液冷裝置和輔助散熱裝置結(jié)合的服務(wù)器散熱系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及服務(wù)器機(jī)柜散熱系統(tǒng)，尤其涉及一種液冷裝置和輔助散熱裝置結(jié)合的服務(wù)器散熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著IDC互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房高密度機(jī)柜的不斷增加，設(shè)備的集成度越來越高，處理能力也逐漸增高，但設(shè)備的功率消耗也隨之增大，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱量越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)大型IDC機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜服務(wù)器發(fā)熱量大，且基本為全年8760h運(yùn)行，對(duì)于不采用新風(fēng)的機(jī)房而言，全年均需供冷，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗巨大，其空調(diào)能耗約占數(shù)據(jù)機(jī)房整體能耗的 40%~50%。
[0003]傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)房送風(fēng)方式有底板風(fēng)道送風(fēng)、冷熱通道隔離送風(fēng)和全房間制冷送風(fēng)等方式，該模式已不滿足現(xiàn)代化機(jī)房高密度機(jī)柜的制冷需求，出現(xiàn)了局部過熱、耗電量大、機(jī)房空調(diào)能耗過高、噪音大等問題。同時(shí)機(jī)房精密空調(diào)需反復(fù)加濕、除濕運(yùn)轉(zhuǎn)或配套專用除濕機(jī)進(jìn)行機(jī)房空氣濕度、露點(diǎn)控制，以確保設(shè)備內(nèi)部不發(fā)生凝露，導(dǎo)致機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)制冷效率降低、能耗增大。如果機(jī)房的散熱問題解決不好，就會(huì)嚴(yán)重威脅機(jī)房設(shè)備的安全運(yùn)行。因此如何在滿足設(shè)備使用要求的情況下，有效降低機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)系統(tǒng)的能耗是空調(diào)行業(yè)和數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)營行業(yè)面臨的一個(gè)重要問題。
[0004]從節(jié)能角度考慮，目前有直接采用將室外空氣引入室內(nèi)為機(jī)房降溫的方案，其優(yōu)點(diǎn)是制冷效率高、初投資低、能耗低，但缺點(diǎn)是引入室外冷空氣后，使得室內(nèi)空氣潔凈度、濕度難以保證，帶來了安全隱患，后期運(yùn)行維護(hù)量較大。另外也有采用氣氣蜂窩式換熱器，將熱管熱空氣與室外冷空氣間接換熱，從而降低機(jī)房?jī)?nèi)溫度；其優(yōu)點(diǎn)是在利用室外冷源時(shí)不引入室外的空氣，不影響機(jī)房?jī)?nèi)的空氣的潔凈度和濕度，缺點(diǎn)是初投資相對(duì)較高，換熱器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，容易堵塞，需要定期清洗，維護(hù)工作量大。
[0005]而且隨著服務(wù)器技術(shù)的發(fā)展，大功率、高發(fā)熱密度的服務(wù)器應(yīng)用越來越多，而且是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，目前部分行業(yè)用戶的單個(gè)機(jī)柜的最大運(yùn)行功率已經(jīng)達(dá)到10~15kW左右，但由于空氣冷卻方式散熱效率的局限，使得大功率服務(wù)器的應(yīng)用也難以突破15kW/機(jī)柜以上。
[0006]液冷散熱是近年發(fā)展起來的最高效、最先進(jìn)的散熱方案，其原理是將液態(tài)換熱介質(zhì)直接通入具有液冷功能的服務(wù)器內(nèi)部，把主要發(fā)熱元件--芯片（CPU)產(chǎn)生的熱量帶走(占整個(gè)服務(wù)器發(fā)熱量的70~80%)，采用液冷散熱方案，理論上甚至可以使得單位機(jī)柜功率突破50kW/以上。但目前這種散熱方案僅存在于高校實(shí)驗(yàn)室和極少數(shù)企業(yè)內(nèi)部小范圍研宄，而未能形成實(shí)用化推廣應(yīng)用，很重要的原因之一，是因?yàn)檫@種采用液冷散熱的服務(wù)器，其機(jī)柜需要內(nèi)置液冷水分配系統(tǒng)，這就需要對(duì)液冷服務(wù)器機(jī)柜進(jìn)行專門的定制設(shè)計(jì)，而機(jī)柜生產(chǎn)廠家一般是標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，現(xiàn)階段也沒有掌握液冷水分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，無法為液冷服務(wù)器用戶配套提供內(nèi)置液冷水分配系統(tǒng)的機(jī)柜產(chǎn)品，特別是舊機(jī)房的升級(jí)改造，如果想改為液冷散熱方案，要對(duì)全部服務(wù)器機(jī)柜都進(jìn)行替換為內(nèi)置液冷水分配系統(tǒng)的機(jī)柜，無論是改造工程量和成本都非常高昂，極大地局限了液冷散熱技術(shù)的發(fā)展普及。另外，液冷散熱系統(tǒng)只能帶走70~80%的服務(wù)器發(fā)熱量，但仍然有20~30%的熱量需要輔助制冷裝置承擔(dān)，對(duì)于液冷服務(wù)器這種單機(jī)柜功率高達(dá)50kW以上的高密度應(yīng)用，每個(gè)機(jī)柜需要輔助制冷裝置處理10~15kW以上的熱量(總功率的20~30%)，如果輔助制冷裝置仍然采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式，極易出現(xiàn)機(jī)柜的局部熱點(diǎn)問題，影響服務(wù)器的元件壽命，這也是高密度液冷服務(wù)器推廣應(yīng)用所不能忽視的問題。
[0007]申請(qǐng)?zhí)枮?01010261284.1專利名稱為《服務(wù)器機(jī)柜及其液冷散熱系統(tǒng)》的中國專利公開了一種服務(wù)器機(jī)柜，包括外殼、設(shè)于所述外殼內(nèi)的服務(wù)器及液冷散熱系統(tǒng)，所述外殼內(nèi)設(shè)有靠近所述服務(wù)器的導(dǎo)熱板，所述液冷散熱系統(tǒng)包括設(shè)于所述外殼外的致冷器及將所述導(dǎo)熱板與致冷器熱連接的管路，所述服務(wù)器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量于所述外殼內(nèi)形成熱流，所述熱流在導(dǎo)熱板處冷卻，所述管路延伸出所述外殼外，并分別與所述致冷器的相對(duì)兩端相連通，以將所述導(dǎo)熱板從服務(wù)器吸收的熱量傳遞至致冷器處進(jìn)行熱交換。該專利雖然也是采用液冷散熱，但服務(wù)器的熱量并不能完全被液冷散熱系統(tǒng)帶走，故會(huì)有局部熱點(diǎn)、壽命短等問題。
[0008]申請(qǐng)?zhí)枮?01210545675.5專利名稱為《一種服務(wù)器機(jī)柜冷卻系統(tǒng)》的中國專利公開了一種服務(wù)器機(jī)柜冷卻系統(tǒng)，包括置于服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)部的液冷箱、服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)水冷散熱器、柜內(nèi)空氣散熱器、第一儲(chǔ)液箱以及室外外冷系統(tǒng)，液冷箱包括集成在一個(gè)箱內(nèi)的翅片式換熱器、板式換熱器及第一水泵，板式換熱器熱水側(cè)、第一水泵、第一儲(chǔ)液箱及服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)水冷散熱器通過管道連接成第一循環(huán)回路，外冷系統(tǒng)、柜內(nèi)空氣散熱器、翅片式換熱器及板式換熱器冷水側(cè)通過管道連接成第二循環(huán)回路。該專利采用第二循環(huán)回路帶走第一循環(huán)回路的熱量，但第一循環(huán)回路的散熱器是對(duì)整個(gè)服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)部空氣進(jìn)行導(dǎo)熱，并無直接針對(duì)服務(wù)器發(fā)熱體芯片進(jìn)行導(dǎo)熱，這導(dǎo)致該專利散熱效率低、效果差，另外，第一循環(huán)回路設(shè)有第一水泵，第一水泵運(yùn)行時(shí)發(fā)熱較多，需要專門設(shè)置換熱器來傳遞第一水泵運(yùn)行積聚的熱量，這無疑給系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)，從而進(jìn)一步地降低系統(tǒng)的散熱效率。
[0009]申請(qǐng)?zhí)枮?01410511550.X的中國專利《一種熱管二次冷媒環(huán)路服務(wù)器機(jī)柜散熱系統(tǒng)的控制方法》公開了一種熱管二次冷媒環(huán)路服務(wù)器機(jī)柜散熱系統(tǒng)的控制方法，系統(tǒng)包括機(jī)房單元、冷媒供回水單元和控制系統(tǒng)，所述冷媒供回水單元包括冷卻單元和循環(huán)動(dòng)力單元，所述循環(huán)動(dòng)力單元通過機(jī)房供水干管/機(jī)房回水干管與機(jī)房單元連接，循環(huán)動(dòng)力單元通過室外出氣連接管/室外回液連接管與冷卻單元連接；所述冷卻單元和循環(huán)動(dòng)力單元都與控制系統(tǒng)連接。所述機(jī)房單元包括機(jī)柜、一個(gè)以上的散熱風(fēng)扇、多個(gè)服務(wù)器、多個(gè)熱管散熱器和多個(gè)熱管散熱器換熱裝置，所述散熱風(fēng)扇、服務(wù)器、熱管散熱器和熱管散熱器換熱裝置都設(shè)置在機(jī)柜內(nèi)，熱管散熱器緊密的貼合在服務(wù)器上，熱管散熱器換熱裝置與熱管散熱器連接，所述熱管散熱器換熱裝置通過供水支管與機(jī)房供水干管連接，熱管散熱器換熱裝置通過回水支管與機(jī)房回水干管連接。該專利的熱管散熱器僅僅只是貼合在服務(wù)器上，并未對(duì)其最主要的發(fā)熱器件進(jìn)行最直接的散熱，此外，該系統(tǒng)是通過中間換熱器進(jìn)行兩個(gè)環(huán)路的熱交換，這也勢(shì)必導(dǎo)致傳熱效率相對(duì)直接換熱要低。此外，該專利只考慮了服務(wù)器主要發(fā)熱元件(CPU)的散熱方案，但沒有考慮其他發(fā)熱元件的散熱(內(nèi)存硬盤等)，所以該專利所提的散熱方案其實(shí)并不夠完善的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有制冷效率高效果好，不會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)問題且無需對(duì)機(jī)柜進(jìn)行改造的液冷裝置和輔助散熱裝置結(jié)合的服務(wù)器散熱系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
一種液冷裝置和輔助散熱裝置結(jié)合的服務(wù)器散熱系統(tǒng)，包括液冷服務(wù)器機(jī)柜，所述液冷服務(wù)器機(jī)柜包括機(jī)柜柜體和設(shè)置機(jī)于柜柜體內(nèi)的多個(gè)液冷服務(wù)器，設(shè)有液冷裝置對(duì)液冷服務(wù)器進(jìn)行直接的液冷散熱，還設(shè)有輔助散熱裝置對(duì)液冷服務(wù)器進(jìn)行輔助散熱。本發(fā)明通過采用液冷散熱技術(shù)進(jìn)行主制冷，主輔配合制冷，一方面制冷效率高效果好，不會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)問題，另一方面，本發(fā)明提供的方案無需對(duì)機(jī)柜進(jìn)行改造，這給液冷散熱提供了普及使用的可能性。
[0012]一種方案，所述液冷裝置包括液冷散熱器、分配器、集流器和一次換熱介質(zhì)，所述液冷散熱器用于對(duì)服務(wù)器芯片進(jìn)行散熱，所述分配器通過多根進(jìn)液連接支管與液冷散熱器連接，液冷散熱器再通過多根出液連接支管與所述集流器連接，所述一次換熱介質(zhì)通過分配器和進(jìn)液連接支管進(jìn)入液冷散熱器，再通過出液連接支管流出液冷散熱器并由集流器匯集。一次換熱介質(zhì)由分配器通過進(jìn)液連接支管進(jìn)入液冷散熱器，再通過出液連接支管進(jìn)入集流器形成循環(huán)將液冷服務(wù)器的熱量帶走。
[0013]進(jìn)一步地，所述的液冷裝置外置安裝在機(jī)柜柜體上。采用固定式或活動(dòng)式安裝，優(yōu)選固定式安裝。
[0014]所述一次換熱介質(zhì)為自來水、純凈水、有機(jī)溶液、無機(jī)溶液或氟利昂。優(yōu)選采用純凈水。所述進(jìn)液連接支管和出液連接支管為硬態(tài)管或軟態(tài)管。優(yōu)選軟態(tài)管。
[0015]所述液冷散熱器設(shè)于服務(wù)器芯片附近，或直接與服務(wù)器芯片接觸。
[0016]所述輔助散熱裝置為門式冷水換熱裝置，所述門式冷水換熱裝置包括冷水換熱器、連接管路以及二次換熱介質(zhì)，所述冷水換熱器設(shè)置在液冷服務(wù)器機(jī)柜或液冷裝置上，并通過連接管路裝載二次換熱介質(zhì)。具體地，所述冷水換熱器安裝在機(jī)柜柜體的前門側(cè)或背門側(cè)，優(yōu)選安裝在背門側(cè)；可以采用全鋁微通道換熱器或銅管套鋁翅片換熱器，優(yōu)選銅管套鋁翅片換熱器。此外，所述冷水換熱器可以軸轉(zhuǎn)打開，冷水換熱器的進(jìn)水連接管和出水連接管均采用軟態(tài)管。
[0017]進(jìn)一步地，所述門式冷水換熱裝置還包括風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)安裝在冷水換熱器的出風(fēng)側(cè)。所述風(fēng)機(jī)可以采用離心式、軸流式、混流式，優(yōu)選軸流式風(fēng)機(jī)。
[0018]更進(jìn)一步地，所述門式冷水換熱裝置還包括冷水機(jī)和水泵，所述冷水機(jī)和水泵設(shè)于機(jī)房外，并通過連接管路與冷水換熱器連接。
[0019]所述冷水機(jī)通過水泵將二次換熱介質(zhì)送至冷水換熱器，再由冷水換熱器流回冷水機(jī)形成循環(huán)帶走部分熱量。所述二次換熱介質(zhì)為水或防凍溶液。
[0020]本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，液冷服務(wù)器中的液冷服務(wù)器芯片的發(fā)熱量占據(jù)總發(fā)熱量約80%，這部分熱量由液冷散熱器吸收，并通過流經(jīng)液冷散熱器的、溫度約35~45°C的一次換熱介質(zhì)帶走，使得液冷服務(wù)器芯片的內(nèi)部溫度保持在60~70°C的正常運(yùn)行狀態(tài)。每個(gè)液冷服務(wù)器內(nèi)部的液冷散熱器的一次換熱介質(zhì)的流量分配和匯集，均由液冷裝置完成:溫度約35~45°C的一次換熱介質(zhì)從供液總管道流入分配器后，通過進(jìn)液連接支管進(jìn)入液冷散熱器，吸收液冷服務(wù)器芯片的熱量后，變成40~50°C溫度狀態(tài)、通過出液連接支管進(jìn)入集流器、流回集液總管道。
[0021]液冷服務(wù)器中的其他元件的發(fā)熱量占據(jù)總發(fā)熱量約20%，這部分熱量通過服務(wù)器本身風(fēng)機(jī)或門式冷水換熱裝置的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的空氣流帶走，流經(jīng)門式冷水換熱裝置的冷水換熱器后，空氣流的熱量被15~20°C的二次換熱介質(zhì)吸收，使得空氣流溫度重新冷卻到20~25°C左右，重新流入服務(wù)器帶走服務(wù)器內(nèi)部元件熱量，如此循環(huán)。冷水換熱器內(nèi)部的12~15°C的二次換熱介質(zhì)吸收熱量后溫度升高至17~20°C，在水泵循環(huán)動(dòng)力作用下流入冷水機(jī)重新冷卻為12~15°C的低溫工質(zhì)后，流回冷水換熱器，如此循環(huán)。
[0022]一種方案，所述液冷裝置包括液冷散熱器、分配器、集流器和一次換熱介質(zhì)，所述液冷散熱器用于對(duì)服務(wù)器芯片進(jìn)行散熱，所述分配器通過多根進(jìn)液連接支管與液冷散熱器連接，液冷散熱器再通過多根出液連接支管與所述集流器連接，所述一次換熱介質(zhì)通過分配器和進(jìn)液連接支管進(jìn)入液冷散熱器，再通過出液連接支管流出液冷散熱器并由集流器匯集。一次換熱介質(zhì)由分配器通過進(jìn)液連接支管進(jìn)入液冷散熱器，再通過出液連接支管進(jìn)入集流器形成循環(huán)將液冷服務(wù)器的主要熱量帶走。
[0023]進(jìn)一步地，所述的液冷裝置外置安裝在機(jī)柜柜體上，可以采用固定式或活動(dòng)式安裝，優(yōu)選固定式安裝。
[0024]所述一次換熱介質(zhì)為自來水、純凈水、有機(jī)溶液、無機(jī)溶液或氟利昂，優(yōu)選采用純凈水。
[0025]所述液冷散熱器設(shè)于服務(wù)器芯片附近，或直接與服務(wù)器芯片接觸。
[0026]所述輔助散熱裝置為自然冷卻冷水裝置，所述自然冷卻冷水裝置包括設(shè)在液冷裝置上的冷水換熱器、水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥、水環(huán)自然冷卻換熱裝置、冷水機(jī)、連接管路及二次換熱介質(zhì)，所述冷水機(jī)與冷水換熱器通過連接管路連接形成環(huán)路，并通過連接管路裝載二次換熱介質(zhì)。二次換熱介質(zhì)由冷水機(jī)通過進(jìn)水連接管進(jìn)入門式冷水換熱器，吸收熱量后在水泵的循環(huán)動(dòng)力作用下流入水環(huán)自然冷卻冷水裝置和冷水機(jī)形成循環(huán)。所述二次換熱介質(zhì)為水或防凍溶液。
[0027]進(jìn)一步地，所述的水環(huán)自然冷卻換熱裝置包括軸流風(fēng)機(jī)和自然冷卻換熱盤管，所述自然冷卻換熱盤管串聯(lián)或并聯(lián)在連接管路上。
[0028]具體地，一種情況，連接管路包括進(jìn)水連接管和出水連接管，所述水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥、水環(huán)自然冷卻換熱裝置依次串聯(lián)設(shè)于出水連接管上，所述的水環(huán)自然冷卻換熱裝置包括軸流風(fēng)機(jī)和自然冷卻換熱盤管，所述自然冷卻換熱盤管串聯(lián)在出水連接管上。另一種情況，所述的水環(huán)自然冷卻換熱裝置包括軸流風(fēng)機(jī)和自然冷卻換熱盤管，所述自然冷卻換熱盤管一端與電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥相連另一端與出水連接管連接并聯(lián)在冷水機(jī)兩端。所述電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥設(shè)在所述水環(huán)自然冷卻換熱裝置的出水口處。兩個(gè)方案相比之下，優(yōu)選采用串聯(lián)連接，可以獲得更長的自然冷卻運(yùn)行時(shí)間和更顯著的節(jié)能效果。
[0029]更進(jìn)一步地，所述門式冷水換熱裝置還包括風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)安裝在冷水換熱器的出風(fēng)側(cè)。
[0030]所述的自然冷卻冷水裝置的門式冷水換熱器安裝在機(jī)柜柜體的前門側(cè)或背門側(cè)，優(yōu)選安裝在背門側(cè)；所述的自然冷卻冷水裝置的門式冷水換熱器可以軸轉(zhuǎn)打開，門式冷水換熱器的進(jìn)水連接管和出水連接管均采用軟態(tài)管。
[0031]所述的自然冷卻冷水裝置的電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥采用二通閥或者三通閥，優(yōu)選三通閥。
[0032]所述的水環(huán)自然冷卻換熱裝置串聯(lián)在連接管道上時(shí)，所述服務(wù)器散熱系統(tǒng)的運(yùn)行方法如下:
01)當(dāng)環(huán)境溫度為20°C以上時(shí)，冷水機(jī)開啟，水環(huán)自然冷卻換熱裝置停止運(yùn)行，電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的旁通開度為0%、二次換熱介質(zhì)不流經(jīng)水環(huán)自然冷卻換熱裝置，軸流風(fēng)機(jī)也處于停止?fàn)顟B(tài)，二次換熱介質(zhì)的所有冷量均由冷水機(jī)提供；
02)當(dāng)環(huán)境溫度為0~20°C時(shí)，冷水機(jī)和水環(huán)自然冷卻換熱裝置均開啟運(yùn)行，電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的旁通開度為100%、所有的二次換熱介質(zhì)先流經(jīng)水環(huán)自然冷卻換熱裝置，利用軸流風(fēng)機(jī)和和自然冷卻換熱盤管的強(qiáng)制對(duì)流換熱對(duì)二次換熱介質(zhì)進(jìn)行散熱預(yù)冷，二次換熱介質(zhì)再進(jìn)一步流經(jīng)冷水機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償制冷達(dá)到所需的溫度；
03)當(dāng)環(huán)境溫度為0°C以下時(shí)，冷水機(jī)停止運(yùn)行，水環(huán)自然冷卻換熱裝置開啟運(yùn)行，電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的旁通開度先保持為100%、所有的二次換熱介質(zhì)流經(jīng)水環(huán)自然冷卻換熱裝置，并通過調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)自然冷卻產(chǎn)生的冷量；所述軸流風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)如下:當(dāng)二次換熱介質(zhì)出口溫度達(dá)到8°c以下時(shí)，減小軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得二次換熱介質(zhì)出口溫度上升；當(dāng)二次換熱介質(zhì)出口溫度達(dá)到12 °C以上時(shí)，則增大軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得二次換熱介質(zhì)出口溫度下降；當(dāng)二次換熱介質(zhì)出口溫度在8~12°C之間，則軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變；通過軸流風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)二次換熱介質(zhì)出口溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，8~12°C之間為最優(yōu)；
04)當(dāng)環(huán)境溫度極低、軸流風(fēng)機(jī)已處于最低轉(zhuǎn)速下、自然冷卻產(chǎn)生的冷量仍然偏大即二次換