一种利用CPU余热的高热密度机房综合散热系统的制作方法

本专利涉及机房空调散热领域，特别是涉及一种利用CPU余热的高热密度机房综合散热系统。

背景技术：

随着IT 技术的快速发展和数据业务需求的迅猛增长，众多应用高性能服务器等 IT 设备的数据中心应运而生。当大量高性能服务器机柜运行时也带来了高热密度和高能耗问题。根据统计,在各数据中心所耗费的电量中,空调制冷的能耗占了总能耗的40%～50%。数据中心背后巨大的能源消耗引起人们的高度重视。

传统机房散热系统是将机房当作大型冷柜处理，先将环境温度冷却，再带走主设备散发出的热量。由于数据机房内IT设备集中，散热量大，且设备不间断高负荷运行，几乎全年都需要向外排热，因此其空调的运行能耗巨大。而随着高热密度服务器运用的增多，单个机架的功率越来越高，有些机房出现了局部过热的现象。因此仅仅是空气冷却的方式将难以满足服务器的散热需求，只有液体传导方式才能排出足够的热量，液冷系统受到越来越多的青睐。在中国专利申请公开说明书CN102331043A中公开了一种低PUE高密度液冷节能机房冷却系统，包括机房，机柜，空调箱，由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器与所述空调箱的水盘管构成的压缩冷却循环系统，和由自然冷却器与所述空调箱的水盘管构成的自然冷却循环系统，空调箱的水盘管出口与电动三通阀的入口连通，电动三通阀的两个出口分别与蒸发器的水盘管入口、自然冷却器的水盘管入口连通 ；微电脑控制系统分别与压缩冷却循环系统、自然冷却循环系统、电动三通阀、设置于自然冷却器外部的第一温度传感器、设置于机柜背门处的第二温度传感器及设置于空调箱的水盘管进水管处的第三温度传感器电连接。CPU 运行时的温度一般在60~80℃之间，液冷系统运行时与CPU进行换热的冷却水的温度虽然高达40~60℃，仍然能满足服务器CPU的温度不高于安全上限值。将这部分高温冷却水直接进行散热，既浪费能源，又增加了冷却装置的热负荷。

中国专利申请公开说明书CN104101131A中公开了利用回收热能制冷制热的吸收式制冷机及其制冷制热的方法，所述利用回收热能制冷制热的吸收式制冷机包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、真空泵a、真空泵b、冷水进水管道、冷水出水管道、热水进水管道、热水管道a、热水管道b、热水出水管道、循环泵。

上述溴化锂吸收式制冷机的制冷制热的方法如下：

S1：待加温的待输出热水通过热水进水管道先进入冷凝器，从热水管道a排出并进入吸收器，从热水管道b排出后吸收热量温度增加并进入发生器作为发生器热源；或者通过热水进水管道先进入吸收器，后从热水管道a排出经过冷凝器后吸收热量，排出经过热水管道b进入发生器，作为发生器热源，发生器中的喷淋装置将制冷媒体稀溶液喷为雾状，雾状液滴吸收进入发生器的回收热水的热量并汽化为蒸汽，蒸汽通过管道被真空泵 a 抽入冷凝器中并加压，在冷凝器中蒸汽遇到热水进水管道中的待输出热水，放出热量，变成液滴，热水进水管道中的热水吸收了蒸汽放出的热量升高温度 ；真空泵 a 使发生器中压强降低，使冷凝器中压强增加从而促进发生器中液体变为气体，并促进冷凝器中气体变为液体；

S2：冷凝器中的凝结水液滴在底部汇集后通过管道进入蒸发器，在蒸发器中被喷淋装置喷淋为雾状液滴，液滴吸收冷水进水管道中冷水的热量变为气体，释放热量并降温后的冷水变为更低温度的冷水并从冷水出水管道排出实现制冷和热能回收；

S3：蒸发器中的气体通过管道被真空泵 b 抽入吸收器，被喷淋装置喷淋的浓溶液吸收，从气态转变为液态并将热量传递给热水管道中的待输出热水使其温度进一步提高，真空泵b 使蒸发器中真空度增高，吸收器中压强升高从而促进蒸发器中液体变为气体，吸收器中气体变为液体；

S4：吸收器中的制冷媒体浓溶液吸收蒸汽后变为制冷媒体稀溶液，并通过管道再次输送到发生器，并通过循环泵抽取到喷淋装置；

S5：热水管道 b 中的待输出热水进入发生器，作为热源提供热量，促进发生器中喷淋为雾状液滴的溶液汽化，并从热水出水管道排出最终输出的热水完成循环。

上述吸收式制冷机在发生器和冷凝器之间设置了真空泵 a，在吸收器和蒸发器之间设置了真空泵 b，真空泵使发生器和蒸发器中真空度提高，使冷凝器和吸收器中压强增加从而促进发生器和蒸发器中液体变为气体，并促进冷凝器和吸收器中气体变为液体。

总体来说，上述技术方案回收利用了冷凝器和吸收器中产生的热量，可是系统不可能自发运作，而该热量本身就是由制冷机运作过程中产生的，根据热力学第二定律，这股热量不足以作为发生器的热源持续驱动制冷机，所以该技术方案采用真空泵作为制冷机的驱动动力，但真空泵存在耗电量大，噪声大的缺点。

技术实现要素：

本专利为了克服上述现有技术的不足，提供一种能够利用CPU运行时产生的热量进行散热的利用CPU余热的高热密度机房综合散热系统，由于CPU运行时相比机房整体来说温度高很多，完全可以利用CPU所产生的热量驱动吸收式制冷机进行散热而不需要真空泵的加入，具有耗电量少，噪音低的特点。综合散热系统整体来说散热效果好，节能环保。

针对本专利利用CPU余热的高热密度机房综合散热系统来说，上述技术问题是这样加以解决的：一种利用CPU余热的高热密度机房综合散热系统，包括余热利用装置、溴化锂吸收式制冷机、冷却装置和空调末端，所述余热利用装置、冷却装置和空调末端分别与溴化锂吸收式制冷机连接形成循环回路。所述余热利用装置将CPU热量传递到溴化锂吸收式制冷机中进行利用，冷却装置用于带走溴化锂吸收式制冷机的热量，空调末端用于吸收机房中的热量，再通过循环回路把热量释放到溴化锂吸收式制冷机中。溴化锂吸收式制冷机在利用低品位的太阳能、工业废热、余热等方面具有独特优势，当溴化锂吸收式制冷机中的驱动热源温度达到60℃左右时即可启动工作，由于本技术方案中机房中的发热主体，即CPU的热量由余热利用装置吸收，使得空调末端不需要大量吸收机房中的热量，机房空气温度在30℃左右甚至更高时即可满足机房的散热需求，因此可以相应提高溴化锂吸收式制冷机的运行时机体的温度，进一步降低所需驱动热源的温度，而CPU 运行时的温度一般在60~80℃之间，所产生的热量完全可以充当驱动热源，驱动溴化锂吸收式制冷机启动，并持续工作。本专利中的溴化锂吸收式制冷机利用余热利用装置吸收CPU的热量作为驱动热源进行散热，降低机房PUE值，提高了散热效率。

进一步地，所述余热利用装置包括热管和中间换热器，热管的一端与中间换热器接触连接，热管的另一端用于对CPU液冷换热，所述中间换热器与溴化锂吸收式制冷机连接形成循环回路。所述热管一端受热时，管中的液体迅速汽化，在热扩散的动力下流向另外一端，即与中间换热器连接的一端，冷凝并释放出热量，然后再流回受热的那一端，如此循环不止地将服务器CPU的热量传递到中间换热器，中间换热器通过循环回路将热量传递到溴化锂吸收式制冷机中。CPU与中间换热器之间通过热管换热，确保了中间换热器发生液体泄漏时不会影响到CPU的正常工作，而且从热传递（辐射、对流、传导）的三种方式来看，其中对流传导最快，所述热管利用液体蒸发和冷凝的对流作用，使热量快速传导。

进一步地，所述热管倾斜设置，高的一端与中间换热器接触连接。相对于汽化的制冷液，冷凝后的制冷液更容易粘附在热管上，不易流动，上述设置方式能使与中间换热器换热后冷凝的制冷液在重力的作用下更快流回另一端，提高传导效率。

进一步地，所述中间换热器为水冷板。所述水冷板中蜿蜒的管道可增大单位面积的散热量，热传导性好。

进一步地，所述溴化锂吸收式制冷机包括按顺序连接形成制冷剂循环回路的蒸发器、吸收发生装置和冷凝器，吸收发生装置与余热利用装置连接形成循环回路，冷凝器和吸收发生装置与冷却装置连接形成循环回路，蒸发器与空调末端连接形成循环回路。根据吸收式制冷机的原理，所述吸收发生装置用于驱动制冷剂和溴化锂溶液在溴化锂吸收式制冷机中进行循环，冷却装置通过循环回路带走冷凝器和吸收发生装置的热量，蒸发器用于带走空调末端的热量，在本技术方案中，吸收发生装置吸收了余热利用装置的热量，即吸收了CPU的热量作为溴化锂吸收式制冷机的驱动热源，节约了能源。

进一步地，所述吸收发生装置包括低压吸收器、低压发生器、高压吸收器和高压发生器，高压发生器和低压发生器分别与余热利用装置连接形成循环回路，高压吸收器和低压吸收器分别与冷却装置连接形成循环回路，低压吸收器与低压发生器连接形成循环回路，高压吸收器与高压发生器形成循环回路，所述低压吸收器与蒸发器连接，高压发生器与冷凝器连接，低压发生器和高压吸收器连接。根据吸收式制冷机的原理，所述低压发生器和高压发生器可以利用通过余热利用装置吸收的CPU的热量作为热源，驱动溴化锂吸收式制冷机，节约能源的同时能极大提高热效率。

进一步地，所述低压吸收器与低压发生器之间的循环回路设有低压溶液热交换器，高压吸收器与高压发生器之间的循环回路设有高压溶液热交换器。根据吸收式制冷机的原理，低压吸收器和高压吸收器在低温下工作，低压发生器和高压发生器在高温下工作，低压溶液热交换器和高压溶液热交换器分别使低压吸收器与低压发生器、高压吸收器与高压发生器中的溶液进行换热，辅助驱动溴化锂吸收式制冷机。

进一步地，所述冷凝器和蒸发器的连接处设有用于控制流量的阀门。所述阀门通过控制制冷剂的流量，从而控制散热系统的散热量，具有节能和出现故障时可以及时关停系统进行维修的作用。

进一步地，所述余热利用置、冷却装置8和空调末端分别与溴化锂吸收式制冷机连接形成的循环回路上设有水泵。通过液体循环流动的方式进行换热，热传导性好。

进一步地，所述水泵为变频水泵，通过调节转速和流量，让余热利用装置、冷却装置和空调末端保持合适的工作状态，具有灵活、节能和维护工作量小的特点。

综上所述的一种散热系统的工作方法包括以下步骤：

S1：空调末端通过循环回路把吸收到的机房中的热量传递到蒸发器中，蒸发器中的制冷剂吸收这股热量蒸发；

S2：低压吸收器中的吸收剂吸收上一步中蒸发的制冷剂，形成稀吸收剂，同时冷却装置通过循环回路带走低压吸收器中吸收剂的热量，使吸收剂保持低温，更容易吸收蒸发的制冷剂；

S3：第一溶液泵将稀吸收剂输送到低压发生器中，同时低压发生器通过循环回路吸收余热利用装置的热量，使得稀吸收剂中的制冷剂蒸发出来，吸收剂在第一溶液泵的作用下回流到低压吸收器中继续吸收蒸发的制冷剂，吸收剂在上述在回流过程中经过低压溶液热交换器与输送到低压发生器过程中的稀吸收剂换热；

S4：高压吸收器中的吸收剂吸收上一步中蒸发的制冷剂，形成稀吸收剂，同时冷却装置通过循环回路带走高压吸收器中吸收剂的热量，使吸收剂保持低温，更容易吸收蒸发的制冷剂；

S5：第二溶液泵将稀吸收剂输送到高压发生器中，同时高压发生器通过循环回路吸收余热利用装置的热量，使得稀吸收剂中的制冷剂蒸发出来，吸收剂在第二溶液泵的作用下回流到高压吸收器中继续吸收蒸发的制冷剂，形成循环回路，吸收剂在上述回流过程中经过高压溶液热交换器与稀吸收剂换热；

S6：冷却装置通过循环回路带走冷凝器中的热量，当上一步蒸发的制冷剂来到与高压发生器相连的冷凝器中时，其所含的热量被循环回路带走，制冷剂冷凝；

S7：冷凝的制冷剂通过阀门又回到蒸发器中进行蒸发，形成循环回路。

在上述步骤中，所述余热利用装置的工作方法如下所示：

S31：所述热管利用制冷液蒸发和冷凝的对流作用吸收服务器中的CPU的热量；

S32：所述水冷板与热管换热的同时通过循环回路将热量释放到低压发生器和高压发生器中；

S33：所述低压发生器和高压发生器中的稀吸收剂吸收热量后把其中的制冷剂蒸发出来。

本专利以水为制冷剂，以溴化锂为吸收剂，具有节省能源、清洁无污染的特点。

本专利与现有技术相比较，其有益效果有：

本专利根据吸收式制冷机的原理，利用机房中服务器CPU的热量为热源，对溴化锂吸收式制冷机进行驱动，同时对CPU和机房整体进行散热，最大限度降低机房PUE值，具有节省能源、散热效率高等诸多优点。

附图说明

下面结合附图，对本专利的具体实施方式作详细说明：

图1是本专利综合散热系统示意图。

图2是图1系统中双级溴化锂吸收式制冷机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本专利做进一步的解释说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1和2所示，一种利用CPU余热的高热密度机房综合散热系统，包括余热利用装置100、溴化锂吸收式制冷机000、冷却装置108和空调末端106，所述余热利用装置100、冷却装置108和空调末端106分别与溴化锂吸收式制冷机000连接形成循环回路。所述余热利用装置100将CPU103热量传递到溴化锂吸收式制冷机000中进行利用，冷却装置108用于带走溴化锂吸收式制冷机000的热量，空调末端106用于吸收机房中的热量，再通过循环回路把热量释放到溴化锂吸收式制冷机000中。由于溴化锂吸收式制冷机000在利用低品位的太阳能、工业废热、余热等方面具有独特优势，当溴化锂吸收式制冷机000中的驱动热源温度达到60℃左右时即可启动工作，由于本技术方案中机房中的发热主体，即CPU103，的热量由余热利用装置100吸收，使得空调末端106不需要大量吸收机房中的热量，机房空气温度在30℃左右甚至更高时即可满足机房的散热需求，因此可以相应提高溴化锂吸收式制冷机000的运行时机体的温度，进一步降低所需驱动热源的温度，而CPU103运行时的温度一般在60~80℃之间，所产生的热量完全可用以充当驱动热源，驱动溴化锂吸收式制冷机000启动，并持续工作。本方案中的溴化锂吸收式制冷机000利用余热利用装置100吸收CPU103的热量作为驱动热源进行散热，降低机房PUE值，提高了散热效率。

所述余热利用装置100包括热管102和中间换热器101，热管102的一端与中间换热器101接触连接，热管102的另一端用于与服务器104中的CPU103进行液冷散热，中间换热器101与溴化锂吸收式制冷机000连接形成循环回路。所述热管102一端受热时，管中的液体迅速汽化，在热扩散的动力下流向另外一端，即与中间换热器101连接的一端，冷凝并释放出热量，然后再流回受热的那一端，如此循环不止地将服务器104中CPU103的热量传递到中间换热器101，中间换热器101通过循环回路将热量传递到溴化锂吸收式制冷机000中。CPU103与中间换热器101之间通过热管102换热，确保了中间换热器101发生液体泄漏时不会影响到CPU103的正常工作，而且从热传递（辐射、对流、传导）的三种方式来看，其中对流传导最快，所述热管102利用液体蒸发和冷凝的对流作用，使热量快速传导。

所述热管102倾斜设置，高的一端与中间换热器101接触连接。相对于汽化的制冷液，冷凝后的制冷液更容易粘附在热管102上，不易流动，上述设置方式能使与中间换热器101换热后冷凝的制冷液在重力的作用下更快流回另一端，提高传导效率。

所述中间换热器101为水冷板101。所述水冷板101中蜿蜒的管道可增大单位面积的散热量，热传导性好。

所述溴化锂吸收式制冷机000包括按顺序连接形成循环回路的蒸发器008、吸收发生装置009和冷凝器007，吸收发生装置009与余热利用装置100接触连接形成循环回路，冷凝器007和吸收发生装置分别与冷却装置108接触连接形成循环回路，蒸发器008与空调末端106接触连接形成循环回路。根据吸收式制冷机的原理，所述吸收发生装置010用于驱动制冷剂和溴化锂溶液在溴化锂吸收式制冷机中进行循环，冷却装置108通过循环回路带走冷凝器007和吸收发生装置010的热量，蒸发器008用于带走空调末端106的热量，在本技术方案中，吸收发生装置010吸收了余热利用装置100的热量，即吸收了CPU103的热量作为溴化锂吸收式制冷机000的驱动热源，节约了能源。

所述吸收发生装置009包括低压吸收器005、低压发生器004、高压吸收器002和高压发生器001，高压发生器001和低压发生器004分别与余热利用装置100连接形成循环回路，高压吸收器002和低压吸收器005分别与冷却装置108连接形成循环回路，低压吸收器005通过第一溶液泵011与低压发生器004连接形成循环回路，高压吸收器002通过第二溶液泵009与高压发生器001形成循环回路，低压吸收器005与蒸发器008连接，所述高压发生器001与冷凝器007连接，所述低压发生器004和高压吸收器002连接。根据吸收式制冷机的原理，所述低压发生器004和高压发生器001可以二次利用通过余热利用装置100吸收的CPU103的热量作为热源，驱动溴化锂吸收式制冷机000，节约能源的同时能极大提高热效率。

所述低压吸收器005与低压发生器004之间的循环回路设有低压溶液热交换器006，高压吸收器002与高压发生器001之间的循环回路设有高压溶液热交换器003。根据吸收式制冷机000的原理，低压吸收器005和高压吸收器002要求低温，低压发生器004和高压发生器001要求高温，低压溶液热交换器006和高压溶液热交换器003分别使低压吸收器005与低压发生器004、高压吸收器002与高压发生器001中的溶液进行换热，辅助驱动溴化锂吸收式制冷机000。

所述冷凝器007和蒸发器008的连接处设有用于控制流量的阀门012。所述阀门012通过控制制冷剂的流量，从而控制散热系统的散热量，具有节能和出现故障时可以及时关停系统进行维修的作用。

所述余热利用装置100、冷却装置108和空调末端106分别与溴化锂吸收式制冷机连接形成的循环回路上设有水泵105。通过液体循环流动的方式进行换热，热传导性好。

所述水泵105为变频水泵105，通过调节转速和流量，让余热利用装置100、冷却装置108和空调末端106保持合适的工作状态，具有灵活、节能和维护工作量小的特点。

本专利一种更优的实施方式，系统中设有多个余热利用装置吸收利用服务器104中CPU103余热，它们的中间换热器101并联后再与溴化锂吸收式制冷机连接000形成循环回路，减少了管道材料的使用，节约管道成本。

综上所述的一种散热系统的工作方法，步骤如下所示：

S1：空调末端106通过循环回路把自身热量传递到蒸发器008中，制冷剂在蒸发器008中吸收这股热量蒸发；

S2：低压吸收器005中的吸收剂吸收上一步中蒸发的制冷剂，形成稀吸收剂，同时冷却装置108通过循环回路带走低压吸收器005中吸收剂的热量，使吸收剂保持低温，更容易吸收蒸发的制冷剂；

S3：第一溶液泵011将稀吸收剂输送到低压发生器004中，同时低压发生器004通过循环回路吸收余热利用装置100的热量，使得稀吸收剂中的制冷剂蒸发出来，吸收剂在第一溶液泵011的作用下回流到低压吸收器005中继续吸收蒸发的制冷剂，形成循环回路，吸收剂在上述在回流过程中经过低压溶液热交换器006与输送到低压发生器004过程中的稀吸收剂换热；

S4：高压吸收器002中的吸收剂吸收上一步中蒸发的制冷剂，形成稀吸收剂，同时冷却装置108通过循环回路带走高压吸收器002中吸收剂的热量，使吸收剂保持低温，更容易吸收蒸发的制冷剂；

S5：第二溶液泵009将稀吸收剂输送到高压发生器001中，同时高压发生器001通过循环回路吸收余热利用装置100的热量，使得稀吸收剂中的制冷剂蒸发出来，吸收剂在第二溶液泵009的作用下回流到高压吸收器002中继续吸收蒸发的制冷剂，形成循环回路，吸收剂在上述回流过程中经过高压溶液热交换器003与稀吸收剂换热；

S6：冷却装置108通过循环回路带走冷凝器007中的热量，当上一步蒸发的制冷剂来到与高压发生器001相连的冷凝器007中时，其所含的热量被循环回路带走，制冷剂冷凝；

S7：冷凝的制冷剂通过阀门012又回到蒸发器中进行蒸发，形成循环回路。

在上述步骤S3中，所述余热利用装置100的工作方法如下所示：

S31：所述热管102利用制冷液蒸发和冷凝的对流作用吸收服务器104中的CPU103的热量；

S32：所述水冷板101与热管102换热的同时通过循环回路将热量释放到低压发生器004和高压发生器001中；

S33：所述低压发生器004和高压发生器001中的稀吸收剂吸收热量后把其中的制冷剂蒸发出来。

本专利以水为制冷剂，以溴化锂为吸收剂，具有节省能源、清洁无污染的特点。