CN109508083A - 一种接触式冷却的服务器散热系统及其使用方法 - Google Patents

一种接触式冷却的服务器散热系统及其使用方法 Download PDF

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田中轩
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Abstract

本发明公开了一种接触式冷却的服务器散热系统及使用方法,包括液冷系统和换热系统,液冷系统采用冷却液冷却服务器内发热器件,换热系统主要是由换热器、压缩机、冷凝器、输送泵和膨胀阀依次相连组成的内有换热介质循环流动的第一回路,液冷系统通过换热器与换热系统相连形成内有冷却液循环流动的第二回路,在液冷系统中与发热器件换热后的冷却液在换热器内与制冷剂进行间壁式热交换,换热系统还包括第一通阀和第二通阀,第一通阀通过第一连接管路与输送泵并联,第二通阀通过第二连接管路与压缩机并联。本发明液冷系统采用冷却液冷却发热器件,可带走高功率服务器中所有热量,本发明仅针对一个临界温度进行控制调节,简化了结构,降低了建设成本。

Description

一种接触式冷却的服务器散热系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种服务器或数据中心机房散热系统,尤其涉及一种接触式冷却的服务器散热系统,还涉及该服务器散热系统的使用方法。
背景技术
现代生活离不开数据,但随着数据流量的增长,数据中心的大量建设,人们在通过数据创造了一个更美好的世界的同时,将面临对数据中心日益增长的资源和电力需求。
一个大型数据中心使用的电量相当于一个小城市的总电量。其中为服务器供电和冷却所需的电能就占到数据中心总运营成本的40%,因此,数据中心的能源低效问题不容忽视。同时,数据中心的建设需要考虑包括选址、地区温度、绿色能源和供配电系统等问题。传统的数据中心利用风冷系统的模式,但风冷系统能效比较低,靠风直接散热。从冷却角度看,主要能耗产生于压缩机、室内风机、风冷室外冷凝器。由于室外机布置集中,夏季时室外机全部开启时,局部热堆积现象明显,会降低制冷效率,影响使用效果。为了改变这种现状,液冷服务器及其散热系统应运而生,其基本原理是:将液态换热介质通入具有液冷结构的服务器中,通过热交换将服务器中主要发热元件的热量带走。相比于传统服务器,液冷服务器可以就近带走热量,不但具有很好的节能效果,还可以通过提高功率密度来减小服务器尺寸;此外,使用液冷服务器还能够减少噪音,也更容易实现热能的回收。
通过液冷服务器散热系统与其他散热系统的结合,可有效提高数据中心的散热效果,并降低数据中心的PUE值,该类散热系统逐步得到广泛的应用。目前多采取冷板式液冷服务器系统和风冷系统结合的方式来降低数据中心的PUE,实现节能减排的目的。该系统的冷板式液冷服务器系统由多个服务器组成,通过板路中的冷却液与发热元件间接接触带走发热元件的热量;风冷系统对液冷系统中未吸收的热量进行补充散热,风冷系统一般包括蒸发器、蒸发器风扇和间壁式换热器的冷侧、压缩机、冷凝器、流量控制装置、换热介质泵、温度检测装置以及多个根据控制装置指令对线路进行调节的阀门等。此类散热系统可根据室外环境温度通过各阀门的开闭对风冷系统中各部件进行控制,同时压缩机在不同温度区间段开启,对风冷系统中的换热介质进行加压处理,提升散热系统的换热能力。
但是,这种冷板式液冷服务器系统和风冷系统结合散热的方式存在着以下缺陷:
⑴为了达到一定的散热效果,在全年中压缩机开启的时间较长,系统能耗依然较大。
⑵由于对各温度区间段中散热系统各部件的开启关闭都有着不同的设置要求,因而导致系统结构复杂,制造成本高。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种结构简单、制造成本低、能耗较低的接触式冷却的服务器散热系统。
本发明的第一个目的通过如下的技术方案来实现:一种接触式冷却的服务器散热系统,它包括液冷系统和换热系统,其特征在于:所述液冷系统采用冷却液对服务器内发热器件进行冷却,所述换热系统主要是由换热器、压缩机、冷凝器、输送泵和膨胀阀依次相连组成的内有换热介质循环流动的第一回路,所述液冷系统通过换热器与换热系统相连形成内有冷却液循环流动的第二回路,在液冷系统中与发热器件换热后的冷却液在换热器内与制冷剂进行间壁式热交换,所述换热系统还包括第一通阀和第二通阀,所述第一通阀通过第一连接管路与所述输送泵并联,所述第二通阀通过第二连接管路与所述压缩机并联。
本发明的液冷系统采用冷却液冷却发热器件的冷却方式,比现有的风冷散热的换热能力更强,可以把高功率服务器中的所有热量带走,因此,无需附加其它散热系统来解决服务器中剩余热量带走的问题,本发明只需要考虑冷却液的换热问题,仅针对一个临界温度进行控制调节即可,所以,简化了散热系统的结构,降低了系统的建设成本;而且,本发明液冷系统中冷却液的冷却温度较高,即使在室外环境温度高达35℃的情况下,但由于换热介质与室外环境存在较大的传热温差,临界温度较高,因此不需要启动压缩机,可有效降低能耗。
为了实现智能自动化控制,本发明所述接触式冷却的服务器散热系统还包括控制系统、用于检测冷却液进入输送泵后的压力的压力检测装置和温度检测系统,所述压力检测装置设于输送泵进液口的管路上并与所述第一通阀并联,所述控制系统分别与压力检测装置、温度检测系统、输送泵、第一通阀、压缩机和第二通阀相连。
作为本发明的一种实施方式,所述液冷系统具有位于机柜外部的总进液管路和总出液管路,所述换热器上具有供冷却液进出的冷却液进口和冷却液出口,所述液冷系统的总出液管路与换热器的冷却液进口连接,液冷系统的总进液管路与换热器的冷却液出口连接使得液冷系统和换热系统相连,在液冷系统的总出液管路上设有加速冷却液流动的循环泵。大型数据中心的服务器和冷凝器之间的距离一般设置的较远,循环泵可以将冷却液循环起来,加速冷却液进入换热系统,提升换热效率。
作为本发明的一种优选实施方式,所述液冷系统为喷淋式液冷服务器系统。
作为本发明的另一种优选实施方式,所述液冷系统为浸没式液冷服务器系统。
作为本发明的一种优选实施方式,所述冷却液为适合与服务器元器件相容的冷却液,比如是绝缘非腐蚀传热介质油类、氟化液。
作为本发明的一种优选实施方式,所述换热介质为氟利昂类,如R22、R410A、R407C、R744、R134a、R1234yf、R290和R600a等。
作为本发明的一种优选实施方式,所述换热器为板式换热器或管壳式换热器。
本发明的第二个目的在于提供一种上述接触式冷却的服务器散热系统的使用方法。
本发明的第二个目的通过如下的技术方案来实现:一种上述接触式冷却的服务器散热系统的使用方法,其特征在于包括以下步骤:
⑴当环境温度<T1时,关闭第一通阀和压缩机,并开启第二通阀和输送泵;
⑵当TI<环境温度<T2时,关闭第一通阀和第二通阀,并开启输送泵和压缩机;
⑶当环境温度>T2时,关闭第二通阀和输送泵,开启第一通阀和压缩机。
作为本发明的一种优选实施方式,T1≤30℃;35℃≤T2≤38℃。
为了实现智能自动化控制,本发明在所述接触式冷却的服务器散热系统中增设控制系统、用于检测冷却液进入输送泵后的压力的压力检测装置和温度检测系统,所述压力检测装置设于输送泵进液口的管路上并与所述第一通阀并联,所述温度检测系统获取环境温度,所述控制系统分别与压力检测装置、温度检测系统、输送泵、第一通阀、压缩机和第二通阀相连;由控制系统控制各部件的开启和关闭。
与现有技术相比,本发明具有如下显著的效果:
⑴本发明的液冷系统采用冷却液冷却发热器件的方式,比现有的风冷散热的换热能力更强,可以把高功率服务器中的所有热量带走,因此,无需附加其它散热系统来解决服务器中剩余热量带走的问题,本发明只需要考虑冷却液的换热问题,仅针对一个临界温度进行控制调节即可,所以,简化了散热系统的结构,降低了系统的建设成本。
⑵本发明液冷系统中冷却液的冷却温度较高,即使在室外环境温度高达35℃的情况下,但由于换热介质与室外环境存在较大的传热温差,因此不需要启动压缩机,压缩机在外界温度相对较高的时候才会开启,使得散热系统全年的能耗更低,可有效降低系统能耗。
⑶本发明散热系统中的冷凝器可根据实际需求设置不同类型的冷凝器,以满足不同的散热需求。
⑷结合中国普遍地域情况,本发明在热带和亚热带部分地区可有效减少压缩机的使用时长,部分地区基本不必使用压缩机,整体节能效果显著,适于广泛推广和使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明散热系统的整体组成结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,是本发明一种接触式冷却的服务器散热系统,它包括控制系统1、液冷系统2、换热系统3、压力检测装置和温度检测系统4,温度检测系统4可以获取室外环境温度,液冷系统2采用冷却液对服务器内发热器件进行冷却,在本实施例中,冷却液与服务器内发热器件或与发热器件接触的扩展表面直接接触,液冷系统是喷淋式液冷服务器系统。
喷淋式液冷服务器系统包括机柜主体14、竖列安装在机柜主体14空间内的多个服务器15、布液喷淋板16、用于储存从散热系统中回流的低温冷却液的储液槽17、连接管路、浮球阀18、位于机柜主体14外的总出液管路11和总进液管路10。储液槽17可外接机柜主体14或者设置于机柜主体14内。储液槽17通过连接管路与布液喷淋板16连接,冷却液通过布液喷淋板16的孔口与服务器15内发热器件接触,冷却液带走发热器件的热量后回流至设置在布液喷淋板16上方的回收槽,回收槽中的冷却液经过布置在机柜内的连接管路流至总出液管路11。储液槽17中设有液位传感器,液位传感器为浮球阀18,浮球阀18使储液槽17中的液位保持平衡,调节储液槽17中冷却液的出液量,使冷却液进入的各布液喷淋板16的压力环境一致。
在其它实施例中,液冷系统也可以是浸没式液冷服务器系统,浸没式液冷服务器系统包括机柜主体、放置在机柜主体内的多个服务器、液位传感器、阀门、出液管路和进液管路。冷却液浸没服务器内的所有发热器件,冷却液通过出液管路和进液管路流通。液位传感器用于检测冷却液的液面高度,阀门设置于出液管路和进液管路中,并与液位传感器连接,根据液位传感器采集的信息开闭管路调节冷却液的进出速率以保持冷却液在机柜中的液面高度。
换热系统主要是由换热器5、压缩机6、冷凝器7、变频节能泵8和电子膨胀阀9依次相连组成的内有制冷剂循环流动的第一回路,制冷剂为氟利昂,如R22、R410A、R407C、R744、R134a、R1234yf、R290和R600a等。液冷系统通过换热器5与换热系统相连形成内有冷却液循环流动的第二回路,冷却液为传热介质油或氟化液,也可以是其它与服务器元器件相容的冷却液,在液冷系统中与服务器内发热器件换热后的冷却液在换热器内与制冷剂进行间壁式热交换;压缩机6为变频压缩机,可以根据机房负荷动态调整压缩机的转速,进一步节约能耗。换热器5为板式换热器或管壳式换热器,换热系统还包括第一通阀19和第二通阀20,第一通阀19通过第一连接管路与变频节能泵8并联,第二通阀20通过第二连接管路与压缩机6并联;控制系统1分别与压力检测装置、温度检测系统4、变频节能泵8、第一通阀19、压缩机6和第二通阀20相连。压力检测装置用于检测冷却液进入变频节能泵8后的压力,压力检测装置设于变频节能泵8进液口的管路上并与第一通阀并联。当压力检测装置检测到冷却液压力不足以保证连接管内的运输能力的时候,压力检测装置发出信号给控制系统,控制系统发出指令调节变频泵以使得连接管道内有足够的运输能力使得冷却液流动。当压力检测装置检测到冷却液压力足以保证连接管内的运输能力的时候,压力检测装置发出信号给控制系统,控制系统发出指令使变频泵保持原来工作状态。
变频节能泵8由泵、电机、控制器和变频器组成。压力传感器采集管网传输压力传输至控制系统,由控制系统发出指令控制变频泵驱动电机的频率即转速,使系统按要求压力运行,这样变频泵通过调节转速以达到调节流量,可进一步节约能耗。
液冷系统具有位于机柜外部的总进液管路10和总出液管路11,换热器上具有供冷却液进出的冷却液进口12和冷却液出口13,液冷系统的总出液管路11与换热器的冷却液进口12连接,液冷系统的总进液管路10与换热器的冷却液出口13连接使得液冷系统和换热系统相连,在液冷系统的总出液管路11上设有循环泵,以便加速冷却液进入换热系统,提升换热效率。
本发明的工作原理:
⑴在液冷系统中,经过与发热器件换热后的冷却液通过循环泵的作用通过总出液管路进入换热器,在换热器内与制冷剂进行热交换降温,降温后的冷却液通过总进液管路进入服务器,对发热器件进行降温,如此循环。
⑵在换热系统中,换热器内的制冷剂与冷却液接触后吸收冷却液的热量使得制冷剂的温度升高变成气体,气体通过管路进入冷凝器,在冷凝器中气体向环境释放热量进行冷却,成为低温液体,再通过输送泵和电子膨胀阀,成为低温低压的液体,最后回到换热器中对冷却液进行热交换,如此循环。
一种上述接触式冷却的服务器散热系统的使用方法,由控制系统控制各部件的开启和关闭,具体包括以下步骤:
1.当环境温度<T1(T1≤30℃)时,此时外部环境空气可以通过强制对流将制冷剂冷却到要求温度和状态,此时打开第二通阀,关闭压缩机,制冷剂在换热器中通过吸热蒸发相变后通过管道进入冷凝器,在冷凝器向环境释放热量进行冷却,成为低温液体。此时关闭压缩机,为了保证连接管道内的运输能力,需要打开变频泵进行传输。关闭第一通阀、开启变频泵,低温液体通过变频节能泵成为高压低温液体,通过连接管路传输到电子膨胀阀,经过膨胀阀的作用后成为低温低压的液体,最后回到换热器中对冷却液进行热交换。
2.当TI(T1≤30℃)<环境温度<T2(35~38℃)时,关闭第一通阀和第二通阀,开启压缩机和变频泵,此时制冷剂在换热器中与冷却液进行热交换成为气体,气体经过压缩机后成为高温高压的气体,通过管路进入冷凝器,在冷凝器内向环境释放热量进行冷却,成为高压低温液体,制冷剂再通过管路进入变频泵,最后再经过膨胀阀成为低压低温液体,最后回流至换热器与冷却液再次进行热交换,如此循环。根据此区间内的环境温度的变化和管道内制冷剂的运输压力,动态调节压缩机和变频泵的工作状态,实现能耗降低。
3.当环境温度>T2时,外部温度不足以提供制冷剂冷凝所需的足够温差,此时开启压缩机和第一通阀,关闭变频泵和第二通阀,制冷剂在换热器中与冷却液进行热交换成为气体,气体经过压缩机后成为高温高压的气体,通过管路进入冷凝器,在冷凝器内向环境释放热量进行冷却,成为高压低温液体。液体通过第一连接管路进入膨胀阀成为低压低温液体,最后回流至换热器与冷却液再次进行热交换,如此循环。
本发明的实施方式不限于此,根据本发明的上述内容,按照本领域的普通技术知识和惯用手段,在不脱离本发明上述基本技术思想前提下,本发明还具有多种形式的修改、替换或变更,均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种接触式冷却的服务器散热系统,它包括液冷系统和换热系统,其特征在于:所述液冷系统采用冷却液对服务器内发热器件进行冷却,所述换热系统主要是由换热器、压缩机、冷凝器、输送泵和膨胀阀依次相连组成的内有制冷剂循环流动的第一回路,所述液冷系统通过换热器与换热系统相连形成内有冷却液循环流动的第二回路,在液冷系统中与发热器件换热后的冷却液在换热器内与制冷剂进行间壁式热交换;所述换热系统还包括第一通阀和第二通阀,所述第一通阀通过第一连接管路与所述输送泵并联,所述第二通阀通过第二连接管路与所述压缩机并联。
2.根据权利要求1所述的接触式冷却的服务器散热系统,其特征在于:所述接触式冷却的服务器散热系统还包括控制系统、用于检测冷却液进入输送泵后的压力的压力检测装置和温度检测系统,所述压力检测装置设于输送泵进液口的管路上并与所述第一通阀并联,所述控制系统分别与压力检测装置、温度检测系统、输送泵、第一通阀、压缩机和第二通阀相连。
3.根据权利要求2所述的接触式冷却的服务器散热系统,其特征在于:所述液冷系统具有位于机柜外部的总进液管路和总出液管路,所述换热器上具有供冷却液进出的冷却液进口和冷却液出口,所述液冷系统的总出液管路与换热器的冷却液进口连接,液冷系统的总进液管路与换热器的冷却液出口连接使得液冷系统和换热系统相连,在液冷系统的总出液管路上设有加速冷却液流动的循环泵。
4.根据权利要求3所述的接触式冷却的服务器散热系统,其特征在于:所述液冷系统为喷淋式液冷服务器系统或浸没式液冷服务器系统。
5.根据权利要求4所述的接触式冷却的服务器散热系统,其特征在于:所述冷却液为绝缘非腐蚀的传热介质油类或氟化液。
6.根据权利要求5所述的接触式冷却的服务器散热系统,其特征在于:所述制冷剂为氟利昂类。
7.根据权利要求1~6任一项所述的接触式冷却的服务器散热系统,其特征在于:所述换热器为板式换热器或管壳式换热器。
8.一种权利要求1所述接触式冷却的服务器散热系统的使用方法,其特征在于包括以下步骤:
⑴当环境温度<T1时,关闭第一通阀和压缩机,并开启第二通阀和输送泵;
⑵当TI<环境温度<T2时,关闭第一通阀和第二通阀,并开启输送泵和压缩机;
⑶当环境温度>T2时,关闭第二通阀和输送泵,并开启第一通阀和压缩机。
9.根据权利要求8所述的使用方法,其特征在于:T1≤30℃;35℃≤T2≤38℃。
10.根据权利要求9所述的使用方法,其特征在于:在所述接触式冷却的服务器散热系统中增设控制系统、用于检测冷却液进入输送泵后的压力的压力检测装置和温度检测系统,所述压力检测装置设于输送泵进液口的管路上并与所述第一通阀并联,所述温度检测系统获取环境温度,所述控制系统分别与压力检测装置、温度检测系统、输送泵、第一通阀、压缩机和第二通阀相连;由控制系统控制各部件的开启和关闭。
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