CN102103399B - 超高热密度冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超高热密度的冷却系统，包括空调设备，所述空调设备包含两层冷却循环，其制冷主机与冷却终端分离布置，所述冷却终端与被冷却设备形成全封闭式空气循环系统。通过将制冷主机与冷却终端设备分离布置，冷却终端与被冷却设备形成全封闭式空气循环系统，两者间的位置很近，冷却终端的送风距离非常短，且与外界无热质交换，故：显著提升了冷却效果，且系统运行不受外界因素干扰，并对机房环境没有任何影响；进一步的，因冷却终端与制冷主机分离，无压缩机带来的振动，噪声大大减小。

Description

超高热密度冷却系统

技术领域

本发明涉及冷却系统，具体涉及一种超高热密度冷却系统。

背景技术

面向科学计算的高性能计算机（又称超级计算机），性能已经跨越百万亿次向千万亿次发展。与此同时，互联网信息服务公司陆续建立了庞大的数据中心。随着计算中心与数据中心两类典型的超级计算平台规模的不断增长，对超高热密度冷却系统的需求越来越紧迫。

目前针对超高热密度机柜或刀片服务器的冷却策略是设定专门的高热密度区，在机房内设定一个有限的专门的区域提供强散热能力，将高热密度机柜限制在这一区域内。当一个专门的高热密度区被确定后，用户可以在这个区域采用专门的高热密度技术，以便为该区域提供可预测的功率密度和散热能力。当功率密度超过每个机柜10kW时，气流的不可预测性成了主要问题。解决这一问题的技术是基于缩短散热系统和机柜间的气流路径的原则，通常是将机柜的一个热通道和冷通道分开布局。该系统的空气循环方式可以是开放式，也可以是封闭热通道或冷通道来进一步提高气流的有效性。然后，用一个基于机架而设置的空调系统对热空气进行冷却,控制冷空气或热空气的气流组织，再加上较短的气流路径使得系统能够为很高的功率密度进行冷却。机架间空调系统可以是风冷或水冷的完整蒸汽压缩系统（包括压缩机、蒸发器、膨胀阀等），也可以是冷水式空调系统。

如图1所示，在此方案中采用一台服务器1由两台冷水式空调2进行冷却的方式，该基于机架而设置的空调系统能够实现单服务器30kW负荷的冷却。

虽然此方案基本可以解决超高热密度机柜的冷决问题，但也带来了一些新的问题，如机架旁边的空调系统会带来震动和噪声；开放式空气循环系统易受外界因素干扰,如太阳辐射、机房维护结构传热、机房内其它附属设备散热等都会增加空调系统的热负荷；空调系统的冷凝水给服务器带来危害；同时空调系统占用了大量的机房空间且需要专门的围护结构来封闭热通道，施工难度大，造价成本高等问题。

发明内容

为解决以上现有技术存在的冷却系统易受外界因素干扰且会带来震动和噪声的缺陷，提供一种超高密度冷却系统，包括空调设备，所述空调设备包含两层冷却循环，第一层冷却循环包括泵、流体-流体换热器；第二层冷却循环是将热量从流体-流体换热器传递给环境的冷水系统或者是将热量从流体-流体换热器传递给环境的蒸汽压缩系统，所述第一层冷却循环包括空气-流体换热器，冷却循环使用挥发性工作流体传递热量，所述空调设备的冷却终端包括蒸发器或包括蒸发器和与之配合使用的风机，所述空调设备的制冷主机与冷却终端分离布置，所述冷却终端与机架服务器形成全封闭式空气冷却循环系统。

根据实施例，本发明还可采用以下优选的技术方案：

所述制冷主机是两个或两个以上，冷却终端为多个，分为两组或两组以上，每组中各冷却终端通过管路系统串联连接在一起，所述各制冷主机各自针对其中一组冷却终端提供低温挥发性工作流体；组与组之间的冷却终端相互间隔交叉布置。

所述冷却终端与被冷却设备的尺寸相匹配，并靠近机架服务器设置。

所述冷却终端与机架服务器之间设有密封隔热材料。

所述冷却终端与机架服务器的外围还包裹密封隔热材料。

所述换热器是微通道换热器。

所述第一层冷却循环中流体-流体换热器中的流体是氟利昂、水或乙二醇中的一种；所述挥发性工作流体是氟利昂。

采用恒流阀控制所述低温挥发性工作流体的流量。

本发明的有益效果是：

通过将制冷主机与冷却终端设备分离布置，并设置冷却终端与机架服务器两者间的位置很近，使冷却终端的送风距离非常短，故：显著提升了冷却效果，且系统运行不受外界因素干扰，并对机房环境没有任何影响；进一步的，因冷却终端与制冷主机分离，无压缩机带来的振动，噪声大大减小。

制冷主机是两个或两个以上，冷却终端分为分别串联连接的两组或两组以上，所述各制冷主机各自针对其中一组冷却终端提供低温挥发性工作流体；所述各组冷却终端相互间隔布置；此布置方式可在某一台制冷主机发生故障或进行检修等停机情况时，每台服务器的温度都不至于升高很多，服务器系统仍然可以稳定运行；采用低温挥发性工作流体作为工作介质可避免水（包括冷凝水）进入机房。

冷却终端是微通道换热器，微通道换热器相比铜管翅片式换热器厚度小70%以上，其风阻也小很多，所以本发明中的冷却终端厚度尺寸可以做的很小，从而进一步节约机房内的宝贵空间。

附图说明

图1是现有技术中冷水式空调系统的冷却系统示意图；

图2本发明优选实施例的空气冷却循环系统的基本单元结构示意图；

图3是本发明采用了图2所示的基本单元的多机架多空调的串联式全封闭空气冷却循环系统的一个实施方式示意图；

图4是本发明采用了图2所示的基本单元的多机架多空调的串联式全封闭空气冷却循环系统的另一个实施方式示意图；

图5是冷却终端2、密封隔热材料21通过紧固件22连接在机架服务器1上的结构示意图；

图6是图3、4的实施方式中空调设备的两层冷却循环系统图；

图7是图3、4的实施方式中空调设备冷却系统的压焓图；

图8A、8B分别是图3实施例的冷却终端示意图的左视图和主视图；

图9A、9B分别是图4实施例的冷却终端示意图的左视图和主视图；

图10是一个优选实施例的冷却循环系统的基本组成示意图。

具体实施方式

实施例1

本制冷方案是专门针对高性能计算机或大型数据中心超高热密度的冷却方案。本实施例中的超高热密度冷却系统是一种多机架多空调的串联式全封闭空气冷却循环系统（下面简称为：冷却循环系统），所述的冷却循环系统包括空调设备，空调设备包含两层冷却循环、制冷主机和冷却终端，第一层冷却循环包括泵、空气-流体换热器、流体-流体换热器，冷却循环使用挥发性工作流体传递热量；第二层冷却循环是将热量从流体-流体换热器传递给环境的冷水系统，或者是将热量从流体-流体换热器传递给环境的蒸汽压缩系统，制冷主机与冷却终端分离布置，冷却终端与机架服务器形成全封闭结构。

具体来说，优选的实施方式中，如图2、3所示，冷却循环系统的每个基本单元是由机架服务器1和分别放置在机架服务器1两侧的两台冷却终端2组成，机架服务器1置于机架上，其工作过程中会散发热量，冷却终端2包括用于冷却机架服务器1的换热器。其中，在机架服务器1的内部设置有左右两个完全隔离的用于冷却机架服务器1的冷却通道，两台冷却终端2分别对两个冷却通道进行冷却，冷却终端2、冷却通道与机架服务器1之间设有密封隔热材料21（如图5所示）并通过有效的结构连接使得冷却终端2成为机架服务器1的一部分，冷却终端2和机架服务器1之间形成全封闭的密封系统。然后，将多个上述的基本单元通过管路系统串联在一起组成一个大的冷却循环系统，并在该冷却循环系统的两端分别装有一密封结构箱体3，其可以使两端冷却通道的走向旋转180度。

如图5所示，是冷却终端2、密封隔热材料21通过紧固件22连接在机架服务器1上的结构示意图；这样的结构设计紧凑，送风距离短，不浪费空间且具有更好的散热效果。另外，此图中的紧固件22设置在机架的内侧，看起来比较美观，当然也可将紧固件22设置在机架的外侧，同样能够实现其功能。为进一步提升冷却效果，还可用密封隔热材料将前述由机架服务器1和冷却终端2组成的基本单元整个包裹起来，以做到充分的密封和保温。

本实施例中的空调设备主要包括制冷主机、冷却终端2和管路系统，制冷主机与外界或冷源进行热量交换，为空调设备提供低温流体，管路系统连接制冷主机和冷却终端2，冷却终端2与机架服务器1的尺寸相匹配，所述制冷主机、管路系统、冷却终端2和机架服务器1共同构成全封闭的空气冷却循环系统。全封闭空气冷却循环系统相比于开放式的冷却系统冷却效率显著提高。首先，全封闭系统没有散失到房间空气中的部分风量，所有的风量都用来冷却发热设备（本实施例中指的是机架服务器1），相比于开放式的冷却系统有效冷却风量明显提高；第二，因为在全封闭系统中空气的循环流程更加有方向性和目的性，且不受外界气流的影响，空气流场分布更加均匀，使得所有的发热设备都可以被冷却，达到精确冷却的目的；第三，在全封闭系统中冷却终端的换热器与发热设备的距离更加接近，送风过程中的冷量损失更小，提高系统冷却效率；综合以上三方面，全封闭空气冷却循环系统具有更高的冷却效率，可以应用在开放式系统无法冷却的超高热密度系统中，当单台机架服务器的热负荷达到30kW及以上时只能应用全封闭系统进行有效冷却。

如图3所示，冷却终端2仅包括换热器和与之配合使用的风机，所占空间非常小。本方案的全封闭空气冷却循环系统中，平均在每台50kW负荷的机架服务器1旁边设置两台25kW制冷量的冷却终端2，因冷却终端2尺寸很小，与机架服务器1的大小保持一致，可置于机架的内部，直接与机架服务器1紧密相连，从而使得冷却终端2成为一组机架服务器1的组成部分，故，可从机架内部冷却机架服务器1。每个冷却终端2的制冷量为25kW，在单个机架上分成左右两个独立的冷却终端2，每个冷却终端2的热负荷为25kW，整个机架服务器1的热负荷为50kW。

如图8A、8B，分别是该实施例的冷却终端2示意图的左视图和主视图。

另外，本冷却循环系统中机架服务器1和冷却终端2的数量可以根据需要自由选择。

如图6所示，为全封闭空气冷却循环系统的系统图，该冷却方案中的空调设备为一种分布式精确制冷系统，主要包括制冷主机和冷却终端，制冷主机与冷却终端分离布置。制冷主机内部布置有泵51、流体-流体换热器52（对应于图6中的热交换器52，以下同此）、储液器53、控制器55，制冷主机与冷却终端通过管路系统54连接。空调设备包含两层冷却循环，第一层冷却循环包括泵51、空气-流体换热器56（对应于图6中的蒸发器56，以下同此）、热交换器52等【热交换器52使用的流体主要是制冷剂，如氟利昂（R22、R134a或R410A）、水和乙二醇等】，冷却循环使用一种挥发性工作流体如氟利昂（R22、R134a或R410A）传递热量；第二层冷却循环可包括用于将热量从热交换器52传递给环境的冷水系统，或者，第二层冷却循环可包括用于将热量从热交换器52传递给环境的蒸汽压缩系统（图中未画出蒸汽压缩系统）；该空调设备的冷却终端主要包括蒸发器56、风机57、流量调节阀58和相应的管路系统54等部件。

泵51将低温状态下的挥发性工作流体（下称低温液体）通过管路系统54及流体分配系统输送到冷却终端，即低温液体经过控制低温液体的流量的流量调节阀58出来后进入蒸发器56，在蒸发器56中由于蒸发器56空气侧的热量而发生由液体到气体的相变过程，风机57安装在蒸发器56前方，用来产生空气流以加强蒸发器56空气侧的空气流量，增强蒸发器56的换热效率。在蒸发器56出口低温流体已转变为高温状态的挥发性工作流体（高温气体），通过管路系统54流出冷却终端2进入热交换器52中，在热交换器52中经过高温气体与低温水（或其它流体）进行热量交换释放出热量，从而在热交换器52内部液化成低温液体，然后低温液体进入储液器53，泵51再从储液器53中吸出低温液体进行下一个循环。空调设备冷却系统的压焓图如图7所示，此为本领域技术人员所已知技术，在此对其工作原理不做详述。

图1中的制冷系统是低温水直接进入冷却终端2吸收热量后温度升高后再流出冷却终端2，对比本实施例，其没有设置挥发性工作流体换热循环。本发明相对于图1中的制冷系统的挥发性工作流体，首先在冷却终端2的空气-流体换热器中发生的是潜热换热，而图1中的制冷系统的低温水在冷却终端2的换热器中只是显热换热，潜热换热效率明显优于显热换热；再次，即使在冷却终端2中出现泄漏现象，液体即可闪发成蒸汽，对服务器并无危害，而图1中的制冷系统直接将水引入冷却终端2，给机架服务器1带来更多风险。

本实施例的冷却系统中，冷却终端2的布置如图6所示。图中56为空气-流体换热器（图中具体显示为蒸发器），57为风机。挥发性工作流体的分配采用如图10所示的方式，制冷主机A为冷却终端A1、A3、A5、A7、A9、A11提供低温挥发性工作流体，制冷主机B为冷却终端B2、B4、B6、B8、B10、B12提供低温挥发性工作流体。当制冷主机A发生故障时，冷却终端A1、A3、A5、A7、A9、A11将停止向机架服务器供冷，而这时制冷主机B的冷却终端B2、B4、B6、B8、B10、B12可以继续向每个机架服务器1提供冷量，使每台机架服务器1的温度不至于升高很多，仍然可以稳定运行，这种交叉分配方式可以明显提高整个冷却循环系统运行的可靠性。

显然，所述制冷主机也可以是两个以上，比如三个、四个等，冷却终端相应的也可以是分别串联连接的两组以上，比如三组、四组等，所述各制冷主机各自针对其中一组冷却终端提供低温挥发性工作流体；所述各组冷却终端相互间隔交叉布置。与前述相同的道理，这种交叉分配方式可以明显提高整个冷却系统运行的可靠性。

实施例2

如图2、4所示，该实施例与前述实施例1的区别是，当机架服务器1带有足够的风量时，冷却终端2可取消风机，仅保留换热器。冷却终端2的布置如图6所示（但没有风机57），低温液体通过管路进入冷却终端2后，先经过流量调节阀58（流量调节阀58用来控制低温液体的流量），低温液体从流量调节阀58出来后再进入空气-流体换热器56，在空气-流体换热器56中由于吸收空气-流体换热器56空气侧的热量而发生由液体到气体的相变过程，在空气-流体换热器56出口低温流体已转变为高温气体，通过管路系统54流出冷却终端2回到制冷主机进行冷却循环使用。此时，冷却终端2的厚度最小可达到100mm，大大节省冷却系统所占空间。

如图9A、9B，分别是该实施例的冷却终端2示意图的左视图和主视图。

作为一种优选的实施方式，该实施例中的流量调节阀58具体采用恒流阀，因为本发明中制冷剂的流量无需调节。

实施例3

作为更为优选的实施例，该实施例中的冷却终端采用微通道换热器，微通道换热器相比常见散热器如铜管翅片式换热器等，厚度可以小70%以上，微通道换热器的风阻也小很多，所以该实施例中的冷却终端厚度尺寸可以做的很小，从而进一步节约机房内的宝贵空间。

以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超高热密度冷却系统，包括空调设备，所述空调设备包含两层冷却循环，第一层冷却循环包括泵、流体-流体换热器；第二层冷却循环是将热量从流体-流体换热器传递给环境的冷水系统或者是将热量从流体-流体换热器传递给环境的蒸汽压缩系统，其特征在于：所述第一层冷却循环包括所述空调设备的冷却终端,冷却循环使用低温挥发性工作流体传递热量，所述空调设备的冷却终端包括蒸发器或包括蒸发器和与之配合使用的风机，所述空调设备的制冷主机与冷却终端分离布置，所述冷却终端与机架服务器形成全封闭式空气冷却循环系统,

所述制冷主机是两个或两个以上，冷却终端为多个，分为两组或两组以上，每组中各冷却终端通过管路系统串联连接在一起，所述各制冷主机各自针对其中一组冷却终端提供低温挥发性工作流体；组与组之间的冷却终端相互间隔交叉布置。

2.如权利要求1所述的超高热密度冷却系统，其特征在于：所述冷却终端与机架服务器的尺寸相匹配，并靠近机架服务器设置。

3.如权利要求2所述的超高热密度冷却系统，其特征在于：所述冷却终端与机架服务器之间设有密封隔热材料。

4.如权利要求3所述的超高热密度冷却系统，其特征在于：所述冷却终端与机架服务器的外围还包裹密封隔热材料。

5.如权利要求4所述的超高热密度冷却系统，其特征在于：所述换热器是微通道换热器。

6.如权利要求5所述的超高热密度冷却系统，其特征在于：采用恒流阀控制所述低温挥发性工作流体的流量。

7.如权利要求6所述的超高热密度冷却系统，其特征在于：所述第一层冷却循环中流体-流体换热器中的流体是氟利昂、水或乙二醇中的一种；所述低温挥发性工作流体是氟利昂。

8.如权利要求1所述的超高热密度冷却系统，其特征在于：所述第一层冷却循环中流体-流体换热器中的流体是氟利昂、水或乙二醇中的一种；所述低温挥发性工作流体是氟利昂。

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