CN104703449A - 门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置机于柜柜体内的多个液冷服务器，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有门式热管空调进行辅助散热。本发明具有高密度制冷、换热效率高、能耗低、可解决局部热点、占地面积小、可靠性高、噪音小、寿命长特点。该系统可采用标准服务器机柜。

Description

门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统

技术领域

本发明涉及服务器机柜散热系统，尤其涉及一种门式热管空调和液冷装置结合的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。

而且随着服务器技术的发展，大功率、高发热密度的服务器应用越来越多，而且是不可逆转的发展趋势，目前部分行业用户的单个机柜的最大运行功率已经达到10~15kW左右，但由于空气冷却方式散热效率的局限，使得大功率服务器的应用也难以突破15kW/机柜以上。

液冷散热是近年发展起来的最高效、最先进的散热方案，其原理是将液态换热介质直接通入具有液冷功能的服务器内部，把主要发热元件--芯片（CPU）产生的热量带走（占整个服务器发热量的70~80%），采用液冷散热方案，理论上甚至可以使得单位机柜功率突破50kW/以上。但目前这种散热方案仅存在于高校实验室和极少数企业内部小范围研究，而未能形成实用化推广应用，很重要的原因之一，是因为这种采用液冷散热的服务器，其机柜需要内置液冷水分配系统，这就需要对液冷服务器机柜进行专门的定制设计，而机柜生产厂家一般是标准化生产，现阶段也没有掌握液冷水分配系统设计的关键技术，无法为液冷服务器用户配套提供内置液冷水分配系统的机柜产品，特别是旧机房的升级改造，如果想改为液冷散热方案，要对全部服务器机柜都进行替换为内置液冷水分配系统的机柜，无论是改造工程量和成本都非常高昂，极大地局限了液冷散热技术的发展普及。另外，液冷散热系统只能带走70~80%的服务器发热量，但仍然有20~30%的热量需要辅助制冷装置承担，对于液冷服务器这种单机柜功率高达50kW以上的高密度应用，每个机柜需要辅助制冷装置处理10~15kW以上的热量（总功率的20~30%），如果辅助制冷装置仍然采用传统的风冷散热方式，极易出现机柜的局部热点问题，影响服务器的元件寿命，这也是高密度液冷服务器推广应用所不能忽视的问题。

申请号为201010141693.8的中国专利《无噪音节能服务器》提供一种无噪音节能服务器，包括：1)采用热管结合液冷方式替代传统的风扇强制对流方式解决处理器散热问题，消除风扇噪音；2)使用功耗低的DDR3内存降低噪音；3)硬盘使用固态硬盘，消除硬盘噪音；4)使用无风扇高效电源为系统供电；具体步骤如下：采用热管结合液冷方式散热，将热管一端与处理器连接，另一端与热交换机中水管连接，根据热管高热传导系性能，将处理器产生的热量传递给热交换机中的水管，冷水在水管中流动，热管与水管中冷水进行热交换，将冷水加热，再把热水从热交换机中排出，热水经制冷剂制冷后输入冷水池，如此循环，以此解决处理器的散热问题，水的流动通过水泵来支持。该专利以热管散热为主，主要的热量由热管来吸收，然后再用液冷的方式与热管进行热交换，只能带走服务器的部分热量，剩下的余热并无任何措施来处理。

申请号为201410511550.X的中国专利《一种热管二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法》公开了一种热管二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法，系统包括机房单元、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。该专利的热管散热器仅仅只是贴合在服务器上，并未对其最主要的发热器件进行最直接的散热，此外，该系统是通过中间换热器进行两个环路的热交换，这也势必导致传热效率相对直接换热要低。此外，该专利只考虑了服务器主要发热元件（CPU）的散热方案，但没有考虑其他发热元件的散热（内存硬盘等），所以该专利所提的散热方案其实并不够完善的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有制冷效率高效果好，不会出现局部热点问题且无需对机柜进行改造的门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统。

本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：

一种门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置机于柜柜体内的多个液冷服务器，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有门式热管空调进行辅助散热。本发明通过采用液冷散热技术进行主制冷，机柜级热管散热技术进行辅助制冷，主辅配合制冷，一方面制冷效率高效果好，不会出现局部热点问题，另一方面，本发明提供的方案无需对机柜进行改造，这给液冷散热提供了普及使用的可能性。

所述液冷装置包括液冷散热器、分配器、集流器和一次换热介质，所述液冷散热器用于对服务器芯片进行散热，所述分配器通过多根进液连接支管与液冷散热器连接，液冷散热器再通过多根出液连接支管与所述集流器连接，所述一次换热介质通过分配器和进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管流出液冷散热器并由集流器汇集。一次换热介质由分配器通过进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管进入集流器形成循环将液冷服务器的主要热量带走。所述一次换热介质为自来水、纯净水、有机溶液、无机溶液或氟利昂，优选纯净水。

进一步地，所述的液冷装置外置安装在机柜柜体上，采用固定式或活动式安装，优选固定式安装。所述液冷散热器设于服务器芯片附近，或直接与服务器芯片接触。

所述门式热管空调包括蒸发器、冷凝器、连接管道及二次换热介质，所述蒸发器与冷凝器通过连接管路连接形成环路，并通过连接管路装载二次换热介质。

进一步地，所述门式热管空调还包括冷水机和水泵，所述冷水机和水泵设于机房外，并通过连接管路与冷凝器连接。二次换热介质由冷水机通过进连接液管进入蒸发器，吸收热量后蒸发为气态，在热管循环动力作用下沿连接气管流入冷凝器冷凝为液态工质后，沿连接液管流回蒸发器形成循环。所述二次换热介质为氟利昂，优选采用环保和运行压力低的R134a氟利昂。

更进一步地，所述门式热管空调还包括风机，所述风机安装在蒸发器的出风侧。

所述的液冷装置的进液连接支管和出液连接支管采用硬态管或软态管,优选软态管，蒸发器的连接管路均采用软态管。

所述风机采用离心式、轴流式或混流式风机，优选轴流式风机；所述的蒸发器采用全铝微通道换热器或铜管套铝翅片换热器，优选全铝微通道换热器；所述蒸发器优选安装在背门侧，可以轴转打开；所述冷凝器采用板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器，优选采用板式换热器；所述冷水机采用风冷冷水机、水冷冷水机或蒸发式冷凝冷水机，优选采用板式换热器。

本门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统运行时，液冷服务器中的液冷服务器芯片的发热量占据总发热量约80%，这部分热量由液冷散热器吸收，并通过流经液冷散热器的、温度约35~45℃的一次换热介质带走，使得液冷服务器芯片3的内部温度保持在60~70℃的正常运行状态。每个液冷服务器2内部的液冷散热器的一次换热介质的流量分配和汇集，均由液冷装置完成：温度约35~45℃的一次换热介质从供液总管道流入分配器后，通过进液连接支管进入液冷散热器，吸收液冷服务器芯片的热量后，变成40~50℃温度状态、通过出液连接支管进入集流器、流回集液总管道。

液冷服务器中的其他元件的发热量占据总发热量约20%，这部分热量通过服务器本身风机或门式热管空调的风机产生的空气流带走，流经门式热管空调的蒸发器后，空气流的热量被15~20℃的二次换热介质吸收，使得空气流温度重新冷却到20~25℃左右，重新流入服务器带走服务器内部元件热量，如此循环。蒸发器内部的液态的二次换热介质吸收热量后蒸发为气态，在热管循环动力作用下沿连接气管流入冷凝器，热量被冷水机和水泵提供的低温冷冻水带走，冷凝为液态工质后，沿连接液管流回蒸发器，如此循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）实现服务器机柜和液冷水分配分配装置的分离设计，机柜无需非标定制，在标准机柜柜体上独立安装一个具有水分配系统的液冷装置即可使之具备为液冷服务器提供液冷换热介质的分配和汇集功能，有利于液冷散热技术的实用化推广。

（2）采用液冷散热技术进行主制冷，实现超高密度制冷和超高节能运行，只需提供35~45℃的换热工质（如纯净水）即可完成，无需压缩机制冷等任何机械制冷装置或系统。

（3）采用机柜级热管散热技术进行辅助制冷，完全干工况运行、无冷凝水产生、避免除湿加湿的损耗，送风距离短、实现风机的高效运行，甚至可以无风机运行（通过服务器自身风机进行散热），并有效解决服务器机柜局部过热和存在热点的问题。

（4）整个系统设计简单，投资低，几乎不占据任何机房空间，提升机房占地利用率。

（5）系统在机房内部无需动力装置、运行无噪音、安全环保，实现数据机房高效节能、安全可靠运行的目的。

附图说明

图1为本发明的结构和原理示意图；

其中，1.机柜柜体；2.液冷服务器；3.液冷服务器芯片；4.液冷散热器；5.集流器；6.分配器；7.进液连接支管；8.蒸发器；9.风机；10.冷凝器；11.连接液管；12.连接气管；13.水泵；14.冷水机；15.一次换热介质；16.二次换热介质；17. 出液连接支管；Ⅰ.液冷服务器机柜；Ⅱ.液冷装置；Ⅲ.门式热管空调。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。

实施例1

如图1，一种自然冷却冷水装置和液冷装置结合的服务器散热系统，包括液冷服务器机柜Ⅰ，液冷装置Ⅱ和门式热管空调Ⅲ。所述液冷服务器机柜Ⅰ包括机柜柜体1和设置机于柜柜体内的多个液冷服务器2，所述液冷服务器2设有液冷服务器芯片3,所述液冷装置Ⅱ包括液冷散热器4、分配器6和集流器5，所述分配器6和集流器5分别通过多根进液连接支管7和出液连接支管17与设置于液冷服务器内的液冷散热器4一一连接，所述液冷散热器4与液冷服务器芯片3接触或设于芯片3附近；所述门式热管空调Ⅲ包括包括设在机柜柜体前门侧或背门侧的蒸发器8、安装在蒸发器8出风侧的风机9、连接气管12、连接液管11、水泵13、冷凝器10和冷水机14，所述蒸发器8与冷凝器10通过连接气管12和连接液管11分别连接形成内环路，所述冷凝器10和冷水机14连接形成外环路，所述冷凝器10和冷水机14之间设有水泵。

所述的液冷装置Ⅱ外置安装在机柜柜体1上，采用固定式安装。

所述的液冷装置Ⅱ的进液连接支管7、出液连接支管17和蒸发器8的连接气管12、连接液11管均采用软态管。

所述风机9采用轴流式风机；所述的蒸发器8采用全铝微通道换热器；所述蒸发器8安装在背门侧，可以轴转打开；所述冷凝器10采用板式换热器；所述冷水机14采用板式换热器。

本系统运行时，液冷服务器2中的液冷服务器芯片3的发热量占据总发热量约80%，这部分热量由液冷散热器4吸收，并通过流经液冷散热器4的、温度约35~45℃的一次换热介质15带走，使得液冷服务器芯片3的内部温度保持在60~70℃的正常运行状态。每个液冷服务器2内部的液冷散热器4的一次换热介质15的流量分配和汇集，均由液冷装置Ⅱ完成：温度约35~45℃的一次换热介质15从供液总管道流入分配器6后，通过进液连接支管7进入液冷散热器4，吸收液冷服务器芯片3的热量后，变成40~50℃温度状态、通过出液连接支管17进入集流器5流回集液总管道。

液冷服务器2中的其他元件的发热量占据总发热量约20%，这部分热量通过服务器本身风机或门式热管空调Ⅲ的风机9产生的空气流带走，流经门式热管空调Ⅲ的蒸发器8后，空气流的热量被15~20℃的二次换热介质16吸收，使得空气流温度重新冷却到20~25℃左右，重新流入服务器带走服务器内部元件热量，如此循环。蒸发器8内部的液态的二次换热介质16吸收热量后蒸发为气态，在热管循环动力作用下沿连接气管12流入冷凝器9，热量被冷水机14和水泵13提供的低温冷冻水带走，冷凝为液态工质后，沿连接液管11流回蒸发器8，如此循环。

Claims (10)

1. 一种门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置机于柜柜体内的多个液冷服务器，其特征在于，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有门式热管空调进行辅助散热。

2.根据权利要求1所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述液冷装置包括液冷散热器、分配器、集流器和一次换热介质，所述液冷散热器用于对服务器芯片进行散热，所述分配器通过多根进液连接支管与液冷散热器连接，液冷散热器再通过多根出液连接支管与所述集流器连接，所述一次换热介质通过分配器和进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管流出液冷散热器并由集流器汇集。

3.根据权利要求1所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述一次换热介质为自来水、纯净水、有机溶液、无机溶液或氟利昂。

4.根据权利要求1所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述的液冷装置外置安装在机柜柜体上。

5.根据权利要求1所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述门式热管空调包括蒸发器、冷凝器、连接管道及二次换热介质，所述蒸发器与冷凝器通过连接管路连接形成环路，并通过连接管路装载二次换热介质。

6.根据权利要求5所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述门式热管空调还包括冷水机和水泵，所述冷水机和水泵设于机房外，并通过连接管路与冷凝器连接。

7.根据权利要求6所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述门式热管空调还包括风机，所述风机安装在蒸发器的出风侧。

8.根据权利要求5所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述二次换热介质为氟利昂。

9.根据权利要求2所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述液冷散热器设于服务器芯片附近，或直接与服务器芯片接触。

10.根据权利要求2或5所述门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述的液冷装置的进液连接支管和出液连接支管采用硬态管或软态管, 蒸发器的连接管路均采用软态管。