CN108882657A - 一种自然冷源液冷数据中心散热系统及散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然冷源液冷数据中心散热系统及散热方法，其结构包括蒸发式冷凝器、水蒸发喷淋装置、汽液分离器、制冷剂储液罐、制冷泵、服务器CPU冷板和制冷剂分集器，蒸发式冷凝器上部设有水蒸发喷淋装置，蒸发式冷凝器的出口端与制冷剂储液罐连接，制冷剂储液罐的出口端与制冷泵连接，所述制冷剂液管上设有至少一个制冷剂分集器，所述汽液分离器的顶部还设有制冷剂气管，所述的制冷剂气管的出口与蒸发式冷凝器的入口相连，所述汽液分离器的底部通过管路与制冷剂储液罐出口端的管路相连。该散热系统可以实现全年完全替代压缩机运行，真正实现利用自然冷源进行数据中心制冷，提高数据中心PUE值，实现数据中心的绿色化。

Description

一种自然冷源液冷数据中心散热系统及散热方法

技术领域

本发明涉及散热系统，具体地说是一种自然冷源液冷数据中心散热系统及散热方法。

背景技术

伴随着我国数据中心产业技术创新步伐的加快，数据中心和服务器国产化水平不断提升，涌现出越来越多的产品。集装箱数据中心就是一种适应工厂预制、模块化生产、快速部署、集中交付的一种数据中心产品，适合在不需新建机房、野外部署等场景下使用。越来越多的军政部门、教育高校以及不希望高投资新建机房的企业等倾向于采纳集装箱数据中心产品，而数据中心又是耗电大户，全年不间断运行的电子信息设备以及制冷机组会消耗大量电能，采取节能措施降低制冷机组的功耗，有利于实现整个集装箱数据中心的节能。

目前数据中心节能效果比较好的是利用自然冷源如空气、水等，在过渡季节和冬季的温度较低，用来冷却数据中心，可以降低数据中心制冷机组的负荷。利用自然冷源对数据中心进行制冷，现阶段效果较好的技术是利用热管空调制冷或结合氟泵。室内机部分利用原有的列间空调室内机，室外部分在冷凝器的基础上根据实际需求增加喷淋，采取蒸发式冷凝器。但对于热管空调，制约其换热效率的主要方面来自于换热管壁与空气的对流换热，其换热热阻较大，因此增加管内制冷剂流速及增加空调风机风量、风速均难以对提高换热效率起到显著作用，部分服务器部件依旧会呈现高温状态，单独采用该种方法，无法完全替代压缩机，实现自然冷源制冷。

液冷是新兴的一种服务器制冷方法，分为间接接触式液冷和直接浸没式液冷两种方式。利用冷板接触CPU，冷板中通过连接管道或设置流动槽道使纯水在其中流动，代替传统的风扇换热。采用该种换热方式，其优点是将传统的空气与CPU的对流换热变为水-冷板-CPU的对流换热和导热，极大地增大了对流换热系数，对CPU降温具有明显优势。但传统的水冷板与CPU接触，存在“水进服务器”的风险，一旦接口处出现泄漏，其会对服务器造成巨大的破坏，这使利用水进行液冷技术的安全性有所降低。同时水冷板结构的关键在于提供充足的冷水资源，在大部分地区均需要配备大型冷却塔或压缩机补充制冷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自然冷源液冷数据中心散热系统及散热方法，该散热系统可以实现全年完全替代压缩机运行，真正实现利用自然冷源进行数据中心制冷，提高数据中心PUE值，实现数据中心的绿色化。该散热方法在节省能源的同时能保证降温效果。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种自然冷源液冷数据中心散热系统及散热方法，其结构包括蒸发式冷凝器、水蒸发喷淋装置、汽液分离器、制冷剂储液罐、制冷泵、服务器CPU冷板和制冷剂分集器，所述蒸发式冷凝器上部设有水蒸发喷淋装置，所述蒸发式冷凝器的出口端通过管路与制冷剂储液罐连接，所述制冷剂储液罐的出口端通过管路与制冷泵连接，所述制冷泵的出口端连接制冷剂液管，所述制冷剂液管上设有至少一个制冷剂分集器，所述制冷剂分集器连接制冷剂液管，所述服务器CPU冷板的一端与制冷剂液管连接，另一端与汽液混合管连接，所述汽液混合管的出口端与汽液分离器相连，所述汽液分离器的顶部还设有制冷剂气管，所述的制冷剂气管的出口与蒸发式冷凝器的入口相连，所述汽液分离器的底部通过管路与制冷剂储液罐出口端的管路相连。

进一步，所述服务器CPU冷板设有多个，每一个服务器CPU冷板对应一个服务器芯片，所述服务器CPU冷板紧贴于服务器芯片；所述制冷剂液管和汽液混合管上设有多个连接端口。

进一步，所述服务器CPU冷板为密封腔体，服务器CPU冷板的一端下部设有制冷剂入口，另一端上部设有汽液混合物出口，所述制冷剂入口与制冷剂液管上的连接端口连接，所述汽液混合物出口与汽液混合管上的连接端口连接。

进一步，所述服务器CPU冷板内腔的制冷剂由制冷剂入口流向汽液混合物出口，制冷剂在服务器CPU冷板内腔中流动并吸热相变产生汽泡。

进一步，所述服务器CPU冷板内设有制冷剂流动管道或流动槽道。

进一步，所述蒸发式冷凝器、水蒸发喷淋装置和制冷剂储液罐设于室外。

进一步，所述制冷剂为氟化液。

一种自然冷源液冷数据中心散热方法，包括以下步骤：

(1)、通过制冷剂泵使制冷剂经管路流向紧贴于服务器芯片处的服务器CPU冷板，冷板内的制冷剂被加热发生相变，吸收CPU产生的热量，汽液两相流体从服务器CPUC冷板中流至汽液混合管后进入汽液分离器，经过汽液分离后，汽态制冷剂流入室外蒸发式冷凝器，蒸发式冷凝器将来自室内的汽态制冷剂冷凝至液态，并进入制冷剂储液罐；在制冷剂泵的驱动作用下，分离后的液态制冷剂与冷凝后的储液罐流出的液态制冷剂汇合后再流入室内液冷分集器，完成整个循环；

(2)、当室外温度较低或由于服务器CPU使用功率较小时，制冷剂泵和冷媒分配单元可调控较少的制冷剂进入冷板，多余制冷剂进入储液罐，减少制冷剂泵功耗，对CPU进行降温；室外仅用风机对汽液两相冷媒进行冷却，不采用喷淋；

(3)、当室外温度较高或由于服务器CPU使用功率较大时，增加进入服务器CPU冷板的制冷剂流量，使更多的热量在CPU处被制冷剂带走，室外采用风机和喷淋共同对汽液两相冷媒进行冷却。

本发明的有益效果是：

1、该散热系统将自然冷源制冷与液冷相结合，弥补了两种方式在制冷方面的不足，可以实现全年完全替代压缩机运行，真正实现利用自然冷源进行数据中心制冷，提高数据中心PUE值，实现数据中心的绿色化。

2、制冷剂选取氟化液，其沸点低于服务器芯片正常工作温度，实现服务器“无水”冷板冷却，同时室外采用蒸发式冷凝器，利用风冷自然冷源和喷淋蒸发技术，完全实现去除压缩机运行。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明中机柜单元结构示意图；

图4为氟冷板的示意图。

图中：

1蒸发式冷凝器、2水蒸发喷淋装置、3制冷剂气管、4气液分离器、5服务器芯片、6空调、7滑动门、8制冷剂分集器、9制冷剂液管、10制冷泵、11制冷剂储液罐、12气液混合管、13服务器CPU冷板、131制冷剂入口、132汽液混合物出口。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的一种自然冷源液冷数据中心散热系统及散热方法作以下详细说明。

如图1至图4所示，本发明的一种自然冷源液冷数据中心散热系统，包括蒸发式冷凝器1、水蒸发喷淋装置2、汽液分离器4、制冷剂储液罐11、制冷泵10、服务器CPU冷板13和制冷剂分集器8，所述蒸发式冷凝器1上部设有水蒸发喷淋装置2，所述蒸发式冷凝器1的出口端通过管路与制冷剂储液罐11连接，所述制冷剂储液罐11的出口端通过管路与制冷泵10连接，所述制冷泵10的出口端连接制冷剂液管9，所述制冷剂液管9上设有至少一个制冷剂分集器8，所述制冷剂分集器8连接制冷剂液管9，所述服务器CPU冷板13的一端与制冷剂液管9连接，另一端与汽液混合管12连接，所述汽液混合管12的出口端与汽液分离器4相连，所述汽液分离器4的顶部还设有制冷剂气管3，所述的制冷剂气管3的出口与蒸发式冷凝器1的入口相连，所述汽液分离器4的底部通过管路与制冷剂储液罐11出口端的管路相连。

所述服务器CPU冷板13设有多个，每一个服务器CPU冷板对应一个服务器芯片5，所述服务器CPU冷板13紧贴于服务器芯片5；所述制冷剂液管9和汽液混合管12上设有多个连接端口。

所述服务器CPU冷板为密封腔体，服务器CPU冷板的一端下部设有制冷剂入口131，另一端上部设有汽液混合物出口132，所述制冷剂入口与制冷剂液管上的连接端口连接，所述汽液混合物出口与汽液混合管上的连接端口连接。

所述服务器CPU冷板13内腔的制冷剂由制冷剂入口131流向汽液混合物出口，制冷剂在服务器CPU冷板内腔中流动并吸热相变产生汽泡。

所述服务器CPU冷板内设有制冷剂流动管道或流动槽道，便于制冷剂的均匀不受阻流动，提高制冷效果。

所述蒸发式冷凝器、水蒸发喷淋装置和制冷剂储液罐设于室外，气液分离器、制冷泵、服务器CPU冷板和服务器芯片设于室内，服务器一侧还设有空调、不间断电源，其中服务器、空调6、不间断电源和气液分离器构成密封空间，在密封空间的一侧设有滑动门7。

实施例

选取一种特殊的制冷剂-氟化液，实现服务器“无水”冷板冷却，其沸点低于服务器芯片正常工作温度(约50-55℃)，使其在冷板中发生相变，利用相变汽化潜热吸收CPU产生的热量，同时室外采用蒸发式冷凝器，利用风冷自然冷源和喷淋蒸发技术，完全去除了服务器液冷“水浸”风险，实现服务器去压缩机运行。蒸发式冷凝器的出口端通过管路与氟化液储液罐连接，所述氟化液储液罐的出口端通过管路与氟化液泵连接，所述氟化液泵的出口端连接氟化液液管，所述氟化液液管上设有两个氟化液分集器，每个氟化液分集器为独立单元，所述氟化液分集器连接氟化液液管，所述服务器CPU冷板的一端与氟化液液管连接，另一端与汽液混合管连接，两个独立的汽液混合管的出口端并联后与汽液分离器相连，所述汽液分离器的顶部还设有氟化液汽管，所编写氟化液汽管的出口与蒸发式冷凝器的入口相连，所述汽液分离器的底部通过管路与氟化液储液管出口端的管路相连。所述服务器CPU冷板内腔的氟化液由氟化液入口流向汽液混合物出口，氟化液在服务器CPU冷板内腔中流动并吸热相变产生汽泡。

一种自然冷源液冷数据中心散热方法，包括以下步骤：

(1)、通过制冷剂泵使制冷剂经管路流向紧贴于服务器芯片处的服务器CPU冷板，冷板内的制冷剂被加热发生相变，吸收CPU产生的热量，汽液两相流体从服务器CPUC冷板中流至汽液混合管后进入汽液分离器，经过汽液分离后，汽态制冷剂流入室外蒸发式冷凝器，蒸发式冷凝器将来自室内的汽态制冷剂冷凝至液态，并进入制冷剂储液罐；在制冷剂泵的驱动作用下，分离后的液态制冷剂与冷凝后的储液罐流出的液态制冷剂汇合后再流入室内液冷分集器，完成整个循环；

(2)、当室外温度较低或由于服务器CPU使用功率较小时，制冷剂泵和冷媒分配单元可调控较少的制冷剂进入冷板，多余制冷剂进入储液罐，减少制冷剂泵功耗，对CPU进行降温；室外仅用风机对汽液两相冷媒进行冷却，不采用喷淋；

(3)、当室外温度较高或由于服务器CPU使用功率较大时，增加进入服务器CPU冷板的制冷剂流量，使更多的热量在CPU处被制冷剂带走，室外采用风机和喷淋共同对汽液两相冷媒进行冷却。

该散热方法可以根据温度高低不同选择风机或喷淋或两者结合进行冷却，节省能源的同时保证冷却效果。

将自然冷源制冷技术与液冷技术相组合的制冷系统，是在对新兴的数据中心制冷方式自然冷源和液冷的分析的基础上，结合上述两种制冷方式的优点，弥补了两种方式在制冷方面的不足。将上述两种制冷方法相结合，构成组合式数据中心制冷系统，在一定程度上可以实现全年完全替代压缩机运行，真正实现利用自然冷源进行数据中心制冷，提高数据中心PUE值，实现数据中心的绿色化。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。

Claims (8)

1.一种自然冷源液冷数据中心散热系统，其特征是，包括蒸发式冷凝器、水蒸发喷淋装置、汽液分离器、制冷剂储液罐、制冷泵、服务器CPU冷板和制冷剂分集器，所述蒸发式冷凝器上部设有水蒸发喷淋装置，所述蒸发式冷凝器的出口端通过管路与制冷剂储液罐连接，所述制冷剂储液罐的出口端通过管路与制冷泵连接，所述制冷泵的出口端连接制冷剂液管，所述制冷剂液管上设有至少一个制冷剂分集器，所述制冷剂分集器连接制冷剂液管，所述服务器CPU冷板的一端与制冷剂液管连接，另一端与汽液混合管连接，所述汽液混合管的出口端与汽液分离器相连，所述汽液分离器的顶部还设有制冷剂气管，所述的制冷剂气管的出口与蒸发式冷凝器的入口相连，所述汽液分离器的底部通过管路与制冷剂储液罐出口端的管路相连。

2.根据权利要求1所述的一种自然冷源液冷数据中心散热系统，其特征是，所述服务器CPU冷板设有多个，每一个服务器CPU冷板对应一个服务器芯片，所述服务器CPU冷板紧贴于服务器芯片；所述制冷剂液管和汽液混合管上设有多个连接端口。

3.根据权利要求1所述的一种自然冷源液冷数据中心散热系统，其特征是，所述服务器CPU冷板为密封腔体，服务器CPU冷板的一端下部设有制冷剂入口，另一端上部设有汽液混合物出口，所述制冷剂入口与制冷剂液管上的连接端口连接，所述汽液混合物出口与汽液混合管上的连接端口连接。

4.根据权利要求3所述的一种自然冷源液冷数据中心散热系统，其特征是，所述服务器CPU冷板内腔的制冷剂由制冷剂入口流向汽液混合物出口，制冷剂在服务器CPU冷板内腔中流动并吸热相变产生汽泡。

5.根据权利要求1所述的一种自然冷源液冷数据中心散热系统，其特征是，所述服务器CPU冷板内设有制冷剂流动管道或流动槽道。

6.根据权利要求1所述的一种自然冷源液冷数据中心散热系统，其特征是，所述蒸发式冷凝器、水蒸发喷淋装置和制冷剂储液罐设于室外。

7.根据权利要求1所述的一种自然冷源液冷数据中心散热系统，其特征是，所述制冷剂为氟化液。

8.一种自然冷源液冷数据中心散热方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)、通过制冷剂泵使制冷剂经管路流向紧贴于服务器芯片处的服务器CPU冷板，冷板内的制冷剂被加热发生相变，吸收CPU产生的热量，汽液两相流体从服务器CPUC冷板中流至汽液混合管后进入汽液分离器，经过汽液分离后，汽态制冷剂流入室外蒸发式冷凝器，蒸发式冷凝器将来自室内的汽态制冷剂冷凝至液态，并进入制冷剂储液罐；在制冷剂泵的驱动作用下，分离后的液态制冷剂与冷凝后的储液罐流出的液态制冷剂汇合后再流入室内液冷分集器，完成整个循环；

(2)、当室外温度较低或由于服务器CPU使用功率较小时，制冷剂泵和冷媒分配单元可调控较少的制冷剂进入冷板，多余制冷剂进入储液罐，减少制冷剂泵功耗，对CPU进行降温；室外仅用风机对汽液两相冷媒进行冷却，不采用喷淋；

(3)、当室外温度较高或由于服务器CPU使用功率较大时，增加进入服务器CPU冷板的制冷剂流量，使更多的热量在CPU处被制冷剂带走，室外采用风机和喷淋共同对汽液两相冷媒进行冷却。