散熱系統及數據中心的製作方法
2023-04-28 11:58:42
本實用新型涉及數據中心領域，具體而言，涉及一種散熱系統及數據中心。
背景技術：
隨著數位化時代的發展，小微型企業以及政府、金融、教育、能源等大型企業的分支機構，對於數據的分析與處理的需求日益增大。站點或分支機構的數據量雖然不像總部的數據那麼龐大，但數據機房的基本功能是不可或缺的。對於此種應用環境來說，具有快速部署，擴容靈活的基本需求；這種小型數據中心所需的IT設備數量不多，如所需要配備的設備有備用電源、配電、散熱、IT機櫃等。傳統數據中心機房各設備獨立放置，需要的部署空間較大，且部署周期長、建設成本高，滿足不了客戶對小型數據中心機房的要求。
專利CN104540350A公開了一種微型數據中心設計方式。該方案使用空調散熱系統為IT設備降溫，依靠空調系統與IT設備內的風扇一起工作，通過空氣的循環流動將IT設備內部發熱原件散發出來的熱量帶走，再通過蒸汽壓縮製冷循環將熱量排放到外部環境中，從而達到散熱的目的。傳統空調系統具有以下幾個明顯的缺陷：其一，由於空氣熱傳導效率非常低，保證伺服器正常運行所需的送風溫度必須控制一個較低的溫度(18-22℃)，為了達到這一溫度必須依靠製冷壓縮機來實現，而製冷壓縮機運行會產生額外的能耗，這導致了現有的數據中心散熱所需的能耗較高；其二，空調系統對空氣的潔淨程度也有很高的要求，空氣中的粉塵、氮氧化物、硫氧化物等會使IT設備故障率上升、壽命縮短；此外，空調系統中空氣循環很快，IT設備內的風扇以及送風系統中的風扇高速運轉不僅消耗了大量的能量而且會產生很大的噪音。
針對上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。
技術實現要素：
本實用新型實施例提供了一種散熱系統及數據中心，以至少解決相關技術中散熱系統給相關設備降溫時，散熱能耗高的技術問題。
根據本實用新型實施例的一個方面，提供了一種散熱系統，其包括，液冷機櫃，用於存儲第一冷媒，上述第一冷媒用於吸收安裝在上述液冷機櫃中的設備的熱量，以使上述設備降溫；散熱模塊，與上述液冷機櫃連接，用於存儲第二冷媒，上述第二冷媒用於吸收上述第一冷媒的熱量，以使上述第一冷媒冷卻降溫；冷凝器，與上述散熱模塊連接，用於使上述第二冷媒放熱冷凝。
進一步地，上述散熱模塊包括：蒸發器，與上述液冷機櫃通過第一冷媒循環管道連接，用於存儲上述第二冷媒；循環泵，設置在上述第一冷媒循環管道上，用於驅動上述第一冷媒在上述液冷機櫃與上述蒸發器之間循環流動。
進一步地，上述液冷機柜上設置有：一個或多個進口，與上述第一冷媒循環管道連接，以使上述第一冷媒進入上述液冷機櫃；一個或多個出口，與上述第一冷媒循環管道連接，以使上述第一冷媒從上述液冷機櫃中排除。
進一步地，上述散熱系統還包括：溫度傳感器，設置在上述第一冷媒循環管道上，用於檢測上述液冷機櫃冷卻液的進出口溫度和/或室內環境溫度；和/或液位傳感器，設置在上述液冷機櫃中，用於檢測上述液冷機櫃中上述第一冷媒的液位高度；和/或壓力變送器，設置在上述蒸發器中，用於檢測上述蒸發器中上述第二冷媒的工作壓力；控制模塊，用於收集上述溫度傳感器和/或上述液位傳感器和/或上述壓力變送器檢測到的參數，和/或，用於根據所述參數控制所述循環泵、風機的自動運行，和/或，用於根據所述參數控制遠程通訊和所述散熱系統的故障報警功能。
進一步地，上述散熱系統還包括：配電模塊，用於給上述散熱系統中的各部件及IT設備供電。
進一步地，上述配電模塊採用UPS冗餘並機的供電方式。
進一步地，上述冷凝器包括：多條扁平管，每條扁平管內設有一條或多條流道，且上述扁平管外穿有翅片，上述第二冷媒在上述流道中流動；風扇，用於驅動空氣流過上述扁平管的表面，帶走上述第二冷媒的熱量，以使上述第二冷媒放熱冷凝。
進一步地，上述散熱系統還包括：第二冷媒循環管道，用於連接上述散熱模塊與上述冷凝器，使得上述第二冷媒能夠循環流動。
進一步地，上述第一冷媒為絕緣的冷卻液，和/或上述第二冷媒為相變工質。
根據本實用新型實施例的另一方面，還提供了一種數據中心，其包括：上述任一項上述的散熱系統；設備，安裝在上述散熱系統的液冷機櫃中，並浸在上述液冷機櫃中的第一冷媒中。
進一步地，上述設備為IT設備，上述散熱系統包括：智能電源分配模塊，與上述IT設備連接，用於為IT設備供電並監測所述IT設備的運行參數。
在本實用新型實施例中，採用液冷散熱原理，通過設計包括如下部件的散熱系統：液冷機櫃，用於存儲第一冷媒，第一冷媒用於吸收安裝在液冷機櫃中的設備的熱量，以使設備降溫；散熱模塊，與液冷機櫃連接，用於存儲第二冷媒，第二冷媒用於吸收第一冷媒的熱量，以使第一冷媒冷卻降溫；冷凝器，與散熱模塊連接，用於使第二冷媒放熱冷凝，由於液冷散熱是自由冷卻過程，本身不需要消耗過多的能量，因此實現了降低散熱能耗的技術效果，進而解決了相關技術中散熱系統給相關設備降溫時，散熱能耗高的技術問題。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中，
圖1是根據本實用新型實施例的一種可選的數據中心的結構示意圖；
圖2是根據本實用新型實施例的一種可選的散熱系統的結構示意圖；
圖3是根據本實用新型實施例的一種可選的配電系統構成的示意圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本實用新型保護的範圍。
需要說明的是，本實用新型的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本實用新型的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。
實施例1
根據本實用新型實施例的一方面，還提供了一種數據中心。
圖1是根據本實用新型實施例的一種可選的數據中心的結構示意圖，如圖1所示，該數據中心100包括：散熱系統；設備106，安裝在散熱系統的液冷機櫃101中，並浸在液冷機櫃101中的第一冷媒中。其中，如圖1所示，散熱系統包括：散熱模塊102，配電模塊103，控制模塊104，第二冷媒循環管道202。
液冷機櫃101用於部署設備，可以為42U空間(可根據客戶需要擴大或縮小)。液冷機櫃可以水平布置，設備106可以豎直地放置在機櫃內。
該數據中心是一種模塊化的、高度集成且節能環保的小型液冷數據中心。整個小型液冷數據中心包括液冷機櫃、散熱模塊、配電模塊和自動控制模塊(即控制模塊104)，以及設備。小型液冷數據中心為整機出廠，出廠前完成安裝調試工作。這樣便於現場快速部署，而且能夠大大減少建設成本。
可選地，設備為IT設備，以下以IT設備為例詳細闡述本實用新型。對應的，散熱系統還包括：智能電源分配模塊107(即智能PDU)，與IT設備連接，用於監測IT設備的運行參數。其中，監測IT設備的運行參數可以是但不限於IT設備的電流、功率、功率因素等參數。
通過本實用新型實施例，採用液冷散熱原理，通過設計包括如下部件的散熱系統：液冷機櫃，用於存儲第一冷媒，第一冷媒用於吸收安裝在液冷機櫃中的設備的熱量，以使設備降溫；散熱模塊，與液冷機櫃連接，用於存儲第二冷媒，第二冷媒用於吸收第一冷媒的熱量，以使第一冷媒冷卻降溫；冷凝器，與散熱模塊連接，用於使第二冷媒放熱冷凝，由於液冷散熱是自由冷卻過程，本身不需要消耗過多的能量，因此實現了降低散熱能耗的技術效果，進而解決了相關技術中散熱系統給相關設備降溫時，散熱能耗高的技術問題。此外，採用該數據中心，便於設備的標準化生產、快速安裝與部署，能縮短數據中心得建設周期且減少現場的工程量。此系統可實現IT設備的部署、IT設備運行管理、散熱與環境監視、供配電、遠程監控，是一套完整的數據中心解決方案。
需要說明的是，實施例1中涉及的散熱系統與實施例2中散熱系統相同，將在實施例2中進行詳細描述，在此不再贅述。
實施例2
根據本實用新型實施例，提供了一種散熱系統的實施例。
圖2是根據本實用新型實施例的一種可選的散熱系統的結構示意圖，如圖2所示，該散熱系統包括，液冷機櫃101，用於存儲第一冷媒，第一冷媒用於吸收安裝在液冷機櫃101中的設備的熱量，以使設備降溫；散熱模塊102，與液冷機櫃101連接，用於存儲第二冷媒，第二冷媒用於吸收第一冷媒的熱量，以使第一冷媒冷卻降溫；冷凝器201，與散熱模塊102連接，用於使第二冷媒放熱冷凝。
也即，散熱系統包括位於室外的冷凝器201和位於室內的散熱模塊102以及液冷機櫃101。使用時，液冷機櫃101是用於存放需散熱的設備的，液冷機櫃內101盛滿了第一冷媒，設備浸在第一冷媒中，需要說明的是，該設備可以完全浸沒在第一冷媒中，當第一冷媒不足，但不影響工作時，設備也可以部分浸在第一冷媒中。散熱系統可根據需要配置2N的冗餘，以保證系統的可靠性。
其中，第二冷媒可以是相變工質，冷凝器201的作用是將氣態的相變工質冷凝成液態，並將冷凝過程中放出的熱量排放到空氣中。需要說明的是，第二冷媒的散熱使用了自由冷卻技術：即第二冷媒在蒸發器內吸熱蒸發，氣態的第二冷媒受熱上升進入冷凝器，在冷凝器內第二冷媒放熱冷凝，液態的第二冷媒依靠自身重力流回蒸發器中，完成一個完整的散熱循環。
在本實用新型實施例中，採用液冷散熱原理，通過設計包括如下部件的散熱系統：液冷機櫃，用於存儲第一冷媒，第一冷媒用於吸收安裝在液冷機櫃中的設備的熱量，以使設備降溫；散熱模塊，與液冷機櫃連接，用於存儲第二冷媒，第二冷媒用於吸收第一冷媒的熱量，以使第一冷媒冷卻降溫；冷凝器，與散熱模塊連接，用於使第二冷媒放熱冷凝，由於液冷散熱是自由冷卻過程，本身不需要消耗過多的能量，因此實現了降低散熱能耗的技術效果，進而解決了相關技術中散熱系統給相關設備降溫時，散熱能耗高的技術問題。
可選地，如圖2所示，散熱模塊102包括：蒸發器203，與液冷機櫃101通過第一冷媒循環管道205連接，用於存儲第二冷媒；循環泵204，設置在第一冷媒循環管道205上，用於驅動第一冷媒在液冷機櫃101與蒸發器203之間循環流動。
其中，蒸發器203用於實現第一冷媒與第二冷媒的熱量交換的換熱器；循環泵204(即第一冷媒循環泵)用於驅動第一冷媒在液冷機櫃101與蒸發器203之間循環流動；第一冷媒循環管道205用於連接蒸發器203與液冷機櫃101的管道，並且，循環泵204設置在第一冷媒循環管道205上。
可選地，液冷機柜上設置有：一個或多個進口，與第一冷媒循環管道連接，以使第一冷媒進入液冷機櫃；一個或多個出口，與第一冷媒循環管道連接，以使第一冷媒從液冷機櫃中排出。
具體地，液冷機櫃內盛滿第一冷媒，機櫃內第一冷媒從進口流過IT設備並吸收IT設備產生的熱量(第一冷媒溫度升高)。機柜上的進、出液口通過第一冷媒循環管道與循環泵、蒸發器相連，第一冷媒在循環泵的驅動下在蒸發器與液冷機櫃間循環流動。在蒸發器中，第一冷媒放出熱量(第一冷媒溫度降低)，第二冷媒吸收熱量並汽化。
可選地，如圖2所示，上述散熱系統還包括：溫度傳感器206，設置在第一冷媒循環管道205上，用於檢測液冷機櫃第一冷媒的進出口溫度，需要說明的是，在本實用新型實施例中，溫度傳感器206還可以設置在冷凝器上，用於檢測室外環境溫度；和/或液位傳感器208，設置在液冷機櫃101中，用於檢測液冷機櫃101中第一冷媒的液位高度；和/或壓力變送器207，設置在蒸發器203中，用於檢測蒸發器203中第二冷媒的工作壓力；控制模塊104，用於收集溫度傳感器206和/或液位傳感器208和/或壓力變送器207檢測到的參數。此外，控制模塊104包括：人機互動界面、PLC、變頻器、控制電路、通訊模塊及變頻器。自動控制模塊自動收集系統運行時的動力與環境參數並反饋給遠程監控機。
具體地，溫度傳感器用於檢測液冷機櫃冷卻液的進出口溫度和室外環境溫度，液位傳感器用於檢測櫃內冷卻液的液位高低，壓力變送器用於檢測相變工質的蒸發壓力，這些傳感器將收集的信息反饋給控制模塊。控制模塊再根據所檢測到的參數，控制冷凝器風扇和第一冷媒循環泵的變頻運行，使散熱系統在保證IT設備正常的散熱的同時以最為經濟節能的模式運行。控制模塊將自動收集系統運行中的動力與環境參數，其中設備運行參數包括：冷凝器風扇、第一冷媒循環泵、UPS、IT設備的運行電壓、電流、功率、功率因素和工作狀態；環境參數包括第一冷媒進、出口溫度、第二冷媒工作壓力、室外環境溫度、機櫃內液面高度。這些參數將通過網絡反饋給遠程監控機，運維人員也可遠程對IT設備的運行進行管理。當這些參數出現異常時，自動控制系統將進行判斷並發出故障報警。
例如，可以以合成導熱油作為冷卻液，R22作為相變工質的系統為例，闡述本小型液冷數據中心的散熱系統的工作過程如下：運用合成導熱油絕緣、抗氧化、無毒無腐蝕、難燃、流動性好(運動粘度低)、導熱率高等特性，將拆除風扇的IT設備浸泡在裝滿導熱油的液冷機櫃中。IT設備工作時發出熱量就會通過對流換熱傳到導熱油中。導熱油在液冷機櫃中循環流動，使每臺IT設備都能得到均勻而迅速的散熱。
經測試，在液冷系統中導熱油的溫度控制在50℃左右即可保證IT設備的正常運轉，故導熱油的進/出口溫度可設定為45/50℃。
系統運行時，45℃的導熱油在第一冷媒循環泵的驅動下通過冷卻液循環管道(即第一冷媒循環管道)進入液冷機櫃，導熱油在液冷機櫃中吸收IT設備所散發出的熱量後溫度上升至50℃。50℃的導熱油再經過冷卻液循環管道進入蒸發器中，在蒸發器中導熱油放出熱量溫度從50℃降至45℃而液態的相變工質R22吸熱蒸發變為氣態。降溫後的導熱油經過冷卻液循環管道回到液冷機櫃，繼續吸收IT設備所發出的熱量。根據R22的物質特性，將系統將壓力控制在1648kpa，此時R22的蒸發溫度為43℃。蒸發器中43℃的R22液體在吸收了導熱油中的熱量後蒸發為43℃的氣體，R22蒸汽通過相變工質管道(即第二冷媒循環管道)進入位於室外的冷凝器中。在冷凝器中43℃的R22蒸汽向環境溫度的空氣放出熱量並重新冷凝為43℃的液體，冷凝器上的風扇強迫空氣從換熱管的外表面快速地流過，強化R22與空氣的換熱。冷凝後R22液體由於自身重力的作用經過相變工質管道重新流回蒸發器中完成一個完整的散熱循環。
系統負載設計是按照最嚴酷的工況設計的，所以在一般環境下，系統的最大散熱能力會大於熱量的產生速度，這時候自動控制模塊會通過冷卻液進出口溫度、環境溫度等參數對第一冷媒循環泵和冷凝器風扇進行變頻控制，使散熱系統散熱量等於IT設備的發熱量。自動控制模塊不斷地通過PID控制，使散熱系統在保證IT設備正常工作的同時消耗最少的電量。
可選地，如圖1所示，散熱系統還包括：配電模塊103，用於給散熱系統中的各部件供電。其中，此處，如圖3所示，各部件可以包括但不限於第一冷媒循環泵，冷凝器風扇，智能電源分配模塊(即智能PDU)等。此外，安裝在液冷機櫃中的IT設備可由智能電源分配模塊供電，IT設備可以包括但不限於伺服器、網絡交換機等。由於第一冷媒循環泵和冷凝器風機均配備了變頻器，這使得循環泵與風機這類感性負載也可以使用UPS供電，保證了市電中斷時散熱系統仍能正常工作。
可選地，配電模塊採用UPS冗餘並機的供電方式。如圖3所示，配電模塊採用UPS冗餘並機的供電方式，市電(即市政供電)輸入先經過UPS，市電經整流濾波後，一方面經逆變後變成純淨的50Hz、220V交流電輸出；另一方面經充電器輸出直流電給蓄電池組充電。在市電中斷時，由蓄電池組經逆變電路逆變成220V、50Hz的交流電繼續輸出，保證了小型液冷數據中心供電的可靠性。
配電模塊採用UPS冗餘並機的供電方式，一方面，正常情況下由市電供電，市電斷電時使用UPS電池供電，提高供電系統的可靠性，保證數據中心供電；另一方面，市電斷電時UPS電池不僅可為IT設備供電，同時也可為散熱模塊提供相應的續航，避免由於散熱系統停止運行導致IT設備過熱。
可選地，冷凝器包括：多條扁平管，每條扁平管內設有一條或多條流道，且扁平管外穿有翅片，第二冷媒在流道中流動；風扇，用於驅動空氣流過扁平管的表面，帶走第二冷媒的熱量，以使第二冷媒放熱冷凝。
其中，該冷凝器採用微通道風冷換熱器作為相變工質的冷凝器。這種換熱器的由數N條扁平管組成，扁平管內又設有數N條細微流道，扁平管外穿有翅片。氣態的第二冷媒在扁平管內的微通道至上而下流動，流動過程中放出熱量並冷凝成液態，扁平管外的空氣在風扇的驅動下流過管道外表面並帶走第二冷媒放出的熱量。與一般盤管式冷凝器相比，這種換熱器具有換熱效率高，工質流動阻力小的特點。
可選地，如圖2所示，散熱系統還包括：第二冷媒循環管道202，用於連接散熱模塊102與冷凝器201，使得第二冷媒能夠循環流動。
可選地，第一冷媒為絕緣的冷卻液，和/或第二冷媒為相變工質。
其中，第一冷媒為具有絕緣效果的冷卻液，以使得設備浸在冷卻液中不被短路。此外，第一冷媒還可以具有抗氧化、無毒無腐蝕、難燃、流動性好(運動粘度低)、導熱率高等特性，例如，第一冷媒可以是但不限於導熱油、電子氟化液(全氟聚醚、全氟化碳等)，用於吸收安裝在液冷機櫃中的設備的熱量，以達到散熱的效果。第二冷媒為相變工質，該相變工質的工作壓力變化時，其沸點會隨之發生變化，通過控制工作壓力使相變工質的沸點維持在一定溫度範圍內。利用相變工質不斷地在蒸發器中受熱蒸發及在冷凝器中放熱冷凝來降低第一冷媒的溫度，並將熱量排放到環境中，這一散熱過程完全是自發進行的，不要額外的能耗。例如，第二冷媒可以是但不限於製冷劑R22(二氟一氯甲烷)、R410A(50％R32(二氟甲烷)和50％R125(五氟乙烷))、R134A(1，1，1，2-四氟乙烷)等沸點合適的其它物質，該第二冷媒用於吸收第一冷媒的熱量，以使第一冷媒冷卻降溫，從而達到傳輸熱量的效果。
另外，所有IT設備上的CPU與CPU散熱片之間填充用軟金屬導熱界面材料。軟金屬硬度很低，CPU與CPU散熱片壓緊後可充分填充CPU與CPU散熱片之間的間隙。由於金屬材料具有較高的導熱係數，軟金屬導熱界面材料可強化CPU與CPU散熱片之間的傳熱，改善CPU的散熱。具體地，該軟金屬導熱界面材料可以是但不限於銦片。
另外，所有液冷機櫃中的IT設備需將風扇拆除，並加入風扇模擬器，以保障IT設備等設備在拆除風扇之後仍能正常啟動，此外，拆除風扇後，可降低15％-20％的IT設備運行功耗。
本實用新型採用了自由冷卻技術與浸沒式液冷技術相結合的散熱系統以取代現有的空調製冷系統，將IT設備浸沒在絕緣的冷卻液(第一冷媒)中，通過泵驅動冷卻液的循環流動來帶走IT設備產生的熱量，再通過相變工質(第二冷媒)的受熱蒸發與放熱冷凝將IT設備發出的熱量排放到環境中。具體地，由於冷卻液的傳熱效率遠高於空氣，冷卻液溫度只需控制在45℃(可根據需要在40-50℃之間調整)即可保證IT設備正常運行。在此系統中，現有空調製冷系統中的IT設備風扇和空調系統送風風扇將被一個小功率的循環泵替代，散熱系統採用了自由冷卻技術，也不再需要配置製冷壓縮機，這不僅降低數據中心的散熱能耗，同時顯著降低了系統運行時產生的噪音。此外，由於採用了浸沒式液冷技術，冷卻液隔絕了IT設備與空氣的接觸，冷卻液可保護IT設備免受空氣中有害物質的影響，提高了IT設備的運行可靠性。
上述本實用新型實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
在本實用新型的上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。
在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的技術內容，可通過其它的方式實現。其中，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的。
以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。