技术领域
[0001] 本
发明涉及散热和冷却技术领域,更具体地说,涉及一种
服务器机柜的散热系统。
背景技术
[0002] 在通信和IT产业,大量应用标准机柜为内部的服务器、交换机、存储设备等
电子器件提供物理安装环境。为了实现为机柜内部的设备提供散热,大量采用
风扇将机柜内部的热量带出机柜外部,然后通过房间内的
空调或风机等设备将这些热量转移到外界环境。随着电子芯片和功率器件的热耗越来越大,机柜内部发热量不断增大时,采用风冷散热的方式已经无法满足内部设备的散热需求。
[0003] 为了增强散热效果以及减小环境噪音,人们开始采用液冷的方式进行散热。
专利号为201120020096.X的中国发明专利公开了一种冷却系统,该系统包括设置于
机架内的机组冷却插箱,机组冷却插箱包括与待冷却模
块的发热部分相
接触的冷板,用于通过其内部流动的液体吸收发热部分的热量;连接至冷板的
热交换器,用于对冷板内的液体进行冷却;连接至冷板和热交换器的
泵,用于驱动液体在冷板和热交换器之间的循环。专利号为
201320018219.5的中国发明专利公开了一种液冷散
热机柜,包括机柜、元件单板、液冷源装置、分液管、集液管以及用于吸收和带走热量的液冷
散热器,其中:液冷源装置设置在机柜内;分液管的入口和集液管的出口分别密封连接液冷源的出口和入口;液冷散热器安装在元件单板内,吸收并带走元件单板内的元件产生的热量;液冷散热器的进液口和出液口分别密封连接分液管的出口和集液管的入口。前述两种冷却系统均是采用独立的冷源,安装于机柜内对机柜进行散热,虽然灵活性较高,但由于受机柜内空间限制,液冷源体积有限,当运行一段时间后机柜内
温度升高,或大功率器件工作时,液冷源提供的散热效果可能无法满足需求,而且也无法调节流量以适应不同的情况。
[0004] 公开号为CN102378551A的中国发明专利
申请公开的一种服务器机柜,机柜中设置有服务器,液冷散热系统包括设于机柜外的
致冷器及将导热板与致冷器热连接的管路,导热板设置于机柜内并靠近服务器,服务器工作时产生的热量形成热流,热流在导热板处冷却,管路延伸出机柜外并分别与致冷器的相对两端相连通,以将导热板从服务器吸收的热量传递至致冷器处进行热交换,服务器的热量是通过空气传递到导热板,然后再通过和导热板贴合的
传热器将热量传递。
[0005] 公开号为CN103052304A的中国发明专利申请也公开了一种服务器机柜冷却系统,包括置于服务器机柜内部的液冷箱、服务器机柜内
水冷散热器、柜内空气散热器、第一储液箱以及室外外冷系统,液冷箱包括集成在一个箱内的
翅片式换热器、
板式换热器及第一水泵,板式换热器热水侧、第一水泵、第一储液箱及服务器机柜内水冷散热器通过管道连接成第一循环回路,外冷系统、柜内空气散热器、翅片式换热器及板式换热器冷水侧通过管道连接成第二循环回路,该冷却系统也是通过空气散热器将热量传递到水中,再通过储液箱、外冷系统的热量交换进行散热。
[0006] 公开号为CN102364406A的中国发明专利申请中涉及一种冷却系统,由机柜液冷单元、电控动态调节
阀、
微处理器、冷却管道及室外冷水机组五部分组成,冷却管道包括通
过热交换器隔离的一级循环系统和二级循环系统,一级循环系统为整个冷却系统提供冷量供应,二级循环系统将从机柜吸收的热量在热交换器内与一级循环系统进行热量交换。
[0007] 前述几种冷却系统大体分为风冷冷却和液冷冷却两种类型,其中风冷冷却系统中的器件与液冷单元之间的热量交换是通过空气传导,效率不高;而液冷冷却系统当机柜外管路出现故障或异常时,机柜内的所有冷板就会停止工作,容易造成机柜内温度和器件温度迅速升温,造成损失,而且无法调节机柜内部管路的流量。而且在实际使用时,机柜中既存在发热
密度不高通过风冷就可以解决的器件,也同时存在发热密度高需要通过水冷才能冷却的器件,
现有技术中还没有可以同时保障这两类器件的散热的方案,需要独立设置水冷或者风冷的外部散热方式,保障整个机柜的正常工作。风冷侧大都采用多机组备份,来提供故障时的应急散热,而液冷方式中,冷却主管道的故障往往会造成大面积的机柜热保护停机,从而带来巨大损失。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种散热效率高、散热效果好的机柜散热系统。
[0009] 为了实现上述目的,本发明采取如下的技术解决方案:
[0010] 机柜的散热系统,包括外循环系统和内循环系统,所述外循环系统包括冷源、与所述冷源相连的储液罐以及设置于外循环系统管路上的外
循环泵,外循环系统工质进管从冷源接出并通过储冷罐后与中间换热器相连,外循环系统工质回管从中间换热器接出后与冷源相连;所述内循环系统包括设置于机柜内的机柜内循环子系统、连接机柜内循环子系统和中间换热器的内循环系统工质进管、连接机柜内循环子系统和中间换热器的内循环系统工质回管;所述机柜内循环子系统包括至少一个液冷散热器、通过进口
截止阀与所述内循环系统工质进管相连的机柜内工质进管、通过出口截止阀与所述内循环系统工质回管相连的机柜内工质回管、以及风冷散热器,所述风冷散热器分别与所述机柜内工质进管及机柜内工质回管相连,在所述风冷散热器与机柜内工质进管之间设置有流量比例调节阀,所述液冷散热器分别与所述机柜内工质进管及所述机柜内工质回管相连,在每个液冷散热器与机柜内工质进管之间设置有流量比例调节阀。
[0011] 为了更好地实现本发明,还包括设置于连接所述进口截止阀输出端和所述出口截止阀输入端的管路上的自循环泵。
[0012] 为了更好地实现本发明,还包括与所述机柜内工质进管和机柜内工质回管相连的旁通管路,所述旁通管路上设置有
旁通阀。
[0013] 为了更好地实现本发明,所述冷源包括主冷却机组和副冷却机组,所述主冷却机组为主动冷却机组,所述副冷却机组为被动冷却机组。
[0014] 为了更好地实现本发明,所述机柜内循环子系统采用同程式管路布置。
[0015] 为了更好地实现本发明,所述内循环系统包括一个或一个以上机柜内循环子系统,所述机柜内循环子系统中在进口截止阀后端的机柜内工质进管上连接有储冷罐。
[0016] 为了更好地实现本发明,在每个机柜的最高点设置有与机柜内工质回管连通的自动排气阀,所述自动排气阀与定压罐相连。
[0017] 为了更好地实现本发明,所述液冷散热器包括与电子器件表面相接触的散热
基板、与散热基板相连的
热管以及与多个热管相连的集中冷却管;所述热管相互间隔,且热管的冷凝段伸入所述集中冷却管内、与所述集中冷却管密封连接;所述集中冷却管包括装有
冷却液的冷却管主体以及分别与所述冷却管主体内连通的冷却液进管和冷却液出管,所述冷却液进管和冷却液出管与机柜内循环子系统相连。
[0018] 为了更好地实现本发明,所述集中冷却管内冷却液入口端和冷却液出口端分别设置有分流器。
[0019] 为了更好地实现本发明,所述集中冷却管内设置有间隔布置的中间隔板,所述中间隔板沿冷却液流动方向设置,所述热管的冷凝段伸入至由中间隔板分隔开的空间内。
[0020] 为了更好地实现本发明,所述热管间隔错位与所述集中冷却管相连。
[0021] 由以上技术方案可知,本发明机柜内具有液冷和风冷两种类型散热器,换热效率高的液冷散热器为发热量大的器件提供散热,风冷散热器为机柜内其它无法连接到液冷散热器的器件提供风冷散热,保障机柜内其它未接入液冷散热器的器件的
工作温度,同步满足机柜内的风冷和液冷的需求,而且每个液冷/风冷散热器与机柜内工质进管之间设置均有流量比例调节阀,可根据每个散热器的温度通过流量比例调节阀精确调节该散热器支路的冷量输出,避免出现局部散热器流量不足导致过热的现象发生。此外,还可在机柜内设置独立的自循环泵,使机柜具有独立的内部自循环系统,当外循环系统管路发生故障时,可以启动内部自循环。同时还可进一步在机柜内循环子系统的管路上设置旁通回路,根据设备状态通过旁通回路改变机柜内循环子系统的管路状态,
调节管路内部流量,避免低负载时管路内流量过大,造成浪费。
附图说明
[0022] 为了更清楚地说明本发明
实施例,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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。
[0023] 图1为本发明实施例1液冷散热系统的示意图;
[0024] 图2为本发明实施例1内循环系统的示意图
[0025] 图3为本发明实施例2液冷散热器的结构示意图
[0026] 图4为沿图3中箭头A方向的结构示意图;
[0027] 图5为本发明实施例3液冷散热器的结构示意图;
[0028] 图6为沿图5中箭头B方向的结构示意图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0030] 实施例1
[0031] 如图1和图2所示,图1、图2中实线所示管路为工质进管,虚线所示管路为工质回管,管路中流通制冷工质,包括
相变或者非相变的
流体,散热系统包括外循环系统和内循环系统,外循环系统包括由主冷却机组1和副冷却机组2组成的冷源、与冷源相连的储冷罐3,外循环系统和内循环系统间通过中间换热器4相连。外循环系统工质进管a通过储冷罐3后与中间换热器4相连,外循环系统工质回管b从中间换热器4接出后与冷源相连,分别接入主冷却机组1和副冷却机组2,在外循环系统工质回管b上设置有外循环泵X,与主冷却机组1相连的外循环系统工质进管和与副冷却机组2相连的外循环系统工质进管上在接入储冷罐3之前分别设置有截止阀S。主冷却机组为主动冷却机组,副冷却机组为被动冷却机组,副冷却机组可采用开放式
冷却塔或闭式干冷器,多余的冷量通过储冷罐3储存。采用两套机组可以实现冷源侧的故障备份和节能运行。
[0032] 内循环系统包括设置于机柜100内的机柜内循环子系统、连接机柜内循环子系统和中间换热器4的内循环系统工质进管c、连接机柜内循环子系统和中间换热器4的内循环系统工质回管d,机柜内循环子系统的数量与机柜数量相对应,可为一个或一个以上。机柜内循环子系统包括至少一个液冷散热器(液冷板)5、机柜内工质进管e、机柜内工质回管f、自循环泵6、设置于机柜内工质进管e上的进口截止阀Q1、设置于机柜内工质回管f上的出口截止阀Q2以及旁通管路,机柜内循环子系统采用同程式管路布置。机柜内工质进管e通过进口截止阀Q1与内循环系统工质进管c相连,机柜内工质回管f通过出口截止阀Q2与内循环系统工质回管d相连。液冷散热器5分别与机柜内工质进管e及机柜内工质回管f相连,使液体流入液冷散热器中,在每个液冷散热器5与机柜内工质进管e之间设置有流量比例调节阀M。液冷散热器5设置于发热器件上、与发热器件直接接触,从而将发热器件产生的热量直接传导至散热器内的制冷剂中,提高散热效率。液冷散热器5上设置有温度
传感器7。自循环泵6设置于连接进口截止阀Q1的输出端和出口截止阀Q2的输入端的管路上,自循环泵6的输入端连接有一个
单向阀(未标号),当进口截止阀Q1和出口截止阀Q2关闭时,机柜内循环子系统可形成一个封闭循环系统,自循环泵6可以实现机柜内部管路的自循环。在机柜内循环子系统的管路上还可以设置与自循环泵相连的
膨胀水箱,以更好的保证机柜内自循环的效果。在机柜内循环子系统的管路间设置有旁通管路,旁通管路上设置有旁通阀P,旁通阀P的开/闭可使旁通管路接入循环管路中或旁置。如当机柜内负载低,即工作器件少时,可打开旁通阀P,调节机柜内循环子系统的管路,减少管路内流向低热量器件或不工作的器件的
制冷液体,大部分液体通过旁通管路流入循环管路中,达到节约冷量的目的。旁通管路与机柜内工质进管e及机柜内工质回管f相连,其
位置根据机柜内电子器件及液冷散热器的分布进行调整,当机柜内设置有高功率散热器和低功率散热器时,旁通管路一般连接于高功率散热器和低功率散热器之间的管路上。在每个机柜的最高点设置有与机柜内工质回管f连通的自动排气阀R,自动排气阀R与定压罐相连,保障管路内部气体顺利释放。
[0033] 作为本发明的一个优选实施例,在机柜
门上还设置有风冷散热器8,风冷散热器8分别与机柜内工质进管e、机柜内工质回管f相连,风冷散热器8上同样设置有温度传感器,其与机柜内工质进管e之间也设置有流量比例调节阀M。风冷散热器还可以设置于机柜的其他位置或电子器件上,风冷散热器为机柜内其它无法连接到液冷散热器的器件提供风冷散热,保障机柜内其它未接入液冷散热器的器件的工作温度,同步满足机柜内的风冷和液冷的需求。
[0034] 本发明通过汇总机柜内每个散热器的温度,调节机柜总体流量,并根据每个散热器的温度通过流量比例调节阀精确调节该散热器支路的冷量输出,以避免只对每个机柜系统的流量进行分配并未考虑每个散热器支路上的流量分配而出现局部散热器流量不足导致过热的现象发生。而且,本发明可在机柜内设置功率不同的液冷散热器,这些液冷散热器对应设置于发热量不同的器件上,当机柜内集成功率不同的散热器时,散热器所在的每个支路上的流量不同,在机柜总体流量分配好的
基础上,通过流量比例调节阀调节每个支路的流量,避免出现整体机柜的流量减小或者增大,无法总体保障流量。
[0035] 本发明机柜内具有独立的内部自循环系统,当外循环系统管路发生故障时,可以启动内部自循环,留出时间给
软件系统进行自我保护或者数据备份,避免器件温度迅速升温,造成损失。对于高发热密度机柜或者内部数据极其重要的机柜,内部还独立设置储冷罐10(图1),根据柜内的发热量配置储冷罐的大小,内部集成相变储冷材料,进一步为核心机柜提供外部故障时的冷却备份保护。而且在机柜内循环子系统的管路上设置旁通回路,避免在流量调节过大时,内部流量无法控制。
[0036] 实施例2
[0037] 如图3和图4所示,本实施例的液冷散热器5包括散热基板5-1、热管5-2和集中冷却管5-3。散热基板5-1与待散热的电子器件表面相接触。热管5-2与散热基板5-1相连,与现有技术相同,热管5-2包括热管
蒸发段5-2a和热管冷凝段5-2b,热管内壁设置有毛细管结构。热管蒸发段5-2a与散热基板1相连,散热基板5-1将电子器件表面的热量向热管蒸发段5-2a传导进行散热。热管冷凝段5-2b伸入集中冷却管5-3中,与集中冷却管5-3密封连接。本实施例采用密封
螺母5-4将热管5-2与集中冷却管5-3相连,两者间也可以采用
焊接的方式相连。
热管冷凝段可采用不产生相变的液冷或者产生相变的液冷方式。一个集中冷却管5-3与多个热管5-2相连。
[0038] 集中冷却管5-3包括装有冷却液的冷却管主体5-3a、与冷却管主体5-3a内连通的冷却液进管5-3b和冷却液出管5-3c,冷却液进管5-3b和冷却液出管5-3c分别与机柜内循环子系统的机柜内工质进管和机柜内工质回管相连,使冷却管主体5-3a内流通循环的冷却液,从而对热管的冷凝段进行降温散热。在冷却管主体5-3a内冷却液入口端和冷却液出口端分别设置有分流器5-3d,分流器5-3d与冷却液进管5-3b相连,从冷却液进管5-3b进入集中冷却管5-3的冷却液经分流器5-3d分为流向不同方向的支流,以保障冷却液可以平均流向各个热管冷凝段,使每个热管冷凝段的温度均匀。同时在集中冷却管5-3内还设置间隔布置的中间隔板5-3e,中间隔板5-3e沿冷却液流动方向(图3中的竖直方向)设置,将集中冷却管5-3内部分隔为若干列空间,每一列上布置多个热管散热器,中间隔板5-3e将集中冷却管中的热管隔开,冷却液进入集中冷却管5-3后,沿流动方向分别进入各列内,保障每个热管的冷凝端(散热端)通过同样温度的进液温度冷却。
[0039] 实施例3
[0040] 参照图4及图5,本实施例与实施例2不同的地方在于:集中冷却管内不设置中间隔板,集中冷却管5-3与多个热管5-2相连,热管5-2间隔错位布置,从分流器5-3d进入集中冷却管5-3内的冷却液经错开布置的热管散热器2流向冷却液出管5-3c,尽可能的使得每个热管的冷凝端都可以通过同样温度的进液温度冷却,保证散热效果。
[0041] 采用集中冷却管同时对多个热管进行集中散热,冷却液循环流通于集中冷却管内,一次能为多个电子器件进行散热,减小液冷散热器的体积,提高了换热效率,从而可以缩短热管的冷凝端,减小整体热管体积,降低液冷散热器本身的制造成本。
[0042] 与现有技术相比,本发明具有以下特点:
[0043] 1、整体机柜整体采用液冷方式,可采用有相变或者无相变液冷,较风冷换热密度增大了数百倍,可达到单柜100kW的散热量。
[0044] 2、散热系统分内循环和外循环,内循环采用闭式系统,从而保证冷却液的洁净和可靠;外循环可根据环境采用开式或者闭式系统,还可充分利用相变储冷或其它冷却方式为内循环提供高效冷却。
[0045] 3、由于整体采用液冷,因此整机的水侧温度可达到70~90度,与外界环境散热温差大,可利用外界冷源进行散热,从而降低整个散热系统的功耗;在外界
环境温度高时,可利用主冷却机组为系统提供冷源,系统内的相变储冷罐可根据每日的负载情况,利用夜间低谷电价开启主动冷却机组储存一定的冷量,保障其白天的运行,从而进一步降低整个系统的运行能耗。
[0046] 4、汇总每个散热器的温度,集中调节整体机柜的输入流量,并通过每个散热器的流量比例调节阀精确调节流量,从而降低整体的功耗。
[0047] 5、采用独立的自循环泵,在主路发生故障时,可短时工作,芯片的温升不致太快,为内部设备进行软件备份或者正常关机提供宝贵的时间。
[0048] 6、对于核心机柜,在前述配置的基础上,在进口截止阀后端的机柜内工质进管上连接一个独立储冷罐,按照机柜内热负载和备冷时间要求,配置内部相变储冷材料的多少,并在内循环主冷却管路故障时,关闭机柜工质进、回管路,利用自循环系统,利用储冷罐中的冷量为内部设备提供数据或者业务转移的时间,实现正常关机。
[0049] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解,依然可以对本发明的具体实施方式进行
修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的
权利要求范围之中。