一種利用CPU余熱的高熱密度機房綜合散熱系統的制作方法

本專利涉及機房空調散熱領域，特別是涉及一種利用CPU余熱的高熱密度機房綜合散熱系統。

背景技術：

隨著IT 技術的快速發展和數據業務需求的迅猛增長，眾多應用高性能服務器等 IT 設備的數據中心應運而生。當大量高性能服務器機柜運行時也帶來了高熱密度和高能耗問題。根據統計,在各數據中心所耗費的電量中,空調制冷的能耗占了總能耗的40%～50%。數據中心背后巨大的能源消耗引起人們的高度重視。

傳統機房散熱系統是將機房當作大型冷柜處理，先將環境溫度冷卻，再帶走主設備散發出的熱量。由于數據機房內IT設備集中，散熱量大，且設備不間斷高負荷運行，幾乎全年都需要向外排熱，因此其空調的運行能耗巨大。而隨著高熱密度服務器運用的增多，單個機架的功率越來越高，有些機房出現了局部過熱的現象。因此僅僅是空氣冷卻的方式將難以滿足服務器的散熱需求，只有液體傳導方式才能排出足夠的熱量，液冷系統受到越來越多的青睞。在中國專利申請公開說明書CN102331043A中公開了一種低PUE高密度液冷節能機房冷卻系統，包括機房，機柜，空調箱，由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器與所述空調箱的水盤管構成的壓縮冷卻循環系統，和由自然冷卻器與所述空調箱的水盤管構成的自然冷卻循環系統，空調箱的水盤管出口與電動三通閥的入口連通，電動三通閥的兩個出口分別與蒸發器的水盤管入口、自然冷卻器的水盤管入口連通 ；微電腦控制系統分別與壓縮冷卻循環系統、自然冷卻循環系統、電動三通閥、設置于自然冷卻器外部的第一溫度傳感器、設置于機柜背門處的第二溫度傳感器及設置于空調箱的水盤管進水管處的第三溫度傳感器電連接。CPU 運行時的溫度一般在60~80℃之間，液冷系統運行時與CPU進行換熱的冷卻水的溫度雖然高達40~60℃，仍然能滿足服務器CPU的溫度不高于安全上限值。將這部分高溫冷卻水直接進行散熱，既浪費能源，又增加了冷卻裝置的熱負荷。

中國專利申請公開說明書CN104101131A中公開了利用回收熱能制冷制熱的吸收式制冷機及其制冷制熱的方法，所述利用回收熱能制冷制熱的吸收式制冷機包括發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、真空泵a、真空泵b、冷水進水管道、冷水出水管道、熱水進水管道、熱水管道a、熱水管道b、熱水出水管道、循環泵。

上述溴化鋰吸收式制冷機的制冷制熱的方法如下：

S1：待加溫的待輸出熱水通過熱水進水管道先進入冷凝器，從熱水管道a排出并進入吸收器，從熱水管道b排出后吸收熱量溫度增加并進入發生器作為發生器熱源；或者通過熱水進水管道先進入吸收器，后從熱水管道a排出經過冷凝器后吸收熱量，排出經過熱水管道b進入發生器，作為發生器熱源，發生器中的噴淋裝置將制冷媒體稀溶液噴為霧狀，霧狀液滴吸收進入發生器的回收熱水的熱量并汽化為蒸汽，蒸汽通過管道被真空泵 a 抽入冷凝器中并加壓，在冷凝器中蒸汽遇到熱水進水管道中的待輸出熱水，放出熱量，變成液滴，熱水進水管道中的熱水吸收了蒸汽放出的熱量升高溫度 ；真空泵 a 使發生器中壓強降低，使冷凝器中壓強增加從而促進發生器中液體變為氣體，并促進冷凝器中氣體變為液體；

S2：冷凝器中的凝結水液滴在底部匯集后通過管道進入蒸發器，在蒸發器中被噴淋裝置噴淋為霧狀液滴，液滴吸收冷水進水管道中冷水的熱量變為氣體，釋放熱量并降溫后的冷水變為更低溫度的冷水并從冷水出水管道排出實現制冷和熱能回收；

S3：蒸發器中的氣體通過管道被真空泵 b 抽入吸收器，被噴淋裝置噴淋的濃溶液吸收，從氣態轉變為液態并將熱量傳遞給熱水管道中的待輸出熱水使其溫度進一步提高，真空泵b 使蒸發器中真空度增高，吸收器中壓強升高從而促進蒸發器中液體變為氣體，吸收器中氣體變為液體；

S4：吸收器中的制冷媒體濃溶液吸收蒸汽后變為制冷媒體稀溶液，并通過管道再次輸送到發生器，并通過循環泵抽取到噴淋裝置；

S5：熱水管道 b 中的待輸出熱水進入發生器，作為熱源提供熱量，促進發生器中噴淋為霧狀液滴的溶液汽化，并從熱水出水管道排出最終輸出的熱水完成循環。

上述吸收式制冷機在發生器和冷凝器之間設置了真空泵 a，在吸收器和蒸發器之間設置了真空泵 b，真空泵使發生器和蒸發器中真空度提高，使冷凝器和吸收器中壓強增加從而促進發生器和蒸發器中液體變為氣體，并促進冷凝器和吸收器中氣體變為液體。

總體來說，上述技術方案回收利用了冷凝器和吸收器中產生的熱量，可是系統不可能自發運作，而該熱量本身就是由制冷機運作過程中產生的，根據熱力學第二定律，這股熱量不足以作為發生器的熱源持續驅動制冷機，所以該技術方案采用真空泵作為制冷機的驅動動力，但真空泵存在耗電量大，噪聲大的缺點。

技術實現要素：

本專利為了克服上述現有技術的不足，提供一種能夠利用CPU運行時產生的熱量進行散熱的利用CPU余熱的高熱密度機房綜合散熱系統，由于CPU運行時相比機房整體來說溫度高很多，完全可以利用CPU所產生的熱量驅動吸收式制冷機進行散熱而不需要真空泵的加入，具有耗電量少，噪音低的特點。綜合散熱系統整體來說散熱效果好，節能環保。

針對本專利利用CPU余熱的高熱密度機房綜合散熱系統來說，上述技術問題是這樣加以解決的：一種利用CPU余熱的高熱密度機房綜合散熱系統，包括余熱利用裝置、溴化鋰吸收式制冷機、冷卻裝置和空調末端，所述余熱利用裝置、冷卻裝置和空調末端分別與溴化鋰吸收式制冷機連接形成循環回路。所述余熱利用裝置將CPU熱量傳遞到溴化鋰吸收式制冷機中進行利用，冷卻裝置用于帶走溴化鋰吸收式制冷機的熱量，空調末端用于吸收機房中的熱量，再通過循環回路把熱量釋放到溴化鋰吸收式制冷機中。溴化鋰吸收式制冷機在利用低品位的太陽能、工業廢熱、余熱等方面具有獨特優勢，當溴化鋰吸收式制冷機中的驅動熱源溫度達到60℃左右時即可啟動工作，由于本技術方案中機房中的發熱主體，即CPU的熱量由余熱利用裝置吸收，使得空調末端不需要大量吸收機房中的熱量，機房空氣溫度在30℃左右甚至更高時即可滿足機房的散熱需求，因此可以相應提高溴化鋰吸收式制冷機的運行時機體的溫度，進一步降低所需驅動熱源的溫度，而CPU 運行時的溫度一般在60~80℃之間，所產生的熱量完全可以充當驅動熱源，驅動溴化鋰吸收式制冷機啟動，并持續工作。本專利中的溴化鋰吸收式制冷機利用余熱利用裝置吸收CPU的熱量作為驅動熱源進行散熱，降低機房PUE值，提高了散熱效率。

進一步地，所述余熱利用裝置包括熱管和中間換熱器，熱管的一端與中間換熱器接觸連接，熱管的另一端用于對CPU液冷換熱，所述中間換熱器與溴化鋰吸收式制冷機連接形成循環回路。所述熱管一端受熱時，管中的液體迅速汽化，在熱擴散的動力下流向另外一端，即與中間換熱器連接的一端，冷凝并釋放出熱量，然后再流回受熱的那一端，如此循環不止地將服務器CPU的熱量傳遞到中間換熱器，中間換熱器通過循環回路將熱量傳遞到溴化鋰吸收式制冷機中。CPU與中間換熱器之間通過熱管換熱，確保了中間換熱器發生液體泄漏時不會影響到CPU的正常工作，而且從熱傳遞（輻射、對流、傳導）的三種方式來看，其中對流傳導最快，所述熱管利用液體蒸發和冷凝的對流作用，使熱量快速傳導。

進一步地，所述熱管傾斜設置，高的一端與中間換熱器接觸連接。相對于汽化的制冷液，冷凝后的制冷液更容易粘附在熱管上，不易流動，上述設置方式能使與中間換熱器換熱后冷凝的制冷液在重力的作用下更快流回另一端，提高傳導效率。

進一步地，所述中間換熱器為水冷板。所述水冷板中蜿蜒的管道可增大單位面積的散熱量，熱傳導性好。

進一步地，所述溴化鋰吸收式制冷機包括按順序連接形成制冷劑循環回路的蒸發器、吸收發生裝置和冷凝器，吸收發生裝置與余熱利用裝置連接形成循環回路，冷凝器和吸收發生裝置與冷卻裝置連接形成循環回路，蒸發器與空調末端連接形成循環回路。根據吸收式制冷機的原理，所述吸收發生裝置用于驅動制冷劑和溴化鋰溶液在溴化鋰吸收式制冷機中進行循環，冷卻裝置通過循環回路帶走冷凝器和吸收發生裝置的熱量，蒸發器用于帶走空調末端的熱量，在本技術方案中，吸收發生裝置吸收了余熱利用裝置的熱量，即吸收了CPU的熱量作為溴化鋰吸收式制冷機的驅動熱源，節約了能源。

進一步地，所述吸收發生裝置包括低壓吸收器、低壓發生器、高壓吸收器和高壓發生器，高壓發生器和低壓發生器分別與余熱利用裝置連接形成循環回路，高壓吸收器和低壓吸收器分別與冷卻裝置連接形成循環回路，低壓吸收器與低壓發生器連接形成循環回路，高壓吸收器與高壓發生器形成循環回路，所述低壓吸收器與蒸發器連接，高壓發生器與冷凝器連接，低壓發生器和高壓吸收器連接。根據吸收式制冷機的原理，所述低壓發生器和高壓發生器可以利用通過余熱利用裝置吸收的CPU的熱量作為熱源，驅動溴化鋰吸收式制冷機，節約能源的同時能極大提高熱效率。

進一步地，所述低壓吸收器與低壓發生器之間的循環回路設有低壓溶液熱交換器，高壓吸收器與高壓發生器之間的循環回路設有高壓溶液熱交換器。根據吸收式制冷機的原理，低壓吸收器和高壓吸收器在低溫下工作，低壓發生器和高壓發生器在高溫下工作，低壓溶液熱交換器和高壓溶液熱交換器分別使低壓吸收器與低壓發生器、高壓吸收器與高壓發生器中的溶液進行換熱，輔助驅動溴化鋰吸收式制冷機。

進一步地，所述冷凝器和蒸發器的連接處設有用于控制流量的閥門。所述閥門通過控制制冷劑的流量，從而控制散熱系統的散熱量，具有節能和出現故障時可以及時關停系統進行維修的作用。

進一步地，所述余熱利用置、冷卻裝置8和空調末端分別與溴化鋰吸收式制冷機連接形成的循環回路上設有水泵。通過液體循環流動的方式進行換熱，熱傳導性好。

進一步地，所述水泵為變頻水泵，通過調節轉速和流量，讓余熱利用裝置、冷卻裝置和空調末端保持合適的工作狀態，具有靈活、節能和維護工作量小的特點。

綜上所述的一種散熱系統的工作方法包括以下步驟：

S1：空調末端通過循環回路把吸收到的機房中的熱量傳遞到蒸發器中，蒸發器中的制冷劑吸收這股熱量蒸發；

S2：低壓吸收器中的吸收劑吸收上一步中蒸發的制冷劑，形成稀吸收劑，同時冷卻裝置通過循環回路帶走低壓吸收器中吸收劑的熱量，使吸收劑保持低溫，更容易吸收蒸發的制冷劑；

S3：第一溶液泵將稀吸收劑輸送到低壓發生器中，同時低壓發生器通過循環回路吸收余熱利用裝置的熱量，使得稀吸收劑中的制冷劑蒸發出來，吸收劑在第一溶液泵的作用下回流到低壓吸收器中繼續吸收蒸發的制冷劑，吸收劑在上述在回流過程中經過低壓溶液熱交換器與輸送到低壓發生器過程中的稀吸收劑換熱；

S4：高壓吸收器中的吸收劑吸收上一步中蒸發的制冷劑，形成稀吸收劑，同時冷卻裝置通過循環回路帶走高壓吸收器中吸收劑的熱量，使吸收劑保持低溫，更容易吸收蒸發的制冷劑；

S5：第二溶液泵將稀吸收劑輸送到高壓發生器中，同時高壓發生器通過循環回路吸收余熱利用裝置的熱量，使得稀吸收劑中的制冷劑蒸發出來，吸收劑在第二溶液泵的作用下回流到高壓吸收器中繼續吸收蒸發的制冷劑，形成循環回路，吸收劑在上述回流過程中經過高壓溶液熱交換器與稀吸收劑換熱；

S6：冷卻裝置通過循環回路帶走冷凝器中的熱量，當上一步蒸發的制冷劑來到與高壓發生器相連的冷凝器中時，其所含的熱量被循環回路帶走，制冷劑冷凝；

S7：冷凝的制冷劑通過閥門又回到蒸發器中進行蒸發，形成循環回路。

在上述步驟中，所述余熱利用裝置的工作方法如下所示：

S31：所述熱管利用制冷液蒸發和冷凝的對流作用吸收服務器中的CPU的熱量；

S32：所述水冷板與熱管換熱的同時通過循環回路將熱量釋放到低壓發生器和高壓發生器中；

S33：所述低壓發生器和高壓發生器中的稀吸收劑吸收熱量后把其中的制冷劑蒸發出來。

本專利以水為制冷劑，以溴化鋰為吸收劑，具有節省能源、清潔無污染的特點。

本專利與現有技術相比較，其有益效果有：

本專利根據吸收式制冷機的原理，利用機房中服務器CPU的熱量為熱源，對溴化鋰吸收式制冷機進行驅動，同時對CPU和機房整體進行散熱，最大限度降低機房PUE值，具有節省能源、散熱效率高等諸多優點。

附圖說明

下面結合附圖，對本專利的具體實施方式作詳細說明：

圖1是本專利綜合散熱系統示意圖。

圖2是圖1系統中雙級溴化鋰吸收式制冷機的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本專利做進一步的解釋說明。附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小；對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。

如圖1和2所示，一種利用CPU余熱的高熱密度機房綜合散熱系統，包括余熱利用裝置100、溴化鋰吸收式制冷機000、冷卻裝置108和空調末端106，所述余熱利用裝置100、冷卻裝置108和空調末端106分別與溴化鋰吸收式制冷機000連接形成循環回路。所述余熱利用裝置100將CPU103熱量傳遞到溴化鋰吸收式制冷機000中進行利用，冷卻裝置108用于帶走溴化鋰吸收式制冷機000的熱量，空調末端106用于吸收機房中的熱量，再通過循環回路把熱量釋放到溴化鋰吸收式制冷機000中。由于溴化鋰吸收式制冷機000在利用低品位的太陽能、工業廢熱、余熱等方面具有獨特優勢，當溴化鋰吸收式制冷機000中的驅動熱源溫度達到60℃左右時即可啟動工作，由于本技術方案中機房中的發熱主體，即CPU103，的熱量由余熱利用裝置100吸收，使得空調末端106不需要大量吸收機房中的熱量，機房空氣溫度在30℃左右甚至更高時即可滿足機房的散熱需求，因此可以相應提高溴化鋰吸收式制冷機000的運行時機體的溫度，進一步降低所需驅動熱源的溫度，而CPU103運行時的溫度一般在60~80℃之間，所產生的熱量完全可用以充當驅動熱源，驅動溴化鋰吸收式制冷機000啟動，并持續工作。本方案中的溴化鋰吸收式制冷機000利用余熱利用裝置100吸收CPU103的熱量作為驅動熱源進行散熱，降低機房PUE值，提高了散熱效率。

所述余熱利用裝置100包括熱管102和中間換熱器101，熱管102的一端與中間換熱器101接觸連接，熱管102的另一端用于與服務器104中的CPU103進行液冷散熱，中間換熱器101與溴化鋰吸收式制冷機000連接形成循環回路。所述熱管102一端受熱時，管中的液體迅速汽化，在熱擴散的動力下流向另外一端，即與中間換熱器101連接的一端，冷凝并釋放出熱量，然后再流回受熱的那一端，如此循環不止地將服務器104中CPU103的熱量傳遞到中間換熱器101，中間換熱器101通過循環回路將熱量傳遞到溴化鋰吸收式制冷機000中。CPU103與中間換熱器101之間通過熱管102換熱，確保了中間換熱器101發生液體泄漏時不會影響到CPU103的正常工作，而且從熱傳遞（輻射、對流、傳導）的三種方式來看，其中對流傳導最快，所述熱管102利用液體蒸發和冷凝的對流作用，使熱量快速傳導。

所述熱管102傾斜設置，高的一端與中間換熱器101接觸連接。相對于汽化的制冷液，冷凝后的制冷液更容易粘附在熱管102上，不易流動，上述設置方式能使與中間換熱器101換熱后冷凝的制冷液在重力的作用下更快流回另一端，提高傳導效率。

所述中間換熱器101為水冷板101。所述水冷板101中蜿蜒的管道可增大單位面積的散熱量，熱傳導性好。

所述溴化鋰吸收式制冷機000包括按順序連接形成循環回路的蒸發器008、吸收發生裝置009和冷凝器007，吸收發生裝置009與余熱利用裝置100接觸連接形成循環回路，冷凝器007和吸收發生裝置分別與冷卻裝置108接觸連接形成循環回路，蒸發器008與空調末端106接觸連接形成循環回路。根據吸收式制冷機的原理，所述吸收發生裝置010用于驅動制冷劑和溴化鋰溶液在溴化鋰吸收式制冷機中進行循環，冷卻裝置108通過循環回路帶走冷凝器007和吸收發生裝置010的熱量，蒸發器008用于帶走空調末端106的熱量，在本技術方案中，吸收發生裝置010吸收了余熱利用裝置100的熱量，即吸收了CPU103的熱量作為溴化鋰吸收式制冷機000的驅動熱源，節約了能源。

所述吸收發生裝置009包括低壓吸收器005、低壓發生器004、高壓吸收器002和高壓發生器001，高壓發生器001和低壓發生器004分別與余熱利用裝置100連接形成循環回路，高壓吸收器002和低壓吸收器005分別與冷卻裝置108連接形成循環回路，低壓吸收器005通過第一溶液泵011與低壓發生器004連接形成循環回路，高壓吸收器002通過第二溶液泵009與高壓發生器001形成循環回路，低壓吸收器005與蒸發器008連接，所述高壓發生器001與冷凝器007連接，所述低壓發生器004和高壓吸收器002連接。根據吸收式制冷機的原理，所述低壓發生器004和高壓發生器001可以二次利用通過余熱利用裝置100吸收的CPU103的熱量作為熱源，驅動溴化鋰吸收式制冷機000，節約能源的同時能極大提高熱效率。

所述低壓吸收器005與低壓發生器004之間的循環回路設有低壓溶液熱交換器006，高壓吸收器002與高壓發生器001之間的循環回路設有高壓溶液熱交換器003。根據吸收式制冷機000的原理，低壓吸收器005和高壓吸收器002要求低溫，低壓發生器004和高壓發生器001要求高溫，低壓溶液熱交換器006和高壓溶液熱交換器003分別使低壓吸收器005與低壓發生器004、高壓吸收器002與高壓發生器001中的溶液進行換熱，輔助驅動溴化鋰吸收式制冷機000。

所述冷凝器007和蒸發器008的連接處設有用于控制流量的閥門012。所述閥門012通過控制制冷劑的流量，從而控制散熱系統的散熱量，具有節能和出現故障時可以及時關停系統進行維修的作用。

所述余熱利用裝置100、冷卻裝置108和空調末端106分別與溴化鋰吸收式制冷機連接形成的循環回路上設有水泵105。通過液體循環流動的方式進行換熱，熱傳導性好。

所述水泵105為變頻水泵105，通過調節轉速和流量，讓余熱利用裝置100、冷卻裝置108和空調末端106保持合適的工作狀態，具有靈活、節能和維護工作量小的特點。

本專利一種更優的實施方式，系統中設有多個余熱利用裝置吸收利用服務器104中CPU103余熱，它們的中間換熱器101并聯后再與溴化鋰吸收式制冷機連接000形成循環回路，減少了管道材料的使用，節約管道成本。

綜上所述的一種散熱系統的工作方法，步驟如下所示：

S1：空調末端106通過循環回路把自身熱量傳遞到蒸發器008中，制冷劑在蒸發器008中吸收這股熱量蒸發；

S2：低壓吸收器005中的吸收劑吸收上一步中蒸發的制冷劑，形成稀吸收劑，同時冷卻裝置108通過循環回路帶走低壓吸收器005中吸收劑的熱量，使吸收劑保持低溫，更容易吸收蒸發的制冷劑；

S3：第一溶液泵011將稀吸收劑輸送到低壓發生器004中，同時低壓發生器004通過循環回路吸收余熱利用裝置100的熱量，使得稀吸收劑中的制冷劑蒸發出來，吸收劑在第一溶液泵011的作用下回流到低壓吸收器005中繼續吸收蒸發的制冷劑，形成循環回路，吸收劑在上述在回流過程中經過低壓溶液熱交換器006與輸送到低壓發生器004過程中的稀吸收劑換熱；

S4：高壓吸收器002中的吸收劑吸收上一步中蒸發的制冷劑，形成稀吸收劑，同時冷卻裝置108通過循環回路帶走高壓吸收器002中吸收劑的熱量，使吸收劑保持低溫，更容易吸收蒸發的制冷劑；

S5：第二溶液泵009將稀吸收劑輸送到高壓發生器001中，同時高壓發生器001通過循環回路吸收余熱利用裝置100的熱量，使得稀吸收劑中的制冷劑蒸發出來，吸收劑在第二溶液泵009的作用下回流到高壓吸收器002中繼續吸收蒸發的制冷劑，形成循環回路，吸收劑在上述回流過程中經過高壓溶液熱交換器003與稀吸收劑換熱；

S6：冷卻裝置108通過循環回路帶走冷凝器007中的熱量，當上一步蒸發的制冷劑來到與高壓發生器001相連的冷凝器007中時，其所含的熱量被循環回路帶走，制冷劑冷凝；

S7：冷凝的制冷劑通過閥門012又回到蒸發器中進行蒸發，形成循環回路。

在上述步驟S3中，所述余熱利用裝置100的工作方法如下所示：

S31：所述熱管102利用制冷液蒸發和冷凝的對流作用吸收服務器104中的CPU103的熱量；

S32：所述水冷板101與熱管102換熱的同時通過循環回路將熱量釋放到低壓發生器004和高壓發生器001中；

S33：所述低壓發生器004和高壓發生器001中的稀吸收劑吸收熱量后把其中的制冷劑蒸發出來。

本專利以水為制冷劑，以溴化鋰為吸收劑，具有節省能源、清潔無污染的特點。