风冷自然冷却热管空调和液冷装置结合的服务器散热系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及服务器机柜散热系统，尤其涉及风冷自然冷却热管空调和液冷装置结合的服务器散热系统。
【背景技术】
[0002]随着IDC互联网数据中心机房高密度机柜的不断增加，设备的集成度越来越高，处理能力也逐渐增高，但设备的功率消耗也随之增大，导致机柜内设备的发热量越多。据统计，目前国内大型IDC机房内机柜服务器发热量大，且基本为全年8760h运行，对于不采用新风的机房而言，全年均需供冷，导致空调系统能耗巨大，其空调能耗约占数据机房整体能耗的 40%~50%。
[0003]传统数据机房送风方式有底板风道送风、冷热通道隔离送风和全房间制冷送风等方式，该模式已不满足现代化机房高密度机柜的制冷需求，出现了局部过热、耗电量大、机房空调能耗过高、噪音大等问题。同时机房精密空调需反复加湿、除湿运转或配套专用除湿机进行机房空气湿度、露点控制，以确保设备内部不发生凝露，导致机房空调系统制冷效率降低、能耗增大。如果机房的散热问题解决不好，就会严重威胁机房设备的安全运行。因此如何在满足设备使用要求的情况下，有效降低机房内空调系统的能耗是空调行业和数据机房运营行业面临的一个重要问题。
[0004]从节能角度考虑，目前有直接采用将室外空气引入室内为机房降温的方案，其优点是制冷效率高、初投资低、能耗低，但缺点是引入室外冷空气后，使得室内空气洁净度、湿度难以保证，带来了安全隐患，后期运行维护量较大。另外也有采用气气蜂窝式换热器，将热管热空气与室外冷空气间接换热，从而降低机房内温度；其优点是在利用室外冷源时不引入室外的空气，不影响机房内的空气的洁净度和湿度，缺点是初投资相对较高，换热器结构比较复杂，容易堵塞，需要定期清洗，维护工作量大。
[0005]而且随着服务器技术的发展，大功率、高发热密度的服务器应用越来越多，而且是不可逆转的发展趋势，目前部分行业用户的单个机柜的最大运行功率已经达到10~15kW左右，但由于空气冷却方式散热效率的局限，使得大功率服务器的应用也难以突破15kW/机柜以上。
[0006]液冷散热是近年发展起来的最高效、最先进的散热方案，其原理是将液态换热介质直接通入具有液冷功能的服务器内部，把主要发热元件--芯片(CPU)产生的热量带走(占整个服务器发热量的70~80%)，采用液冷散热方案，理论上甚至可以使得单位机柜功率突破50kW/以上。但目前这种散热方案仅存在于高校实验室和极少数企业内部小范围研究，而未能形成实用化推广应用，很重要的原因之一，是因为这种采用液冷散热的服务器，其机柜需要内置液冷水分配系统，这就需要对液冷服务器机柜进行专门的定制设计，而机柜生产厂家一般是标准化生产，现阶段也没有掌握液冷水分配系统设计的关键技术，无法为液冷服务器用户配套提供内置液冷水分配系统的机柜产品，特别是旧机房的升级改造，如果想改为液冷散热方案，要对全部服务器机柜都进行替换为内置液冷水分配系统的机柜，无论是改造工程量和成本都非常高昂，极大地局限了液冷散热技术的发展普及。另外，液冷散热系统只能带走70~80%的服务器发热量，但仍然有20~30%的热量需要辅助制冷装置承担，对于液冷服务器这种单机柜功率高达50kW以上的高密度应用，每个机柜需要辅助制冷装置处理10~15kW以上的热量(总功率的20~30%)，如果辅助制冷装置仍然采用传统的风冷散热方式，极易出现机柜的局部热点问题，影响服务器的元件寿命，这也是高密度液冷服务器推广应用所不能忽视的问题。
[0007]申请号为201010141693.8的中国专利《无噪音节能服务器》提供一种无噪音节能服务器，包括:1)采用热管结合液冷方式替代传统的风扇强制对流方式解决处理器散热问题，消除风扇噪音；2)使用功耗低的DDR3内存降低噪音；3)硬盘使用固态硬盘，消除硬盘噪音；4)使用无风扇高效电源为系统供电；具体步骤如下:采用热管结合液冷方式散热，将热管一端与处理器连接，另一端与热交换机中水管连接，根据热管高热传导系性能，将处理器产生的热量传递给热交换机中的水管，冷水在水管中流动，热管与水管中冷水进行热交换，将冷水加热，再把热水从热交换机中排出，热水经制冷剂制冷后输入冷水池，如此循环，以此解决处理器的散热问题，水的流动通过水泵来支持。该专利以热管散热为主，主要的热量由热管来吸收，然后再用液冷的方式与热管进行热交换，只能带走服务器的部分热量，剩下的余热并无任何措施来处理。
[0008]申请号为201410511550.X的中国专利《一种热管二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法》公开了一种热管二次冷媒环路服务器机柜散热系统的控制方法，系统包括机房单元、冷媒供回水单元和控制系统，所述冷媒供回水单元包括冷却单元和循环动力单元，所述循环动力单元通过机房供水干管/机房回水干管与机房单元连接，循环动力单元通过室外出气连接管/室外回液连接管与冷却单元连接；所述冷却单元和循环动力单元都与控制系统连接。所述机房单元包括机柜、一个以上的散热风扇、多个服务器、多个热管散热器和多个热管散热器换热装置，所述散热风扇、服务器、热管散热器和热管散热器换热装置都设置在机柜内，热管散热器紧密的贴合在服务器上，热管散热器换热装置与热管散热器连接，所述热管散热器换热装置通过供水支管与机房供水干管连接，热管散热器换热装置通过回水支管与机房回水干管连接。该专利的热管散热器仅仅只是贴合在服务器上，并未对其最主要的发热器件进行最直接的散热，此外，该系统是通过中间换热器进行两个环路的热交换，这也势必导致传热效率相对直接换热要低。此外，该专利只考虑了服务器主要发热元件(CPU)的散热方案，但没有考虑其他发热元件的散热(内存硬盘等)，所以该专利所提的散热方案其实并不够完善的。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有制冷效率高效果好，不会出现局部热点问题且无需对机柜进行改造的风冷自然冷却热管空调和液冷装置结合的服务器散热系统。
[0010]本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现:
一种风冷自然冷却热管空调和液冷装置结合的服务器散热系统，包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置机于柜柜体内的多个液冷服务器，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有风冷自然冷却热管空调进行辅助散热。本发明通过采用液冷散热技术进行主制冷，机柜级热管散热技术进行辅助制冷，主辅配合制冷，一方面制冷效率高效果好，不会出现局部热点问题，另一方面，本发明提供的方案无需对机柜进行改造，这给液冷散热提供了普及使用的可能性。
[0011]所述液冷装置包括液冷散热器、分配器、集流器和液冷换热介质，所述液冷散热器用于对服务器芯片进行散热，所述分配器通过多根进液连接支管与液冷散热器连接，液冷散热器再通过多根出液连接支管与所述集流器连接，所述液冷换热介质通过分配器和进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管流出液冷散热器并由集流器汇集。液冷换热介质由分配器通过进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管进入集流器形成循环将液冷服务器的主要热量带走。所述液冷换热介质为自来水、纯净水、有机溶液、无机溶液或氟利昂。优选采用纯净水。
[0012]进一步地，所述液冷散热器设于服务器芯片附近，或直接与服务器芯片接触。
[0013]所述风冷自然冷却热管空调包括蒸发器、冷凝器、风冷自然冷却换热装置、电动调节冷媒阀、冷水机、连接管路及内、外循环换热介质，所述蒸发器与冷凝器通过连接管路连接形成内环路，并通过内环路的连接管路装载内循环换热介质，所述冷水机与冷凝器通过连接管路连接形成外环路，并通过外环路的连接管路装载外循环换热介质。所述内、外环路通过冷凝器实现热量传递。所述蒸发器内部的液态内循环换热介质吸收热量后蒸发为气态，在热管循环动力作用下沿连接气管流入冷凝器，热量被水泵提供的低温的外循环换热介质带走，冷凝为液态工质后，沿连接液管流回蒸发器形成循环。所述内循环