一种高密度机房散热系统

本发明涉及机房散热，尤其是涉及一种高密度机房散热系统。

背景技术：

1、随着云计算、大数据等技术的发展，现代数据中心趋向于更高的设备密度，即在有限空间内部署更多服务器以提高计算能力。高密度部署显著增加了单位面积的热负荷，对散热提出了更为严苛的要求。良好的散热方案则能够支持高密度服务器集群的稳定运行，充分利用空间资源，降低数据中心的物理空间成本。

2、传统的数据中心采用风冷散热方式，初期搭建成本较低，但能源利用率较低且噪音影响较大。当高功率密度的大型数据中心逐步成为主流后，常规的风冷散热方式由于散热极限较低，已经难以满足数据中心超高的散热需求。同时由于机房内不同位置、不同服务器之间的散热需求可能存在差异，造成局部热点。这些热点区域如果没有得到妥善处理，可能会导致个别服务器过热，影响整个系统的稳定性和可靠性。可以说，实现散热均匀分布、避免热岛效应，是当前机房散热设计的一大难点，如何设计节约能耗、性能稳定且兼容性好的机房散热系统是本领域技术人员共同关注的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高密度机房散热系统，能够有效节约能耗，同时保证良好的散热性能、实现散热均匀分布。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高密度机房散热系统，包括室外水冷系统、室内循环系统和机柜单元，所述室外水冷系统包括冷却塔单元、第一冷却进水管路、第一冷却回水管路、冷凝器换热单元、第二冷却进水管路、第二冷却回水管路和第一驱动元件，所述第一冷却进水管路和所述第二冷却进水管路并联后与第一换热出水管路连接，所述第一冷却回水管路和所述第二冷却回水管路并联与第一换热进水管路连接；所述冷却塔单元与冷凝器换热单元提供冷却水，所述第一驱动元件用于驱动冷却水进行循环；所述室内循环系统包括：储液器、第一工质输出管路、第一工质回流管路、第二工质输出管路、第二工质回流管路、第二驱动元件、微结构冷头和流量控制元件，所述储液器一侧与换热管路连通，所述储液器的另一侧与第一工质管路连通，所述第二工质输出管路和第二工质回流管路并联后分别与第一工质输出管路和第一工质回流管路接通，所述第二工质输出管路和第二工质回流管路的另一侧与微结构冷头接通，所述第二驱动元件用于驱动工质进行循环，所述流量控制元件用于根据功耗自适应调节工质流量大小；

3、所述机柜单元包括机柜壳体、机柜托盘、主板、发热元件，所述机柜托盘平行放置并连接于机柜壳体中，所述主板放置于机柜托盘平面上，所述发热元件与主板固定连接；

4、可选地，所述主板及发热元件放置于服务器机箱内，结合主板的尺寸大小和发热元件的数量，机箱的型号选自1u、2u或多u。

5、所述微结构冷头贴合安装在发热元件上，所述微结构冷头与发热元件的贴合界面之间填充有导热介质，所述微结构冷头内设有填充有室内循环工质的换热腔，所述微结构冷头还设有所述换热腔的工质进口和工质出口，所述工质进口和工质出口分别与第二工质输出管路和第二工质回流管路连通。可以理解的是，工质经由第二驱动元件的作用从储液罐内进入第一工质输出管路再进一步分配到第二工质输出管路中，通过第二工质输出管路流入微结构冷头的换热腔内带走与微结构冷头相贴合的发热元件的热量，最后经由第二工质回流管路和第一工质回流管路回到储液罐中，在室外水冷系统的作用下进行降温冷却，完成散热循环。

6、进一步地，所述冷却塔单元具体为湿式冷却塔、干式冷却塔、干湿式冷却塔其中的一种；当所述冷却塔为干式冷却塔或干湿式冷却塔时，则设有第一热交换管路，所述第一热交换管路与第一冷却进水管路和第一冷却回水管路组成连续管路；

7、所述冷凝器换热单元连接安装有冷却风机，用以增强冷凝器单元的散热效果。

8、进一步地，所述第一冷却进水管路和第一冷却回水管路上设有第一截止阀，所述第二冷却进水管路和第二冷却回水管路上设有第二截止阀，所述第一截止阀和第二截止阀分别用以控制所述冷却塔单元和所述冷凝器换热单元管路的通断，实现所述冷却塔单元和所述冷凝器换热单元的选择性开启。

9、进一步地，所述第一冷却进水管路和第二冷却进水管路上设有第一驱动元件，所述第一驱动元件具体为容积式流量泵或离心式流量泵。

10、进一步地，所述第一换热进水管路和第一换热出水管路的另一端与换热器的一侧接通，所述换热器的另一侧通过第二换热进水管路和第二换热出水管路与储液器直接接通，所述第二换热进水管路上设有第三截止阀和第一驱动元件。

11、可以理解的是，在一种情况下，冷却塔单元和冷凝器换热单元提供的冷却水通过第一驱动元件输送至隔离式换热器中，通过隔离式换热器再与储液器中的工质进行热量交换，实现对室内循环工质的冷却降温。

12、进一步地，所述储液器内设有第二热交换管路，所述第一换热进水管路和第一换热出水管路的另一端直接与第二热交换管路接通，以将室外冷却系统提供的冷量导入储液器。

13、可以理解的是，在另一种情况下，冷却塔单元和冷凝器换热单元提供的冷却水直接输入到储液器内设置的第二热交换管路中，室外冷却水与室内循环工质通过第二热交换管路的管壁进行热传导，以降低储液罐内的工质温度。进一步地，所述储液器内设有温度检测传感器和液位检测传感器，用于检测储液器内的工质温度和工质液位高度；当储液器内温度高于储液温度预定值、或液位低于储液液位预定值时，则发出警报提醒。

14、可选地，所述储液器上还设有气体泄压阀，当储液器内压力过高时，起到泄压保护的作用。

15、进一步地，所述机柜壳体上连接安装有温度监测装置，用于监测及显示机柜壳体内各层发热元件的实时温度，并与流量控制元件之间电连接。

16、进一步地，所述温度监测装置在监测到所述发热元件的温度小于第一预设值时，则控制流量控制元件为半开启状态；

17、所述温度监测装置在监测到所述发热元件的温度大于或等于第一预设值、且小于或等于第二预设值时，则控制流量控制元件为四分之三开启状态；

18、所述温度监测装置在监测到所述发热元件的温度大于第二预设值时，则控制流量控制元件为全开启状态。

19、进一步地，所述流量控制元件具体为电子节流阀、电动流量泵或变频流量泵，所述第二驱动元件具体为电动流量泵或变频流量泵。

20、进一步地，所述工质具体选自超纯水、含氟化合物、纳米流体其中的一种。

21、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

22、本发明设计室外水冷系统、室内循环系统和机柜单元，其中，室外水冷系统主要包括冷却塔单元、冷凝器换热单元和第一驱动元件，通过冷却水循环为室内循环系统中的流体工质提供冷量；室内循环系统主要包括储液器、工质流动管路、第二驱动元件、微结构冷头及流量控制元件；机柜单元主要包括温度监测装置和发热元件，将微结构冷头贴合安装在各发热元件进行散热，由此将发热元件产生的热量通过室内循环系统引至室外，解决了传统机房使用空调散热的高能耗问题，并能够实现散热均匀分布、避免局部过热引发热岛效应，适用于高密度机房的散热需求。

23、本发明设计冷却塔单元和冷凝器换热单元为室外水冷系统提供循环冷却水，其中，冷却塔单元选自湿式冷却塔、干式冷却塔、干湿式冷却塔其中的一种，湿式冷却塔内热水直接与空气接触；干式冷却塔中热水不直接与空气接触，而是通过热交换器与空气进行热交换；干湿式冷却塔则结合了湿式和干式的优点，可以使用于对水质要求较高或有节水需求的场合。因此，根据不同的场地环境和使用需求可以适应性地选择不同类型的冷却塔单元。冷凝器换热单元作为并联选项是由于其能耗低且结构简单，通过水泵循环和冷却风机就能实现冷却水的散热，在储液器内部工质温度不高时，只开启冷凝器换热单元就能供应足够的冷量，有效节省能源的消耗。

24、本发明利用温度监测装置监测机柜壳身内各层发热元件的实时温度，并以此来调节流量控制元件的开度状态，实现工质流量大小的自适应调节，当发热元件的温度小于第一预设值时，控制流量控制元件为半开启状态，在此温度范围内，机柜内发热元件的总功率较低，只需要一定稳定的流量就可以完成对发热元件的散热；当发热元件的温度大于或等于第一预设值、且小于或等于第二预设值时，控制流量控制元件为四分之三开启状态，在此温度范围内，机柜内发热元件处于较高的功耗，需要进一步增加流量或减少节流阀的限制以提升系统对发热元件的热去除效率；当发热元件的温度大于第二预设值时，则控制流量控制元件为全开启状态，在此温度范围内，泵功率处于额定最大值，节流阀对于流量的限制处于最小，系统的散热能力能够应对机柜内发热元件对应的最大额定功率。由此通过流量反馈控制更好地满足了服务器机柜单元的散热需求，同时能够节约能耗。

25、本发明采用绝缘流体作为工质，避免了一般水冷系统的漏电风险，同时通过微结构冷头的散热方式增强了工质换热系数，显著提高了对发热元件的热去除效率，解决了高密度机柜的散热问题。