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CN112333989B - 适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统 - Google Patents

适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统 Download PDF

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CN112333989B CN202011256538.0A CN202011256538A CN112333989B CN 112333989 B CN112333989 B CN 112333989B CN 202011256538 A CN202011256538 A CN 202011256538A CN 112333989 B CN112333989 B CN 112333989B
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Abstract

本发明提供了一种适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，包括：微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统、太阳能集热/蓄热器系统和基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统，其中，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统与太阳能集热/蓄热系统通过管道连接；太阳能集热/蓄热系统与基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统通过管道连接；本发明采用微通道液冷耦合风冷的技术对数据中心高热密度和低热密度区域分别冷却，并利用微通道空气与水换热器，将微通道液体冷却系统和空调风冷系统有机结合起来，利用微通道液体冷却系统的余热加热机柜排风，同时机柜排风作为冷源冷却液冷系统工质，实现了数据中心余热的高效利用。

Description

适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统
技术领域
本发明涉及数据中心冷却系统技术领域，具体地，涉及一种适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，尤其涉及一种基于高效余热利用的高热密度数据中心微通道液冷耦合风冷系统，特别是一种耦合太阳能光热及吸附除湿的高效余热利用数据中心冷却系统。
背景技术
随着数据中心服务器功率的持续增长，单机柜发热量逐渐升高，高热密度数据中心的冷却系统面临越来越大的挑战。当数据中心单机柜发热功率达到10～15kW时，采用常规的风冷系统会导致服务器和机柜内局部过热的现象，致使服务器发生宕机的概率大幅增加。为确保服务器在安全温度下工作，现有的方案通常是增大送风流量或是降低送风温度，使得数据中心空调系统的能耗大大增加，占到了数据中心总能耗的40％左右。
造成数据中心空调系统能耗过高的原因有两个方面：首先，现有数据中心服务器的发热功率在空间分布上极度不均，一些高功率元件(芯片等)的发热功率跟低功率原件(存储、南桥等)相差两个数量级以上。但传统的风冷型散热系统对于机柜中不同功率的元件采用统一的冷却方式，为了控制高功率元件的温度低于所设定的安全温度阈值，系统通常采用冗余设计，其结果往往导致低功率元件过度的冷却，造成不必要的能源浪费。其次，数据中心存在大量稳定的排风余热，排风温度一般在40～45℃。由于冗余设计的缘故，进一步降低了排风温度，使得排风余热的利用更加困难，因此大多数据中心直接将排风余热排放到室外环境中，浪费了大量的余热能源。
经过检索，专利文献CN110996618A公开了一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法及装置，包括内部风冷吸热组件、外部水冷散热组件、进液管和排汽管；内部风冷吸热组件通过排汽管和进液管与外部水冷散热组件连接，内部风冷吸热组件的液态工质吸收数据中心、机房内的热气后蒸发为汽态工质，汽态工质通过排汽管进入外部水冷散热组件；进入外部水冷散热组件的汽态工质在外部水冷散热组件内冷凝成液态工质，在重力作用下经进液管进入内部风冷吸热组件内，继续与数据中心、机房内的热气流进行换热。但是该现有技术并没有充分利用数据中心的余热和可再生能源，浪费了大量的余热能源。
因此，为降低高热密度数据中心空调系统的能耗，需要综合考虑服务器设备内部电子元件发热功率分布不均的现状以及如何提高数据中心排风余热温度，实现排风余热的高效回收利用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统。
根据本发明提供的一种适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，包括：微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统、太阳能集热/蓄热器系统和基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统，
其中，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统与太阳能集热/蓄热系统通过管道连接；
太阳能集热/蓄热系统与基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统通过管道连接；
当适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统处于工作状态时，利用微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统对数据中心的余热进行；进一步利用太阳能集热/蓄热系统作为加热数据中心排风的二次热源，对数据中心排风进行提质增热；二次热源对基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统中的吸附材料进行脱附。
优选地，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统包括微通道换热器，微通道换热器放置于服务器的高热流发热功率元件表面；微通道换热器设置有多个，每个微通道换热器同程式连接。
优选地，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统还包括微通道空气与水换热器和循环泵，微通道换热器的一端与循环泵相连，另一端和微通道空气与水换热器相连。
优选地，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统还包括排风风机和送风风机，基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统的一端与排风风机相连，另一端与送风风机相连，送风风机通过管道对服务器进行送风。
优选地，太阳能集热/蓄热系统包括三通阀、太阳能集热/蓄热器和出口温度传感器，三通阀第一端与太阳能集热/蓄热器相连，第二端与微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统的管路相连，第三端与基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统的管路相连。
优选地，太阳能集热/蓄热器包括出风联箱、双通道直流真空管、相变蓄热芯和进风联箱，相变蓄热芯放置在双通道直流真空管内部；双通道直流真空管的一端接入出风联箱，另一端接入进风联箱。
优选地，基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统包括过滤装置、转轮除湿机和露点冷却器，转轮除湿机的一端与过滤装置相连，另一端与露点冷却器相连。
优选地，过滤装置放置于空调系统的最前端，过滤装置的一端与新风入口连接，另一端与转轮除湿机的吸附部分连接；
转轮除湿机的脱附部分与太阳能集热/蓄热系统的出风段连接；
露点冷却器的一端与转轮除湿机连接，另一端直接通过管道送入数据中心机房。
优选地，微通道换热器将高发热功率元件的热量高效取出，对从低发热功率元件流出的机柜排风进一步加热，同时，从低发热功率元件流出的机柜排风作为液冷系统的冷源，对液冷系统的高温工质进行冷却。
优选地，当太阳辐照强度由弱转强时，对数据中心的排风温度T1和太阳能集热/蓄热系统中的太阳能集热/蓄热器出口处空气的温度T2进行监测，若T2大于T1+ΔT，ΔT为温度补偿量，用于补偿切换过程中所产生能量损耗，所述太阳能集热/蓄热系统中的三通阀打开太阳能集热/蓄热系统管路，关闭旁通管路；
当太阳辐照强度由强转弱时，对数据中心的排风温度T1和太阳能集热/蓄热系统中的太阳能集热/蓄热器出口处空气的温度T2进行监测，随着太阳辐照强度的逐步降低，空气主要由蓄热相变材料加热，若T2小于T1+ΔT，所述太阳能集热/蓄热系统中的三通阀关闭太阳能集热/蓄热系统管路，打开旁通管路。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用微通道液冷耦合风冷的技术对数据中心高热密度和低热密度区域分别冷却，并利用微通道空气与水换热器，将微通道液体冷却系统和空调风冷系统有机结合起来，利用微通道液体冷却系统的余热加热机柜排风，同时机柜排风作为冷源冷却液冷系统工质，实现了数据中心余热的高效利用。
2、本发明采用太阳能集热/蓄热系统作为加热数据中心排风的二次热源，对数据中心排风进行提质增热，之后作为热源对转轮除湿机中的吸附材料进行脱附，充分利用了数据中心余热和可再生能源，对于降低高热密度数据中心能耗具有重要意义。
3、本发明解决了服务器设备内部电子元件发热功率分布不均的问题，在提高数据中心排风余热温度的同时还降低高热密度数据中心空调系统的能耗，实现排风余热的高效回收利用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中太阳能集热/蓄热器的结构示意图。
图中：
Figure GDA0003338465440000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，包括微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统、太阳能集热/蓄热器系统和基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统。
其中，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统与太阳能集热/蓄热系统通过管道连接；太阳能集热/蓄热系统与基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统通过管道连接；当适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统处于工作状态时，利用微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统对数据中心的余热进行；进一步利用太阳能集热/蓄热系统作为加热数据中心排风的二次热源，对数据中心排风进行提质增热；二次热源对基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统中的吸附材料进行脱附。
进一步来说，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统包括微通道换热器5，微通道空气与水换热器7、循环泵9、排风风机18和送风风机20，微通道换热器5放置于机柜中各个服务器6的高热流发热功率元件表面，用于冷却高热流功率元件；微通道换热器5设置有多个，每个微通道换热器5同程式连接。微通道换热器5的一端与循环泵9相连，另一端和微通道空气与水换热器7相连。基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统的一端与排风风机18相连，另一端与送风风机20相连，送风风机20通过管道对服务器6进行送风。
尤其是，微通道换热器5将高发热功率元件的热量高效取出，对从低发热功率元件流出的机柜排风进一步加热，同时，从低发热功率元件流出的机柜排风作为液冷系统的冷源，对液冷系统的高温工质进行冷却。
再进一步来说，太阳能集热/蓄热系统包括三通阀12、太阳能集热/蓄热器13和出口温度传感器14，三通阀12第一端与太阳能集热/蓄热器13相连，第二端与微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统的管路相连，第三端与基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统的管路相连。
更进一步来说，太阳能集热/蓄热器13包括出风联箱21、双通道直流真空管22、相变蓄热芯23和进风联箱24，相变蓄热芯23放置在双通道直流真空管22内部；双通道直流真空管22的一端接入出风联箱21，另一端接入进风联箱24。
又进一步来说，基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统包括过滤装置16、转轮除湿机17和露点冷却器19，过滤装置16放置于空调系统的最前端，过滤装置16的一端与新风入口连接，另一端与转轮除湿机17的吸附部分连接；转轮除湿机17的脱附部分与太阳能集热/蓄热系统的出风段连接；露点冷却器19的一端与转轮除湿机17连接，另一端直接通过管道送入数据中心机房。
本发明的优选例，作进一步说明。
基于上述基础实施例，微通道换热器5的冷却介质为去离子水。
基于上述基础实施例，微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统可以设置有电磁阀4，通过监测服务器6的运行功率控制阀门的开度。
基于上述基础实施例，数据中心排风出口能够设置又排风温度传感器11，与系统控制器件连接，随时监测排风出口的温度。
基于上述基础实施例，基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统设有辅助热源，辅助热源可以是微波发生器15。
基于上述基础实施例，当太阳辐照强度由弱转强时，对数据中心的排风温度T1和太阳能集热/蓄热系统中的太阳能集热/蓄热器出口处空气的温度T2进行监测，若T2大于T1+ΔT，ΔT为温度补偿量，用于补偿切换过程中所产生能量损耗，所述太阳能集热/蓄热系统中的三通阀打开太阳能集热/蓄热系统管路，关闭旁通管路；
当太阳辐照强度由强转弱时，对数据中心的排风温度T1和太阳能集热/蓄热系统中的太阳能集热/蓄热器出口处空气的温度T2进行监测，随着太阳辐照强度的逐步降低，空气主要由蓄热相变材料加热，若T2小于T1+ΔT，所述太阳能集热/蓄热系统中的三通阀关闭太阳能集热/蓄热系统管路，打开旁通管路。
工作原理：
室外新风经过滤装置16，送入转轮除湿机17进行除湿，进一步地送入露点冷却器19进行冷却，冷却后的低温空气由送风风机送到数据中心1中。进入数据中心1的低温空气通过地板下送风风道2送入机柜3中，进一步地送入各个服务器6内部，对低发热功率元件进行冷却，受热后的空气经过微通道空气与水换热器7进行进一步加热，由风扇8通过排风风道10送入太阳能集热/蓄热系统中。对于高发热功率元件，则是由液态工质通过微通道换热器5对其进行冷却，受热后的高温液态工质经过微通道空气与水换热器由机柜排风进行冷却，然后通过循环泵9实现循环流动。
数据中心1排风通过三通阀12流入太阳能集热蓄热器13的逻辑判断为：当太阳辐照强度由弱转强时，监测数据中心的排风温度T1和太阳能集热/蓄热器出口处空气的温度T2进行比较：若T2大于T1+ΔT，ΔT为补偿温度，用于补偿切换过程中所产生能量损耗，三通阀12打开太阳能集热/蓄热系统管路，关闭旁通管路；当太阳辐照强度由强转弱时，随着太阳辐照强度的逐步降低，空气主要由蓄热相变材料加热，而随着相变材料蓄存能量的消耗，太阳能集热/蓄热器出口处的空气温度T2逐渐降低，当T2小于T1+ΔT时，三通阀12关闭太阳能集热/蓄热系统管路，打开旁通管路。
进一步地，经过由太阳能集热/蓄热系统提质增热的空气流入转轮除湿机17，对转轮除湿机的吸附材料进行脱附处理，若空气的温度不够高，无法满足转轮除湿机的除湿需求，需打开辅助热源微波发生器15进行辅助加热。
本发明采用微通道液冷耦合风冷的技术对数据中心高热密度和低热密度区域分别冷却，并利用微通道空气-水换热器，将微通道液体冷却系统和空调风冷系统有机结合起来，利用液冷系统的余热加热机柜排风，同时机柜排风作为冷源冷却液冷系统工质，实现了数据中心余热的高效利用。进一步地采用太阳能集热/蓄热系统作为加热数据中心排风的二次热源，对数据中心排风进行提质增热，之后作为热源对转轮除湿机中的吸附材料进行脱附。本发明充分利用了数据中心余热和可再生能源，对于降低高热密度数据中心能耗具有重要意义。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，包括：微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统、太阳能集热/蓄热系统和基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统，
所述微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统与所述太阳能集热/蓄热系统通过管道连接；
所述太阳能集热/蓄热系统与所述基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统通过管道连接；
当适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统处于工作状态时，利用微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统对数据中心的余热进行收集；进一步利用太阳能集热/蓄热系统作为加热数据中心排风的二次热源，对数据中心排风进行提质增热；所述二次热源对所述基于转轮吸附除湿及露点蒸发冷却器的空调系统中的吸附材料进行脱附；
所述太阳能集热/蓄热系统包括三通阀(12)、太阳能集热/蓄热器(13)和出口温度传感器(14)，所述三通阀(12)第一端与所述太阳能集热/蓄热器(13)相连，第二端与微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统的管路相连，第三端与基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统的管路相连；
所述太阳能集热/蓄热器(13)包括出风联箱(21)、双通道直流真空管(22)、相变蓄热芯(23)和进风联箱(24)，所述相变蓄热芯(23)放置在所述双通道直流真空管(22)内部，所述双通道直流真空管(22)的一端接入出风联箱(21)，另一端接入所述进风联箱(24)。
2.根据权利要求1所述的适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，所述微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统包括微通道换热器(5)，
所述微通道换热器(5)放置于服务器(6)的高热流发热功率元件表面；
所述微通道换热器(5)设置有多个，每个微通道换热器(5)同程式连接。
3.根据权利要求2所述的适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，所述微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统还包括微通道空气与水换热器(7)和循环泵(9)，所述微通道换热器(5)的一端与所述循环泵(9)相连，另一端和所述微通道空气与水换热器(7)相连。
4.根据权利要求1所述的适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，所述微通道液冷耦合风冷的高效余热收集系统还包括排风风机(18)和送风风机(20)，所述基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统的一端与所述排风风机(18)相连，另一端与所述送风风机(20)相连，所述送风风机(20)通过管道对服务器(6)进行送风。
5.根据权利要求1所述的适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，所述基于转轮吸附除湿机及露点蒸发冷却器的空调系统包括过滤装置(16)、转轮除湿机(17)和露点冷却器(19)，所述转轮除湿机(17)的一端与所述过滤装置(16)相连，另一端与所述露点冷却器(19)相连。
6.根据权利要求5所述的适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，所述过滤装置(16)放置于空调系统的最前端，所述过滤装置(16)的一端与新风入口连接，另一端与所述转轮除湿机(17)的吸附部分连接；
所述转轮除湿机(17)的脱附部分与所述太阳能集热/蓄热系统的出风段连接；
所述露点冷却器(19)的一端与转轮除湿机(17)连接，另一端直接通过管道送入数据中心机房。
7.根据权利要求2所述的适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，所述微通道换热器(5)将高发热功率元件的热量高效取出，对从低发热功率元件流出的机柜排风进一步加热，同时，从低发热功率元件流出的机柜排风作为液冷系统的冷源，对液冷系统的高温工质进行冷却。
8.根据权利要求1所述的适用于高热密度数据中心的微通道液冷耦合风冷系统，其特征在于，
当太阳辐照强度由弱转强时，对数据中心的排风温度T1和太阳能集热/蓄热系统中的太阳能集热/蓄热器(13)出口处空气的温度T2进行监测，若T2大于T1+ΔT，ΔT为温度补偿量，用于补偿切换过程中所产生能量损耗，所述太阳能集热/蓄热系统中的三通阀(12)打开太阳能集热/蓄热系统管路，关闭旁通管路；
当太阳辐照强度由强转弱时，对数据中心的排风温度T1和太阳能集热/蓄热系统中的太阳能集热/蓄热器(13)出口处空气的温度T2进行监测，随着太阳辐照强度的逐步降低，空气主要由蓄热相变材料加热，若T2小于T1+ΔT，所述太阳能集热/蓄热系统中的三通阀(12)关闭太阳能集热/蓄热系统管路，打开旁通管路。
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