一种高功率密度机柜的整体高效散热系统的制作方法

本发明涉及一种高功率密度机柜的整体高效散热系统。

背景技术：

随着信息技术的突飞猛进，对运算速度更快、功能更强的服务器需求猛增，由此导致单个机柜功率密度显著提升。其中主板上的主要发热元件为cpu、gpu等,其发热功率占到总发热功率的60％～70％，主板上的其他发热元件占到总发热功率的30％～40％。通过泵驱两相环路高功率芯片散热系统，主板上主要发热元件的散热得到了很好的解决，但主板上其他发热元件的散热问题仍然需要解决。

目前在评估数据中心能源效率时，通常采用pue(powerusageeffectiveness)值作为评价指标，pue是数据中心消耗的所有能耗与it负载使用的能耗之比。由于主板上其他发热元件分布比较分散，并且每个发热元件所产生的热量比较小，风冷技术更加适合解决其散热问题。传统方法是利用机房空调对主板上其它发热元件进行风冷，但通常机房的占地面积较大，空调与发热元件距离远，空调制冷很难精准地将主板上其它发热元件产生的热量带走。同时，在机房空调制冷的空气循环回路中，冷热空气相互掺混，空气与发热元件的温差减小，换热效果严重降低。在这种情况下，无论是提高风量还是降低载冷空气自身温度从而加大温差的方法，都将显著增加机房散热设备的能耗，导致pue值更大，大大提高了机房的运行运行成本。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种高功率密度机柜的整体高效散热系统，其中，泵驱两相环路高功率芯片散热系统可以对服务器中的主要发热元件cpu、gpu等进行散热，机柜风冷系统可以对服务器除cpu、gpu等主要发热元件之外的其它发热元件进行散热，高功率密度芯片定点散热和低功率密度元器件的风冷散热两者结合，一方面，可以彻底摆脱服务器机柜对房间空调降温的依赖，另一方面可以升高机柜内循环空气的温度，在更加节能的前提下，有效解决高功率密度机柜整体散热的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种高功率密度机柜的整体高效散热系统，其特征在于包括：

制冷剂循环回路,和

空气循环回路，

其中:

制冷剂循环回路包括：

泵驱两相循环回路，其包括制冷剂储液罐、液体泵、第一三通阀、节流装置、风冷蒸发器、第二三通阀、第三三通阀、y型三通阀、冷凝器，

蒸汽压缩循环回路，其包括制冷剂储液罐、液体泵、第一三通阀、节流装置、风冷蒸发器、第二三通阀、蒸汽压缩机、第三三通阀、y型三通阀、冷凝器，

空气循环回路包括风扇风冷蒸发器、密闭机柜形成的循环风道，

其中：

当使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀、第三三通阀将风冷蒸发器至压缩机、压缩机至y型三通阀之间的通道关闭，将风冷蒸发器至y型三通阀之间的通道打开，制冷剂储液罐中的液相制冷剂在液体泵的驱动下，通过第一三通阀进入节流装置，在节流装置中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器，制冷剂在风冷蒸发器中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经y型三通阀，之后进入冷凝器冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热；

当使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀、第三三通阀将风冷蒸发器至y型三通阀之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器至压缩机、压缩机至y型三通阀之间的通道打开，制冷剂储液罐中的液相制冷剂在液体泵的驱动下，通过第一三通阀进入节流装置，在节流装置中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器，制冷剂在风冷蒸发器中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机的入口，在压缩机的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机被压缩，之后被压缩的制冷剂流经y型三通阀，进入冷凝器冷凝成液相，然后液相制冷剂回到储液罐，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。

所述三通位于液体泵出口之后、泵驱两相环路高功率芯片散热系统内外循环热交换器入口之前，通过管路连接着液体泵出口、泵驱两相环路高功率芯片散热系统内外循环热交换器入口、节流装置入口，

所述三通阀位于风冷蒸发器出口之后，压缩机之前，通过管路连接着风冷蒸发器、压缩机、y型三通，

所述风冷蒸发器位于密闭机柜柜内，所述风扇位于密闭机柜柜内并位于所述风冷蒸发器之前或之后，促使密闭机柜内的空气循环流动并与风冷蒸发器中的制冷剂交换热量。

在一些实施例中，所述三通、所述液体泵可以设置于机柜底部的抽屉式方舱，所述方舱通过自锁接头与所述制冷剂储液罐和冷凝器连接，

在一些实施例中，所述y型三通可以设置于机柜底部的抽屉式方舱，也可以设置于冷凝器中的其他位置，

在一些实施例中，所述风冷蒸发器、所述风扇可以设置于机柜底部的抽屉式方舱中，也可以设置于由密闭机柜形成的风道中的其它位置，

在一些实施例中，所述三通、y型三通、三通阀可以为不锈钢快拧三通，

在一些实施例中，风扇可以为吹气式风扇，放在风冷蒸发器之前，也可以为吸气式风扇，放在蒸发器之后，驱动所述密闭机柜内部的热空气流过风冷蒸发器，冷却成为冷空气，

在一些实施例中，所述制冷剂储液罐在重力方向的位置可以低于冷凝器，所述液体泵可以在重力方向的位置低于制冷剂储液罐，

在一些实施例中，所述的风冷蒸发器可以为翅片管式换热器，所述制冷剂可以为常温低压制冷剂。

在一些实施例中，可以将所述制冷剂循环回路中的所述蒸汽压缩循环回路去掉，只保留所述泵驱两相循环回路。

本发明的有益效果：

1)通过泵驱两相环路高功率芯片散热系统中的服务器散热单元对服务器中主要发热元件(如cpu，gpu芯片)进行散热，有效解决了机柜局部热点问题；

2)通过基于泵驱两相环路高功率芯片散热系统的机柜风冷系统，可以对服务器除cpu、gpu等主要发热元件之外的其他发热元件进行散热；

3)通过将泵驱两相环路高功率芯片散热系统与机柜风冷系统结合，对机柜内的主要发热元件和非主要发热元件采取不同的散热方法，一方面，可以彻底摆脱服务器机柜对房间空调降温的依赖，另一方面可以升高机柜内循环空气的温度，在更加节能的前提下，有效解决高功率密度机柜整体散热的问题，有利于边缘数据中心的建设；

4)根据室外环境温度情况，可以利用三通阀的开闭选择机柜风冷系统的制冷剂循环回路，在满足散热要求的基础上达到系统最节能的目的；

4)主要部件安装在抽屉式方舱，并且方舱与外界通过自锁接头形式连接，从而便于安装、维护和拆卸；

5)采用密闭式机柜，可以有效屏蔽外界环境对电子设备的影响，减小柜体内部元件的故障率；

6)实现了单个机柜和机房的完全隔离，可以降低数据中心机房的环境要求，拓宽了数据中心选址的范围，进而减小机房的运维成本；

8)通过以密闭式机柜为风道，减小了空气循环路径，最大程度减小冷热空气混合问题，从而提高换热效率，进而减小机房散热所需能耗；

9)制冷剂本身是绝缘介质，即使泄露也会瞬间气化，不会对服务器运行造成危害，并且制冷剂属于常温低压制冷剂，沸点高于室温(例如25℃)，系统可以运行在很低的正压状态，其各部件不需要额外的耐压要求；

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的整体结构示意图。

图2为根据本发明的一个第一实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统局部结构的示意侧视图。

图3为本发明的一个第二实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统局部结构的示意侧视图。

图4为本发明的一个第三实施例的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统局部结构的示意侧视图。

具体实施方式

现在结合附图和实施例进一步描述本发明。

如图1至图4所示，根据本发明的高功率密度机柜的整体高效散热系统是在泵驱两相环路高功率芯片散热系统的基础上改进而得，其整体结构包括泵驱两相环路高功率芯片散热系统和机柜风冷系统。

如图1、图2、图3所示，根据本发明的高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统包括制冷剂循环回路和空气循环回路。为应对不同循环工况，制冷剂循环回路分为两路：

一路为泵驱两相循环回路，包括制冷剂储液罐1、液体泵2、第一三通3、节流装置4、风冷蒸发器5、第二三通阀6、第三三通阀8、y型三通9、冷凝器10；

另一路为蒸汽压缩循环回路，包括制冷剂储液罐1、液体泵2、第一三通3、节流装置4、风冷蒸发器5、第二三通阀6、蒸汽压缩机7、第三三通阀8、y型三通9、冷凝器10。

机柜内空气循环回路包括风扇11、风冷蒸发器5。密闭机柜构成循环风道13。

在如图1、图2所示的第一实施例中，制冷剂储液罐1沿重力方向的位置低于冷凝器10，液体泵2沿重力方向的位置低于制冷剂储液罐1，以下结合本发明的散热系统的具体散热过程来进一步说明本发明。

在如图1、图2所示的第一实施例中，制冷剂选择为r-141b，常压沸点32℃；热交换器12选为板式换热器，所用机柜为标准42u机柜，包含30个1u服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的cpu芯片。具体过程包括：

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的泵驱两相环路高功率芯片散热系统中，液相r-141b制冷剂通过在微小通道换热器中的相变对机柜中的主要发热元件cpu进行冷却；

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的制冷剂循环回路中，其中：

当使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至y型三通9之间的通道关闭，将风冷蒸发器5至y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相r-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过第一三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经y型三通9，之后进入冷凝器10冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐1，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热；

当使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至y型三通9之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相r-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过第一三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机7的入口，在压缩机7的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机7被压缩，之后被压缩的制冷剂流经y型三通9，进入冷凝器10冷凝成液相，然后液相制冷剂回到储液罐1，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。

-如图2所示，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的空气循环回路中，热空气3-3在风扇11的驱动下经过风冷蒸发器5，在风冷蒸发器5处，热空气3-3所携带的热量被制冷剂吸收，热空气3-3被冷却为冷空气3-1，冷空气3-1通过密闭机柜13的引导流向各层3-2主板，相对于热空气，冷空气的密度较高，冷空气在向上流动的过程中，可以在各层水平方向上起到均流的作用，在流经各层3-2主板的过程中，冷空气吸收各层3-2主板上非主要发热元件的热量，变成热空气3-3，热空气3-3通过密闭机柜13的引导流向风扇，空气在循环回路中形成循环，持续散热。

在如图3所示的第二实施例中，风冷蒸发器5和风扇11位于机柜顶部。

在第二实施例的一个具体实例中，制冷剂选择为r-141b，常压沸点32℃；热交换器12选为板式换热器，所用机柜为标准42u机柜，包含30个1u服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的cpu芯片。具体过程如下：

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的泵驱两相环路高功率芯片散热系统中，液相r-141b制冷剂通过在微小通道换热器中的相变对机柜中的主要发热元件cpu进行冷却；

-在如图3所示的第二实施例中，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的制冷剂循环回路中，其中：

使用泵驱两相循环回路时，分别利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至y型三通9之间的通道关闭，将风冷蒸发器5至y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相r-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经y型三通9，之后进入冷凝器10冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐1，制冷剂在上述部件中依次循环流动，形成了机柜风冷系统中的泵驱两相循环回路，通过循环持续散热。

在某一工况下，使用蒸汽压缩循环回路时，利用第二三通阀6、第三三通阀8将风冷蒸发器5至y型三通9之间的通道关闭，分别将风冷蒸发器5至压缩机7、压缩机7至y型三通9之间的通道打开，制冷剂储液罐1中的液相r-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过第一三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路到达压缩机7的入口，在压缩机7的入口处经过气液分离处理器，使制冷剂全部变为气相制冷剂，气相制冷剂进入压缩机7进行压缩，之后被压缩的制冷剂流经y型三通9，进入冷凝器10冷凝成液相，然后液相制冷剂回到储液罐1，这样，制冷剂通过机柜风冷系统中的蒸汽压缩循环管路形成循环，持续散热。

-如图3所示，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的空气循环回路中，热空气3-3在风扇11的驱动下经过风冷蒸发器5，在风冷蒸发器5处，热空气3-3所携带的热量被被制冷剂吸收，热空气3-3被冷却为冷空气3-1，冷空气3-1通过密闭机柜13的引导流向各层3-2主板，在流经各层3-2主板的过程中，冷空气吸收各层3-2主板上非主要发热元件的热量，变成热空气3-3，相对于冷空气，热空气的密度较低，这样热空气3-3就会在压力差的作用下，通过密闭机柜13的引导流向风扇，空气在循环回路中形成循环，持续散热。

如图4所示，在第三实施例中，制冷剂循环回路只保留了泵驱两相循环回路，去掉了蒸汽压缩循环回路。如图4所示，制冷剂循环回路包括制冷剂储液罐1、液体泵2、三通3、节流装置4、风冷蒸发器5、y型三通6、冷凝器7；空气循环回路包括风扇8、风冷冷凝器5、密闭机柜10构成循环风道。

在如图4所示的第三实施例中，制冷剂选择为r-141b，常压沸点32℃；热交换器12选为板式换热器，所用机柜为标准42u机柜，包含30个1u服务器，服务器从上到下连续布置，服务器内部有两颗需要散热的cpu芯片。具体过程如下：

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的泵驱两相环路高功率芯片散热系统中，液相r-141b制冷剂通过在微小通道换热器中的相变对机柜中的主要发热元件cpu进行冷却；

-在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的制冷剂循环回路中，制冷剂储液罐1中的液相r-141b制冷剂在液体泵2的驱动下，通过三通3进入节流装置4，在节流装置4中进行膨胀，压力降低的同时温度也降低，低温的制冷剂沿着管路进入风冷蒸发器5，制冷剂在风冷蒸发器5中通过相变吸收热空气携带的热量，制冷剂流过风冷蒸发器5之后成为气液两相，气液两相的制冷剂通过管路，流经y型三通6，之后进入冷凝器7冷凝成液相，最后液相制冷剂回到储液罐1，制冷剂在循环回路中形成循环，持续散热。

如图4所示，在高功率密度机柜的整体高效散热系统的机柜风冷系统所包含的空气循环回路中，热空气3-3在风扇8的驱动下经过风冷蒸发器5，在风冷蒸发器5处，热空气3-3所携带的热量被被制冷剂吸收，热空气3-3被冷却为冷空气3-1，冷空气3-1通过密闭机柜10的引导流向各层3-2主板，在流经各层3-2主板的过程中，冷空气吸收各层3-2主板上非主要发热元件的热量，变成热空气3-3，相对于冷空气，热空气的密度较低，这样热空气3-3就会在压力差的作用下，通过密闭机柜10的引导流向风扇，空气在循环回路中形成循环，持续散热。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。