CN106604618B - 一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置 - Google Patents
一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置，包括液冷机构和空气‑液体换热器，所述液冷机构设置于所述计算机设备内部，与设置于所述计算机设备内部的高发热元器件连接，所述计算机设备一侧设置有进风口，所述计算机设备外部设置有用于冷却进入所述计算机设备内部的空气的空气‑液体换热器，所述液冷机构和所述空气‑液体换热器通过液体循环管路串联或并联连接。利用液体循环冷却计算机设备内部的高发热元器件，利用设置于计算机设备外部的空气‑液体换热器冷却进入计算机设备内的空气，以带走低发热元器件(如硬盘、南北桥芯片等)的热量，实现采用一套液体循环系统通过液冷、风冷复合冷却方式带走整个计算机设备的发热。
Description
技术领域
本发明涉及数据中心散热冷却技术领域，特别是一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置。
背景技术
数据中心中聚集了大量的计算机设备，计算机设备主要包括服务器、路由器、存储设备、交换机等设备，数据中心是实现数据信息集中处理、传输、存储、交换等业务的服务平台。数据中心的电耗主要由计算机设备、空调系统和供配电系统三部分构成，其中空调系统电耗约占总量的40％。随着我国信息行业的快速发展，数据中心将呈现爆发增长，其电耗呈几何级数增长，能源消耗巨大。
随着计算机设备集成度的进一步提高，单台计算机设备的运算能力和发热量大幅增加，同时体积越来越小，传统风冷冷却方式已经逐渐无法满足计算机设备的散热冷却需求。
改善数据中心空调系统能耗问题需要考虑能从根本上解决计算机设备内电子元器件散热冷却难题的方法，现有风冷冷却方式的缺点是空气比热小、导热系数小，导致了输送能耗高并且传热温差大，不利于热量被及时带走，也不利于自然冷源的利用。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置，该装置利用液体循环直接冷却计算机设备内部高发热元器件(如CPU、内存等)，并利用外置空气-液体换热器冷却进入计算机设备内的空气，以带走其他低发热元器件(如硬盘、南北桥芯片等)的热量，实现采用一套液体循环系统通过液冷、风冷复合冷却方式带走整个计算机设备的发热，解决了现有技术存在的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置，包括液冷机构和空气-液体换热器，所述的液冷机构设置于计算机设备内部，与设置于计算机设备内部的高发热元器件连接，计算机设备一侧设置有进风口，计算机设备外部设置有用于冷却进入计算机设备内部的空气的空气-液体换热器，所述的液冷机构为双向螺旋微通道换热片，所述的双向螺旋微通道换热片内液体循环流道为双向螺旋形；所述的液冷机构和所述的空气-液体换热器通过液体循环管路串联或并联连接；当所述的液冷机构和所述的空气-液体换热器通过液体循环管路串联连接时，冷却液体通过管路先流入空气-液体换热器，然后流入液冷机构；当所述的液冷机构和所述的空气-液体换热器通过液体循环管路并联连接时，冷却液体通过液体循环管路同时流入液冷机构和空气-液体换热器；所述的液冷机构内部设置有第一温度传感器，所述的空气-液体换热器上设置有第二温度传感器，所述的第一温度传感器和所述的第二温度传感器与控制机构分别连接，根据控制机构传来的温度情况，对供液温度和流量进行调节。
本发明提出的装置利用液体循环冷却计算机设备内部的高发热元器件，利用设置于计算机设备外部的空气-液体换热器冷却进入计算机设备内的空气，以带走低发热元器件的热量，实现通过液冷、风冷复合冷却装置带走整个计算机设备的发热。
液冷、风冷复合冷却装置与控制机构连接，使用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置实现自动调节和故障处理；根据控制机构传来的温度情况，对供液温度和流量进行调节，当监测到温度传感器的温度值高于限定值时，将降低供液温度同时增大供液流量；当监测到温度传感器的温度低于限定值时，将升高供液温度同时减小供液流量。
液冷机构尽可能靠近计算机设备内部的发热元器件，在本发明中液冷机构为双向螺旋微通道换热片，换热片内液体循环流道为双向螺旋形，换热片与发热元器件直接接触，显著提高冷量利用效率，降低冷量输送能耗和输送损失，同时避免了对整个数据中心机房环境的冷却所造成的能源浪费。经过发明人反复的理论分析和试验验证得出，双向螺旋形换热片所采用的双向螺旋形液体循环流道比现有技术中常用的蛇形液体循环流道具备散热更均衡的优势，使被冷却元器件表面温度分布更为均匀，不会出现一端温度较低、另一端温度较高的情况；另外，双向螺旋形流道设计保证了液体流动过程中的转角均不超过90°，而蛇形流道设计存在180°转角的情况，双向螺旋形流道设计具备更小的流动阻力。
液冷机构和空气-液体换热器的并联或串联连接方式根据计算机设备元器件的耐热性程度确定。当高发热元器件和低发热元器件的耐受温度相近时，液冷机构和空气-液体换热器采用并联连接方式；当有部分元器件的耐受温度较高时，液冷机构和空气-液体换热器可以采用串联连接方式，循环液体先流经耐受温度低(约50～60℃)的元器件，然后再流经耐受温度高(约80～90℃)的元器件。
优选地，所述的液冷机构内部还设置有用于检测所述液冷机构是否漏液的第一漏液传感器。
优选地，所述的空气-液体换热器底部设置有用于检测所述空气-液体换热器是否漏液的第二漏液传感器。
优选地，所述的液冷机构为一个以上，当液冷机构为两个以上时，各液冷机构串联或并联连接。采用串联连接时，出液温度更高，有利于自然冷源利用。当多个高发热元器件为同类型元器件时，多个液冷机构之间采用并联连接；当多个高发热元器件为不同类型元器件时，多个液冷机构之间采用串联连接，并依据元器件耐受温度高低水平，循环液体优先通过耐受温度更低的元器件。
优选地，所述的空气-液体换热器为平行流微通道换热器。
优选地，所述的液体循环管路中的冷却液体为水。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用液冷方式对计算机设备内高发热元器件直接冷却，换热效率高，可以采用较高温度的冷却液体对发热元器件进行冷却，这能够更加充分地利用免费自然冷源。在配套有蓄冷系统的数据中心，还能够增加蓄冷系统的蓄冷温差，提高蓄冷系统蓄冷能力，一方面可以实现更佳的移峰填谷效果，另一方面可以蓄存更多的自然冷量用于免费供冷。能够显著降低数据中心能耗和运行费用；
2、本发明计算机设备内高发热元器件(如CPU、内存等)的发热量约占计算机设备总发热量的60％～70％，传统液冷方式仅能够将高发热元器件的发热量带走，还必须配备其他冷却方式将剩余低发热元器件(如硬盘、南北桥芯片等)的发热量带走；本发明通过一套冷却装置同时解决高发热元器件和低发热元器件的冷却问题，系统整体性好，安装使用便捷，更加有利于推广应用；
3、本发明液冷机构和空气-液体换热器的并联/串联连接方式根据计算机设备元器件的耐受温度确定，串联连接方式能够显著提高循环液体的回液温度，能够增加免费自然冷源利用率和蓄冷系统蓄冷温差，降低数据中心能耗和运行费用；
4、本发明通过使换热模块尽可能靠近计算机设备发热元器件，显著降低冷量输送能耗和输送损失，提高冷量利用效率。同时避免了对整个数据中心机房环境的冷却所造成的能源浪费。
附图说明
图1为实施例1一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置示意图，其中液冷机构与空气-液体换热器的连接方式串联连接；
图2为实施例1一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置示意图，其中液冷机构与空气-液体换热器的连接方式并联连接；
图3为实施例1液冷机构主视图；
图4为实施例1液冷机构内部液体循环流道布置方式图；
图5为实施例1空气-液体换热器主视图；
图中附图标记含义：1、计算机设备；2、第一发热元器件；3、第二发热元器件；4、第一液冷机构；5、第二液冷机构；6、空气-液体换热器；7、液体循环管路；8、温度传感器；9、漏液传感器；10、控制机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置，包括液冷机构和空气-液体换热器，液冷机构设置于计算机设备内部，与设置于计算机设备内部的高发热元器件连接，计算机设备一侧设置有进风口，计算机设备外部设置有用于冷却进入计算机设备内部的空气的空气-液体换热器，液冷机构和空气-液体换热器通过液体循环管路串联或并联连接；当液冷机构和空气-液体换热器通过液体循环管路串联连接时，冷却液体通过管路先流入空气-液体换热器，然后流入液冷机构；当液冷机构和空气-液体换热器通过液体循环管路并联连接时，冷却液体通过液体循环管路同时流入液冷机构和空气-液体换热器；液冷机构内部设置有第一温度传感器，空气-液体换热器上设置有第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器与控制机构分别连接，根据控制机构传来的温度情况，对供液温度和流量进行调节。
利用液体循环冷却计算机设备内部的高发热元器件，利用设置于计算机设备外部的空气-液体换热器冷却进入计算机设备内的空气，以带走低发热元器件的热量，实现通过液冷、风冷复合冷却装置带走整个计算机设备的发热；
液冷、风冷复合冷却装置与控制机构连接，使用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置实现自动调节和故障处理；根据控制机构传来的温度情况，对供液温度和流量进行调节，当监测到温度传感器的温度值高于限定值时，将降低供液温度同时增大供液流量；当监测到温度传感器的温度低于限定值时，将升高供液温度同时减小供液流量；
实施例1
参阅图1和图2，图1和图2箭头所示为计算机设备进风路径，虚线表示冷却液体出液的管路。一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置，利用液体循环直接冷却计算机设备1内部的高发热元器件，高发热元器件为第一发热元器件2和第二发热元器件3，第一发热元器件2和第二发热元器件3指CPU、内存等发热元器件，并利用设置于计算机设备1外部的空气-液体换热器6冷却进入计算机设备1内的空气，以带走其他低发热元器件(如硬盘、南北桥芯片等)的热量，实现采用一套液体循环系统带走整个计算机设备的发热。该装置采用高比热循环液体有效冷却高发热密度计算机设备，该装置整体性好，对循环液体的温度要求低，并能够有效利用自然冷源降低数据中心冷却能耗，解决了现有技术存在的问题。在本实施例中，高发热元器件为2个，液冷机构与高发热元器件对应设置，液冷机构的数量与实际高发热元器件的数量相同，因此液冷机构为2个，2个液冷机构之间可以串联连接或者并联连接。
液冷机构尽可能靠近计算机设备内部的发热元器件，在本实施例中第一液冷机构4和第二液冷机构5为双向螺旋微通道换热片，换热片内液体循环流道为双向螺旋形，换热片与发热元器件直接接触，显著提高冷量利用效率，降低冷量输送能耗和输送损失，同时避免了对整个数据中心机房环境的冷却所造成的能源浪费。经过发明人反复的理论分析和试验验证得出，双向螺旋形换热片所采用的双向螺旋形液体循环流道比现有技术中常用的蛇形液体循环流道具备散热更均衡的优势，使被冷却元器件表面温度分布更为均匀，不会出现一端温度较低、另一端温度较高的情况；另外，双向螺旋形流道设计保证了液体流动过程中的转角均不超过90°，而蛇形流道设计存在180°转角的情况，双向螺旋形流道设计具备更小的流动阻力。
用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置包括第一液冷机构4和第二液冷机构5、空气-液体换热器6、液体循环管路7、温度传感器8、漏液传感器9以及控制机构10。第一液冷机构4和第二液冷机构5与计算机设备内部的第一发热元器件2和第二发热元器件3直接接触传热；空气-液体换热器6布置于计算机设备进风口之前，用于冷却进入计算机设备内部的空气；液体循环管路7连接第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6，并负责利用液体循环将第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6散发出的热量带到室外。
第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6在液体循环路径上的连接方式可以并联连接，也可以是串联连接。当第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6采用并联连接时，冷却液体通过液体循环管路7同时流入第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6。当第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6采用串联连接时，冷却液体通过液体循环管路7先流入空气-液体换热器6，然后流入第一液冷机构4和第二液冷机构5。
第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6的并联/串联连接方式根据计算机设备元器件的耐受温度高低确定。当高发热元器件和低发热元器件的耐受温度相近时，第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6采用并联连接方式；当有部分元器件的耐受温度较高时，第一液冷机构4、第二液冷机构5和空气-液体换热器6可以采用串联连接方式，优先冷却耐受温度低的元器件，然后再冷却耐受温度高的元器件。
当有多个液冷机构时，各液冷机构间的连接方式可以是并联连接，也可以是串联连接。
温度传感器8有多组，第一液冷机构4和第二液冷机构5内部均设置有用于检测液冷机构温度的温度传感器8，温度传感器8紧贴发热元器件表面；空气-液体换热器6表面也设置有用于检测空气-液体换热器6的温度的温度传感器8。
空气-液体换热器6底部设置有用于检测空气-液体换热器6是否漏液的漏液传感器9，第一液冷机构4和第二液冷机构5内部均设置有用于检测液冷机构是否漏液的漏液传感器，漏液传感器与控制机构10连接，当监测到漏液传感器9的漏液信号时，将关断阀门以避免液体流入计算机设备元器件表面。
温度传感器8和漏液传感器9与控制机构10连接，控制机构10负责接收来自温度传感器8、漏液传感器9的信号，并向总控系统传递报警信息。总控系统根据控制机构10传来的温度情况，对供液温度和流量进行调节。当监测到温度传感器8的温度值高于限定值时，将降低供液温度同时增大供液流量；当监测到温度传感器8的温度低于限定值时，将升高供液温度同时减小供液流量；当监测到漏液传感器9的漏液信号时，将关断阀门以避免液体流入计算机设备元器件表面。
本发明利用液体循环直接冷却计算机设备内部高发热元器件(如CPU、内存等)，并利用外置空气-液体换热器冷却进入计算机设备内的空气，以带走其他低发热元器件(如硬盘、南北桥芯片等)的热量，实现采用一套液体循环系统通过液冷、风冷复合冷却方式带走整个计算机设备的发热。
用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置与总控系统连接，使用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置根据总控系统实现自动调节和故障处理。本发明通过采用液冷和风冷复合冷却的方式有效冷却高发热密度计算机设备，本发明整体性好、调控简单，对循环液体的温度要求低，能够显著增加免费自然冷源利用率和蓄冷系统蓄冷能力，大幅降低数据中心能耗和运行费用。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (1)
1.一种用于数据中心的液冷、风冷复合冷却装置，其特征在于：包括液冷机构和空气-液体换热器，所述的液冷机构设置于计算机设备内部，与设置于计算机设备内部的高发热元器件连接，计算机设备一侧设置有进风口，计算机设备外部设置有用于冷却进入计算机设备内部的空气的空气-液体换热器，所述的液冷机构为双向螺旋微通道换热片，所述的双向螺旋微通道换热片内液体循环流道为双向螺旋形；所述的液冷机构和所述的空气-液体换热器通过液体循环管路串联或并联连接；所述的液冷机构为两个以上，当高发热元器件和低发热元器件的耐受温度相近时，所述的液冷机构和所述的空气-液体换热器通过液体循环管路采用并联连接方式，冷却液体通过液体循环管路同时流入液冷机构和空气-液体换热器，当部分元器件的耐受温度较高时，所述的液冷机构和所述的空气-液体换热器通过液体循环管路采用串联连接方式，冷却液体通过管路先流入空气-液体换热器，然后流入液冷机构，优先冷却耐受温度低的元器件，然后再冷却耐受温度高的元器件；所述的液冷机构内部设置有第一温度传感器，所述的空气-液体换热器上设置有第二温度传感器，所述的第一温度传感器和所述的第二温度传感器与控制机构分别连接，根据控制机构传来的温度情况，对供液温度和流量进行调节，所述的液冷机构内部还设置有用于检测所述液冷机构是否漏液的第一漏液传感器，所述的空气-液体换热器底部设置有用于检测所述空气-液体换热器是否漏液的第二漏液传感器，所述的空气-液体换热器为平行流微通道换热器，所述液体循环管路中的冷却液体为水。
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