一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统

本发明涉及浸没式液冷，尤其涉及一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统。

背景技术：

1、随着移动互联网、云计算和大数据等技术的蓬勃发展，大规模营建数据中心已经成为重要的国家发展战略之一。然而，当前数据中心的高能耗特性严重限制了数据中心的发展进程。特别地，如何提高占据数据中心运行总能耗30％-45％的冷却系统的能效，已经成为当前数据中心热管理领域最迫切的重大问题。

2、目前，传统的风冷散热模式已经难以满足新一代数据中心的多样化发展需求。虽然冷却效率较高的冷板式散热方案有了部分商用案例，但其存在着泄露、污染等可靠性问题。在此背景下，浸没式冷却方案应运而生。需要强调的是，浸没式液冷技术拥有的高效制冷效果不仅可以提升服务器的使用效率和稳定性，同时还使得数据中心可以在单位空间布置更多服务器，提高运算效率，还能够为数据中心节能、降噪。目前，浸没式液冷根据冷却液是否相变可分为单相浸没与两相浸没式液冷。其中，两相浸没式液冷利用了冷却液的相变潜热，其散热能力比单相浸没液冷要高72％-79％。但是，与两相浸没式液冷相比，单相浸没式液冷的冷却液价格相对更低，同时无需担心冷却液蒸发溢出或人员吸入的安全风险。而且，由于单相浸没式液冷的冷却机理简单，其冷却系统的设计难度小，前期投资成本低，且长期适用性和维护便利性好。总而言之，单相浸没式液冷除了散热能力相对较差外，其在安全性与成本两方面远好于两相浸没式液冷，更适合大规模推广和商业化应用。有鉴于此，为了满足数据中心不断发展的高能效、高可靠热管理需求，急需发展提升单相浸没式冷却系统散热能力的相关传热强化技术。

3、纵观现有单相浸没式冷却系统的传热强化方法，最常见的便是在浸没式液冷机柜的底部安装多孔网板进行均流。然而，由于服务器主板上的热源通常是不均匀无规律分布的，入口处的均流作用虽然可以在一定程度上改善机柜的传热均匀性，却无法进一步提升单个服务器主板的冷却性能，还会增大冷却液的流动阻力损失。为了提高局部热点的冷却效果，部分现有方案采用在底部设置射流孔的方案，通过射流强化传热以及对流扰动。然而，这种设计仅能够提升入口处的对流传热，对下游器件的影响较小。除此之外，由于浸没式冷却液的特殊性，其导热系数往往比冷却水低一个数量级，传统换热器的低下换热效率必然导致泵功耗增加，无疑会增加单相浸没式液冷系统的pue(电源使用效率)。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，通过径向-轴向耦合射流、均流板以及导流板结构拓扑优化，解决了数据中心传统单相浸没式液冷系统中热点与冷却液匹配性不佳以及整体传热均匀性差的问题。

2、一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：包括浸没式液冷机柜、冷却液分配单元和冷却塔，所述浸没式液冷机柜包括机柜本体、均流板、导流板，所述机柜本体的下端设置有冷却液入口，上端设置有冷却液出口，所述均流板水平设置在所述机柜本体内冷却液入口的上方，均流板上均匀分布有若干导流孔，机柜本体内部每个导流孔的上方安装有服务器刀片，所述导流板平行设置在所述服务器刀片之间，导流板上靠近服务器刀片一侧设置有导流沟槽，所述冷却液分配单元与所述冷却液入口、冷却液出口相连形成内循环回路、所述冷却液分配单元与所述冷却塔相连接形成外循环回路，浸没式冷却液和冷却水分别在所述内循环回路和外循环回路中循环并进行热交换。

3、进一步的，所述导流沟槽的形状布局为类叶脉拓扑结构，并与所述服务器刀片上的热点位置相对应。

4、进一步的，所述均流板为多孔结构的网板，所述导流孔的形状包括矩形、圆形、蜂窝形，导流孔的水力直径小于所述冷却液入口处等效水力直径的八分之一。

5、进一步的，所述浸没式液冷机柜还包括射流管，所述射流管的两端设置有轴向射流孔，管身上设置有若干径向射流孔，射流管竖直对称布置在所述导流板的两侧，其下端的轴向射流孔与所述均流板相连接。

6、进一步的，所述径向射流孔孔径沿着浸没式冷却液流动的方向逐渐增大。

7、进一步的，所述冷却液分配单元包括循环泵、流量计、仿生换热器，所述仿生换热器上设置有仿生换热器冷却液入口、仿生换热器冷却液出口、仿生换热器冷却水入口、仿生换热器冷却水出口，所述冷却液出口、仿生换热器冷却液入口、仿生换热器冷却液出口、循环泵、流量计、冷却液入口依次相连形成内循环回路，所述冷却塔和仿生换热器冷却水入口、仿生换热器冷却水出口相连形成外循环回路。

8、进一步的，所述仿生换热器内设置有波纹板片和仿生板片，所述仿生换热器冷却液入口和仿生换热器冷却液出口连通所述仿生板片，形成浸没式冷却液换热侧，所述仿生换热器冷却水入口和仿生换热器冷却水出口连通所述波纹板片，形成冷却水换热侧，仿生板片表面上沿浸没式冷却液流动方向线性叉排设置有若干仿生凸起，所述仿生凸起为仿鲨鱼皮表面凸起的导流鳍结构。

9、进一步的，所述波纹板片表面上沿冷却水流动方向v型线性设置有若干梯形凸起。

10、进一步的，所述仿生板片和波纹板片的表面经过微纳化处理。

11、进一步的，所述浸没式冷却液包括氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物、矿物油。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明提出的一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，通过径向-轴向耦合射流、换热器仿生优化和导流板结构拓扑优化，不仅解决了数据中心传统单相浸没式液冷系统中热点与冷却液匹配性不佳以及整体传热均匀性差的问题，还改善了传统板式换热器内浸没式冷却液侧由于导热能力差而导致的换热效率低下现状，实现了对传统单相浸没式液冷系统的全流域传热优化，使单相浸没式液冷系统的换热能力得到大幅强化，可以更好地应对目前数据中心高热流密度散热的需求，并将浸没式液冷机柜与冷却液分配单元进行一体集成化装配以节约空间，为数据中心的电子器件热管理提供了一种高效而安全可靠的技术方案。2、导流沟槽的空间布局是根据所述服务器刀片上的热点分布进行拓扑优化而得，在减小流动阻力的同时实现了热量和冷却液的按需分配。3、浸没式液冷机柜中浸没式冷却液采用上行流流动模式，自下而上流经所述的服务器刀片阵列，形成强迫对流和自然对流协同作用的混合对流强化换热机制。4、仿生凸起采用仿鲨鱼皮表面凸起导流鳍结构，同时对换热板片表面进行微纳化处理，在强化换热能力的同时减小浸没式冷却液的流动阻力。

技术特征：

1.一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：包括浸没式液冷机柜(2)、冷却液分配单元(3)和冷却塔(4)，所述浸没式液冷机柜(2)包括机柜本体(20)、均流板(8)、导流板(11)，所述机柜本体(20)的下端设置有冷却液入口(6)，上端设置有冷却液出口(9)，所述均流板(8)水平设置在所述机柜本体(20)内冷却液入口(6)的上方，均流板(8)上均匀分布有若干导流孔(21)，机柜本体(20)内部每个导流孔(21)的上方安装有服务器刀片(7)，所述导流板(11)平行设置在所述服务器刀片(7)之间，导流板(11)上靠近服务器刀片(7)一侧设置有导流沟槽(12)，所述冷却液分配单元(3)与所述冷却液入口(6)、冷却液出口(9)相连形成内循环回路，所述冷却液分配单元(3)与所述冷却塔(4)相连接形成外循环回路，浸没式冷却液和冷却水分别在所述内循环回路和外循环回路中循环并进行热交换。

2.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述导流沟槽(12)的形状布局为类叶脉拓扑结构，并与所述服务器刀片(7)上的热点位置相对应。

3.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述均流板(8)为多孔结构的网板，所述导流孔(21)的形状包括矩形、圆形、蜂窝形，导流孔(21)的水力直径小于所述冷却液入口(6)处等效水力直径的八分之一。

4.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述浸没式液冷机柜(2)还包括射流管(10)，所述射流管(10)的两端设置有轴向射流孔(14)，管身上设置有若干径向射流孔(13)，射流管(10)竖直对称布置在所述导流板(11)的两侧，其下端的轴向射流孔(14)与所述均流板(8)相连接。

5.根据权利要求4所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述径向射流孔(13)孔径沿着浸没式冷却液流动的方向逐渐增大。

6.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述冷却液分配单元包括循环泵(15)、流量计(16)、仿生换热器(17)，所述仿生换热器(17)上设置有仿生换热器冷却液入口(23)、仿生换热器冷却液出口(24)、仿生换热器冷却水入口(25)、仿生换热器冷却水出口(26)，所述冷却液出口(9)、仿生换热器冷却液入口(23)、仿生换热器冷却液出口(24)、循环泵(15)、流量计(16)、冷却液入口(6)依次相连形成内循环回路，所述冷却塔(4)和仿生换热器冷却水入口(25)、仿生换热器冷却水出口(26)相连形成外循环回路。

7.根据权利要求6所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述仿生换热器(17)内设置有波纹板片(18)和仿生板片(22)，所述仿生换热器冷却液入口(23)和仿生换热器冷却液出口(24)连通所述仿生板片(22)，形成浸没式冷却液换热侧，所述仿生换热器冷却水入口(25)和仿生换热器冷却水出口(26)连通所述波纹板片(18)，形成冷却水换热侧，仿生板片(22)表面上沿浸没式冷却液流动方向线性叉排设置有若干仿生凸起(19)，所述仿生凸起(19)为仿鲨鱼皮表面凸起的导流鳍结构。

8.根据权利要求7所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述波纹板片(18)表面上沿冷却水流动方向v型线性设置有若干梯形凸起。

9.根据权利要求8所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述仿生板片(22)和波纹板片(18)的表面经过微纳化处理。

10.根据权利要求1所述一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，其特征在于：所述浸没式冷却液包括氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物、矿物油。

技术总结
一种全流域传热强化型单相浸没式液冷系统，包括浸没式液冷机柜、冷却液分配单元和冷却塔，所述浸没式液冷机柜包括机柜本体、均流板、导流板，所述机柜本体设置有冷却液入口、冷却液出口，所述均流板水平设置在所述机柜本体内，均流板上均匀分布有若干导流孔，机柜本体内部每个导流孔的上方安装有服务器刀片，所述导流板平行设置在所述服务器刀片之间，导流板上靠近服务器刀片一侧设置有导流沟槽，所述冷却液分配单元与所述冷却液入口、冷却液出口相连形成内循环回路、所述冷却液分配单元与所述冷却塔相连接形成外循环回路。本发明解决了数据中心传统单相浸没式液冷系统中热点与冷却液匹配性不佳以及整体传热均匀性差的问题。

技术研发人员：黄永平,张圣童,陈永平,张程宾,邓梓龙,李文明,吴苏晨
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12