本技術是有關于一種散熱系統(tǒng)，特別是一種液冷式散熱系統(tǒng)。

背景技術：

1、生成式人工智能(generative?artificial?intelligence；generative?ai)或人工智能生成內(nèi)容(ai?generated?content；aigc)爆發(fā)式地發(fā)展速度，大幅提升高速運算力及高階運算芯片模組的開發(fā)需求。aigc的應用所需要處理的龐大數(shù)據(jù)量及處理速度，持續(xù)推動高階ai服務器的需求。高階ai服務器同時使用了較多數(shù)量的中央處理器(cpu)及繪圖處理器(gpu)，且為了因應生成式人工智能(例如：chatgpt)的高速、大量運算需求，所使用的高階芯片包含的晶體管數(shù)量更是達到了1750億。相對應于ai服務器芯片的高效率及高功耗，伴隨而來的大量及高密度發(fā)熱熱源成為了散熱能力的一大挑戰(zhàn)。舉例來說，2018年服務器處理器能耗僅約180w～280w，而到了2023年，便倍增至500w以上。例如：2022年超威5納米制程的genoa處理器及gpu大廠輝達(nvidia)所推出的a100芯片，耗能便已高達400w，比前一代處理器高出了約40％～50％。2023年bergamo處理器耗能將超過500w；輝達(nvidia)專為ai服務器所打造的新一代高階gpu?h100芯片，最大功率更高達700w。服務器所使用的芯片隨著客戶所采用的數(shù)量愈多，功耗也進一步疊加上去，散熱解決方案的模組設計復雜度也更為提升。

2、隨著新一代gpu及cpu的升級，服務器運算、ai影像生成及電競應用等，將成為散熱產(chǎn)業(yè)的主要成長動能。從服務器散熱技術來看，主要分為氣冷散熱(air?cooling)、液冷散熱(liquid?cooling)以及浸沒式散熱。一般來說，當芯片的熱功耗超過300w，便很難通過氣冷散熱來解決熱的問題。

3、浸沒式散熱可分為單相浸沒式液冷及兩相浸沒式液冷。浸沒式液冷具有最高的解熱效率，甚至可達到大于1500w。然而，由于浸沒式液冷是通過將服務器浸沒于具有大量冷卻液的槽體內(nèi)，因此機房架構必須重新設計才能符合其應用，且冷卻液不僅非常昂貴，在應用上仍有環(huán)保的疑慮。此外，芯片、pcb板、網(wǎng)絡適配器、電源供應器等其他周邊元件，浸沒在冷卻液內(nèi)時是否能維持正常運作狀態(tài)，仍需更多實際應用數(shù)據(jù)才能更進一步厘清。

4、由于chatgpt或更高階的ai服務器由于不斷擴大的運算力，其散熱能力至少須高于700w才足以因應。以輝達(nvidia)a100或h100的ai服務器來說，通常會配備4至8顆gpu，而每顆gpu將額外產(chǎn)生300w至700w的熱能，估計整臺ai服務器熱功耗將超過3000w。有鑒于傳統(tǒng)氣冷散熱并無法提供如此高效的散熱能力，導入“液冷散熱”(liquid?cooling)技術已成為散熱解決熱耗的新趨勢。液冷散熱是通過將液體冷卻系統(tǒng)導入服務器內(nèi)部，利用液體比氣體更容易導熱的特性，使發(fā)熱元件產(chǎn)生的高密度熱能通過液冷板快速傳遞給冷卻液體，再將吸熱后的冷卻液體引導至室外冷卻塔或散熱模組，進一步將熱能散逸至大氣中，達到快速降溫及減少耗能的效果。目前業(yè)界常見的一種開放式液冷散熱模組是將液冷式散熱與氣冷式散熱結合于服務器機柜的一種高效冷卻方式。這種開放式液冷散熱模組包括了：液冷板模組(cold?plate)、冷卻液分配單元(cdu)、冷卻水歧管(manifold)，并通過散熱器和風扇背門或是熱交換器將冷卻液降溫。當開放式液冷散熱模組運作時，冷卻液會由冷卻液分配單元泵送出，經(jīng)冷卻水歧管流入緊貼于芯片或處理器上的液冷板，此時來自芯片或處理器的熱會經(jīng)液冷板傳導而被冷卻液吸收，吸熱后的冷卻液便會從液冷板另一端的熱管歧流出。接著，吸熱后的冷卻液便會被輸送至機柜背門，并通過流經(jīng)風扇背門的強制散熱使冷卻液降溫。降溫后的冷卻液便會再流回冷卻液分配單元再次泵送至液冷板。

5、ai運算芯片的小型化和高度整合化已可預期會導致芯片熱密度大幅上升，散熱的解決方案將越來越貼近芯片等核心發(fā)熱源是一重要趨勢。液冷式散熱設備模組可依應用規(guī)模區(qū)分有大型數(shù)據(jù)中心的機房級、服務器的機柜級，以及未來應用于ai計算機的芯片級等液冷式散熱設備模組。相較于機房級、機柜級，ai計算機所需的液冷式散熱設備模組在設計上規(guī)模較小，且散熱效率必須在不需啟動外部冰水機或空調(diào)冷氣的環(huán)境下便足以應付，以此能使整個散熱系統(tǒng)的電力使用效率(pue)更低。

6、常見于液冷式散熱模組中的液冷板模組是以一液冷罩將散熱器的散熱結構罩于其中，將液冷罩與散熱器鎖合在一起以形成一腔體。液冷罩具有進液口及出液口，冷卻液體可從進液口進入液冷罩與散熱器鎖合后形成的腔體內(nèi)部，流經(jīng)散熱結構后，再從出液口流出，再經(jīng)由管路流至外部散熱系統(tǒng)(例如：使管路流經(jīng)鰭式散熱片并加上風扇的強制冷卻方式)，將冷卻液體所攜帶的熱量散逸。然而，當液冷板模組的散熱器金屬底板與發(fā)熱元件接觸時，由于金屬底板橫向導熱速度受限于截面積，發(fā)熱元件快速產(chǎn)生的大量熱量并無法有效率地橫向傳導至整個散熱器的金屬底板，造成大量的熱量聚集在散熱器與發(fā)熱元件接觸的局部區(qū)域，即便加上液冷散熱，所能提升的散熱能力也十分受限。除此之外，外部散熱系統(tǒng)通過管路與鰭式散熱片之間的熱交換，再加上風扇氣冷散熱，冷卻液體直接散熱的面積有限，散熱效率也可能不足。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于上述問題，本實用新型的目的是在于提供一種液冷式散熱系統(tǒng)，其包括了一種液冷式均熱板，將上述液冷式散熱模組中的散熱器金屬底板設計成均熱板(vaporchamber)，并將該散熱器的散熱結構以一體成型方式與均熱板的散熱面整合，再以一液冷罩將散熱結構包覆于其腔體中，以形成底板為均熱板的液冷式均熱板。液冷罩具有第一進液口及第一出液口，使冷卻液體得以進出并流經(jīng)液冷罩內(nèi)的這些散熱結構來增加熱交換效率。均熱板具有導熱系數(shù)高、橫向均熱性強、熱擴散系數(shù)高的特點，熱擴散能力顯著優(yōu)于一般金屬底板(例如：銅基底板、鋁合金底板等)。當貼合于均熱板吸熱面的發(fā)熱電子元件產(chǎn)生大量熱源時，熱量便會快速傳導至均熱板，此時，存在于均熱板內(nèi)部空間的工作流體便會快速吸收熱量，并快速汽化形成蒸氣。均熱板的散熱面因接有散熱器及液冷罩，因此當蒸氣快速上升并接觸到具有散熱器的較冷金屬面時，蒸氣便會再凝結成工作流體，并通過此液-氣-液相變化的循環(huán)快速吸收并釋放大量的熱。與傳統(tǒng)使用金屬底板相比，均熱板可以更快速地將集中的大量熱源擴散至散熱器的更大面積上，以獲得更大的有效散熱面積而更快速的散熱。

2、均熱板是利用其密閉工作腔室中的工作流體的相變化來快速散熱，是現(xiàn)階段導熱效率最高的散熱方式。利用近真空腔室內(nèi)的工作液體快速汽化及凝結過程所涉及的大量汽化潛熱來實現(xiàn)快速散熱的目的。均熱板的導熱效率可達10000w/(m2·℃)以上，為傳統(tǒng)空氣對流或液體對流的導熱效率的幾十倍以上，當上述散熱器以一體成型方式整合于均熱板的散熱面時，來自均熱板內(nèi)部的大量熱量更能夠快速、有效地傳導并分散至散熱結構，大大提升散熱效率。

3、除此之外，本實用新型的液冷式散熱系統(tǒng)更進一步包括一液冷式散熱板。該液冷式散熱板為具有中空腔體的板狀結構，中空腔體內(nèi)表面上設有許多凸起狀的散熱柱。該液冷式散熱板邊框上設有至少一個第二進液口及至少一個第二出液口，通過冷卻液管路，將第二進液口及第二出液口分別與液冷式均熱板的液冷罩的第一出液口及第一進液口連接，使冷卻液體在液冷式均熱板及液冷式散熱板之間反復循環(huán)。當冷卻液體在液冷式均熱板的液冷罩內(nèi)吸收熱量后，接著便被輸送進入至液冷式散熱板的腔體內(nèi)，并流經(jīng)其腔體內(nèi)的各散熱柱之間。許多的散熱柱可提供較大的熱交換面積，再加上裝設于液冷式散熱板外部的風扇對其外部表面強制吹氣散熱，可使吸收熱量后的冷卻液體快速分散至液冷式散熱板并快速散熱。

4、為達上述目的，本實用新型提供一種液冷散熱系統(tǒng)，其包括至少一液冷式均熱板、一液冷式散熱板、連接上述二者之間的至少一第一冷卻液管路及至少一第二冷卻液管路、冷卻液循環(huán)機、至少一風扇以及冷卻液體。

5、進一步說明，上述液冷式均熱板為由液冷罩與整合式均熱板結合而組成的高效率液冷式均熱板。本實用新型的液冷式均熱板包括：液冷罩、整合式均熱板。液冷罩包括頂部及連接頂部的側壁，側壁圍繞頂部以形成第一容置空間，側壁設置有至少一第一進液口及至少一第一出液口，且第一進液口及第一出液口連通于第一容置空間。整合式均熱板包括：金屬上蓋板、金屬下蓋板、工作空間、抽氣通道、毛細結構及工作流體。金屬上蓋板，包括有散熱外表面及冷凝內(nèi)表面，散熱外表面具有復數(shù)個第一散熱柱，且冷凝內(nèi)表面周邊設有適當高度的上邊框圍繞該冷凝內(nèi)表面，上邊框上設有上通道槽，冷凝內(nèi)表面并具有相互平行排列的復數(shù)條上溝槽；其中，金屬上蓋板整體包含第一散熱柱是以一金屬片(或一金屬塊)一體成型方式制造而成。

6、金屬下蓋板，包括有吸熱外表面及蒸發(fā)內(nèi)表面，吸熱外表面用以接觸放熱電子元件，蒸發(fā)內(nèi)表面周邊設有適當高度的下邊框圍繞該蒸發(fā)內(nèi)表面，下邊框上設有下通道槽，蒸發(fā)內(nèi)表面具有相互平行排列的復數(shù)條下溝槽以及凸起于下溝槽之間的復數(shù)個柱狀支撐結構；其中，金屬下蓋板整體包含柱狀支撐結構是以一金屬片(或一金屬塊)一體成型方式制造而成；金屬上蓋板的上邊框與金屬下蓋板的下邊框相互接合以形成工作空間，復數(shù)個柱狀支撐結構從蒸發(fā)內(nèi)表面凸起延伸并接抵冷凝內(nèi)表面的上溝槽之間，以支撐工作空間。抽氣通道，由上通道槽與下通道槽對應接合所構成，可用以對該工作空間抽氣，并于抽氣后密封，以使工作空間維持近真空狀態(tài)。毛細結構，設置于下溝槽內(nèi)或上溝槽及下溝槽內(nèi)。工作流體，存在于工作空間及毛細結構中。其中，上述的液冷罩接合于金屬上蓋板的散熱外表面上，且第一散熱柱設置于第一容置空間內(nèi)，以形成所述液冷式均熱板。

7、根據(jù)上述實施例，所述的液冷式散熱板包括：散熱底板以及散熱外蓋。散熱底板具有底板內(nèi)表面及相對的底板外表面。底板內(nèi)表面上設有凸起且大致以矩陣方式排列的復數(shù)個第二散熱柱、至少一導流板插槽，呈長條溝狀，凸起形成于底板內(nèi)表面上，并設置于該復數(shù)個第二散熱柱之間，用以插入安裝至少一長片狀導流板、以及外蓋接合插槽，凸起并圍繞設置于沿著底板內(nèi)表面周緣。底板外表面上設有復數(shù)個風扇螺絲孔，凸起于該底板外表面上，用以鎖固至少一風扇，使其對底板外表面進行吹氣冷卻。其中，該散熱底板整體包含該復數(shù)個第二散熱柱、該導流板插槽、該外蓋接合插槽、以及該風扇螺絲孔是以同一金屬片(或一金屬塊)以一體成型方式制成。

8、散熱外蓋具有外蓋頂部以及連接該外蓋頂部的外蓋側壁。外蓋側壁圍繞該外蓋頂部以形成第二容置空間。外蓋側壁并設置有至少一第二進液口及至少一第二出液口，第二進液口及第二出液口連通于第二容置空間。其中，散熱外蓋與散熱底板蓋合時，散熱外蓋的外蓋側壁插入于散熱底板的外蓋接合插槽內(nèi)并加以焊合，且該復數(shù)個第二散熱柱設置于第二容置空間內(nèi)，以形成所述的液冷式散熱板。在本實施例中，其中，所述的第一冷卻液管路，其一端連接于液冷式均熱板的第一進液口，另一端連接于液冷式散熱板的第二出液口；所述的第二冷卻液管路，其一端連接于液冷式均熱板的第一出液口，另一端連接于液冷式散熱板的第二進液口。所述的冷卻液循環(huán)機設置于第一冷卻液管路或第二冷卻液管路之間，用以泵送冷卻液體，使冷卻液體循環(huán)流動于液冷式均熱板與液冷式散熱板之間，以形成所述的液冷式散熱系統(tǒng)。

9、在本實用新型的一實施例中，上述液冷式均熱板的金屬下蓋板，其吸熱外表面為平坦表面，用以接觸放熱電子元件。

10、在本實用新型的一實施例中，上述液冷式均熱板的金屬下蓋板，其吸熱外表面進一步具有至少一凹陷空間，用以容置至少一放熱電子元件，且所述的凹陷空間從吸熱外表面向蒸發(fā)內(nèi)表面方向凹陷但不凸起于對應的蒸發(fā)內(nèi)表面。

11、在上述的實施例中，所述的凹陷空間為復數(shù)個，可用以容置復數(shù)個放熱電子元件。

12、在上述的另一實施例中，所述凹陷空間為復數(shù)個，具有相同或不同的形狀及容積，用以同時容置復數(shù)個相同或不同形狀及體積的放熱電子元件。

13、在本實用新型的一實施例中，上述液冷式均熱板的金屬下蓋板，其吸熱外表面進一步具有至少一螺絲孔，用以鎖固至少一放熱電子元件，其中，該螺絲孔從吸熱外表面向蒸發(fā)內(nèi)表面凹陷并凸起于蒸發(fā)內(nèi)表面但不穿透，以形成一螺絲孔凸起部，螺絲孔凸起部的高度不大于所述柱狀支撐結構的高度。

14、在本實用新型的一實施例中，所述的液冷式散熱系統(tǒng)中，所述的液冷式均熱板數(shù)量可以為復數(shù)個，例如為2個、3個或4個，且所述的第一冷卻液管路及第二冷卻液管路為具有相對應于所述液冷式均熱板數(shù)量的分管的分歧管，所述冷卻液循環(huán)機為一冷卻液分配機。

15、在本實用新型的一實施例中，所述的液冷式散熱系統(tǒng)中，所述的液冷罩、金屬上蓋板、金屬下蓋板、散熱底板、以及散熱外蓋的材質(zhì)為銅、鋁、鋁合金或鎂合金。

16、在本實用新型的一實施例中，所述的液冷式散熱系統(tǒng)中，所述工作流體為水。

17、在本實用新型的一實施例中，所述的液冷式散熱板中，其外蓋側壁設置有復數(shù)個第二進液口及復數(shù)個第二出液口。

18、在上述的一實施例中，所述的液冷式散熱板中，其外蓋側壁設置的第二進液口及第二出液口的數(shù)量各分別為2個、3個或4個。

19、在本實用新型的一實施例中，所述的液冷式散熱板為一長度為250mm-600mm、寬度為150mm-450mm、厚度為10mm-30mm的板形結構。

20、在本實用新型的一實施例中，所述冷卻液體為水。

21、在本實用新型的一實施例中，所述的冷卻液體為水，且體積約為1公升～6公升。