CN106385784B - 一种用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，将用于机柜冷却的大温差空调末端装置及被冷却机柜封装于一个与机房环境隔离的构建物中，以防止构建物内部空间与外部的机房环境产生热量传递，用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于被冷却机柜一侧，或者用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于两个被冷却机柜之间；用于机柜冷却的大温差空调末端装置和被冷却机柜与控制系统连接，使用于机柜冷却的大温差空调末端装置根据控制系统实现自动调节。本发明通过增大循环液体流动管路内表面面积来增大单个换热器换热面积，通过将换热器串联连接，显著增加循环液体流动路径长度，实现循环液体小流量、进出口大温差的运行方式。

Description

一种用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法

技术领域

本发明涉及数据中心空调节能系统技术领域，特别是一种用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法。

背景技术

数据中心是一个聚集了大量服务器、存储设备、网络设备的场所，是实现数据信息集中处理、存储、传输、交换和管理等业务的服务平台。数据中心的电耗主要由信息设备、空调系统和供配电系统三部分构成，其中空调系统电耗约占总量的40％。随着我国信息行业的快速发展，数据中心将呈现爆发增长，其电耗呈几何级数增长，能源消耗巨大。

随着信息设备集成度的进一步提高，单台服务器运算能力和发热量大幅增加，同时体积越来越小，造成数据中心单机柜功率密度迅速增加，传统架空地板下送风方式已经渐渐无法满足高功率密度机柜的冷却需求。并且，传统下送风方式由于冷源距离热源较远，气流组织不够合理，带来数据中心机柜冷却不够充分以及能耗居高不下的问题。

改善数据中心能耗和末端有效冷却问题需要改变现有数据中心空调末端的送风形式，使冷源尽量靠近热源，同时要充分利用免费自然冷源进行冷却。现有机房精密空调冷冻水供水温度较低且供回水温差较小，供回水温差通常为5℃，主机能效较低且不利于对免费自然冷源的充分利用。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，该方法通过使冷源紧靠机柜的方式减小气流输送距离，降低气流输送能耗，不会出现局部过热现象，而且循环液体流量低、供/回液温差大、冷却效率高，解决了现有技术存在的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，将用于机柜冷却的大温差空调末端装置及被冷却机柜封装于一个与机房环境隔离的构建物中，以防止构建物内部空间与外部的机房环境产生热量传递，所述用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于被冷却机柜一侧，或者所述用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于两个被冷却机柜之间；

所述用于机柜冷却的大温差空调末端装置包括柜体，所述柜体内设置有空气-液体换热模块和气流分配模块，所述空气-液体换热模块包括若干个平行排列的空气-液体换热器，所述气流分配模块包括送风气流导向叶片、回风气流导向叶片和一组风机，所述送风气流导向叶片、所述风机、所述空气-液体换热器和所述回风气流导向叶片依次设置于所述柜体内，所述空气-液体换热器内载冷液体的进出口温差为10～15℃；

用于机柜冷却的大温差空调末端装置和被冷却机柜与控制系统连接，使用于机柜冷却的大温差空调末端装置根据控制系统实现自动调节；

控制系统通过监测所述被冷却机柜内服务器输入电流和回风口温度对风机转速、送风气流导向叶片角度、空气-液体换热器的角度以及空气-液体换热模块内载冷液体流速进行调节；当被冷却机柜服务器输入电流增加或回风口竖向各点空气温度提高时，增大风机转速使得风量增大，使送风气流导向叶片旋转使得送风气流流向与服务器进风方向的角度更小，以增大服务器进风风速；当被冷却机柜服务器输入电流减小且回风口温度降低时，降低风机转速使得风量减小，使送风气流导向叶片旋转使得送风气流流向与服务器进风方向的角度更大，降低空气-液体换热模块内载冷液体的流速。

优选地，所述构建物上设置有用于设备检修和维护的检修通道。

本发明通过将用于机柜冷却的大温差空调末端装置与被冷却机柜封装于一个与机房环境隔离的构建物中，该构建物具有保温隔热效果，其实现仅对机柜实施的局部环境冷却，避免因冷却整个机房环境造成的能源浪费，同时降低了对机房环境温度的要求。

用于机柜冷却的大温差空调末端装置布置于机柜的侧面，可以位于两台机柜之间或者位于单台机柜一侧；大温差空调末端装置的高度与机柜高度相同或相近；大温差空调末端装置水平进深大于机柜水平进深，出风口位置突出于机柜正面，回风口位置突出于机柜背面。

本发明中用于机柜冷却的大温差空调末端装置的工作流程是：机柜背面服务器排出的热空气经过回风导向叶片改变流向后，反向流入空气-液体换热模块，经过空气-液体换热模块后，热空气被冷却降温至合适的温度，再经风机增压后流向送风气流导向叶片改变风向，最终反向流入机柜正面的服务器进风口，形成水平闭合循环。

所述风机的风量可以根据机柜实时发热量实现自动调节，所述送风气流导向叶片角度可以根据机柜实时发热量实现自动调节；所述送风气流导向叶片和回风气流导向叶片均为竖直布置。

载冷液体的温差为10～15℃，能够更加充分利用免费自然冷源，在配套有蓄冷系统的数据中心，大温差供冷方式还能够增加蓄冷系统的蓄冷温差，提高蓄冷系统蓄冷能力，一方面可以实现更佳的移峰填谷效果，另一方面可以蓄存更多的自然冷量用于免费供冷。

优选地，所述若干个空气-液体换热器中的至少一个设置有旋转装置，所述旋转装置的旋转角度不大于90°。若干个空气-液体换热器中一个或多个空气-液体换热器可以根据机柜发热量变化沿其自身竖直中轴线进行旋转，旋转角度根据机柜发热量大小自动调节，旋转角度最大能够达到90°，设置有旋转装置的空气-液体换热器采用软连接方式与集液管和回液管连接。

优选地，所述若干个空气-液体换热器串联连接或者并联连接。空气-液体换热器串联连接可以增大液体流动管路内表面面积和液体流动路径长度实现小流量、大温差的设计目的。

优选地，所述空气-液体换热器为平行流微通道换热器或管翅式换热器。

优选地，所述载冷液体为水。

优选地，所述风机竖向排列。

优选地，所述空气-液体换热器的载冷液体采用双路供液，两路分别来自不同冷源的供液管同时连接所述空气-液体换热器的进液管，空气-液体换热器的出液管同时连接去往不同的冷源的回液管。本发明中的双路供液系统在运行中互为备份，同一时间只有一路液体循环，当正在循环的回路出现故障时，另一回路液体将自动开始循环。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过使冷源紧靠机柜侧面的方式减小气流输送距离，降低气流输送能耗，送风气流压力和温度分布更为均匀，针对机柜发热量瞬时升高时能够快速响应将热量带走，避免服务器出现过热的情况；

2、本发明通过增大循环液体流动管路内表面面积来增大单个换热器换热面积，通过将若干换热器进行串联连接，显著增加循环液体流动路径长度，通过与空气充分接触换热，实现循环液体小流量、进出口大温差的运行方式；

3、本发明通过增大循环液体供/回液温差，提高循环液体出口温度，能够显著增加免费自然冷源利用率，减少电制冷机组开启时间，降低数据中心空调系统能耗；

4、本发明通过增大循环液体供/回液温差，对配套有蓄冷系统的数据中心，能够大幅增加蓄冷系统的蓄冷温差，提高蓄冷系统蓄冷能力，一方面实现更佳的移峰填谷效果、降低电网负荷，另一方面蓄存更多的自然冷量用于免费供冷；

5、本发明采用可调节风量的风机，能够依据机柜发热量进行风量自动调节，对机柜发热量的动态变化迅速做出响应，及时将热量带走，实现针对机柜冷却的动态调节；

6、本发明在出风口和回风口设置气流导向叶片，有效降低气流改变流向时的局部阻力损失，出风口气流导向叶片能够根据机柜发热量自动调节叶片角度，实现对机柜更有效的冷却；

7、本发明通过与被冷却机柜封装于一个与机房环境隔离的构建物中，该构建物具有保温隔热效果，其实现仅对机柜实施的局部环境冷却，避免因冷却整个机房环境造成的能源浪费，同时降低了对机房环境温度的要求。

附图说明

图1为实施例1用于机柜冷却的大温差空调末端装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的主视图；

图4为实施例1用于机柜冷却的大温差空调末端装置三维透视图；

图5为实施例1用于机柜冷却的大温差空调末端装置第三空气-液体换热器旋转一定角度后的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为实施例1用于机柜冷却的大温差空调末端装置多个空气-液体换热器采用并联方式连接示意图，以及双路供液示意图；

图8为实施例1用于机柜冷却的大温差空调末端装置多个空气-液体换热器采用串联方式连接示意图；

图中附图标记含义：1、柜体；2、机柜；3、送风气流导向叶片；4、风机；5、回风气流导向叶片；6、第一空气-液体换热器；7、第二空气-液体换热器；8、第三空气-液体换热器；9、旋转装置；10、构建物；11、检修通道；12、第一供液管；13、第二供液管；14、第一回液管；15、第二回液管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例1

参阅图1至图8，图2和图5箭头所示为送风流动的路径，图7和图8箭头所示为水流方向。一种用于数据中心高热密度机柜的大温差空调末端装置及散热冷却方法，将用于机柜冷却的大温差空调末端装置及被冷却机柜2封装于一个与机房环境隔离的构建物10中，以防止构建物10内部空间与外部的机房环境产生热量传递，用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于被冷却机柜2一侧，或者用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于两个被冷却机柜之间；

用于机柜冷却的大温差空调末端装置包括柜体1，柜体1内设置有空气-液体换热模块和气流分配模块，空气-液体换热模块包括若干个平行排列的空气-液体换热器，气流分配模块包括送风气流导向叶片3、回风气流导向叶片5和一组竖向排列的风机4，送风气流导向叶片3、风机4、空气-液体换热器和回风气流导向叶片5依次设置于所述柜体内。

用于机柜冷却的大温差空调末端装置和被冷却机柜与控制系统连接，使用于机柜冷却的大温差空调末端装置根据控制系统实现自动调节。

构建物上设置有用于设备检修和维护的检修通道11。本实施例中，用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于两个被冷却机柜之间，该大温差空调末端装置的设置位置可根据具体工况实际确定，其位置的设置的目的是使冷源紧靠机柜的方式减小气流输送距离，降低气流输送能耗，且不会出现局部过热现象。

本申请通过将用于机柜冷却的大温差空调末端装置与被冷却机柜封装于一个与机房环境隔离的构建物中，该构建物具有保温隔热效果，其实现仅对机柜实施的局部环境冷却，避免因冷却整个机房环境造成的能源浪费，同时降低了对机房环境温度的要求。

用于机柜冷却的大温差空调末端装置布置于机柜的侧面，可以位于两台机柜之间或者位于单台机柜一侧；大温差空调末端装置的高度与机柜高度相同或相近；大温差空调末端装置水平进深大于机柜水平进深，出风口位置突出于机柜正面，回风口位置突出于机柜背面。

空气-液体换热器的载冷液体的温差为10～15℃，载冷液体为水、丙酮或其他制冷工质，在本实施例中，优选载冷液体为水，可根据实际需要变换载冷液体。载冷液体的进出口温差为10～15℃，能够更加充分利用免费自然冷源，在配套有蓄冷系统的数据中心，大温差供冷方式还能够增加蓄冷系统的蓄冷温差，提高蓄冷系统蓄冷能力，一方面可以实现更佳的移峰填谷效果，另一方面可以蓄存更多的自然冷量用于免费供冷。

空气-液体换热器的冷却介质采用双路供液，两路分别来自不同冷源的供液管同时连接空气-液体换热模块的进液管，空气-液体换热模块的出液管同时连接去往不同的冷源的回液管；本申请中的双路供液系统在运行中互为备份，同一时间只有一路液体循环，当正在循环的回路出现故障时，另一回路液体将自动开始循环。

空气-液体换热器可以为平行流微通道换热器或管翅式换热器，在本实施例中，空气-液体换热器为平行流微通道换热器，空气-液体换热器有3个，分别是第一空气-液体换热器6、第二空气-液体换热器7和第三空气-液体换热器8。

空气-液体换热器的数量其可以根据实际情况的需要来确定，本领域技术人员可以想到的数量范围其均在本发明的保护范围之内。

本申请中用于机柜冷却的大温差空调末端装置的工作流程是：机柜背面服务器排出的热空气经过回风导向叶片改变流向后，反向流入空气-液体换热模块，经过空气-液体换热模块后，热空气被冷却降温至控制系统中设定的温度，再经风机增压后流向送风气流导向叶片改变风向，最终反向流入机柜正面的服务器进风口，形成水平闭合循环。

风机的风量可以根据机柜实时发热量实现自动调节，送风气流导向叶片角度可以根据机柜实时发热量实现自动调节；送风气流导向叶片和回风气流导向叶片均为竖直布置。

若干个空气-液体换热器串联连接或者并联连接。本实施例中，第一空气-液体换热器6、第二空气-液体换热器7和第三空气-液体换热器8串联连接，该连接方式可以增大液体流动管路内表面面积和液体流动路径长度实现小流量、大温差的设计目的。如图8所示，制冷液体经第一供液管12或第二供液管13后，先后依次进入第三空气-液体换热器8、第二空气-液体换热器7和第一空气-液体换热器6，经第一回液管14或者第二回液管15排出。

若干个空气-液体换热器可根据实际情况选择并联连接，如图7所示，制冷液体经第一供液管12或第二供液管13后，分别经过第三空气-液体换热器8、第二空气-液体换热器7和第一空气-液体换热器6后，将第三空气-液体换热器8、第二空气-液体换热器7和第一空气-液体换热器6排出的制冷液体混合后经第一回液管14或者第二回液管15排出。

一个或多个空气-液体换热器都可以设置旋转装置，在本实施例中，第三空气-液体换热器8设置有旋转装置9，旋转装置9的旋转角度不大于90°。若干个空气-液体换热器中一个或多个空气-液体换热器可以根据机柜发热量变化沿其自身竖直中轴线进行旋转，旋转角度根据机柜发热量大小自动调节，旋转角度最大能够达到90°，设置有旋转装置的空气-液体换热器采用软连接方式与集液管和回液管连接。如图5所示为第三空气-液体换热器8旋转一定角度后的大空调末端装置结构示意图。

控制系统通过监测机柜2内服务器输入电流和回风口温度对风机转速、送风气流导向叶片3角度、可旋转空气-液体换热器8的角度以及空气-液体换热模块内载冷液体流速进行调节。当机柜服务器输入电流增加或回风口竖向各点空气温度提高时，增大风机转速使得风量增大；且使送风气流导向叶片3旋转一定角度，使得送风气流流向与服务器进风方向的角度更小，以增大服务器进风风速；此时可旋转空气-液体换热器8保持与气流流向垂直。当机柜服务器输入电流减小且回风口温度降低时，降低风机转速使得风量减小；且使送风气流导向叶片3旋转一定角度，使得送风气流流向与服务器进风方向的角度更大；且调节可旋转空气-液体换热器8与气流流向的夹角小于90°；且降低空气-液体换热模块内载冷液体的流速。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：将用于机柜冷却的大温差空调末端装置及被冷却机柜封装于一个与机房环境隔离的构建物中，以防止构建物内部空间与外部的机房环境产生热量传递，所述用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于被冷却机柜一侧，或者所述用于机柜冷却的大温差空调末端装置设置于两个被冷却机柜之间；

所述用于机柜冷却的大温差空调末端装置包括柜体，所述柜体内设置有空气-液体换热模块和气流分配模块，所述空气-液体换热模块包括若干个平行排列的空气-液体换热器，所述气流分配模块包括送风气流导向叶片、回风气流导向叶片和一组风机，所述送风气流导向叶片、所述风机、所述空气-液体换热器和所述回风气流导向叶片依次设置于所述柜体内，所述空气-液体换热器内载冷液体的进出口温差为10～15℃；

用于机柜冷却的大温差空调末端装置和被冷却机柜与控制系统连接，使用于机柜冷却的大温差空调末端装置根据控制系统实现自动调节；

控制系统通过监测所述被冷却机柜内服务器输入电流和回风口温度对风机转速、送风气流导向叶片角度、空气-液体换热器的角度以及空气-液体换热模块内载冷液体流速进行调节；当被冷却机柜服务器输入电流增加或回风口竖向各点空气温度提高时，增大风机转速使得风量增大，送风气流导向叶片旋转使得送风气流流向与服务器进风方向的角度更小，以增大服务器进风风速，旋转空气-液体换热器保持与气流流向垂直；当被冷却机柜服务器输入电流减小且回风口温度降低时，降低风机转速使得风量减小，使送风气流导向叶片旋转使得送风气流流向与服务器进风方向的角度更大，降低空气-液体换热模块内载冷液体的流速，旋转空气-液体换热器与气流流向的夹角小于90°。

2.根据权利要求1所述的用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：所述构建物上设置有用于设备检修和维护的检修通道。

3.根据权利要求1所述的用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：所述若干个空气-液体换热器中的至少一个设置有旋转装置，所述旋转装置的旋转角度不大于90°。

4.根据权利要求1所述的用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：所述若干个空气-液体换热器串联连接或者并联连接。

5.根据权利要求1或4所述的用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：所述空气-液体换热器为平行流微通道换热器或管翅式换热器。

6.根据权利要求1所述的用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：所述载冷液体为水。

7.根据权利要求1所述的用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：所述风机竖向排列。

8.根据权利要求1所述的用于数据中心高热密度机柜的散热冷却方法，其特征在于：所述空气-液体换热器的载冷液体采用双路供液，两路分别来自不同冷源的供液管同时连接所述空气-液体换热器的进液管，空气-液体换热器的出液管同时连接去往不同的冷源的回液管。