本專利涉及數(shù)據(jù)中心自然冷卻領域，具體涉及一種內循環(huán)并聯(lián)式雙級液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)。

背景技術：

常用的數(shù)據(jù)中心服務器散熱系統(tǒng)中，服務器CPU等高密度熱源采用液冷通道散熱，即液態(tài)流體通過與服務器主要發(fā)熱芯片隔離接觸吸熱，帶走了服務器總發(fā)熱量70%～80%，而剩下的20%～30%的服務器熱量則通過風冷通道帶走。由于液冷通道散熱效率高，因此采用自然冷卻即可滿足散熱需求，無需壓縮機參與制備冷源，整體能耗低，而風冷通道還是有壓縮機參與制冷，所以風冷通道的壓縮機能耗成為最新散熱系統(tǒng)主要能耗設備。

傳統(tǒng)的機房冷凍水空調系統(tǒng)末端送風溫度約為15℃~16℃，在新版GB 50174《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》中，服務器允許進風溫度提高到32℃，即表明提高后的服務器允許進風溫度也可滿足服務器散熱要求，同時服務器主要發(fā)熱量已經(jīng)通過高效的液冷通道散發(fā)出去，只剩下小部分分散式發(fā)熱量，這使得風冷通道去除壓縮機，利用自然冷源進行散熱成為可能。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，本專利提供一種內循環(huán)并聯(lián)式雙級液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)，能夠充分利用自然冷源實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心自然冷卻，節(jié)約能源。

針對本專利來說，上述技術問題是這樣加以解決的：一種內循環(huán)并聯(lián)式雙級液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)，包括液冷模塊、風冷裝置、中間換熱器和自然散熱裝置，所述中間換熱器一側為吸熱側，另一側為制冷側，其中吸熱側的進口分別連通液冷模塊和風冷裝置的出口，吸熱側的出口分別連通風冷裝置和液冷模塊的進口，制冷側與自然散熱裝置連通形成循環(huán)回路。

所述液冷模塊用于吸收服務器中主要發(fā)熱元件的集中式熱量，風冷裝置用于吸收服務器中其他元件的分散式熱量。液冷模塊利用液體換熱介質比熱容大、對流換熱快、蒸發(fā)潛熱大等特點，所以才能夠通過中間換熱器結合自然散熱裝置對服務器主要發(fā)熱元件進行自然冷卻，滿足散熱需求，其次因為服務器中70%~80%的熱量已被液冷模塊帶走，服務器中其余的分布式熱量允許進一步提高送風溫度到32℃，這使得風冷裝置能夠結合自然散熱裝置對服務器中的其他發(fā)熱元件進行自然冷卻，再者中間換熱器的設置將液冷模塊、風冷裝置與自然散熱裝置之間的換熱回路分成了兩級，間接縮短了自然散熱裝置所在的換熱回路，降低換熱介質在換熱回路中的壓降，從而加快了換熱介質的流速，提高換熱效率。綜上，本專利充分利用自然冷源進行散熱，減少了機械制冷中壓縮機等部件的運行和維護成本，極大地降低了能耗，節(jié)省了能源。

進一步地，還包括第一三通閥，所述第一三通閥包括第一接口、第二接口和第三接口；所述中間換熱器制冷側的出口通過第一接口和第二接口連通自然散熱裝置的進口，制冷側的進口連通自然散熱裝置的出口，形成循環(huán)回路，第三接口連通自然散熱裝置的出口。

所述第三接口連通自然散熱裝置的出口，意味著從中間換熱器制冷側出口輸出的高溫換熱介質可以不經(jīng)自然散熱裝置進行換熱，并重新回到中間換熱器中進行換熱，所以當制冷量過剩時可以適當打開第三接口，減少制冷量，節(jié)省自然散熱裝置的能耗，還能夠在一定程度上保護液冷模塊和風冷裝置不會溫度過低，可靠性高，因為當服務器溫度過低時元件、電路板和線路等受冷收縮，有可能導致三者間接觸不良等現(xiàn)象發(fā)生，同時也有可能因過冷而產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，避免凝露導致的電路短路、霉菌滋生和材料腐蝕等安全隱患，進一步保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

進一步地，還包括第二三通閥，所述第二三通閥包括第四接口、第五接口和第六接口，中間換熱器吸熱側的出口連通第四接口，并通過第五接口連通風冷裝置的進口，通過第六接口連通液冷模塊的進口。

當風冷裝置的制冷量過?；蛞豪淠K的制冷量過少時，可適當調整第五接口和第六接口之間的開度比例，增加流到液冷模塊中的換熱介質；當風冷裝置的制冷量過少或液冷模塊的制冷量過剩時，可適當調整第五接口和第六接口之間的開度比例，增加流到風鈴裝置中的換熱介質，因此，該第二三通閥便于根據(jù)實際情況進行調整，靈活性好，提高了系統(tǒng)適應性。

進一步地，所述中間換熱器吸熱側的進口或出口上設有第一循環(huán)泵，第一循環(huán)泵上設有第一變頻器。

當制冷量不能滿足風冷裝置或液冷模塊的需求時，可適當升高第一變頻器的工作頻率，使第一循環(huán)泵加快運轉，提高回路中換熱介質的換熱效率，提高制冷量，在一定程度上提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

進一步地，還包括設在自然散熱裝置出口或進口的第二循環(huán)泵，第二循環(huán)泵上設有第二變頻器。

當制冷量不能滿足風冷裝置或液冷模塊的需求時，可適當升高第二變頻器的工作頻率，使第二循環(huán)泵加快運轉，提高回路中換熱介質的換熱效率，提高制冷量，穩(wěn)定性好；當制冷量有盈余時，可適當降低第二變頻器的工作頻率，使第二循環(huán)泵減慢運轉速度，降低回路中換熱介質的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

進一步地，所述自然散熱裝置上設有第三變頻器。

當制冷量不能滿足風冷裝置或液冷模塊的需求時，可適當升高第三變頻器的工作頻率，使自然散熱裝置加快運轉，提高換熱介質與自然環(huán)境的換熱效率，進而加大制冷量，保證系統(tǒng)正常運行；當制冷量有盈余時，可適當降低第三變頻器的工作頻率，降低換熱介質與自然環(huán)境的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

進一步地，還包括并聯(lián)自然散熱裝置進口和出口，或并聯(lián)中間換熱器吸熱側進口和出口的制冷補償裝置。

當自然散熱裝置不能提供足夠的制冷量供冷或出現(xiàn)故障停止運行時，制冷補償裝置就可以對自然散熱裝置進行制冷補償，保障系統(tǒng)正常散熱。

進一步地，所述制冷補償裝置的所在支路上串聯(lián)有二通閥。

當制冷補償裝置停止運行時，為避免一部分換熱介質經(jīng)過制冷補償裝置的所在支路，降低換熱效率，可關閉二通閥保證換熱介質在正確的回路中循環(huán)，保證系統(tǒng)正常運行，可靠性好。

進一步地，所述風冷裝置的進口設有第一溫度傳感器，液冷模塊的進口設有第二溫度傳感器。

當?shù)谝粶囟葌鞲衅骰虻诙囟葌鞲衅鳈z測到溫度低于設定值時，可適當降低第二變頻器或第三變頻器的頻率，或加大第三接口來減少流經(jīng)自然散熱裝置的換熱介質，增加換熱介質的換熱效率，提高制冷量，提高風冷裝置進口的換熱介質溫度至預定值以上，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

進一步地，所述風冷裝置的出口設有第三溫度傳感器，液冷模塊的出口設有第四溫度傳感器。

當所述第三溫度傳感器檢測到風冷裝置出口的換熱介質溫度高于設定值時，可適當提高第五接口與第六接口的開度比例，增加風冷裝置的換熱介質流量；當所述第四溫度傳感器檢測到液冷模塊出口的換熱介質溫度高于設定值時，可適當降低第五接口與第六接口的開度比例，增加液冷模塊的換熱介質流量；當所述第三溫度傳感器和所述第四溫度傳感器同時檢測到溫度高于設定值時，可適當升高第一變頻器、第二變頻器或第三變頻器的頻率，或者關小第三接口增大流經(jīng)自然散熱裝置的換熱介質。綜上，本專利可通過上述檢測控制手段提高換熱介質的換熱效率，提高制冷量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定散熱。

相比于現(xiàn)有技術，本專利的有益效果為：

1、所述液冷模塊和風冷裝置通過自然散熱裝置進行自然冷卻，極大地降低了能耗。

2、通過檢測機構：第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器和第四溫度傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測，以及調節(jié)機構：第一變頻器、第二變頻器、第三變頻器、第一三通閥、第二三通閥、制冷補償裝置和二通閥對系統(tǒng)工作的調控，保證系統(tǒng)在滿足散熱需求的同時避免過冷而導致服務器中部件收縮和產(chǎn)生凝露，使服務器在安全溫度范圍內穩(wěn)定運行。

附圖說明

圖1是本專利的系統(tǒng)結構圖。

具體實施方式

如圖1所示的一種內循環(huán)并聯(lián)式雙級液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)，包括液冷模塊10、風冷裝置7、中間換熱器4和自然散熱裝置1，所述中間換熱器4一側為吸熱側，另一側為制冷側，其中吸熱側的進口分別連通液冷模塊10和風冷裝置7的出口，吸熱側的出口分別連通液冷模塊10和風冷裝置7的進口，制冷側與自然散熱裝置1連通形成循環(huán)回路。

具體實施過程中，所述風冷裝置7為風機墻空調末端，包括冷水盤管8和多個風機并聯(lián)組成的風機墻9，風機墻9通過向冷水盤管8吹送空氣來使冷水盤管8中的換熱介質和數(shù)據(jù)中心的空氣進行換熱。

所述液冷模塊10用于吸收服務器中主要發(fā)熱元件的集中式熱量，風冷裝置7用于吸收服務器中其他元件的分散式熱量。液冷模塊10利用液體換熱介質比熱容大、對流換熱快、蒸發(fā)潛熱大等特點，所以才能夠通過中間換熱器4結合自然散熱裝置1對服務器主要發(fā)熱元件進行自然冷卻，滿足散熱需求，其次因為服務器中70%~80%的熱量已被液冷模塊帶走，服務器中其余的分布式熱量允許進一步提高送風溫度到32℃，這使得風冷裝置7能夠結合自然散熱裝置1對服務器中的其他發(fā)熱元件進行自然冷卻，再者中間換熱器4的設置將液冷模塊10、風冷裝置7與自然散熱裝置1之間的換熱回路分成了兩級，間接縮短了自然散熱裝置1所在的換熱回路，降低換熱介質在換熱回路中的壓降，從而加快了換熱介質的流速，提高換熱效率。綜上，本專利充分利用自然冷源進行散熱，減少了機械制冷中壓縮機等部件的運行和維護成本，極大地降低了能耗，節(jié)省了能源。

本專利還包括第一三通閥2，所述第一三通閥2包括第一接口a、第二接口b和第三接口c；所述中間換熱器4制冷側的出口通過第一接口a和第二接口b連通自然散熱裝置1的進口，制冷側的進口連通自然散熱裝置1的出口，形成循環(huán)回路，第三接口c連通自然散熱裝置1的出口。

所述第三接口c連通自然散熱裝置1的出口，意味著從中間換熱器4一側出口輸出的高溫換熱介質可以不經(jīng)自然散熱裝置1進行換熱，并重新回到中間換熱器4中進行換熱，所以當制冷量過剩時可以適當打開第三接口c，減少制冷量，節(jié)省自然散熱裝置1的能耗，還能夠在一定程度上保護液冷模塊10和冷水盤管8不會溫度過低，可靠性高，因為當服務器溫度過低時元件、電路板和線路等受冷收縮，有可能導致三者間接觸不良等現(xiàn)象發(fā)生，同時也有可能因過冷而產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，避免凝露導致的電路短路、霉菌滋生和材料腐蝕等安全隱患，進一步保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

本專利還包括第二三通閥6，所述第二三通閥6包括第四接口d、第五接口e和第六接口f，中間換熱器4吸熱側的出口連通第四接口d，并通過第五接口e連通冷水盤管8的進口，通過第六接口f連通液冷模塊10的進口。

當冷水盤管8的制冷量過?；蛞豪淠K10的制冷量過少時，可適當降低第五接口e和第六接口f之間的開度比例，使中間換熱器4吸熱側出口的大部分低溫換熱介質流到液冷模塊10中；當冷水盤管8的制冷量過少或液冷模塊10的制冷量過剩時，可適當增加第五接口e和第六接口f之間的開度比例，使中間換熱器4吸熱側出口的大部分低溫換熱介質流到冷水盤管8中，因此，該第二三通閥6的開度便于根據(jù)實際情況進行調整，靈活性好，提高了系統(tǒng)適應性。

所述中間換熱器4吸熱側的出口上設有第一循環(huán)泵5，第一循環(huán)泵5上設有第一變頻器20。

當制冷量不能滿足冷水盤管8或液冷模塊10的需求時，可適當升高第一變頻器20的工作頻率，使第一循環(huán)泵5加快運轉，提高回路中換熱介質的換熱效率，提高制冷量，在一定程度上提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本專利還包括設在自然散熱裝置出口的第二循環(huán)泵3，第二循環(huán)泵3上設有第二變頻器24。

當制冷量不能滿足冷水盤管8或液冷模塊10的需求時，可適當升高第二變頻器24的工作頻率，使第二循環(huán)泵3加快運轉，提高回路中換熱介質的換熱效率，提高制冷量，穩(wěn)定性好；當制冷量有盈余時，可適當降低第二變頻器24的工作頻率，使第二循環(huán)泵3減慢運轉速度，降低回路中換熱介質的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

所述自然散熱裝置1為配置有風機的冷卻塔或干冷器，且風機上設有第三變頻器23。

當制冷量不能滿足冷水盤管8或液冷模塊10的需求時，可適當升高第三變頻器23的工作頻率，使自然散熱裝置1加快運轉，提高換熱介質與自然環(huán)境的換熱效率，進而加大制冷量，保證系統(tǒng)正常運行；當制冷量有盈余時，可適當降低第三變頻器23的工作頻率，降低換熱介質與自然環(huán)境的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

還包括并聯(lián)自然散熱裝置1進口和出口，或并聯(lián)中間換熱器4吸熱側進口和出口的制冷補償裝置26。

當自然散熱裝置1不能提供足夠的制冷量供冷或出現(xiàn)故障停止運行時，制冷補償裝置26就可以對自然散熱裝置1進行制冷補償，保障系統(tǒng)正常散熱。

所述制冷補償裝置26的所在支路上串聯(lián)有二通閥25。

當制冷補償裝置26停止運行時，為避免一部分換熱介質經(jīng)過制冷補償裝置26的所在支路，降低換熱效率，可關閉二通閥25保證換熱介質在正確的回路中循環(huán)，保證系統(tǒng)正常運行，可靠性好。

所述冷水盤管8的進口設有第一溫度傳感器11，液冷模塊10的進口設有第二溫度傳感器13。

所述冷水盤管8的出口設有第三溫度傳感器12，液冷模塊的出口10設有第四溫度傳感器14。

本專利一種內循環(huán)并聯(lián)式雙級液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)的工作原理如下：

本系統(tǒng)在默認啟動狀態(tài)下關閉第三接口c。

1、當所述第三溫度傳感器12檢測到溫度高于設定值時，可適當提高第五接口e與第六接口f的開度比例，增加冷水盤管8中換熱介質流量；當所述第四溫度傳感器14檢測到溫度過高時，先降低第五接口與第六接口的開度比例，增加液冷模塊的換熱介質流量；當所述第三溫度傳感器12和所述第四溫度傳感器14同時檢測到溫度過高時，優(yōu)先升高第一變頻器20的頻率使溫度降低，接著關小第三接口c增大流經(jīng)自然散熱裝置1的換熱介質，再提高第三變頻器23的頻率，若還不能有效降低溫度，則提升第二變頻器24的頻率，通過上述調整次序提高換熱介質的換熱效率，提高制冷量，直至將第二溫度傳感器12、第三溫度傳感器13和第四溫度傳感器14的溫度降低到設定值合理范圍內，保證系統(tǒng)穩(wěn)定散熱。

2、當所述第一溫度傳感器11或第二溫度傳感器13檢測到溫度低于設定值時，先降低第二變頻器24的頻率，再降低第三變頻器23的頻率，若還不能有效提高溫度，則擴大第三接口c的開度，直至將第一溫度傳感器11和第二溫度傳感器13的溫度升高到設定值合理范圍內，節(jié)約能源，防止服務器過冷，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3、當所述第三溫度傳感器12和第四溫度傳感器14均檢測到溫度過高且第一變頻器20已升至最高頻率，同時第一溫度傳感器11或第二溫度傳感器13檢測到溫度過低時，優(yōu)先執(zhí)行工作原理1中的調節(jié)動作，提高自然散熱裝置1的供冷能力，確保系統(tǒng)正常散熱。

4、在環(huán)境溫度過高或自然散熱裝置1故障導致制冷量不足（即使采用工作原理1的調節(jié)動作也無法提供足夠制冷量）時，啟動制冷補償裝置26，并開啟二通閥25，保障系統(tǒng)正常運行，向服務器提供足夠的冷源，當自然散熱裝置1供冷能力充足或者故障修復完成后，停止制冷補償裝置26并關閉二通閥25。