一种单介质双循环的浸没式相变冷却装置

技术领域

本发明涉及浸没式液冷服务器技术领域，尤其涉及一种单介质双循环的浸没式相变冷却装置。

背景技术

目前所使用的计算机大都依靠冷空气给机器降温，但在数据中心里，仅仅依靠风冷已经不足以满足高热流密度服务器的散热要求。水冷或液冷有两大好处：它能把冷却剂直接导向热源，而不是像风冷那样间接制冷；和风冷相比，每单位体积所传输的热量即散热效率高达3500倍。水冷散热器在08年左右就出现在市场，惠普、IBM等服务器和其他一些专注于数据中心技术的公司都先后推出过水冷散热产品。

蒸发冷却从热学原理上，是利用制冷剂沸腾时的汽化潜热带走热量。由于液体的汽化潜热比比热要大很多，因此蒸发冷却的冷却效果更为显著。而在制冷剂蒸发成制冷剂蒸气后，需要不断地将制冷剂蒸汽冷却为液态，并将冷却后的液态制冷剂送回蒸发腔中。由此造成了结构复杂，并且容易造成能量在服务器中散失，降低了散热效果。

现有技术中，在制冷剂上方加装冷却元件来使上升的制冷剂蒸气冷凝为制冷剂液滴下落至制冷剂槽中，在此情况下可以省略上述导出、冷却、送回制冷剂的装置。但是，由于冷却元件各部分的冷却能力有所不同，以及随着发热元件所发出的热量的增加而造成冷却元件的冷却能力不足以完全冷凝所有上升的制冷剂蒸气，制冷剂蒸气穿过冷却元件向上流动，进而造成能量在服务器中散失。此外，冷却元件的冷却能力不足，导致制冷剂蒸气无法及时冷却，使得制冷剂温度上升，整个制冷剂槽的压力也随之上升，无法完成制冷需要。此外，泄露的制冷剂蒸汽会增加密闭空间内的化学试剂浓度，即使制冷剂对于环境和人体无害，也会令用户产生担忧。

发明内容

本发明提供了一种单介质双循环的浸没式相变冷却装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种单介质双循环的浸没式相变冷却装置，包括机箱本体，所述机箱本体的正面设有安装腔室，所述安装腔室内设有主板，所述主板的接口件贯穿并延伸机箱本体的上侧壁，所述机箱本体的正面固定连接有正面盖板，所述机箱本体的背面固定连接有背面盖板，所述安装腔室内填充有氟化液，所述安装腔室的底侧固定连接有两个液泵，两个所述液泵均通过导液装置连接有汇集通道槽，所述汇集通道槽开设在机箱本体的背侧壁上，所述汇集通道槽的一端开设有第二出液口，所述机箱本体的上侧开设有第一进液口，所述第二出液口通过风冷装置连接有第一进液口，所述机箱本体的背面开设有冷却腔室，所述冷却腔室的侧壁内部开设有液涡轮泵叶片腔室和气涡轮泵叶片腔室，所述液涡轮泵叶片腔室内部转动连接有液涡轮泵叶片，所述气涡轮泵叶片腔室内部转动连接有气涡轮泵叶片，所述气涡轮泵叶片的转轴通过磁力传动联轴器连接有液涡轮泵叶片的转轴，所述安装腔室的侧壁上开设有多个排气孔，每个所述排气孔均与气涡轮泵叶片腔室连通，所述气涡轮泵叶片腔室的上下两侧均开设有竖直通道，每个所述竖直通道的一端均开设有气涡轮腔出口，所述气涡轮腔出口的一端与冷却腔室相连通，所述冷却腔室的侧壁上设有菱形凸块，所述菱形凸块上开设有第一流通槽和第二流通槽，所述菱形凸块侧壁上固定连接有挡板，所述第一进液口底端与第一流通槽的一端相连通，所述第一流通槽的另一端侧壁开设有多个第二进液口，多个所述第二进液口与液涡轮泵叶片腔室相连通，所述第二流通槽的一端与液涡轮泵叶片腔室相连通，所述第二流通槽的另一端通过降温装置连接与安装腔室相连通，所述冷却腔室的侧壁上固定连接有冷凝片，所述冷却腔室内设有冷凝回流装置。

作为本技术方案的进一步改进方案：每个所述导液装置包括导流通槽和特斯拉阀槽，每个所述导流通槽和每个特斯拉阀槽均开设在机箱本体的背面侧壁，所述导流通槽的一端开设有吸液口，所述导流通槽的另一端开设有泵进液口，每个所述吸液口与安装腔室内部相连通，每个所述泵进液口与每个液泵的输入端相连接，每个所述特斯拉阀槽的底端开设有泵出液口，每个所述泵出液口与每个液泵的输出端相连接，两个所述特斯拉阀槽的上端共同与汇集通道槽连通。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述风冷装置包括第一出液口，所述第一出液口开设在机箱本体的上侧，所述第一出液口的底端与第二出液口相连通，所述机箱本体的两侧分别设置有第一风冷散热器和第二风冷散热器，所述第一出液口通过第一软管与第一风冷散热器的输入端相连接，所述第一风冷散热器的输出端通过第二软管与第二风冷散热器的输入端相连接，所述第二风冷散热器的输出端通过第三软管与第一进液口相连接。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述降温装置包括第四出液口和冷流槽，所述第四出液口开设在第二流通槽的一端，所述冷流槽呈连续S形开设在冷却腔室的底侧壁上，所述冷凝片位于冷流槽的一侧，所述冷流槽的上端开设有冷却进液口，所述冷流槽的下端开设有冷却出液口，所述第四出液口与冷流槽上端的冷却进液口相连通，所述冷流槽下端的冷却出液口与安装腔室相连通。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述冷凝回流装置包括连接通槽，所述连接通槽呈U形开设在机箱本体的背面侧壁上，所述连接通槽一端与冷却腔室底部相连通，所述连接通槽的另一端开设有第三出液口，所述第三出液口与安装腔室内部相连通。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述机箱本体的上侧开设有出气通道，所述出气通道的底端与其中一个竖直通道相连通，所述出气通道的上端设有泄压阀。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述机箱本体的上端设有气压传感器，所述气压传感器的探测端贯穿机箱本体的侧壁并延伸进入到安装腔室内部，用于探测安装腔室内部的气压。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述接口件与机箱本体之间的缝隙处填充有环氧树脂。

作为本技术方案的进一步改进方案：机箱本体的上侧两端均固定连接有两个把手。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述机箱本体、背面盖板和正面盖板均采用亚克力板材质。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明只使用单一介质，即只使用相变氟化液进行双循环，可将热量通过风冷消散掉之外，还可对冷凝片进行降温，以便相变蒸汽凝结散热，进而大大提高了对服务器的散热效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的正面斜侧立体结构示意图；

图2为本发明的背面斜侧立体结构示意图；

图3为本发明去除正面盖板后的正面斜侧立体结构示意图；

图4为本发明去除背面盖板后的正面斜侧立体结构示意图；

图5为本发明中冷却腔室内部去冷凝片和挡板后的结构示意图；

图6为本发明中机箱本体侧面剖视结构示意图；

图7为图6中A的局部放大结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、第三软管；2、气压传感器；3、泄压阀；4、机箱本体；5、接口件；6、第二软管；7、第一软管；8、第一风冷散热器；9、背面盖板；10、第二风冷散热器；11、正面盖板；12、第一进液口；13、出气通道；14、排气孔；15、主板；16、第一出液口；17、吸液口；18、液泵；19、第二进液口；20、汇集通道槽；21、第二出液口；22、第三出液口；23、冷凝片；24、挡板；25、冷却腔室；26、连接通槽；27、泵出液口；28、泵进液口；29、导流通槽；30、特斯拉阀槽；31、冷流槽；32、冷却出液口；33、冷却进液口；34、第四出液口；35、第二流通槽；36、第一流通槽；37、气涡轮腔出口；38、液涡轮泵叶片腔室；39、液涡轮泵叶片；40、磁力传动联轴器；41、气涡轮泵叶片；42、气涡轮泵叶片腔室；43、竖直通道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1～7，本发明实施例中，一种单介质双循环的浸没式相变冷却装置，包括机箱本体4，机箱本体4的正面设有安装腔室，安装腔室内设有主板15，主板15上可安装有显卡、CPU等部件，主板15的接口件5贯穿并延伸机箱本体4的上侧壁，机箱本体4的正面固定连接有正面盖板11，机箱本体4的背面固定连接有背面盖板9，机箱本体4、背面盖板9和正面盖板11均采用亚克力板材质，安装腔室内填充有氟化液，安装腔室的底侧固定连接有两个液泵18，两个液泵18均通过导液装置连接有汇集通道槽20，请参阅图1，每个导液装置包括导流通槽29和特斯拉阀槽30，每个导流通槽29和每个特斯拉阀槽30均开设在机箱本体4的背面侧壁，导流通槽29的一端开设有吸液口17，导流通槽29的另一端开设有泵进液口28，每个吸液口17与安装腔室内部相连通，每个泵进液口28与每个液泵18的输入端相连接，每个特斯拉阀槽30的底端开设有泵出液口27，每个泵出液口27与每个液泵18的输出端相连接，两个特斯拉阀槽30的上端共同与汇集通道槽20连通，当启动液泵18时，每个液泵18可通过每个吸液口17将安装腔室内的氟化液经过导流通槽29和泵进液口28吸入到液泵18内，液体经泵压缩后，由泵出液口27压出，各经过3级特斯拉阀槽30后汇合进入汇集通道槽20，然后经过第二出液口21从第一出液口16流出机箱；

汇集通道槽20开设在机箱本体4的背侧壁上，汇集通道槽20的一端开设有第二出液口21，机箱本体4的上侧开设有第一进液口12，第二出液口21通过风冷装置连接有第一进液口12，请参阅图1、图2和图3，风冷装置包括第一出液口16，第一出液口16开设在机箱本体4的上侧，第一出液口16的底端与第二出液口21相连通，机箱本体4的两侧分别设置有第一风冷散热器8和第二风冷散热器10，第一出液口16通过第一软管7与第一风冷散热器8的输入端相连接，第一风冷散热器8的输出端通过第二软管6与第二风冷散热器10的输入端相连接，第二风冷散热器10的输出端通过第三软管1与第一进液口12相连接，当液体通过第一软管7进入第一风冷散热器8中，经第一风冷散热器8风冷降温流出后，通过第二软管6进入另一侧的第二风冷散热器10，流出第二风冷散热器10后，已经冷却的液体通过第三软管1可输入到第一进液口12内部，重新回流到机箱的内部；

机箱本体4的背面开设有冷却腔室25，冷却腔室25的侧壁内部开设有液涡轮泵叶片腔室38和气涡轮泵叶片腔室42，液涡轮泵叶片腔室38内部转动连接有液涡轮泵叶片39，气涡轮泵叶片腔室42内部转动连接有气涡轮泵叶片41，气涡轮泵叶片41的转轴通过磁力传动联轴器40连接有液涡轮泵叶片39的转轴，安装腔室的侧壁上开设有多个排气孔14，每个排气孔14均与气涡轮泵叶片腔室42连通，气涡轮泵叶片腔室42的上下两侧均开设有竖直通道43，每个竖直通道43的一端均开设有气涡轮腔出口37，气涡轮腔出口37的一端与冷却腔室25相连通，冷却腔室25的侧壁上设有菱形凸块，菱形凸块上开设有第一流通槽36和第二流通槽35，菱形凸块侧壁上固定连接有挡板24，第一进液口12底端与第一流通槽36的一端相连通，第一流通槽36的另一端侧壁开设有多个第二进液口19，多个第二进液口19与液涡轮泵叶片腔室38相连通，第二流通槽35的一端与液涡轮泵叶片腔室38相连通，第二流通槽35的另一端通过降温装置连接与安装腔室相连通，请参阅图4和图5，降温装置包括第四出液口34和冷流槽31，第四出液口34开设在第二流通槽35的一端，冷流槽31呈连续S形开设在冷却腔室25的底侧壁上，冷凝片23位于冷流槽31的一侧，使得液体只能沿着冷流槽31流动，冷流槽31的上端开设有冷却进液口33，冷流槽31的下端开设有冷却出液口32，第四出液口34与冷流槽31上端的冷却进液口33相连通，冷流槽31下端的冷却出液口32与安装腔室相连通，当液体从冷却进液口33进入到冷凝片23下部的冷流槽31时，可使冷凝片23降温，然后液体再通过冷却出液口32流回前侧的安装腔室，冷却出液口32设置在主板15CPU附近，可通过流体的搅动，增加前侧安装腔室内的液体冷却循环速度；

冷却腔室25的侧壁上固定连接有冷凝片23，冷却腔室25内设有冷凝回流装置，请参阅图4，冷凝回流装置包括连接通槽26，连接通槽26呈U形开设在机箱本体4的背面侧壁上，连接通槽26一端与冷却腔室25底部相连通，连接通槽26的另一端开设有第三出液口22，第三出液口22与安装腔室内部相连通，冷却腔室25内液化的液态氟化液，可以流入到冷却腔室25下部的连接通槽26中，最终由第三出液口22流入机箱前侧的安装腔室内。

请参阅图7，机箱本体4的上侧开设有出气通道13，出气通道13的底端与其中一个竖直通道43相连通，出气通道13的上端设有泄压阀3(泄压阀3为现有技术，其具体结构在此不做详细描述)，泄压阀3的整定压力设为0.1MPa，当冷却腔室25内的气压超过该压力时，泄压阀3可自动释放，防止爆炸。

请参阅图1，机箱本体4的上端设有气压传感器2，气压传感器2的探测端贯穿机箱本体4的侧壁并延伸进入到安装腔室内部，用于探测安装腔室内部的气压，当用于通过气压传感器2探测到安装腔室内部的气压过高时，可进行主动关闭机箱的电源，避免产生安全隐患。

请参阅图1，接口件5与机箱本体4之间的缝隙处填充有环氧树脂，环氧树脂可提高接口件5与机箱本体4之间的密封性，进而保证安装腔室内部处于密封腔室。

请参阅图1和图2，机箱本体4的上侧两端均固定连接有两个把手，通过两个把手可更加便于机箱的拿取。

本发明的工作原理包括冷却循环包括液相循环和气相循环；

液相循环为：

首先启动机箱本体4前侧下部设有2台液泵18，每个液泵18可分别通过每个吸液口17将安装腔室内的氟化液经过导流通槽29和泵进液口28吸入到液泵18内，液体经泵压缩后，由泵出液口27压出，各经过3级特斯拉阀槽30后汇合进入汇集通道槽20，然后经过第二出液口21从第一出液口16流出机箱。因为特斯拉阀是一种无叶片的单向阀，可以使液体仅向一个方向流动，当整机散热量低时，可以只开启一组液泵18，特斯拉阀槽30可以防止液体经过另一个泵的通道流失；经第一出液口16流出机箱本体4后，液体通过第一软管7进入第一风冷散热器8中，经第一风冷散热器8风冷降温流出后，通过第二软管6进入另一侧的第二风冷散热器10，流出第二风冷散热器10后，已经冷却的液体通过第三软管1输入到第一进液口12内部，液体输入到第一进液口12后，液体首先通过第一流通槽36和多个第二进液口19进入液涡轮泵叶片腔室38中，消耗液体一部分动能推动液涡轮泵叶片39旋转，然后液体通过第二流通槽35流入第四出液口34，之后液体可从冷却进液口33进入到冷凝片23下部的冷流槽31，使冷凝片23降温，因为液体推动液涡轮泵叶片39旋转消失部分动能，使得液体流速降低，提高了液体在冷流槽31内部流动时间，进而提高了液体对冷凝片23的降温效果，然后液体再通过冷却出液口32流回前侧的安装腔室，冷却出液口32设置在主板15CPU附近，可通过流体的搅动，增加前侧安装腔室内的液体冷却循环速度；

气相循环为：

机箱前侧安装腔室中被CPU、显卡等器件加热后相变为气态的氟化液，经由排气孔14，进入气涡轮泵叶片腔室42，在上述液相循环中，液体流经液涡轮泵叶片39消耗一部分动能带动液涡轮泵叶片39旋转，因为液涡轮泵叶片39与气涡轮泵叶片41通过磁力传动联轴器40相连接，故液涡轮泵叶片39旋转可带动气涡轮泵叶片41旋转，蒸发的氟化液通过排气孔14进入气涡轮泵叶片腔室42，经过旋转的气涡轮泵叶片41进行增压后，经由上下两侧的竖直通道43和气涡轮腔出口37进入后侧的冷却腔室25，经过气涡轮泵叶片41增压后的蒸汽，其压力和温度均会增加，并且在增压后会有部分气体会液化，液化的液体此时可以流入到冷却腔室25下部的连接通槽26中，其余经过增压的高温高压气体进入冷却腔室25后会在冷凝片23上液化，将热量传递给冷凝片23，根据前述液相循环可知，冷凝片23下部设有冷流槽31可以给冷凝片23降温，冷却腔室25内液化的液态氟化液，可以流入到冷却腔室25下部的连接通槽26中，最终由第三出液口22流入机箱前侧的安装腔室内，其中由于气涡轮泵叶片41对气压的增压作用，冷却腔室25的气压会略高于机箱前侧安装腔室内的气压，进而可以提高氟化液蒸汽的液化效率，连接通槽26设为一个长U型，可以维持一定的冷却腔室25压力；

在液相循环和气相循环的基础上，可以实现被动循环，具体为：

当设备突然断电，液泵18停转，机箱内部残余热量无法散出，将使机箱内压力持续增加，机箱前侧安装腔室内产生的氟化液蒸汽，流入排气孔14，进而冲击气涡轮泵叶片41，进而带动气涡轮泵叶片41旋转，此时气涡轮泵叶片41通过磁力传动联轴器40可带动液涡轮泵叶片39旋转，从而带动液相循环的液体进行循环，冷却腔室25的冷凝片23由于被动的液相循环可以持续的吸收一定热量，同时将冷却腔室25内的气体冷凝为液态，冷却腔室25内的气体液化为液态时，冷却腔室25会产生一定负压，该负压与机箱前侧安装腔室内的蒸发气体产生的正压形成了一定的压力差，通过该压力差，持续使前侧安装腔室内的气体流入排气孔14，冲击气涡轮泵叶片41，产生动能驱动被动循环，连接通槽26长U形设计，在冷却腔室25产生负压时，会产生一定的液面高度差，有助于维持冷凝腔的负压。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。