意图；

图5为本申请提供的一种顶板横剖俯视图；

图6为本申请提供的另一种顶板横面俯视图；

图7为本申请提供的图6示出的顶板纵面俯视图；

图8为本申请提供的一种具有主流道和分流道的顶板立体结构示意图；

图9为本申请提供的一种液冷式刀片式服务器的结构示意图；

图10为本申请提供的一种液冷式机架式服务器的结构示意图。

具体实施方式

图1为本申请提供的一种液冷装置的纵剖结构示意图。如图1所示，所述液冷装置包括壳体和外部制冷设备2。图4进一步示出了壳体的分解结构，如图4所示，所述壳体包括中空的壳主体12、底板13和顶板14，三者密封连接形成密闭腔体11，在顶板14的本体上开设有流道6。

壳体中包括密闭腔体11,在密闭腔体11中安装有待散热的电子元器件7。第一冷却液填充在密闭腔体11中，并且充满密闭腔体11，与待散热的电子元器件7直接接触。在图1所示的液冷装置中，流道6与密闭腔体11不相连通，但与外部冷却设备相连通，在流道6与外部制冷设备2形成的回路中填充有第二冷却液。外部制冷设备2用于冷却第二冷却液，并且为第二冷却液提供循环动力。例如，携带热量的第二冷却液流入外部制冷设备，经过外部制冷设备冷却后，流出低温的第二冷却液，通过与封装于壳体内部的第一冷却液热交换，对待散热的电子元器件进行散热。该外部制冷设备可以为配置有动力设备的冷井、冷却塔等。本申请中所述“本体”是指构成该部件的有形实体本身，例如，顶板的本体是指构成顶板的板材本身。

可选地，在壳体和外部制冷设备2形成的回路中还可以连通有独立的动力设备3，用于为第二冷却液提供循环动力，以增加第二冷却液在回路中循环的速率，从而提高换热效率。

可选地，在壳体和外部制冷设备2形成的回路中还可以连通有净化设备4、流速监测设备16和压力监测设备17。其中，动力设备3用于为第二冷却液提供循环动力，使第二冷却液在壳体与外部制冷设备2之间持续循环流动，该动力设备3如循环泵、增压泵等。净化设备4用于净化第二冷却液，除去第二冷却液中可能存在的机械杂质或者第二冷却液产生的微生物等杂质，避免第二冷却液中的杂质对回路中其它设备造成损伤，该净化设备4如滤膜、管路过滤器等。流速监测设备16用于监测第二冷却液流速，该流速监测设备如流量计等。压力监测设备用于监测第二冷却液压力，该压力监测设备如液压计等。

值得说明的是，一个壳体可以与一个或多个外部制冷设备连接。同样地，一个外部制冷设备可以仅为一个壳体制冷，也可以同时为多个壳体制冷，多个壳体之间可以为串联连通，也可以为并联连通，在本申请的以下描述中，以壳体与一个外部制冷设备连接为例进行描述。

第一冷却液可以选自硅矿物油或者氟化液中的至少一种，例如，liquidcoolsolution公司生产的opticool87252uv，或者3m公司生产的novectm649。

第二冷却液可以选自水或者添加剂与水形成的组合物中的至少一种。该添加剂为能够溶解于水或者与水互溶的物质，如乙二醇等，乙二醇与水形成的组合物的冷凝点低于-20℃，因此，在同种条件下，这种低冷凝点的第二冷却液能够与第一冷却液交换更多的热量，此外，在水中添加乙二醇后能够有效抑制水中微生物滋生，从而便于设备保养和维护。在本申请的以下描述中，以第二冷却液为添加剂与水形成的组合物为例进行进一步详细描述。

本实施例的浸没式液冷装置，其工作原理为：待散热的电子元器件运行发热后，充斥于其周围的第一冷却液吸收待散热的电子元器件所散发出的热量，通过第一冷却液传导到密闭腔体表面，再通过流道中流动的第二冷却液传导至外部制冷设备中，从而实现对待散热的电子元器件的持续散热，外部制冷设备在第二冷却液循环流动的过程中为第二冷却液提供循环动力。

接下来，结合附图进一步介绍本申请提供的浸没式液冷装置如何实现电子器件的散热。

图1所示壳体为导热材料所制成，例如金属制造的壳体或者陶瓷制造的壳体。相比于陶瓷壳体，金属制壳体便于壳体厚度，并且密度较小，在两侧温差较大时，壳体也能够保持物理结构稳定，而不发生碎裂等破坏性形变，便于在电子设备中使用和维护。

其中，壳体的结构可以采用以下结构中任意一种：

结构一：顶板、底板与壳主体之间均可拆卸。

图4为本申请提供的一种壳体的结构示意图。如图所示，壳体包括中空的壳主体12、与壳主体12底端密封连接的底板13和与壳主体12顶端密封连接的顶板14，底板13和顶板14与壳主体12均为可拆卸连接，以便设备单板81安装于密封壳体中，从而使所述壳体内部形成密闭腔体11。在顶板14本体中开设有流道6。所述底板13为平面板，以便所述壳体在整机中稳定安装。另外，在上述壳体的结构中，壳主体12与可拆卸连接的顶板14和底板13的连接处设置有密封件91，用于防止密闭腔体11内部的第一冷却液渗出壳体，具体地，如图1所示，所述密封件91可以为任意一种用于密封的零件，如密封圈、密封条等。

设备单板81可以卡夹于壳主体12与底板13之间，即，顶板14、壳主体12、设备单板81和底板13依次层叠设置。

可选地，设备单板81还可以卡夹于顶板14与壳主体12之间，即，顶板14、设备单板81、壳主体12和底板13依次层叠设置。

可选地，底板13与壳主体12通过紧固件，如螺钉等紧固连接，或者通过卡扣固定连接。

结构二：底板与壳主体之间可拆卸，顶板与壳主体之间不可拆卸。

图4a为本申请提供的另一种壳体的结构示意图，与图4的区别在于：顶板14与壳主体12一体成型，只有底板与壳主体可拆卸，从而增加了密闭腔体11的密封性。

在本方式中，设备单板81卡夹于壳主体12与底板13之间，即，顶板14、壳主体12、设备单板81和底板13依次层叠设置。

结构三，顶板与壳主体之间可拆卸，底板与壳主体之间不可拆卸(图4和图4a中未示出)。

与图4a所示结构二类似，底板13与壳主体12一体成型，只有顶板与壳主体可拆卸，增加了密闭腔体1的密封性。

在结构三中，设备单板81卡夹于顶板14与壳主体12之间，即，顶板14、设备单板81、壳主体12和底板13依次层叠设置。

进一步地，如图1所示的液冷装置中，在壳体的密闭腔体11中包括至少一个待散热的电子元器件7。该待散热的电子元器件包括cpu、内存或者网卡等，待散热的电子元器件7按照预设的位置和连接方式安装于印制电路板(printedcircuitboard，pcb板)上形成设备单板81。设备单板81固定于密闭腔体11中。另外，电子设备中待散热的电子元器件可以相同，也可以不同，本申请不作限制。如图1所示，电子设备中包括两个不同的电子元器件。

在设备单板81上还安装有连接器8，该连接器8用于与背板9或者其它电子元器件电连接。其中，设备单板81上连接器8的个数可以为一个或多个。该连接器8可以设置于壳体外部，也可以卡嵌于壳体本体上。例如，图1所示设备单板81上安装有2个连接器8，而且，连接器8设置于壳体外部。背板9为一种电路板，用作待散热的电子元器件7与其它电子元器件电连接，其中，其它电子元器件为设置在壳体之外的电子元器件。

可选地，图2为本申请提供的另一种浸没式液冷装置的纵剖结构示意图。与图1的区别在于，图2所示浸没式液冷装置中设备单板81右侧连接器与其他电子元器件电连接。其中，壳体与外部制冷设备2的连接的通道可以根据业务需求穿过背板9，也可以不穿过背板9，本申请不作限制。

示例地，如图2所示，壳体与外部制冷设备2的连接通道穿过背板9。

更进一步地，结合待散热的电子元器件的形状不同，本申请提供的浸没式液冷装置中壳体的形状也可以随之变化。

壳体的形状可以如图1所示为长方体结构。也可以参见图3，壳体的形状与所述待散热的电子元器件7的形状匹配。由于设备单板81上设置有多个不同的电子元器件2，这些电子元器件的物理形状不尽相同，其高度差别较大，因此，壳体的形状可以随电子元器件的外形的变化而变化，如壳体的形状随电子元器件的高度变化而变化。一方面减小整机体积，另一方面减小所述壳体内部空腔的体积，从而减少第一冷却液的用量，进而降低冷却成本。相应地，所述顶板14可以为平面板，也可以为曲面板，与壳体的外形适配，形成密闭腔体11。

值得说明的是，对于同一电子设备，可以针对每个待散热的电子元器件设置一个壳体，也可以针对两个或两个以上待散热的电子元器件设置一个壳体。

在每个壳体本体上可以开设至少一条流道6，每条流道均与外部制冷设备2连通。

具体地，图5为本申请提供的一种流道顶板横剖俯视图，如图5所示，顶板14本体上开设有一条直线形流道6。直线形流道6对第二冷却液的流动阻力小，因此，第二冷却液的流动速度快，换热效率高，而且直线形流道便于开设。

图6为本申请提供的一种流道顶板横面俯视图，如图6所示，顶板14本体上开设有两条曲线形流道6。两条流道6以并联的方式与同一个外部制冷设备2连通，使得每条流道6中的第二冷却液将第一冷却液传导的热量排出电子设备外部，从而提高散热效率。

当电子元器件的功耗较小，对散热需求低时，多个流道之间可以为连通的，以减少闭合回路的数量，便于对第二冷却液的制冷。当电子元器件的功耗较大，对散热需求高时，多个流道之间可以为不连通的，以形成多条用于第二冷却液循环的闭合回路，即，同时多条路径向所述液冷装置提供低温的第二冷却液，以此提高散热效率。

作为一个可能的实现方式，本申请中流道6开设于壳体本体内部，即，可以开设于壳主体12、顶板14或者底板13中至少一种的本体内部。

具体地，如图1所示，流道6开设于顶板14本体中，使得受热上升的第一冷却液在所述壳体的顶部冷却，冷却降温后的第一冷却液自然下降，从而在所述壳体内部形成热对流，进而对所述电子元器件持续散热。

图3为本申请提供的另一种浸没式液冷装置的纵剖结构示意图。参见图3，与图1的区别在于：在顶板14本体和壳主体12本体中分别开设流道6，并且，所述两条流道连通，即，两条流道6串联，与同一个外部制冷设备2连通，形成一条循环第二冷却液体的闭合回路，增加了第一冷却液与第二冷却液的换热面积，从而提高散热效率。

可选地，在顶板14本体和壳主体12本体中分别开设流道6，所述两条流道不连通，分别与制冷设备5并联连通，形成两条循环第二冷却液体的闭合回路，受热上升的第一冷却液在所述壳体的顶部冷却，冷却降温后的第一冷却液自然下降，在从而在所述壳体内部形成热对流，低温第二冷却液通过设置于所述壳主体12上的流道对下降的第一冷却液进一步冷却，一方面加快了热对流循环的速度，另一方面使第一冷却液降温更为充分，从而提高对电子元器件2的散热效率。

流道6的形状可以为直线形分布、曲线形分布或者螺旋形分布。其中，所述曲线形分布是指流道6存在至少一处弯折，如蛇形分布，之字形分布，u形分布等，所述螺旋形分布是指流道螺旋延伸。

示例地，如图5所示，所述直线形分布是指所述流道6为直线形，即，壳体进液口61和壳体出液口62之间为直线形通道。

对于壳体中包括多条流道6的情况，不同流道6之间可以区分为主流道和分流道。分流道与主流道连通，主流道包括用于进液主流道和任选的出液主流道，分流道为由进液主流道分支再汇聚至出液主流道的流道，或者为由进液主流道分支后不再汇聚而直接与外部制冷设备2连通的流道。

具体地，图8为本申请提供的一种可实现具有主流道和分流道的顶板立体结构示意图，如图8所示，流道6包括一条直线形进液主流道63、一条直线形出液主流道64和多条u形分流道65，进液主流道63的端口和出液主流道64的端口分别开设于顶板14表面，与外界连通，第二冷却液由设置于下层的进液主流道63流入所述顶板14，经过分流道65后，通过设置于上层的出液14主流道64流出顶板14，循环至外部制冷设备2。

参见图1，流道6在壳体本体上的两个端口分别为壳体进液口61和壳体出液口62，分别用于第二冷却液流入流道6和流出流道6，使得第二冷却液在流道6与外部制冷设备5之间循环流动。

可选地，如图1所示，壳体进液口61与壳体出液口62相邻设置，便于所述流道6与所述制冷设备5的连通，减小空间的占用。

参见图1，在所述壳体进液口61上设置有壳体进液快速接头611，快速接头单独使用时，能够止住管路中的液体外流，两个快速接头对接后，管路形成通路，液体能够在形成的通路中流动，两个已对接的快速接头分离后，能够立即密闭管路，止住管路中的液体外流。

如图1所示，在所述壳体出液口62设置有壳体出液快速接头621，在所述制冷进液口51上设置有与壳体出液快速接头621匹配的制冷进液快速接头511，在所述制冷出液口52上设置有与所述壳体进液快速接头611匹配的制冷出液快速接头521。

可选地，壳体进液快速接头611与相应的制冷出液快速接头521固定连通，制冷进液快速接头511与相应的壳体出液快速接头621固定连通。

流道6通过壳体进液口61与制冷出液口52连通，壳体出液口62与制冷进液口51连通，使流道6与制冷设备5形成闭合回路。

可选地，如图1所示，第二冷却液由靠近待散热的电子元器件7的一端流入所述流道6，由远离待散热的电子元器件7的一端流出所述流道6，使低温的第二冷却液首先接触高温壳体，与其进行热交换，从而提高对待散热的电子元器件的散热效率。

通过上述内容的描述，本申请提供的液冷装置将待散热的电子元器件封装于填充有第一冷却液的金属制密封壳体中，在所述密封壳体的本体上开设有与外部冷却设备连通的流道，在流道中充满用于在密封壳体本体和外部冷却设备之间循环的第二冷却液，电子元器件在运行时产生的热量直接传递给第一冷却液，第一冷却液再通过金属制的密封壳体将热量传递给低温的第二冷却液，完成电子元器件与外界的热交换，密封壳体内直接与电子元器件接触的第一冷却液使用量小，而且各个密封壳体之间相互独立，便于对电子元器件的维护，提升了维护效率。另一方面，由于循环于密闭腔体与外部冷却设备之间的第二冷却液可以使用廉价的水或者其它廉价冷却介质，从而解决了全浸没式或者节点式液体冷却需要消耗大量昂贵的冷却液，降低了液冷系统的成本。而且通过流道位置和数量的设计，提升了液冷系统的散热效率。

上文结合图1至图8详细介绍了本申请提供的液冷装置的结构，接下来，结合图9和图10进一步介绍应用本申请中液冷装置的刀片式服务器和机架式服务器。

图9为本申请提供的一种液冷式刀片式服务器的结构示意图，如图所示，该刀片式服务器中包括4个刀片式服务器，每个刀片式服务器分别安装于一个壳体中，4个壳体共用一个外部制冷设备形成一套上述浸没式冷却液装置。其中，多个刀片式服务器之间通过背板9相连。浸没式冷却装置的结构与图1至图8所述结构相同，在此不再赘述。

图10为本申请提供的一种可实现的液冷式机架式服务器组的结构示意图，如图所示，所述机架式服务器组包括4个机架式服务器c。其中，每个机架式服务器分别安装在一个壳体中，4个壳体与共用一个外部制冷设备，形成上述浸没式液冷装置，在本方式中，在壳体与外部制冷设备之间仅设置动力设备和净化设备，而不设置流速监测设备或者压力监测设备。其中，浸没式冷却装置的结构与图1至图8所述结构相同，在此不再赘述。

值得说明的是，在图9所示的刀片式服务器和图10所示的机架式服务器中，不同电子设备可以通过同一个外部制冷设备实现第二冷却液的制冷，以此将第一冷却液产生的热量传导到刀片服务器/机架服务器外部。不同电子设备也可以通过多个外部制冷设备实现第二冷却液的制冷，以此提高刀片是服务器/机架服务器的散热效率。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。