[发明专利]一种射流-横流组合浸没式散热装置与方法

说明书

一种射流‑横流组合浸没式散热装置与方法，包括机箱盖板内层和机箱底座，机箱盖板内层与机箱底座相连，并形成密封腔体，机箱盖板内层外侧设置有机箱盖板外层；机箱盖板内层上阵列化布置有若干射流孔结构，机箱底座上设置有主板，主板上设置有若干发热芯片。本发明提出的射流‑横流组合浸没式相变冷却方法能够提高发热芯片表面的汽泡脱离频率和补液能力，从而大幅提高沸腾临界热流密度、满足高热流密度(100W/cm²)芯片的散热需求，大幅提高机箱的功率密度；在低热负荷时，芯片热流密度较低，通过调节流量利用少量冷却液进行浸没式液冷，从而降低数据中心的PUE。

技术领域

本发明属于数据中心热管理领域，具体涉及一种射流-横流组合浸没式散热装置与方法。

背景技术

数据中心是云计算、人工智能和大规模仿真计算等新兴产业和技术的基石，在未来信息化社会中占据重要地位。然而，高性能数据中心伴随的高能耗(尤其是数据中心冷却的高能耗)不仅使得数据中心运行成本急剧攀升，也对我国的碳达峰碳中和任务提出挑战。目前数据中心冷却的主要技术是风冷，其耗电量约占数据中心总能耗的40％～60％。据预测，我国2023年数据中心用电量将超过2667亿千瓦时，届时采用风冷技术的冷却电耗(风冷为主)约1066～1600亿千瓦时。从能耗角度看，风冷技术换热效率低，能耗高。而从芯片本身运行发热的角度看，微电子技术和微加工技术的进步推动了芯片性能的提升，也使得单位面积的芯片发热功率不断攀升，风冷技术已难以满足当前和未来高性能芯片的散热需求。相比之下，液体冷却能够利用显热和巨大的潜热实现热量传递，是一种非常高效的冷却技术，可将数据中心冷却能耗降低至总能耗的10％～20％，在数据中心节能领域潜力巨大。

在液冷技术中，浸没式液冷是一种将整块电路板直接浸没在低沸点、电绝缘和高稳定性的电子氟化液(如FC-72、HFE-7100等)中的相变散热技术，解决了传统散热技术只能利用翅片或热沉在远端对芯片散热而导致热阻较高的问题，并且还有能耗和噪音低等显著优势，在高性能集群散热方面极具前景，近年来国内外各大科技巨头已开始布局液冷技术。然而，传统浸没式液冷一般将电子氟化液以水平流的形式横掠芯片表面进行沸腾散热，由于电子氟化液的汽化潜热仅约为水的1/20，其流动沸腾换热的临界热流密度30W/cm2，远低于水，无法满足高性能芯片(热流密度100W/cm2)的散热需求。提高电子氟化液的沸腾临界热流密度对于浸没式液冷在大功率计算集群散热中的应用至关重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种射流-横流组合浸没式散热装置与方法，将机箱设计为密封腔体，在机箱上盖板设置一体化的阵列化歧管式射流-横流通道，把电子氟化液以射流-横流组合的形式直接引导至发热芯片表面，射流一方面产生冲击力破坏芯片表面附着的大汽泡并促进汽泡沿芯片法向脱离，另一方面穿透汽膜对蒸干区进行补液，横流提供的附加质量力将脱离的汽泡从芯片表面吹扫，从而大幅提高电子氟化液的临界热流密度，为高热流密度计算集群的高效热管理提供解决方案。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种射流-横流组合浸没式散热装置，包括机箱盖板内层和机箱底座，其中，机箱盖板内层与机箱底座相连，并形成密封腔体，机箱盖板内层外侧设置有机箱盖板外层；

机箱盖板内层上阵列化布置有若干射流孔结构，每个射流孔结构包括射流喷嘴、横流喷嘴、回流孔、回流汇集通道、射流孔和进液分流通道；进液分流通道与射流孔相连通，射流喷嘴和横流喷嘴均射与流孔相连；回流孔与回流汇集通道相连通；

机箱盖板外层上设置有气体总出口和液体总入口；液体总入口与进液分流通道相连通；气体总出口与回流汇集通道相连通；

机箱底座上设置有主板，主板上设置有若干发热芯片。

本发明进一步的改进在于，机箱底座侧面底部设有液体总出口、侧面顶部设有泄压孔，泄压孔一端设置有泄压阀，另一端与密封腔体相连通。