基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置

专利摘要:
本申请提出了一种基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置，该装置包括：冷凝器；脉动热管弯折组成的蒸发端、绝热段和冷凝端；绝热段设置在蒸发端和冷凝端之间；冷凝器设置在芯片上方，用于将芯片产生的热量传导至蒸发端，冷凝器由上下两块盖板组成，蒸发端的脉动热管封装在冷凝器的上下盖板之间；冷凝器和脉动热管的蒸发端之间的间隙填充有高导热性能材料。由此，实现数据中心大功率芯片的高效冷却，达到其最佳运行温度，保证数据中心稳定可靠运行，使得数据中心更加节能，更加绿色，进一步促进大数据和互联网的发展。
公开号:CN214336706U
申请号:CN202120486887.5U
申请日:2021-03-05
公开日:2021-10-01
发明作者:李震；陈亮；李学智；曹瀚文；习浩楠；陈晓轩；曹建国
申请人:Tsinghua University；
IPC主号:H01L23-367

专利说明:
[n0001] 本申请涉及芯片冷却技术领域，特别涉及一种基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置。
[n0002] 随着计算机和互联网技术的迅猛发展，数据中心的建设不断发展，集成化和功率化对全球数据中心的低能耗高效冷却达到稳定运行提出新的挑战。传统数据中心冷却采用精密空调对机房进行冷却，即通过风冷对机房内的设备和芯片进行冷却。随着数据中心热流密度的不断增大，液冷技术被采用，有采用浸没式液冷，即将冷却液直接与高热流密度芯片接触，也有采用间接液冷，通过在芯片端进行微通道设置采用液冷带走热量。热管由于其高导热性，也被应用于数据中心散热，分离式热管居多，同时也有少数针对芯片级的热管末端冷却。
[n0003] 采用精密空调的传统冷却方式通过机械蒸汽压缩式风冷，存在能耗巨大、空气换热系数低、冷源距离热源远、散热不均等多方面问题。空气换热系数不足，冷源距离热源距离不够，散热不均导致进一步的空调功率增大，增大电量消耗，数据中心能源利用率(PUE)值过高，形成恶性循环。纯空调式风冷技术最成熟最简单，但是最不节能，温度控制性最差，机房稳定运行能力也最差。液冷效率高，导热性能得到提升，特别是发生气液两相传热时，导热能力提升2-3个数量级。但是，针对电子设备，特别是数据中心芯片，液冷存在液体泄露问题，一旦液体工质泄露将导致数据中心无法运行，需要考虑密封防泄露问题，增加了设备管道的复杂性，提高了成本。同时，由于液冷的循环，需要动力驱动，也会导致PUE值的增大，不够绿色节能。热管系统能够在不需要外部能量的情况下实现高效导热，具有良好的能源效率和冷却能力，对室内环境无干扰。目前，在数据中心中应用的热管以分离式热管为主，有少部分是传统的管式热管。一方面，现有热管未能深入到芯片热源端直接散热，芯片和热管还可以更加近距离的接触，芯片冷却性能有待进一步提升，另一方面，传统热管的效率不如脉动热管，同时传统热管的结构尺寸和与芯片热源端的配合等方面都还有进一步的优化空间。相关技术中提出采用脉动热管对芯片进行冷却，但是其循环缠绕和风扇搭配的方式只适用于与个人电脑内部的芯片冷却，不能够满足数据中心大功率芯片的散热和使用需求。
[n0004] 本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[n0005] 为此，本申请的目的在于提出一种基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置，该装置用于数据中心芯片级热管理，可以保证大功率芯片在正常温度范围内高效稳定运行，降低数据中心能耗，保障数据中心稳定可靠运行。
[n0006] 为达到上述目的，本申请提出了一种基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置，包括：
[n0007] 冷凝器；脉动热管弯折组成的蒸发端、绝热段和冷凝端；
[n0008] 所述绝热段设置在所述蒸发端和所述冷凝端之间；
[n0009] 所述冷凝器设置在芯片上方，用于将芯片产生的热量传导至所述蒸发端，所述冷凝器由上下两块盖板组成，所述蒸发端的脉动热管封装在所述冷凝器的上下盖板之间。
[n0010] 进一步地，所述绝热段弯曲形成上下高低差异的阶梯状结构。
[n0011] 进一步地，在所述绝热段靠近所述蒸发端一侧，脉动热管弯曲形成高低差异的阶梯状结构，所述绝热段高于所述蒸发端。
[n0012] 进一步地，所述冷凝器的上下盖板均带有与脉动热管蒸发端尺寸一致的沟槽。
[n0013] 进一步地，所述绝热段的脉动热管设置有充液口。
[n0014] 进一步地，脉动热管由毛细管弯折而成，脉动热管的蒸发端和冷凝端为压扁后的毛细管，毛细管是内壁为光滑的金属管，材质包括金属或金属合金。
[n0015] 进一步地，脉动热管的工质根据大功率芯片工作温度范围选取，包括水、乙醇的单一溶液或纳米颗粒流体混合液。
[n0016] 进一步地，脉动热管的几何尺寸根据芯片的封装尺寸、热流密度和工作温度需求确定。
[n0017] 进一步地，所述冷凝器和脉动热管的蒸发端之间的间隙填充有高导热性能材料，包括导热硅脂或液态金属。
[n0018] 进一步地，所述冷凝端与数据中心机架外连接的二级散热装置连接。
[n0019] 本发申请的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置，具有以下优点：
[n0020] (1)极高的传热效率。脉动热管的最高传热效率可达90％，而传统热管的传热效率通常为60％～70％，远远超过风冷空调和单相液冷方式，保证芯片高效散热；
[n0021] (2)较高的抗烧干能力。传统热管一旦发生过载干烧，整根热管就无法正常工作，而脉动热管具有多个循环段，如果出现干烧，也是先在单个或几个蒸发管段出现烧干现象，然后再逐渐扩散到整个蒸发端，因此具有延缓烧干的作用；
[n0022] (3)脉动热管的均温性优良。通过一根毛细管弯折形成的脉动热管，内部形成良好的脉动循环传热，通过显热和潜热的传递，蒸发端能够达到较好的均温性，从而实现发热源的均匀冷却；
[n0023] (4)良好的适应性和安全性。脉动热管的工作模式会根据芯片热流的改变发生变化，在一定的范围内，热流越大，循环流动性能越好，传热效率越高，与液冷相比无泄漏风险，安全可靠；
[n0024] (5)结构简单、可变，紧凑。脉动热管为长毛细管状，可按工作需求进行弯曲、压扁等操作灵活改变其结构，由于脉动热管的管径较小，能够达到结构紧凑高度集成的散热效果；
[n0025] (6)制造成本低，经济性好。脉动热管为光滑管，本装置在制造工程中采用铣削、抽真空和焊接等常规手段即可完成，易于批量化生产，在使用过程中无需外加能源去驱动，数据中心PUE更低，更绿色。
[n0026] 本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
[n0027] 本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[n0028] 图1为根据本申请一个实施例的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置结构示意图；
[n0029] 图2为根据本申请一个实施例的蒸发端、绝热段和冷凝端示意图；
[n0030] 图3为根据本申请另一个实施例的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置结构示意图；
[n0031] 图4为根据本申请另一个实施例的蒸发端、绝热段和冷凝端示意图；
[n0032] 图5为根据本申请一个实施例的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置的制造方法流程图。
[n0033] 下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
[n0034] 下面参照附图描述根据本申请实施例提出的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置。
[n0035] 图1为根据本申请一个实施例的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置结构示意图。
[n0036] 图2为根据本申请一个实施例的蒸发端、绝热段和冷凝端示意图。
[n0037] 如图1和图2所示，该基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置包括：冷凝器；脉动热管弯折组成的蒸发端、绝热段和冷凝端。
[n0038] 绝热段设置在蒸发端和冷凝端之间。
[n0039] 冷凝器设置在芯片上方，用于将芯片产生的热量传导至蒸发端，冷凝器由上下两块盖板组成，蒸发端的脉动热管封装在冷凝器的上下盖板之间。
[n0040] 可以理解的是，脉动热管是一种结构简单的新型传热装置，其内部工质吸热形成气塞，放热形成液塞，其热量传递是通过工质显热和相变潜热，以及气塞/液塞之间的振荡来实现的，其传热效果比传统热管更佳优良。
[n0041] 进一步地，在本申请的一个具体实施例中，脉动热管在中间绝热段可以弯曲形成上下高低差异的阶梯状结构，如图3和图4所示。
[n0042] 在图3中，在绝热段靠近蒸发端一侧，脉动热管弯曲形成高低差异的阶梯状结构，绝热段高于蒸发端。
[n0043] 可以理解的是，阶梯状的脉动热管，可以进一步提升抗重力性能，促进脉动循环，提升传热性能。
[n0044] 需要说明的是，阶梯状结构不限于上述列举的实施例，脉动热管可以根据实际情况进行弯曲，从而可以避免数据中心服务器内部电子元器件的空间干涉。
[n0045] 如图1所示，脉动热管由毛细管弯折而成，脉动热管蒸发端和冷凝端是压扁后的毛细管。毛细管是内壁为光滑的金属管，其材质可以是铜、铝等金属或金属合金。
[n0046] 绝热段的脉动热管设置有充液口，脉动热管的工质根据大功率芯片工作温度范围选取，可以是水、乙醇等单一溶液或者纳米颗粒流体混合液。
[n0047] 脉动热管的几何尺寸根据具体大功率芯片的封装尺寸、热流密度和工作温度需求确定。
[n0048] 冷凝器根据具体脉动热管结构确定，其主要由上下两块盖板组成，上下盖板均带有脉动热管蒸发端尺寸一致的沟槽，上下盖板构成的冷凝器与脉动热管蒸发端封装在一块。
[n0049] 冷凝器和脉动热管蒸发端之间的间隙填充有高导热性能材料，可以是导热硅脂或者液态金属。
[n0050] 进一步地，冷凝端与数据中心机架外连接的二级散热装置连接。
[n0051] 具体地，功率芯片产生热量，通过冷凝器传导至脉动热管蒸发端，利用脉动热管的优异导热性能快速将热量从芯片转移走，最后将热量转移到冷凝端，通过与数据中心机架外连接的二级散热装置带走热量，从而实现大功率芯片的快速散热，保证芯片高效运行。
[n0052] 需要说明的是，脉动热管的具体毛细管材料和结构尺寸，以及工质的种类，都可以根据具体数据中心大功率芯片散热和实际运行需求进行改变选取，脉动热管冷凝端的散热方式可以根据实际数据中心条件灵活选取分离式热管、液冷和风扇等方式，本申请不进行具体限制。
[n0053] 图5为根据本申请一个实施例的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置的制造方法流程图。
[n0054] 如图5所示，该基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置的制造方法包括以下步骤：
[n0055] S1，选取所需管径、总长和材质的毛细管，清洗除污并干燥后将毛细管两端套上保护套；
[n0056] S2，采用压弯机，根据设计的三维结构进行毛细管的弯折，然后将蒸发端和冷凝端的毛细管进行压扁操作，在绝热段最外围预留充液口。
[n0057] S3，取与封装好的大功率芯片相当尺寸的带一定厚度的金属块两块，利用微细铣削的方法在金属块表面刻槽，刻槽尺寸和蒸发端毛细管尺寸相当，刻槽完成后进行除油清洗，完成冷凝器的上下盖板操作。
[n0058] S4，在蒸发端涂抹高导热性能材料后，与冷凝器上下盖板配合压紧，然后采用焊接方法进行冷凝器和脉动热管的固定连接。
[n0059] S5，通过四通阀，对脉动热管先抽真空后充液，充液完成后对充液口锡焊密封，完成整个散热装置的制造。
[n0060] 根据本申请实施例提出的基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置，用于数据中心芯片级热管理，通过脉动热管实现对大功率芯片运行所产生的热量快速导出，从而保证大功率芯片在正常温度范围内高效稳定运行，降低数据中心能耗，保障数据中心稳定可靠运行。
[n0061] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[n0062] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[n0063] 尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

权利要求:
Claims (10)
[0001] 1.一种基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置，其特征在于，包括：冷凝器；脉动热管弯折组成的蒸发端、绝热段和冷凝端；
所述绝热段设置在所述蒸发端和所述冷凝端之间；
所述冷凝器设置在芯片上方，用于将芯片产生的热量传导至所述蒸发端，所述冷凝器由上下两块盖板组成，所述蒸发端的脉动热管封装在所述冷凝器的上下盖板之间。
[0002] 2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝热段弯曲形成上下高低差异的阶梯状结构。
[0003] 3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述绝热段靠近所述蒸发端一侧，脉动热管弯曲形成高低差异的阶梯状结构，所述绝热段高于所述蒸发端。
[0004] 4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝器的上下盖板均带有与脉动热管蒸发端尺寸一致的沟槽。
[0005] 5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝热段的脉动热管设置有充液口。
[0006] 6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，脉动热管由毛细管弯折而成，脉动热管的蒸发端和冷凝端为压扁后的毛细管，毛细管是内壁为光滑的金属管，材质包括金属或金属合金。
[0007] 7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，脉动热管的工质根据大功率芯片工作温度范围选取，包括水、乙醇的单一溶液或纳米颗粒流体混合液。
[0008] 8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，脉动热管的几何尺寸根据芯片的封装尺寸、热流密度和工作温度需求确定。
[0009] 9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝器和脉动热管的蒸发端之间的间隙填充有高导热性能材料，包括导热硅脂或液态金属。
[0010] 10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝端与数据中心机架外连接的二级散热装置连接。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202120486887.5U|CN214336706U|2021-03-05|2021-03-05|基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置|CN202120486887.5U| CN214336706U|2021-03-05|2021-03-05|基于脉动热管的数据中心芯片级冷却装置|