一种数据中心的四位一体散热系统的制作方法

本实用新型涉及一种散热系统，特别涉及一种数据中心的散热系统，属于机房散热和热管技术领域。

背景技术：

数据中心(又称机房)现已成为国民经济发展中的重要组成部分，是推进国家科技工业信息化和数字化的主要支柱。随着数据中心规模和集成度的发展，服务器中IT设备功率密度与日俱增，热密度急剧增长，数据中心的散热问题和能耗问题越来越受到关注。以100个插满机架服务器的机柜为例，其总耗电可达50千瓦，加上散热冷却系统也需要等同于计算机硬件自身的耗电量，以每度工业用电0.64元计算，一年无故障运营这个机架服务器将花费大约55万元电费。数据中心的电力消耗正以每年15％～20％的速度增长。

当前，中国面临着经济快速增长和环境资源承载能力的矛盾，节能和环保成为我国许多经济支柱产业发展和升级的主题。数据中心的建设和发展也需要向更加节能、环保和绿色化运行的方向前进。数据中心传统的热管理技术如空气强制对流换热、单相液冷等，由于换热能力不足或是条件制约等原因，导致效果不理想和成本过高。热管作为一种新型的热管理技术，已经在国民经济生活上尤其是电子信息领域有着其独特而广泛的应用。热管是一种通过相变传热、具有超导热性能的传热元件，它通过管内工作介质的相变所产生的潜热来传递热量，其等效导热系数是一般金属材料导热系数的数百倍甚至上千倍，被誉为热的“超导体”。

中国专利(申请号201410768307.6)公开了一种基于热管技术的数据中心节能冷却系统，避免了机房内的冷热气流掺混，能够降低机柜后部出口处排出的热空气团的温度，提高机房的整体散热效率，系统结构简单，安装和 维护方便。但由于热管是布置在机柜后部的热风中，没有与服务器发热源直接接触，散热效果有待进一步提升。此外该系统由于没有利用外界冷源，主要靠机房空调系统来制冷，因此该专利的能耗PUE(Power Usage Efficiency)指标降低有限，还有进一步提升和改进的地方。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术不足，本实用新型将热管嵌入到服务器内部，直接与服务器的发热源相接触，并结合热管式空调技术、冷通道封闭技术和地底优化送风技术，构成了一个完整的热量集中和密闭的内部循环回路系统，提供了一种散热效果更好、能耗更低的数据中心散热系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种数据中心的四位一体散热系统，包括封闭热柜、地底送风通道、第一热管、热风管路、热管式空调、回风管路、机房空调和送风管路；封闭热柜、地底送风通道、第一热管、热风管路、热管式空调、回风管路、机房空调和送风管路均不与数据中心中的环境空气连通；封闭热柜在机柜一侧，并且不与机柜连通，第一热管的蒸发段与机柜中的服务器贴合，第一热管的冷却段位于封闭热柜中；热风管路的一端与机柜的出风口和封闭热柜的出风口连接，另一端与热管式空调热风侧的入风口连接，回风管路连接在热管式空调热风侧的出风口和机房空调的入风口之间，送风管路的一端与机房空调的出风口连接，另一端与地底送风通道连通；地底送风通道设有与封闭热柜底部相连通的第二送风口。

所述散热系统还包括封闭冷柜，所述封闭冷柜在机柜一侧，并与机柜相连通，所述地底送风通道设有与封闭冷柜底部相连通的第一送风口，封闭冷柜不与数据中心中的环境空气连通。

所述封闭冷柜的宽度大于机柜的宽度5～10mm，封闭冷柜的高度与机柜中的位置最高的服务器的高度齐平。

所述送风管路在地底送风通道中，包括主管和支管，主管与机房空调的出风口连接，支管的一端与主管连接，支管的另一端为支管出风口，支管朝不同的方位延伸，并向地底送风通道送风。

所述支管出风口位于第一送风口处或第二送风口处。

所述送风管路的支管出风口在距离主管较远的第一送风口处的数量多于在距离主管较近的第一送风口处的数量，在距离主管较远的第二送风口处的数量多于在距离主管较近的第二送风口处的数量。

所述第一送风口与地面的连接处设有第一送风口孔板，第二送风口处与地面的连接处设有第二送口风孔板，第一送风口孔板的孔洞和第二送风口孔板的孔洞均是离送风管路的支管出风口越近，孔径越小。

所述机柜、封闭热柜和热风管路为两个或两个以上，机柜和封闭热柜通过热风管路以并联的方式连接到热管式空调的热风侧入口。

所述热管式空调包括第二热管，第二热管的蒸发段位于热管式空调的热风侧，冷却段位于热管式空调的冷风侧，第二热管相对水平方向逆时针倾斜5～15度。

所述第一热管的冷却段相对蒸发段向上弯折5～15度。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

1)本实用新型的第一热管直接与服务器的发热部位接触，相比热管与热空气接触，可以大大提高热管的传热量和传热效率，热管冷却段放置于封闭热柜中，将机柜后部和封闭热柜完全隔离密封，热管的加热段和冷却段间完全隔离密封，可以进一步提高热管的传热效率，从而提高系统的降温和散热效果。

2)本实用新型中第一热管的设置使机柜中服务器发热部件产生的热量主要通过热管直接向热管的冷凝段进行输送，如果热管性能优异传热量大，那么可能发热部件的散热完全不需要冷气流的风冷方式，那么一方面就可以去掉服务器内部的多个风扇部件，降低服务器的运行噪声，减少数据中心的 巨大噪声污染，提高数据中心工作人员的整体舒适性，另一方面可以去掉目前的机柜前部第一送风口送风系统，去掉封闭冷柜，只需保留本实用新型设计的第二送风口和封闭热柜，从而可以完全改变目前数据中心的整体散热方式。

3)本实用新型中热管式空调与机房空调在整个循环回路中是串联的耦合结构关系，并且热管式空调位于机房空调的前端，这样从多个机柜服务器排出的热量经过对应的多路管道后首先汇聚到热管式空调，热管式空调成为了换热降温的主力军。经过热管式空调降温后的热气流继续流入机房空调，空调只需对剩下的一部分热量进行制冷，当机房外面大气温度较低(比如冬季)时，机房空调无需启动制冷功能，当机房外面大气温度很高(比如酷热夏季)时，热管式空调完全不工作，但它不影响气流的流过，机房空调成为换热降温的主力军。两者这种串联耦合结构关系，相比现有最新专利提出设计的并联结构关系，热管式空调发挥的作用更大，工作的时间更长，因此机房空调制冷相对就更少，整个数据中心的节能效果更加明显。

4)本实用新型中的系统对机柜的前部和后部分别进行了冷通道和热通道的封闭。冷通道封闭可以将冷气直接地百分之百地送入机柜服务器中，热通道封闭一方面可以避免热气流排到机房中形成机房冷热气流的掺混，另一方面可以将热气流聚集起来，为后面耦合的热管式空调的集中排热创造了条件。冷热通道的双封闭提高了机房的整体散热效率，减小了空调制冷所需的制冷量。

5)本实用新型中的热管式空调可以集中处理机柜服务器排放的热量，并且它将这些热量的大部分以热管换热的形式直接排放到机房外面，并没有引入机房外的湿空气。热管式空调的散热是单方向的，工作时能够将热量从机房排放到机房外，不工作时热量无法从机房外传入机房内，并且封闭的热量集中循环系统能够使热管式空调在全年大部分时间运行，从而可以大大减轻空调制冷的负担，减小空调制冷所消耗的电力，降低机房的运营成本，达 到了节能低碳和绿色环保的目的。

6)本实用新型中的散热系统在目前已有的冷热通道封闭技术的基础上，首次提出了对地底送风方式和出风方式进行优化，防止封闭冷柜中的气流出现风量不相等和风温不均匀的现象，保证每个机柜在宽度方向和高度方向上获得同等数量和相同温度的冷风，从而提高了机房的整体散热效率。

7)本实用新型中新型四位一体散热系统能够更加有效地将热量从服务器带走，并且将热量进行集中处理，提高散热效率，减小机房空调制冷所消耗的电量，可以在不同季节、不同地区全天候稳定运行，能够有效地避免因局部过热问题而导致服务器的停机，提高机房的整体运算能力和稳定可靠性。

8)本实用新型中的散热系统原理简单，装置结构便于安装和维护，对机房所处位置和安装条件的要求都很低，适应性和通用性较强，热管能够自动启动和运行，无需额外动力和功率消耗，能耗低但换热效率高，因此该散热技术及系统可以在不同类型和大小的数据中心进行应用和推广。

附图说明

图1为本实用新型数据中心新型散热系统的结构原理图；

图2为本实用新型数据中心送风管路和送风通道的俯视示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种数据中心的四位一体新型散热系统，包括封闭冷柜2、封闭热柜3、地底送风通道5、第一热管6、热风管路7、热管式空调8、回风管路9、机房空调10和送风管路11等。封闭冷柜2、封闭热柜3、地底送风通道5、第一热管6、热风管路7、热管式空调8、回风管路9、机房空调10和送风管路11均与数据中心中的环境空气相隔离。

数据中心中有机柜1，服务器4堆放在机柜1的内部。封闭冷柜2位于机柜1的前部，与机柜1的前部开放式连通，但与机房环境空气是隔离密封的。封闭热柜3位于机柜1的后部。封闭冷柜2将地底送风通道5的第一出 风口和服务器4前部连接起来，封闭热柜3和机柜1的后部是完全隔离密封的，两者不连通，两者连接处为钢面板，板上开有热管孔，热管孔用于穿过第一热管6的管路，并用橡胶圈或密封胶实现隔离密封，使气体不能在机柜1和封闭热柜3间流动。第一热管6的蒸发段紧贴服务器4，优选第一热管6的蒸发段紧贴服务器4的发热部位，服务器4的发热部位为CPU、南北桥芯片、内存等。第一热管6的冷却段位于封闭热柜3中。热风管路7的一端连接机柜1上部的出风口和封闭热柜3上部的出风口，另一端连接热管式空调8热风侧的入风口。数据中心多个机柜1的热风管路7以并联的方式同时连接到热管式空调8的热风侧入口。回风管路9连接热管式空调8的热风侧的出风口和机房空调10的入风口。送风管路11位于地底送风通道5中，一端连接机房空调10出风口，另一端在地底送风通道5中朝不同的方位延伸，通过送风管路11的出风口向地底送风通道5送风。机房空调10出来的冷空气12经过地底送风通道5的第一送风口后进入封闭冷柜2中，经过地底送风通道5的第二送风口后进入封闭热柜3中。第一送风口与地面的连接处设有第一送风口孔板，第二送风口处与地面的连接处设有第二送口风孔板，封闭冷柜2和封闭热柜3的下方分别为第一出风孔板和第二出风孔板，分别使封闭冷柜2与第一送风口相连通和使封闭热柜3与第二送风口相连通，冷空气12通过封闭冷柜1后百分之百地流入机柜1中的服务器。

热管式空调8包括第二热管20、热风侧、冷风侧、变频风机和控制系统，热风侧流入热风管路中的高温热空气17，冷风侧位于机房外，流入外界大气环境中的外界冷空气19，第二热管20的蒸发段位于热风侧，冷却段位于冷风侧，并且热风侧和冷风侧是完全隔离密封的。

优化送风技术包括对已有送风管路11的长短和出风口位置的优化调节，地板送风口孔板(第一送风口孔板和第二送风口孔板)的孔径大小的调节和孔径位置的优化布置，以及封闭冷柜2的宽度和高度的优化配置等。如图2所示，送风管路11位于地板下面地底送风通道5中，包括主管和支管， 机房空调10的底部出风口连接主管的入口，支管的一端连接主管，另一端为支管出风口，用于向地底送风通道5送风。两排机柜1沿第一送风口的两侧对齐排列(图2中每排机柜1只画出了一个机柜1)，并且两排机柜1的前部面对面放置，冷气流从第一送风口出来后通过封闭冷柜2能同时进入两排机柜1的前部。传统的送风技术只考虑了地底静压箱均匀送风模式，送风管路及其支路的设计基于整个地底气流场和温度场均匀的理念，并没有考虑通过支路将冷气流直接送到第一送风口附近，并且优化出风口的设计，以不同位置服务器获得的冷量均匀作为设计基础，提高送风效率。传统送风技术的不足和简单化设计导致了目前数据中心每排机柜服务器获取的冷量的严重不平衡，例如有些时候第一送风口的中间部位气流出风量大和温度较低，而两端气流出风量较小和温度相对高一些；有些时候距离机房空调较近的第一送风口流出风量大和温度较低，而距离机房空调较远的第一送风口流出风量小和温度较高；并且每排机柜中在不同高度位置的服务器所获得的出风量和风温也相差较大。本实用新型优化了送风方式和出风方式，距离主管较远的第一送风口下面的支管出风口的数量多于距离主管较近的第一送风口下面的支管出风口的数量。同理，距离主管较远的第二送风口下面的支管的出风口的数量多于距离主管较近的第二送风口下面的支管的出风口的数量。

如图2，实施例中，支管包括第一分支管路23和第二分支管路24，第一分支管路23的支管出风口位于距离主管较近的第一送风口底下，并且主管每一侧的第一分支管路23都只设计为2条管路，因为它离主送风管路较近，得到的冷风风压较高，风温较低；2条管路的支管出风口准确位于第一送风口孔板的1/4和3/4稍微向中心靠拢的位置处。而第二分支管路24的支管出风口直接改到位于距离主管较远的第一送风口底下，并且主送风管路每一侧的第二分支管路设计为3条管路；3条管路的中间管路支管出风口位于最中间，左右两条准确位于第一送风口孔板的1/6和5/6稍微向中心靠拢一些的位置处。这样的结构设计能使距离主管不同长度的每个第一送风口得到 的冷量基本一致，使同一个第一送风口在左右宽度方向上得到的冷量也基本一致。本实用新型还优化了地板出风口孔板的孔径大小的调节和孔径位置的调节，如图2，传统的数据中心送风方式中，每个第一送风口孔板的所有孔洞的孔径大小一致(例如都为22mm)，孔间距也一致(例如28mm)，孔隙率大概为50％，这种简单的设计使位于分支管路出风口附近的地板孔洞中流出的冷气流风量大和温度较低，而远离分支管路出风口处流出的冷气流风量小和温度较高，本实用新型将位于支管出风口附近的地板孔洞的孔径变小(例如15mm)，而远离支管出风口处的地板孔洞的孔径变大(例如25mm)，如图2中所示，但保持整个第一送风口的孔隙率不发生变化。也就是说，第一送风口孔板的孔洞和第二送风口孔板的孔洞均是离送风管路11出风口越近，孔径越小。以上两个方面的优化设计和结构调整，可以使机柜中不同宽度位置的服务器在宽度方向上获得的冷量基本相同，显著提高了送风效率和服务器的冷却散热效果。最后，本实用新型还对封闭冷柜2的宽度和高度进行了优化配置，包括封闭冷柜2的宽度大于机柜1的宽度5～10mm，封闭冷柜2的高度与机柜1中的最上层服务器4的高度齐平，缩小服务器4与服务器4之间的悬空间距，使封闭冷柜2中的冷量更加集中，并在机柜1底部与地底送风通道5完全隔离，在服务器4与服务器4间的悬空间距的前部加装盲板，防止冷量流失，更进一步提高送风效率和散热效率。

第一热管6的蒸发段为平板蒸发器，或者圆柱蒸发器耦合金属平板，蒸发段平板的面积很小，其边长只有2～4cm左右。第一热管6的冷却段为翅片管，热管和翅片的制备和连接可以采取一体成形或挤压或冷胀或螺钉紧固的方式。第一热管6可以采用铝-氨热管或者铜-水热管或者铝-氟利昂或者铜-氟利昂热管，并且热管的蒸发段位水平布置，冷却段相对蒸发段向上弯折5～15度，以加快液相工质的回流能力，提高热管的传热能力。第一热管6的蒸发段可以根据传热功率的需求选择是否布置毛细芯，当传热功率大于100W时，第一热管6设计有毛细芯，为环路热管结构，否则无毛细芯，为 重力式热管结构。

第二热管20的蒸发段和冷却段都选用翅片管结构。第二热管20可以采用铝-氨热管或者铜-氟利昂热管或者铝-氟利昂热管。第二热管20无毛细芯，为重力式热管，并且每根热管以相对水平方向逆时针5-15度的倾斜角度进行布置。第二热管20的传热方向是不可逆的，热量只能从热风侧向冷风侧传递，也就是热管工作时只能从机房内向机房外传递热量。

第二热管20能够自动启动和长期运行。当热风管路7中的风温高于外界环境温度一定温差，如5℃及以上时，热管自动启动运行，热管管路7中的大部分热量通过热管20从机房内直接排放到机房外，少部分热量由机房空调10来承担；否则，热管20无法启动，热管式空调8停止工作，外界热量也无法传入，服务器4产生的全部热量由机房空调10来承担。热管式空调8结合封闭热柜3和热风管路7的密闭循环结构设计，并且它位于机房空调10的前端，能够使热管式空调8在全年大部分时间运行，在北方全年运行时间的占比超过70～85％，在南方全年运行时间的占比超过50～70％。

本实用新型的一种数据中心新型散热技术及系统的工作过程如下：

1)机房空调10制冷后的冷空气12通过送风管路11向整个地底送风通道5进行输送。封闭冷柜2的下方地板有第一送风口孔板，冷空气12的一部分从地底送风通道5出来后进入封闭冷柜2形成均匀的冷柜冷气流13，然后流入机柜1内的服务器4中。

2)冷柜冷气流13与服务器4里面的发热部件进行换热过程，冷柜冷气流13吸收热量后升温变成了热气流14。热气流14由位于机柜1后方顶部的抽气风扇16抽走，向上方流动汇集于热风管路7。

3)第一热管6的蒸发段紧贴服务器4的发热部位，并与发热部件进行换热过程。热量从发热部件以导热的方式传向第一热管6的蒸发段，第一热管6的蒸发段里面的液态工质吸收热量后产生相变，液体变成了气体。气体在蒸汽压力的作用下自动向第一热管6的冷却段方向流动。

如果第一热管6的传热性能优异，可以将服务器4产生的热量全部输送到第一热管6的冷却段，那么一方面可以去掉封闭冷柜2下方地板的第一风口孔板和封闭冷柜2，也就没有了冷柜冷气流13和通过服务器后产生的热气流14，从而可以进一步去掉服务器4内部的抽气风扇16，大大降低服务器的运行噪声，减少数据中心的巨大噪声污染，提高数据中心工作人员的整体舒适性。这是本实用新型提出采用第一热管6这一结构特征来进行服务器散热，所可能能够带来的附加效果和巨大优势，并有可能颠覆目前数据中心的整体散热方式。

4)封闭热柜3底部的地板有第二风口孔板，送风通道冷空气12的一部分从地底送风通道5出来后进入封闭热柜3形成均匀的热柜冷气流15。热柜冷气流15流过第一热管6的冷却段，并跟第一热管6的冷却段进行换热过程。第一热管6将热量传递给热柜冷气流15，热管冷却段内的工质由于放热而发生冷凝相变，气体变成了液体，液体在重力的作用下从热管的冷却段自动流回热管的蒸发段，如此不断循环反复。热柜冷气流15吸收热量后升温，由小功率抽气风扇25抽走而汇聚于热风管路7。

5)热风管路7中的热气流14和吸收热量后的热柜冷气流15这两路热气流汇集后形成高温热空气17。高温热空气17从热管式空调8的热风侧的入口流入，流过第二热管20的蒸发段。高温热空气17与第二热管20的蒸发段进行换热，热量从高温热空气17传向第二热管20的蒸发段，热管蒸发段内的液态工质吸收热量后产生相变，液体变成了气体，气态工质自动流向热管的冷却段。高温热空气17释放热量后温度得到了降低，变成了低温热空气18。

6)第二热管20的冷却段位于热管式空调8的冷风侧，冷风侧位于机房外面。外界大气环境中的外界冷空气19从热管式空调8的冷风侧的入口流入，流过第二热管20的冷却段。外界冷空气19与第二热管20的冷却段进行换热，热量从第二热管20的冷却段传向外界冷空气19，热管冷却段内的 工质由于放热而发生冷凝相变，气体变成了液体，液体在重力的作用下从热管的冷却段自动流回热管的蒸发段，如此不断循环反复。外界冷空气19吸热热量后升温变成外界热空气21，外界热空气21通过冷风侧的鼓风机直接排放到外界大气中。

7)低温热空气18流入回风管路9中，并最终汇集到机房空调10中进行制冷降温。热风管路7中的高温热空气17因为经过了热管式空调8的降温处理，因此机房空调10的制冷负荷大大减小。

在整个冬季如果热管式空调8的降温效果显著，机房空调10甚至可以停止使用。

在夏季如果热管式空调8冷风侧的外界冷空气19接近甚至超过热管式空调8热风侧的入口高温热空气17，则热管式空调8自动停止工作，且热量无法逆向传递，即热量无法从外界通过热管式空调8向机房内传递。而高温热空气17仍然可以顺畅地流过热管式空调8的热风侧，直接返回机房空调10进行制冷降温处理。

8)机房空调10制冷降温后的送风通道冷空气12再次通过送风管路11向整个地底送风通道5进行输送，并按照上述过程依次进行，循环反复，构成了整个闭环循环回路22。

本实用新型未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。