CN104320953A - 一种二次水环路服务器机柜散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次水环路服务器机柜散热系统，采用液体传导的方式进行散热，散热系统包括内循环系统、外循环系统和控制系统，首先，内循环环路载冷剂通过服务器热管组件吸收服务器核心部件的散热，然后内循环环路载冷剂流动到中间换热器与外循环流热交换进行散热，外循环流吸收热量之后再通过冷水塔将热量散发到外界环境，实现了自然散热过程，通过控制系统可以实现散热系统温度的精确控制和节能运行。本发明无需任何压缩机制冷系统，完全采用自然冷却方式实现服务器的有效散热，节能效果非常显著，同时，服务器芯片采用热管间接冷却方案，水不会直接进入服务器内部，和其他直接液冷方案相比，可提高服务器的安全性。

Description

一种二次水环路服务器机柜散热系统

技术领域

本发明涉及机房设备散热系统技术领域，特别涉及一种二次水环路服务器机柜散热系统。

背景技术

机房与基站的设备运行时发热量巨大，为维持设备的正常工作温度，机房需要配置相关设备全年运行给机房设备散热。随着信息行业的飞速发展，机房与基站建设速度增快，服务器的数量大幅度增加，其耗电量与散热量也在不断增加，机房散热设备的需求也随之增加，其节能性越来越受到生产商和用户的广泛关注。

传统的机房降温方式是降低机房空调温度，然后再使低温空气进入服务器，与散热部件强制对流换热，带走服务器运行时的热量。实际运行时，服务器中的主要待散热部件的CPU芯片自身温度只需保持在60~80℃之间，但由于空气比热容、空气密度以及强制对流换热系数比较低，如采用上述空气冷却的方式，只能通过降低空气的温度来确保足够的散热量，根据国标的推荐，机房冷空气温度应为24℃，而要全年保持24℃的室内温度，必须通过机械制冷方式实现。一般机房采用压缩机制冷系统全年运行，制取低温冷冻水或者低温制冷剂来冷却空气；此外，空调还需要配置风机强制机房空气流动散热，配置加热、加湿装置保持机房的恒温恒湿。据统计，这种方式下，空调能耗占机房总能耗的35%~45%，其中60%~70%电量被压缩机消耗。也有部分空调机组利用了室外冷源包括室外新风、冷水系统自然冷却，这种降温方式主要通过减少压缩机的运行时间，来达到节能目的，但是其他部件的耗电量也不能减少，并且夏季高温时，仍然需要压缩机制冷，采用空调自然冷却时的节能效果大约可以达到50%左右，耗电量仍然比较大；此外，采用空气调节方式的降温，空调设备比较复杂，需要各种机械装置和转动设备，初投资大，维护比较麻烦。

此外，随着信息技术的发展，服务器的运算速度加快，服务器散热量和机房散热密度也随之增长，依靠大量空气进行散热的方式局限性越发明显。可以预见在不久的将来，从节能和散热两个角度来看，空气冷却的方式都已经难以满足服务器的散热需求。

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二次水环路服务器机柜散热系统，旨在解决现有的空调利用纯压缩机制冷耗能大或空调机组利用室外冷源制冷设备复杂，初投资大，维护麻烦的问题。

本发明的技术方案如下：一种二次水环路服务器机柜散热系统，其中，包括服务器热管组件、内循环系统、中间换热器、外循环系统和控制系统；

所述服务器热管组件包括热管蒸发器和热管冷凝器，热管蒸发器和热管冷凝器通过连接管路连接；服务器热管组件内部充注制冷剂，制冷剂常温常压下为气体；所述热管蒸发器的一端直接与服务器散热芯片接触传热，热管冷凝器与内循环系统进行热交换；

所述内循环系统包括内循环水泵，内循环水泵和中间换热器通过内循环管路连接，内循环水泵、中间换热器和服务器热管组件散热端通过内循环管路连接形成内循环系统环路，内循环系统环路内充注内循环环路载冷剂，内循环水泵提供动力驱动内循环管路中的内循环环路载冷剂在内循环系统环路中流动，内循环环路载冷剂与热管冷凝器进行热交换； 

所述外循环系统包括冷水塔、水箱和外循环水泵；冷水塔和水箱、水箱和外循环水泵、外循环水泵和中间换热器、中间换热器和冷水塔之间通过外循环管路连接起来形成外循环系统环路，外循环系统环路内充注外循环流体，外循环水泵提供动力驱动管路中的流体流动；

所述控制系统包括控制器、内循环服务器进水温度传感器、内循环服务器出水温度传感器、外循环冷却塔出水温度传感器和外循环冷却塔出水温度传感器，内循环服务器进水温度传感器设置在内循环水泵和服务器热管组件之间，内循环服务器出水温度传感器设置在服务器热管组件和中间换热器之间；外循环冷却塔进水温度传感器设置在外循环水泵和中间换热器之间，外循环冷却塔出水温度传感器设置在中间换热器和冷水塔之间；所述内循环服务器进水温度传感器、内循环服务器出水温度传感器、外循环冷却塔出水温度传感器和外循环冷却塔出水温度传感器都与控制器电连接；所述内循环水泵、冷水塔和外循环水泵都与控制器连接。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述服务器热管组件设置多个，多个服务器热管组件之间并联连接。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述服务器热管组件设置在服务器机柜外。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述服务器热管组件与服务器一起置于机柜内。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述机柜内设置防水隔板，对各个服务器热管组件的两端进行防护隔离。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述内循环水泵抽水端的管路上引出支路水管，支路水管顶端安装定压补水装置，所述定压补水装置给内循环系统补充纯净水并且调节管路的压力。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述冷水塔为开放式冷水塔或者封闭式冷水塔；冷水塔内设置有风机和喷淋水泵，用于对外循环流体进行风冷降温和喷淋降温处理。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述内循环环路载冷剂和外循环流体采用水或者乙二醇溶液。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述内循环环路载冷剂和外循环流体采用防冻乙二醇溶液。

所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其中，所述中间换热器为板式换热器或管壳式换热器或套管式换热器；中间换热器一侧流体为外循环流体，另一侧流体为内循环环路载冷剂。

本发明的有益效果：本发明通过提供一种二次水环路服务器机柜散热系统，直接利用液体的循环，将服务器芯片的热量传导到室外，而且由于采用了比热容、密度以及对流导热效果较好的液冷致冷，只需利用35~50℃左右的液体为服务器散热即可，这样高温的制冷工质在各个季节，都可以通过自然冷却方式获得，取代现有的利用压缩机制冷系统制冷的空气冷却系统；同时服务器芯片和外部液冷系统之间采用热管换热部件进行间接冷却，可避免水直接进入服务器内部，大幅度降低因水系统泄漏造成服务器损坏的几率。

附图说明

图1是本发明中二次水环路服务器机柜散热系统的结构示意图。

图2是本发明中二次水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。

本发明提供的二次水环路服务器机柜散热系统，采取一个全新的方式来实现机房的散热，采用液—液热传导的方式，直接将机房热源散发的热量传递到室外，取代常规空气对流传热的方式（由于空气本身的热容比较低，空气对流换热的换热系数很低，通过空气作为中间介质时，需要大量的空气，且空气温度必须足够低，那么必然要耗费更多的动力驱动空气流动以及采用高能耗的压缩机方式制冷），本发明采用液体传导方式，液体的热容是空气的好几倍，液体驱动消耗的功率比较少，另外，液体流动强制换热系数比较高，液体温度只需达到35~50℃即可满足服务器的散热量需求：如服务器芯片温度达到65℃进行散热降温，而内循环液体温度只需达到35~40℃、外循环液体温度只需达到30~35℃即可使服务器芯片达到散热降温要求，而30~35℃的冷冻水（外循环液体温度）可以直接依靠冷却塔制取，服务器散热形成自然温度梯度，热量自动从高温处传导至低温部件，无需通过外力制冷，所以采用液体导热的方式时，CLF(Cooling Load Factor，制冷负载系数，定义为数据中心中制冷设备耗电与IT设备耗电的比值)可以轻松做到0.1以下；而采用现有常见的空气散热方式对服务器芯片进行散热，服务器芯片温度达到65℃进行散热降温时，机房空气温度需要达到24℃、冷冻水温度需要达到7~12℃才可使服务器芯片达到散热降温要求，全年提供7~12℃的冷水必须依靠机械外力作用才能实现，所以采用空气冷却方式时，散热系统的耗电量很大，CLF一般情况下在0.3~0.8之间。而且本二次水环路服务器机柜散热系统的结构简单，机械传动部件只有几个水泵，初投资、运行、维护的费用都比较低。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图1列举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本二次水环路服务器机柜散热系统包括服务器热管组件100、内循环系统200、中间换热器300、外循环系统400和控制系统500，所述服务器热管组件100中的制冷剂与服务器芯片进行热交换，服务器芯片降温，制冷剂升温；升温后的制冷剂与内循环系统200中的内循环环路载冷剂进行热交换，制冷剂降温，内循环环路载冷剂升温；升温后的内循环环路载冷剂与外循环系统400中的外循环流体在中间换热器300出进行热交换，内循环环路载冷剂降温，外循环流体升温，外循环流体再返回外循环系统400内降温，至此，完成服务器芯片的降温过程。

所述服务器热管组件100包括热管蒸发器和热管冷凝器，热管蒸发器和热管冷凝器通过连接管路连接；服务器热管组件100内部充注制冷剂，制冷剂常温常压下为气体；所述热管蒸发器的一端直接与服务器散热芯片接触传热，热管冷凝器与内循环环路载冷剂进行热交换；所述服务器热管组件100可以与服务器一起置于机柜内，也放置在机柜外；所述服务器热管组件100设置多个，多个服务器热管组件100之间并联连接。

由于服务器内安装了各种电子元器件，为防止内循环系统200的内循环环路载冷剂泄漏损坏电子元器件，机柜内设置防水隔板，对各个服务器热管组件100的两端进行防护隔离，而服务器热管组件100内部充注制冷剂，即使发生泄漏也会立刻变成气体，不会对电气元件形成危害。

所述内循环系统200包括内循环水泵210，内循环水泵210和中间换热器300通过内循环管路连接，内循环水泵210、中间换热器300和服务器热管组件100散热端通过内循环管路连接形成内循环系统环路，内循环系统环路内充注内循环环路载冷剂，内循环水泵210提供动力驱动内循环管路中的内循环环路载冷剂在内循环系统环路中流动；所述内循环水泵210与控制系统500连接。

所述内循环水泵210抽水端的管路上引出支路水管，支路水管顶端安装定压补水装置220，所述定压补水装置220给内循环系统200补充纯净水并且调节管路的压力。所述内循环水泵210和中间换热器300的位置可以互换，即内循环水泵210设置在中间换热器300的出水管路上。

所述外循环系统400包括冷水塔410、水箱420和外循环水泵430；冷水塔410和水箱420、水箱420和外循环水泵430、外循环水泵430和中间换热器300、中间换热器300和冷水塔410之间通过外循环管路连接起来形成外循环系统环路，外循环系统环路内充注外循环流体，外循环水泵430提供动力驱动管路中的流体流动；所述冷水塔410和外循环水泵430都与控制系统500连接。

所述冷水塔410为开放式冷水塔或者封闭式冷水塔。冷水塔410内设置有风机和喷淋水泵，用于对外循环流体进行风冷降温和喷淋降温处理。

所述水箱420置于冷水塔410的出水管路上，在冬季运行或者低负荷运行时，水箱中大量的蓄水提供足够的热容量，可以通过对冷水塔410运行的调节保证水箱420内的温度在设定范围内。

所述外循环水泵430和中间换热器300的位置可以互换，即外循环水泵430设置在中间换热器300的进水管路上。

所述内循环环路载冷剂和外循环流体为水或者乙二醇溶液或者其他载冷剂。在冬天环境温度低于0℃的场合，所述内循环环路载冷剂和外循环流体宜采用乙二醇溶液或其它防冻液。

所述中间换热器300可以为板式换热器或管壳式换热器或套管式换热器或者其他液液换热设备，中间换热器300一侧流体为外循环流体，中间换热器300另一侧流体为内循环环路载冷剂。

所述控制系统500包括控制器510、内循环服务器进水温度传感器520、内循环服务器出水温度传感器530、外循环冷却塔出水温度传感器和外循环冷却塔出水温度传感器，内循环服务器进水温度传感器520设置在内循环水泵210和服务器热管组件100之间，内循环服务器出水温度传感器530设置在服务器热管组件100和中间换热器300之间；外循环冷却塔进水温度传感器设置在外循环水泵430和中间换热器300之间，外循环冷却塔出水温度传感器设置在中间换热器300和冷水塔410之间；所述内循环服务器进水温度传感器520、内循环服务器出水温度传感器530、外循环冷却塔出水温度传感器和外循环冷却塔出水温度传感器都与控制器510电连接；所述内循环水泵210、冷水塔410和外循环水泵430都与控制器510连接。

所述内循环水泵210采用定频或者变频控制运行，外循环水泵430采用定频或者变频控制运行。

在实际应用时，一个冷水塔410可以同时给多台互相并联连接的中间换热器300提供经过降温的外循环流体，一个中间换热器300也可以同时给多个互相并联连接的机柜服务器提供经过降温的内循环环路载冷剂对机柜服务器进行降温冷却。

下面列举具体实施例详细说明本二次水环路服务器机柜散热系统运行时的具体工况，应当明确，这种工况只是多种运行状态中代表性的工况，服务器散热芯片的温度约为65℃，通过服务器热管组件100的高效传热，服务器热管组件100的散热端温度达到50℃，散热端与内循环环路载冷剂进行热交换，内循环环路载冷剂温度为35℃，吸取服务器热管组件100散热端的热量之后，内循环环路载冷剂温度升至40℃，在内循环水泵210的而驱动下，40℃的内循环环路载冷剂回到中间换热器300，与外循环流体进行热交换，内循环环路载冷剂放热，温度从40℃降低至35℃后，低温的内循环环路载冷剂继续回到服务器热管组件100的散热端吸收热量，形成内循环运行环路；外循环流体在中间换热器300时吸收内循环环路载冷剂排出的热量，温度从30℃上升到35℃，在外循环水泵430作用力下流回冷水塔410进行散热，外循环流体温度降低到30℃之后，继续流向中间换热器300进行热交换，形成外循环运行环路。

如图2所示，一种如上述所述的二次水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：控制器510判断内循环水泵210和外循环水泵430采用定频或者变频控制运行，若内循环水泵210和外循环水泵430均采用定频控制运行时，执行步骤B10- B20；若内循环水泵210采用定频控制运行，外循环水泵430采用变频控制运行时，执行步骤C10- C60；若内循环水泵210采用变频控制运行，外循环水泵430采用定频控制运行时，执行步骤D10-步骤D20；若内循环水泵210和外循环水泵430均采用变频控制运行时，执行步骤E10-步骤E60；

步骤B10：通过内循环服务器进水温度传感器520实时检测服务器的进水温度T1，转化为电信号反馈到控制器510；

步骤B20：控制器510根据T1调节冷水塔410的风机或喷淋水泵的转速/频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要；

步骤C10：通过内循环服务器进水温度传感器520实时检测服务器的进水温度T1，转化为电信号反馈到控制器510；

步骤C20：控制器510判断外循环水泵430的频率是否调节至最低，是，执行步骤C30；否，执行步骤C40；

步骤C30：控制器510判断T1是否在设定的精度范围内，是，执行步骤C50；否，执行步骤C60；

步骤C50：控制器510控制保持外循环水泵430的频率处于最低运行频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要；

步骤C60：控制器510控制保持外循环水泵430的频率处于最低运行频率，同时调节冷水塔410的风机或喷淋水泵的转速/频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要；

步骤C40：根据T1调节外循环水泵430的频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要，同时降低外循环水泵430的功耗节能运行；

步骤D10：通过内循环服务器进水温度传感器520实时检测服务器的进水温度T1，通过内循环服务器出水温度传感器530实时检测服务器的出水温度T2，转化为电信号反馈到控制器510；

步骤D20：控制器510根据T1调节冷水塔410的风机或喷淋水泵的转速/频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要；控制器510同时根据（T2-T1）的差值调节内循环水泵210的频率，使得（T2-T1）的差值保持在精度范围内（如±1℃），以达到内循环水泵210节能运行的目的。

步骤E10：通过内循环服务器进水温度传感器520实时检测服务器的进水温度T1，通过内循环服务器出水温度传感器530实时检测服务器的出水温度T2，转化为电信号反馈到控制器510；

步骤E20：控制器510判断外循环水泵430的频率是否调节至最低，是，执行步骤E30；否，执行步骤E40；

步骤E30：控制器510判断T1是否低于设定的精度范围，是，执行步骤E50；否，执行步骤E60；

步骤E50：控制器510控制保持外循环水泵430的频率处于最低运行频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要；控制器510同时根据（T2-T1）的差值调节内循环水泵210的频率，使得（T2-T1）的差值保持在精度范围内（如±1℃），以达到内循环水泵210节能运行的目的；

步骤E60：控制器510控制保持外循环水泵430的频率处于最低运行频率，同时调节冷水塔410的风机或喷淋水泵的转速/频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要；控制器510同时根据（T2-T1）的差值调节内循环水泵210的频率，使得（T2-T1）的差值保持在精度范围内（如±1℃），以达到内循环水泵210节能运行的目的；

步骤E40：控制器510根据T1调节外循环水泵430的频率，使得T1保持在精度范围内（如±1℃），以满足服务器的散热需要，同时降低外循环水泵430的功耗节能运行；控制器510同时根据（T2-T1）的差值调节内循环水泵210的频率，使得（T2-T1）的差值保持在精度范围内（如±1℃），以达到内循环水泵210节能运行的目的。

运行时，通过内循环系统200、外循环系统400的载冷剂循环流动，进行自然对流换热，将服务器核心CPU产生的热量不断散放到环境中，通过控制系统500精确控制服务器的进水温度，或者调节内外循环水泵210的转速以达到节能运行之目的。

本二次水环路服务器机柜散热系统直接利用液体的循环，将服务器芯片的热量传导到室外，而且由于采用了比热容、密度以及对流导热效果较好的液冷致冷，只需利用35~50℃左右的液体为服务器散热即可，这样高温的制冷工质在各个季节，都可以通过自然冷却方式获得，取代现有的利用压缩机制冷系统制冷的空气冷却系统；同时服务器芯片和外部液冷系统之间采用热管换热部件进行间接冷却，可避免水直接进入服务器内部，大幅度降低因水系统泄漏造成服务器损坏的几率。

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)

1.一种二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，包括服务器热管组件、内循环系统、中间换热器、外循环系统和控制系统；

所述服务器热管组件包括热管蒸发器和热管冷凝器，热管蒸发器和热管冷凝器通过连接管路连接；服务器热管组件内部充注制冷剂，制冷剂常温常压下为气体；所述热管蒸发器的一端直接与服务器散热芯片接触传热，热管冷凝器与内循环系统进行热交换；

所述内循环系统包括内循环水泵，内循环水泵和中间换热器通过内循环管路连接，内循环水泵、中间换热器和服务器热管组件散热端通过内循环管路连接形成内循环系统环路，内循环系统环路内充注内循环环路载冷剂，内循环水泵提供动力驱动内循环管路中的内循环环路载冷剂在内循环系统环路中流动，内循环环路载冷剂与热管冷凝器进行热交换； 

所述外循环系统包括冷水塔、水箱和外循环水泵；冷水塔和水箱、水箱和外循环水泵、外循环水泵和中间换热器、中间换热器和冷水塔之间通过外循环管路连接起来形成外循环系统环路，外循环系统环路内充注外循环流体，外循环水泵提供动力驱动管路中的流体流动； 

所述控制系统包括控制器、内循环服务器进水温度传感器、内循环服务器出水温度传感器、外循环冷却塔出水温度传感器和外循环冷却塔出水温度传感器，内循环服务器进水温度传感器设置在内循环水泵和服务器热管组件之间，内循环服务器出水温度传感器设置在服务器热管组件和中间换热器之间；外循环冷却塔进水温度传感器设置在外循环水泵和中间换热器之间，外循环冷却塔出水温度传感器设置在中间换热器和冷水塔之间；所述内循环服务器进水温度传感器、内循环服务器出水温度传感器、外循环冷却塔出水温度传感器和外循环冷却塔出水温度传感器都与控制器电连接；所述内循环水泵、冷水塔和外循环水泵都与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述服务器热管组件设置多个，多个服务器热管组件之间并联连接。

3.根据权利要求2所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述服务器热管组件设置在服务器机柜外。

4.根据权利要求2所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述服务器热管组件与服务器一起置于机柜内。

5.根据权利要求3所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述机柜内设置防水隔板，对各个服务器热管组件的两端进行防护隔离。

6.根据权利要求1所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述内循环水泵抽水端的管路上引出支路水管，支路水管顶端安装定压补水装置，所述定压补水装置给内循环系统补充纯净水并且调节管路的压力。

7.根据权利要求1所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述冷水塔为开放式冷水塔或者封闭式冷水塔；冷水塔内设置有风机和喷淋水泵，用于对外循环流体进行风冷降温和喷淋降温处理。

8.根据权利要求1所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述内循环环路载冷剂和外循环流体采用水或者乙二醇溶液。

9.根据权利要求8所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述内循环环路载冷剂和外循环流体采用防冻乙二醇溶液。

10.根据权利要求1所述的二次水环路服务器机柜散热系统，其特征在于，所述中间换热器为板式换热器或管壳式换热器或套管式换热器；中间换热器一侧流体为外循环流体，另一侧流体为内循环环路载冷剂。