CN104244681B - 一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，包括一个以上热管散热器、服务器机柜、供水支管、回水支管、机房供水干管、机房回水干管、自动补水定压装置、循环水泵、备用水泵、换热装置、室外回液连接管、室外出气连接管、液阀、气阀、风冷冷凝器和控制系统；风冷冷凝器采用自然冷却节能措施。本发明实现对服务器的直接冷却，解决服务器机柜局部过热和存在热点的问题；同时利用自然冷却措施，换热温差大、效率高，具备简单可靠、功耗低、噪音小的特点，满足节能环保理念。

Description

一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统

技术领域

本发明涉及互联网数据中心机柜服务的散热技术领域，尤其涉及的是一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统。

背景技术

随着IDC互联网数据中心机房高密度机柜的不断增加，设备的集成度越来越高，处理能力也逐渐增高，但设备的功率消耗也随之增大，导致机柜内设备的发热量越多。据统计，目前国内大型IDC机房内机柜服务器发热量大，且基本为全年8760h运行，对于不采用新风的机房而言，全年均需供冷，导致空调系统能耗巨大，其空调能耗约占数据机房整体能耗的40%~50%。

传统数据机房送风方式有底板风道送风、冷热通道隔离送风和全房间制冷送风等方式, 该模式已不满足现代化机房高密度机柜的制冷需求，出现了局部过热、耗电量大、机房空调能耗过高、噪音大等问题。同时机房精密空调需反复加湿、除湿运转或配套专用除湿机进行机房空气湿度、露点控制，以确保设备内部不发生凝露，导致机房空调系统制冷效率降低、能耗增大。如果机房的散热问题解决不好，就会严重威胁机房设备的安全运行。因此如何在满足设备使用要求的情况下，有效降低机房内空调系统的能耗是空调行业和数据机房运营行业面临的一个重要问题。

从节能角度考虑，目前有直接采用将室外空气引入室内为机房降温的方案，其优点是制冷效率高、初投资低、能耗低，但缺点是引入室外冷空气后，使得室内空气洁净度、湿度难以保证，带来了安全隐患，后期运行维护量较大。另外也有采用气蜂窝式换热器，将热管热空气与室外冷空气间接换热，从而降低机房内温度的方案，其优点是在利用室外冷源时不引入室外的空气，不影响机房内的空气的洁净度和湿度，缺点是初投资相对较高，换热器结构比较复杂，容易堵塞，需要定期清洗，维护工作量大。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，旨在解决现有的机房空调设备利用室外空气做冷源导致室内空气洁净度、湿度难以保证和利用换热器与室外冷空气间接换热的成本大、维护工作量大的问题。

本发明的技术方案如下：一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，包括机房单元、冷媒供回水单元和控制系统，所述冷媒供回水单元包括冷却单元和循环动力单元，所述循环动力单元通过机房供水干管/机房回水干管与机房单元连接，循环动力单元通过室外出气连接管/室外回液连接管与冷却单元连接；所述冷却单元和循环动力单元都与控制系统连接；

所述机房单元包括一个以上的机柜服务器散热空气循环系统，多个机柜服务器散热空气循环系统之间采用同程并联方式连接后分别连接机房回水干管、机房供水干管；所述机柜服务器散热空气循环系统包括机柜、一个以上的散热风扇、多个服务器、多个热管散热器和多个热管散热器换热装置，所述服务器、热管散热器和热管散热器换热装置设置的数量一致，所述多个热管散热器换热装置之间采用同程并联方式连接；所述散热风扇、服务器、热管散热器和热管散热器换热装置都设置在机柜内，热管散热器紧密的贴合在服务器上，热管散热器换热装置与热管散热器连接，所述热管散热器换热装置通过供水支管与机房供水干管连接，热管散热器换热装置通过回水支管与机房回水干管连接；所述热管散热器换热装置由服务器联锁控制；

所述冷却单元包括储液罐、风冷冷凝器和冷凝风扇；所述储液罐通过风冷冷凝器出液管与风冷冷凝器连接，风冷冷凝器通过风冷冷凝器回气管、室外出气连接管与换热装置连接，储液罐通过室外回液连接管与换热装置连接；所述冷凝风扇与控制系统连接；

所述循环动力单元包括循环水泵、备用循环水泵和换热装置，备用循环水泵通过水泵连接管与循环水泵并联；所述循环水泵通过室外回水连接管与换热装置连接，循环水泵通过机房回水干管、回水支管与热管散热器换热装置连接，换热装置通过室外供水连接管、机房供水干管、供水支管与热管散热器换热装置连接；所述风冷冷凝器设置的水平高度必须高于换热装置设置的水平高度至少500mm以上；

所述控制系统包括控制器、冷媒水供水温度探头和冷媒水回水温度探头，所述冷媒水供水温度探头安装于机房供水干管上，冷媒水回水温度探头安装于机房回水干管上；所述冷媒水供水温度探头和冷媒水回水温度探头都与控制器连接；所述循环水泵、备用循环水泵和冷凝风扇都与控制器连接。所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，在风冷冷凝器的进气口设置气阀，在风冷冷凝器的出液口设置液阀。

所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述气阀设置在风冷冷凝器回气管上，所述液阀设置在风冷冷凝器出液管上。

所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述换热装置采用包括但不限于板式换热器、壳管式换热器。

所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述循环动力单元还包括自动补水定压装置，所述自动补水定压装置安装于循环水泵的吸入口侧，即水泵连接管和机房回水干管之间。

所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，热管散热器采用包括但不限于翅片式热管散热器、微通道热管散热器、陶瓷式热管散热器。

本发明的有益效果：本发明通过提供一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，实现对服务器的直接冷却，高效解决服务器局部过热和存在热点的难题；系统充分利用室外空气自然冷源，换热管的换热温差大，换热效率高；同时采用间接冷却方式，无杂质进入冷媒水循环系统，能够保证机房的循环水不受污染，延长使用寿命；机房采用不引入室外的空气，确保了机房内空气的洁净度和湿度，整个系统设计简单，投资低，系统机房内部无动力、运行无噪音、安全环保，实现数据机房节能增效、安全可靠的目的。

附图说明

图1是本发明中热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统的结构示意图。

图2是本发明中热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统包括机房单元100、冷媒供回水单元400和控制系统，所述冷媒供回水单元400包括冷却单元200和循环动力单元300，所述循环动力单元300通过机房供水干管/机房回水干管与机房单元100连接，循环动力单元300通过室外出气连接管/室外回液连接管与冷却单元200连接；所述冷却单元200和循环动力单元300都与控制系统连接。

所述机房单元100包括一个以上的机柜服务器散热空气循环系统160，多个机柜服务器散热空气循环系统160之间采用同程并联方式连接后分别连接机房回水干管、机房供水干管；所述机柜服务器散热空气循环系统160包括机柜110、一个以上的散热风扇120、多个服务器130、多个热管散热器140和多个热管散热器换热装置150，所述服务器130、热管散热器140和热管散热器换热装置150设置的数量一致，所述多个热管散热器换热装置150之间采用同程并联方式连接；所述散热风扇120、服务器130、热管散热器140和热管散热器换热装置150都设置在机柜110内，热管散热器140紧密的贴合在服务器130上，热管散热器换热装置150与热管散热器140连接，所述热管散热器换热装置150通过供水支管与机房供水干管连接，热管散热器换热装置150通过回水支管与机房回水干管连接。

所述热管散热器140紧密的贴合在服务器130上，直接换热冷却服务器130，解决机柜局部过热和存在热点问题。同时，热管散热器换热装置150由服务器130联锁控制，当某一服务器130停止工作时，其对应的热管散热器换热装置150也自动关断，不再有冷媒水流通；当服务器130重启时，热管散热器换热装置150联锁自动重启并吸收热管散热器140的热量从而冷却服务器130。热管散热器140结构类型包括但不限于翅片式热管散热器、微通道热管散热器和陶瓷式热管散热器等。

所述冷却单元200包括储液罐210、风冷冷凝器220和冷凝风扇230；所述储液罐210通过风冷冷凝器出液管与风冷冷凝器220连接，风冷冷凝器220通过风冷冷凝器回气管、室外出气连接管与循环动力单元300连接，储液罐210通过室外回液连接管与循环动力单元300连接；所述冷凝风扇230与控制系统连接。

为了便于控制风冷冷凝器220，在风冷冷凝器220的进气口设置气阀，本实施例中，所述气阀设置在风冷冷凝器回气管上；在风冷冷凝器220的出液口设置液阀，本实施例中，所述液阀设置在风冷冷凝器出液管上。

所述循环动力单元300包括循环水泵310、备用循环水泵320和换热装置340，备用循环水泵320通过水泵连接管与循环水泵310并联；所述循环水泵310通过室外回水连接管与换热装置340连接，循环水泵310通过机房回水干管、回水支管与热管散热器换热装置150连接，换热装置340通过室外供水连接管、机房供水干管、供水支管与热管散热器换热装置150连接；风冷冷凝器220通过风冷冷凝器回气管、室外出气连接管与换热装置340连接，储液罐210通过室外回液连接管与换热装置340连接；所述循环水泵310和备用循环水泵320都与控制系统连接。

所述循环水泵310或备用循环水泵320均采用变频控制技术，一用一备。备用循环水泵320通过水泵连接管与循环水泵310并联连接于机房回水干管和室外回水连接管之间；循环水泵310或备用循环水泵320通过动作调节输出信号与控制系统连接。

所述循环动力单元300还包括自动补水定压装置330，所述自动补水定压装置330安装于循环水泵310的吸入口侧，即水泵连接管和机房回水干管之间。所述循环水泵310和备用循环水泵320并联后连接水泵连接管，再与自动补水定压装置330串联连接。

所述风冷冷凝器220设置的水平高度必须高于换热装置340设置的水平高度至少500mm以上；所述换热装置340采用包括但不限于板式换热器、壳管式换热器等换热器类型。

所述换热装置340、室外出气连接管、气阀、风冷冷凝器回气管、风冷冷凝器220、风冷冷凝器出液管、液阀、储液罐210、室外回液连接管和冷凝风扇230组成热管循环系统。

所述换热装置340采用间接换热，无杂质进入冷媒水循环中，能够保证机房内的循环水不受污染，延长使用寿命。

所述换热装置340、室外供水连接管、机房供水干管、供水支管、回水支管、机房回水干管、自动补水定压装置330、循环水泵310或备用循环水泵320及水泵连接管、室外回水连接管、依次串联组成冷媒水循环系统。

所述自动补水定压装置330安装于循环水泵310的吸入口侧，即水泵连接管和机房回水干管之间，能够排除冷媒水循环系统中的多余气体，可根据循环冷媒水体积因温度变化导致的压力变化精确控制冷媒水系统内部压力，使系统压力保持恒定。

所述风冷冷凝器220采用自然冷却节能措施，系统充分采用室外自然空气的自然冷量对风冷冷凝器220内的循环制冷剂进行降温冷却，系统运行仅有循环水泵310或备用循环水泵320、冷凝风扇230动力设备，无需压缩制冷功耗。

所述控制系统包括控制器、冷媒水供水温度探头510、冷媒水回水温度探头520，所述冷媒水供水温度探头510安装于机房供水干管上；冷媒水回水温度探头520安装于机房回水干管上；所述冷媒水供水温度探头510、冷媒水回水温度探头520都与控制器连接；所述循环水泵、备用循环水泵和冷凝风扇都与控制器连接。

所述冷却单元200、循环动力单元300的安装位置根据实际需要设置，冷却单元200可以单独集成安装于室外，循环动力单元300可单独集成安装于数据机房设备间内；冷却单元200和循环动力单元300还可以组成冷媒供回水单元400，冷媒供回水单元400统一集成安装于室外。

所述控制系统带有动作调节输入信号和动作调节输出信号：其中，动作调节输入信号来源于冷媒水供水温度探头510探测得到的冷媒水供水温度、冷媒水回水温度探头520探测得到的冷媒水回水温度，输出信号用于控制循环水泵310或备用循环水泵320、冷凝风扇230工作状态，以确保冷媒水供水温度和回水温度控制在设定的范围内。

本热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统的运作过程如下：系统的低温冷媒水在循环水泵310或备用循环水泵320的作用下，沿机房供水干管进入机房，通过与之串联的多根供水支管进入机柜110内；各支管内的冷媒水在循环水泵310或备用循环水泵320动力作用下进入机柜110内的热管散热器换热装置150内来冷却热管散热器140管内的制冷剂，热管散热器140管内制冷剂与服务器130换热后成为高温制冷剂，热管散热器140管内高温制冷剂进入机柜110内的热管散热器换热装置150将热量传递给冷媒水，冷媒水经回水支管后流入机房回水干管并汇总，在循环水泵310或备用循环水泵320动力作用下，经室外回水连接管进入换热装置340；从室外回液连接管进入换热装置340的液态制冷剂蒸发吸收冷媒水的热量变成气态，气态制冷剂通过室外出气连接管、气阀、风冷冷凝器回气管进入风冷冷凝器220冷凝后变成液态，液态制冷剂通过风冷冷凝器出液管、液阀进入储液罐210，继而通过室外回液连接管进入换热装置340；从换热装置340出来的低温冷媒水通过室外供水连接管进入机房供水干管，完成机柜服务器用热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统的冷媒水循环。

冷媒水循环动力源水泵采用循环水泵310和备用循环水泵320一用一备方案，且循环水泵310和备用循环水泵320均采用变频控制技术。系统运行默认启动循环水泵310，当循环水泵310故障或定期检修时，系统自动切换为备用循环水泵320运行；冷却单元200提供的低温冷媒水在循环水泵310和备用循环水泵320动力作用下经室外供水连接管进入机房供水干管，连续为服务器机房设备提供散热所需的低温冷媒水。

热管散热器换热装置150对服务器130吸热冷却处理，且由服务器130联锁控制，当某一服务器130停止工作时，其对应的热管散热器换热装置150也自动关断，不再有冷媒水流通；当机柜服务器130重启时，热管散热器换热装置150联锁自动重启并吸收热管散热器140的热量从而冷却服务器130。

对于不引入室外新风的数据机房，其内部环境空气干湿球温度要求保持恒定，故对应的露点温度也保持恒定，且采用热管散热器冷却服务器时，热管蒸发温度、冷凝温度、冷媒水供水温度和冷媒水回水温度皆高出露点温度，故无需考虑冷凝水的产生。控制器不间断采集由冷媒水供水温度探头510探测得到的冷媒水供水温度、冷媒水回水温度探头520探测得到的冷媒水回水温度。

如图2所示，一种如上述所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤A00：设定冷媒水供水温度标准值为T10，Δt1、Δt2为T10的精度范围；冷媒水回水温度标准值为T20，Δt3、Δt4为T20的精度范围；

步骤B00：控制器接由冷媒水供水温度探头510探测得到的冷媒水供水温度T1和由冷媒水回水温度探头520探测得到的冷媒水回水温度T2；

步骤C00：控制器判断T1与T10-Δt1、T10+Δt2的大小；若T1≤T10-Δt1，执行步骤D00-步骤E00；若T10-Δt1≤T1≤T10+Δt2，执行步骤F00-步骤G00；若T1≥T10+Δt2，执行步骤H00-步骤I00；

步骤D00：控制器发出动作调节输出信号降低冷凝风扇230的频率，以增大T1使其维持在T10-△t1≤T1≤T10+△t2范围内；调节循环水泵310或备用循环水泵320频率，使T2维持在T20-△t3≤T2≤T20+△t4范围内；

步骤E00:执行步骤C00；

步骤F00: 控制器发出动作调节输出信号不改变冷凝风扇230的频率，使T1维持在T10-△t1≤T1≤T10+△t2范围内；调节循环水泵310或备用循环水泵320频率使T2维持在T20-△t3≤T2≤T20+△t4范围内；

步骤G00:执行步骤C00；

步骤H00: 控制器发出动作调节输出信号增大冷凝风扇230的频率，以降低T1使其维持在T10-△t1≤T1≤T10+△t2范围内；调节循环水泵310或备用循环水泵320频率使T2维持在T20-△t3≤T2≤T20+△t4范围内；

步骤I00:执行步骤C00。

在上述整个自动控制过程中，循环水泵310或备用循环水泵320、冷凝风扇230动力设备的逻辑调节由控制器自行计算输出。

在上述整个自动控制过程中，所述△t1、△t2、△t3和△t4的大小根据实际需要设置。本实施例中，所述△t1=△t2=△t3=△t4=1°C。

总之，本热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统实现对服务器的直接冷却，高效解决服务器局部过热和存在热点的难题；系统充分利用室外空气自然冷源，换热管的换热温差大，换热效率高；同时采用间接冷却方式，无杂质进入冷媒水循环系统，能够保证机房的循环水不受污染，延长使用寿命；机房采用不引入室外的空气，确保了机房内空气的洁净度和湿度，整个系统设计简单，投资低，系统机房内部无动力、运行无噪音、安全环保，实现数据机房节能增效、安全可靠的目的。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，包括机房单元、冷媒供回水单元和控制系统，所述冷媒供回水单元包括冷却单元和循环动力单元，所述循环动力单元通过机房供水干管/机房回水干管与机房单元连接，循环动力单元通过室外出气连接管/室外回液连接管与冷却单元连接；所述冷却单元和循环动力单元都与控制系统连接；

所述机房单元包括一个以上的机柜服务器散热空气循环系统，多个机柜服务器散热空气循环系统之间采用同程并联方式连接后分别连接机房回水干管、机房供水干管；所述机柜服务器散热空气循环系统包括机柜、一个以上的散热风扇、多个服务器、多个热管散热器和多个热管散热器换热装置，所述服务器、热管散热器和热管散热器换热装置设置的数量一致，所述多个热管散热器换热装置之间采用同程并联方式连接；所述散热风扇、服务器、热管散热器和热管散热器换热装置都设置在机柜内，热管散热器紧密的贴合在服务器上，热管散热器换热装置与热管散热器连接，所述热管散热器换热装置通过供水支管与机房供水干管连接，热管散热器换热装置通过回水支管与机房回水干管连接；所述热管散热器换热装置由服务器联锁控制；

所述冷却单元包括储液罐、风冷冷凝器和冷凝风扇；所述储液罐通过风冷冷凝器出液管与风冷冷凝器连接，风冷冷凝器通过风冷冷凝器回气管、室外出气连接管与换热装置连接，储液罐通过室外回液连接管与换热装置连接；所述冷凝风扇与控制系统连接；

所述循环动力单元包括循环水泵、备用循环水泵和换热装置，备用循环水泵通过水泵连接管与循环水泵并联；所述循环水泵通过室外回水连接管与换热装置连接，循环水泵通过机房回水干管、回水支管与热管散热器换热装置连接，换热装置通过室外供水连接管、机房供水干管、供水支管与热管散热器换热装置连接；所述风冷冷凝器设置的水平高度必须高于换热装置设置的水平高度至少500mm以上；

所述控制系统包括控制器、冷媒水供水温度探头和冷媒水回水温度探头，所述冷媒水供水温度探头安装于机房供水干管上，冷媒水回水温度探头安装于机房回水干管上；所述冷媒水供水温度探头和冷媒水回水温度探头都与控制器连接；所述循环水泵、备用循环水泵和冷凝风扇都与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，在风冷冷凝器的进气口设置气阀，在风冷冷凝器的出液口设置液阀。

3.根据权利要求2所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述气阀设置在风冷冷凝器回气管上，所述液阀设置在风冷冷凝器出液管上。

4.根据权利要求1所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述换热装置采用板式换热器或壳管式换热器。

5.根据权利要求1所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述循环动力单元还包括自动补水定压装置，所述自动补水定压装置安装于循环水泵的吸入口侧，即水泵连接管和机房回水干管之间。

6.根据权利要求1所述的热管外循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，热管散热器采用翅片式热管散热器、微通道热管散热器和陶瓷式热管散热器中的一种。