CN106852086B - 双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统 - Google Patents

Abstract

本专利涉及一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块、风冷装置、中间换热器和自然散热装置，所述中间换热器一侧为吸热侧，另一侧为制冷侧，其中吸热侧的进口连通液冷模块的出口，吸热侧的出口连通风冷装置的进口，制冷侧与自然散热装置连通形成循环回路。本专利中的风冷装置和液冷模块共同利用自然散热装置进行散热，充分利用了自然冷源，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

Description

双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统

技术领域

本专利涉及数据中心自然冷却领域，具体涉及一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统。

背景技术

常用的数据中心服务器散热系统中，服务器CPU等高密度热源采用液冷通道散热，即液态流体通过与服务器主要发热芯片隔离接触吸热，带走了服务器总发热量70%〜80%,而剩下的20%〜30%的服务器热量则通过风冷通道带走。由于液冷通道散热效率高，因此采用自然冷却即可满足散热需求,无需压缩机参与制备冷源，整体能耗低，而风冷通道还是有压缩机参与制冷,所以风冷通道的压缩机能耗成为最新散热系统主要能耗设备。

传统的机房冷冻水空调系统末端送风温度约为15°C〜16°C,在新版GB 50174《数据中心设计规范》中，服务器允许进风温度提高到32°C,即表明提高后的服务器允许进风温度也可满足服务器散热要求，同时服务器主要发热量已经通过高效的液冷通道散发出去，只剩下小部分分散式发热量,这使得风冷通道去除压缩机，利用自然冷源进行散热成为可能。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本专利提供一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，能够充分利用自然冷源实现数据中心自然冷却，节约能源。

针对本专利来说，上述技术问题是这样加以解决的：一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块、风冷装置、中间换热器和自然散热装置，所述中间换热器一侧为吸热侧，另一侧为制冷侧，其中吸热侧的进口连通液冷模块的出口，吸热侧的出口连通风冷装置的进口，制冷侧与自然散热装置连通形成循环回路。

所述液冷模块用于吸收服务器中主要发热元件的集中式热量，风冷装置用于吸收服务器中其他元件的分散式热量。液冷模块利用液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，所以才能够通过中间换热器结合自然散热装置对服务器主要发热元件进行自然冷却，满足散热需求，其次因为服务器中70%〜80%的热量已被液冷模块带走，服务器中其余的分布式热量允许进一步提高送风温度到32°C,这使得风冷装置能够结合自然散热装置对服务器中的其他发热元件进行自然冷却，再者中间换热器的设置将液冷模块、风冷装置与自然散热装置之间的换热回路分成了两级，间接缩短了自然散热装置所在的换热回路，降低换热介质在换热回路中的压降，从而加快了换热介质的流速，提高换热效率。综上，本专利充分利用自然冷源进行散热，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗,节省了能源。

进一步地，还包括三通阀，所述三通阀包括第一接口、第二接口和第三接口；所述中间换热器制冷侧的出口通过第一接口和第二接口连通自然散热装置的进口，制冷侧的进口连通自然散热装置的出口，形成循环回路，第三接口连通自然散热装置的出口。

所述第三接口连通自然散热装置的出口，意味着从中间换热器一侧出口输出的高温换热介质可以不经自然散热装置进行换热，并重新回到中间换热器中进行换热，所以当制冷量过剩时可以适当打开第三接口，减少制冷量，节省自然散热装置的能耗，还能够在一定程度上保护液冷模块和风冷装置不会温度过低，可靠性高，因为当服务器温度过低时元件、电路板和线路等受冷收缩，有可能导致三者间接触不良等现象发生，同时也有可能因过冷而产生凝露现象，避免凝露导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，进一步保证系统安全稳定运行。

进一步地，还包括第一二通阀，所述第一二通阀的两个接口分别连通风冷装置的出口和进口。

当风冷装置的制冷量过剩或液冷模块的制冷量过少时，可适当扩大第一二通阀的开度，使中间换热器一侧出口的一部分低温换热介质不经风冷装置，直接流到液冷模块中；当风冷装置的制冷量过少或液冷模块的制冷量过剩时，可适当缩减第一二通阀的开度，使中间换热器吸热侧出口的大部分低温换热介质先经风冷装置，再流到液冷模块中，因此，该第一二通阀的开度便于根据实际情况进行调整，灵活性好,提高了系统适应性。

进一步地，所述中间换热器吸热侧的进口或出口上设有第一循环泵，第一循环泵上设有第一变频器。

当制冷量不能满足风冷装置或液冷模块的需求时，可适当升高第一变频器的工作频率，使第一循环泵加快运转，提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，在一定程度上提升系统的稳定性。

进一步地，还包括设在自然散热装置出口或进口的第二循环泵，第二循环泵上设有第二变频器。

当制冷量不能满足风冷装置或液冷模块的需求时，可适当升高第二变频器的工作频率，使第二循环泵加快运转，提高回路中换热介质的换热效率,提高制冷量,稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第二变频器的工作频率，使第二循环泵减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器过冷而收缩或产生凝露，造成损害。

进一步地，所述自然散热装置上设有第三变频器。

当制冷量不能满足风冷装置或液冷模块的需求时，可适当升高第三变频器的工作频率，使自然散热装置加快运转，提高换热介质与自然环境的换热效率，进而加大制冷量，保证系统正常运行；当制冷量有盈余时，可适当降低第三变频器的工作频率，降低换热介质与自然环境的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器过冷而收缩或产生凝露，造成损害。

进一步地，还包括并联自然散热装置进口和出口，或并联中间换热器吸热侧进口和出口的制冷补偿装置。

当自然散热装置不能提供足够的制冷量供冷或出现故障停止运行时，制冷补偿装置就可以对自然散热装置进行制冷补偿,保障系统正常散热。

进一步地，所述制冷补偿装置的所在支路上串联有第二二通阀。

当制冷补偿装置停止运行时，为避免一部分换热介质经过制冷补偿装置的所在支路，降低换热效率，可关闭第二二通阀保证换热介质在正确的回路中循环，保证系统正常运行，可靠性好。

进一步地，所述风冷装置的进口设有第一温度传感器，液冷模块的进口设有第二温度传感器。

当第一温度传感器检测到风冷装置进口的换热介质温度低于设定值时，可适当降低第二变频器或第三变频器的频率，或加大第三接口来减少流经自然散热装置的换热介质，增加换热介质的换热效率，提高制冷量，提高风冷装置进口的换热介质温度至预定值以上,保障系统稳定运行；当第二温度传感器检测到液冷模块进口的换热介质温度高于设定值时，可适当升高第一变频器的频率，或者开启第一二通阀增大换热介质流经液冷模块的比例，增加换热介质的换热效率，提高制冷量，使液冷模块进口的换热介质温度下降到预设值内，保障系统稳定散热；当第二温度传感器检测到液冷模块进口的换热介质温度低于设定值时，可适当降低第二变频器或第三变频器的频率，或加大第三接口来减少流经自然散热装置的换热介质，缩减第一二通阀的开度减小换热介质流经液冷模块的比例，提高液冷模块进口的换热介质温度至预定值以上,保障系统稳定运行。

进一步地，所述风冷装置的出口设有第三温度传感器，液冷模块的出口设有第四温度传感器。

当所述第三温度传感器检测到风冷装置出口的换热介质温度高于设定值时，可适当升高第一变频器的频率；当所述第四温度传感器检测到液冷模块出口的换热介质温度高于设定值时，可适当升高第一变频器的频率，开启第一二通阀增大换热介质流经液冷模块的比例；当所述第三温度传感器和所述第四温度传感器同时检测到温度高于设定值时，可适当升高第一变频器、第二变频器或第三变频器的频率，或者关小第三接口增大流经自然散热装置的换热介质，通过上述手段提高换热介质的换热效率，提高制冷量，保证系统稳定散热。

相比于现有技术,本专利的有益效果为：

1、所述液冷模块和风冷装置通过自然散热装置进行自然冷却，极大地降低了能耗。

2、通过检测机构：第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器对系统状态的检测，以及调节机构：第一变频器、第二变频器、第三变频器、三通阀、制冷补偿装置、第一二通阀和第二二通阀对系统工作的调控,保证系统在满足散热需求的同时避免过冷而导致服务器中部件收缩和产生凝露，使服务器在安全温度范围内稳定运行。器中部件收缩和产生凝露，使服务器在安全温度范围内稳定运行。

附图说明

图1是本专利的系统结构图。

具体实施方式

如图1所示的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块10、风冷装置7、中间换热器4和自然散热装置1,所述中间换热器4一侧为吸热侧，另一侧为制冷侧，其中吸热侧的进口连通液冷模块10的出口，吸热侧的出口连通风冷装置7的进口，制冷侧与自然散热装置1连通形成循环回路。

具体实施过程中，所述风冷装置7为风机墙空调末端，包括冷水盘管8和多个风机并联组成的风机墙9,风机墙9通过向冷水盘管8吹送空气来使冷水盘管8中的换热介质和数据中心的空气进行换热。

所述液冷模块10用于吸收服务器中主要发热元件的集中式热量，风冷装置7用于吸收服务器中其他元件的分散式热量。液冷模块10利用液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，所以才能够通过中间换热器4结合自然散热装置1对服务器主要发热元件进行自然冷却，满足散热需求，其次因为服务器中70%~80%的热量已被液冷模块带走,服务器中其余的分布式热量允许进一步提高送风温度到32°C,这使得风冷装置7能够结合自然散热装置1对服务器中的其他发热元件进行自然冷却，再者中间换热器4的设置将液冷模块10、风冷装置7与自然散热装置1之间的换热回路分成了两级，间接缩短了自然散热装置1所在的换热回路，降低换热介质在换热回路中的压降，从而加快了换热介质的流速，提高换热效率。综上，本专利充分利用自然冷源进行散热，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

本专利还包括三通阀2,所述三通阀2包括第一接口a、第二接口b和第三接口c；所述中间换热器4制冷侧的出口通过第一接口a和第二接口b连通自然散热装置1的进口，制冷侧的进口连通自然散热装置1的出口，形成循环回路，第三接口c连通自然散热装置1的出口。

所述第三接口c连通自然散热装置1的出口，意味着从中间换热器4一侧出口输出的高温换热介质可以不经自然散热装置1进行换热，并重新回到中间换热器4中进行换热，所以当制冷量过剩时可以适当打开第三接口c,减少制冷量，节省自然散热装置1的能耗，还能够在一定程度上保护液冷模块10和冷水盘管8不会温度过低，可靠性高，因为当服务器温度过低时元件、电路板和线路等受冷收缩，有可能导致三者间接触不良等现象发生，同时也有可能因过冷而产生凝露现象，避免凝露导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，进一步保证系统安全稳定运行。

本专利还包括第一二通阀6,所述第一二通阀6的两个接口分别连通冷水盘管8的出口和进口。

当冷水盘管8的制冷量过剩或液冷模块10的制冷量过少时，可适当扩大第一二通阀6的开度，使中间换热器4一侧出口的一部分低温换热介质不经冷水盘管8,直接流到液冷模块10中；当冷水盘管8的制冷量过少或液冷模块10的制冷量过剩时，可适当缩减第一二通阀6的开度，使中间换热器4吸热侧出口的大部分低温换热介质先经冷水盘管8,再流到液冷模块10中，因此，该第一二通阀6的开度便于根据实际情况进行调整，灵活性好，提高了系统适应性。

所述中间换热器4吸热侧的出口上设有第一循环泵5,第一循环泵5上设有第一变频器25。

当制冷量不能满足冷水盘管8或液冷模块10的需求时，可适当升高第一变频器25的工作频率,使第一循环泵5加快运转,提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量,在一定程度上提升系统的稳定性。

本专利还包括设在自然散热装置出口的第二循环泵3,第二循环泵3上设有第二变频器24。

当制冷量不能满足冷水盘管8或液冷模块10的需求时，可适当升高第二变频器24的工作频率,使第二循环泵3加快运转,提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第二变频器24的工作频率，使第二循环泵3减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器过冷而收缩或产生凝露，造成损害。

所述自然散热装置1为配置有风机的冷却塔或干冷器，且风机上设有第三变频器23O。

当制冷量不能满足冷水盘管8或液冷模块10的需求时，可适当升高第三变频器23的工作频率，使自然散热装置1加快运转，提高换热介质与自然环境的换热效率，进而加大制冷量，保证系统正常运行；当制冷量有盈余时，可适当降低第三变频器23的工作频率，降低换热介质与自然环境的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器过冷而收缩或产生凝露，造成损害。

还包括并联自然散热装置1进口和出口，或并联中间换热器4吸热侧进口和出口的制冷补偿装置26。

当自然散热装置1不能提供足够的制冷量供冷或出现故障停止运行时，制冷补偿装置26就可以对自然散热装置1进行制冷补偿，保障系统正常散热。

所述制冷补偿装置26的所在支路上串联有第二二通阀27 o

当制冷补偿装置26停止运行时，为避免一部分换热介质经过制冷补偿装置26的所在支路，降低换热效率，可关闭第二二通阀27保证换热介质在正确的回路中循环，保证系统正常运行，可靠性好。

所述冷水盘管8的进口设有第一温度传感器11,液冷模块10的进口设有第二温度传感器13。

所述冷水盘管8的出口设有第三温度传感器12,液冷模块的出口10设有第四温度传感器14。

本专利一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统的工作原理如下：

本系统在默认启动状态下打开第一接口a和第二接口b,关闭第三接口c和第一二通阀6O

1、当所述第三温度传感器12检测到温度高于设定值时，可适当升高第一变频器25的频率；当所述第二温度传感器13或第四温度传感器14检测到温度高于设定值时，先开启第一二通阀6增大换热介质流经液冷模块10的比例，若第一二通阀6己开至最大，此时可适当升高第一变频器25的频率进行调节；当所述第三温度传感器12和所述第四温度传感器14同时检测到温度高于设定值时，优先升高第一变频器25的频率使温度降低，接着关小第三接口c增大流经自然散热装置1的换热介质，再提高第三变频器23的频率，若还不能有效降低温度，则提升第二变频器24的频率，通过上述手段提高换热介质的换热效率，提高制冷量，直至将第二温度传感器12、第三温度传感器13和第四温度传感器14的温度降低到设定值合理范围内，保证系统稳定散热。

2、当所述第一温度传感器11检测到冷水盘管8进口的换热介质温度低于设定值时，先降低第一变频器25的频率，再降低第三变频器23的频率,若还不能有效提高温度，则扩大第三接口c的开度，直至将第一温度传感器11的温度升高到设定值合理范围内；当所述第二温度传感器13检测到冷水盘管8进口的换热介质温度低于设定值时，先关小第一二通阀6的开度，若还不能有效提高温度，则按照上述次序依次进行调整，直至将第二温度传感器13的温度升高到设定值合理范围内，节约能源，防止服务器过冷,保证系统稳定运行。

3、当所述第三温度传感器12和第四温度传感器14均检测到温度高于设定值且第一变频器25已升至最高频率，同时第一温度传感器11或第二温度传感器13检测到温度低于设定值且第一二通阀6已完全关闭时，优先执行工作原理1中的调节动作，提高自然散热装置1的供冷能力，确保系统正常散热。

4、在环境温度过高或自然散热装置1故障导致制冷量不足（即使采用工作原理1的调节动作也无法提供足够制冷量）时，启动制冷补偿装置26,并开启第二二通阀27,保障系统正常运行，向服务器提供足够的冷源，当自然散热装置1供冷能力充足或者故障修复完成后，停止制冷补偿装置26并关闭第二二通阀27。

Claims (8)

1.一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，包括液冷模块、风冷装置、中间换热器和自然散热装置，所述中间换热器一侧为吸热侧，另一侧为制冷侧，其中吸热侧的进口连通液冷模块的出口，吸热侧的出口连通风冷装置的进口，制冷侧与自然散热装置连通形成循环回路；

还包括三通阀，所述三通阀包括第一接口、第二接口和第三接口；所述中间换热器制冷侧的出口通过第一接口和第二接口连通自然散热装置的进口，制冷侧的进口连通自然散热装置的出口，形成循环回路，第三接口连通自然散热装置的出口；

还包括第一二通阀，所述第一二通阀的两个接口分别连通风冷装置的出口和进口；

所述风冷装置的进口设有第一温度传感器，液冷模块的进口设有第二温度传感器；

当第一温度传感器检测到风冷装置进口的换热介质温度低于设定值时，加大第三接口来减少流经自然散热装置的换热介质，增加换热介质的换热效率，提高制冷量；当第二温度传感器检测到液冷模块进口的换热介质温度高于设定值时，开启第一二通阀增大换热介质流经液冷模块的比例，增加换热介质的换热效率，提高制冷量；当第二温度传感器检测到液冷模块进口的换热介质温度低于设定值时，加大第三接口来减少流经自然散热装置的换热介质，缩减第一二通阀的开度减小换热介质流经液冷模块的比例。

2.根据权利要求1所述的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述中间换热器吸热侧的进口或出口上设有第一循环泵，第一循环泵上设有第一变频器。

3.根据权利要求1所述的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，还包括设在自然散热装置出口或进口的第二循环泵，第二循环泵上设有第二变频器。

4.根据权利要求1所述的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于,所述自然散热装置上设有第三变频器。

5.根据权利要求1所述的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，还包括并联自然散热装置进口和出口，或并联中间换热器吸热侧进口和出口的制冷补偿装置。

6.根据权利要求5所述的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述制冷补偿装置的所在支路上串联有第二二通阀。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述风冷装置的进口设有第一温度传感器，液冷模块的进口设有第二温度传感器。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于,所述风冷装置的出口设有第三温度传感器,液冷模块的出口设有第四温度传感器。