CN212393134U - 支持中温供水的高效、节能、低pue的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，用以应对数据中心高效、高密度散热与绿色节能需求。其包括第一鳍片管式管热器、第二鳍片管式管热器、冷板式液冷系统和冷却塔，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器进水口经管路连接冷却塔出水端，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器出水口经管路及第一变频泵连接冷却塔进水端，冷板式液冷系统热水口经第二变频泵及管路连接板式换热系统第一接口，冷板式液冷系统冷水口连接板式换热系统第二接口，板式换热系统第三接口连接冷却塔进水端，板式换热系统第四接口连接冷却塔出水端。

Description

支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统

技术领域

本实用新型涉及一种冷却系统，具体涉及一种支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，属于数据中心散热系统技术领域。

背景技术

当下数据中心冷却系统一般以绿色（PUE低于1.3）、高效（单机柜不低于30KW）为核心指标，受限于噪音等级，25kW被认为是开放式风冷架构散热极限。

现有冷却系统实现方案，如封闭空调式一体化系统、液冷/风冷复合式系统、非相变浸没式冷却系统等作为开放式风冷架构的升级、优化方案，在业内已有一定程度应用。

封闭空调式一体化系统，即将冷却系统与标准机柜封闭在一起（30kW以上时冷却系统为水冷型空调，供水温度一般为15-20℃），服务器吹出的热风由空调吸入、制冷并循环供应。制冷空调需配套管路及室外机，室内部分则构成封闭自循环冷却系统。此架构不再需要机房级空调系统，但上柜设备本身仍为散热强度、散热效率较低的风冷散热，同时制冷功耗较高时须使用低温水冷（低于环温时即需辅助制冷），故整体经济性、绿色化程度仍处于偏低水平。

液冷/风冷复合式系统即冷板式或模块式水冷散热方案，对高功耗、高热流密度器件，采用水冷散热，其他如电源、硬盘、扩展等仍采用风冷散热，主要目的是解决高效散热问题，最高可支持45KW以上高密度散热。水冷部分，需设置外循环管路并配置冷却塔、液冷源等。风冷部分，仍需提供空调制冷设备。因水冷散热强度较大，故可支持30℃以上的供液温度，因此室外机可支持更长期的自然冷却。风冷部分需要散失的功耗一般低于40%，故机柜风扇转速可降低、室内空调温度可提高，从而有效提升数据中心绿色化程度，是PUE稳定至1.5以下的重要手段。

非相变浸没式冷却系统，是直接液冷系统的一种，发热器件与冷却液直接接触，依靠液相的接触传导及强制对流实现热量交换，可处理50kW以内的功耗等级。相较依靠冷却液沸腾、冷凝实现热量交换的相变浸没式系统，不存在气-液相变，系统实现简单。机柜级一般采用此方案。设备热量传递至冷却液中，冷却液通过换热器传递至冷却水中，再通过冷却塔把冷却水的热量散发至室外空气中，从而完成热量从IT设备到室外的迁移。此方案驱动泵及冷却塔可布置在室外，室内为全密闭系统，系统内部无风扇、外部也无需机房空调，故可最大化消除噪音源、实现真正静默。但受限于密封、承重及节点/服务器维护要求等，高密度、机柜级非相变浸没式系统仅有卧式案例，且以卧式为最佳。故，该方案对机房布局影响最大，与传统设备的兼容性最差。

相较而言，液冷—风冷复合式方案则更易维持标准的机柜尺寸及形态，同时有居中的噪音、节能效果及改制、维护成本，因此也成为近、中期合理、适当的高效、绿色化数据中心冷却优化路线。其趋势为由槽道向小尺度微槽道等更高效的液冷散热方式发展，由较低的供水温度向35℃或更高的供水温度发展，同时寻求将更大比例的热量通过高效、绿色的液冷系统耗散。

经统计，业内较优的方案现仍有约20%热量依赖于风冷，故仍要求配置空调以维持适当的环境温度。因此，最大程度提高液冷散热占比、最大程度降低风量及空调负载、同时保证闭式冷却塔在任何季节总能通过自然冷却散热，是液冷-风冷复合冷却优化设计的基本思路

实用新型内容

本实用新型目的是提供了一种支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，用以应对数据中心高效、高密度散热与绿色节能需求。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，其特征在于：包括第一鳍片管式管热器、第二鳍片管式管热器、冷板式液冷系统和冷却塔，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器一侧均开有进水口和出水口，且两侧设有贯流风机与外部空气进行热交换，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器进水口经管路连接冷却塔出水端，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器出水口经管路及第一变频泵连接冷却塔进水端，冷板式液冷系统热水口经第二变频泵及管路连接板式换热系统第一接口，冷板式液冷系统冷水口连接板式换热系统第二接口，板式换热系统第三接口与第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器出水口汇合后经管路及第一变频泵连接冷却塔进水端，板式换热系统第四接口连接冷却塔出水端。

所述支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统优选方案，板式换热系统包括冷量分配单元CDU及板式换热器。

所述支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统优选方案，第一鳍片管式管热器、第二鳍片管式管热器及冷板式液冷系统集成在一个机柜内。

所述支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统优选方案，机柜外形尺寸为宽800mm、深1200mm、高2000mm。

所述支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统优选方案，冷却塔内设有45%乙二醇水溶液。

本实用新型的优点在于：以支持中温供水、支持冷却塔全年/全负载自然冷却为核心，通过高效液冷与封闭式自循环风冷散热设计，并配合高效气-液管式换热系统、高效液-液板式换热系统，可支持单柜40kW以上超高功率密度下的无空调、无压缩、无机械制冷散热。实现冷却系统PUE真正稳定在1.2以下。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型冷却系统及互联示意图。

图2为本实用新型传热路径分析示意图。

图3为机柜内部构成示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方

位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描

述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和

操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

一种支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，包括第一鳍片管式管热器1、第二鳍片管式管热器3、冷板式液冷系统2和冷却塔4，第一鳍片管式管热器1和第二鳍片管式管热器3一侧均开有进水口和出水口，且两侧设有贯流风机8与外部空气进行热交换，第一鳍片管式管热器1和第二鳍片管式管热器3进水口经管路连接冷却塔4出水端，第一鳍片管式管热器1和第二鳍片管式管热器3出水口经管路及第一变频泵5连接冷却塔4进水端，冷板式液冷系统2热水口经第二变频泵7及管路连接板式换热系统6第一接口，冷板式液冷系统2冷水口连接板式换热系统6第二接口，板式换热系统6第三接口与第一鳍片管式管热器1和第二鳍片管式管热器3出水口汇合后经管路及第一变频泵5连接冷却塔4进水端，板式换热系统6第四接口连接冷却塔4出水端。

本实施例中，第一鳍片管式管热器1、第二鳍片管式管热器3及冷板式液冷系统2集成在一个机柜内。机柜外形尺寸为宽800mm、深1200mm、高2000mm，遵循标准19英寸机柜规范要求。于宽度方向隔出共约300mm空间布置管式管热器，中部为500mm功能单元区。依靠管式管热器中的风机及挡风设计，构建定向、自循环风道。功能单元排出的热风经换热系统吸入、冷却，再次供入功能单元。封闭设计最大程度利用风机风量同时防尘、隔音、降噪，对外提供液冷系统及管换系统两套进、出管路。

换热系统重点解决无法或不便进行液冷散热少部分的风冷功耗，以移除机房空调系统。其散热对象均为低功耗、高耐温值器件及PCB电路板，一般不需要扩展散热表面。使用大尺寸、极少数量的风扇代替单元内部风扇，以尽可能低的转速和噪音，提供封闭系统所需的气流流量。再通过高效的气—液交换装置，将空气的热量转移至外部液冷循环中，并经冷却塔4散失至机房外部。合适的功耗分配及强化换热设计，使其可支持中温水冷却，因此有着极佳的经济性。

冷板式液冷系统2在单元内部除覆盖CPU、加速芯片等核心高功耗器件，对供电系统、内存等也做到最大程度覆盖。通过散热-流阻协同设计等技术手段，对不同单元、单元内部不同模块进行精细化设计，实现按需散热并尽可能降低系统压降。其中对一般发热部件或器件，一般采用槽道式或光管散热，对核心发热器件则采用小尺度甚至微尺度槽道。在第二变频泵7的作用下，高温冷却液流至板式换热系统6与来自冷却塔4的外循环冷却液进行热交换并冷却、回流。

冷板式液冷系统2侧为一次循环（室内运行、温度较高），冷却塔4侧为二次循环，在第二变频泵7作用下，高、低温流体通过板式换热器进行充分热交换。未将冷板式液冷系统2直接接入冷却塔4，而是通过板式换热系统6转接，主要目的有三：1）实现内、外循环隔离，提高系统运行可靠性；2）支持配置不同冷却液并增加流量调控系统，以解决高效散热、防冻、防凝露等问题；3）支持冷却塔4、板换冗余、备份，进一步提升系统可靠性。

本实施例中，选用一体式闭式逆流冷却塔4。冷却液温度高于凝露保护点时，正常工作。此时干冷空气进入冷却塔4四周格栅，通过风机的吸力垂直经过巨大换热表面，与喷淋水方向相反，成为湿热空气，由冷却塔4顶部风机排到大气中。在此过程中，持续进行热交换并带走闭式循环中工作流体的热量。冷却液温度较低时，则降低喷淋功率至启动干冷，并降低风机功率。采用封闭设计，冷却液自行循环，本案例设计其分别接入管换及板换，参与气—液交换、液—液交换。考虑冬季可靠运行，冷却塔4可配置含乙二醇水溶液作为冷却液。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，其特征在于：包括第一鳍片管式管热器、第二鳍片管式管热器、冷板式液冷系统和冷却塔，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器一侧均开有进水口和出水口，且两侧设有贯流风机与外部空气进行热交换，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器进水口经管路连接冷却塔出水端，第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器出水口经管路及第一变频泵连接冷却塔进水端，冷板式液冷系统热水口经第二变频泵及管路连接板式换热系统第一接口，冷板式液冷系统冷水口连接板式换热系统第二接口，板式换热系统第三接口与第一鳍片管式管热器和第二鳍片管式管热器出水口汇合后经管路及第一变频泵连接冷却塔进水端，板式换热系统第四接口连接冷却塔出水端。

2.根据权利要求1所述支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，其特征在于：板式换热系统包括冷量分配单元及板式换热器。

3.根据权利要求1所述支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，其特征在于：第一鳍片管式管热器、第二鳍片管式管热器及冷板式液冷系统集成在一个机柜内。

4.根据权利要求3所述支持中温供水的高效、节能、低PUE的冷却系统，其特征在于：机柜外形尺寸为宽800mm、深1200mm、高2000mm。

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