液冷散热系统及数据中心的制作方法

本发明涉及散热技术领域，尤其是涉及一种液冷散热系统及数据中心。

背景技术：

随着5g、人工智能、大数据的快速推进，数据中心产业规模迅速扩大。随着计算机设备的更新换代，it设备的功率密度越来越高，机房面积越来越大，机房的数量越来越多，世界能源越来越紧张。在全球能源问题日趋突出的情况下，如何运用新的技术降低机房制冷所消耗的电能，建设绿色环保机房，已成为机房行业建设者们关注的核心问题。

数据中心的冷却散热耗电占数据中心除服务器耗电之外的绝大部分，因此，如何低能耗的解决数据中心散热问题成为降低pue(powerusageeffectiveness，能源利用效率)的关键因素。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种液冷散热系统及数据中心，以降低散热系统的电损耗，实现节能效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种液冷散热系统，包括通过管路依次连接形成回路的浸没液冷刀箱、换热器和储液缓冲罐，所述浸没液冷刀箱用于容纳待散热的主板，所述主板浸没在第一冷媒中；所述换热器、所述储液缓冲罐和所述浸没液冷刀箱按照由高到低的高度位置设置，使得所述第一冷媒依靠重力作用在所述回路中循环流动。

进一步地，所述浸没液冷刀箱包括刀箱壳体、以及设置在所述刀箱壳体上的进液口、出汽口、低压穿壁密封插件和高压穿壁密封插件；所述进液口位于所述刀箱壳体侧壁的底部，所述出汽口位于所述刀箱壳体侧壁的顶部，所述低压穿壁密封插件用于通过软线排与所述主板的低压插件连接，所述高压穿壁密封插件用于通过软线排与所述主板的高压插件连接。

进一步地，所述浸没液冷刀箱还包括设置在所述刀箱壳体内部的第一液位计、第一温度传感器和第一压力传感器，以及设置在所述刀箱壳体上的泄压阀。

进一步地，所述刀箱壳体内部还设置有限位加强板，所述限位加强板用于将所述刀箱壳体的内部空间分隔成多个子空间，每个所述子空间用于容纳一块所述主板。

进一步地，所述限位加强板包括结构加强板、以及设置在所述结构加强板上的主板卡槽、连通孔和汇流槽；所述结构加强板固定在所述刀箱壳体的内壁上，所述主板卡槽用于固定限定所述主板的位置，所述汇流槽设置在所述结构加强板的底部。

进一步地，所述换热器包括第一冷媒存储区和第二冷媒存储区；所述第一冷媒存储区用于存储来自于所述浸没液冷刀箱的第一冷媒，所述第一冷媒存储区的蒸汽进口位于所述第一冷媒存储区的液体出口的上方；所述第二冷媒存储区用于存储第二冷媒，所述第二冷媒用于吸收所述第一冷媒的热量，以使所述第一冷媒冷却降温；所述第二冷媒存储区的进液口处设置有第一电动阀和流量计，所述第一电动阀用于调节所述第二冷媒的流量，所述流量计用于检测所述第二冷媒的流量。

进一步地，所述储液缓冲罐上设置有抽气孔，所述抽气孔用于实现所述液冷散热系统的封闭和开放；所述储液缓冲罐内部设置有第二液位计和第二压力传感器。

进一步地，所述浸没液冷刀箱与所述换热器之间的蒸汽管路上设置有第二电动阀，所述第二电动阀用于调节所述第一冷媒的蒸汽从所述浸没液冷刀箱移动到所述换热器的阻力；所述储液缓冲罐与所述浸没液冷刀箱之间的管路上设置有单向阀、过滤器和第二温度传感器。

进一步地，所述液冷散热系统包括一个所述浸没液冷刀箱；或者，所述液冷散热系统包括多个并联的所述浸没液冷刀箱，多个所述浸没液冷刀箱位于同一水平高度。

第二方面，本发明实施例提供了一种数据中心，包括主板和上述第一方面的液冷散热系统，所述主板浸没在所述液冷散热系统的浸没液冷刀箱内的第一冷媒中；所述主板包括高压插件、低压插件和一个或多个高热流密度芯片。

本发明实施例提供的液冷散热系统及数据中心中，该液冷散热系统包括通过管路依次连接形成回路的浸没液冷刀箱、换热器和储液缓冲罐，浸没液冷刀箱用于容纳待散热的主板，主板浸没在第一冷媒中；换热器、储液缓冲罐和浸没液冷刀箱按照由高到低的高度位置设置，使得第一冷媒依靠重力作用在回路中循环流动。该液冷散热系统中第一冷媒依靠重力作用在回路中循环流动，也即该液冷散热系统不需要泵之类的动力装置，仅依靠第一冷媒液位的高度差产生的压力差为动力实现循环，有效降低了散热系统的电损耗，实现了节能效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种液冷散热系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种浸没液冷刀箱的侧视剖面图；

图3为本发明实施例提供的一种浸没液冷刀箱的俯视剖面图；

图4为本发明实施例提供的一种主板的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种软线排的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种限位加强板的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种换热器的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种储液缓冲罐的结构示意图。

图标：100-浸没液冷刀箱；101-刀箱壳体；102-进液口；103-出汽口；104-低压穿壁密封插件；105-高压穿壁密封插件；106-第一液位计；107-第一温度传感器；108-第一压力传感器；109-泄压阀；110-限位加强板；1101-结构加强板；1102-主板卡槽；1103-连通孔；1104-汇流槽；200-换热器；201-蒸汽进口；202-液体出口；203-第一电动阀；204-流量计；205-第三温度传感器；206-第三压力传感器；300-储液缓冲罐；301-抽气孔；302-第二液位计；303-第二压力传感器；400-主板；401-高热流密度芯片；402-低压插件；403-高压插件；500-第二电动阀；600-单向阀；700-过滤器；800-第二温度传感器。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前数据中心的冷却散热能耗较高，并且为了提高算力，数据中心芯片的功率越来越大，热流密度越来越高，目前超级计算机gpu(graphicsprocessingunit，图形处理器)的热流密度已经达到100w/cm²，传统的风冷散热方式已经无法解决如此高的热流密度。如何在更小的体积内，更高的芯片堆积密度的趋势下，低能耗地解决数据中心的散热问题成为迫在眉睫的问题。

基于此，本发明实施例提供的一种液冷散热系统及数据中心，可以有效降低散热系统的电损耗，实现节能效果，同时，满足数据中心芯片堆叠密度要求，提高运算节点的数据短距离传输能力，提高数据中心的运算算力。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种液冷散热系统进行详细介绍。

参见图1所示的一种液冷散热系统的结构示意图，该液冷散热系统包括通过管路依次连接形成回路的浸没液冷刀箱100、换热器200和储液缓冲罐300，浸没液冷刀箱100用于容纳待散热的主板400，主板400浸没在第一冷媒中；换热器200、储液缓冲罐300和浸没液冷刀箱100按照由高到低的高度位置设置，即三者的高度位置由高到低依次为换热器200、储液缓冲罐300、浸没液冷刀箱100，使得第一冷媒依靠重力作用在回路中循环流动。

此液冷散热系统中第一冷媒的蒸发段和冷凝段是分开的，蒸发段可以为处于数据中心机柜内部的浸没液冷刀箱100，冷凝段可以为机柜外部或机房外部的换热器200，浸没液冷刀箱100与换热器200之间的管路可以称为蒸汽上升管或蒸汽管路，换热器200与储液缓冲罐300之间的管路和储液缓冲罐300与浸没液冷刀箱100之间的管路均可以称为液体管路。

上述液冷散热系统的工作原理为：浸没液冷刀箱100内的第一冷媒吸收机柜内部的主板400产生的热量而蒸发，使得浸没液冷刀箱100内部的压力升高，第一冷媒产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放潜热而凝结成液体，液体状的第一冷媒在重力作用下，经液体管路回到蒸发段浸没液冷刀箱100内，如此循环往复进行。

此液冷散热系统由液体液面的高度差提供压头，压头具体可以为：ρ×g×h＝δp，其中ρ表示冷媒液体在设计沸点下的密度(kg/m³)，g表示冷媒液体在设计沸点下的重力加速度(m/s²)，h表示冷媒液体液面的高度差(m)，δp表示蒸发段与冷凝段的冷媒蒸汽的压力差(pa)。

本发明实施例中，该液冷散热系统中第一冷媒依靠重力作用在回路中循环流动，也即该液冷散热系统不需要泵之类的动力装置，仅依靠第一冷媒液位的高度差产生的压力差为动力实现循环，有效降低了散热系统的电损耗，实现了节能效果。

上述液冷散热系统可以包括一个浸没液冷刀箱100，也可以包括多个并联的浸没液冷刀箱100，且该多个浸没液冷刀箱100位于同一水平高度。多个浸没液冷刀箱100可以提高该液冷散热系统对主板400的容纳能力。

可选地，浸没液冷刀箱100的形状可以为方形、圆柱形或球形等。其中，圆柱形的浸没液冷刀箱100和球形的浸没液冷刀箱100的耐压性均较好。

可选地，参见图2所示的一种浸没液冷刀箱的侧视剖面图，该浸没液冷刀箱100包括刀箱壳体101、以及设置在刀箱壳体101上的进液口102、出汽口103、低压穿壁密封插件104和高压穿壁密封插件105；进液口102位于刀箱壳体101侧壁的底部，出汽口103位于刀箱壳体101侧壁的顶部，低压穿壁密封插件104用于与主板400的低压插件连接，高压穿壁密封插件105用于与主板400的高压插件连接。

上述进液口102、出汽口103、低压穿壁密封插件104和高压穿壁密封插件105同时实现热插拔，即四者同时连接，同时断开。可选地，如图2所示，进液口102、出汽口103、低压穿壁密封插件104和高压穿壁密封插件105可以位于刀箱壳体101的同一侧壁上。

进一步，如图2所示，上述浸没液冷刀箱100还包括设置在刀箱壳体101内部的第一液位计106、第一温度传感器107和第一压力传感器108，以及设置在刀箱壳体101上的泄压阀109。第一液位计106用于检测浸没液冷刀箱100内液面的高度；第一温度传感器107用于检测浸没液冷刀箱100内部的蒸汽温度；第一压力传感器108用于检测浸没液冷刀箱100内部的蒸汽压力；泄压阀109用于在浸没液冷刀箱100内部压力过大时进行泄压，以保护浸没液冷刀箱100的安全性。

参见图3所示的一种浸没液冷刀箱的俯视剖面图，上述浸没液冷刀箱100可以容纳一块或多块主板400，主板400的数量可以根据实际设计进行调整；主板400可以竖直插入浸没液冷刀箱100内部，主板400与主板400的间距可以为5-100mm。

参见图4所示的一种主板的结构示意图，每块主板400包括高压插件403、低压插件402和一个或多个高热流密度芯片401，高热流密度芯片401可以是cpu(centralprocessingunit，中央处理器)和/或gpu。浸没液冷刀箱100中，每个低压穿壁密封插件104和每个高压穿壁密封插件105分别对应一块主板400的低压插件402和高压插件403。主板400的形状可以但不限于为矩形或圆形。

可选地，上述低压穿壁密封插件104可以通过如图5所示的软线排与对应主板400的低压插件402连接，高压穿壁密封插件105也可以通过如图5所示的软线排与对应主板400的高压插件403连接，这样便于单独更换单个主板400。

为了便于放置多块主板400，如图2和图3所示，刀箱壳体101内部还设置有限位加强板110，限位加强板110用于将刀箱壳体101的内部空间分隔成多个子空间，每个子空间用于容纳一块主板400。

可选地，参见图6所示的一种限位加强板的结构示意图，该限位加强板110包括结构加强板1101、以及设置在结构加强板1101上的主板卡槽1102、连通孔1103和汇流槽1104。结构加强板1101固定在刀箱壳体101的内壁上，结构加强板1101与刀箱壳体101的固定方式可以是焊接或螺钉固定，结构加强板1101用于保证浸没液冷刀箱100内高压或低压情况下刀箱壳体101不变形；主板卡槽1102用于固定限定主板400的位置；连通孔1103用于使第一冷媒在各个主板400之间相互贯通，从而使浸没液冷刀箱100内具有统一的液面高度；汇流槽1104设置在结构加强板1101的底部，汇流槽1104可以为一个或多个，汇流槽1104便于浸没液冷刀箱100内的第一冷媒液体统一排放。限位加强板110的形状可以但不限于为矩形或圆形。

此液冷散热系统的一个浸没液冷刀箱100内可以插入多个主板400，主板400间可以实现紧密堆叠，单位体积内能够容纳更多的主板400，同时浸没液冷刀箱100间还可以进行并联连接，这样满足了数据中心芯片堆叠密度要求，提高了运算节点的数据短距离传输能力，提高了数据中心的运算算力。

上述换热器200可以是管壳式换热器、板式换热器、套管换热器和螺旋板换热器中的任一种。可选的，参见图7所示的一种换热器的结构示意图，换热器200包括第一冷媒存储区和第二冷媒存储区；第一冷媒存储区用于存储来自于浸没液冷刀箱100的第一冷媒，第一冷媒存储区的蒸汽进口201位于第一冷媒存储区的液体出口202的上方；第二冷媒存储区用于存储第二冷媒，第二冷媒用于吸收第一冷媒的热量，以使第一冷媒冷却降温；第二冷媒存储区的进液口处设置有第一电动阀203和流量计204，第一电动阀203用于调节第二冷媒的流量，流量计204用于检测第二冷媒的流量。其中，第二冷媒可以但不限于为冷却水。

此液冷散热系统在第一冷媒的某一沸点情况下，可以通过调节换热器200第二冷媒的进液口的流量和第二冷媒的温度来实现系统中第一冷媒液面的稳定，从而实现系统动态稳定，因此该系统具有条件简便性。

如图7所示，上述换热器200还包括设置在第一冷媒存储区内的第三温度传感器205和第三压力传感器206，第三温度传感器205用于检测第一冷媒存储区内部的温度，第三压力传感器206用于第一冷媒存储区内部的压力。

参见图8所示的一种储液缓冲罐的结构示意图，储液缓冲罐300上设置有抽气孔301，抽气孔301用于实现液冷散热系统的封闭和开放；储液缓冲罐300内部设置有第二液位计302和第二压力传感器303。第二液位计302用于检测储液缓冲罐300内液面的高度；第二压力传感器303用于检测储液缓冲罐300内部的压力。

抽气孔301设置有阀门(图中未画出)，可以实现整个系统的封闭和开放。此液冷散热系统开始运行时，通过抽气孔301将系统内的空气进行排空，使系统内只有第一冷媒蒸汽存在，实现整个系统的压力调节，同时通过调节换热器200第二冷媒的进液口的流量和第二冷媒的温度进行系统的整体压力调节，从而改变第一冷媒的沸点，即该系统可以实现同一冷媒不同的相变蒸发温度，具有芯片的温度控制宽范围性，能够应用于不同环境和工况的蒸发散热。

进一步，如图1所示，浸没液冷刀箱100与换热器200之间的蒸汽管路上设置有第二电动阀500，第二电动阀500用于调节蒸汽管路的开闭程度，从而调节第一冷媒的蒸汽从浸没液冷刀箱100移动到换热器200的阻力；储液缓冲罐300与浸没液冷刀箱100之间的管路上设置有单向阀600、过滤器700和第二温度传感器800。单向阀600用于防止浸没液冷刀箱100内的第一冷媒液体逆流进入储液缓冲罐300中；过滤器700用于过滤杂质；第二温度传感器800用于检测相应管路内的第一冷媒液体的温度。

为了便于理解，以第二冷媒为冷却水为例，本实施例还提供了上述液冷散热系统的循环过程，具体如下：

(1)开机启动，主板400的发热源(如gpu)运行发热，发热源维持一定的发热功率，同时启动抽气装置，通过抽气孔301将系统内的空气排出，使系统内形成只有第一冷媒液体和第一冷媒汽体的介质。抽气完成后关闭抽气孔301的阀门，使系统维持在真空状态。

(2)换热器200中进液口冷却水的温度和流量控制在一定的条件下，待系统维持平衡状态。

(3)浸没液冷刀箱100内的第一冷媒受到主板400上发热源的加热而汽化，产生蒸汽从出汽口103进入蒸汽管路内，在换热器200内冷凝成第一冷媒液体，液体由于重力作用流入储液缓冲罐300，储液缓冲罐300液面升高，迫使液体流入与储液缓冲罐300连通的浸没液冷刀箱100中。循环稳定后，储液缓冲罐300的第一冷媒液体与浸没液冷刀箱100的第一冷媒液体产生高度差h，高度差h提供的δp压力差，即为浸没液冷刀箱100内蒸汽的压力与储液缓冲罐300蒸汽的压力的差，也是浸没液冷刀箱100蒸汽到储液缓冲罐300过程中蒸汽的流阻，故整个循环系统维持动态平衡。

另外，浸没液冷刀箱100与换热器200之间的蒸汽管路上设置的第二电动阀500，用于调节蒸汽管路的开闭程度，从而调节蒸汽的流阻，进而可以调节浸没液冷刀箱100和换热器200内蒸汽的压力差，产生不同的高度差h。

(4)调节蒸发沸点的过程为：通过加大换热器200冷却水的流量，降低冷却水的温度，使系统整体处于负压状态，从而降低第一冷媒的蒸发温度；相反，通过降低换热器200冷却水的流量，提升冷却水的温度，使系统整体处于正压状态，从而升高第一冷媒的蒸发温度。

为了便于理解，本实施例还提供了一种液冷散热系统的具体实现方式，如下：

如图2和图3所示，浸没液冷刀箱100为方形刀箱；如图4和图6所示，主板400和限位加强板110的形状均为矩形。刀箱壳体101为钣金不锈钢壳体，箱体焊接密封；单个浸没液冷刀箱100包含5个主板400；进液口102为m10的快接头连接，位于刀箱的底部；出汽口103为m50快接头连接，位于刀箱的顶部；进液口102和出汽口103位于刀箱的同一侧。低压穿壁密封插件104为30针插件，用于传输算例信息和传感器信息等；高压穿壁密封插件105为10针耐高压插件，用于传输电力。泄压阀109在高压3bar开启，进行泄压。第一压力传感器108的量程为-100kpa～400kpa。

如图4所示，主板400包含6个gpu、2个cpu、1个高压插件403和1个低压插件402。主板400的功率密度为80w/cm²。主板400竖直插入刀箱壳体101内部，主板400与主板400的间距为30mm。

如图6所示，限位加强板110包括结构加强板1101、主板卡槽1102、连通孔1103和汇流槽1104。结构加强板1101与刀箱壳体101的内壁进行焊接，形成隔板的同时保证刀箱内高压或低压情况下刀壳不变形。主板卡槽1102为铁氟龙卡槽，每个结构加强板1101上设置由四个铁氟龙卡槽。连通孔1103为用激光切割形成的圆形孔，用于第一冷媒在各个主板400之间的相互贯通，使浸没液冷刀箱100内具有统一的液面高度。汇流槽1104可以为半圆形，便于液体统一排放，不产生积液。

综上，本发明实施例提供的液冷散热系统具有如下优点：

(1)此液冷散热系统不需要泵之类动力装置，仅依靠冷媒液位的高度差产生的压力差为动力实现循环，实现了节能效果；

(2)一个浸没液冷刀箱100内可以插入多个主板400，主板400间可以实现紧密堆叠，单位体积内能够容纳更多的主板400，同时浸没液冷刀箱100间还可以进行并联连接，这样满足了数据中心芯片堆叠密度要求，提高了运算节点的数据短距离传输能力，提高了数据中心的运算算力；

(3)此液冷散热系统在第一冷媒的某一沸点情况下，可以通过调节换热器200第二冷媒的进液口的流量和第二冷媒的温度来实现系统中第一冷媒液面的稳定，从而实现系统动态稳定，因此该系统具有条件简便性；

(4)此液冷散热系统可以实现同一冷媒不同的相变蒸发温度，具有芯片的温度控制宽范围性，能够应用于不同环境和工况的蒸发散热。

另外，本发明实施例还提供了一种数据中心，包括主板和上述的液冷散热系统，主板浸没在液冷散热系统的浸没液冷刀箱内的第一冷媒中；主板包括高压插件、低压插件和一个或多个高热流密度芯片。

本实施例所提供的数据中心，其实现原理及产生的技术效果和前述液冷散热系统实施例相同，为简要描述，数据中心实施例部分未提及之处，可参考前述液冷散热系统实施例中相应内容。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。