CN213811888U - 一种热管换热装置及换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热管换热装置及换热系统，涉及液冷装置技术领域，能够大幅提高机柜的散热效率，在实现高温散热的同时，保证机柜内部温度的均匀性，还避免了空气中的颗粒物对服务器的不利影响。该热管换热装置包括第一壳体和热管换热器，第一壳体内形成密闭空间，且设有发热元件和冷却液，热管换热器内流通有循环的第一冷媒，热管换热器包括蒸发段和冷凝段，蒸发段位于密闭空间内且靠近发热元件设置，冷凝段位于密闭空间的外部，其中，冷却液浸没发热元件和蒸发段。

Description

一种热管换热装置及换热系统

技术领域

本实用新型涉及液冷装置技术领域，尤其涉及一种热管换热装置和换热系统。

背景技术

数据中心(Internet Data Center，即互联网数据中心，简称IDC)机房已成为经济发展中的重要组成部分，是推进科技工业信息化和数字化的基础设施。随着数据中心规模的增大以及高发热功率的刀片式服务器的普及，导致数据中心中机柜的装机功率、热密度急剧增长，一方面，高热密度服务器的散热成为亟待解决的问题，若处理不慎，可能由于设备过热而导致设备停机，造成巨大损失；另一方面，散热所需的制冷设备功率成倍提高，进一步增加数据中心的能源消耗。

目前，在对数据机房进行降温时，一般采用风冷空调系统配合相应的冷、热气流通道对数据机房内机柜中的发热源(即服务器)进行冷却。

但是，该风冷系统具有以下几个明显的缺陷：其一，由于空气的换热性能差，为保证高热密度服务器的正常运行需要较低的送风温度，这将增加空调系统的运行能耗，从而导致现有数据中心的散热能耗增加；其二，由于机柜内空间狭小，气流组织不善，易导致机柜内出现局部高温热点，影响服务器等IT设备的安全运行，为了消除局部热点，往往通过加大空调送风量、降低送风温度等方式实现，导致空调系统的能耗进一步增加；其三，由于数据中心对空气的洁净程度具有较高的要求，长时间的空气流动会使粉尘、硫氧化物和氮氧化物等物质附着于服务器的电子元件上，导致服务器的故障率上升、寿命缩短。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供的一种热管换热装置及换热系统，能够大幅提高机柜的散热效率，在实现高温散热的同时，保证机柜内部温度的均匀性，同时还避免了空气中的颗粒物对服务器的不利影响。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本实用新型实施例提供的一种热管换热装置，包括第一壳体和热管换热器，第一壳体内形成密闭空间，且设有发热元件和冷却液，热管换热器内流通有循环的第一冷媒，热管换热器包括蒸发段和冷凝段，蒸发段位于第一壳体内且靠近发热元件设置，冷凝段位于第一壳体的外部，其中，冷却液浸没发热元件和蒸发段。

可选的，蒸发段包括蒸发主管和多个蒸发支管，多个蒸发支管并联连通蒸发主管。

可选的，蒸发支管靠近发热元件设置，且蒸发支管的设置数量与发热元件的发热量正相关。

可选的，多个蒸发支管均为直管。

可选的，多个蒸发支管均沿第一方向延伸设置，且第一方向与第一壳体的侧壁平行或者垂直。

可选的，热管换热器为吸液芯式热管换热器，包括贴附于内壁设置的毛细吸液芯。

可选的，热管换热器为重力式热管换热器，冷凝段的位置高于蒸发段的位置。

可选的，热管换热器、第一壳体均为多个，多个热管换热器的蒸发段一一对应设置于多个第一壳体内。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种换热系统，包括第一方面中任一项热管换热装置。

可选的，还包括循环装置，用于循环流通第二冷媒，循环装置包括第二换热器和连通的循环管路，第二冷媒用于与冷凝段进行热交换。

可选的，还包括电控阀、温度传感器和控制器，电控阀设于循环管路上，温度传感器设于第一壳体内，控制器分别连接电控阀和温度传感器。

可选的，还包括再热利用装置，再热利用装置包括第三换热器，第三换热器设置于循环管路的回液管处，且分别连通供水管和回水管。

本实用新型实施例提供的热管换热装置和换热系统，热管换热装置包括第一壳体和热管换热器，第一壳体内形成密闭空间，且设有发热元件和冷却液；在热管换热器内流通有循环的第一冷媒，具体的，热管换热器包括蒸发段和冷凝段，蒸发段位于第一壳体内且靠近发热元件设置，而冷凝段位于第一壳体外，且冷却液浸没发热元件和蒸发段；这样，发热元件产生的热量可以直接导入冷却液中，而浸没于冷却液中的蒸发段可以吸收冷却液中的热量，并通过循环的第一冷媒将热量传递至第一壳体外部的冷凝段，从而实现第一壳体的散热。

相较于通过空气导热的风冷散热方案，本实用新型实施例提供的换热系统，其第一壳体中的热量在由内而外传递的过程中，热量的传递路径包括仅包括固-液、液-固两种高效的热量传递方案，大幅提高了散热效率，能够避免空调高负荷运行进而节省运行能耗；同时，密闭空间的设置避免了第一壳体内的冷却液与外界进行接触，还可以有效避免空气中的颗粒物对于发热元件的不利影响。

并且，由于第一壳体内的蒸发段靠近发热元件设置，如此，能够降低发热元件至蒸发段热量的传递路径，在提高散热效率的同时，避免了在第一壳体内设置冷却液的动力循环系统带来的能耗浪费以及对发热元件的影响，进一步提高了该换热系统的散热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的热管换热装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的换热系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的换热系统包括多个热管换热装置的结构示意图之一；

图4为本实用新型实施例的换热系统包括多个热管换热装置的结构示意图之二。

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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，“多组”的含义是两组或两组以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

数据中心机房通常依靠空调系统对内部的温度进行调节，以使机柜内部的服务器始终工作在最适宜的环境温度下。

第一方面，本实用新型提供一种热管换热装置，如图1所示，包括：

第一壳体111和热管换热器，在第一壳体111内形成密闭空间，且设有发热元件和冷却液。其中，第一壳体111可以是数据中心机房中机柜内的全封闭机架壳体，如图3所示，用于安装服务器、电源模块或者路由模块，可以是其他的全封闭壳体，也可以是一体化密闭的机柜；而发热元件可以是服务器主板上的中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、硬盘或者电容等发热器件，也可以是电源模块或者路由模块中的发热器件；而冷却液，必须为不导电且没有腐蚀性的液体，如去离子水、硅油或者电子氟化液等。

热管换热器112，在热管换热器112内流通有循环的第一冷媒，所述热管换热器112包括蒸发段1121和冷凝段1123，第一冷媒在蒸发段1121汽化吸热，随后气态的第一冷媒移动到冷凝段1123并在此液化放出热量，液化的第一冷媒随后返回蒸发段1121，从而完成第一冷媒的循环流通；进一步的，将蒸发段1121设置于于第一壳体111内且靠近发热元件的位置，并将冷凝段1123设置于第一壳体111的外部，并且，使得冷却液浸没发热元件和蒸发段1121。

由此，本实用新型实施例提供的热管换热装置，发热元件产生的热量可以直接导入冷却液中，而浸没于冷却液中的蒸发段1121可以吸收冷却液中的热量，并通过循环的第一冷媒将热量传递至第一壳体111外部的冷凝段1123，从而实现第一壳体111的散热。

相较于通过空气导热的风冷散热方案，本实用新型申请实施例提供的热管换热装置，其第一壳体111中的热量在由内而外传递的过程中，热量的传递路径包括仅包括固-液、液-固两种高效的热量传递方案，大幅提高了散热效率，能够避免空调高负荷运行进而节省运行能耗；同时，密闭空间的设置避免了第一壳体111内的冷却液与外界进行接触，还可以有效避免空气中的颗粒物对于发热元件的不利影响。

并且，由于第一壳体111内的蒸发段1121靠近发热元件设置，如此，能够降低发热元件至蒸发段1121热量的传递路径，在提高散热效率的同时，避免了在第一壳体111内设置冷却液的动力循环系统带来的能耗浪费以及对发热元件的影响，进一步提高了该热管换热装置的散热效率。

如图1所示，蒸发段1121设置于第一壳体111内，且蒸发段1121包括蒸发主管11211和多个蒸发支管11212，多个蒸发支管11212并联连通蒸发主管11211。如此，可以通过额外设置的蒸发支管11212用于增加热管换热器112与冷却液之间的换热面积，从而大幅提高换热效率。具体的，第一冷媒在蒸发段1121中气化吸热，随后汇聚于与各个蒸发支管11212连通的蒸发主管11211处，蒸发主管11211与冷凝段1123之间具有连接管路，气化后的第一冷媒通过连接管路进入冷凝段1123后液化放热，液化后的第一冷媒再由连接管路返回蒸发段1121，在蒸发主管11211处经并联接口流入各个蒸发支管11212内，如此循环往复，从而实现将第一壳体111内的热量高效率地转移至第一壳体111外部。

为了进一步增加换热效果，在第一壳体111中，将蒸发支管11212靠近发热元件设置；举例来说，第一壳体111内的底板上固定有服务器主板，主板上舍友若干发热元件，如中央处理器、固态硬盘、电容等，将蒸发支管11212的设置于上述发热元件的上方，并且临近设置，由于蒸发支管11212和发热元件均浸没于冷却液中，且蒸发支管11212靠近发热元件设置，则进一步增加了由发热元件自蒸发段1121的热传递效果。其中，蒸发支管11212的设置数量与发热元件的发热量正相关，即发热元件的发热量越大，该处设置的蒸发支管11212数量就越多，发热元件的发热量越小，该处设置的蒸发支管11212数量就越少；如此，可以合理吸收第一壳体111内不同区域的发热量，从而对其进行冷却，保证第一壳体111内温度的均匀性。

此外，增加换热效果还可以通过改变其他条件来实现，例如，改善热管换热器的制作材料，如通过铜质或者铝质材料制作热管换热器，由于铜和铝均具有较好的导热系数，可以使得由该种材料做作的热管换热器具有较好的换热效果。还可以通过增大蒸发段1121与冷却液的接触面积，从而提高换热效率，具体的，设置多个蒸发支管11212为毛细管束，即在降低管束横截面积的同时增加管束的设置数量，如此，可以较大的提升蒸发支管11212与冷却液的接触面积，进而提高换热效率；还可以在蒸发支管11212或蒸发主管11211外壁设置翅片，通过与管路外壁直接接触的翅片的设置，可以极大地增加接触面积，进而提升热管换热器112的换热效率。

其中，如图1所示，对于蒸发主管11211和蒸发支管11212的具体设置，并不进行具体限定，只需能够实现热管换热器112内部第一冷媒的自循环流通均可。举例来说，蒸发支管11212和蒸发主管11211可以被设置为支管、类曲线弯管、折线管等等，只需蒸发支管11212能够靠近发热元件，满足高效的热传递效果。但是，由于第一壳体111通常作为服务器的一体化密闭箱体使用，该箱体常为长方体形状，因此，在本实施例中，设置蒸发支管11212和蒸发主管11211均为直管；进一步的，限定多个蒸发支管11212均沿第一方向设置，且第一方向与第一壳体111(即长方体箱体)的侧壁近视平行或者垂直，优化了第一壳体111中蒸发支管11212的布置方案。

继续参照图1，蒸发支管11212和蒸发主管11211之间近视垂直设置，这样布置，使得蒸发段1121的整体形状近视为长方形，与服务器箱体的截面相近，便于模块化方案的布置。

由于蒸发段1121设置于第一壳体111内部，而冷凝段1123设置于第一壳体111外部，蒸发段1121和冷凝段1123之间间隔有第一壳体111的侧壁，即，蒸发主管11211与冷凝段1123之间具有连接管路，通过连接管路实现蒸发段1121与冷凝段1123之间第一冷媒的循环流通。

其中，连接管路的长度可以大于零，即蒸发段1121和冷凝段1123之间通过中间段1122连接，即热管换热器112为分离式热管换热器，显而易见的，如图1所示，此时连接管路(即中间段1122)通过密封技术穿过第一壳体111的侧壁设置，并且两端分别连通蒸发段1121和冷凝段1123，通过中间段1122实现蒸发段1121与冷凝段1123之间第一冷媒的循环流通。连接管路的长度也可以等于零，即为整体式热管换热器，此时，热管换热器112的蒸发段1121和冷凝段1123直接通过第一壳体111的侧壁开口相连通，直接实现蒸发段1121与冷凝段1123之间第一冷媒的循环流通。

此外，热管换热器112还包括吸液芯热管换热器和重力式热管换热器。

吸液芯热管换热器还包括贴附于内壁设置的毛细吸液芯结构，具体的，在该热管换热器112蒸发段1121至冷凝段1123的内壁贴附有一层吸液芯，用于通过吸液芯的毛细作用实现液态第一冷媒的回流。由于毛细作用的存在，设置有吸液芯热管换热器可以无视重力作用对于液态第一冷媒回流的影响，结构设置限制较少。

而重力式热管换热器无需额外设置吸液芯结构，可以在重力的作用下实现液态第一冷媒的回流，于没有吸液芯结构，该重力式热管换热器结构更加简单，制造容易，并且避免了吸液芯结构对于液态第一冷媒回流速度的影响，即而且工作性能远高于吸液芯热管。但是，重力式热管换热器的冷凝段1123设置位置必须高于蒸发段1121的设置位置，用于实现重力作用下液态第一冷媒的回流。

在本实施例中，如图3所示，热管换热器112和第一壳体111均为多个，且多个热管换热器112的蒸发段1121一一对应设置于多个第一壳体111内，从而实现对各个第一壳体111内发热元件的降温冷却。显而易见的，此处，多个第一壳体111具体为机柜内部用于安装服务器的多层密封层。

第二方面，如图2所示，本实用新型实施例还提供了一种换热系统，包括第一方面中的热管换热装置。该换热系统可以达到与第一方面中热管换热装置相同技术效果，在此不再赘述。

具体的，继续参见图2，热管换热系统还包括循环装置，用于循环流通第二冷媒，该循环装置包括第二换热器121和连通的循环管路122，第二冷媒能够与热管换热器112的冷凝段1123进行热交换，从而实现将冷凝段1123的热量转移至第而换热器处进行冷却。

举例来说，该换热系统可以是一空调系统，通过循环装置中包括的压缩机与循环泵带动第二冷媒进行压缩循环，此时，第二换热器121为空调系统的蒸发器，用于冷却第二冷媒，随后通过循环管路122使得第二冷媒对冷凝段1123进行热交换，从而实现对冷凝段1123的降温冷却。此外，该换热系统也可以仅仅是一冷却系统，其中循环装置中的第二换热器121为风冷或者液冷冷却装置，第二冷却液在循环泵的带动下，在第二换热器121处冷却，随后通过循环管路122使得第二冷媒对冷凝段1123进行热交换，从而实现对冷凝段1123的降温冷却。

需要说明的是，循环管路122与冷凝段1123之间的热交换包括多种实现方式。一、循环管路122靠近冷凝段1123的部分可以与冷凝段1123相贴合，从而实现热交换；二、循环管路122的一部分可以设置于冷凝段1123内部，如图2所示，从而实现热交换；三、还包括第二壳体124，冷凝段1123设置于第二壳体124内，第二壳体124内装有浸没冷凝段1123的第二冷媒，循环管路122的两端分别连通第二壳体124的两个开口，如图4所示，该装置可以近似看做第一换热器，从而满足循环管路122与冷凝段1123之间的热交换。其中，循环管路122与冷凝段1123之间可以是一一对应的关系，也可以是一个循环管路122对应多个冷凝段1123或者一个冷凝段1123对应多个循环管路122，可以灵活设置。

为了控制换热系统的冷却效果，该换热系统还包括电控阀123，温度传感器113和控制器(图中未示出)，其中，电控阀123设于循环管路122上，如图2所示，温度传感器113设于第一壳体111内，如图1所示，而控制器分别连接电控阀123和温度传感器113。这样，控制器可以通过电连接的温度传感器113实时监测第一壳体111内的实时温度，并且根据相应第一壳体111内的温度，对循环管路122上电控阀123的开度进行调节，通过控制循环管路122中第二冷媒的流通量来控制调整对应第一壳体111的冷却温度。

为了精确控制每个第一壳体111的冷却温度，相应的，循环管路122包括一级循环管路和二级循环管路，多个二级循环管路并联连通于一级循环管路，当换热系统应用于数据中心机房场景时，若第二换热器121为室外换热器，则一级循环管路由第二换热器121供应第二冷媒至数据中心机房内甚至每列机柜处，而二级循环管路由一级循环管路供应至每个机柜中的冷凝段1123处；相应的每个二级循环管路上均设置有电控阀123，对应的，每个第一壳体111内均设置有温度传感器113，由此，可以通过控制器实现每个第一壳体111内部温度的精确调整与控制。其中，电控阀123可以设置于循环管路122的供液侧或者回液侧，均可以实现上述目的。

为了进一步提升能源利用效率，换热系统还包括再热利用装置，该再热利用装置包括设置于循环管路122回液侧的第三换热器131，且分别连通供水管132和回水管133；这样，第二冷媒在经过冷凝段1123时，与冷凝段1123进行热交换，随后第一冷媒降温而第二冷媒温度升高，循环至回液侧，在经过第三换热器131时，温度较高的第二冷媒在第三换热器131中与由供水管132供给的水进行热交换，对供给的水进行加温，从而将热量转移至水中，并使其温度升高，这样，由回水管133处流出的温度较高的水资源，可以用于居民生活用水、锅炉房补水或者在冬季用于室内采暖供水，从而实现热资源的再利用，避免了大量热资源白白的浪费，进而大大提高数据中心机房的能源利用效率。

其中，在回水管133的一侧还可以并联一处用于储存热水的储水罐134，用于对不能及时利用的热水进行暂时的储存，避免热资源的浪费。需要说明的是，在换热系统中，第三换热器131和第二换热器121可以共存，也可以只有第二换热器121或第三换热器131，再次不做限制。

第三方面，本实用新型实施例还提供了一种温度调节的控制方法，用于第二方面中包括电控阀123、温度传感器113和控制器的换热系统，包括以下步骤：

当温度传感器113检测的温度小于第一预设值时，控制器控制与温度传感器113对应的电控阀123减小阀门开度；

当温度传感器113检测的温度大于第二预设值时，控制器控制与温度传感器113对应的电控阀123增大阀门开度；

当温度传感器113检测的温度大于等于第一预设值且小于等于第二预设值时，控制器控制与温度传感器113对应的电控阀123保持阀门开度不变；

其中，第一预设值小于第二预设值，第一预设值表示第一壳体111中的实时温度为最低冷却温度，低于该温度值时换热系统的换热效率较低；第二预设值表示第一壳体111中的实时温度为较高的警戒温度线，高于该温度值时不利于第一壳体111内发热元件持续稳定的工作。

本实用新型实施例提供的温度调节的控制方法，可以根据第一壳体111的内部温度通过控制器控制调节对应电动阀的开度，进而实现换热系统在温度控制方面上的动态控制，在实现对第一壳体111内的温度进行精确控制的同时，并不影响第一壳体111进行散热效果，使得换热系统的运行功率更加符合实际需求，从而降低了换热系统的能耗水平。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种热管换热装置，其特征在于，包括：

第一壳体，所述第一壳体内形成密闭空间，且设有发热元件和冷却液；

热管换热器，所述热管换热器内流通有循环的第一冷媒，所述热管换热器包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段位于所述第一壳体内且靠近所述发热元件设置，所述冷凝段位于所述第一壳体的外部；

其中，所述冷却液浸没所述发热元件和所述蒸发段。

2.根据权利要求1所述的热管换热装置，其特征在于，所述蒸发段包括蒸发主管和多个蒸发支管，多个所述蒸发支管并联连通所述蒸发主管。

3.根据权利要求2所述的热管换热装置，其特征在于，所述蒸发支管靠近所述发热元件设置，且所述蒸发支管的设置数量与所述发热元件的发热量正相关。

4.据权利要求2所述的热管换热装置，其特征在于，多个所述蒸发支管均为直管。

5.据权利要求4所述的热管换热装置，其特征在于，多个所述蒸发支管均沿第一方向延伸设置，且所述第一方向与所述第一壳体的侧壁平行或者垂直。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的热管换热装置，其特征在于，所述热管换热器为吸液芯式热管换热器，包括贴附于内壁设置的毛细吸液芯。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的热管换热装置，其特征在于，所述热管换热器为重力式热管换热器，所述冷凝段的位置高于所述蒸发段的位置。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的热管换热装置，其特征在于，所述热管换热器、所述第一壳体均为多个，多个热管换热器的蒸发段一一对应设置于多个所述第一壳体内。

9.一种换热系统，其特征在于，包括权利要求1～8中任一项所述的热管换热装置。

10.根据权利要求9所述的换热系统，其特征在于，还包括循环装置，用于循环流通第二冷媒，所述循环装置包括第二换热器和连通的循环管路，所述第二冷媒用于与所述冷凝段进行热交换。

11.根据权利要求10所述的换热系统，其特征在于，还包括电控阀、温度传感器和控制器，所述电控阀设于所述循环管路上，所述温度传感器设于所述第一壳体内，所述控制器分别连接所述电控阀和所述温度传感器。

12.根据权利要求10或11所述的换热系统，其特征在于，还包括再热利用装置，所述再热利用装置包括第三换热器，所述第三换热器设置于所述循环管路的回液侧，且分别连通供水管和回水管。

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