CN104254232B - 一种热管循环式一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循环式一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、冷媒环路供氟支管、冷媒环路回氟支管、机房冷媒环路供氟干管、机房冷媒环路回氟干管、储液器、维护球阀、室外供氟连接管、室外回氟连接管、换热盘管供氟管、换热盘管回氟管、供氟阀、回氟阀、闭式冷却塔、控制模块等。本发明实现机柜冷风短距离精确输送，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，采用主动防凝露、流量保护控制，具备高可靠性、功耗低、噪音小的特点，满足节能环保理念。

Description

一种热管循环式一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，尤其涉及一种热管循环式一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；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循环式一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系统不能在满足机房设备散热要求的情况下同时节能有效地降低机房内空调系统能耗的问题。

本发明的技术方案如下：一种热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，包括机房单元、供回氟单元和控制模块；所述供回氟单元包括储液单元和冷却单元；

所述机房单元包括1个以上的机柜服务器散热空气循环系统，机柜服务器散热空气循环系统之间同程并联连接；所述机柜服务器散热空气循环系统包括机柜、多个机柜服务器、多个热管散热器和1个以上的散热风扇，所述热管散热器设置的数量与机柜服务器的数量一致，多个热管散热器之间采用异程并联方式连接；热管散热器通过冷媒环路供氟支管与机房冷媒环路供氟干管连接，热管散热器通过冷媒环路回氟支管与机房冷媒环路回氟干管连接；机柜服务器、热管散热器和散热风扇都设置在机柜内，所述热管散热器安装于机柜服务器下方，热管散热器由机柜服务器联锁控制，直接换热冷却机柜服务器；所述机柜采用底部进风、顶部出风结构；所述机房单元还包括供氟温度探头和机房室内空气露点温度探头，所述供氟温度探头设置在机房冷媒环路供氟干管上，检测供氟温度，所述机房室内空气露点温度探头检测机房室内的空气露点温度；所述供氟温度探头和机房室内空气露点温度探头都与控制模块连接；

所述储液单元包括储液器，所述储液器通过机房冷媒环路供氟干管、冷媒环路供氟支管与热管散热器连接，储液器通过室外供氟连接管与冷却单元连接；

所述冷却单元包括闭式冷却塔，所述闭式冷却塔包括壳体、变频风机、脱水装置、变频喷淋水泵、喷淋装置、换热盘管和进风格栅，所述变频风机、脱水装置、变频喷淋水泵、喷淋装置、换热盘管和进风格栅都设置在壳体内，变频风机设置在壳体的顶部，脱水装置设置在变频风机下方，喷淋装置设置在脱水装置下方，换热盘管设置在喷淋装置下方，壳体的底部设置有水箱；所述进风格栅设置在壳体的侧面，置于换热盘管和水箱之间；换热盘管一端通过热盘管供氟管、室外供氟连接管与储液器连接，另一端通过换热盘管回氟管、室外回氟连接管、机房冷媒环路回氟干管、冷媒环路回氟支管与热管换热器连接；所述变频喷淋水泵与喷淋装置连接，所述变频喷淋水泵连接至水箱；所述变频风机和变频喷淋水泵与控制模块连接。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述换热盘管安装的水平高度必须高于热管散热器和储液器安装的水平高度。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，在储液器的进液口和出液口处设置维护球阀。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述进液口的维护球阀设置在室外供氟连接管上，出液口的维护球阀设置在机房冷媒环路供氟干管上。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述在水箱的侧面设置有排水管、溢水管和补水管，所述排水管、溢水管和补水管连接至壳体外。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，在换热盘管的进口和出口分别设置有回氟阀和供氟阀。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述回氟阀设置在换热盘管回氟管上，供氟阀设置在换热盘管供氟管上。

所述的热管循环式一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或微通道热管散热器或陶瓷式热管散热器。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述换热盘管采用包括但不限于铜管或不锈钢管或碳钢管或铝管材料制成的螺纹或椭圆结构的换热盘管。

所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其中，所述冷却单元和储液单元经供氟连接管和回氟连接管连接组成供回氟单元，集成安装于室外。

本发明的有益效果：本发明通过提供一种热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，实现机柜冷风短距离输精确送，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和喷淋水蒸发吸热，换热管的换热温差大，换热效率高；采用闭式冷却塔换热盘管，无杂质进入冷媒氟循环系统，能够保证机房的循环氟制冷剂不受污染，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；同时，为了实现系统主动防凝露，根据凝露发生和预防机理，设计出节能型主动防凝露控制方案，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是本发明中热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统的结构示意图。

图2是本发明中热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统控制方法的步骤流程图。

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，本热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统包括机房单元100、供回氟单元400和控制模块500，所述供回氟单元400包括储液单元200和冷却单元300；机房单元100通过机房冷媒环路供氟干管与储液单元200连接，储液单元200通过室外供氟连接管与冷却单元300连接，冷却单元300通过室外回氟连接管、机房冷媒环路回氟干管与机房单元100连接；所述机房单元100和冷却单元300都与控制模块500连接。

所述机房单元100包括1个以上的机柜服务器散热空气循环系统110，所述机柜服务器散热空气循环系统110通过机房冷媒环路供氟干管与储液单元200连接，机柜服务器散热空气循环系统110通过室外回氟连接管、机房冷媒环路回氟干管与冷却单元300连接，机柜服务器散热空气循环系统110之间同程并联连接；所述机房单元100还包括供氟温度探头120和机房室内空气露点温度探头130，所述供氟温度探头120设置在机房冷媒环路供氟干管上，用于检测供给机柜服务器散热空气循环系统110散热用的氟的温度，所述机房室内空气露点温度探头130用于检测机房室内的空气露点温度；所述供氟温度探头120和机房室内空气露点温度探头130都与控制模块500连接。

所述机柜服务器散热空气循环系统110包括机柜111、多个机柜服务器112、多个热管散热器113和1个以上的散热风扇114，所述热管散热器113设置的数量与机柜服务器112的数量一致，多个热管散热器113之间采用异程并联方式连接；热管散热器113通过冷媒环路供氟支管与机房冷媒环路供氟干管连接，热管散热器113通过冷媒环路回氟支管与机房冷媒环路回氟干管连接；机柜服务器112、热管散热器113和散热风扇114都设置在机柜111内，所述热管散热器113安装于机柜服务器112下方，热管散热器113由机柜服务器112联锁控制，直接换热冷却机柜服务器112； 所述机柜111采用底部进风、顶部出风结构。

在机柜111内置散热风扇114的动力作用下，机柜外部的热空气经机柜111底部进风口进入机柜111，热空气首先经过热管散热器113与热管散热器113内的低温冷媒热交换，成为温度较低的冷空气，再经过机柜服务器112对机柜设备进行降温，实现短距离的冷风输送和精确送风。换热后的循环空气温度又升高，在完成多个升温——降温——升温后，经机柜顶部散热风扇114排出，进而完成机柜内外空气循环，同时也完成对机柜服务器112的降温冷却处理。其中，热管散热器113安装于机柜服务器112下方，直接换热冷却机柜服务器112，实现冷风的短距离输送，解决机柜局部过热和存在热点问题。同时，热管散热器113由机柜服务器112联锁控制，当某一机柜服务器112停止工作时，其对应的热管散热器113也自动关断，不再有冷媒流通；当机柜服务器112重启时，热管散热器113联锁自动重启并对机柜服务器112冷却。热管散热器113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。

所述储液单元200包括储液器210，所述储液器210通过机房冷媒环路供氟干管、冷媒环路供氟支管与热管散热器113连接，储液器210通过室外供氟连接管与冷却单元300连接。

所述储液器210安装于机房冷媒环路供氟干管和室外供氟连接管之间，能够适应不同工况下对氟利昂的不同需求，保证供氟充足，使系统保持稳定。

为了方便在储液器210出现故障或者需要关闭储液器210时单独控制储液器210，在储液器210的进液口和出液口处设置维护球阀211。本实施例中，为了方便安装，所述进液口的维护球阀211设置在室外供氟连接管上，出液口的维护球阀211设置在机房冷媒环路供氟干管上。

所述冷却单元300包括闭式冷却塔310，所述闭式冷却塔310包括壳体311、变频风机312、脱水装置313、变频喷淋水泵314、喷淋装置315、换热盘管316和进风格栅317，所述变频风机312、脱水装置313、变频喷淋水泵314、喷淋装置315、换热盘管316和进风格栅317都设置在壳体311内，变频风机312设置在壳体311的顶部，脱水装置313设置在变频风机312下方，喷淋装置315设置在脱水装置313下方，换热盘管316设置在喷淋装置315下方，壳体311的底部设置有水箱；所述进风格栅317设置在壳体311的侧面，置于换热盘管316和水箱之间；换热盘管316一端通过热盘管供氟管、室外供氟连接管与储液器210连接，另一端通过换热盘管回氟管、室外回氟连接管、机房冷媒环路回氟干管、冷媒环路回氟支管与热管换热器113连接；所述变频喷淋水泵314与喷淋装置315连接，所述变频喷淋水泵314连接至水箱；所述变频风机312和变频喷淋水泵314与控制模块500连接。

为了方便对水箱里水量的控制，所述在水箱的侧面设置有排水管、溢水管和补水管，所述排水管、溢水管和补水管连接至壳体311外。

为了方便对冷却单元300的供氟和回氟进行控制，在换热盘管316的进口和出口分别设置有回氟阀和供氟阀。为方便安装，本实施例中，所述回氟阀设置在换热盘管回氟管上，供氟阀设置在换热盘管供氟管上。

所述换热盘管316安装的水平高度必须高于热管散热器113和储液器210安装的水平高度。这样，低温冷媒氟在液态冷媒氟的重力作用下，才能沿机房冷媒环路供氟干管进入机房。

所述换热盘管316可采用包括但不限于铜管、不锈钢管、碳钢管、铝管等材料制成的螺纹、椭圆等结构类型的换热盘管。

所述冷却单元300在闭式冷却塔310顶部变频风机312的作用下，室外的干冷空气经进风格栅317进入冷却塔壳体311，并由下至上通过换热盘管316热湿交换、脱水装置313成为饱和热湿空气，并经变频风机312排出。冷却塔壳体311底部的循环冷却水在变频喷淋水泵314的作用下，经喷淋装置315雾化或喷淋至换热盘管316表面，与其内部的循环冷媒氟间接换热，吸热后的冷却水同时与进入冷却塔壳体311的干冷空气热湿交换降温完成冷却塔内的冷却水循环。当室外干冷空气温度较低时，系统自控控制停止变频喷淋水泵运行，仅采用室外干冷空气与换热盘管316间接换热，起到节水效果。其中，冷却塔壳体311内的冷却水由自动控制调节补水管对冷却水量进行补充，通过排水管排水及排污和溢水管自由排水，保证闭式冷却塔的安全可靠运行，同时确保了中间冷却器里的循环水不受污染，延长了设备的使用寿命。

所述冷却单元300包括闭式冷却塔310、供氟阀和回氟阀，可集成单独安装于室外。所述储液单元200包括储液器210，可单独集成安装于机房设备间。所述冷却单元300和储液单元200经供氟连接管和回氟连接管连接组成供回氟单元400，可集成安装于室外。

整个热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统形成三个循环系统：机柜服务器散热空气循环系统、氟利昂循环系统和冷却塔换热盘管散热循环系统。所述冷却塔换热盘管316、换热盘管供氟管、供氟阀、室外供氟连接管、维护球阀、储液器210、机房冷媒环路供氟干管、多根冷媒环路供氟支管、多个热管散热器113、多根冷媒环路回氟支管、机房冷媒环路回氟干管、室外回氟连接管、回氟阀、换热盘管回氟管串连组成氟利昂循环系统。所述机柜111、冷媒环路供氟支管、多个热管散热器113、冷媒环路回氟支管、多个机柜服务器112、一个以上散热风扇114组成机柜服务器散热空气循环系统。所述冷却塔换热盘管散热循环系统采用自然冷却节能散热，充分采用室外自然空气的自然冷量、循环喷淋水蒸发吸热对换热盘管316内的循环氟制冷剂进行降温冷却，系统运行仅有变频风机312和变频喷淋水泵314动力设备，无需压缩制冷功耗；且当室外气温较低时，可关闭变频喷淋水泵314，实现节水效果。

本热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统的运行过程如下：冷却单元300提供的低温冷媒氟在液态冷媒氟的重力作用下，沿机房冷媒环路供氟干管进入机房，通过与之并联的多根冷媒环路供氟支管进入机柜111内；各支管内的冷媒氟在重力作用下进入机柜内的热管散热器113内，与经过热管散热器113的热空气间接换热后成为高温气态冷媒氟，在密度差的作用下气态冷媒氟上升，经冷媒环路回氟支管后流入机房冷媒环路回氟干管并汇总，再经室外回氟连接管、回氟阀、换热盘管回氟管进入闭式冷却塔310；高温气态冷媒氟在换热盘管316内与换热盘管316表面的喷淋水及通过换热盘管316表面的干冷空气间接换热，成为低温液态冷媒氟；在重力作用下再依次经换热盘管供氟管、供氟阀、室外供氟连接管、储液器210内，然后沿机房冷媒环路供氟干管进入机房，完成热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统的封闭式冷媒循环。

所述控制模块500带有动作调节输入信号和动作调节输出信号，输入信号来源于供氟温度和机房空气露点温度，输出信号用于控制变频风机312、变频喷淋水泵314的工作状态，以确保进入机房冷媒温度高于机房空气的露点温度而不发生凝露。

如图2所示，一种如上述所述的热管循环式一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：设置温度设定值T0；

步骤B00：控制模块500判断由供氟温度探头120检测到的供氟温度T1和机房室内空气露点温度探头130检测到的机房空气露点温度T2的大小，若T1<T2，执行步骤C00-步骤D00；若T1>T2，执行步骤E00-步骤K00；

步骤C00：控制模块500以控制供氟温度T1为主：控制模块500发出动作调节输出信号至变频风机312和变频喷淋水泵314，以降低变频风机312和变频喷淋水泵314的动力功耗；

步骤D00：执行步骤B00；

步骤E00：控制模块500判断机房室内空气露点温度探头130检测到的机房空气露点温度T2和温度设定值T0的大小，若T2= T0，执行步骤F00-步骤G00；若T2< T0，执行步骤H00-步骤I00；若T2> T0，执行步骤J00-步骤K00；

步骤F00：控制模块500发出动作调节输出信号至变频风机312和变频喷淋水泵314，保持变频风机312和变频喷淋水泵314当前的动力功耗不变；

步骤G00：执行步骤B00；

步骤H00：控制模块500发出动作调节输出信号至变频风机312和变频喷淋水泵314，降低变频风机312和变频喷淋水泵314的运行频率，以提升机房空气露点温度T2和节能的目的；

步骤I00：执行步骤B00；

步骤J00：控制模块500发出动作调节输出信号至变频风机312和变频喷淋水泵314，提高变频风机312和变频喷淋水泵314的运行频率，以降低机房空气温度T2而满足机柜服务器112的散热需求；

步骤K00：执行步骤B00。

整个自动控制过程中，变频风机312、变频喷淋水泵314动力设备的逻辑调节由控制模块500自行计算输出。

本热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统实现机柜冷风短距离输精确送，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和喷淋水蒸发吸热，换热管的换热温差大，换热效率高；采用闭式冷却塔换热盘管，无杂质进入冷媒氟循环系统，能够保证机房的循环氟制冷剂不受污染，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；同时，为了实现系统主动防凝露，根据凝露发生和预防机理，设计出节能型主动防凝露控制方案，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。

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。主动防凝露的控制模块500不间断采集供氟温度探头120和机房室内空气露点温度探头130探测到的供氟温度和室内空气露点温度。

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 (10)

1.一种热管循环式一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、供回氟单元和控制模块；所述供回氟单元包括储液单元和冷却单元；

所述机房单元包括1个以上的机柜服务器散热空气循环系统，机柜服务器散热空气循环系统之间同程并联连接；所述机柜服务器散热空气循环系统包括机柜、多个机柜服务器、多个热管散热器和1个以上的散热风扇，所述热管散热器设置的数量与机柜服务器的数量一致，多个热管散热器之间采用异程并联方式连接；热管散热器通过冷媒环路供氟支管与机房冷媒环路供氟干管连接，热管散热器通过冷媒环路回氟支管与机房冷媒环路回氟干管连接；机柜服务器、热管散热器和散热风扇都设置在机柜内，所述热管散热器安装于机柜服务器下方，热管散热器由机柜服务器联锁控制，直接换热冷却机柜服务器；所述机柜采用底部进风、顶部出风结构；所述机房单元还包括供氟温度探头和机房室内空气露点温度探头，所述供氟温度探头设置在机房冷媒环路供氟干管上，检测供氟温度，所述机房室内空气露点温度探头检测机房室内的空气露点温度；所述供氟温度探头和机房室内空气露点温度探头都与控制模块连接；

所述储液单元包括储液器，所述储液器通过机房冷媒环路供氟干管、冷媒环路供氟支管与热管散热器连接，储液器通过室外供氟连接管与冷却单元连接；

所述冷却单元包括闭式冷却塔，所述闭式冷却塔包括壳体、变频风机、脱水装置、变频喷淋水泵、喷淋装置、换热盘管和进风格栅，所述变频风机、脱水装置、变频喷淋水泵、喷淋装置、换热盘管和进风格栅都设置在壳体内，变频风机设置在壳体的顶部，脱水装置设置在变频风机下方，喷淋装置设置在脱水装置下方，换热盘管设置在喷淋装置下方，壳体的底部设置有水箱；所述进风格栅设置在壳体的侧面，置于换热盘管和水箱之间；换热盘管一端通过热盘管供氟管、室外供氟连接管与储液器连接，另一端通过换热盘管回氟管、室外回氟连接管、机房冷媒环路回氟干管、冷媒环路回氟支管与热管换热器连接；所述变频喷淋水泵与喷淋装置连接，所述变频喷淋水泵连接至水箱；所述变频风机和变频喷淋水泵与控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述换热盘管安装的水平高度必须高于热管散热器和储液器安装的水平高度。

3.根据权利要求2所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，在储液器的进液口和出液口处设置维护球阀。

4.根据权利要求3所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述进液口的维护球阀设置在室外供氟连接管上，出液口的维护球阀设置在机房冷媒环路供氟干管上。

5.根据权利要求2所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，在所述水箱的侧面设置有排水管、溢水管和补水管，所述排水管、溢水管和补水管连接至壳体外。

6.根据权利要求2所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，在换热盘管的进口和出口分别设置有回氟阀和供氟阀。

7.根据权利要求6所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述回氟阀设置在换热盘管回氟管上，供氟阀设置在换热盘管供氟管上。

8.根据权利要求2所述的热管循环式一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或微通道热管散热器或陶瓷式热管散热器。

9.根据权利要求2所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述换热盘管采用铜管或不锈钢管或碳钢管或铝管材料制成的螺纹或椭圆结构的换热盘管。

10.根据权利要求2所述的热管循环式一次冷媒环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述冷却单元和储液单元经供氟连接管和回氟连接管连接组成供回氟单元，集成安装于室外。