本发明属于数据中心节能技术领域，涉及一种低能耗数据中心水冷系统。
背景技术：
目前，现有数据中心芯片的冷却，一般是采用风扇产生强制对流，以此带走芯片产生的热量。随着风速的增加，对流换热的效果也会增强，芯片的温度会降低。但是，随着目前数据中心规模的扩大和运算速度的增加，风冷散热已经达到了极限，单纯靠增加风速已经难以降低芯片的温度，而且随着风速的增加，随之而来的是功耗的增加以及噪音的增大。目前，水冷散热器在高热流密度芯片散热方面发挥的作用越来越明显。水冷散热器直接与芯片接触，芯片将产生的热量通过热传导的方式传递给散热器，散热器再以热对流的方式将热量带走，因此，水冷散热器的散热效果十分显著。给数据中心的每个cpu分别布置单独的水冷散热器，在降低噪音的同时能够有效的对cpu芯片进行冷却。当前对水冷散热器的研究越来越多，但都在针对cpu芯片等平置电子设备的水冷冷却，未有同时考虑服务器内部内存条等立置电子元件的散热。若仍采用常规的空调冷却风来进行风冷，房间仍需配备空调系统，仍具有较高的能耗，且冷却系统既包括了针对内存等立置设备的原风冷系统，又包括了新的水冷系统，冷却系统变得复杂，未能充分体现液冷的优势。此外，当全年环境温度发生变化时，选择不同的冷源对于冷却系统的总功耗有很大影响，当前研究多采用一种冷却方式，或自然冷却水源、或冷却塔冷源，或冷水机组冷源，无法适应气温变化而实现最经济能耗。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了一种低能耗数据中心水冷系统。本发明提供一种新的水冷风冷混合冷却模块，只采用一套冷却水系统，冷却水一方面供应给cpu芯片水冷换热器，实现芯片等平置电子元器件的水冷冷却，另一方向供应给背板水冷换热器，通过内存密闭腔内空气流动实现与背板水冷换热器的散热，以获得冷却的空气，以实现对内存等立置电子元器件的风冷冷却。且两层基板构成一个混合冷却单元模块，利用模块化冷却设计。此外，当全年环境温度发生变化时，选择不同的冷源对于冷却系统的总功耗有很大影响，当前研究多采用一种冷却方式，或自然冷却水源、或冷却塔冷源，或冷水机组冷源，无法适应气温变化而实现最经济能耗。因此，这里建立多冷源切换的冷却模式，采用环境自然水源、冷却塔、和冷水机组三种并联联接的冷却低温水冷却方式，根据气候条件不同选择最小冷却能耗的冷却方式进行切换，实现全年冷却能耗最低。
本发明采用如下的技术方案：
一种低能耗数据中心水冷系统，包括第一背板水冷换热器3、第一风扇4、第二背板水冷换热器7和风冷密闭罩14，
风冷密闭罩14内的空气在第一风扇4的驱动下，经过第一背板水冷换热器3的冷却后变为冷空气，冷空气在风冷密闭罩14内流经上层立置的内存条13，与内存条13进行对流换热，热空气再经过服务器基板15另一端的第二背板水冷换热器7，与其进行换热，冷却后的空气继续流入下层基板冷却单元，实现下层内存条13的冷却，吸收热量变热的空气再经第一背板水冷换热器3冷却后流回第一层基板，进行往复循环运行。
低能耗数据中心水冷系统包括服务器侧水循环系统，
所述服务器侧水循环系统包括第一背板水冷换热器3、第二背板水冷换热器7、第一风扇4、第二风扇8、服务器基板15、水冷散热器11、内存条13、风冷密闭罩14和芯片12；
服务器基板上cpu芯片12平行排成两列布置，两列芯片12中间布置内存条，每个芯片12上布置水冷散热器11进行水冷冷却，水冷散热器11的冷却水由外部冷源来提供；两层服务器基板的水冷散热器由一个分水管汇流入，一个分水管汇流出；
将两层服务器基板15上的所有内存条13封闭于一个风冷密闭罩14内，芯片12在风冷密闭罩14外，风冷密闭罩14与两层服务器基板15垂直放置，且服务器基板15位于风冷密闭罩14内部分的两顶角依次设置第一风扇4和第二风扇8，空气的冷却由两层服务器基板15两端侧各设置的第一背板水冷换热器3和第二背板水冷换热器7实现，第一背板水冷换热器3和第二背板水冷换热器7置于风冷密闭罩14内，由外部冷源为第一背板水冷换热器3和第二背板水冷换热器7提供外来冷却水。
低能耗数据中心水冷系统还包括冷源侧水循环系统，
所述冷源侧水循环系统包括：第一背板出水口2、第二背板出水口6、第一背板供水口1、第二背板供水口5、芯片水冷散热器总入口9、芯片水冷散热器出水口10、控制阀17、服务器供水总立管18、服务器回水总立管19、板式换热器20、环境自然水源21、冷却塔22和冷水机组16；
第一背板出水口2、第二背板出水口6的高温水汇流入服务器回水总立管19，立管内高温水流进板式换热器20，经换热冷却后变成低温水流入服务器供水总立管18，服务器供水总立管18上的分流支管，分别与第一背板供水口1、第二背板供水口5和芯片水冷散热器总入口9相连，并在每个支流上设置控制阀17，用于调节每个支管流量的流量，通过流量调节匹配实现其对应的各回水支管流入总加水干管时的水温相同，以此保证回水温度的稳定性，满足板式换热器20的性能稳定运行。
服务器侧水循环系统和冷源侧水循环系统之间采用板式换热器实现传热联接。
所述冷源侧水循环系统中冷却低温水由三种冷却方式提供，分别为环境自然水源21、冷却塔22和冷水机组16，通过控制每个管路上冷却设备前后的控制阀17开断来实现三种冷却方式的转换。
三种冷却低温水冷却方式联接的形式为并联。
环境自然水源21冷却，用于自然环境温度低和低热功率的场合；
当环境自然水源21冷却不能满足冷却需求时，其次选择冷却塔22冷却，进一步提升冷却能力；
当冷却塔22冷却方式不能提供冷却需求时，最终功换转为冷水机组16冷却方案，保证冷却效果。
在风冷密闭罩14外，水冷散热器11覆盖在芯片12上面，通过外来冷却水带走芯片12产生的热量，每组芯片12的水冷散热器11均有出入口，连接管道分别与各个水冷散热器11的出入口相连，水冷系统运行后，外来冷却水通过芯片12的水冷散热器入口9流入干路管道后经过各支路管道流入水冷散热器11，与芯片12发生换热，温度升高后的冷却水从出口流出，最后各个出口的水汇合后从芯片水冷散热器总出口10流出。
水冷散热器11的进出水管选择并联连接方式。
在数据中心机柜中，每两层服务器基板15均采用风冷水冷混合系统，在整个数据中心机柜开始运行后，在冷却芯片12和冷却内存条13同时进行。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
本发明将风冷和水冷结合起来，利用芯片水冷换热器对热流密度大的平置芯片电子元件进行有效冷却，利用空气密闭罩内的背板水冷换热器实现水冷冷却空气，空气冷却内存条等立置电子元件，以此来实现服务器内电子元器件的全面有效冷却，且两层为一个冷却模块，方便应用；采用一套水冷系统，简便了冷却系统且利于减少能耗。此外，当全年环境温度发生变化时，选择不同的冷源对于冷却系统的总功耗有很大影响，当前研究多采用一种冷却方式，或自然冷却水源、或冷却塔冷源，或冷水机组冷源，无法适应气温变化而实现最经济能耗。因此，这里建立多冷源切换的冷却模式，采用环境自然水源、冷却塔、和冷水机组三种并联联接的冷却低温水冷却方式，根据气候条件不同选择最小冷却能耗的冷却方式进行切换，实现全年冷却能耗最低。
附图说明
图1为一种低能耗数据中心水冷系统的俯视图；
图中，第一背板器供水口1、第一背板出水口2、第一背板水冷换热器3、第一风扇4、第二背板供水口5、第二背板出水口6、第二背板水冷换热器7、第二风扇8、芯片水冷散热器供水口9、芯片水冷散热器总出口10、水冷散热器11、芯片12、内存条13、风冷密闭罩14、服务器基板15；
图2为图1中a-a处主视剖面图；
图中，第一背板供水口1、第一背板出水口2、第一背板水冷换热器3、芯片水冷散热器总出口10、水冷散热器11、芯片12、风冷密闭罩14、服务器基板15；
图3为图1中b-b处主视剖面图；
图中，第一背板出水口2、第一背板水冷换热器3、第一风扇4、第二背板出水口6、第二背板水冷换热器7、第二风扇8、芯片水冷散热器总出口10、内存条13、风冷密闭罩14；
图4为一种低能耗数据中心水冷系统的冷源侧水循环系统示意图；
图中，第一背板供水口1、第一背板出水口2、第二背板供水口5、第二背板出水口6、芯片水冷散热器总入口9、芯片水冷散热器总出口10、服务器回水总立管19、板式换热器20、服务器供水总立管18、控制阀17、环境自然水源21、冷却塔22、冷水机组16。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种低能耗数据中心水冷系统的俯视图，
其中，图2为图1中a-a处主视剖面图，图3为图1中b-b处主视剖面图；
两层服务器基板为一个冷却模块，每层服务器基板上面分布有6个芯片元器件，每列3个芯片，两列芯片中间集中布置内存等立置电子发电元器件。
对于cpu芯片的冷却：芯片平置在服务器基板上，12为芯片，水冷散热器11覆盖在芯片上面，外表面与芯片12紧密贴附接触，通过外来冷却水带走芯片12产生的热量。每组芯片12水冷散热器均有出入口，连接管道将各个水冷散热器的出入口相连。水冷系统运行后，外来冷却水通过芯片水冷散热器入口流入干路管道后经过各支路管道流入水冷散热器，与芯片发生换热，芯片温度降低，冷却水温度升高。升高后的冷却水从出口流出，最后各个出口的水汇合后从总出口流出，完成了对芯片降温的目的。
对于内存条等立置电子元器件的冷却：风冷系统开始运行后，风冷密闭罩14内的空气在第一风扇4的驱动下，经过第一背板水冷换热器3的冷却后变为冷空气，冷空气在风冷密闭罩14内流经上层立置的内存条13，与内存条13进行对流换热，热空气再经过服务器基板15另一端的第二背板水冷换热器7，与其进行换热，冷却后的空气继续流入下层基板冷却单元，实现下层内存条13的冷却，吸收热量变热的空气再经第一背板水冷换热器3冷却后流回第一层基板，进行往复循环运行。
系统开始运行后，水冷系统和风冷系统各司其职，水冷系统冷却平置的芯片，风冷系统冷却立置的内存条。在数据中心机柜中，每两层服务器基板均采用这样的风冷水冷混合系统，这样在整个数据中心机柜开始运行后，就可以在冷却高热流密度的芯片的同时，冷却热流密度相对不太高的内存条。
图4为一种低能耗数据中心水冷系统的冷源侧水循环系统示意图；图中：来自第一背板出水口2、第二背板出水口6和芯片水冷散热器总出口10的高温水汇流入服务器回水总立管19，立管内高温水流进板式换热器20，经换热冷却后变成低温水流入服务器供水总立管18，再将总供水管上设置分流支管，分别与第一背板供水口1、第二背板供水口5和芯片水冷散热器总入口9相连，并在每个支流上设置控制阀17，可实现每个支管流量的流量调节，通过流量调节匹配实现其对应的各回水支管流入总加水干管时的水温相同，以此保证回水温度的稳定性，满足板式换热器20的性能稳定运行。图中，板式换热器20左侧为服务器侧高温水循环，右侧为冷却低温水循环，冷却低温水由三种冷却方式提供，分别为环境自然水源21，冷却塔22，和冷水机组16，三种冷却方式并联联接，通过控制每个管路上冷却设备前后的控制阀17开断来实现三种冷却方式的转换。三种冷却方案的转换选择取决于服务器热功率大小和自然环境温度的变化：首选自然水源冷却方案，适于自然环境温度低和低热功率的场合；当自然水源不能满足冷却需求时，其次选择冷却塔冷却方案，可以进一步提升冷却能力，但功耗有所增加；当冷却塔冷却方式不能提供冷却需求时，最终功换转为冷水机组冷却方案，可保证冷却效果，但功耗最大。由此，根据冷却需求和冷却设备的转换，可实现数据中心冷却系统耗能最低，相比单种冷却方案更有效节能。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
1.一种低能耗数据中心水冷系统，包括第一背板水冷换热器(3)、第一风扇(4)、第二背板水冷换热器(7)和风冷密闭罩(14)，其特征在于：
风冷密闭罩(14)内的空气在第一风扇(4)的驱动下，经过第一背板水冷换热器(3)的冷却后变为冷空气，冷空气在风冷密闭罩(14)内流经上层立置的内存条(13)，与内存条(13)进行对流换热，热空气再经过服务器基板(15)另一端的第二背板水冷换热器(7)，与其进行换热，冷却后的空气继续流入下层基板冷却单元，实现下层内存条(13)的冷却，吸收热量变热的空气再经第一背板水冷换热器(3)冷却后流回第一层基板，进行往复循环运行。
2.根据权利要求1所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
低能耗数据中心水冷系统包括服务器侧水循环系统，
所述服务器侧水循环系统包括第一背板水冷换热器(3)、第二背板水冷换热器(7)、第一风扇(4)、第二风扇(8)、服务器基板(15)、水冷散热器(11)、内存条(13)、风冷密闭罩(14)和芯片(12)；
服务器基板上cpu芯片(12)平行排成两列布置，两列芯片(12)中间布置内存条，每个芯片(12)上布置水冷散热器(11)进行水冷冷却，水冷散热器(11)的冷却水由外部冷源来提供，两层服务器基板的水冷散热器由一个分水管汇流入，一个分水管汇流出；
将两层服务器基板(15)上的所有内存条(13)封闭于一个风冷密闭罩(14)内，芯片(12)在风冷密闭罩(14)外，风冷密闭罩(14)与两层服务器基板(15)垂直放置，且服务器基板(15)位于风冷密闭罩(14)内部分的两顶角依次设置第一风扇(4)和第二风扇(8)，空气的冷却由两层服务器基板(15)两端侧各设置的第一背板水冷换热器(3)和第二背板水冷换热器(7)实现，第一背板水冷换热器(3)和第二背板水冷换热器(7)置于风冷密闭罩(14)内，由外部冷源为第一背板水冷换热器(3)和第二背板水冷换热器(7)提供外来冷却水。
3.根据权利要求2所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
低能耗数据中心水冷系统还包括冷源侧水循环系统，
所述冷源侧水循环系统包括：第一背板出水口(2)、第二背板出水口(6)、第一背板供水口(1)、第二背板供水口(5)、芯片水冷散热器总入口(9)、控制阀(17)、服务器供水总立管(18)、服务器回水总立管(19)、板式换热器(20)、环境自然水源(21)、冷却塔(22)和冷水机组(16)；
第一背板(2)、第二背板出水口(6)的高温水汇流入服务器回水总立管(19)，立管内高温水流进板式换热器(20)，经换热冷却后变成低温水流入服务器供水总立管(18)，服务器供水总立管(18)上的分流支管，分别与第一背板供水口(1)、第二背板供水口(5)和芯片水冷散热器总入口(9)相连，并在每个支流上设置控制阀(17)，用于调节每个支管流量的流量，通过流量调节匹配实现其对应的各回水支管流入总加水干管时的水温相同，以此保证回水温度的稳定性，满足板式换热器(20)的性能稳定运行。
4.根据权利要求3所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
服务器侧水循环系统和冷源侧水循环系统之间采用板式换热器实现传热联接。
5.根据权利要求3所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
所述冷源侧水循环系统中冷却低温水由三种冷却方式提供，分别为环境自然水源(21)、冷却塔(22)和冷水机组(16)，通过控制每个管路上冷却设备前后的控制阀(17)开断来实现三种冷却方式的转换。
6.根据权利要求5所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
三种冷却低温水冷却方式联接的形式为并联。
7.根据权利要求5所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
环境自然水源(21)冷却，用于自然环境温度低和低热功率的场合；
当环境自然水源(21)冷却不能满足冷却需求时，其次选择冷却塔(22)冷却，进一步提升冷却能力；
当冷却塔(22)冷却方式不能提供冷却需求时，最终功换转为冷水机组(16)冷却方案，保证冷却效果。
8.根据权利要求1所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
在风冷密闭罩(14)外，水冷散热器(11)覆盖在芯片(12)上面，通过外来冷却水带走芯片(12)产生的热量，每组芯片(12)的水冷散热器(11)均有出入口，连接管道分别与各个水冷散热器(11)的出入口相连，水冷系统运行后，外来冷却水通过芯片(12)的水冷散热器入口(9)流入干路管道后经过各支路管道流入水冷散热器(11)，与芯片(12)发生换热，温度升高后的冷却水从出口流出，最后各个出口的水汇合后从芯片水冷散热器总出口(10)流出。
9.根据权利要求8所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
水冷散热器(11)的进出水管选择并联连接方式。
10.根据权利要求1所述的一种低能耗数据中心水冷系统，其特征在于：
在数据中心机柜中，每两层服务器基板(15)均采用风冷水冷混合系统，在整个数据中心机柜开始运行后，在冷却芯片(12)和冷却内存条(13)同时进行。
技术总结