CN105430997A - 一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,包括机房单元和冷媒供回氟单元,所述冷媒供回氟单元包括循环动力单元和冷却单元,所述循环动力单元通过第一冷媒环路与机房单元形成闭合循环,通过第二冷媒环路与冷却单元形成闭合循环。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,具备高可靠性、功耗低、噪音小的特点,满足节能环保理念。

Description

一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统
技术领域
本发明涉及一种服务器机柜散热系统,尤其涉及一种热管内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。
申请号为201420045986.X的中国专利《一种双系统节能的机柜散热空调》提供了一种双系统节能的机柜散热空调,设置热管系统和空调系统,所述空调系统包括蒸发器和冷凝器,所述热管系统包括蒸发段和冷凝段,所述蒸发段和蒸发器与第一换热器集成为一体,蒸发段和蒸发器由内循环风机提供流动空气,所述冷凝段和冷凝器与第二换热器集成为一体,冷凝段和冷凝器由外循环风机提供流动的空气。该实用新型主要用于户外,且不能用于大型机房的服务器散热。
申请号为201010033887.6的中国专利《一种机柜散热方法及装置》提供了一种机柜散热装置,包括:机柜,上部设置有热风出口,下部设置有冷风入口;吹风单元,将由冷风入口输入的冷风由机柜下部由下向上输送;液冷单元,将由热风出口排出的热空气进行冷却,并由冷风入口输入到机柜内。该专利虽然将垂直制冷与水冷方式进行有机结合,但是能耗大,且无法应用于大型机房的服务器散热。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种能耗低、换热效率高、可靠性高、噪音小、寿命长的热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,实现系统主动防凝露,确保了机房内空气的洁净度和湿度。
本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现:
一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,包括机房单元和冷媒供回氟单元,所述冷媒供回氟单元包括循环动力单元和冷却单元,所述循环动力单元通过第一冷媒环路与机房单元形成闭合循环,通过第二冷媒环路与冷却单元形成闭合循环。本发明通过两个闭合循环来实现氟利昂循环和中间换热器换热循环、冷媒水循环和中间换热器换热循环,采用中间换热的二次冷媒环路系统,确保不把冷媒水带进机房,不存在因爆管而造成水进机房的危险。
进一步地,所述第一冷媒环路为设有机房冷媒环路供氟干管和机房冷媒环路回氟干管分别连接机房单元和循环动力单元。所述第二冷煤环路为设有冷媒水供水管和冷媒水回水管分别连接循环动力单元和冷却单元。
所述机房单元包括多个并联的机柜服务器散热系统,所述机柜服务器散热系统包括服务器机柜、多个散热风扇、多个服务器和多个热管散热器,多个散热风扇设置于服务器机柜内部顶端,所述多个热管散热器分别设置在服务器下端。热管散热器直接换热冷却服务器,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,热管散热器由机柜服务器联锁控制,当某一机柜服务器停止工作时,其对应的热管散热器也自动关断,不再有冷媒流通;当机柜服务器重启时,热管散热器联锁自动重启并对服务器冷却。热管散热器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。
更进一步地,所述机房冷媒环路供氟干管和机房冷媒环路回氟干管分别设有多个冷媒环路供氟支管和环路回氟支管,所述冷媒环路供氟支管和环路回氟支管之间接入多个并联的热管散热器。
所述循环动力单元由储液器、中间换热器和外循环水泵串联组成,所述中间换热器与机房冷媒环路供氟干管和机房冷媒环路回氟干管分别连接,所述储液器设于于中间换热器的供氟口处。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。
所述中间换热器水平高于热管散热器,使得氟利昂在重力作用下进入第一冷媒循环。中间换热器包括但不限于板式换热器、壳管式换热器等换热器类型。
所述冷却单元包括冷却塔,所述冷却塔顶部设有变频风机,下侧设有进风隔栅,内部设有换热盘管与冷媒水供水管和冷媒水回水管分别连接,所述换热盘管上端设有喷淋装置,所述喷淋装置上端设有脱水装置,还设有变频喷淋水泵与喷淋装置连接。所述冷却塔另一下侧设有溢水管、补水管和排水管。
所述机柜单元还设有主动防凝露控制模块、供氟温度探头和机房室内空气露点温度探头,所述主动防凝露控制模块与供氟温度探头、机房室内空气露点温度探头、外循环水泵、变频风机和变频喷淋水泵分别连接,所述供氟温度探头设在机房冷媒环路供氟干管上。所述供氟温度探头、机房室内空气露点温度探头测出的供氟温度和机房室内空气露点温度,所述主动防凝露控制模块根据通过采集信号的不断输入和动作调节信号的不断输出控制,彻底杜绝热管散热器换热存在的凝露风险。
所述冷媒供回氟单元还设有水过滤器、室外供水连接管和室内回水连接管,所述水过滤器与外循环水泵和室外供水连接管分别连接,所述室外供水连接管另一端与冷媒水供水管连接,所述室内回水连接管两端分别与中间换热器和冷媒水回水管连接。所述室外供水连接管与冷媒水供水管之间、室内回水连接管与冷媒水回水管之间分别设有供水阀和回水阀。所述水过滤器与外循环水泵和供水阀之间分别设有维护阀门,所述水过滤器和维护阀门串联后与另一维护阀门并联。
一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法,包括冷媒循环、冷媒水循环、服务器机柜空气散热循环和冷却塔散热循环。
进一步地,所述冷媒水循环为冷却单元提供的低温冷媒水在外循环水泵的作用下,沿室外供水连接管进入中间换热器,低温冷媒水在中间换热器中转化成高温冷媒水,通过室外回水连接管回到闭式冷却塔再次转化成低温冷媒水。
所述冷媒循环为通过中间换热器的低温液态冷媒在重力的作用下,经过储液器,沿机房冷媒环路供氟干管进入机房单元,通过与之并联的多根冷媒环路供氟支管进入服务器机柜内;各支管内的冷媒在重力作用下进入机柜内的热管散热器内,与经过热管散热器的热空气间接换热后成为气态冷媒,在密度差的作用下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进入中间换热器,再次被冷却为低温液态冷媒。
所述服务器机柜空气散热循环为在服务器机柜内置散热风扇的动力作用下,机柜外部的热空气经机柜底部进风口进入机柜,热空气首先经过热管散热器与其换热管内的低温冷媒热交换,成为温度较低的冷空气,再经过服务器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的降温冷却处理。
所述冷却塔散热循环为在冷却塔顶部变频风机的作用下,室外的干冷空气经进风格栅进入冷却塔壳体,并由下至上通过换热盘管热湿交换、脱水装置成为饱和热湿空气,并经冷却塔变频风机排出;冷却塔壳体底部的循环冷却水在变频喷淋水泵的作用下,经喷淋装置雾化或喷淋至换热盘管表面,与其内部的循环冷媒水间接换热,吸热后的冷却水同时与进入冷却塔壳体的干冷空气热湿交换降温。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间接换热,起到节水效果。其中,冷却塔壳体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。
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。所述主动防凝露控制模块不间断采集供氟温度探头和机房室内空气露点温度探头测得的供氟温度和机房空气露点温度,当机房空气露点温度低于供氟温度时,说明热管散热器4换热不存在凝露风险,以控制机房空气温度为主;若此时机房空气露点温度与设定值相当,各动力元件保持现有状态持续运行;若机房空气露点温度低于设定值时,所述主动防凝露控制模块发出动作调节输出信号至外循环水泵、冷却塔变频风机和变频喷淋水泵,降低各动力设备运行频率;若机房空气露点温度高于设定值而低于供氟温度时,所述主动防凝露控制模块发出动作调节输出信号至外循环水泵、冷却塔变频风机和变频喷淋水泵,提高各动力的运行频率;若机房空气露点温度高于供氟温度时,说明热管散热器的换热存在凝露风险,以控制供氟温度为主,所述主动防凝露控制模块发出动作调节输出信号至外循环水泵、冷却塔变频风机和变频喷淋水泵,降低各动力设备的功耗,降低供氟温度且控制供氟温度高于同一时刻采集的机房空气露点温度。通过采集信号的不断输入和动作调节信号的不断输出控制,彻底杜绝热管散热器换热存在的凝露风险。
整个自动控制过程中,外循环水泵、冷却塔变频风机、变频喷淋水泵动力设备的逻辑调节由控制模块自行计算输出。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)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;
(2)具备不引入室外的空气,不影响机房内的空气的洁净度和湿度;
(3)系统主动防凝露控制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。
说明书附图
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的机房单元示意图;
图3为本发明的冷媒供回氟单元示意图;
其中,1.服务器机柜;2.散热风扇;3.服务器;4.热管散热器;5.冷媒环路供氟支管;6.冷媒环路回氟支管;7.机房冷媒环路供氟干管;8.机房冷媒环路回氟干管;9.储液器;10.中间换热器;11.外循环水泵;12.水过滤器;13~14.维护阀门;15.室外供水连接管;16.室外回水连接管;17.供水阀;18.回水阀;19.冷媒水供水管;20.冷媒水回水管;21.冷却塔壳体;22.冷却塔变频风机;23.脱水装置;24.变频喷淋水泵;25.喷淋装置;26.换热盘管;27.排水管;28.补水管;29.溢水管;30.进风格栅;31.维护阀门;32.主动防凝露控制模块;33.动作调节输入信号;34.动作调节输出信号;Ⅰ.机房单元;Ⅱ.冷却单元;Ⅲ.循环动力单元;Ⅳ.冷媒供回氟单元。
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1,一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,包括机房单元Ⅰ和冷媒供回氟单元Ⅳ,所述冷媒供回氟单元Ⅳ包括循环动力单元Ⅲ和冷却单元Ⅱ,所述循环动力单元Ⅲ通过第一冷媒环路与机房单元Ⅰ形成闭合循环,通过第二冷媒环路与冷却单元Ⅱ形成闭合循环。
进一步地,所述第一冷媒环路为设有机房冷媒环路供氟干管7和机房冷媒环路回氟干管8分别连接机房单元Ⅰ和循环动力单元Ⅲ。所述第二冷煤环路为设有冷媒水供水管19和冷媒水回水管20分别连接循环动力单元Ⅲ和冷却单元Ⅱ。
如图2,所述机房单元Ⅰ包括多个并联的机柜服务器散热系统,所述机柜服务器散热系统包括服务器机柜1、多个散热风扇2、多个服务器3和多个热管散热器4,多个散热风扇2设置于服务器机柜1内部顶端,所述多个热管散热器4分别设置在服务器3下端。热管散热器4直接换热冷却服务器3,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4由服务器3联锁控制,当某一服务器3停止工作时,其对应的热管散热器4也自动关断,不再有冷媒流通;当服务器3重启时,热管散热器4联锁自动重启并对服务器冷却。热管散热器4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。
更进一步地,所述机房冷媒环路供氟干管7和机房冷媒环路回氟干管8分别设有多个冷媒环路供氟支管5和环路回氟支管6,所述冷媒环路供氟支管5和环路回氟支6管之间接入多个并联的热管散热器4。
如图3,所述循环动力单元Ⅲ由储液器9、中间换热器10和外循环水泵11串联组成,所述中间换热器10与机房冷媒环路供氟干管7和机房冷媒环路回氟干管8分别连接,所述储液器9设于于中间换热器10的供氟口处。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。
所述中间换热器10水平高于热管散热器4,使得氟利昂在重力作用下进入第一冷媒循环。中间换热器10包括但不限于板式换热器、壳管式换热器等换热器类型。
所述冷却单元Ⅱ包括冷却塔,所述冷却塔顶部设有变频风机22,冷却塔壳体21下侧设有进风隔栅30,内部设有换热盘管26与冷媒水供水管19和冷媒水回水管20分别连接,所述换热盘管26上端设有喷淋装置25,所述喷淋装置25上端设有脱水装置23,还设有变频喷淋水泵24与喷淋装置25连接。所述冷却塔另一下侧设有溢水管29、补水管28和排水管27。
所述机柜单元Ⅰ还设有主动防凝露控制模块32、供氟温度探头T1和机房室内空气露点温度探头T2,所述主动防凝露控制模块32与供氟温度探头T1、机房室内空气露点温度探头T2、外循环水泵11、变频风机22和变频喷淋水泵24分别连接,所述供氟温度探头T1设在机房冷媒环路供氟干管7上。所述供氟温度探头T1、机房室内空气露点温度探头T2测出的供氟温度和机房室内空气露点温度,所述主动防凝露控制模块32根据通过动作调节输入信号33和动作调节信号输出信号34的控制,彻底杜绝热管散热器换热存在的凝露风险。
所述冷媒供回氟单元Ⅳ还设有水过滤器12、室外供水连接管15和室内回水连接管16,所述水过滤器12与外循环水泵11和室外供水连接管15分别连接,所述室外供水连接管15另一端与冷媒水供水管19连接,所述室内回水连接管16两端分别与中间换热器10和冷媒水回水管20连接。所述室外供水连接管15与冷媒水供水管19之间、室内回水连接管16与冷媒水回水管20之间分别设有供水阀17和回水阀18。所述水过滤器12与外循环水泵11和供水阀17之间分别设有维护阀门13、14,所述水过滤器12和维护阀门13、14串联后与另一维护阀门31并联。
一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法,包括冷媒循环、冷媒水循环、服务器机柜空气散热循环和冷却塔散热循环。
进一步地,所述冷媒水循环为冷却单元Ⅱ提供的低温冷媒水在外循环水泵11的作用下,沿室外供水连接管15进入中间换热器10,低温冷媒水在中间换热器10中转化成高温冷媒水,通过室外回水连接管16回到闭式冷却塔再次转化成低温冷媒水。
所述冷媒循环为通过中间换热器10的低温液态冷媒在重力的作用下,经过储液器9,沿机房冷媒环路供氟干管7进入机房单元Ⅰ,通过与之并联的多根冷媒环路供氟支管5进入服务器机柜1内;各支管内的冷媒在重力作用下进入机柜内的热管散热器4内,与经过热管散热器4的热空气间接换热后成为气态冷媒,在密度差的作用下经冷媒环路回氟支管6后流入机房冷媒环路回氟干管8并汇总进入中间换热器10,再次被冷却为低温液态冷媒。
所述服务器机柜空气散热循环为在服务器机柜1内置散热风扇2的动力作用下,机柜外部的热空气经机柜底部进风口进入机柜,热空气首先经过热管散热器4与其换热管内的低温冷媒热交换,成为温度较低的冷空气,再经过服务器3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2排出,进而完成机柜1内外空气循环,同时也完成对服务器3的降温冷却处理。
所述冷却塔散热循环为在冷却塔顶部变频风机的作用下,室外的干冷空气经进风格栅30进入冷却塔壳体21,并由下至上通过换热盘管26热湿交换、脱水装置23成为饱和热湿空气,并经冷却塔变频风机22排出;冷却塔壳体底部的循环冷却水在变频喷淋水泵24的作用下,经喷淋装置25雾化或喷淋至换热盘管26表面,与其内部的循环冷媒水间接换热,吸热后的冷却水同时与进入冷却塔壳体的干冷空气热湿交换降温。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24运行,仅采用室外干冷空气与换热盘管26间接换热,起到节水效果。其中,冷却塔壳体内的冷却水由自动控制调节补水管28对冷却水量进行补充,通过排水管27排水及排污和溢水管29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。
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。所述主动防凝露控制模块32不间断采集供氟温度探头T1和机房室内空气露点温度探头T2测得的供氟温度和机房空气露点温度,当机房空气露点温度低于供氟温度时,说明热管散热器4换热不存在凝露风险,以控制机房空气温度为主;若此时机房空气露点温度与设定值相当,各动力元件保持现有状态持续运行;若机房空气露点温度低于设定值时,所述主动防凝露控制模块32发出动作调节输出信号34至外循环水泵11、冷却塔变频风机22和变频喷淋水泵24,降低各动力设备运行频率;若机房空气露点温度高于设定值而低于供氟温度时,所述主动防凝露控制模块32发出动作调节输出信号34至外循环水泵11、冷却塔变频风机22和变频喷淋水泵24,提高各动力的运行频率;若机房空气露点温度高于供氟温度时,说明热管散热器4的换热存在凝露风险,以控制供氟温度为主,所述主动防凝露控制模块32发出动作调节输出信号34至外循环水泵11、冷却塔变频风机22和变频喷淋水泵24,降低各动力设备的功耗,降低供氟温度且控制供氟温度高于同一时刻采集的机房空气露点温度。通过采集信号的不断输入和动作调节信号的不断输出控制,彻底杜绝热管散热器换热存在的凝露风险。
整个自动控制过程中,外循环水泵、冷却塔变频风机、变频喷淋水泵动力设备的逻辑调节由控制模块自行计算输出。

Claims (10)

1.一种热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,包括机房单元和冷媒供回氟单元,所述冷媒供回氟单元包括循环动力单元和冷却单元,所述循环动力单元通过第一冷媒环路与机房单元形成闭合循环,通过第二冷媒环路与冷却单元形成闭合循环。
2.根据权利要求1所述的热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述第一冷媒环路为设有机房冷媒环路供氟干管和机房冷媒环路回氟干管分别连接机房单元和循环动力单元。
3.根据权利要求1所述的热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,所述第二冷煤环路为设有冷媒水供水管和冷媒水回水管分别连接循环动力单元和冷却单元。
4.根据权利要求1所述热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述机房单元包括多个并联的机柜服务器散热系统,所述机柜服务器散热系统包括服务器机柜、多个散热风扇、多个服务器和多个热管散热器,多个散热风扇设置于服务器机柜内部顶端,所述多个热管散热器分别设置在服务器下端。
5.根据权利要求1或2或4所述热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述机房冷媒环路供氟干管和机房冷媒环路回氟干管分别设有多个冷媒环路供氟支管和环路回氟支管,所述冷媒环路供氟支管和环路回氟支管之间接入多个并联的热管散热器。
6.根据权利要求2所述热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述循环动力单元由储液器、中间换热器和外循环水泵串联组成,所述中间换热器与机房冷媒环路供氟干管和机房冷媒环路回氟干管分别连接,所述储液器设于于中间换热器的供氟口处。
7.根据权利要求4或6所述热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述中间换热器水平高于热管散热器。
8.根据权利要求1所述热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述冷却单元包括冷却塔,所述冷却塔顶部设有变频风机,下侧设有进风隔栅,内部设有换热盘管与冷媒水供水管和冷媒水回水管分别连接,所述换热盘管上端设有喷淋装置,所述喷淋装置上端设有脱水装置,还设有变频喷淋水泵与喷淋装置连接。
9.根据权利要求1所述热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述机柜单元还设有主动防凝露控制模块、供氟温度探头和机房室内空气露点温度探头,所述主动防凝露控制模块与供氟温度探头、机房室内空气露点温度探头、外循环水泵、变频风机和变频喷淋水泵分别连接,所述供氟温度探头设在机房冷媒环路供氟干管上。
10.根据权利要求1所述热管内循环式二次冷媒环路服务器机柜散热系统,其特征在于,所述冷媒供回氟单元还设有水过滤器、室外供水连接管和室内回水连接管,所述水过滤器与外循环水泵和室外供水连接管分别连接,所述室外供水连接管另一端与冷媒水供水管连接,所述室内回水连接管两端分别与中间换热器和冷媒水回水管连接。
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