一种太阳能吸收式制冷与液冷结合的散热系统的制作方法

本专利涉及机房空调散热领域，具体涉及一种太阳能吸收式制冷与液冷结合的散热系统。

背景技术：

统计数据表明，我国2014年IDC（互联网数据中心）年耗电量超过828.5亿度（相当于燃烧了超过3000万吨标准煤），约占当年全社会用电总量1.5%，所增加的CO2排放量超过8000万吨。在节能与环保两大社会发展主题下，数据中心背后巨大的能源消耗制约了我国节能减排工作的进一步开展。无论数据中心（或服务器机柜）规模如何，它们都有一个共同点：都包括会散热的设备，而散发的热量必须排掉，又加上温度较低的情况下设备的寿命更长，并能够更快速地运行，这使得机房空调被大量应用在数据中心里，直接导致机房空调的耗电量占数据中心耗电量的40%，而与数据中心配套的周边办公、运维和宿舍等辅助建筑在冬季需要大量的热量来解决供暖的问题，在常规设计中，供暖需要锅炉或者热泵解决，需要消耗大量煤炭、燃油、天然气等不可再生能源，其中化石原料燃烧过程种产生的大量CO2是造成温室效应的主要原因，并且发电过程中粉尘和酸性气体等排放物严重污染环境，对人体健康造成损害，因此，如何在保证机房服务器设备正常使用条件下，最大限度降低机房内空调系统的能耗以及向周边配套设施提供更佳的能源用于供暖是数据机房运营行业面临的一个重要问题。

压缩机是空调系统主要的耗电部件，运行时噪声大，因此如何减少压缩机运行时间甚至去除压缩机是降低机房能耗的关键。在公开号为CN102734979A的中国发明专利申请中提供了一种太阳能吸收式制冷系统，包括用于制冷剂蒸发制冷的蒸发器，采用吸收剂吸收制冷剂蒸气的吸收器，用于加热蒸发制冷剂溶液的发生器，用于制冷剂蒸气放热的冷凝器，冷却水经吸收器吸取吸收过程热量后再经冷凝器吸收制冷剂蒸气释放热量；还包括一个包括太阳能集热器和集热水箱的太阳能加热系统，所述太阳能加热系统用于加热发生器中制冷剂溶液。

该技术方案利用了吸收式制冷机的原理，去除了压缩机，且利用清洁能源作为热源驱动，避免了上文提及的引入室外冷空气与采用气气蜂窝式换热器的制冷方式所带来的缺陷，同时也降低了能耗，但是随着 IT 技术的快速发展和数据业务需求的迅猛增长，高热密度服务器运用增多，单个机架的功率越来越高，促使机房出现局部过热的现象，因此，仅仅是传统的空气冷却的方式将难以满足服务器的散热需求。

在公开号为CN104703449A的中国发明专利申请中提供了一种门式热管空调和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，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，还设有门式热管空调进行辅助散热。该技术方案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，虽然制冷效率高，效果好，不会出现局部过热的问题，但是其中的门式热管空调包括冷水机，冷水机中的核心组件仍然为压缩机，没有解决机房能耗过大的问题。

如何将太阳能吸收式制冷和液冷技术结合在一起，成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本专利提供一种太阳能吸收式制冷与液冷结合的散热系统，通过结合太阳能吸收式制冷技术与液冷技术，高效制冷，保证服务器的散热需求，解决机房局部过热的问题，又可在无需电压缩制冷装置的情况下充分利用太阳能制取冷冻水辅助散热，降低机房PUE值与耗电量，节能环保。

针对本专利一种太阳能吸收式制冷与液冷结合的散热系统来说，上述技术问题是这样加以解决的：一种太阳能吸收式制冷与液冷结合的散热系统，包括太阳能吸收式制冷装置，还包括冷却装置、用于服务器机柜散热的空调末端以及用于与服务器发热芯片换热的液冷模块，所述太阳能吸收式制冷装置通过管路与空调末端连接形成循环回路，冷却装置通过管路与液冷模块连接形成循环回路。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色清洁能源，因此，利用太阳能作为驱动热源的太阳能吸收式制冷装置除了能够显著降低散热系统能耗、节约能源以及产生积极的社会和经济效益以外，还具有清洁无污染和使用安全的特点。采用太阳能吸收式制冷装置结合就近机柜安装的空调末端可高效带走服务器的分布式热量：由于空调末端用于对服务器机柜直接散热，所以即便将机房设备的进风温度提高到23℃以上也能够满足散热需求，提高了送风温度和冷却效率；另外服务器中70%~80%的热量已被液冷模块带走，服务器中其余的分布式热量允许进一步提高送风温度到27℃以上，并可提高冷冻水温度8-10℃，可以显著提高系统的能效比。采用液冷方式带走服务器主要发热器件的热量的优点在于：服务器发热芯片正常运行时温度在50~70℃之间，进行散热的液冷模块只需30~40℃的液体换热介质即可满足散热需求，液冷模块利用热管高效导热以及液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，结合冷却装置把服务器的热量高效地带到机房外，从而达成更好的散热效果。本专利结合太阳能吸收式制冷技术与液冷技术两者的优点，由太阳能吸收式制冷装置进行散热的空调末端负责带走服务器发热芯片外的发热元件的热量，冷却装置配合液冷模块带走服务器发热芯片的热量，在节能环保的同时提高制冷效率，解决了机房局部过热的问题，散热系统运作过程中无需电压缩机，节能效果显著，同时减少了噪音。

进一步地，所述空调末端用于与服务器机柜并排设置。

一般机房里设有多排并列的服务器机柜，两排服务器机柜之间形成密闭的冷通道，空调末端与服务器机柜并列相对安装，吹出的冷空气进入封闭的冷通道中，对冲后进入服务器中，使冷空气在服务器中的分布更为均匀，更好地吸收除服务器发热芯片外的其他元件的热量，吸收热量后形成的热空气流到空调末端的回风口，在空调末端中放热后再形成冷空气，如此循环。

进一步地，所述空调末端用于设置在服务器机柜的背部。

服务器中除芯片外的元件，其发热量只占据服务器发热量的20%～30%，利用空气对流散热足以满足其散热需求，利用液冷技术进行散热虽然效果好，但是需要额外铺设能使液体流动的管路，而且为了让服务器内部所有元件进行液冷散热，所需管路的设计也比较复杂，因此，此处不适宜对服务器发热元件统一液冷散热，而是使用结构简单，容易实施的空调末端设置在服务器机柜的背部，通过将服务器中的热空气吹送到空调末端中进行换热。

进一步地，所述空调末端包括门式冷水换热器以及安装在门式冷水换热器上的风机；所述门式冷水换热器通过管路与太阳能吸收式制冷装置连接形成循环回路。

进一步地，所述液冷模块包括热管部件、水冷板、集流器以及分配器，热管部件一端用于与服务器发热芯片换热，另一端与水冷板接触；所述分配器、水冷板、集流器与冷却装置按顺序依次通过管路连接形成循环回路。

服务器发热芯片的发热量占据服务器发热量70%～80%，液冷模块利用热管高效导热以及液冷换热介质比热容大、对流换热快以及蒸发潜热大等特点对服务器发热芯片进行换热，使得服务器发热芯片的内部温度保持在50~65℃之间正常运行；所述热管部件一端受热时，管中的液体迅速汽化，在热扩散的动力下流向另外一端，即与水冷板连接的一端，冷凝并释放出热量，然后再流回受热的那一端，如此循环不止地将服务器发热芯片的热量传递到水冷板中；芯片与水冷板之间通过热管部件换热，确保了水冷板的中流体介质在发生泄漏时不会影响到服务器发热芯片的正常工作，而且热管部件和水冷板具有热阻低和导热效率高的特点，无需外力驱动蒸发冷凝循环，可以实现快速导热。数据中心机房中包括多个服务器，单独对每个服务器发热芯片进行散热是不实际的，造成浪费的同时也容易因为密集的设备而产生安全隐患，本专利通过集流器将应用在各个服务器中的水冷板流出的流体介质集中在一起，通过冷却装置进行散热处理后，再将流体介质通过分配器分配到各个水冷板中，减少了散热处理所需的设备及管道，降低成本，减小了占用机房的空间。

进一步地，所述冷却装置包括冷却塔以及板式换热器，冷却塔通过管路与板式换热器连接形成循环回路，液冷模块与板式换热器通过管路连接形成循环回路；所述冷却塔与板式换热器、板式换热器与液冷模块之间均设有补水箱。

当流体介质在换热过程中出现蒸发损耗或者由于飞溅被空气带走等情况时，补水箱可以及时对流体介质进行补充，稳定冷却装置中的内部压力，保证冷却装置的安全运行。

进一步地，所述太阳能吸收式制冷装置包括吸收式制冷机以及太阳能热源模块，吸收式制冷机与空调末端通过管路连接形成循环回路，太阳能热源模块与吸收式制冷机通过管路连接形成循环回路。

利用太阳能热源模块吸收太阳能，向吸收式制冷机提供热源的同时也能为数据中心配套的周边办公、运维和宿舍等辅助建筑提供清洁无污染的能源用以供暖，极大地降低了能耗。

进一步地，所述吸收式制冷机包括按顺序依次连接形成制冷剂循环回路的发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器和吸收器，蒸发器通过管路与空调末端连接形成循环回路，发生器通过管路与太阳能热源模块连接形成循环回路，发生器通过管路与吸收器连接形成吸收剂循环回路。

根据吸收式制冷机的原理，制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收门式冷水换热器的热量，接着蒸发的制冷剂在吸收器中被沸点较制冷剂高的浓溶液吸收，形成稀溶液；稀溶液通过吸收器与发生器连接的循环回路，流到发生器中，发生器吸收太阳能热源模块的热量，因为原来的浓溶液沸点较高，使得制冷剂先蒸发，并流到冷凝器中；浓溶液通过循环回路再返回吸收器吸收蒸发的制冷剂；在冷凝器中，制冷剂冷凝释放热量，并流入节流阀中；节流阀制造低压环境，而制冷剂在低压下沸点降低，意味着制冷剂能够在低温下蒸发，接着处于低压的制冷剂流入蒸发器中，重复蒸发吸收门式冷水换热器热量的步骤。其中吸收器要求低温，因为在低温状态下吸收器中的浓溶液能使蒸发的制冷剂冷凝，从而更好地吸收制冷剂；发生器要求高温，因为在高温状态下发生器中的稀溶液更容易蒸发出制冷剂，而溶液热交换器使循环回路中从发生器流回吸收器的高温浓溶液，与从吸收器流到发生器的低温稀溶液进行换热，有效利用能量，提高工作效率。

进一步地，所述太阳能热源模块包括太阳能集热器及蓄热水箱，太阳能集热器通过管路与蓄热水箱连接形成循环回路，蓄热水箱通过管路与吸收式制冷机连接形成循环回路。

从太阳能集热器收集到的热量可以先储存在蓄热水箱中，避免热量溢出，造成浪费，再将蓄热水箱中的热量输送到吸收式制冷机中作为热源，因为只有白天才存在利用太阳能的可能，所以热源模块没有直接利用太阳能集热器中的热量，而是通过蓄热水箱先将热量储存，极大地提高了热源模块运行的可靠性。

进一步地，所述蓄热水箱内设有辅助加热装置以及供暖接口。

所述辅助加热装置为电加热器或者其他利用工业余热、废热的加热装置。当夜晚或者冬季太阳能辐射严重不足时，导致太阳能集热器不能吸收到足够的太阳能，传递到蓄热箱中的热量变少，使得蓄热箱传递到单效吸收式制冷机的热量不足，此时，散热系统可启动辅助加热装置保证蓄热水箱中有足够的热量传递到吸收式制冷机中作为热源，在冬季时蓄热水箱还可利用太阳能通过供暖接口向数据中心周边配套设施提供生活热水，减少污染，节约能源。

附图说明

图1是本专利的系统结构图。

图2是空调末端的另一种设置示意图。

图3是冷却装置的结构示意图。

图4是太阳能吸收式制冷装置的另一种结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示的一种太阳能吸收式制冷与液冷结合的散热系统，包括服务器机柜000、太阳能吸收式制冷装置500以及冷却装置（图中未标出），所述服务器机柜000包括机柜柜体001和多个服务器002；所述散热系统还包括设于服务器机柜000的空调末端400以及与服务器发热芯片003换热的液冷模块300，所述太阳能吸收式制冷装置500通过管路与空调末端400连接形成循环回路，冷却装置通过管路与液冷模块300连接形成循环回路。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色清洁能源，因此，利用太阳能作为驱动热源的太阳能吸收式制冷装置500除了能够显著降低散热系统能耗、节约能源以及产生积极的社会和经济效益以外，还具有清洁无污染和使用安全的特点。由于服务器002中各种发热芯片003的发热量高低不一，在实际应用中可以选择全部或者部分发热芯片003接入散热系统中进行散热，也可以选择服务器中主要的发热芯片003接入散热系统中。本专利利用就近送风的空调末端400带走服务器112除服务器发热芯片003以外的分布式热量，可以提高送风温度到27℃以上，提高散热系统能效，同时采用直接液冷带走服务器002主要发热芯片003的发热量。液冷模块300利用热管部件004高效导热以及液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，把服务器002的热量带到机房外，从而达成更好的散热效果。本专利结合太阳能吸收式制冷技术与液冷技术两者的优点，由太阳能吸收式制冷装置500进行散热的空调末端400负责带走服务器发热芯片003外的发热元件的热量，冷却装置配合液冷模块300带走服务器发热芯片003的热量，在节能环保的同时提高制冷效率，解决了机房局部过热的问题，散热系统运作过程中无需电压缩机，节能效果显著，同时减少了噪音。

所述液冷模块300包括热管部件004、水冷板005、集流器008以及分配器009，热管部件004一端与服务器发热芯片003换热，另一端与水冷板005接触；所述分配器009、进液连接支管007、水冷板005、出液连接支管006、集流器008与冷却装置按顺序依次通过管路连接形成循环回路。

服务器发热芯片的发热量占据服务器发热量70%～80%，液冷模块300利用液冷换热介质比热容大，对流换热快的特点对服务器发热芯片003进行换热，使得服务器发热芯片的内部温度保持在50~65℃之间正常运行；所述热管部件004一端受热时，管中的液体迅速汽化，在热扩散的动力下流向另外一端，即与水冷板005连接的一端，冷凝并释放出热量，然后再流回受热的那一端，如此循环不止地将服务器发热芯片003的热量传递到水冷板005中；芯片003与水冷板005之间通过热管部件004换热，确保了水冷板005的中流体介质在发生泄漏时不会影响到服务器发热芯片003的正常工作，而且所述热管部件004利用低热阻高效导热通道，无需外力驱动液体蒸发和冷凝循环，使热量快速传导。数据中心机房中包括多个服务器002，单独对每个服务器发热芯片003进行散热是不实际的，造成浪费的同时也容易因为密集的设备而产生安全隐患，本专利通过集流器008将应用在各个服务器002中的水冷板005流出的流体介质集中在一起，通过冷却装置进行自然冷却散热处理后，再将流体介质通过分配器009分配到各个水冷板005中，减少了散热处理所需的设备及管道，降低成本，减小了占用机房的空间。

所述空调末端400包括门式冷水换热器011以及安装在门式冷水换热器011上的风机012，所述门式冷水换热器011设于服务器机柜000的背部，通过管路与太阳能吸收式制冷装置500连接形成循环回路。

服务器002中除芯片003外的元件，其发热量只占据服务器002发热量的20%～30%，利用空气对流散热足以满足其散热需求，利用液冷技术进行散热虽然效果好，但是需要额外铺设能使液体流动的管路，而且为了让服务器内部所有发热元件进行液冷散热，所需管路的设计也比较复杂，因此，此处不适宜对服务器002内部元件统一液冷散热，而是使用结构简单，容易实施的门式冷水换热器011和风机012进行空气对流散热，通过风机012将服务器002、机柜柜体001乃至于服务器机柜000中的热空气吹送到门式冷水换热器011中进行换热。

所述太阳能吸收式制冷装置500包括吸收式制冷机100以及太阳能热源模块200，所述吸收式制冷机100与门式冷水换热器011通过管路连接形成循环回路，太阳能热源模块200与吸收式制冷机100通过管路连接形成循环回路。

利用太阳能热源模块200吸收太阳能，向吸收式制冷机100提供热源的同时也能为数据中心配套的周边办公、运维和宿舍等辅助建筑提供清洁无污染的能源用以供暖，极大地降低了能耗。

所述吸收式制冷机100包括按顺序依次连接的发生器101、冷凝器102、节流阀103、蒸发器104和吸收器105，蒸发器104通过管路与门式冷水换热器011连接形成循环回路，发生器101通过管路与太阳能热源模块200连接形成循环回路，发生器101通过管路与吸收器105连接形成循环回路；所述发生器101与吸收器105之间的循环回路上设有溶液热交换器107。

根据吸收式制冷机的原理，制冷剂在蒸发器104中蒸发，吸收门式冷水换热器011的热量，接着蒸发的制冷剂在吸收器105中被沸点较制冷剂高的浓溶液吸收，形成稀溶液；稀溶液通过吸收器105与发生器101连接的循环回路流到发生器101中，发生器101吸收太阳能热源模块200的热量，因为原来的浓溶液沸点较高，使得制冷剂先蒸发，并流到冷凝器102中；浓溶液通过循环回路再返回吸收器105吸收蒸发的制冷剂；在冷凝器102中，制冷剂冷凝释放热量，并流入节流阀103中；节流阀103制造低压环境，而制冷剂在低压下沸点降低，意味着制冷剂能够在低温下蒸发，接着处于低压的制冷剂流入蒸发器104中，重复蒸发吸收门式冷水换热器011热量的步骤。其中吸收器要求低温，因为在低温状态下吸收器105中的浓溶液能使蒸发的制冷剂冷凝，从而更好地吸收制冷剂；发生器101要求高温，因为在高温状态下发生器101中的稀溶液更容易蒸发出制冷剂，而溶液热交换器107使循环回路中从发生器101流回吸收器105的高温浓溶液，与从吸收器105流到发生器101的低温稀溶液进行换热，有效利用能量，提高工作效率。

所述太阳能热源模块200包括太阳能集热器201及蓄热水箱203，太阳能集热器201通过管路与蓄热水箱203连接形成循环回路，所述蓄热水箱203通过管路与发生器101连接形成循环回路；所述蓄热水箱203内设有辅助加热装置205。

所述辅助加热装置205为电加热器或者其他利用工业余热、废热的加热装置。当夜晚或者冬季太阳能辐射严重不足时，导致太阳能集热器201不能吸收到足够的太阳能，传递到蓄热箱203中的热量变少，使得蓄热箱203传递到单效吸收式制冷机的热量不足，此时，散热系统可启动辅助加热装置205保证蓄热水箱203中有足够的热量传递到发生器101中作为热源。

本专利的工作原理如下：

S1：制冷剂在蒸发器104中蒸发，吸收门式冷水换热器011的热量，接着蒸发的制冷剂在吸收器105中被沸点较制冷剂高的浓溶液吸收，形成稀溶液；

S2：稀溶液通过溶液泵106泵到发生器101中，发生器101吸收蓄热水箱203的热量，因为原来的浓溶液沸点较高，使得制冷剂先蒸发，并流到冷凝器102中；

S3：浓溶液通过循环回路中的溶液泵106再返回吸收器105吸收蒸发的制冷剂，同时溶液热交换器107使循环回路中从发生器101流回吸收器105的高温浓溶液，与从吸收器105流到发生器101的低温稀溶液进行换热，有效利用能量，提高工作效率；

S4：在冷凝器102中，制冷剂冷凝释放热量，并流入节流阀103中；节流阀103制造低压环境，而制冷剂在低压下沸点降低，意味着制冷剂能够在低温下蒸发，接着处于低压的制冷剂流入蒸发器104中，下一步回到步骤S1。

在步骤S1中，所述门式冷水换热器011的工作方法如下所示：

S11：所述门式冷水换热器011与风机012输送过来的热空气进行冷却，冷却后的空气重新流入机柜柜体001，带走服务器002内部元件的热量，利用空气对流散热足以满足服务器002中除芯片003外的元件散热需求，结构简单服务器发热芯片；

S12：所述门式冷水换热器011通过冷冻水泵010将热量释放到蒸发器104中。

上述步骤带走除芯片003外其他元件的热量，所述液冷模块300带走芯片003中热量的工作方法如下所示：

S111：所述热管部件004一端吸收服务器发热芯片003的热量，另一端将热量释放到水冷板005中，确保了水冷板005中流体介质在发生泄漏时不会影响到服务器发热芯片003的正常工作，而且所述热管部件004利用低热阻高效导热通道，无需外力驱动液体蒸发和冷凝循环，使热量快速传导；

S112：服务器机柜000中包括多个服务器002，集流器008将多个服务器002对应的多个水冷板005流出的流体介质集中在一起，通过冷却装置进行自然冷却散热处理后，再将流体介质通过分配器009分配到各个水冷板005中，减少了散热处理所需的设备及管道，降低成本，减小了占用机房的空间。

在步骤S2中，所述蓄热水箱203的工作方法如下所示：

S21：太阳能集热器201通过第一热源泵202将吸收到的太阳能传递到蓄热水箱203中；

S32：接着蓄热水箱203将热量传递到发生器101中，当太阳能充足时，蓄热水箱203可以将传递后剩余的热量不断储存起来，节约能源；当夜晚或者冬季太阳能辐射严重不足时，可启动辅助加热装置205，保证蓄热水箱203中有足够的热量通过第二热源泵204传递到发生器101中，增加系统稳定性。

实施例2：

如图2~4所示，该实施例与实施例1的不同之处在于，所述服务器机柜000有多个，为并排设置，对应的空调末端400也有多个，所述空调末端400安装于并排的服务器机柜000之间。

一般机房里设有多排并列的服务器机柜000，两排服务器机柜000之间形成密闭的冷通道，空调末端400相对安装，吹出的冷空气进入冷通道中对冲后进入服务器002中，使冷空气在服务器002中的分布更为均匀，更好地吸收除服务器发热芯片003外的其他元件的热量，吸收热量后形成的热空气流到空调末端400的回风口，在空调末端400中放热后再形成冷空气，如此循环。

具体实施过程中，所述空调末端400为列间空调，安装在多个服务器机柜000的列间，贴近服务器机柜000进行散热，结合热管部件004和水冷板005热阻低和导热效率高的特点，即便将机房设备的进风温度提高到27℃以上也能够满足散热需求，提高了送风温度和冷却效率。

所述冷却装置包括冷却塔605以及板式换热器603，冷却塔605通过管路与板式换热器603连接形成循环回路，分配器009、进液连接支管007、水冷板005、出液连接支管006、集流器008与冷却装置按顺序依次通过管路连接形成循环回路；所述冷却塔605与板式换热器603、板式换热器603与分配器或集流器之间均设有补水箱601。

运行时，从集流器008流出的流体介质通过第一水泵602流至板式换热器603中进行换热，再流回到分配器009中；冷却塔605中的冷却剂通过第二水泵604流至板式换热器603中进行换热。当流体介质或冷却剂在换热过程中出现蒸发损耗或者由于飞溅被空气带走等情况时，补水箱601可以及时对流体介质或冷却剂进行补充，稳定冷却装置中的内部压力，保证冷却装置的安全运行。

具体实施过程中，冷却塔采用自然冷却的方式散热，节能环保。

所述蒸发器104与空调末端400通过管路连接形成循环回路。

所述蓄热水箱203中还设有供暖接口206。

蓄热水箱203利用太阳能集热器201接收到的太阳能，通过供暖接口206可对数据中心周边配套设施提供生活热水，清洁无污染，能耗较低。