CN115209708A - 采用环路热管的数据中心冷却系统及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用环路热管的数据中心冷却系统及其冷却方法。适用于数据中心的冷却技术领域。本发明所采用的技术方案是：该系统包括：环路热管管路，其上设有能使管路内工质沿指定方向循环流动的热管工质泵；蒸发器，设置于所述环路热管管路上，用于吸收数据中心散热，并利用吸收的热量将环路热管管路内的工质由液态转化为气态；双段冷却器，设置于所述环路热管管路上，用于吸收环路热管管路上内气态工质的热量，将气态工质转化为液态工质；所述双段冷却器具有冷却筒，冷却筒内设有上层填料和位于上层填料下方的下层填料，上层填料和下层填料内均设有冷凝管，冷凝管接于所述环路热管管路上。

Description

采用环路热管的数据中心冷却系统及其冷却方法

技术领域

本发明涉及一种采用环路热管的数据中心冷却系统及其冷却方法。适用于数据中心的冷却技术领域。

背景技术

数据中心冷却系统为电子设备提供适宜的温度环境，是数据中心中能耗最大的辅助设备，约占整个数据中心能耗的20％～40％。因此，除营造合理的温度环境外，减少电能和冷却水等外部资源消耗是数据中心冷却系统的重要研究对象。

常规的机械蒸汽压缩式冷却系统存在能耗巨大、空气换热系数低和散热不均等多方面问题。相对而言，热管冷却系统能够在不需要外部能量的情况下实现高效导热，冷量输配效率更高，能耗更低。同时，热管冷却系统不需要直接引入外部新风，不会对机房内的洁净度产生影响，已经发展成为最具潜力的数据中心自然冷却方式之一。

数据中心冷却过程实际上是在一定温差驱动下的热量采集、传递和排放过程。热管技术可以高效地将室内热源散发的热量搬运到室外冷源，所以室外冷源决定着热管冷却系统的整体效率。传统的风冷方式虽然可以充分利用外部的自然冷源，但易受环境影响，稳定性和可靠性较差；水冷方式虽然整体冷却效率较高，但会耗费大量淡水资源，在寒冷地区和缺水地区存在其先天性的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种采用环路热管的数据中心冷却系统。

本发明所采用的技术方案是：一种采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于，包括：

环路热管管路，其上设有能使管路内工质沿指定方向循环流动的热管工质泵；

蒸发器，设置于所述环路热管管路上，用于吸收数据中心散热，并利用吸收的热量将环路热管管路内的工质由液态转化为气态；

双段冷却器，设置于所述环路热管管路上，用于吸收环路热管管路上内气态工质的热量，将气态工质转化为液态工质；

所述双段冷却器具有冷却筒，冷却筒内设有上层填料和位于上层填料下方的下层填料，上层填料和下层填料内均设有冷凝管，冷凝管接于所述环路热管管路上；

所述上层填料上方设有上层喷淋装置，该上层喷淋装置连通循环水管路，所述下层填料上方设有下层喷淋装置，该下层喷淋装置经降温冷却支路连通所述循环水管路，降温冷却支路上设有降温冷却装置；所述冷却筒底部连通所述循环水管路；

所述冷却筒侧壁上、下层填料下方位置开设有进气口，冷却筒顶部设有出气口，冷却筒内部设有能带动空气流动的风机。

所述降温冷却装置包括减压冷却器，减压冷却器上接有低温气体管路，低温气体管路上设有真空泵。

所述低温气体管路上沿空气流动方向依次设有蓄冷器、吸附器和第八截止阀；

所述环路热管管路上并联有热管旁路，该热管旁路上设有分别位于所述蓄冷器和吸附器内的换热段。

所述低温气体管路上、蓄冷器和吸附器之间接有供气支路，供气支路上设有第九截止阀；

所述低温气体管路上、吸附器和第八截止阀之间经水汽回收管路连通所述循环水管路，该水汽回收管路上设有冷凝器。

所述冷凝器的冷源为自然冷源或所述减压冷却器内的低温冷却水。

所述蓄冷器内装有相变蓄冷材料；所述吸附器内装有对水具有吸附能力的吸附剂。

所述上层填料内的冷凝管和下层填料内的冷凝管沿工质循环流动方向依次接于所述环路热管管路上。

所述环路热管管路分为蒸发段、冷凝段和绝热段，其中蒸发段连通所述蒸发器的出气口和冷凝段的进口，冷凝段上设有所述冷凝管，冷凝段的出口经绝热段连通蒸发器的进液口，绝热段包覆绝热材料。

一种所述采用环路热管的数据中心冷却系统的冷却方法，其特征在于：

环路热管管路连通，启动热管工质泵，数据中心散热量自蒸发器进入，经管路内工质输送至双段冷却器后在双段冷却器排出；

双段冷却器排出热量的运行模式一：在环境气温较低时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下层填料和上层填料，对填料内部的冷凝管进行冷却，随后排出双段冷却器；

运行模式二：在环境气温较高且循环水充足时，循环水管路内的常温循环水通过上层喷淋装置对上层填料进行喷淋，喷淋出的常温循环水对填料内部的冷凝管进行冷却；

同时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下、上层填料，填料中的常温循环水蒸发吸热，对其内部的冷凝管进行冷却降温；

运行模式三：在环境气温较高且循环水较少时，通过降温冷却装置将循环水管路内的常温循环水变成低温冷却水，低温冷却水通过下层喷淋装置对下层填料进行喷淋，喷淋出的低温冷却水对填料内部的冷凝管进行冷却；

运行模式四：在外部环境气温较高且数据中心热负荷过大时，通过降温冷却装置将循环水管路内的常温循环水变成低温冷却水，低温冷却水通过下层喷淋装置对下层填料进行喷淋，喷淋出的低温冷却水对填料内部的冷凝管进行冷却；

同时，循环水管路内的常温循环水通过上层喷淋装置对上层填料进行喷淋，喷淋出的常温循环水对填料内部的冷凝管进行冷却；

同时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下、上层填料，填料中的常温循环水蒸发吸热，对其内部的冷凝管进行冷却降温。

所述降温冷却装置包括减压冷却器，减压冷却器上接有低温气体管路，低温气体管路上设有真空泵；

所述低温气体管路上沿空气流动方向依次设有蓄冷器、吸附器和第八截止阀；

所述环路热管管路上并联有热管旁路，该热管旁路上设有分别位于所述蓄冷器和吸附器内的换热段；

所述低温气体管路上、蓄冷器和吸附器之间接有供气支路，供气支路上设有第九截止阀；

所述低温气体管路上、吸附器和第八截止阀之间经水汽回收管路连通所述循环水管路，该水汽回收管路上设有冷凝器；

所述通过降温冷却装置将循环水管路内的常温循环水变成低温冷却水，包括：

向减压冷却器中充注适量的常温循环水，启动真空泵，对减压冷却器中的常温循环水进行抽空降温，真空泵排出的低温气体依次经过蓄冷器和吸附器，释放冷量并将气体中的水汽吸附；减压冷却器中的循环水达到设定温度后变成低温冷却水；

吸附器吸附饱和后，使外部空气通过供气支路经第九截止阀流入，将吸附器中的水汽带走，随后经水汽回收管路进入冷凝器，水汽冷凝并回收。

本发明的有益效果是：本发明通过蒸发器吸收数据中心热量，并经环路热管管路将热量传递给双段冷却器，由双段冷却器排出热量，双段冷却器具有风冷、常温循环水冷却、常温循环水配合风机蒸发吸热及冷却水降温等多种运行模式，可适用于不同的工况。

在环境温度较低时，可充分利用自然冷源，节省冷却系统功耗；在环境温度较高时，采用抽空减压的方法获取低温冷却水，同时设置蓄冷器和吸附器完成冷量高效利用和水汽回收，大幅减少冷却水消耗；在环境温度较高且数据中心热负荷过大时，可通过常温循环水蒸发冷却和低温冷却水蒸发冷却混合的梯度冷却方式，提升环路热管冷凝端的散热能力，增加数据中心冷却系统对于极端工况的适应能力。

本发明通过减压冷却器和真空泵配合，通过抽空减压方式可以获取温度远低于常温循环水温度的低温冷却水，减少冷却水用量，而真空泵排出的低温水汽则通过吸附器回收，大幅降低了冷却水的消耗，此外，蓄冷器则使低温水汽的冷量也得到了充分应用。

本发明中来自蒸发器的气态热管工质首先被常温循环水蒸发冷却，随后被温度更低的低温冷却水蒸发冷却，构成梯度冷却流程，具备较高的热力学效率，适合高热负荷工况。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图中：环路热管管路1、循环水管路2、低温冷却水管路3、低温气体管路4、水汽回收管路5、热管工质泵6、蒸发器7、第一截止阀8、第二截止阀9、双段冷却器10、上层填料11、下层喷淋装置12、下层填料13、上层喷淋装置14、风机15、第三截止阀16、第四截止阀17、减压冷却器18、第五截止阀19、第六截止阀20、真空泵21、第七截止阀22、蓄冷器23、吸附器24、第八截止阀25、第九截止阀26、第十截止阀27、冷凝器28。

具体实施方式

本实施例为一种采用环路热管的数据中心冷却系统，包括：环路热管管路、蒸发器和双段冷却器等。

本例中在环路热管管路上设有蒸发器，蒸发器用于吸收数据中心散热，并利用吸收的热量将环路热管管路内的工质由液态转化为气态。

本实施例中环路热管管路分为蒸发段、冷凝段和绝热段，其中蒸发段连通蒸发器的出气口和冷凝段的进口，冷凝段上设置于双段冷却器内，冷凝段的出口经绝热段连通蒸发器的进液口，绝热段包覆绝热材料并设有热管工质泵，通过热管工质泵能使管路内工质沿指定流向循环流动。

本实施例中双段冷却器具有冷却筒，冷却筒内设有上层填料和位于上层填料下方的下层填料，上层填料和下层填料内均设有冷凝管，上、下层填料内的冷凝管沿热管工质循环流动方向依次串接于环路热管管路的冷凝段上。

本例中在上层填料上方设有上层喷淋装置，该上层喷淋装置经循环水第一支路连通循环水管路，循环水第一支路上设有第六截止阀；在下层填料上方设有下层喷淋装置，该下层喷淋装置经降温冷却支路(包括低温冷却水管路和循环水第二支路)连通循环水管路，降温冷却支路上设有能将循环水管路内的常温循环水变成低温冷却水的降温冷却装置；冷却筒底部能汇集水，该冷却筒底部经第三截止阀连通循环水管路。

本实施例中降温冷却装置包括减压冷却器，减压冷却器经循环水第二支路连通循环水管路，该减压冷却器还经低温冷却水管路连通下层喷淋装置，其中循环水第二支路上设有第四截止阀，低温冷却水管路上设有第五截止阀。本例中在减压冷却器上接有连通外部空气的低温气体管路，低温气体管路上从其减压冷却器端至另一端依次设有真空泵、第七截止阀、蓄冷器、吸附器和第八截止阀。

本实施例中在环路热管管路的蒸发段上设有第一截止阀，第一截止阀上并联热管旁路，该热管旁路上设有分别位于蓄冷器和吸附器内的换热段，两换热段之间设有第二截止阀。

本例中在低温气体管路上、蓄冷器和吸附器之间位置接有连通外部空气的供气支路，供气支路上设有第九截止阀；在低温气体管路上、吸附器和第八截止阀之间位置经水汽回收管路连通循环水管路，该水汽回收管路上设有第十截止阀和冷凝器，冷凝器所需冷源可选用自然冷源或减压冷却器中的低温冷却水。

本实施例中蓄冷器内部可采用相变蓄冷材料，提升冷量品质；吸附器内可以填充三氧化二铝或盐类等对水相具有较强吸附能力的吸附剂。

本实施例中冷却筒侧壁上、下层填料下方位置开设有进气口，冷却筒顶部设有出气口，冷却筒内顶部位置设有风机。外部空气能在风机的作用下从进气口进入冷却筒，并依次通过下层填料和上层填料后从冷却筒顶部出气口排出。

本实施例的冷却方法存在多种运行模式，下面对其进行分别说明：

运行模式一：在环境气温较低时，利用自然冷源对环路热管冷凝端进行冷却。首先假设所有阀门均处于关闭状态，各个部件处于停止运行状态。

启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下层填料和上层填料，对其内部的热管管路进行冷却，随后排出双段冷却器；

打开第一截止阀并启动热管工质泵，环路热管管路连通，数据中心散热量自蒸发器进入，并在双段冷却器排出。

运行模式二：在环境气温较高且循环水充足时，利用自然冷源对环路热管冷凝端进行冷却。首先假设所有阀门均处于关闭状态，各个部件处于停止运行状态。

打开第六截止阀，常温循环水依次通过第六截止阀和上层喷淋装置喷淋上层填料，喷淋后的常温魂环水进入上层填料，对其内部的环路热管进行冷却，喷淋水最终在双段冷却器底部汇集，并通过第三截止阀进入循环水管路；

同时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下层填料和上层填料，填料中的循环水蒸发吸热，对其内部的热管管路进行冷却降温，空气随后排出双段冷却器；

打开第一截止阀并启动热管工质泵，环路热管管路连通，数据中心散热量自蒸发器进入，并在双段冷却器中的上层填料排出。

运行模式三：在环境气温较高且循环水较少时，利用低温冷却水对环路热管冷凝端进行冷却。首先假设所有阀门均处于关闭状态，各个部件处于停止运行状态。

在运行模式三的前期，打开第四截止阀，向减压冷却器中充注适量的常温循环水，充注完毕后关闭第四截止阀；打开第七截止阀、第八截止阀和第三截止阀，启动真空泵，对减压冷却器中的常温循环水进行抽空降温，真空泵排出的低温气体首先经过蓄冷器释放冷量，随后进入吸附器，气体中的水汽被吸附器中的吸附剂吸附；减压冷却器中的循环水达到设定温度后，打开第五截止阀，低温冷却水依次通过第五截止阀和下层喷淋装置对下层填料进行喷淋，喷淋后的低温冷却水进入下层填料，对其内部的环路热管进行冷却，喷淋水最终在双段冷却器底部汇集，并通过第三截止阀进入循环水管路；

打开第一截止阀并启动热管工质泵，环路热管管路连通，数据中心散热量自蒸发器进入，并在双段冷却器中的下层填料排出。

本实施例在运行模式三的后期，当吸附器吸附饱和后，进行阀门切换，节省功耗。关闭真空泵、第五截止阀、第七截止阀、第八截止阀和第一截止阀，打开第九截止阀、第十截止阀和第二截止阀；外部空气自第九截止阀流入，将吸附器中的水汽带走，随后经过第十截止阀进入冷凝器，水汽冷凝并回收；此时环路热管工质依次流经热管工质泵、蒸发器、吸附器、第二截止阀、蓄冷器、上层填料和下层填料，用于冷却环路热管的冷量来自吸附器的解吸吸热和蓄冷器存储的冷量；待吸附器解吸完成后，再次进行前期的操作。

运行模式四：在外部环境气温较高且数据中心热负荷过大时，利用自然冷源和低温冷却水对环路热管冷凝端进行混合冷却。首先假设所有阀门均处于关闭状态，各个部件处于停止运行状态。

在运行模式四的前期，打开第四截止阀，向减压冷却器中充注适量的常温循环水，充注完毕后关闭第四截止阀；打开第七截止阀、第八截止阀和第三截止阀，启动真空泵，对减压冷却器中的循环水进行抽空降温，真空泵排出的低温气体首先经过蓄冷器释放冷量，随后进入吸附器，气体中的水汽被吸附器中的吸附剂吸附；减压冷却器中的循环水达到设定温度后，打开第五截止阀，低温冷却水依次通过第五截止阀和下层喷淋装置对下层填料进行喷淋，喷淋后的低温冷却水进入下层填料，对其内部的环路热管进行冷却；

同时，打开第六截止阀，常温循环水依次通过第六截止阀和上层喷淋装置，喷淋后的常温水进入上层填料，对其内部的环路热管进行冷却，喷淋水最终在双段冷却器底部汇集，并通过第三截止阀进入循环水管路；

同时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下层填料和上层填料，填料中的循环水蒸发吸热，对其内部的热管管路进行冷却降温，空气随后排出双段冷却器；

打开第一截止阀并启动热管工质泵，环路热管管路连通，数据中心散热量自蒸发器进入，并在双段冷却器中的上层填料和下层填料排出。

在运行模式四的后期，当吸附器吸附饱和后，进行阀门切换，节省功耗。关闭真空泵、第五截止阀、第七截止阀、第八截止阀和第一截止阀，打开第九截止阀、第十截止阀和第二截止阀；外部空气自第九截止阀流入，将吸附器中的水汽带走，随后经过第十截止阀进入冷凝器，水汽冷凝并回收；此时环路热管工质依次流经热管工质泵、蒸发器、吸附器、第二截止阀、蓄冷器、上层填料和下层填料，用于冷却环路热管的冷量来自吸附器的解吸吸热、蓄冷器存储的冷量以及下层填料中冷却水的蒸发吸热；待吸附器解吸完成后，再次进行前期的操作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于，包括：

环路热管管路，其上设有能使管路内工质沿指定方向循环流动的热管工质泵；

蒸发器，设置于所述环路热管管路上，用于吸收数据中心散热，并利用吸收的热量将环路热管管路内的工质由液态转化为气态；

双段冷却器，设置于所述环路热管管路上，用于吸收环路热管管路上内气态工质的热量，将气态工质转化为液态工质；

所述双段冷却器具有冷却筒，冷却筒内设有上层填料和位于上层填料下方的下层填料，上层填料和下层填料内均设有冷凝管，冷凝管接于所述环路热管管路上；

所述上层填料上方设有上层喷淋装置，该上层喷淋装置连通循环水管路，所述下层填料上方设有下层喷淋装置，该下层喷淋装置经降温冷却支路连通所述循环水管路，降温冷却支路上设有降温冷却装置；所述冷却筒底部连通所述循环水管路；

所述冷却筒侧壁上、下层填料下方位置开设有进气口，冷却筒顶部设有出气口，冷却筒内部设有能带动空气流动的风机。

2.根据权利要求1所述的采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于：所述降温冷却装置包括减压冷却器，减压冷却器上接有低温气体管路，低温气体管路上设有真空泵。

3.根据权利要求2所述的采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于：

所述低温气体管路上沿空气流动方向依次设有蓄冷器、吸附器和第八截止阀；

所述环路热管管路上并联有热管旁路，该热管旁路上设有分别位于所述蓄冷器和吸附器内的换热段。

4.根据权利要求3所述的采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于：

所述低温气体管路上、蓄冷器和吸附器之间接有供气支路，供气支路上设有第九截止阀；

所述低温气体管路上、吸附器和第八截止阀之间经水汽回收管路连通所述循环水管路，该水汽回收管路上设有冷凝器。

5.根据权利要求4所述的采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于：所述冷凝器的冷源为自然冷源或所述减压冷却器内的低温冷却水。

6.根据权利要求3或4所述的采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于：所述蓄冷器内装有相变蓄冷材料；所述吸附器内装有对水具有吸附能力的吸附剂。

7.根据权利要求1所述的采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于：所述上层填料内的冷凝管和下层填料内的冷凝管沿工质循环流动方向依次接于所述环路热管管路上。

8.根据权利要求1或7所述的采用环路热管的数据中心冷却系统，其特征在于：所述环路热管管路分为蒸发段、冷凝段和绝热段，其中蒸发段连通所述蒸发器的出气口和冷凝段的进口，冷凝段上设有所述冷凝管，冷凝段的出口经绝热段连通蒸发器的进液口，绝热段包覆绝热材料。

9.一种权利要求1～8任意一项所述采用环路热管的数据中心冷却系统的冷却方法，其特征在于：

环路热管管路连通，启动热管工质泵，数据中心散热量自蒸发器进入，经管路内工质输送至双段冷却器后在双段冷却器排出；

双段冷却器排出热量的运行模式一：在环境气温较低时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下层填料和上层填料，对填料内部的冷凝管进行冷却，随后排出双段冷却器；

运行模式二：在环境气温较高且循环水充足时，循环水管路内的常温循环水通过上层喷淋装置对上层填料进行喷淋，喷淋出的常温循环水对填料内部的冷凝管进行冷却；

同时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下、上层填料，填料中的常温循环水蒸发吸热，对其内部的冷凝管进行冷却降温；

运行模式三：在环境气温较高且循环水较少时，通过降温冷却装置将循环水管路内的常温循环水变成低温冷却水，低温冷却水通过下层喷淋装置对下层填料进行喷淋，喷淋出的低温冷却水对填料内部的冷凝管进行冷却；

运行模式四：在外部环境气温较高且数据中心热负荷过大时，通过降温冷却装置将循环水管路内的常温循环水变成低温冷却水，低温冷却水通过下层喷淋装置对下层填料进行喷淋，喷淋出的低温冷却水对填料内部的冷凝管进行冷却；

同时，循环水管路内的常温循环水通过上层喷淋装置对上层填料进行喷淋，喷淋出的常温循环水对填料内部的冷凝管进行冷却；

同时，启动风机，外部空气在风机的作用下进入双段冷却器，并依次通过下、上层填料，填料中的常温循环水蒸发吸热，对其内部的冷凝管进行冷却降温。

10.根据权利要求9所述的冷却方法，其特征在于：

所述降温冷却装置包括减压冷却器，减压冷却器上接有低温气体管路，低温气体管路上设有真空泵；

所述低温气体管路上沿空气流动方向依次设有蓄冷器、吸附器和第八截止阀；

所述环路热管管路上并联有热管旁路，该热管旁路上设有分别位于所述蓄冷器和吸附器内的换热段；

所述低温气体管路上、蓄冷器和吸附器之间接有供气支路，供气支路上设有第九截止阀；

所述低温气体管路上、吸附器和第八截止阀之间经水汽回收管路连通所述循环水管路，该水汽回收管路上设有冷凝器；

所述通过降温冷却装置将循环水管路内的常温循环水变成低温冷却水，包括：

向减压冷却器中充注适量的常温循环水，启动真空泵，对减压冷却器中的常温循环水进行抽空降温，真空泵排出的低温气体依次经过蓄冷器和吸附器，释放冷量并将气体中的水汽吸附；减压冷却器中的循环水达到设定温度后变成低温冷却水；

吸附器吸附饱和后，使外部空气通过供气支路经第九截止阀流入，将吸附器中的水汽带走，随后经水汽回收管路进入冷凝器，水汽冷凝并回收。

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