一种用于数据中心服务器散热的浸没射流冷却装置及方法

1.本发明涉及数据中心液冷技术领域，具体涉及一种用于数据中心服务器散热的浸没射流冷却装置。


背景技术：

2.随着数据中心数量和规模的不断增长，数据中心制冷面临着严峻的挑战，如何解决数据中心服务器的高效散热是目前亟需解决的问题。风冷技术的散热能力较低，不能满足未来高热流密度服务器散热的需求，而液冷具有流动性强、换热系数高等优势是目前数据中心服务器散热技术的研究热点。
3.浸没式冷却是将服务器的硬件完全浸入冷却液中，依靠流动的冷却液吸收服务器发热量的一种技术。在单相浸没式系统中，冷却液在换热过程中始终保持液态，通过系统循环实现设备散热，安全可靠。已有部分专利提出了浸没式冷却技术的应用方法。专利cn108966611a提出一种液体浸没冷却式交换机及交换机组，通过将交换机内部的发热器件浸泡于绝缘冷却液内，从而实现对交换机内部发热器件的冷却。但在具体运行过程中，该机组无法有效解决机组局部高热流密度区域的快速散热问题。
4.射流冷却将冷却液直接喷射到换热表面进行热交换，同时通过射流本身带来的局部对流换热增强冷却换热能力，能够有效解决局部热量集中区域的散热问题。已有部分专利提出了浸没式冷却技术和射流冷却技术相结合的应用方法。专利cn112099593a提出一种新型液冷散热系统，通过射流机构对导热液朝腔体的导热液进行喷射，提高了腔体的导热液的流动效果，增强了液冷散热系统对电子元器件的换热效果。但在运行过程中，冷却液无法充满整个空间，腔体内的空气会造成冷却液的热损失。并且在该方案中，射流冲击只是应用于小型电子器件上，无法大规模应用在数据中心服务器上，需要探索浸没射流冷却技术在数据中心的应用方式。
5.本发明提供了一种用于数据中心服务器散热的浸没射流冷却装置及方法。采用浸没式冷却技术和射流冷却技术相结合的方式，将服务器全部浸泡在冷却液中，依靠流动的冷却液吸收服务器的发热量。同时，完全浸没在冷却液中的射流腔向服务器表面喷射冷却液，可以充分利用液冷柜内冷却液，有效解决服务器局部高热流密度区域快速散热的问题，以及空气射流冷却会和空气换热产生热量浪费的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：为了解决背景技术中存在的缺陷，现提供一种用于数据中心服务器散热的浸没射流冷却装置。
7.本发明采用的技术方案是：
8.一种用于数据中心服务器散热的浸没射流冷却装置，由液冷柜本体、冷却散热装置和服务器三部分组成。
9.所述液冷柜本体包括液冷柜外壁和液冷柜内壁，所述液冷柜本体内浸没冷却液；
所述液冷柜外壁上设有进液口和出液口，所述进液口和出液口位于液冷柜外壁同侧，出液口的位置高于进液口的位置；所述液冷柜内壁位于进液口的上方，所述液冷柜内壁的左端端部与液冷柜外壁的左侧壁面之间留有间隙；
10.所述冷却散热装置包括冷却液管段组件和射流腔；
11.所述冷却液水平干管与液冷柜的进液口连接，冷却液水平干管穿过液冷柜外壁后，通过三通接头分为射流水平管和浸没水平管两根支管；所述射流水平管通过射流立管与射流腔连通，所述浸没水平管与液冷柜本体连通；
12.所述射流腔底部放置在液冷柜内壁上，所述射流腔最顶端的高度低于出液口最底端的高度，所述射流腔平行于液冷柜外壁的左右两侧壁；所述第一射流腔、第二射流腔、第三射流腔、第四射流腔和第五射流腔的底部分别对应与第一射流立管、第二射流立管、第三射流立管、第四射流立管和第五射流立管连通，所述射流立管穿过液冷柜内壁与射流水平管连接；
13.所述服务器的底部放置在液冷柜内壁上，所述服务器完全浸没于冷却液中，所述第一服务器、第二服务器、第三服务器和第四服务器等间距布置。
14.进一步地，所述射流腔包括射流孔板、整流网和缓冲腔；所述整流网为与缓冲腔尺寸相等的不锈钢编织丝网；所述第一射流腔和第五射流腔的缓冲腔、整流网和射流孔板朝液冷柜本体内部单面布置，所述第二射流腔、第三射流腔和第四射流腔的射流孔板和整流网在缓冲腔两侧对称布置。
15.进一步地，所述服务器的高度与射流腔的高度相一致；所述射流腔和服务器的相对位置，从进液口的近端到远端依次为：第一射流腔、第一服务器、第二射流腔、第二服务器、第三射流腔、第三服务器、第四射流腔、第四服务器和第五射流腔，射流腔和服务器两两等距布置。
16.进一步地，所述射流冲击孔在射流孔板上采用叉排阵列式排布，所述射流孔板上的所有射流冲击孔喷射出的冷却液可以覆盖对应服务器表面。
17.进一步地，所述潜水泵固定在液冷柜内壁上，所述潜水泵底部与回流立管连接，所述回流立管穿过液冷柜内壁与水平干管连接；所述第一立管流量调节阀、第二立管流量调节阀、第三立管流量调节阀、第四立管流量调节阀和第五立管流量调节阀分别对应设置在第一射流立管、第二射流立管、第三射流立管、第四射流立管和第五射流立管的末端；所述水平管流量调节阀设置于射流水平管的起始端；所述潜水泵、流量调节阀的电源线均从液冷柜外壁的密封孔穿出。
18.进一步地，所述室内侧换热装置包括液泵、板式换热器和储液罐，所述出液口通过管道和储液罐连通，所述储液罐通过管道和板式换热器的热端进口连通，所述板式换热器的热端出口通过管道和液泵连通，所述液泵通过管道和进液口连通；所述室外侧换热装置包括液冷室外机、循环泵和板式换热器，所述液冷室外机通过管道和循环泵连通，所述循环泵通过管道和板式换热器的冷端进口连通，所述板式换热器的冷端出口通过管道和液冷室外机连通。
19.一种用于数据中心服务器散热的浸没射流冷却装置的运行方法，包括：
20.冷却液从水平干管通过进液口，在三通接头处分别进入射流水平管和浸没水平管；一部分冷却液通过浸没水平管进入液冷柜本体完全浸没服务器，吸收服务器的发热量；
同时，另一部分冷却液依次通过射流水平管、水平管流量调节阀、射流立管、立管流量调节阀进入射流腔；
21.在射流腔内，冷却液首先进入缓冲腔，消除进入射流腔前的初速度，然后冷却液流经整流网进行匀流，处理后的冷却液从射流孔板上的所有射流冲击孔高速喷射出，直接撞击到对应服务器表面，实现散热；
22.喷射出的冷却液与浸没的冷却液混合后，一部分从出液口离开进入室内侧换热循环，另一部分通过潜水泵从回流立管进入水平干管，驱动冷却液在液冷柜本体内部循环运动；
23.从出液口流出的冷却液分别通过储液罐、板式换热器、液泵和进液口，回到液冷柜本体内部，构成室内侧换热循环；冷源分别通过板式换热器、液冷室外机和循环泵，构成室外侧换热循环，用于冷却流经板式换热器的冷却液。
24.进一步地，通过调节第一立管流量调节阀、第二立管流量调节阀、第三立管流量调节阀、第四立管流量调节阀和第五立管流量调节阀，一一对应分别控制进入第一射流腔、第二射流腔、第三射流腔、第四射流腔和第五射流腔的冷却液流量；通过调节水平管流量调节阀可以控制进入射流水平管的冷却液流量。
25.本发明的有益效果是：
26.本发明采用浸没式冷却和射流冷却相结合的方式，解决了浸没式冷却无法有效解决机组局部高热流密度区域快速散热的问题，以及空气射流冷却会和空气换热产生热量浪费的问题。将服务器直接浸泡在冷却液中，依靠流动的冷却液吸收服务器的发热量。同时，完全浸没在冷却液中的射流腔向服务器表面喷射冷却液，在撞击点周围实现极强的换热效果。喷射出的冷却液与液冷柜内的冷却液充分混合，可以充分加速冷却液的扰动，让远离服务器的冷却液也可以参与换热，进而有利于冷却液之间的热量传递，提升冷却液携带热量的能力。
27.本发明采用的射流腔由缓冲腔、整流网和射流孔板叠加而成。缓冲腔的设置可以消除冷却液在进入射流腔前的初速度，尽可能削弱由于流动阻力所导致的各射流孔间流量分布不均的现象。然后，冷却液流经整流网可以调整流入工质的流动方向，使得各射流孔流量基本实现均匀分配，以形成良好的射流单元结构。射流孔板上的射流冲击孔采用阵列排布，在服务器表面形成多个高对流换热区域，冷却效果更好。
28.本发明采用流量调节阀可以有效降低系统整体能耗。设置于每根射流立管末端的流量调节阀可以根据对应服务器表面的温度的不同，调节进入射流腔的流量。设置于射流水平管起始端的流量调节阀可以在冬季工况时关闭，使整个装置仅采用浸没式冷却方式。。
附图说明
29.图1为本发明的主视图；
30.其中：1、液冷柜本体；1-1、液冷柜外壁；1-2、液冷柜内壁；1-3、进液口；1-4、出液口；2-a、第一射流腔；2-b、第二射流腔；2-c、第三射流腔；2-d、第四射流腔；2-e、第五射流腔；3-a、第一服务器；3-b、第二服务器；3-c、第三服务器；3-d、第四服务器；4-1-a、第一立管流量调节阀；4-1-b、第二立管流量调节阀；4-1-c、第三立管流量调节阀；4-1-d、第四立管流量调节阀；4-1-e、第五立管流量调节阀；4-2、水平管流量调节阀；5-1、射流水平管；5-2-a、
第一射流立管；5-2-b、第二射流立管；5-2-c、第三射流立管；5-2-d、第四射流立管；5-2-e、第五射流立管；5-3、三通接头；5-4、水平干管；5-5、回流立管；6、潜水泵；7、液泵；8、储液罐；9、换式换热器；10、循环泵；11、液冷室外机。
31.图2为本发明的底部仰视图；
32.其中：1-1、液冷柜外壁；1-2、液冷柜内壁；1-3、进液口；4-2、水平管流量调节阀；5-1、射流水平管；5-2-a、第一射流立管；5-2-b、第二射流立管；5-2-c、第三射流立管；5-2-d、第四射流立管；5-2-e、第五射流立管；5-3、三通接头；5-4、水平干管；5-5、回流立管；5-6、浸没水平管。
33.图3为本发明的射流腔2结构示意图；
34.其中：2-1、射流孔板；2-2、整流网；2-3、缓冲腔；3、服务器；5-2、射流立管。
35.图4为本发明的射流孔板2-1平面示意图；
36.其中：2-1-1、射流冲击孔。
37.图5为本发明的内部局部立体图；
38.其中：2-1、射流孔板；2-2、整流网；2-3、缓冲腔；3、服务器；5-2、射流立管。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述.
40.以冬季工况工作过程为实施例一：
41.如图1及图2所示，一种用于数据中心服务器散热的浸没射流冷却装置由液冷柜本体1、冷却散热装置和服务器3三部分组成。
42.液冷柜本体1包括液冷柜外壁1-1和液冷柜内壁1-2，液冷柜外壁1-1上从下往上依次设有进液口1-3和出液口1-4。冷却散热装置为冷却液管段组件5，冷却液水平干管5-4与液冷柜的进液口1-3连接，冷却液水平干管5-4穿过液冷柜外壁1-1后，通过三通接头5-3分为射流水平管5-1和浸没水平管5-6两根支管。水平管流量调节阀4-2设置于射流水平管5-1的起始端。服务器3底部放置在液冷柜内壁1-2上，服务器3最顶端的高度低于出液口1-4最底端的高度，服务器3平行于液冷柜外壁1-1的左右两侧壁。从进液口1-3的近端到远端依次为第一服务器3-a、第二服务器3-b、第三服务器3-c和第四服务器3-d。
43.冷却液从水平干管5-4通过进液口1-3，在三通接头5-3处分别进入射流水平管5-1和浸没水平管5-6。冷却液通过浸没水平管5-6进入液冷柜本体1完全浸没服务器3，吸收服务器3的发热量。设置于射流水平管5-1起始端的水平管流量调节阀4-2关闭，整个装置仅采用浸没式冷却方式。
44.温度升高后的冷却液从出液口1-4离开，分别通过储液罐8、板式换热器9、液泵7和进液口1-3，回到液冷柜本体1内部，构成室内侧换热循环。冷源分别通过板式换热器7、液冷室外机11和循环泵10，构成室外侧换热循环，用于冷却流经板式换热器7的冷却液。
45.以夏季工况工作过程为实施例二：
46.如图1、图2及图5所示，本实施例与实施例一的结构相同，实施例一中的装置继续工作，所不同的是设置于射流水平管5-1起始端的水平管流量调节阀4-2开启，冷却散热装置增加了射流腔2。
47.射流水平管5-1通过射流立管5-2与射流腔2连通，射流腔2底部放置在液冷柜内壁
1-2上。射流腔2与服务器3的相对位置，从进液口1-3的近端到远端依次为：第一射流腔2-a、第一服务器3-a、第二射流腔2一b、第二服务器3-b、第三射流腔2-c、第三服务器3-c、第四射流腔2-d、第四服务器3-d和第五射流腔2-e，射流腔2和服务器3两两等距布置两两等距布置。
48.第一立管流量调节阀4-1-a、第二立管流量调节阀4-1-b、第三立管流量调节阀4-1-c、第四立管流量调节阀4-1-d和第五立管流量调节阀4-1-e分别对应设置在第一射流立管5-2-a、第二射流立管5-2-b、第三射流立管5-2-c、第四射流立管5-2-d和第五射流立管5-2-e的末端。潜水泵6固定在液冷柜内壁1-2上，底部通过回流立管5-5与水平干管5-4连接。
49.一部分冷却液通过浸没水平管5-6进入液冷柜本体1，完全浸没服务器3和射流腔2；另一部分冷却液依次通过射流水平管5-1、水平管流量调节阀4-2、射流立管5-2、立管流量调节阀4-1进入射流腔2。
50.通过调节第一立管流量调节阀4-1-a、第二立管流量调节阀4-1-b、第三立管流量调节阀4-1-c、第四立管流量调节阀4-1-d和第五立管流量调节阀4-1-e，可以根据对应服务器3不同的表面温度，分别调节进入第一射流腔2-a、第二射流腔2-b、第三射流腔2-c、第四射流腔2-d和第五射流腔2-e的冷却液流量，达到降低系统整体能耗的目的。
51.从射流腔2喷射出的冷却液与浸没的冷却液混合，可以充分加速冷却液的扰动，让远离服务器3的冷却液也可以参与换热。混合后的冷却液一部分从出液口1-4离开进入室内侧换热循环，另一部分通过潜水泵6从回流立管5-5进入水平干管5-4，驱动冷却液在液冷柜本体1内部循环运动，有利于加快冷却液的流动和循环，提高散热效果。
52.本实施例中，射流腔2作为创新点，大大提高了系统的散热和冷却效果，其结构如图3及图4所示，以下结合附图对射流腔2的结构进行详细说明。
53.射流腔2包括射流孔板2-1、整流网2-2和缓冲腔2-3。射流冲击孔2-1-1在射流孔板2-1上采用叉排阵列式排布，射流孔板2-1上的所有射流冲击孔2-1-1喷射出的冷却液可以覆盖对应服务器3表面。
54.在射流腔2内，冷却液首先进入缓冲腔2-3，可以消除冷却液在进入射流腔2前的初速度，尽可能削弱由于流动阻力所导致的各射流冲击孔2-1-1间流量分布不均的现象。然后，冷却液流经整流网2-2可以调整流入工质的流动方向，使得流入射流孔板2-1的流量基本实现均匀分配，以形成良好的射流单元结构。处理后的冷却液从射流孔板2-1上的所有射流冲击孔2-1-1高速喷射出，直接撞击到对应服务器3表面，实现散热。