本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)中心冷卻，尤其是涉及一種基于自適應涂層的數(shù)據(jù)中心浸沒液冷系統(tǒng)。

背景技術：

1、5g、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的發(fā)展加速了對數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和信息傳輸系統(tǒng)的迫切需求。全球數(shù)據(jù)量急劇增長，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量、規(guī)模和計算密度急劇增加，能耗迅速增加。到2030年，數(shù)據(jù)中心的能源需求預計將增加到3000太瓦時。巨大的電力消耗也意味著巨大的冷卻需求。數(shù)據(jù)中心的散熱瓶頸包括兩個方面，一是冷卻系統(tǒng)的能效，二是大功率設備的散熱效率。采用高效制冷方式降低制冷系統(tǒng)能耗是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的有效途徑之一。且傳統(tǒng)的風冷冷卻方式，已經(jīng)難以滿足伴隨著算力熱潮而非速增長的數(shù)據(jù)中心冷卻需求。很多企業(yè)和學者目前通常采用液體冷卻的方式降低數(shù)據(jù)中心冷負荷，但隨著人工智能領域的高速發(fā)展，間接液冷即冷板的冷卻方式甚至也無法滿足某些大功率高能流密度的電子器件冷卻需求，于是直接浸沒冷卻的方式被廣泛研究。浸沒冷卻系統(tǒng)分為單相和雙相兩種，相比于單相浸沒冷卻，利用相變潛熱傳導方式的雙相浸沒冷卻系統(tǒng)能夠處理超過200w/cm2的大功率電子器件冷卻需求，且由于其直接浸沒的特性，減少了換熱過程而產(chǎn)生的許多泵功，同時由于浸沒工質(zhì)能夠帶走大量熱量但溫度不變的特性，冷卻系統(tǒng)散熱時不需要太大的溫差，大大降低了冷卻系統(tǒng)的能效，而電子器件直接浸沒在工質(zhì)中，系統(tǒng)的噪音和危險性也大大降低。

2、在目前對于浸沒冷卻的研究中，存在兩個非常重要的評價參數(shù)，即臨界熱流密度critical?heat?flux(chf)和傳熱系數(shù)heat?transfer?coefficient(htc)，通常在熱源表面進行改性，通過蝕刻、沉積、電鍍、自組裝等方法改變其表面的粗糙度和親疏水性，以改變氣泡的成核速率、脫離直徑等參數(shù)，從而有效增強chf和htc。而親疏水性對于氣泡在熱源表面的活化成核具有較大影響，在熱源溫度未達到飽和溫度時，只存在顯熱傳遞，此時氣泡未產(chǎn)生，而采用疏水性的復合熱源表面能夠有利于氣泡的形成，從而降低起始沸騰溫度onsetof?boiling(onb)，提升系統(tǒng)啟動初期的響應效率。在模態(tài)沸騰發(fā)生后，工質(zhì)通過相變潛熱帶走熱源熱量，此時，親水表面又有利于液膜的快速補充，從而提升chf，因此，能夠根據(jù)沸騰時期的不同而動態(tài)調(diào)節(jié)親疏水性的熱源表面，將能夠有效提升浸沒冷卻系統(tǒng)的冷卻效率和響應速率。另一方面，目前浸沒冷卻系統(tǒng)的應用中，大多直接將冷卻工質(zhì)換走的熱量直接散給環(huán)境或冷卻塔，并為加以利用，這同樣會造成冷卻系統(tǒng)的火用損失，進而降低冷卻系統(tǒng)能效。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種基于自適應涂層的數(shù)據(jù)中心浸沒液冷系統(tǒng)，能夠同時根據(jù)沸騰的不同階段被動調(diào)節(jié)自身特性，提升冷卻能力；能夠提升浸沒冷卻系統(tǒng)的能量利用效率。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明利用tio2/sio2涂層的特定光譜活化性能，和熱釋光材料的熱釋光特性，通過浸沒冷卻系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱能，激發(fā)熱釋光材料產(chǎn)生可見光或紫外光，而tio2/sio2涂層本身呈疏水性，在該光譜的照射下，能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水性薄膜。從而起到沸騰初期降低onb，核態(tài)沸騰時期提升chf的動態(tài)自適應調(diào)控作用。有效提升浸沒冷卻系統(tǒng)的運行能效、冷卻速率和冷卻負荷上限。

4、本發(fā)明提供一種基于自適應涂層的數(shù)據(jù)中心浸沒液冷系統(tǒng)，包括：室外冷量供應單元、房間側(cè)空氣冷卻單元和機柜側(cè)浸沒冷卻單元；

5、所述機柜側(cè)浸沒冷卻單元包括：機柜、主板、自適應涂層、液冷板、熱釋光材料、換熱器一和換熱器二；

6、數(shù)據(jù)中心內(nèi)包括多個機柜，機柜內(nèi)的主板為主要冷卻對象，主板浸泡于機柜內(nèi)的冷卻工質(zhì)中，冷卻工質(zhì)升溫后在液冷板的表面發(fā)生冷凝，冷凝后的液體工質(zhì)重新滴落回池中進行補液，液冷板中的冷卻工質(zhì)將熱量帶走后，流入熱釋光材料下方的換熱器一，使熱釋光材料激發(fā)出可見光或紫外光，從而照射在主板表面的自適應涂層上，增強池沸騰；隨后剩余熱量流入換熱器二中，將熱量換給換熱器三；經(jīng)冷卻后的液體重新循環(huán)入機柜頂端的液冷板；

7、所述房間側(cè)空氣冷卻單元用于帶走led燈和其他泵機產(chǎn)生的多余熱量，所述房間側(cè)空氣冷卻單元包括：風機一、進風口、排風口，室外新風經(jīng)風機一的作用下送入室內(nèi)，經(jīng)數(shù)據(jù)中心地面的進風口進入室內(nèi)，熱風在強制對流和熱壓作用下從頂部出風口排出，最終由排風口排出室外；燈板上的led燈為熱釋光材料提供光譜能量來源；

8、所述室外冷量供應單元包括：冷卻塔、冷卻扇，冷量的最終來源為冷卻塔，經(jīng)水泵二的驅(qū)動作用下，冷凍水流入冷卻塔中，熱量被冷卻扇帶走。

9、進一步的，在數(shù)據(jù)中心運行時，主板產(chǎn)生熱量，使池中冷卻工質(zhì)升溫，達到飽和溫度后，低沸點的冷卻工質(zhì)(如氟化液)發(fā)生相變，冷卻工質(zhì)吸收主板產(chǎn)生的熱量但溫度不變，主板表面發(fā)生核態(tài)沸騰，產(chǎn)生氣泡，氣泡在壓差和浮力作用下，升向冷卻工質(zhì)液面，到達氣相冷凝區(qū)，在液冷板的表面發(fā)生冷凝，并將熱量傳遞給液冷板；冷凝后的液體工質(zhì)重新滴落回池中進行補液，液冷板將熱量帶走后，冷卻工質(zhì)流入熱釋光材料下方的換熱器一，將部分熱量帶給熱釋光材料，使熱釋光材料激發(fā)出可見光或紫外光，從而照射在主板表面的自適應涂層上，改變其親疏水性，從而增強池沸騰；隨后剩余熱量在隨著水泵一的驅(qū)動循環(huán)下，流入換熱器二中，將熱量換給換熱器三；經(jīng)冷卻后的液體重新循環(huán)入機柜頂端的液冷板，源源不斷帶走池沸騰循環(huán)產(chǎn)生的熱量。

10、進一步的，所述液冷板為常規(guī)數(shù)據(jù)中心間接液冷系統(tǒng)采用的冷板或微通道冷板；所述自適應涂層為能夠在熱釋光材料激發(fā)光譜下發(fā)生響應的復合涂層，所述自適應涂層為tio2或sio2涂層。

11、進一步的，所述自適應涂層在一般情況下表現(xiàn)為疏水性，經(jīng)可見光或紫外光照射后，可迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水性，且停止照射后，又將緩慢恢復疏水性，利用該原理，在冷卻工質(zhì)由單相向氣液兩相的沸騰起始階段，此時池中工質(zhì)溫度較低，并未達到熱釋光材料的激發(fā)溫度，無可見或紫外光照射，自適應涂層為疏水性，這有利于氣泡的快速成核與聚集，能夠有效降低沸騰起始溫度；當主板溫度達到或超過飽和溫度，發(fā)生過冷或飽和沸騰時，熱量由于冷卻工質(zhì)的相變作用，迅速被液冷板帶走，在液冷板的表面發(fā)生冷凝，重新滴落回池中，此為機柜內(nèi)池沸騰循環(huán)；

12、進一步的，熱量源源不斷從液冷板送入換熱器一中，溫度達到熱釋光材料的激發(fā)溫度后，其激發(fā)出紫外或可見光，同時由于池沸騰產(chǎn)生的氣泡，激發(fā)光線在氣泡的折射下照射在主板表面的自適應涂層上，使其轉(zhuǎn)化為超親水表面，由于此時其表面正在發(fā)生核態(tài)沸騰，親水表面有利于液相的及時補充，系統(tǒng)的臨界熱流密度提升。本發(fā)明從基于單一涂層的親疏水性被動轉(zhuǎn)變機理，有效降低了池沸騰的起始沸騰溫度，并提升了臨界熱流密度。這有利于數(shù)據(jù)中心浸沒液冷系統(tǒng)的快速響應和冷卻效率提升。

13、進一步的，所述機柜側(cè)浸沒冷卻單元還包括冷卻工質(zhì)噴淋口、冷卻室；所述冷卻室包括：風機一、冷凝盤管一、冷凝盤管二、水泵一、水泵三、換熱器一、液體噴淋口；冷卻塔為冷卻室提供最終冷量；所述機柜側(cè)浸沒冷卻單元不包括也冷板；

14、無液冷板遮擋，熱釋光材料直接安裝在機柜頂端，最大化提升熱量傳遞效率。

15、進一步的，氣相冷卻工質(zhì)被風機二抽走送入冷卻室中的冷凝盤管一，冷卻室內(nèi)的冷水從換熱器一中在水泵一的驅(qū)動下由冷卻工質(zhì)噴淋口噴出，在噴淋蒸發(fā)冷卻的作用下，氣相冷卻工質(zhì)在冷凝盤管一中進行預冷，此時部分氣相冷卻工質(zhì)冷凝為液相，隨后流入冷凝盤管二中，從液體噴淋口噴出的冷卻水，積流在冷卻室底部形成積流液體，液態(tài)冷卻水包覆冷凝盤管二，對其進行二次冷凝，此時冷凝盤管二中的冷卻工質(zhì)被完全冷凝為液相，在水泵一的驅(qū)動下，重新流入機柜底部，由冷卻工質(zhì)噴淋口射入主板之間的縫隙中，對沸騰池進行補液。

16、進一步的，冷卻工質(zhì)噴淋口的噴口角度與液相冷卻工質(zhì)上升角度相同，能起到類似流沸騰的換熱增強作用；同時，向上噴射的液流能夠避免兩相鄰主板間的氣泡聚集，有效延遲膜態(tài)沸騰的時間，能夠強制對流增強補液，并推動氣泡向上運動，快速帶走熱量，提升臨界熱流密度。

17、進一步的，所述換熱器一的熱量被換熱器二換走，冷量的最終來源為冷卻塔，經(jīng)水泵三的驅(qū)動作用下，冷凍水流入冷卻塔中，熱量被冷卻扇帶走。

18、進一步的，房間側(cè)空氣冷卻單元帶走熱量led燈和其他泵機產(chǎn)生的多余熱量，室外新風經(jīng)風機三的作用下送入室內(nèi)，經(jīng)數(shù)據(jù)中心地面的進風口進入室內(nèi)，熱風在強制對流和熱壓作用下從頂部出風口排出，最終由排風口排出室外。

19、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

20、(1)能夠同時根據(jù)沸騰的不同階段被動調(diào)節(jié)自身特性，提升冷卻能力；系統(tǒng)的自適應調(diào)控模式，能夠同時根據(jù)沸騰的不同階段冷端溫度不同，被動調(diào)節(jié)自身沸騰特性，提升系統(tǒng)初始的熱響應能力和模態(tài)沸騰階段的冷卻能力；將低沸點浸沒工質(zhì)的飽和溫度與熱釋光激發(fā)溫度結(jié)合，提出針對卻數(shù)據(jù)中心浸沒冷卻系統(tǒng)的獨特能量利用方式。

21、(2)能夠提升浸沒冷卻系統(tǒng)的能量利用效率；熱釋光材料與數(shù)據(jù)中心適配的充放光模式，在led燈進行照明時，熱釋光材料會吸收其中的可見或紫外波段光線，在浸沒冷卻系統(tǒng)余熱激發(fā)后，將其釋放，照射在tio2/sio2涂層上，調(diào)控其親疏水性；熱釋光材料與浸沒噴淋冷卻單元耦合；將蒸發(fā)工質(zhì)抽取，在室外通過蒸發(fā)冷卻和液冷結(jié)合對工質(zhì)進行冷凝，并將冷卻工質(zhì)送回浸沒噴淋冷卻單元的液相，對氣泡上升通路和熱源側(cè)壁噴淋的循環(huán)模式；本發(fā)明從基于單一涂層的親疏水性被動轉(zhuǎn)變機理，有效降低了池沸騰的起始沸騰溫度，并提升了臨界熱流密度。這有利于數(shù)據(jù)中心浸沒液冷系統(tǒng)的快速響應和冷卻效率提升。