CN110505794B - 一种多机柜两相散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多机柜两相散热系统，包括机柜单元、中间热交换器和外部散热单元，其中，机柜单元内各部件组成内部循环，外部散热单元内各部件组成外部循环，内部循环和外部循环通过中间热交换器实现热量交换。本系统直接针对多个机柜或多个机柜列内的服务器主要发热元件，如CPU芯片，进行冷却，提高了散热效率，保证了服务器的工作性能，且无需对机房内的空间进行大面积空调制冷，降低了能耗，减小了噪音。

Description

一种多机柜两相散热系统

技术领域

本发明属于数据中心机柜散热技术领域，特别涉及一种多机柜两相散热系统。

背景技术

随着时代的发展，数据中心的规模和容量在不断扩大，服务器的核心数量和运算能力在不断增加，高密度、大功率的散热问题对机房的冷却系统提出了新的要求。目前大多数据中心主要通过全年空调制冷，机柜内风扇吹出热空气，与机房内冷空气进行热量交换，从而维持机柜内温度。这种风冷散热方式存在能耗高(空调系统能耗约占数据中心总能耗的40％)、冷量浪费以及局部热点的问题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种多机柜两相散热系统，包括机柜单元、中间热交换器和外部散热单元，其中，机柜单元内各部件组成内部循环，外部散热单元内各部件组成外部循环，内部循环和外部循环通过中间热交换器实现热量交换。本系统直接针对多个机柜或多个机柜列内的服务器主要发热元件，如CPU芯片，进行冷却，提高了散热效率，保证了服务器的工作性能，且无需对机房内的空间进行大面积空调制冷，降低了能耗，减小了噪音。

根据本发明的一方面，提供了一种多机柜两相散热系统，包括一列或多列机柜单元、中间热交换器以及外部散热单元，各列机柜单元包括依次连通的内部制冷剂储液罐、内部氟泵、内部过滤器以及多个机柜，

各机柜包括依次连通的流量调节阀、流量计、分流管、多个服务器散热单元以及汇流管，各机柜的流量调节阀均与所述内部过滤器连通，

所述分流管包括位于分流管底部的进液端口、自下而上层状排列的多个第一分流端口以及位于分流管顶部的第二分流端口，所述进液端口与所述流量计连通，各层的第一分流端口通过可插拔自锁接头对应连接于各服务器散热单元的进液口，

所述汇流管包括位于汇流管底部的主出口、自下而上层状排列的多个第一汇流端口、位于汇流管顶部的第二汇流端口和辅助出口，各层的第一汇流端口通过可插拔自锁接头分别连接于各服务器散热单元的出液口，所述主出口和所述辅助出口均与所述中间热交换器的内部制冷剂入口连通，所述中间热交换器的内部制冷剂出口与所述内部制冷剂储液罐连通，

所述第二分流端口通过单向阀与所述第二汇流端口连通，各服务器散热单元的进液口的前端设置有局部阻力元件，以使所述分流管整体形成自下而上逐渐变小的局部阻力；

所述外部散热单元包括依次连通的一个或两个外部散热器、外部制冷剂储液罐、外部氟泵及外部过滤器，所述外部过滤器与所述中间热交换器的外部制冷剂入口连通，所述中间热交换器的外部制冷剂出口与所述外部散热器连通。

在一些实施方式中，所述局部阻力元件可以为限流环，各机柜中的限流环的内径自下层至上层逐渐变大。

在一些实施方式中，各服务器散热单元可以包括一个或多个微小通道换热器。

在一些实施方式中，多个微小通道换热器可以通过串联、并联或两者组合的方式连接。

在一些实施方式中，位于上部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器可以并联的方式连接，位于下部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器可以串联的方式连接。在多个微小通道换热器以并联的方式连接的情况下，各服务器散热单元还可以包括流体分配模块和流体汇集模块，来自分流管的液相制冷剂通过所述流体分配模块进入微小通道换热器，吸收服务器发热元件产热后变成气液两相制冷剂，进入所述流体汇集模块后进入所述汇流管。

在一些实施方式中，所述微小通道换热器可以通过夹具固定于服务器发热元件，所述微小通道换热器与服务器发热元件之间可以涂有高导热材料。

在一些实施方式中，所述散热系统还可以包括与所述内部氟泵并联布置的内部冗余氟泵，和与所述外部氟泵并联布置的外部冗余氟泵。

在一些实施方式中，一个外部散热器可以为风冷散热器或水冷散热器，两个外部散热器可以包括并联布置的风冷散热器和水冷散热器。

在一些实施方式中，各机柜的流量计可以为玻璃浮子流量计，所述流量调节阀可以为球阀，所述中间热交换器可以为板式或其它类型高效热交换器，所述制冷剂可以均为常温低压制冷剂。

在一些实施方式中，多列机柜单元可以并联布置。

本发明的有益效果：

1)通过服务器散热单元对服务器中主要发热元件(如CPU、GPU芯片)进行散热，有效解决了机柜局部热点问题；

2)采用层状排列，提高了机柜利用率，使得机柜内可以装填更多的服务器，大幅节约了机柜占地面积；

3)制冷剂在服务器散热单元的微小通道换热器内的干度变化可以适应服务器芯片较大的功率波动，大幅降低了散热系统流量控制策略的复杂程度，同时制冷剂沸腾对流换热能力远大于风冷、液冷单相对流换热能力，能够有效解决高功率密度机柜的散热问题；

4)服务器故障或者需要更换时，可以断开可插拔自锁接头来修复和更换服务器，其余服务器及整个散热系统不需要停机；

5)氟泵运行功耗较小，能大幅节省系统能耗，同时系统内增加(外部和内部)冗余氟泵的配置，既可以使氟泵和冗余氟泵同时在较低功率下工作，也可以在某一氟泵无法正常工作时，另一氟泵立即开启较高功率运行，提高了系统的可靠性；

6)外部散热器可根据用户需求，选择风冷散热器或水冷散热器或两者组合，选择水冷散热器时，可将热量释放至生活用水当中，得到生活热水，实现余热回收，提高了能量综合利用效率；

7)制冷剂本身是绝缘介质，即使泄露也会瞬间气化，不会对服务器运行造成危害，并且制冷剂属于常温低压制冷剂，沸点高于室温(例如25℃)，系统可以运行在很低的正压状态，其各部件不需要额外的耐压要求；；

附图说明

图1为本发明的一实施方式的多机柜两相散热系统的结构示意图。

图2为本发明的一实施方式的服务器散热单元的结构示意图，其中，图2(a)为服务器散热单元中的微小通道换热器的串联结构示意图，图2(b)为服务器散热单元中的微小通道换热器的并联结构示意图；

图3为本发明的服务器散热单元和分液管、汇流管的连接示意图；

图4(a)-(b)为本发明的可插拔自锁接头的结构示意图，其中，图4(a)为自锁公头的结构示意图，图4(b)为自锁母头的结构示意图；

图5为本发明的另一实施方式的多机柜两相散热系统的结构示意图；

图6为本发明的另一实施方式的多机柜两相散热系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施方式旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本发明的多机柜两相散热系统包括一列机柜单元I、中间热交换器II以及外部散热单元III。其中，机柜单元I包括依次连通的内部制冷剂储液罐1、两个并联布置的内部氟泵2和内部冗余氟泵2’、内部过滤器3以及5～10个机柜。各机柜包括依次连通的流量调节阀4、流量计5、分流管6、多个服务器散热单元7以及汇流管8，各机柜的流量调节阀4均与内部过滤器3连通。

分流管6用于给每层服务器的服务器散热单元7供制冷剂，其包括位于分流管底部的进液端口6-1、自下而上层状排列的多个第一分流端口6-2以及位于分流管6顶部的第二分流端口6-3。其中，各层的第一分流端口6-2通过可插拔自锁接头9对应连接于各服务器散热单元7的进液口。

各服务器散热单元7用于对服务器内每个芯片进行冷却，其包括一个或多个微小通道换热器。在图2所示示例中，各服务器散热单元7包括两个串联(如图2(a)所示)或并联(如图2(b)所示)的微小通道换热器7-1。在微小通道换热器相互并联的情况下，如图2(b)所示，各服务器散热单元7还包括流体分配模块7-2和流体汇集模块7-3，来自分流管6的液相制冷剂通过流体分配模块7-2进入微小通道换热器7-1，吸收服务器发热元件产热，发生沸腾，由液相制冷剂变成气液两相制冷剂，进入流体汇集模块7-3后进入汇流管8。

在一些实施方式中，微小通道换热器7-1通过夹具固定在服务器发热元件(如CPU、GPU芯片)上，并且两者之间涂有高效导热材料。

特别地，在液相制冷剂进入分流管6后，由于需要克服重力因素和分支结构对流量分配的影响，因此在每层服务器散热单元7入口前安装局部阻力元件，通过特定规律设计局部阻力元件得到不同的局部阻力(例如整体形成自下而上逐渐变小的局部阻力)，同时可以结合微小通道换热器7-1串并联或两者组合形式。在一些实施方式中，可以将位于上部的各服务器散热单元7中的多个微小通道换热器7-1以并联的方式连接，将位于下部的各服务器散热单元7中的多个微小通道换热器7-1以串联的方式连接(并联形式阻力小，串联形式阻力大)，以便调控每层的整体阻力，达到制冷剂流量均匀分配的目的。在一些可选的实现方式中，局部阻力元件可以为限流环，例如各限流环的内径自下而上逐渐变大。

汇流管8用于收集流经服务器散热单元7、吸收了芯片热量后，具有一定干度的气液两相的制冷剂。如图1所示，汇流管8包括位于汇流管底部的主出口8-1、自下而上层状排列的多个第一汇流端口8-2、位于汇流管8顶部的第二汇流端口8-3和辅助出口8-4,各层的第一汇流端口8-2通过可插拔自锁接头9分别连接于各服务器散热单元7的出液口。其中，主出口8-1和辅助出口8-4均与中间热交换器II的内部制冷剂入口连通，中间热交换器II的内部制冷剂出口与内部制冷剂储液罐1连通。由此，形成机柜单元内部循环回路。

汇流管8的辅助出口8-4可以使得由于浮力作用聚集在汇流管8顶部的少部分两相状态制冷剂(以气态制冷剂为主)得以及时排出，降低了汇流管8的顶部压力，平衡了整个汇流管8内部的压力，为每一层服务器散热单元7的出口建立了相近的出口压力，有利于制冷剂的在每一层服务器散热单元7的均匀分配。

特别地，第二分流端口6-2通过用于调节分流管6和汇流管8之间的压力的单向阀10与第二汇流端口8-2直接连通。当分流管6顶部有气态制冷剂聚集时，单向阀10可以将其导入汇流管8，保证液态制冷剂顺利进入顶部的服务器散热单元7，进而调节分流管6和汇流管8之间的压力。

如图3和4所示，可插拔自锁接头9包括自锁母头9-1和自锁公头9-2，自锁公头9-2与分流管6和汇流管8连接，自锁母头9-1与服务器散热单元7的两端软连接，当自锁母头9-1和自锁公头9-2接合时，内部导通；当两者断开时，各自自锁，保证系统子部件与环境隔绝。

如图1所示，外部散热单元III包括依次连通的外部散热器11、外部制冷剂储液罐12、两个并联布置的外部氟泵13和外部冗余氟泵13’、以及外部过滤器14。其中，外部过滤器14与中间热交换器II的外部制冷剂入口连通，中间热交换器II的外部制冷剂出口与外部散热器11连通，由此形成外部循环回路。

外部散热器11用于冷却从内部循环吸收了热量的制冷剂，并将热量释放到外部散热器11内的冷却介质中。优选地，外部散热器11可根据实际需求选择一个风冷散热器或一个水冷散热器，或同时并联安装一个风冷散热器和一个水冷散热器。在本实施方式中，外部散热器11为风冷散热器。

中间热交换器II为匹配多个机柜散热功率的热交换器，所形成的内部循环和外部循环通过该中间热交换器进行热量交换。

下面结合本发明的散热系统的具体散热过程来进一步说明本发明。在本实施方式中，制冷剂和冷却剂均选择为R-141b，其常压沸点32℃；中间热交换器II选为满足散热功率要求的板式热交换器，所用机柜为标准42U机柜，包含30个1U服务器，服务器从上到下连续布置，每个服务器内部有两颗需要散热的CPU芯片。具体过程如下：

1)机柜单元内部循环

a.液相R-141b制冷剂在内部氟泵2和内部冗余氟泵2’的驱动下，经过过滤器3依次分流进入各机柜，通过流量计5观察并通过流量调节阀4控制进入各机柜的制冷剂的流量，其中过滤器3用于过滤管路中的杂质，避免分液管路堵塞造成制冷效果恶化。

b.制冷剂通过分流管6的进液端口6-1进入分流管6，分流管6的每层分流端口6-2与各服务器散热单元7之间设有具有不同内径的限流环，限流环内径自下而上逐渐变大，形成不同的局部阻力，保证液相制冷剂均匀分配给每层服务器散热单元7。

分流管6顶部运行一段时间后，会有气态制冷剂聚集，从第二分流端口6-3流出通过单向阀10调节，通过第二汇流端口6-3进入汇流管8，从而不会影响液相制冷剂进入靠近顶部的服务器散热单元7。

液相制冷剂通过流体分配模块7-2均匀分配到每个微小通道换热器7-1，微小通道换热器7-1贴合在CPU芯片之上，当芯片工作时，液相制冷剂吸收芯片产热，发生沸腾，转变为气液两相，之后流经流体汇集模块7-3后通过第一汇流端口8-2进入汇流管8。其中，大部分两相状态的制冷剂(以液态制冷剂为主)由于重力作用向汇流管8的下部汇集，并从汇流管8底部的主出口8-1流出进入中间热交换器II。少部分两相状态制冷剂(以气态制冷剂为主)从汇流管8顶部的辅助出口8-4流出8也进入中间热交换器II发生冷凝。冷凝后的制冷剂从中间热交换器II流出，紧接着进入内部制冷剂储液罐1。

c.内部制冷剂储液罐1中的制冷剂被内部氟泵2和内部冗余氟泵2’驱动经过滤器3依次分流进入各机柜，如此完成一个内部循环，持续对机柜单元进行散热。其中，内部制冷剂储液罐1的下端出口与内部氟泵2和/或内部冗余氟泵2’直接相连，以保证供氟充足和氟泵入口制冷剂为纯液相，从而避免氟泵磨损，有利于保证氟泵的连续正常工作。

2)外部循环

a.冷却剂在外部氟泵13和外部冗余氟泵13’的驱动下进入中间热交换器II，吸收机柜单元内部循环释放的热量后，由液相转变为气液两相，而后进入风冷散热器11。

b.冷凝后变为液相的制冷剂则从风冷散热器11流出，进入外部制冷剂储液罐12。

c.外部制冷剂储液罐12中的制冷剂经氟泵驱动经外部过滤器14后进入中间热交换器II，如此完成一个外部循环，持续将内部循环释放的热量导出，并散入外部环境当中。其中，外部制冷剂储液罐12的下端出口与外部氟泵13和外部冗余氟泵13’直接相连，以保证供氟充足和氟泵入口制冷剂为纯液相，从而避免氟泵磨损，有利于保证氟泵的连续正常工作。其中，外部过滤器14可以过滤循环管路中的杂质。

如图5所示，图5所示实例与图1所示实例的差别在于包括两列并联布置的机柜单元Ⅰ。其中，少部分两相状态制冷剂(以气态制冷剂为主)从各列机柜单元的各个机柜的汇流管8顶部的辅助出口8-4流出，汇合后进入中间热交换器II发生冷凝；冷凝后的制冷剂从中间热交换器II流出，紧接着分别流入每列机柜配置的内部制冷剂储液罐1。除此之外，图5所示实例的各部件组成及制冷过程与图1完全相同，此处不再赘述。

如图6所示，图6所示实例与图1所示实例的差别在于选择水冷散热器作为外部散热器。水冷散热器内冷却水在吸收外部循环冷却剂释放的热量后，温度升高，若将这部分热水进行回收，用作生活热水，则可实现余热利用，使得上述散热系统能量利用率更高。除此之外，图6所示实例的各部件组成及制冷过程与图1完全相同，此处不再赘述。

优选地，流量计5为满足量程、压力和密封要求的玻璃浮子流量计。

优选地，流量调节阀4均为满足流量、压力和密封要求的球阀。

特别地，机柜单元Ⅰ可集成安装于机房内，中间热交换器II可安装于机柜旁侧，外部散热单元III内各部件除风冷散热器外，均可安装于室内。

特别地，内部制冷剂储液罐1和外部制冷剂储液罐12在重力方向的位置均低于中间热交换器II。

在一些可选的实现方式中，可以根据机柜实际发热量，对于内、外部循环，可设计、选择不同规格的制冷剂储液罐和氟泵。

在一些可选的实现方式中，根据机房实际情况，可将制冷剂储液罐、各流量调节阀、氟泵、过滤器等部件组成的小单元集成安装至机柜阵列旁侧或机房底板下方，实现机房空间的合理利用。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施方式做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多机柜两相散热系统，其特征在于，包括一列或多列机柜单元、中间热交换器以及外部散热单元，各列机柜单元包括依次连通的内部制冷剂储液罐、内部氟泵、内部过滤器以及多个机柜，

各机柜包括依次连通的流量调节阀、流量计、分流管、多个服务器散热单元以及汇流管，各机柜的流量调节阀均与所述内部过滤器连通，

所述分流管包括位于分流管底部的进液端口、自下而上层状排列的多个第一分流端口以及位于分流管顶部的第二分流端口，所述进液端口与所述流量计连通，各层的第一分流端口通过可插拔自锁接头对应连接于各服务器散热单元的进液口，

所述汇流管包括位于汇流管底部的主出口、自下而上层状排列的多个第一汇流端口、位于汇流管顶部的第二汇流端口和辅助出口，各层的第一汇流端口通过可插拔自锁接头对应连接于各服务器散热单元的出液口，所述主出口和辅助出口均与所述中间热交换器的内部制冷剂入口连通，所述中间热交换器的内部制冷剂出口与所述内部制冷剂储液罐连通，

所述第二分流端口通过单向阀与所述第二汇流端口连通，各服务器散热单元的进液口的前端设置有局部阻力元件，以使所述分流管整体形成自下而上逐渐变小的局部阻力；

所述外部散热单元包括依次连通的一个或两个外部散热器、外部制冷剂储液罐、外部氟泵及外部过滤器，所述外部过滤器与所述中间热交换器的外部制冷剂入口连通，所述中间热交换器的外部制冷剂出口与所述外部散热器连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述局部阻力元件为限流环，各机柜中限流环的内径自下层至上层逐渐变大。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，各服务器散热单元包括一个或多个微小通道换热器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，多个微小通道换热器通过串联、并联或两者组合的方式连接。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，位于上部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器以并联的方式连接，位于下部的各服务器散热单元中的多个微小通道换热器以串联的方式连接，

在多个微小通道换热器以并联的方式连接的情况下，各服务器散热单元还包括流体分配模块和流体汇集模块，来自分流管的液相制冷剂通过所述流体分配模块进入微小通道换热器，吸收服务器发热元件产热后变成气液两相制冷剂，进入所述流体汇集模块后进入所述汇流管。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微小通道换热器通过夹具固定于服务器发热元件，所述微小通道换热器与服务器发热元件之间涂有高导热材料。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括与所述内部氟泵并联布置的内部冗余氟泵，和与所述外部氟泵并联布置的外部冗余氟泵。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，一个外部散热器为风冷散热器或水冷散热器，两个外部散热器包括并联布置的风冷散热器和水冷散热器。

9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，各机柜的流量计为玻璃浮子流量计，所述流量调节阀为球阀，所述中间热交换器为板式高效热交换器，所述制冷剂为常温低压制冷剂。

10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，多列机柜单元并联布置。

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