CN105025692B - 一种数据中心冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心冷却系统，包括室外换热子系统、室内换热子系统及泵组子系统，室外换热子系统、室内换热子系统及泵组子系统通过供回介质管路连接形成循环回路，在泵组子系统作用下，介质从室外换热子系统流入室内换热子系统并与室内的发热元器件进行热交换，发热元器件将热量传递给介质，温度升高后的介质之后再从室内换热子系统流回室外换热子系统进行冷却。该系统可以利用室外自然冷源替代传统精密空调，一方面可增加机柜的布置空间，提高数据中心有效利用空间，节约用地，提高效率；另一方面可以很大程度节约电耗，有效提高数据中心的PUE值，且可避免空调机组气流组织不合理产生的局部过热等问题。

Description

一种数据中心冷却系统

技术领域

本发明涉及数据中心散热领域，尤其是涉及一种数据中心冷却系统。

背景技术

全球数据中心总量超过300万个，耗电量占到全球总电量的1.1%-1.5%，我国数据中心发展迅猛，总量已超过40万个，年耗电量超过全社会用电量的1.5%，其中大多数数据中心的PUE仍普遍大于2.2，与国际先进水平相比有较大差距。数据中心IT设备需要全天候进行散热，通常机房内采用精密空调或者冷水机组进行制冷。数据中心空调机组耗能占到了机房总耗能的35%-45%，仅次于数据中心IT设备的能耗，从而造成数据中心PUE（PowerUsage Effectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比）值较高，能效利用率低。数据中心现有的冷却方式通常为先冷却环境再冷却设备，如GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》中所述A、B类机房要求环境温度23℃±1℃，而实际IT设备中电子元器件的节点温度可达50℃以上。

如采用直接冷却设备的理念，可有效减少冷负荷浪费，并可充分利用室外自然冷源实现对IT设备的冷却，实现完全替代空调机组，有效降低数据中心的PUE值，提高能效利用率，并解决由于空调机组气流组织不合理造成局部热点等问题；同时，通过空调机组的完全替代，有效提高机房空间利用率，可布置更多IT设备，从而可有效提高经济效益及节地的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数据中心冷却系统，以解决现有数据中心的能效利用率低、且机房空间利用率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数据中心冷却系统，包括室外换热子系统、室内换热子系统及泵组子系统，所述室外换热子系统、室内换热子系统及泵组子系统通过供回介质管路连接形成循环回路，在所述泵组子系统作用下，介质从所述室外换热子系统流入所述室内换热子系统并与室内的发热元器件进行热交换，所述发热元器件将热量传递给介质，温度升高后的介质之后再从所述室内换热子系统流回所述室外换热子系统进行冷却；

所述室内换热子系统包括末端换热单元、微热管及热沉换热单元，所述微热管的一端为蒸发段，布置于所述末端换热单元内，另一端为冷凝段，布置于所述热沉换热单元内，所述发热元器件产生的热量通过导热传递给所述末端换热单元，所述微热管的蒸发段内的工质吸热相变随着传动的工质将热量带到另一端的冷凝端，在所述泵组子系统作用下，介质从所述室外换热子系统流入所述热沉换热单元，通过所述热沉换热单元对所述微热管中冷凝段的工质进行冷却。

作为优选，所述室内换热子系统包括水冷换热单元，在所述泵组子系统作用下，介质从所述室外换热子系统流入所述水冷换热单元，所述发热元器件产生的热量通过导热传递给所述水冷换热单元，通过所述水冷换热单元对所述发热元器件进行冷却。

作为优选，所述室外换热子系统采用闭式冷却塔对介质进行冷却，根据数据中心的布置地域及气候变化控制所述闭式冷却塔内淋水装置的启闭。

作为优选，所述室外换热子系统采用风冷冷凝器对介质进行冷却，在所述风冷冷凝器外设置有潜热装置，所述潜热装置包括湿膜及循环水箱，所述湿膜设置于所述风冷冷凝器下端，所述湿膜通过湿膜供水管与循环水箱的出水口连通，通过回水管与循环水箱的回水口连通，所述湿膜供水管上设置有循环泵，且所述循环水箱还与循环水箱补水管及循环水箱溢水排水管相连。

作为优选，所述泵组子系统包括多级离心泵，所述多级离心泵串联在所述室外换热子系统及室内换热子系统之间的供回介质管路上，所述多级离心泵前端的供回介质管路上设置有引出线，所述引出线上串联有过滤器、自动排气阀、压力表、储液罐、安全阀、球阀及测试接头。

作为优选，所述引出线上还串联有软接头；所述多级离心泵与所述室内换热子系统之间的供回介质管路上设置有压力传感器、温度传感器、电动调节阀及测试接头；所述室外换热子系统与所述室内换热子系统之间的供回介质管路上设置流量传感器。

作为优选，所述多级离心泵的每一级离心泵均采用变频离心泵。

作为优选，所述室外换热子系统的循环泵为变频循环泵。

作为优选，所述介质为乙二醇溶液。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明的目的在于利用热管技术及水冷技术，依赖于IT设备及室外温差，实现利用室外全天候自然冷源对数据中心的IT设备进行散热冷却。

由于数据中心冷却系统包括室外换热子系统、室内换热子系统及泵组子系统，所述室外换热子系统、室内换热子系统及泵组子系统通过供回介质管路连接形成循环回路，在所述泵组子系统作用下，介质从所述室外换热子系统流入所述室内换热子系统并与室内的发热元器件进行热交换，所述发热元器件将热量传递给介质，温度升高后的介质之后再从所述室内换热子系统流回所述室外换热子系统进行冷却。所以该装置可以实现对数据中心空调机组的完全替代，有效降低PUE，有效提高能效利用率，实现节约数据中心能耗的目的；同时通过空调机组的完全替代，提高IT设备的布置空间，可布置更多IT设备，实现相应的节地及经济效益。

附图说明

图1 为数据中心冷却系统采用带有潜热装置的风冷凝器及二级冷却系统时的示意图；

图2 为数据中心冷却系统采用闭式冷却塔及二级冷却系统时的示意图；

图3为数据中心冷却系统采用潜热装置的风冷凝器及一级冷却系统时的示意图；

图4为数据中心冷却系统采用闭式冷却塔及一级冷却系统时的示意图；

图5为数据中心冷却系统所采用的二级冷冷系统的结构示意图；

图6为图5中沿A-A向的剖视图；

图7为数据中心冷却系统所采用的一级冷系统的结构示意图；

图8为图7中沿B-B向的剖视图。

附图标记，1-室外换热子系统，1-1-风冷冷凝器，1-2-湿膜，1-3-循环水泵、1-4-循环水箱，1-5-湿膜回水管，1-6-湿膜供水管，1-7-循环水箱补水管，1-8-循环水箱溢水排水管，2-泵组子系统，2-1-多级离心泵，2-2-过滤器，2-3-自动排气阀，2-4-压力表，2-5-储气罐，2-6-安全阀，2-7-压力开关，2-8-球阀，2-9-测试接头，3-热沉换热单元，4-微热管，5-末端换热单元，6-软接头，7-测试接头，8-压力传感器，9-温度传感器，10-电动调节阀，11-流量传感器，12-排气阀，13-供水管，14-回水管，15-水冷换热单元，16-发热元器件。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，本申请提供的数据中心冷却系统包括室外换热子系统1、室内换热子系统及泵组子系统2，所述室外换热子系统1、室内换热子系统及泵组子系统2通过供回介质管路连接形成循环回路。具体的，所述室外换热子系统1的出口通过供水管13与室内换热子系统的入口连通，所述供水管13上串联有所述泵组子系统2，所述室内换热子系统的出口通过回水管14与室外换热子系统1的入口连通。在所述泵组子系统2作用下，介质从所述室外换热子系统1流入所述室内换热子系统并与室内的发热元器件16进行热交换，所述发热元器件16将热量传递给介质，温度升高后的介质之后再从所述室内换热子系统流回所述室外换热子系统1进行冷却。

通过该装置可以实现对数据中心空调机组的完全替代，有效降低PUE，有效提高能效利用率，实现节约数据中心能耗的目的；同时通过空调机组的完全替代，提高IT设备的布置空间，可布置更多IT设备，实现相应的节地及经济效益。

于本实施例中，所述介质优选为乙二醇溶液，但并不局限于此。

于本实施例中，如图5和图6所示，所述室内换热子系统采用二级冷却系统，包括末端换热单元5、微热管4及热沉换热单元3。所述热沉换热单元3内设置有介质管路，该介质管路的入口与供水管13连通，介质管路的出口与回水管14连通，在所述泵组子系统2作用下，乙二醇溶液从所述室外换热子系统1沿着供水管13流入所述热沉换热单元3，通过所述热沉换热单元3对所述微热管4中冷凝段的工质进行冷却。所述微热管4的一端为蒸发段，布置于所述末端换热单元5内，另一端为冷凝段，布置于所述热沉换热单元3内。IT设备的发热电子元器件16通过导热胶布置于末端换热单元5上，所述发热元器件16产生的热量通过导热传递给所述末端换热单元5，微热管4蒸发段在末端换热单元5中受热，所述微热管4的蒸发段内的工质吸热发生相变随着传动的工质将热量带到另一端的冷凝段，进入冷凝段的气态工质在热沉换热单元3内被冷却发生相变变为液态回到微热管单元4蒸发段，实现IT发热元器件16的循环冷却与散热。

具体的，微热管4冷凝段内工质被乙二醇溶液冷却后发生相变回到微热管4的蒸发段，由于蒸发段位于末端换热单元5内，末端换热单元5布置有IT设备的发热元器件16，通过导热，热量传递给末端换热单元5，布置于末端换热单元5的微热管4内工质蒸发段受热，工质发生相变蒸发至热沉换热单元3内布置的冷凝段，工质冷凝相变后再次回到蒸发段吸热，实现微热管4工质循环冷却与散热。

于本实施例中，所述室外换热子系统1采用风冷冷凝器1-1对乙二醇溶液进行冷却，为了降低进入风冷冷凝器1-1的入口温度，提高其内外乙二醇溶液与环境温度的温差，提高换热量，在所述风冷冷凝器1-1外设置有潜热装置， 通过等焓降温过程达到环境空气的预冷的效果。所述潜热装置包括湿膜1-2及循环水箱1-4，所述湿膜1-2设置于所述风冷冷凝器1-1下端，所述湿膜1-2通过湿膜供水管1-6与循环水箱1-4的出水口连通，通过回水管1-5与循环水箱1-4的回水口连通，所述湿膜供水管1-6上设置有循环泵1-3，且所述循环水箱1-4还与循环水箱补水管1-7及循环水箱溢水排水管1-8相连。在循环泵1-3作用下，通过湿膜供水管1-6向湿膜1-2供水，多余的水在重力作用下沿回水管1-5回到循环水箱1-4，循环水箱1-4内通过循环水箱补水管1-7得到不断补水，通过循环水箱溢水排水管1-8实现排水和溢水。

于本实施例中，所述泵组子系统2包括多级离心泵2-1，所述多级离心泵2-1串联在所述室外换热子系统1及室内换热子系统之间的供回介质管路上， 在多级离心泵2-1作用下，乙二醇溶液实现在系统中的循环。具体的，乙二醇溶液通过供水管13，进入热沉换热单元3，微热管4的冷凝段布置于热沉换热单元3中，被室外换热子系统1冷却后的乙二醇溶液进入热沉换热单元3中实现对微热管4冷凝段中工质的冷却，在多级离心泵2-1作用下，乙二醇溶液再次回到室外换热子系统1，实现乙二醇溶液的循环冷却与散热。

为保证系统的正常运行，所述多级离心泵2-1前端的供回介质管路上设置有引出线，所述引出线上串联有过滤器2-2、自动排气阀2-3、压力表2-4、储液罐2-5、安全阀2-6、球阀2-8及测试接头2-9。设置过滤器2-2保证经过多级离心泵2-1乙二醇溶液的洁净度，设置自动排气阀2-3保证多级离心泵2-1无气蚀，设置压力表2-4便于观察泵组子系统2压力，设置储液罐2-5保证系统压力的稳定性，设置安全阀2-6保证系统的安全性，设置球阀2-8用于方便对系统乙二醇溶液的检测，设置测试接头2-9便于后期对系统内部所需参数的检测。

所述引出线上还串联有软接头6，保证系统运行过程中管路及设备便于维护及运行的稳定性。所述多级离心泵2-1与所述室内换热子系统之间的供回介质管路上设置有压力传感器8、温度传感器9、电动调节阀10及测试接头7；所述室外换热子系统1与所述室内换热子系统之间的供回介质管路上设置流量传感器11。设置电动调节阀10便于控制系统的流量；设置压力传感器8、温度传感器9、流量传感器11及测试接头7，便于对系统运行工况的监控及系统所需参数的检测，保证系统循环散热的有效性及安全性。

于本实施例，所述多级离心泵2-1的每一级离心泵均采用变频离心泵。采用变频离心泵可实现对系统温度的控制，达到进一步节能的目的。

于本实施例，所述室外换热子系统1的循环泵1-3为变频循环泵。采用变频循环泵可实现对系统温度的控制，达到进一步节能的目的。

实施例2

如图2 所示，该实施例提供的数据中心冷却系统与实施例1提供的数据中心冷却系统不同之处在于，在该实施例中，室外换热子系统1采用闭式冷却塔对乙二醇溶液进行冷却，与携带潜热装置的风冷冷凝器1-1不同，闭式冷却塔根据数据中心的布置地域及气候变化控制所述闭式冷却塔内淋水装置的启闭，即根据室外环境工况变化控制闭式冷却塔的供水，较低温度情况下，通过完全风冷实现对乙二醇溶液的冷却，高温情况下，通过闭式冷却塔供水，提高对乙二醇溶液的冷却散热。

除此之外，该实施例提供的数据中心冷却系统与实施例1提供的数据中心冷却系统完全相同，在此不做赘述。

实施例3

如图3 所示，该实施例提供的数据中心冷却系统与实施例1提供的数据中心冷却系统不同之处在于，该实施例提供的数据中心冷却系统采用一级冷却系统，IT设备的发热元器件16的冷却不再通过微热管4进行传递给热沉换热单元3经过乙二醇溶液进行传递，而是通过水冷换热单元15进行冷却散热。如图7和图8所示，所述室内换热子系统包括水冷换热单元15，所述发热元器件16产生的热量通过导热传递给所述水冷换热单元15，在所述泵组子系统2作用下，乙二醇溶液从所述室外换热子系统1直接流入所述水冷换热单元15将产生的热量带走，通过所述水冷换热单元15对所述发热元器件16进行冷却。

于本实施例中，作为优选方案，所述水冷换热单元15内管路采用蛇形布置，管路内布置扰流器，从而有效提高散热效果，实现对IT设备的冷却。

除此之外，该实施例提供的数据中心冷却系统与实施例1提供的数据中心冷却系统完全相同，在此不做赘述。

实施例4

如图4所示，该实施例提供的数据中心冷却系统与实施例3提供的数据中心冷却系统不同之处在于，在该实施例中，室外换热子系统1采用闭式冷却塔对乙二醇溶液进行冷却，与携带潜热装置的风冷冷凝器1-1不同，闭式冷却塔根据数据中心的布置地域及气候变化控制所述闭式冷却塔内淋水装置的启闭，即根据室外环境工况变化控制闭式冷却塔的供水，较低温度情况下，通过完全风冷实现对乙二醇溶液的冷却，高温情况下，通过闭式冷却塔供水，提高对乙二醇溶液的冷却散热。

除此之外，该实施例提供的数据中心冷却系统与实施例3提供的数据中心冷却系统完全相同，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数据中心冷却系统，其特征在于：包括室外换热子系统（1）、室内换热子系统及泵组子系统（2），所述室外换热子系统（1）、室内换热子系统及泵组子系统（2）通过供回介质管路连接形成循环回路，在所述泵组子系统（2）作用下，介质从所述室外换热子系统（1）流入所述室内换热子系统并与室内的发热元器件（16）进行热交换，所述发热元器件（16）将热量传递给介质，温度升高后的介质之后再从所述室内换热子系统流回所述室外换热子系统（1）进行冷却；

所述室内换热子系统包括末端换热单元（5）、微热管（4）及热沉换热单元（3），所述微热管（4）的一端为蒸发段，布置于所述末端换热单元（5）内，另一端为冷凝段，布置于所述热沉换热单元（3）内，所述发热元器件（16）产生的热量通过导热传递给所述末端换热单元（5），所述微热管（4）的蒸发段内的工质吸热相变随着传动的工质将热量带到另一端的冷凝端，在所述泵组子系统（2）作用下，介质从所述室外换热子系统（1）流入所述热沉换热单元（3），通过所述热沉换热单元（3）对所述微热管（4）中冷凝段的工质进行冷却。

2.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述室内换热子系统包括水冷换热单元（15），在所述泵组子系统（2）作用下，介质从所述室外换热子系统（1）流入所述水冷换热单元（15），所述发热元器件（16）产生的热量通过导热传递给所述水冷换热单元（15），通过所述水冷换热单元（15）对所述发热元器件（16）进行冷却。

3.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述室外换热子系统（1）采用闭式冷却塔对介质进行冷却，根据数据中心的布置地域及气候变化控制所述闭式冷却塔内淋水装置的启闭。

4.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述室外换热子系统（1）采用风冷冷凝器（1-1）对介质进行冷却，在所述风冷冷凝器（1-1）外设置有潜热装置，所述潜热装置包括湿膜（1-2）及循环水箱（1-4），所述湿膜（1-2）设置于所述风冷冷凝器（1-1）下端，所述湿膜（1-2）通过湿膜供水管（1-6）与循环水箱（1-4）的出水口连通，通过回水管（1-5）与循环水箱（1-4）的回水口连通，所述湿膜供水管（1-6）上设置有循环泵（1-3），且所述循环水箱（1-4）还与循环水箱补水管（1-7）及循环水箱溢水排水管（1-8）相连。

5.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述泵组子系统（2）包括多级离心泵（2-1），所述多级离心泵（2-1）串联在所述室外换热子系统（1）及室内换热子系统之间的供回介质管路上，所述多级离心泵（2-1）前端的供回介质管路上设置有引出线，所述引出线上串联有过滤器（2-2）、自动排气阀（2-3）、压力表（2-4）、储液罐（2-5）、安全阀（2-6）、球阀（2-8）及测试接头（2-9）。

6.根据权利要求5所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述引出线上还串联有软接头（6）；所述多级离心泵（2-1）与所述室内换热子系统之间的供回介质管路上设置有压力传感器（8）、温度传感器（9）、电动调节阀（10）及测试接头（7）；所述室外换热子系统（1）与所述室内换热子系统之间的供回介质管路上设置流量传感器（11）。

7.根据权利要求5所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述多级离心泵（2-1）的每一级离心泵均采用变频离心泵。

8.根据权利要求4所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述室外换热子系统（1）的循环泵（1-3）为变频循环泵。

9.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统，其特征在于：所述介质为乙二醇溶液。