CN106941772B - 双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统 - Google Patents

Abstract

本专利涉及一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块、第一自然散热装置、风冷装置、第二自然散热装置、第一换热器和第二换热器，所述第一换热器一侧和液冷模块连接形成循环回路，另一侧和第一自然散热装置连接形成循环回路；所述第二换热器一侧和风冷装置连接形成循环回路，另一侧和第二自然散热装置连接形成循环回路。本专利采用自然冷源进行散热，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

Description

双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统

技术领域

本专利涉及数据中心自然冷却领域，具体涉及一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统。

背景技术

常用的数据中心服务器散热系统中，服务器CPU等高密度热源采用液冷通道散热，即液态流体通过与服务器主要发热芯片隔离接触吸热，带走了服务器总发热量70%～80%，而剩下的20%～30%的服务器热量则通过风冷通道带走。由于液冷通道散热效率高，因此采用自然冷却即可满足散热需求，无需压缩机参与制备冷源，整体能耗低，而风冷通道还是有压缩机参与制冷，所以风冷通道的压缩机能耗成为最新散热系统主要能耗设备。

传统的机房冷冻水空调系统末端送风温度约为15℃~16℃，在新版GB 50174《数据中心设计规范》中，服务器允许进风温度提高到32℃，即表明提高后的服务器允许进风温度也可满足服务器散热要求，同时服务器主要发热量已经通过高效的液冷通道散发出去，只剩下小部分分散式发热量，这使得风冷通道去除压缩机，利用自然冷源进行散热成为可能。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本专利提供一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，能够充分利用自然冷源实现数据中心自然冷却，节约能源。

针对本专利来说，上述技术问题是这样加以解决的：一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块、第一自然散热装置、风冷装置、第二自然散热装置、第一换热器和第二换热器，所述第一换热器一侧和液冷模块连接形成循环回路，另一侧和第一自然散热装置连接形成循环回路；所述第二换热器一侧和风冷装置连接形成循环回路，另一侧和第二自然散热装置连接形成循环回路。

所述液冷模块用于吸收服务器中主要发热元件的集中式热量，风冷装置用于吸收服务器中其他元件的分散式热量。液冷模块利用液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，所以才能够结合第一自然散热装置对服务器主要发热元件进行自然冷却，满足散热需求，同时因为服务器中70%~80%的热量已被液冷模块带走，服务器中其余的分布式热量允许进一步提高送风温度到32℃，这使得风冷装置能够结合第二自然散热装置对其他元件进行自然冷却，其次，所述第一换热器和第二换热器的设置可以将液冷模块和第一自然散热装置、风冷装置和第二自然散热装置之间的换热回路分成两级，间接缩短了液冷模块所在的换热回路，降低换热介质在换热回路中的压降，从而加快了换热介质的流速，提高换热效率，。综上，本专利采用自然冷源进行散热，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

进一步地，还包括温度补偿系统，所述温度补偿系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、温度补偿控制器、第一电动阀以及制冷装置，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设于风冷装置的进、出口处，制冷装置与第二散热装置并联，同时连接第二换热器形成循环回路，第一温度传感器、第二温度传感器、制冷装置分别与温度补偿控制器电连接。

所述温度补偿控制器通过获取第一温度传感器和第二温度传感器采集到的信息控制制冷装置的工作与否，当第一温度传感器或第二温度传感器所检测到的温度高于预先设定的温度值时，温度补偿控制器启动制冷装置对第二自然散热装置进行制冷补偿，以便应对过高的环境温度下第二自然散热装置散热效率低的问题，保证系统的稳定运行。

进一步地，所述温度补偿系统还包括设于风冷装置与第二换热器之间的循环回路上的流量传感器，温度补偿控制器与流量传感器电连接。

当流量传感器所检测到的循环回路中流量低于预先设定的流量值时，也即循环回路两侧温差小，从而压力差小，导致流量小时，温度补偿控制器启动制冷装置对第二自然散热装置进行制冷补偿，以便在高温下第二自然散热装置散热慢的时候保证系统运行稳定。

进一步地，所述温度补偿系统还包括设于制冷装置所在的支路上的第一电动阀，温度补偿控制器与第一电动阀电连接。

所述温度补偿控制器通过控制第一电动阀的开度来控制制冷装置的制冷补偿量，而该制冷补偿量又可以通过第一温度传感器和第二温度传感器检测到的温度数值进行判断，灵活性好，系统运行更稳定。

进一步地，所述制冷装置包括按顺序依次连接形成循环回路的压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置，蒸发器与第二自然散热装置并联，同时连接第二换热器形成循环回路，温度补偿控制器与压缩机电连接，蒸发器与第二自然散热装置并联，同时连接第二换热器形成循环回路。

进一步地，所述风冷装置包括盘管和设在盘管上的风机，所述盘管和第二换热器的一侧连接形成循环回路；所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设于盘管的进、出口处。

进一步地，还包括盘管防凝露系统，所述盘管防凝露系统包括盘管防凝露控制器以及温湿度传感器，温湿度传感器设于室内，盘管防凝露控制器分别电连接第三温度传感器、温湿度传感器和第二自然散热装置。

所述盘管防凝露控制器通过接收温湿度传感器检测到的室内温湿度来确定露点温度，接着判断第一温度传感器检测到的盘管进口处换热介质的温度是否低于露点温度，若是，则降低第二自然散热装置的运行频率，从而将盘管所在循环回路中换热介质的温度提高至露点温度之上，确保盘管无凝露现象，防止盘管凝露滴水导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，保证系统安全稳定运行。

进一步地，所述盘管防凝露系统还包括水泵；所述第二自然散热装置与制冷装置并联，两者同时通过水泵与第二换热器连接形成循环回路，盘管防凝露控制器与水泵电连接。

所述盘管防凝露控制器还可以通过降低水泵的运行频率来降低第二换热器与第二自然散热装置之间的换热效率，从而将盘管所在循环回路中换热介质的温度提高至露点温度之上，灵活性好，更好地保证系统安全稳定运行。

进一步地，所述盘管防凝露系统还包括设有第二电动阀的旁通管路；所述旁通管路同时并联制冷装置与第二自然散热装置，三者同时与第二换热器连接形成循环回路；所述盘管防凝露控制器与第二电动阀电连接。

所述盘管防凝露控制器还可以通过扩大第二电动阀的开度，使旁通管路打开，降低第二换热器与第二自然散热装置相连一侧的换热效率，从而将盘管所在循环回路中换热介质的温度提高至露点温度之上，灵活性好，更好地保证系统安全稳定运行。

相比于现有技术，本专利的有益效果为：

1、所述液冷模块和风冷装置分别通过第一自然散热装置和第二自然散热装置进行自然冷却，极大地降低了能耗。

2、通过温度补偿系统对第二自然散热装置进行制冷补偿，增强高温环境下的适应性，可靠性高。

3、还加入了盘管防凝露系统，确保盘管无凝露现象，防止盘管凝露滴水导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，保证系统安全稳定运行。

附图说明

图1是本专利的系统结构图。

具体实施方式

如图1所示的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块1、第一自然散热装置4、风冷装置6、第二自然散热装置10，所述液冷模块1与第一自然散热装置4进行换热，风冷装置6与第二自然散热装置10进行换热。

所述液冷模块1用于吸收服务器中主要发热元件的集中式热量，风冷装置6用于吸收服务器中其他元件的分散式热量。液冷模块1利用液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，所以才能够结合第一自然散热装置4对服务器主要发热元件进行自然冷却，满足散热需求，同时因为服务器中70%~80%的热量已被液冷模块带走，服务器中其余的分布式热量允许进一步提高送风温度到32℃，这使得风冷装置6能够结合第二自然散热装置10对其他元件进行自然冷却。综上，本专利采用自然冷源进行散热，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

该系统还包括第一换热器3和第二换热器8，所述第一换热器3一侧通过第一水泵2和液冷模块1连接形成循环回路，另一侧通过第二水泵5和第一自然散热装置4连接形成循环回路；所述第二换热器8一侧通过第三水泵7和风冷装置6连接形成循环回路，另一侧通过第四水泵9和第二自然散热装置10连接形成循环回路。

所述第一换热器3和第二换热器8的设置可以将液冷模块1和第一自然散热装置4、风冷装置6和第二自然散热装置10之间的换热回路分成两级，间接缩短了液冷模块1所在的换热回路，降低换热介质在换热回路中的压降，从而加快了换热介质的流速，提高换热效率，同时也可以通过分别调节两级换热回路中水泵的频率来控制换热介质的温度和压力，灵活性好，保证了系统的稳定运行。

该系统还包括温度补偿系统，所述温度补偿系统包括第一温度传感器15、第二温度传感器16、温度补偿控制器（图中未标出）、第一电动阀12以及制冷装置11，所述第一温度传感器15和第二温度传感器16分别设于风冷装置6的进、出口处，制冷装置11与第二散热装置10并联，同时通过第四水泵9连接第二换热器8形成循环回路，第一温度传感器15、第二温度传感器16、制冷装置11分别与温度补偿控制器电连接。

所述温度补偿控制器通过获取第一温度传感器15和第二温度传感器16采集到的信息控制制冷装置11的开关，当第一温度传感器15或第二温度传感器16所检测到的温度高于预先设定的温度值时，温度补偿控制器启动制冷装置11对第二自然散热装置10进行制冷补偿，以便应对过高的环境温度下第二自然散热装置10散热效率低的问题，保证系统的稳定运行。

所述温度补偿系统还包括设于风冷装置6与第二换热器8之间的循环回路上的流量传感器14，温度补偿控制器与流量传感器14电连接。

当流量传感器14所检测到的循环回路中流量低于预先设定的流量值时，也即循环回路两侧温差小，从而压力差小，导致流量小时，温度补偿控制器启动制冷装置11对第二自然散热装置10进行制冷补偿，以便在高温下第二自然散热装置10散热慢的时候保证系统运行稳定。

所述温度补偿系统还包括设于制冷装置11所在的支路上的第一电动阀12，温度补偿控制器与第一电动阀12电连接。

所述温度补偿控制器通过控制第一电动阀12的开度来控制制冷装置11的制冷补偿量，而该制冷补偿量可以通过第一温度传感器15和第二温度传感器16检测到的温度数值进行判断，灵活性好，系统运行更稳定。

所述制冷装置11包括按顺序依次连接形成循环回路的压缩机（图中未标出）、蒸发器（图中未标出）、冷凝器（图中未标出）以及节流装置（图中未标出），温度补偿控制器与压缩机电连接；所述蒸发器与第二自然散热装置10并联，两者同时连接第二换热器8形成循环回路，第一电动阀12设于蒸发器所在的支路上。

所述风冷装置6包括盘管（图中未标出）和设在盘管上的风机（图中未标出），所述盘管和第二换热器8的一侧连接形成循环回路。

还包括盘管防凝露系统，所述盘管防凝露系统包括盘管防凝露控制器（图中未标出）、第一温度传感器15以及温湿度传感器17，温湿度传感器17设于室内，盘管防凝露控制器分别电连接第一温度传感器15、温湿度传感器17和第二自然散热装置10。

所述盘管防凝露控制器通过接收温湿度传感器17检测到的室内温湿度来确定露点温度，接着判断第一温度传感器15检测到的盘管进口处换热介质的温度是否低于露点温度，若是，则降低第二自然散热装置10的运行频率，从而将盘管所在循环回路中换热介质的温度提高至露点温度之上，确保盘管无凝露现象，防止盘管凝露滴水导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，保证系统安全稳定运行。

所述盘管防凝露控制器与第四水泵9电连接。

所述盘管防凝露控制器还可以通过降低第四水泵9的运行频率来降低第二换热器8与第二自然散热装置10之间的换热效率，从而将盘管所在循环回路中换热介质的温度提高至露点温度之上，灵活性好，更好地保证系统安全稳定运行。

所述盘管防凝露系统还包括设有第二电动阀13的旁通管路（图中未标出），旁通管路两端通过第四水泵9同时并联第二自然散热装置10和制冷装置11，三者同时通过第四水泵9与第二换热器8连接形成循环回路，盘管防凝露控制器与第二电动阀13电连接。

所述盘管防凝露控制器还可以通过扩大第二电动阀13的开度，使旁通管路打开，降低第二换热器8与第二自然散热装置10相连一侧的换热效率，从而将盘管所在循环回路中换热介质的温度提高至露点温度之上，灵活性好，更好地保证系统安全稳定运行。

具体实施过程中，所述第一自然散热装置4和第二自然散热装置10可为开式冷却塔、闭式冷却塔或空冷器等自然冷却设备，且均配有风机（图中未标出）；所述第一换热器3和第二换热器8为板式换热器；所述液冷模块1为热管水冷模块，利用热管热阻低和导热效率高的特点，无需外力驱动蒸发冷凝循环，实现快速导热，散热效果好；所述盘管防凝露控制器与第二自然散热装置10上的风机电连接，通过控制风机的频率来控制第二自然散热装置10的制冷量大小。

本专利一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统的工作原理如下：

所述热管水冷模块吸收服务器主要发热元件的热量，风冷装置6吸收服务器中其他元件的分散式热量，这两种热量分别通过第一换热器3和第二换热器8释放到第一自然散热装置4和第二自然散热装置10中，最终利用自然冷源带走。

当所述第一温度传感器15或第二温度传感器16采集到的温度值低于预先设定的温度值，又或者流量传感器14采集到的流量值高于预先设定的流量值时，系统正常运行，制冷装置11关闭，完全利用自然冷源进行散热，能耗低；当所述第一温度传感器15或第二温度传感器16采集到的温度值低于预先设定的温度值，又或者流量传感器14采集到的流量值高于预先设定的流量值时，第二自然散热装置10的制冷量不能满足服务器的分散式热量散发要求，温度补偿控制器启动制冷装置11，并通过所需的制冷补偿量控制第一电动阀12的开度来进行制冷补偿，该制冷补偿量通过第一温度传感器15和第二温度传感器16检测到的温度数值进行判断，灵活性好，能够充分导出分散式热量，保证系统运行稳定。

所述盘管防凝露控制器通过接收温湿度传感器17检测到的室内温湿度来确定露点温度，接着判断第一温度传感器15检测到的盘管进口处换热介质的温度是否低于露点温度，若是，则降低第二自然散热装置10和第四水泵9的运行频率，并扩大第二电动阀13的开度，使旁通管路打开，降低第二换热器8与第二自然散热装置10相连一侧的换热效率，从而将盘管所在循环回路中换热介质的温度提高至露点温度之上，确保盘管无凝露现象，防止盘管凝露滴水导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，保证系统安全稳定运行；若否，则系统正常运行。

Claims (8)

1.一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，包括液冷模块、第一自然散热装置、风冷装置、第二自然散热装置、第一换热器和第二换热器，所述第一换热器一侧和液冷模块连接形成循环回路，另一侧和第一自然散热装置连接形成循环回路；所述第二换热器一侧和风冷装置连接形成循环回路，另一侧和第二自然散热装置连接形成循环回路；

还包括温度补偿系统，所述温度补偿系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、温度补偿控制器以及制冷装置，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设于风冷装置的进、出口处；所述制冷装置与第二自然散热装置并联,两者同时连接第二换热器形成循环回路，第一温度传感器、第二温度传感器、制冷装置分别与温度补偿控制器电连接；

所述温度补偿控制器通过获取第一温度传感器和第二温度传感器采集到的信息控制制冷装置的工作与否，当第一温度传感器或第二温度传感器所检测到的温度高于预先设定的温度值时，温度补偿控制器启动制冷装置对第二自然散热装置进行制冷补偿。

2.根据权利要求1所述的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述温度补偿系统还包括设于风冷装置与第二换热器之间的循环回路上的流量传感器,温度补偿控制器与流量传感器电连接。

3.根据权利要求1所述的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述温度补偿系统还包括设于制冷装置所在的支路上的第一电动阀，温度补偿控制器与第一电动阀电连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述制冷装置包括按顺序依次连接形成循环回路的压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置,温度补偿控制器与压缩机电连接,蒸发器与第二自然散热装置并联，同时连接第二换热器形成循环回路。

5.根据权利要求1所述的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述风冷装置包括盘管和设在盘管上的风机；所述盘管和第二换热器的一侧连接形成循环回路；所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设于盘管的进、出口处。

6.根据权利要求5所述的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，还包括盘管防凝露系统，所述盘管防凝露系统包括盘管防凝露控制器以及温湿度传感器,温湿度传感器设于室内，盘管防凝露控制器分别电连接第三温度传感器、温湿度传感器和第二自然散热装置。

7.根据权利要求6所述的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于,所述盘管防凝露系统还包括水泵；所述第二自然散热装置与制冷装置并联，两者同时通过水泵与第二换热器连接形成循环回路,盘管防凝露控制器与水泵电连接。

8.根据权利要求6所述的一种双级独立式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述盘管防凝露系统还包括设有第二电动阀的旁通管路；所述旁通管路同时并联制冷装置与第二自然散热装置，三者同时与第二换热器连接形成循环回路；所述盘管防凝露控制器与第二电动阀电连接。