基于相变胶囊乳液的计算设备双模块冷却散热系统及方法

本发明属于冷却散热设备领域，具体涉及一种基于相变胶囊乳液的计算设备双模块冷却散热系统及方法。

背景技术：

1、目前，大型服务器等计算设备在多种学科和领域应用的越来越多，如航天器运行路径模拟，计算流体力学，药物筛选，气象预报，军事行动等。由于应用的领域和行业对大型计算设备的计算能力和计算速度要求极高，设备也在逐渐朝高集成化和模块化发展。特别是，大型计算设备在前沿科学和战略性新兴产业方面所起的作用越来越大，服务器等大型计算设备正快速向集成化、大型化方向发展。大型计算设备集成化程度高、运行负荷大，使用过程中不可避免的会产生大量的热量导致自身和机房空间等的温度快速升高。若不能及时对此类大型计算设备进行降温冷却并将产生的热量进行有效转移和散失，将会大大削弱计算设备的工作性能和使用寿命，更有甚者温度过高会导致设备烧毁和引起火灾。由于大型计算设备无论在高校科研还是在国家工业生产中发挥的作用越来越大，大型计算设备的冷却散热技术受到的关注也越来越多，与其配套的冷却散热系统的效果将极大影响设备的使用性能和使用寿命。因此，对大型服务器等计算设备进行温度控制和冷却散热的技术研究具有深刻的理论和现实意义。目前，常用的针对大型计算设备的温度控制和冷却散热技术主要包括间接式冷却散热技术和直接式冷却散热技术，两种冷却散热技术使用的工质不同，系统应用场合也各不相同，实际的冷却散热效果也会有差异。

2、间接式冷却散热技术顾名思义是指系统并不直接与设备接触或工质并不直接对计算设备进行冷却散热，而是通过将机柜和服务器所处的室内环境进行温度控制和冷却散热，降低室内温度，从而间接达到对设备冷却散热目的。间接式冷却散热系统通常是让处理后的温度较低的空气流动进入设备所在的机房，降低机房内的整体环境温度，强化计算设备与室内冷空气的换热从而实现对机柜和设备的间接冷却散热。间接式冷却散热方式虽然仅仅依靠室内空调系统即可达到对房间内设备冷却散热的目的，但是间接式冷却散热方式仅对封闭空间内服务器数量较少或者服务器工作负荷较低时才有效果。另外，间接式冷却散热温度分布不均匀，不进行人为干预的话会在房间内形成稳定的高温区域，若设备附近冷空气流量较小，冷却降温效果会迅速恶化。因此，间接式冷却散热系统仅适用于对冷却散热的热量大小要求不太大、设备不太集中的机房环境。另外，间接式冷却散热任由冷空气进入机房自由流动，换热效果不均匀，冷却方式单一容易产生高能耗，这些问题导致间接式冷却散热技术在实际使用过程中效果并不好，间接式冷却散热技术难以满足现实需求。

3、直接式冷却散热系统和技术能够直接对高温的机房、机柜内部或者大型计算设备自身进行定向冷却降温处理，因此冷却散热效果较好，潜在的应用范围也更广泛。直接式冷却散热系统能将低温的工质直接输送到封闭机房内环境、机柜内部、计算设备表面甚至是内部(如氟化液能够直接与服务器接触)，这种直接定向冷却散热的技术和方法能够直接作用于高温对象，最大限度地将热量从高温对象内部或表面带离，保证计算设备位于安全温度范围内从而保证设备的工作性能，延长其使用寿命。

4、现有的针对高温机房和大型计算设备的直接式冷却散热技术主要包括空气式直接冷却散热技术和液体式直接冷却散热技术两种。一般情况下，空气式直接冷却散热采用送风口将温度较低的空气输送到机柜内部或计算设备表面，低温空气直接与高温对象进行热交换，将热量及时带离高温设备附近，从而起到降温效果，达到冷却散热的目的。空气式直接冷却散热系统虽然是将计算设备产生的热量带离计算设备表面或附近，但是热量仍然滞留在室内，不借助于室内空调系统将导致室内整体环境温度升高，从而反向影响空气式直接冷却散热系统的冷却降温效果。被低温空气带离计算设备等高温表面或机柜内高温环境的热量还需要借助于室内的空调系统进一步处理，借助全屋空调系统配备的室外冷却设备，如冷水浴或冷却塔等，使得热量转移散失到室外环境中。因此，空气式直接冷却散热系统常常需要与间接式冷却散热系统相结合，两套系统协同工作，实现对服务器冷却散热的效果。

5、但是，当计算设备的集成程度较高或者运行负荷较大时，无论是空气式直接冷却散热系统还是间接式冷却散热系统均受制于空气自身热容较小，导热性差等缺点难以满足特定的冷却散热要求。特别是对计算设备所处的环境温度指标要求较高时，由于空气式直接冷却散热系统和技术的故障风险较大，其应用必然受到限制。

6、大型服务器等计算设备冷却散热技术中的液冷式直接冷却散热技术一般包括制冷剂式直接冷却散热技术和氟化液液冷式直接冷却散热技术。制冷剂式直接冷却散热技术是指将制冷剂(包含水)作为工质，通过构建大型的制冷循环系统，使制冷剂在循环流动过程中将计算设备的表面或内部和机柜内部的热量带离，并输送到室外环境散失掉。但是，由于大型服务器等计算设备的精密性和连续使用的要求较高，制冷剂泄露的问题必须被着重考虑防止制冷剂泄露对计算设备自身性能和组件造成的影响和损害。另外，制冷剂式直接冷却散热技术将制冷剂密封在输送管路中，不仅不能让制冷剂直接与计算设备直接接触，还必须严格控制密封性，这增加了制冷剂与高温对象之间的热交换阻力。综上，由于管内制冷剂泄露的风险较高，制冷剂又常常具有毒性，制冷剂式直接冷却散热技术被应用的领域还不多，使用范围还不普及。

7、以氟化液为工质的直接冷却散热系统由于冷却散热效果较好，也逐渐被应用于大型计算设备的冷却散热领域。但是，氟化液液冷式直接冷却散热技术目前还不成熟，氟化液的成本较高，极大的限制了它的应用，以氟化液为工质的直接冷却散热系统及技术的应用目前尚在探索。

8、综上，从冷却散热效果的角度来说，液冷式直接冷却散热系统对计算设备的冷却散热性能要强于空气式直接冷却散热系统和空气式间接冷却散热系统。然而，现有的针对大型服务器等计算设备的液冷式和空气式冷却两类冷却散热技术冷却散热过程中工质自身的温度波动较大，难以同时克服冷却散热效果差、系统不稳定、安全性不足和冷却散热温度范围窄的问题。另外，部分冷却散热工质在吸热后还存在着气化现象，气化后的工质将导致管道和机柜内的压力显著升高，导致机柜和计算设备自身的安全风险增加。目前，虽然液体冷却和气体工质的冷却散热系统都已有应用，但是仍然缺少一种以相变胶囊乳液为工质且腐蚀性较低的直接冷却散热系统，经过防腐蚀处理后的相变胶囊乳液可直接与发热设备接触换热。

9、因此，针对目前服务器等大型计算设备冷却散热缺少一种以防腐蚀型相变胶囊乳液为工质的、能杜绝工质气化并能控制机柜内压力稳定、工质温度保持稳定时实现控温的冷却散热系统，需要设计发明一种以防腐蚀型相变胶囊乳液为工质的针对服务器等大型计算设备的冷却散热技术和系统，该系统需要同时解决以上提到的多个关键问题。系统整体具有较高的稳定性并能够解决工质的气化问题和实现有效散热、控制机柜内压力稳定，还能在工作过程中保持工质自身的温度基本保持不变。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，针对现有的对服务器等计算设备进行冷却散热的技术和系统存在的问题和不足，并提供一种基于相变胶囊乳液的计算设备双模块冷却散热系统及方法。具体来说是以防腐蚀型相变胶囊乳液为工质对服务器等大型计算设备进行冷却散热，依靠相变胶囊乳液相变潜热大、流动性好和吸热过程中温度保持不变的特点，对计算设备自身或机柜内环境进行冷却降温。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种基于相变胶囊乳液的计算设备双模块冷却散热系统，包括第一级冷却散热模块和第二级冷却散热模块；

4、所述第一级冷却散热模块包括计算元件、设备壳、机柜和内部盛有相变胶囊乳液的液泡；所述机柜内设有若干设备壳，每个设备壳内间隔设有若干计算元件，计算元件之间设有用于换热的若干液泡；

5、所述第二级冷却散热模块包括冷却塔和搅拌槽；每个所述液泡分别通过引流管与设有调压阀的热流管连通，热流管与冷却塔连通，冷却塔通过冷流管与搅拌槽连通，搅拌槽通过设有乳液泵的回流管与分流器连通，分流器后方通过设有截止阀的分流管与若干导流管连通，导流管与液泡连通。

6、作为优选，所述液泡为格栅型液泡，具体是在同一设备壳内的若干计算元件之间，以横向或纵向或竖向的方式设置。

7、作为优选，所述液泡为网型液泡，具体是在同一设备壳内的若干计算元件之间，以网状形式环绕于每个计算元件周向设置。

8、作为优选，所述热流管上设有第一单向阀。

9、作为优选，所述冷却塔中设有用于加快散热效率的风扇，风扇外配有电机。

10、作为优选，所述冷流管上设有第二单向阀。

11、作为优选，所述搅拌槽内设有搅拌器，搅拌槽底部还开设有待开关的取样口。

12、作为优选，所述导流管位于机柜内部。

13、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述基于相变胶囊乳液的计算设备双模块冷却散热系统的操作方法，具体如下：

14、根据计算元件发热量确定液泡的布设方式；当计算元件发热量较大时，采用网型液泡；当计算元件发热量较小时，采用格栅型液泡；

15、在计算元件工作过程中，产生的热量在导致自身温度快速升高的同时也会引起设备壳内的温度快速升高；此时，分布在计算元件周围的液泡与计算元件进行换热后将热量转移到相变胶囊乳液内部，并由引流管引流出设备壳；高温的相变胶囊乳液经热流管进入冷却塔进行冷却散热，将热量散失到大气环境中，使相变胶囊乳液温度降低至环境温度；常温的相变胶囊乳液沿着冷流管流出并进入搅拌槽，进行搅拌分散，防止相变胶囊乳液团聚结块失稳；由搅拌槽流出的常温相变胶囊乳液依次沿着回流管、分流管和导流管回流至液泡中。

16、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

17、1)以防腐蚀处理后的相变胶囊乳液为工质，胶囊内部包封着相变材料，工质自身具有对设备腐蚀性小、换热效果好和储热能力强的优点，既可以实现对服务器快速有效冷却降温，又能延长系统的使用寿命、提高系统的安全可靠性。相变胶囊乳液利用材料相态转变的过程中温度不变的特点，在与计算设备进行换热的过程中保持自身温度不变，从而强化工质与计算设备之间的换热速率和保证计算设备周围环境温度不致长期过高。在冷却散热系统的管道上设置有调压阀，调压阀位于靠近机柜的位置，能够及时调节机柜内压力和管道内压力，保证压力不高于安全阈值，压力的安全阈值根据实际使用过程中的要求确定。

18、其中，“材料相态转变的过程中温度不变”具体是指固态的材料在融化为液态时，加热温度需要首先达到材料的融化温度，在此过程中固态材料温度持续升高；随后材料持续吸热而融化，但其温度却不变；最后材料完全转变为液态后，继续加热又会引起材料温度升高，类似的材料如冰、石蜡等。

19、2)携带热量的工质通过冷却塔将热量快速转移散失到周围大气环境中，然后流入搅拌槽，搅拌槽能够将散热后的乳液重新搅拌均匀，防止乳液失稳而不能使用。搅拌槽内的乳液工质在液泵的作用下经过分流器分流沿不同管道均匀进入设备壳内的液泡，对计算设备进行持续冷却降温。搅拌槽底部设置有取样口，取样口上有开关控制取样口开闭，从取样口取出的乳液样品经过辅助仪器测试，可以获得乳液的导热系数、储热密度和分散稳定性等参数，根据测试获得的多种参数可以判断相变胶囊乳液的工作状态。

20、3)完整冷却散热系统的第一级冷却散热模块与第二级冷却散热模块协同工作，共同实现将高温计算设备的热量转移到乳液工质，再快速散失到环境中。在第一级冷却散热模块的换热过程中乳液温度基本保持不变。携带热量的相变胶囊乳液在第二级冷却散热模块中能够以基本恒定的温度将热量快速散失到环境中，工质经过回收再次进入系统进行循环。另外，根据不同计算设备产生热量导致温度升高的范围，可以选择不同的相变材料制备成面向特定场合的乳液工质。