本實用新型涉及一種散熱系統，特別涉及一種數據中心的散熱系統，屬于機房散熱和熱管技術領域。

背景技術：

數據中心(又稱機房)現已成為國民經濟發展中的重要組成部分，是推進國家科技工業信息化和數字化的主要支柱。隨著數據中心規模和集成度的發展，服務器中IT設備功率密度與日俱增，熱密度急劇增長，數據中心的散熱問題和能耗問題越來越受到關注。以100個插滿機架服務器的機柜為例，其總耗電可達50千瓦，加上散熱冷卻系統也需要等同于計算機硬件自身的耗電量，以每度工業用電0.64元計算，一年無故障運營這個機架服務器將花費大約55萬元電費。數據中心的電力消耗正以每年15％～20％的速度增長。

當前，中國面臨著經濟快速增長和環境資源承載能力的矛盾，節能和環保成為我國許多經濟支柱產業發展和升級的主題。數據中心的建設和發展也需要向更加節能、環保和綠色化運行的方向前進。數據中心傳統的熱管理技術如空氣強制對流換熱、單相液冷等，由于換熱能力不足或是條件制約等原因，導致效果不理想和成本過高。熱管作為一種新型的熱管理技術，已經在國民經濟生活上尤其是電子信息領域有著其獨特而廣泛的應用。熱管是一種通過相變傳熱、具有超導熱性能的傳熱元件，它通過管內工作介質的相變所產生的潛熱來傳遞熱量，其等效導熱系數是一般金屬材料導熱系數的數百倍甚至上千倍，被譽為熱的“超導體”。

中國專利(申請號201410768307.6)公開了一種基于熱管技術的數據中心節能冷卻系統，避免了機房內的冷熱氣流摻混，能夠降低機柜后部出口處排出的熱空氣團的溫度，提高機房的整體散熱效率，系統結構簡單，安裝和 維護方便。但由于熱管是布置在機柜后部的熱風中，沒有與服務器發熱源直接接觸，散熱效果有待進一步提升。此外該系統由于沒有利用外界冷源，主要靠機房空調系統來制冷，因此該專利的能耗PUE(Power Usage Efficiency)指標降低有限，還有進一步提升和改進的地方。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是：克服現有技術不足，本實用新型將熱管嵌入到服務器內部，直接與服務器的發熱源相接觸，并結合熱管式空調技術、冷通道封閉技術和地底優化送風技術，構成了一個完整的熱量集中和密閉的內部循環回路系統，提供了一種散熱效果更好、能耗更低的數據中心散熱系統。

本實用新型所采用的技術方案是：

一種數據中心的四位一體散熱系統，包括封閉熱柜、地底送風通道、第一熱管、熱風管路、熱管式空調、回風管路、機房空調和送風管路；封閉熱柜、地底送風通道、第一熱管、熱風管路、熱管式空調、回風管路、機房空調和送風管路均不與數據中心中的環境空氣連通；封閉熱柜在機柜一側，并且不與機柜連通，第一熱管的蒸發段與機柜中的服務器貼合，第一熱管的冷卻段位于封閉熱柜中；熱風管路的一端與機柜的出風口和封閉熱柜的出風口連接，另一端與熱管式空調熱風側的入風口連接，回風管路連接在熱管式空調熱風側的出風口和機房空調的入風口之間，送風管路的一端與機房空調的出風口連接，另一端與地底送風通道連通；地底送風通道設有與封閉熱柜底部相連通的第二送風口。

所述散熱系統還包括封閉冷柜，所述封閉冷柜在機柜一側，并與機柜相連通，所述地底送風通道設有與封閉冷柜底部相連通的第一送風口，封閉冷柜不與數據中心中的環境空氣連通。

所述封閉冷柜的寬度大于機柜的寬度5～10mm，封閉冷柜的高度與機柜中的位置最高的服務器的高度齊平。

所述送風管路在地底送風通道中，包括主管和支管，主管與機房空調的出風口連接，支管的一端與主管連接，支管的另一端為支管出風口，支管朝不同的方位延伸，并向地底送風通道送風。

所述支管出風口位于第一送風口處或第二送風口處。

所述送風管路的支管出風口在距離主管較遠的第一送風口處的數量多于在距離主管較近的第一送風口處的數量，在距離主管較遠的第二送風口處的數量多于在距離主管較近的第二送風口處的數量。

所述第一送風口與地面的連接處設有第一送風口孔板，第二送風口處與地面的連接處設有第二送口風孔板，第一送風口孔板的孔洞和第二送風口孔板的孔洞均是離送風管路的支管出風口越近，孔徑越小。

所述機柜、封閉熱柜和熱風管路為兩個或兩個以上，機柜和封閉熱柜通過熱風管路以并聯的方式連接到熱管式空調的熱風側入口。

所述熱管式空調包括第二熱管，第二熱管的蒸發段位于熱管式空調的熱風側，冷卻段位于熱管式空調的冷風側，第二熱管相對水平方向逆時針傾斜5～15度。

所述第一熱管的冷卻段相對蒸發段向上彎折5～15度。

本實用新型與現有技術相比的優點在于：

1)本實用新型的第一熱管直接與服務器的發熱部位接觸，相比熱管與熱空氣接觸，可以大大提高熱管的傳熱量和傳熱效率，熱管冷卻段放置于封閉熱柜中，將機柜后部和封閉熱柜完全隔離密封，熱管的加熱段和冷卻段間完全隔離密封，可以進一步提高熱管的傳熱效率，從而提高系統的降溫和散熱效果。

2)本實用新型中第一熱管的設置使機柜中服務器發熱部件產生的熱量主要通過熱管直接向熱管的冷凝段進行輸送，如果熱管性能優異傳熱量大，那么可能發熱部件的散熱完全不需要冷氣流的風冷方式，那么一方面就可以去掉服務器內部的多個風扇部件，降低服務器的運行噪聲，減少數據中心的 巨大噪聲污染，提高數據中心工作人員的整體舒適性，另一方面可以去掉目前的機柜前部第一送風口送風系統，去掉封閉冷柜，只需保留本實用新型設計的第二送風口和封閉熱柜，從而可以完全改變目前數據中心的整體散熱方式。

3)本實用新型中熱管式空調與機房空調在整個循環回路中是串聯的耦合結構關系，并且熱管式空調位于機房空調的前端，這樣從多個機柜服務器排出的熱量經過對應的多路管道后首先匯聚到熱管式空調，熱管式空調成為了換熱降溫的主力軍。經過熱管式空調降溫后的熱氣流繼續流入機房空調，空調只需對剩下的一部分熱量進行制冷，當機房外面大氣溫度較低(比如冬季)時，機房空調無需啟動制冷功能，當機房外面大氣溫度很高(比如酷熱夏季)時，熱管式空調完全不工作，但它不影響氣流的流過，機房空調成為換熱降溫的主力軍。兩者這種串聯耦合結構關系，相比現有最新專利提出設計的并聯結構關系，熱管式空調發揮的作用更大，工作的時間更長，因此機房空調制冷相對就更少，整個數據中心的節能效果更加明顯。

4)本實用新型中的系統對機柜的前部和后部分別進行了冷通道和熱通道的封閉。冷通道封閉可以將冷氣直接地百分之百地送入機柜服務器中，熱通道封閉一方面可以避免熱氣流排到機房中形成機房冷熱氣流的摻混，另一方面可以將熱氣流聚集起來，為后面耦合的熱管式空調的集中排熱創造了條件。冷熱通道的雙封閉提高了機房的整體散熱效率，減小了空調制冷所需的制冷量。

5)本實用新型中的熱管式空調可以集中處理機柜服務器排放的熱量，并且它將這些熱量的大部分以熱管換熱的形式直接排放到機房外面，并沒有引入機房外的濕空氣。熱管式空調的散熱是單方向的，工作時能夠將熱量從機房排放到機房外，不工作時熱量無法從機房外傳入機房內，并且封閉的熱量集中循環系統能夠使熱管式空調在全年大部分時間運行，從而可以大大減輕空調制冷的負擔，減小空調制冷所消耗的電力，降低機房的運營成本，達 到了節能低碳和綠色環保的目的。

6)本實用新型中的散熱系統在目前已有的冷熱通道封閉技術的基礎上，首次提出了對地底送風方式和出風方式進行優化，防止封閉冷柜中的氣流出現風量不相等和風溫不均勻的現象，保證每個機柜在寬度方向和高度方向上獲得同等數量和相同溫度的冷風，從而提高了機房的整體散熱效率。

7)本實用新型中新型四位一體散熱系統能夠更加有效地將熱量從服務器帶走，并且將熱量進行集中處理，提高散熱效率，減小機房空調制冷所消耗的電量，可以在不同季節、不同地區全天候穩定運行，能夠有效地避免因局部過熱問題而導致服務器的停機，提高機房的整體運算能力和穩定可靠性。

8)本實用新型中的散熱系統原理簡單，裝置結構便于安裝和維護，對機房所處位置和安裝條件的要求都很低，適應性和通用性較強，熱管能夠自動啟動和運行，無需額外動力和功率消耗，能耗低但換熱效率高，因此該散熱技術及系統可以在不同類型和大小的數據中心進行應用和推廣。

附圖說明

圖1為本實用新型數據中心新型散熱系統的結構原理圖；

圖2為本實用新型數據中心送風管路和送風通道的俯視示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種數據中心的四位一體新型散熱系統，包括封閉冷柜2、封閉熱柜3、地底送風通道5、第一熱管6、熱風管路7、熱管式空調8、回風管路9、機房空調10和送風管路11等。封閉冷柜2、封閉熱柜3、地底送風通道5、第一熱管6、熱風管路7、熱管式空調8、回風管路9、機房空調10和送風管路11均與數據中心中的環境空氣相隔離。

數據中心中有機柜1，服務器4堆放在機柜1的內部。封閉冷柜2位于機柜1的前部，與機柜1的前部開放式連通，但與機房環境空氣是隔離密封的。封閉熱柜3位于機柜1的后部。封閉冷柜2將地底送風通道5的第一出 風口和服務器4前部連接起來，封閉熱柜3和機柜1的后部是完全隔離密封的，兩者不連通，兩者連接處為鋼面板，板上開有熱管孔，熱管孔用于穿過第一熱管6的管路，并用橡膠圈或密封膠實現隔離密封，使氣體不能在機柜1和封閉熱柜3間流動。第一熱管6的蒸發段緊貼服務器4，優選第一熱管6的蒸發段緊貼服務器4的發熱部位，服務器4的發熱部位為CPU、南北橋芯片、內存等。第一熱管6的冷卻段位于封閉熱柜3中。熱風管路7的一端連接機柜1上部的出風口和封閉熱柜3上部的出風口，另一端連接熱管式空調8熱風側的入風口。數據中心多個機柜1的熱風管路7以并聯的方式同時連接到熱管式空調8的熱風側入口。回風管路9連接熱管式空調8的熱風側的出風口和機房空調10的入風口。送風管路11位于地底送風通道5中，一端連接機房空調10出風口，另一端在地底送風通道5中朝不同的方位延伸，通過送風管路11的出風口向地底送風通道5送風。機房空調10出來的冷空氣12經過地底送風通道5的第一送風口后進入封閉冷柜2中，經過地底送風通道5的第二送風口后進入封閉熱柜3中。第一送風口與地面的連接處設有第一送風口孔板，第二送風口處與地面的連接處設有第二送口風孔板，封閉冷柜2和封閉熱柜3的下方分別為第一出風孔板和第二出風孔板，分別使封閉冷柜2與第一送風口相連通和使封閉熱柜3與第二送風口相連通，冷空氣12通過封閉冷柜1后百分之百地流入機柜1中的服務器。

熱管式空調8包括第二熱管20、熱風側、冷風側、變頻風機和控制系統，熱風側流入熱風管路中的高溫熱空氣17，冷風側位于機房外，流入外界大氣環境中的外界冷空氣19，第二熱管20的蒸發段位于熱風側，冷卻段位于冷風側，并且熱風側和冷風側是完全隔離密封的。

優化送風技術包括對已有送風管路11的長短和出風口位置的優化調節，地板送風口孔板(第一送風口孔板和第二送風口孔板)的孔徑大小的調節和孔徑位置的優化布置，以及封閉冷柜2的寬度和高度的優化配置等。如圖2所示，送風管路11位于地板下面地底送風通道5中，包括主管和支管， 機房空調10的底部出風口連接主管的入口，支管的一端連接主管，另一端為支管出風口，用于向地底送風通道5送風。兩排機柜1沿第一送風口的兩側對齊排列(圖2中每排機柜1只畫出了一個機柜1)，并且兩排機柜1的前部面對面放置，冷氣流從第一送風口出來后通過封閉冷柜2能同時進入兩排機柜1的前部。傳統的送風技術只考慮了地底靜壓箱均勻送風模式，送風管路及其支路的設計基于整個地底氣流場和溫度場均勻的理念，并沒有考慮通過支路將冷氣流直接送到第一送風口附近，并且優化出風口的設計，以不同位置服務器獲得的冷量均勻作為設計基礎，提高送風效率。傳統送風技術的不足和簡單化設計導致了目前數據中心每排機柜服務器獲取的冷量的嚴重不平衡，例如有些時候第一送風口的中間部位氣流出風量大和溫度較低，而兩端氣流出風量較小和溫度相對高一些；有些時候距離機房空調較近的第一送風口流出風量大和溫度較低，而距離機房空調較遠的第一送風口流出風量小和溫度較高；并且每排機柜中在不同高度位置的服務器所獲得的出風量和風溫也相差較大。本實用新型優化了送風方式和出風方式，距離主管較遠的第一送風口下面的支管出風口的數量多于距離主管較近的第一送風口下面的支管出風口的數量。同理，距離主管較遠的第二送風口下面的支管的出風口的數量多于距離主管較近的第二送風口下面的支管的出風口的數量。

如圖2，實施例中，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的支管出風口位于距離主管較近的第一送風口底下，并且主管每一側的第一分支管路23都只設計為2條管路，因為它離主送風管路較近，得到的冷風風壓較高，風溫較低；2條管路的支管出風口準確位于第一送風口孔板的1/4和3/4稍微向中心靠攏的位置處。而第二分支管路24的支管出風口直接改到位于距離主管較遠的第一送風口底下，并且主送風管路每一側的第二分支管路設計為3條管路；3條管路的中間管路支管出風口位于最中間，左右兩條準確位于第一送風口孔板的1/6和5/6稍微向中心靠攏一些的位置處。這樣的結構設計能使距離主管不同長度的每個第一送風口得到 的冷量基本一致，使同一個第一送風口在左右寬度方向上得到的冷量也基本一致。本實用新型還優化了地板出風口孔板的孔徑大小的調節和孔徑位置的調節，如圖2，傳統的數據中心送風方式中，每個第一送風口孔板的所有孔洞的孔徑大小一致(例如都為22mm)，孔間距也一致(例如28mm)，孔隙率大概為50％，這種簡單的設計使位于分支管路出風口附近的地板孔洞中流出的冷氣流風量大和溫度較低，而遠離分支管路出風口處流出的冷氣流風量小和溫度較高，本實用新型將位于支管出風口附近的地板孔洞的孔徑變小(例如15mm)，而遠離支管出風口處的地板孔洞的孔徑變大(例如25mm)，如圖2中所示，但保持整個第一送風口的孔隙率不發生變化。也就是說，第一送風口孔板的孔洞和第二送風口孔板的孔洞均是離送風管路11出風口越近，孔徑越小。以上兩個方面的優化設計和結構調整，可以使機柜中不同寬度位置的服務器在寬度方向上獲得的冷量基本相同，顯著提高了送風效率和服務器的冷卻散熱效果。最后，本實用新型還對封閉冷柜2的寬度和高度進行了優化配置，包括封閉冷柜2的寬度大于機柜1的寬度5～10mm，封閉冷柜2的高度與機柜1中的最上層服務器4的高度齊平，縮小服務器4與服務器4之間的懸空間距，使封閉冷柜2中的冷量更加集中，并在機柜1底部與地底送風通道5完全隔離，在服務器4與服務器4間的懸空間距的前部加裝盲板，防止冷量流失，更進一步提高送風效率和散熱效率。

第一熱管6的蒸發段為平板蒸發器，或者圓柱蒸發器耦合金屬平板，蒸發段平板的面積很小，其邊長只有2～4cm左右。第一熱管6的冷卻段為翅片管，熱管和翅片的制備和連接可以采取一體成形或擠壓或冷脹或螺釘緊固的方式。第一熱管6可以采用鋁-氨熱管或者銅-水熱管或者鋁-氟利昂或者銅-氟利昂熱管，并且熱管的蒸發段位水平布置，冷卻段相對蒸發段向上彎折5～15度，以加快液相工質的回流能力，提高熱管的傳熱能力。第一熱管6的蒸發段可以根據傳熱功率的需求選擇是否布置毛細芯，當傳熱功率大于100W時，第一熱管6設計有毛細芯，為環路熱管結構，否則無毛細芯，為 重力式熱管結構。

第二熱管20的蒸發段和冷卻段都選用翅片管結構。第二熱管20可以采用鋁-氨熱管或者銅-氟利昂熱管或者鋁-氟利昂熱管。第二熱管20無毛細芯，為重力式熱管，并且每根熱管以相對水平方向逆時針5-15度的傾斜角度進行布置。第二熱管20的傳熱方向是不可逆的，熱量只能從熱風側向冷風側傳遞，也就是熱管工作時只能從機房內向機房外傳遞熱量。

第二熱管20能夠自動啟動和長期運行。當熱風管路7中的風溫高于外界環境溫度一定溫差，如5℃及以上時，熱管自動啟動運行，熱管管路7中的大部分熱量通過熱管20從機房內直接排放到機房外，少部分熱量由機房空調10來承擔；否則，熱管20無法啟動，熱管式空調8停止工作，外界熱量也無法傳入，服務器4產生的全部熱量由機房空調10來承擔。熱管式空調8結合封閉熱柜3和熱風管路7的密閉循環結構設計，并且它位于機房空調10的前端，能夠使熱管式空調8在全年大部分時間運行，在北方全年運行時間的占比超過70～85％，在南方全年運行時間的占比超過50～70％。

本實用新型的一種數據中心新型散熱技術及系統的工作過程如下：

1)機房空調10制冷后的冷空氣12通過送風管路11向整個地底送風通道5進行輸送。封閉冷柜2的下方地板有第一送風口孔板，冷空氣12的一部分從地底送風通道5出來后進入封閉冷柜2形成均勻的冷柜冷氣流13，然后流入機柜1內的服務器4中。

2)冷柜冷氣流13與服務器4里面的發熱部件進行換熱過程，冷柜冷氣流13吸收熱量后升溫變成了熱氣流14。熱氣流14由位于機柜1后方頂部的抽氣風扇16抽走，向上方流動匯集于熱風管路7。

3)第一熱管6的蒸發段緊貼服務器4的發熱部位，并與發熱部件進行換熱過程。熱量從發熱部件以導熱的方式傳向第一熱管6的蒸發段，第一熱管6的蒸發段里面的液態工質吸收熱量后產生相變，液體變成了氣體。氣體在蒸汽壓力的作用下自動向第一熱管6的冷卻段方向流動。

如果第一熱管6的傳熱性能優異，可以將服務器4產生的熱量全部輸送到第一熱管6的冷卻段，那么一方面可以去掉封閉冷柜2下方地板的第一風口孔板和封閉冷柜2，也就沒有了冷柜冷氣流13和通過服務器后產生的熱氣流14，從而可以進一步去掉服務器4內部的抽氣風扇16，大大降低服務器的運行噪聲，減少數據中心的巨大噪聲污染，提高數據中心工作人員的整體舒適性。這是本實用新型提出采用第一熱管6這一結構特征來進行服務器散熱，所可能能夠帶來的附加效果和巨大優勢，并有可能顛覆目前數據中心的整體散熱方式。

4)封閉熱柜3底部的地板有第二風口孔板，送風通道冷空氣12的一部分從地底送風通道5出來后進入封閉熱柜3形成均勻的熱柜冷氣流15。熱柜冷氣流15流過第一熱管6的冷卻段，并跟第一熱管6的冷卻段進行換熱過程。第一熱管6將熱量傳遞給熱柜冷氣流15，熱管冷卻段內的工質由于放熱而發生冷凝相變，氣體變成了液體，液體在重力的作用下從熱管的冷卻段自動流回熱管的蒸發段，如此不斷循環反復。熱柜冷氣流15吸收熱量后升溫，由小功率抽氣風扇25抽走而匯聚于熱風管路7。

5)熱風管路7中的熱氣流14和吸收熱量后的熱柜冷氣流15這兩路熱氣流匯集后形成高溫熱空氣17。高溫熱空氣17從熱管式空調8的熱風側的入口流入，流過第二熱管20的蒸發段。高溫熱空氣17與第二熱管20的蒸發段進行換熱，熱量從高溫熱空氣17傳向第二熱管20的蒸發段，熱管蒸發段內的液態工質吸收熱量后產生相變，液體變成了氣體，氣態工質自動流向熱管的冷卻段。高溫熱空氣17釋放熱量后溫度得到了降低，變成了低溫熱空氣18。

6)第二熱管20的冷卻段位于熱管式空調8的冷風側，冷風側位于機房外面。外界大氣環境中的外界冷空氣19從熱管式空調8的冷風側的入口流入，流過第二熱管20的冷卻段。外界冷空氣19與第二熱管20的冷卻段進行換熱，熱量從第二熱管20的冷卻段傳向外界冷空氣19，熱管冷卻段內的 工質由于放熱而發生冷凝相變，氣體變成了液體，液體在重力的作用下從熱管的冷卻段自動流回熱管的蒸發段，如此不斷循環反復。外界冷空氣19吸熱熱量后升溫變成外界熱空氣21，外界熱空氣21通過冷風側的鼓風機直接排放到外界大氣中。

7)低溫熱空氣18流入回風管路9中，并最終匯集到機房空調10中進行制冷降溫。熱風管路7中的高溫熱空氣17因為經過了熱管式空調8的降溫處理，因此機房空調10的制冷負荷大大減小。

在整個冬季如果熱管式空調8的降溫效果顯著，機房空調10甚至可以停止使用。

在夏季如果熱管式空調8冷風側的外界冷空氣19接近甚至超過熱管式空調8熱風側的入口高溫熱空氣17，則熱管式空調8自動停止工作，且熱量無法逆向傳遞，即熱量無法從外界通過熱管式空調8向機房內傳遞。而高溫熱空氣17仍然可以順暢地流過熱管式空調8的熱風側，直接返回機房空調10進行制冷降溫處理。

8)機房空調10制冷降溫后的送風通道冷空氣12再次通過送風管路11向整個地底送風通道5進行輸送，并按照上述過程依次進行，循環反復，構成了整個閉環循環回路22。

本實用新型未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知技術。