CN101626675B - 一种用于机柜冷却的散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机柜冷却的散热装置，具体涉及一种采用风水交换制冷的散热装置。热风吸入装置为箱形立体结构，箱体表面开有进风口和出风口，内部安装有监控模块，箱体内部进风口对应的位置上安装有吸风扇，吸风扇通过风道与出风口连接；本方案散热路径短，缩短了工作过程，进而加快了散热空间的散热效率，吸风扇采用单独的风道与出风口相连，各个风扇进来的风不会相互影响，而且可以视散热空间的温度调整做功的吸风扇个数及转数，整个循环过程由监控系统进行控制。本方案采用部分冗余设计或全冗余设计，当主水冷系统故障时可全部切换到备用系统上，以保证水冷系统的正常运转，使得效率最大化。本方案制冷路径短、针对性强，达到效率最大化。

Description

一种用于机柜冷却的散热装置

技术领域

本发明涉及一种散热装置，具体涉及一种对刀片服务器机柜利用风水交换制冷来散热的装置。

背景技术

现今我们的生活正迈入一个电子产业蓬勃发展的信息时代，各种由计算机所衍生之高科技产品、电子设备发展迅速，为人们的日常生活带来了莫大的便利性，然而，随着当前各种电子科技的不断研发与精进，相关电子产品之研发理念，是以走向高频率、高速度之数据处理模式，并以轻、薄、短、小之外观造型为其发展主轴，当电子产品之机壳缩小后，将使得其内部之芯片尺寸逐渐朝向微形化、集成化转变，此设计理念造成电子元件的发热密度越来越高，相应的也带来了各种能耗问题，散热的成效与能耗的升降有直接的关系，因此采用何种方式散热，如何散热一直是各行业应用时首先需要考虑的。

常用的散热装置有采用散热片的方式，即直接在散热设备表面安装散热鳍片，采用的是被动式散热，此方式只适用在发热量不大且通风状况良好的情况下适用，因此有些封闭空间采用此方式时，常常在散热片表面安装风扇来加强空气流通，这样虽然达到了一定的散热效果，但占据了大量的空间，而且随着电子产业的发展，电子元件的运行频率和功能日益提升，集成化也越来越高，其发热量也随之增加，这种被动式散热已经不适用一些高科技领域。

还有一些采用水冷方式，即直接在发热量大的设备上安装冷媒置换管道，将设备散发的热量通过管道接触直接带走，此方式通过直接接触能将设备温度快速降下来，对一些需要保护恒温的设备效果明显，但是采用循环冷媒的管路易发生泄露，且很多需要散热的设备是不能直接与流体接触的，所以一但发生液体渗出，就会影响设备的正常工作。在计算机技术飞速发展的今天，随着新一代数据中心的建设，网络、服务器、存储等基础设备进一步集中，这就对机房的基础环境提出了新的要求，而机柜微环境也越来越受到重视，服务器都是安装在机柜内，机柜内的温湿度，电源分配，承重性等等因素直接影响服务器的高性能运行，随着新一代计算机的晶体管集成密度越来越高，处理器的速度越来越快，服务器的发热量也急剧增长，服务器越来越高的功率，对机柜内服务器高密度安装以及如何散热提出了挑战，同时，要求我们在解决这些问题的同时还要确保系统的高可用性、可扩展性，高节能性。当前，高集成的刀片式服务器已经成为科学计算的主力，刀片式服务器在提供更高密度、更高计算能力的同时也带来了更多的功耗，电力不足、制冷达不到要求，这都困扰着刀片服务器的推广和应用。

在机房制冷方面，目前传统机房多采用精密空调开孔地板下送风进行制冷的方式，美国采暖、制冷与空调工程师学会研究得出，此方式是在每个机柜下的地板上设置1-2个出风口，每个风口出风量为500-600m3/h，以11℃的温差计，每个出风口最大可带走1.5-2KW能量，即单台机柜单采用空调制冷的最大散热量为3kw-5kw，由于气流难以像电流一样被约束，冷热气流的混合、对流、短路等，均会造成气流组织偏离设计值，从而使部分机柜得不到足够的风量或者机柜内的部分服务器得不到足够的冷量，产生局部热区或热点；而同时又有一部分冷风没有被利用，这种情况降低了空调机的工作效率，浪费电能。

以1U的功率为400W的服务器来计算，如果在一个42U高的机柜中安装12台这样的服务器，就将使机柜内的功耗达到4.8KW，达到了架空地板+精密空调方式的极限，也就是42U的机柜只利用了12U，其余的安装空间都浪费掉了。

发明内容

为解决机柜与散热装置一体化造成的调整不便，不能针对各机柜不同散热点分别处理，机柜散热装置占用空间大，散热效果低的问题。本发明第一目的提供一种外置式风水冷散热装置，第二目的提供一种安装方便、体积、形状、结构可按不同散热要求调整的散热装置。本发明采用技术方案如下：一种用于机柜冷却的散热装置：包括热风吸入装置、水冷循环装置和外置制冷机组，其特征在于，所述水冷循环装置包括导风管、排风管并通过循环水管与外置制冷机组连接，所述热风吸入装置包括进风口、出风口和内部的吸风扇，所述热风吸入装置通过出风口与水冷循环装置导风管连接。

本发明的另一优选方式：所述热风吸入装置为箱形立体结构，由前封板、框架、后封板组成，所述进风口开在前封板上，吸风扇安装在后封板内表面上，吸风扇与进风口之间安装有导风圈，所述后封板上吸风扇周围安装有由隔板围成的独立风道，所述隔板高度与框架一致，所述出风口开在吸风扇的一端，所述风道出口与出风口相通。

本发明的再一优选方式：所述热风吸入装置后封板外表面安装有LCD显示屏、系统指示灯、开门按钮、控制门和门禁刷卡器。

本发明的又一优选方式：所述热风吸入装置内安装有备用吸风扇。

本发明的还一优选方式：所述同一风道内安装有两个风扇。

本发明的另一优选方式：所述吸风扇的吸风口有外凸的进风圈。

本发明的另一优选方式：所述热风吸入装置内的吸风扇有多个且可以自由调整位置。

本发明的另一优选方式：所述水冷循环装置内部有热交换主体，所述热交换主体包括壳体、水冷管绕成的散热管，所述散热管表面安装有散热鳍片，所述散热管上有出水口和进水口并分别与循环水管的出水管和进水管连接。

本发明的另一优选方式：所述外置制冷机组包括制冷机组、循环水泵、电磁阀。

本发明的另一优选方式：所述热风吸入装置的后封板上有备用空气出气孔，所述水冷循环装置的导风管处进气支管。

本发明可以安装在机柜的任何一面，热风吸入装置做为机柜的一个门，吸风口位置机柜内以将机柜内产生的热量吸走，而水冷循环装置安装通过排风口与机柜内相通，以将降过温的空气吹入柜内，从而实现机柜内降温、散热。本技术方案散热装置中吸风扇与水冷循环装置之间的路径短，缩短了工作过程，进而加快了散热空间的散热效率，每个吸风扇都采用单独的风道与出风口相连，各个风扇进来的风不会相互影响，而且可以视散热空间的温度调整做功的吸风扇个数及转数，水冷循环装置内部采用循环水冷管，可以最大面积的与进来的热风接触，在短时间内对热风进行降温，置换后升温的水由出水管直接排到室外制冷机组，被室外制冷机组降温的水由进水管再进入水冷循环装置，如此达到一个完整的循环过程，整个循环过程由监控系统进行控制。

吸风扇可以按机柜内安装的刀片服务器的位置进行调整，可将吸风扇调整到发热量大的区域，为了针对同一位置不同散热区，可以在一个吸风口内安装两个或三个风扇，利用不同的风扇对准不同的发热源，还可以减少风扇体积，安装备用风扇可以在突发热量增加的情况下起到调节作用，备用风扇和工作风扇都可以视情况关闭、启动，最大限度的节省能耗，利用进风圈可以延伸到发热区，快速的将热量由吸风扇吸走。利用热风吸入装置上的备用空气出气孔可以将机柜内的热空气直接排到外部环境中，减少水冷循环装置的工作量，而水冷循环装置可以通过进气支管，直接吸进较低温度的空气进行降温，减少了整个制冷系统的工作量，此方式适用在一些特殊处理中，如：外界温度比机柜内部空气温度更低、制冷循环更方便时。

本方案整个水冷系统按物理结构可划分为三个部分，热风吸入装置、水冷循环装置、室外水冷机组；三者之间相互交换热能实现散热设备的降温，其循环可视为一个大循环冷却过程，也可划分为三个微循环：一是热风吸入后与散热管之间冷热置换，二是散热管与室外水冷机组间的冷热水循环，三是室外水冷机组冷媒与循环水之间的冷热置换过程。本方案中热风吸入装置中的风扇采用EC风扇，其个数的多少由需要散热的设备决定，风扇的转速及开启个数由监控系统控制，室外制冷机组安装的电磁阀在监控系统的控制下可根据温度情况调节循环水管的流量，达到节能的目的。

为保证设备安全运行，在保证基本设备的情况下，本方案散热装置可采用部分冗余设计或全冗余设计。部分冗余设计是对主要部件：如室外机、水泵采用1+1冗余，共用一套主管道系统的设计，当室外机或水泵出现故障时，可启用备用室外机或备用水泵，以保证水冷系统的正常运转；全冗余设计是对室外机、水泵、供回水主管道系统都采用1+1冗余设计，完全的一主一备，当主水冷系统故障时可全部切换到备用系统上，以保证水冷系统的正常运转。本方案采用风冷+水冷的方式节约了路径，使得效率最大化。

附图说明

图1本发明散热装置连接示意图

图2图1所示热风吸入装置示意图

图3图2所示吸风扇送风道示意图

图4图2所示热风吸入装置后封板外表面示意图

图5本发明水冷循环装置示意图

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明技术方案散热装置包括室外制冷机组3、热风吸入装置1、水冷循环装置2及循环管路，循环管路包括进水管25和出水管26。

如图2所示，热风吸入装置1采用箱形结构，包括前封板10、框架11、后封板12，前、后板与框架闭合后装置整体密封，在前封板10中轴线上有多个进风口13，当然进风口的位置并不一定非要固定在中轴线上，在有利于吸风及内部风道的设定上开在箱体的任何位置都是可以的，而且进风口的多少也可以视实际需要增加或减少。箱体的内部安装有吸风扇16，吸风扇16的位置与进风口13对应，为了增加吸风扇16的吸风效果，在吸风扇16与进风口13之间安装有密封用的导风圈15。本方案将吸风扇16固定在后封板12上，当然也可以固定在前封板10上。

如图3所示，后封板上安装有监控模块18，在后封板12上吸风扇16周围安装由隔板17围成的送风道20，各个吸风扇16的风道独立，分别通向出风口14。出风口14视散热需要可以开在箱体的任何地方，本方案的出风口14安装在吸风扇16的一端。为了避免各个吸风扇风道之间相互影响，各吸风扇的风道设定在箱体的不同位置并采用交差错开的方式，离出风口14最远的吸风扇风道出口位于一侧，中间的吸风扇风道出口位于另一侧，与前面风道出口位置相反，靠近出风口14的吸风扇16风道由隔板17直接与出风口相通，隔板17的高度与框架11相等，当前、后封板合在框架上时，各风扇的风道是封闭的，这样不会使吸风扇吸入的风从其它地方逸出，降低换热效果。隔板17的安装采用如下的方式，位于上方的隔板一端固定在其下方吸风扇的隔板上，隔板中间部位围绕吸风扇，隔板另一端与下一个吸风扇隔板之间形成出口且靠近框架11，这样风口出来的风不会流向相反方向，避免了通风不畅和相互影响。

如图4所示，整个散热装置控制系统的部分装置安装在热风吸入装置的后封板内表面，有LCD显示屏20、各种指示灯21、开门按钮22、控制门23、门禁刷卡器19，用于箱体内的设备、室外制冷等整个供热装置进行监制。

如图5所示，水冷循环装置2包括顺序连接的排风管30、热交换主体和导风管31，热交换主体包括外壳32、散热管35，散热管35由水冷细铜管绕成，散热管35上有出水口33和进水口34，散热管35的表面安装有散热片。

本方案工作方式如下：启动吸风扇16将热风从进风口13吸入箱体内，吸入的热风由各独立风道将热风由出风口14经导风管31送入水冷循环装置2，从导风管31进来的热风通过热交换主体，热交换主体内的散热管35与热风进行置换，降温后的热风变成低温冷风从排风管30排出，由于吸风扇16对吸入的热风有风压，而整个散热装置是密封的，因此排风管30的风可以吹到一定范围。散热管35内的水吸收热后经出水口33、出水管26循环到室外制冷机组3，室外制冷机组3对热水进行降温变成预定的冷水后，经进水管25、进水口34流入散热管35，提供不断循环的用于降低热风的冷源。热风吸入装置的后封板上安装的各种控件，对散热装置进行相应操作，如LCD显示屏20显示散热装置的各种状态，系统指示灯21分为故障定位灯和状态指示灯，能对散热装置的故障进行报警，用于维修设备的控制门23及刷卡器19，而整个散热过程各部件的控制都由监控系统18完成。

在循环水管上安装有压力泵4，压力泵4可以安装在进水管25上也可以安装在出水管26上，在每个水管上都安装有电磁阀5，以实现水流的控制，室外制冷机组可以采用水冷机组，也可以采用风冷机组，在一些寒冷地区可以采用两种机组并用的方式，当室外的温度低于散热装置的要求时，就可以切换自然风冷的方式，以利用能源、节省能耗。

本技术方案还可以采用备用设备的方式来保证设备安全运行，本方案散热装置可采用部分冗余设计或全冗余设计。部分冗余设计是对主主要部件：如室外机、水泵采用1+1冗余，共用一套主管道系统的设计，当室外机或水泵出现故障时，可启用备用室外机或备用水泵，以保证水冷系统的正常运转；全冗余设计是对室外机、水泵、供回水主管道系统都采用1+1冗余设计，完全的一主一备，当主水冷系统故障时可全部切换到备用系统上，以保证水冷系统的正常运转，冗余设备的安装都采用并联方式。

本技术方案中吸风扇的多少视散热设备的降温要求来定，一般在标准范围内多安装一个备用吸风扇，可以对散热设备的温度调整范围留出余地，或是在某个吸风扇出现停转时，自动进行工作，防止出现意外，进风口的位置可以视散热空间形状排列，内部的吸风扇还可以上下左右调整位置，以更方便对准发热源。

本方案采用控制电源和系统电源独立供电的方式，以保证监控模块的可靠性，其中控制电源选用AC-DC模块，其输入电压为AC220V，输出为DC24V；系统电源选用AC-DC模块，其输入电压为AC220V，输出为DC12V，另外还设计了1个12V转5V的DC-DC模块，给监控单元供电。

本方案的散热装置可以安装在散热设备的任何方位，热风吸入装置框体棱角处安装卡合密封装置，可以方便与任何散热装置连接，由于本方案是采用吸入式换冷方式，因此最好的实施方式是将散热设备安装在一个密封空间，可以最大限定的利用整个环境温度来对设备进行降温。

实施例2：

如图2所示，在实施例1基础上本技术方案在吸风口13还安装有吸风圈6，吸风圈向外延伸以对准发热源，吸风圈6可以折向扣在发热源上，这样吸风扇的风力可以直接将发热源产生的高温直接吸走，而不必在其散发后再吸收。

实施例3：

在实施例1基础上本技术方案在同一个吸风口13内的吸风扇16可以安装多个，以适应同一高度、不同位置的发热源，使每一个发热源都有对应的吸风扇工作。

实施例4：

如图4、5所示，在实施例1的基础上本技术方案的热风吸入装置1的后封板或侧面安装有备用空气出气孔7，在水冷循环装置的导风管附近安装进气支管8，当室内或是室外的温度低于吸风扇16吸入的温度时，可以利用出气孔7将机柜内的空气直接排到机柜外，此时将出风口14封闭，而水冷散热装置就不用对高温空气进行降温。水冷散热装置打开空气支管8，从室内或室外吸进较低温度的空气再进行降温，这样可以大大减小制冷系统的负担，也能较快的得到低温空气，对机柜内温度的散发速度也大大加快。

Claims (8)

1.一种用于机柜冷却的散热装置：包括热风吸入装置(1)、水冷循环装置(2)和外置制冷机组(3)，其特征在于，所述水冷循环装置(2)包括导风管(30)、排风管(31)和循环水管，并通过循环水管与外置制冷机组(3)连接，所述热风吸入装置(1)包括进风口(13)、出风口(14)和内部的吸风扇(16)，所述热风吸入装置(1)通过出风口(14)与水冷循环装置导风管(30)连接，所述热风吸入装置(1)为箱形立体结构，由前封板(10)、框架(11)、后封板(12)组成，所述进风口(13)开在前封板(10)上，吸风扇(16)安装在后封板(12)内表面上，吸风扇(16)与进风口(13)之间安装有导风圈(15)，所述后封板(12)上吸风扇周围安装有由隔板(17)围成的独立风道，所述隔板(17)高度与框架(11)一致，所述出风口(14)开在吸风扇的一端，所述风道出口与出风口(14)相通，所述水冷循环装置(2)内部有热交换主体，所述热交换主体包括壳体(32)、水冷管绕成的散热管(35)，所述散热管(35)表面安装有散热鳍片，所述散热管(35)上有出水口(33)和进水口(34)并分别与循环水管的出水管(26)和进水管(25)连接，吸风扇(16)将热风从进风口(13)吸入箱体内，吸入的热风由各独立风道将热风由出风口(14)经导风管(30)送入水冷循环装置(2)，从导风管(30)进来的热风通过热交换主体，热交换主体内的散热管(35)与热风进行置换，降温后的热风变成低温冷风从排风管(31)排出。

2.如权利要求1所述一种用于机柜冷却的散热装置，其特征在于，所述热风吸入装置后封板外表面安装有LCD显示屏(20)、系统指示灯(21)、开门按钮(22)、控制门(23)和门禁刷卡器(19)。

3.如权利要求1所述一种用于机柜冷却的散热装置，其特征在于，所述热风吸入装置(1)内安装有备用吸风扇。

4.如权利要求1所述一种用于机柜冷却的散热装置，其特征在于，所述同一风道内安装有两个吸风扇(16)。

5.如权利要求1所述一种用于机柜冷却的散热装置，其特征在于，所述吸风扇(16)的进风口(13)有外凸的进风圈(6)。

6.如权利要求1所述一种用于机柜冷却的散热装置，其特征在于，所述热风吸入装置内的吸风扇(16)有多个且可以自由调整位置。

7.如权利要求1所述一种用于机柜冷却的散热装置，其特征在于，所述外置制冷机组(3)包括制冷机组、循环水泵(4)、电磁阀(5)，在循环水管上安装有循环水泵(4)，循环水泵(4)可以安装在进水管(25)上也可以安装在出水管(26)上，在每个水管上都安装有电磁阀(5)。

8.如权利要求1所述一种用于机柜冷却的散热装置，其特征在于，所述热风吸入装置的后封板上有备用空气出气孔(7)，所述水冷循环装置(2)的导风管(30)处有空气进气支管(8)。

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