[發明專利]一種兩相流主被動式多層級數據中心機柜散熱裝置及方法

有效

• 申請號: 202110095495.0
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112839490B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 劉旭;杜俊明;姜海濤;張程賓;殷東平
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發明提供了一種兩相流主被動式多層級數據中心機柜散熱裝置及方法，系統級結構包括機柜散熱裝置，冷凝水系統，余熱回收裝置，儲液器，液體泵，氣體室以及流體工質和相應管道。以上結構構成一個閉合環路，環路充入氮氣保持低壓狀態，由液體泵驅動管道流體流動；氣體室維持兩相流環路中氣壓相對穩定；儲液器連通氣體室，提供了使得相變更容易發生的足夠氣體空間；機柜散熱裝置可切換主被動模式，以求在良好散熱能力下達到PUE最小化；冷凝水系統獨立于環路外，為機架級熱虹吸管冷凝端提供冷源；余熱回收裝置回收余熱，并使熱虹吸管入口工質溫度保持穩定。本發明高集成度，自動控制，多級結構散熱，能效比優良。

技術領域

本發明涉及一種散熱裝置及方法，特別涉及一種兩相流主被動式多層級數據中心機柜散熱裝置及方法，屬于機房散熱技術領域。

背景技術

隨著云計算業務的高速發展，數據中心的規模逐漸增大，數據中心機柜中的刀片服務器發熱量越來越大，加之電子設備尤其是CPU集成集體管數量激增，為了保證電子設備正常運行，這些熱量需要高效的被輸送出去，因此，數據中心機柜的散熱系統有著更新換代以匹配更高散熱要求的必要；此外，數據中心機柜服務器的高散熱需求也會增大PUE(PowerUsage Effectiveness，電能利用效率)值，PUE值是指數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源之比，已經成為國際上比較通行的數據中心電力使用效率的衡量指標，出于節能考慮，數據中心機柜的散熱系統需要在滿足散熱需求的前提下盡可能減少能源消耗。

目前，數據中心散熱主要有風冷、單相液冷以及兩種方式結合三種方案，而部分方案中含有熱管的使用。風冷散熱主要針對的是數據中心機房的散熱，雖然方案較成熟，耗能較小，但是風冷散熱難以滿足機柜內部的散熱需求；風冷與單相液冷結合的散熱方法使用也較為廣泛，兼顧了機房散熱與機柜散熱，但是兩種散熱系統須分別供能，能耗較高；單相液冷方案應用較少，且由于少了機房級風冷散熱，散熱效果不如風冷與單相液冷結合的方案。也有不少方案應用了現有的熱管技術，運用到了氣液兩相流，但是熱管僅作為一個散熱組件出現，氣液兩相流并不是數據中心系統的主要散熱手段。

根據目前數據中心機柜散熱方案，可以發現具體存在以下幾個問題，首先，對于機柜散熱，沒有一個既高效又足夠節能的散熱方案，兩相流散熱可以解決這個問題但是目前沒有一個成形的方案以支持數據中心的兩相流散熱；其次，目前的數據中心散熱方案層次不夠分明，沒有一個集芯片級散熱，組件級散熱和系統級散熱于一體的高效易集成的散熱方案，對于芯片級散熱，現有方案涉及較少，且都不夠具體可行，與組件級散熱和系統級散熱不相兼容；其三，目前的散熱方案有較多涉及到散熱模式的轉換，以實現根據散熱需求而改變散熱模式進而實現減小能耗的目標，但風冷和單相液冷的散熱模式轉換難以提供高散熱性能與節約能耗兼具的方案。

授權公告號為CN 111479441 B的專利提供了一個泵驅兩相流循環的數據中心散熱系統，其中涉及到了兩相散熱和散熱模式的轉換，還涉及到通過風冷與外界環境的換熱，具有高效的散熱性能；不過，該專利涉及到氣液分離器和噴淋裝置，結構復雜，散熱方式眾多但同時也意味著耗能的增加，同時，該專利應用到兩相散熱，但沒有對該專利所述熱收集模塊應用模式轉化，直接熱源處沒有散熱手段的改進，具體的模式轉換效果可能不明顯。

結合以上情況，現在的數據中心機柜亟需一個兼具高散熱性能與節約能耗的散熱系統，而其中兩相流散熱是一個值得考慮的優良選擇；同時考慮到數據中心載荷變化幅度大，需要一個可根據散熱需求而改變散熱模式的散熱系統，以實現能耗的最小化，當然，此系統也需要高度的自動控制以降低應用的難度。

發明內容

技術問題：針對數據中心機柜散熱難以集成，能效低，自動化程度低的問題，本發明提出了一種兩相流主被動式數據中心機柜散熱裝置及方法，根據數據中心機柜不同工作狀態調整散熱模式，從而達到低耗能的自動控制散熱。