本專利涉及數(shù)據(jù)中心自然冷卻領(lǐng)域，具體涉及一種雙級串聯(lián)式液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

常用的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散熱系統(tǒng)中，服務(wù)器CPU等高密度熱源采用液冷通道散熱，即液態(tài)流體通過與服務(wù)器主要發(fā)熱芯片隔離接觸吸熱，帶走了服務(wù)器總發(fā)熱量70%～80%，而剩下的20%～30%的服務(wù)器熱量則通過風(fēng)冷通道帶走。由于液冷通道散熱效率高，因此采用自然冷卻即可滿足散熱需求，無需壓縮機參與制備冷源，整體能耗低，而風(fēng)冷通道還是有壓縮機參與制冷，所以風(fēng)冷通道的壓縮機能耗成為最新散熱系統(tǒng)主要能耗設(shè)備。

傳統(tǒng)的機房冷凍水空調(diào)系統(tǒng)末端送風(fēng)溫度約為15℃~16℃，在新版GB 50174《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中，服務(wù)器允許進風(fēng)溫度提高到32℃，即表明提高后的服務(wù)器允許進風(fēng)溫度也可滿足服務(wù)器散熱要求，同時服務(wù)器主要發(fā)熱量已經(jīng)通過高效的液冷通道散發(fā)出去，只剩下小部分分散式發(fā)熱量，這使得風(fēng)冷通道去除壓縮機，利用自然冷源進行散熱成為可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本專利提供一種雙級串聯(lián)式液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)，能夠充分利用自然冷源實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心自然冷卻，節(jié)約能源。

針對本專利來說，上述技術(shù)問題是這樣加以解決的：一種雙級串聯(lián)式液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)，包括液冷模塊、風(fēng)冷裝置、中間換熱器和自然散熱裝置，所述中間換熱器一側(cè)為吸熱側(cè)，另一側(cè)為制冷側(cè)，其中吸熱側(cè)的進口連通液冷模塊的出口，吸熱側(cè)的出口連通風(fēng)冷裝置的進口，制冷側(cè)與自然散熱裝置連通形成循環(huán)回路。

所述液冷模塊用于吸收服務(wù)器中主要發(fā)熱元件的集中式熱量，風(fēng)冷裝置用于吸收服務(wù)器中其他元件的分散式熱量。液冷模塊利用液體換熱介質(zhì)比熱容大、對流換熱快、蒸發(fā)潛熱大等特點，所以才能夠通過中間換熱器結(jié)合自然散熱裝置對服務(wù)器主要發(fā)熱元件進行自然冷卻，滿足散熱需求，其次因為服務(wù)器中70%~80%的熱量已被液冷模塊帶走，服務(wù)器中其余的分布式熱量允許進一步提高送風(fēng)溫度到32℃，這使得風(fēng)冷裝置能夠結(jié)合自然散熱裝置對服務(wù)器中的其他發(fā)熱元件進行自然冷卻，再者中間換熱器的設(shè)置將液冷模塊、風(fēng)冷裝置與自然散熱裝置之間的換熱回路分成了兩級，間接縮短了自然散熱裝置所在的換熱回路，降低換熱介質(zhì)在換熱回路中的壓降，從而加快了換熱介質(zhì)的流速，提高換熱效率。綜上，本專利充分利用自然冷源進行散熱，減少了機械制冷中壓縮機等部件的運行和維護成本，極大地降低了能耗，節(jié)省了能源。

進一步地，還包括三通閥，所述三通閥包括第一接口、第二接口和第三接口；所述中間換熱器制冷側(cè)的出口通過第一接口和第二接口連通自然散熱裝置的進口，制冷側(cè)的進口連通自然散熱裝置的出口，形成循環(huán)回路，第三接口連通自然散熱裝置的出口。

所述第三接口連通自然散熱裝置的出口，意味著從中間換熱器一側(cè)出口輸出的高溫換熱介質(zhì)可以不經(jīng)自然散熱裝置進行換熱，并重新回到中間換熱器中進行換熱，所以當(dāng)制冷量過剩時可以適當(dāng)打開第三接口，減少制冷量，節(jié)省自然散熱裝置的能耗，還能夠在一定程度上保護液冷模塊和風(fēng)冷裝置不會溫度過低，可靠性高，因為當(dāng)服務(wù)器溫度過低時元件、電路板和線路等受冷收縮，有可能導(dǎo)致三者間接觸不良等現(xiàn)象發(fā)生，同時也有可能因過冷而產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，避免凝露導(dǎo)致的電路短路、霉菌滋生和材料腐蝕等安全隱患，進一步保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

進一步地，還包括第一二通閥，所述第一二通閥的兩個接口分別連通風(fēng)冷裝置的出口和進口。

當(dāng)風(fēng)冷裝置的制冷量過?；蛞豪淠K的制冷量過少時，可適當(dāng)擴大第一二通閥的開度，使中間換熱器一側(cè)出口的一部分低溫換熱介質(zhì)不經(jīng)風(fēng)冷裝置，直接流到液冷模塊中；當(dāng)風(fēng)冷裝置的制冷量過少或液冷模塊的制冷量過剩時，可適當(dāng)縮減第一二通閥的開度，使中間換熱器吸熱側(cè)出口的大部分低溫換熱介質(zhì)先經(jīng)風(fēng)冷裝置，再流到液冷模塊中，因此，該第一二通閥的開度便于根據(jù)實際情況進行調(diào)整，靈活性好，提高了系統(tǒng)適應(yīng)性。

進一步地，所述中間換熱器吸熱側(cè)的進口或出口上設(shè)有第一循環(huán)泵，第一循環(huán)泵上設(shè)有第一變頻器。

當(dāng)制冷量不能滿足風(fēng)冷裝置或液冷模塊的需求時，可適當(dāng)升高第一變頻器的工作頻率，使第一循環(huán)泵加快運轉(zhuǎn)，提高回路中換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，在一定程度上提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

進一步地，還包括設(shè)在自然散熱裝置出口或進口的第二循環(huán)泵，第二循環(huán)泵上設(shè)有第二變頻器。

當(dāng)制冷量不能滿足風(fēng)冷裝置或液冷模塊的需求時，可適當(dāng)升高第二變頻器的工作頻率，使第二循環(huán)泵加快運轉(zhuǎn)，提高回路中換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，穩(wěn)定性好；當(dāng)制冷量有盈余時，可適當(dāng)降低第二變頻器的工作頻率，使第二循環(huán)泵減慢運轉(zhuǎn)速度，降低回路中換熱介質(zhì)的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務(wù)器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

進一步地，所述自然散熱裝置上設(shè)有第三變頻器。

當(dāng)制冷量不能滿足風(fēng)冷裝置或液冷模塊的需求時，可適當(dāng)升高第三變頻器的工作頻率，使自然散熱裝置加快運轉(zhuǎn)，提高換熱介質(zhì)與自然環(huán)境的換熱效率，進而加大制冷量，保證系統(tǒng)正常運行；當(dāng)制冷量有盈余時，可適當(dāng)降低第三變頻器的工作頻率，降低換熱介質(zhì)與自然環(huán)境的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務(wù)器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

進一步地，還包括并聯(lián)自然散熱裝置進口和出口，或并聯(lián)中間換熱器吸熱側(cè)進口和出口的制冷補償裝置。

當(dāng)自然散熱裝置不能提供足夠的制冷量供冷或出現(xiàn)故障停止運行時，制冷補償裝置就可以對自然散熱裝置進行制冷補償，保障系統(tǒng)正常散熱。

進一步地，所述制冷補償裝置的所在支路上串聯(lián)有第二二通閥。

當(dāng)制冷補償裝置停止運行時，為避免一部分換熱介質(zhì)經(jīng)過制冷補償裝置的所在支路，降低換熱效率，可關(guān)閉第二二通閥保證換熱介質(zhì)在正確的回路中循環(huán)，保證系統(tǒng)正常運行，可靠性好。

進一步地，所述風(fēng)冷裝置的進口設(shè)有第一溫度傳感器，液冷模塊的進口設(shè)有第二溫度傳感器。

當(dāng)?shù)谝粶囟葌鞲衅鳈z測到風(fēng)冷裝置進口的換熱介質(zhì)溫度低于設(shè)定值時，可適當(dāng)降低第二變頻器或第三變頻器的頻率，或加大第三接口來減少流經(jīng)自然散熱裝置的換熱介質(zhì)，增加換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，提高風(fēng)冷裝置進口的換熱介質(zhì)溫度至預(yù)定值以上，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行；當(dāng)?shù)诙囟葌鞲衅鳈z測到液冷模塊進口的換熱介質(zhì)溫度高于設(shè)定值時，可適當(dāng)升高第一變頻器的頻率，或者開啟第一二通閥增大換熱介質(zhì)流經(jīng)液冷模塊的比例，增加換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，使液冷模塊進口的換熱介質(zhì)溫度下降到預(yù)設(shè)值內(nèi)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定散熱；當(dāng)?shù)诙囟葌鞲衅鳈z測到液冷裝置進口的換熱介質(zhì)溫度低于設(shè)定值時，可適當(dāng)降低第二變頻器或第三變頻器的頻率，或加大第三接口來減少流經(jīng)自然散熱裝置的換熱介質(zhì)，縮減第一二通閥的開度減小換熱介質(zhì)流經(jīng)液冷模塊的比例，提高液冷模塊進口的換熱介質(zhì)溫度至預(yù)定值以上，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

進一步地，所述風(fēng)冷裝置的出口設(shè)有第三溫度傳感器，液冷模塊的出口設(shè)有第四溫度傳感器。

當(dāng)所述第三溫度傳感器檢測到風(fēng)冷裝置出口的換熱介質(zhì)溫度高于設(shè)定值時，可適當(dāng)升高第一變頻器的頻率；當(dāng)所述第四溫度傳感器檢測到液冷模塊出口的換熱介質(zhì)溫度高于設(shè)定值時，可適當(dāng)升高第一變頻器的頻率，開啟第一二通閥增大換熱介質(zhì)流經(jīng)液冷模塊的比例；當(dāng)所述第三溫度傳感器和所述第四溫度傳感器同時檢測到溫度高于設(shè)定值時，可適當(dāng)升高第一變頻器、第二變頻器或第三變頻器的頻率，或者關(guān)小第三接口增大流經(jīng)自然散熱裝置的換熱介質(zhì)，通過上述手段提高換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定散熱。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本專利的有益效果為：

1、所述液冷模塊和風(fēng)冷裝置通過自然散熱裝置進行自然冷卻，極大地降低了能耗。

2、通過檢測機構(gòu)：第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器和第四溫度傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測，以及調(diào)節(jié)機構(gòu)：第一變頻器、第二變頻器、第三變頻器、三通閥、制冷補償裝置、第一二通閥和第二二通閥對系統(tǒng)工作的調(diào)控，保證系統(tǒng)在滿足散熱需求的同時避免過冷而導(dǎo)致服務(wù)器中部件收縮和產(chǎn)生凝露，使服務(wù)器在安全溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。

附圖說明

圖1是本專利的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

如圖1所示的一種雙級串聯(lián)式液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)，包括液冷模塊10、風(fēng)冷裝置7、中間換熱器4和自然散熱裝置1，所述中間換熱器4一側(cè)為吸熱側(cè)，另一側(cè)為制冷側(cè)，其中吸熱側(cè)的進口連通液冷模塊10的出口，吸熱側(cè)的出口連通風(fēng)冷裝置7的進口，制冷側(cè)與自然散熱裝置1連通形成循環(huán)回路。

具體實施過程中，所述風(fēng)冷裝置7為風(fēng)機墻空調(diào)末端，包括冷水盤管8和多個風(fēng)機并聯(lián)組成的風(fēng)機墻9，風(fēng)機墻9通過向冷水盤管8吹送空氣來使冷水盤管8中的換熱介質(zhì)和數(shù)據(jù)中心的空氣進行換熱。

所述液冷模塊10用于吸收服務(wù)器中主要發(fā)熱元件的集中式熱量，風(fēng)冷裝置7用于吸收服務(wù)器中其他元件的分散式熱量。液冷模塊10利用液體換熱介質(zhì)比熱容大、對流換熱快、蒸發(fā)潛熱大等特點，所以才能夠通過中間換熱器4結(jié)合自然散熱裝置1對服務(wù)器主要發(fā)熱元件進行自然冷卻，滿足散熱需求，其次因為服務(wù)器中70%~80%的熱量已被液冷模塊帶走，服務(wù)器中其余的分布式熱量允許進一步提高送風(fēng)溫度到32℃，這使得風(fēng)冷裝置7能夠結(jié)合自然散熱裝置1對服務(wù)器中的其他發(fā)熱元件進行自然冷卻，再者中間換熱器4的設(shè)置將液冷模塊10、風(fēng)冷裝置7與自然散熱裝置1之間的換熱回路分成了兩級，間接縮短了自然散熱裝置1所在的換熱回路，降低換熱介質(zhì)在換熱回路中的壓降，從而加快了換熱介質(zhì)的流速，提高換熱效率。綜上，本專利充分利用自然冷源進行散熱，減少了機械制冷中壓縮機等部件的運行和維護成本，極大地降低了能耗，節(jié)省了能源。

本專利還包括三通閥2，所述三通閥2包括第一接口a、第二接口b和第三接口c；所述中間換熱器4制冷側(cè)的出口通過第一接口a和第二接口b連通自然散熱裝置1的進口，制冷側(cè)的進口連通自然散熱裝置1的出口，形成循環(huán)回路，第三接口c連通自然散熱裝置1的出口。

所述第三接口c連通自然散熱裝置1的出口，意味著從中間換熱器4一側(cè)出口輸出的高溫換熱介質(zhì)可以不經(jīng)自然散熱裝置1進行換熱，并重新回到中間換熱器4中進行換熱，所以當(dāng)制冷量過剩時可以適當(dāng)打開第三接口c，減少制冷量，節(jié)省自然散熱裝置1的能耗，還能夠在一定程度上保護液冷模塊10和冷水盤管8不會溫度過低，可靠性高，因為當(dāng)服務(wù)器溫度過低時元件、電路板和線路等受冷收縮，有可能導(dǎo)致三者間接觸不良等現(xiàn)象發(fā)生，同時也有可能因過冷而產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，避免凝露導(dǎo)致的電路短路、霉菌滋生和材料腐蝕等安全隱患，進一步保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

本專利還包括第一二通閥6，所述第一二通閥6的兩個接口分別連通冷水盤管8的出口和進口。

當(dāng)冷水盤管8的制冷量過?；蛞豪淠K10的制冷量過少時，可適當(dāng)擴大第一二通閥6的開度，使中間換熱器4一側(cè)出口的一部分低溫換熱介質(zhì)不經(jīng)冷水盤管8，直接流到液冷模塊10中；當(dāng)冷水盤管8的制冷量過少或液冷模塊10的制冷量過剩時，可適當(dāng)縮減第一二通閥6的開度，使中間換熱器4吸熱側(cè)出口的大部分低溫換熱介質(zhì)先經(jīng)冷水盤管8，再流到液冷模塊10中，因此，該第一二通閥6的開度便于根據(jù)實際情況進行調(diào)整，靈活性好，提高了系統(tǒng)適應(yīng)性。

所述中間換熱器4吸熱側(cè)的出口上設(shè)有第一循環(huán)泵5，第一循環(huán)泵5上設(shè)有第一變頻器25。

當(dāng)制冷量不能滿足冷水盤管8或液冷模塊10的需求時，可適當(dāng)升高第一變頻器25的工作頻率，使第一循環(huán)泵5加快運轉(zhuǎn)，提高回路中換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，在一定程度上提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本專利還包括設(shè)在自然散熱裝置出口的第二循環(huán)泵3，第二循環(huán)泵3上設(shè)有第二變頻器24。

當(dāng)制冷量不能滿足冷水盤管8或液冷模塊10的需求時，可適當(dāng)升高第二變頻器24的工作頻率，使第二循環(huán)泵3加快運轉(zhuǎn)，提高回路中換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，穩(wěn)定性好；當(dāng)制冷量有盈余時，可適當(dāng)降低第二變頻器24的工作頻率，使第二循環(huán)泵3減慢運轉(zhuǎn)速度，降低回路中換熱介質(zhì)的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務(wù)器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

所述自然散熱裝置1為配置有風(fēng)機的冷卻塔或干冷器，且風(fēng)機上設(shè)有第三變頻器23。

當(dāng)制冷量不能滿足冷水盤管8或液冷模塊10的需求時，可適當(dāng)升高第三變頻器23的工作頻率，使自然散熱裝置1加快運轉(zhuǎn)，提高換熱介質(zhì)與自然環(huán)境的換熱效率，進而加大制冷量，保證系統(tǒng)正常運行；當(dāng)制冷量有盈余時，可適當(dāng)降低第三變頻器23的工作頻率，降低換熱介質(zhì)與自然環(huán)境的換熱效率，從而降低制冷量，節(jié)約能耗，避免服務(wù)器過冷而收縮或產(chǎn)生凝露，造成損害。

還包括并聯(lián)自然散熱裝置1進口和出口，或并聯(lián)中間換熱器4吸熱側(cè)進口和出口的制冷補償裝置26。

當(dāng)自然散熱裝置1不能提供足夠的制冷量供冷或出現(xiàn)故障停止運行時，制冷補償裝置26就可以對自然散熱裝置1進行制冷補償，保障系統(tǒng)正常散熱。

所述制冷補償裝置26的所在支路上串聯(lián)有第二二通閥27。

當(dāng)制冷補償裝置26停止運行時，為避免一部分換熱介質(zhì)經(jīng)過制冷補償裝置26的所在支路，降低換熱效率，可關(guān)閉第二二通閥27保證換熱介質(zhì)在正確的回路中循環(huán)，保證系統(tǒng)正常運行，可靠性好。

所述冷水盤管8的進口設(shè)有第一溫度傳感器11，液冷模塊10的進口設(shè)有第二溫度傳感器13。

所述冷水盤管8的出口設(shè)有第三溫度傳感器12，液冷模塊的出口10設(shè)有第四溫度傳感器14。

本專利一種雙級串聯(lián)式液氣雙通道自然冷卻數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)的工作原理如下：

本系統(tǒng)在默認啟動狀態(tài)下打開第一接口a和第二接口b，關(guān)閉第三接口c和第一二通閥6。

1、當(dāng)所述第三溫度傳感器12檢測到溫度高于設(shè)定值時，可適當(dāng)升高第一變頻器25的頻率；當(dāng)所述第二溫度傳感器13或第四溫度傳感器14檢測到溫度高于設(shè)定值時，先開啟第一二通閥6增大換熱介質(zhì)流經(jīng)液冷模塊10的比例，若第一二通閥6已開至最大，此時可適當(dāng)升高第一變頻器25的頻率進行調(diào)節(jié)；當(dāng)所述第三溫度傳感器12和所述第四溫度傳感器14同時檢測到溫度高于設(shè)定值時，優(yōu)先升高第一變頻器25的頻率使溫度降低，接著關(guān)小第三接口c增大流經(jīng)自然散熱裝置1的換熱介質(zhì)，再提高第三變頻器23的頻率，若還不能有效降低溫度，則提升第二變頻器24的頻率，通過上述手段提高換熱介質(zhì)的換熱效率，提高制冷量，直至將第二溫度傳感器12、第三溫度傳感器13和第四溫度傳感器14的溫度降低到設(shè)定值合理范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定散熱。

2、當(dāng)所述第一溫度傳感器11檢測到冷水盤管8進口的換熱介質(zhì)溫度低于設(shè)定值時，先降低第一變頻器25的頻率，再降低第三變頻器23的頻率，若還不能有效提高溫度，則擴大第三接口c的開度，直至將第一溫度傳感器11的溫度升高到設(shè)定值合理范圍內(nèi)；當(dāng)所述第二溫度傳感器13檢測到冷水盤管8進口的換熱介質(zhì)溫度低于設(shè)定值時，先關(guān)小第一二通閥6的開度，若還不能有效提高溫度，則按照上述次序依次進行調(diào)整，直至將第二溫度傳感器13的溫度升高到設(shè)定值合理范圍內(nèi)，節(jié)約能源，防止服務(wù)器過冷，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3、當(dāng)所述第三溫度傳感器12和第四溫度傳感器14均檢測到溫度高于設(shè)定值且第一變頻器25已升至最高頻率，同時第一溫度傳感器11或第二溫度傳感器13檢測到溫度低于設(shè)定值且第一二通閥6已完全關(guān)閉時，優(yōu)先執(zhí)行工作原理1中的調(diào)節(jié)動作，提高自然散熱裝置1的供冷能力，確保系統(tǒng)正常散熱。

4、在環(huán)境溫度過高或自然散熱裝置1故障導(dǎo)致制冷量不足（即使采用工作原理1的調(diào)節(jié)動作也無法提供足夠制冷量）時，啟動制冷補償裝置26，并開啟第二二通閥27，保障系統(tǒng)正常運行，向服務(wù)器提供足夠的冷源，當(dāng)自然散熱裝置1供冷能力充足或者故障修復(fù)完成后，停止制冷補償裝置26并關(guān)閉第二二通閥27。