CN102256477A - 机房设备并联散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机房设备并联散热系统，其不同之处在于：其包括机柜并联散热系统，机柜并联散热系统具有封闭循环的管路，所述管路内充注适量换热介质，所述管路上连接有机柜放热冷凝装置及多个机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置分别设置在室内机房设备的排热点，机柜放热冷凝装置设置在室外，机柜吸热蒸发装置通过气体支管连接至气体汇管，气体汇管连接至机柜放热冷凝装置，机柜放热冷凝装置将气体部分或全部冷凝成液体后送至液体汇管，液体汇管通过液体支管回流至各机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置的安装高度低于机柜放热冷凝装置的安装高度。本发明采用吸收机房排热点热量的方式，将热量通过封闭循环的管路排放去室外，使机房内温度不至于升高，保障机房运行环境。

Description

机房设备并联散热系统

技术领域

本发明涉及一种机房设备并联散热系统。

背景技术

上世纪六十年代，随着通信程控交换技术的发展，机房环境已经不能满足程控交换设备的运行要求，程控机房需要一种在各种环境下均可使用的排热设备，由于固有定式的影响，业者普遍想到了当时已经日趋成熟的空调技术，机房空调的设计思路延续至今，也在后来者不断的完善中步入当下的市场环境。

由于机房空调能够满足程控交换设备的环境要求，上世纪七十年代直至上世纪末，程控交换技术迅猛的发展给予了机房空调一片广阔的天空，期间有大量的国内外厂家进入本行业，设计和生产出各种品牌和形式的机房专用空调，我国在上世纪八十年代逐步引进程控交换技术，也是在那个时间开始逐步接触到机房专用空调，之后也出现一批国内厂家进行机房空调的生产，这个阶段属于机房空调的黄金时间。

进入二十一世纪，数据和网络业务开始步入市场，相比程控交换设备，数据和网络设备的发热量出现了爆炸式的增长，这种情况下，延续程控交换机排热的设计思路已经逐步显现出技术疲态，难以跟进新的技术形势，而出现一些无法忽视的技术瓶颈。

具体技术瓶颈如下：1、巨大的能耗：据不完全统计，目前阶段的各类机房，空调耗能比例已经接近机房总耗能的一半左右，而这一部分耗能是无法产生任何直接经济效益的，仅仅是为了保障机房设备的运行环境，间接的由机房设备产生经济效益。

2、巨大的体积：目前，设计最精巧的机房空调主机，包括维护工位的每平米占地仅能提供不足20KW的显冷量，而目前机房中，单机柜（占地面积不足一平米）已经可以轻易达到二十多千瓦的发热量了，也就是说，单独针对一个机柜（占地面积不足一平米）就需要配备二十多千瓦制冷量的空调（机房占地约1.5平米）。

3、昂贵的维护成本：由于常年大负荷的运行，机房空调在高要求设计的同时必须满足高要求的维护水平，同时机房空调的核心技术属于多元非线性的制冷技术，对于维护和维修的技术要求相当高，必须付出昂贵的维护成本才能满足机房空调的稳定运行。

值得注意的是，根据摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍！性能的提升势必同时带来热量的提升，也就是说，在不断增长的市场环境和客户需求下，这样的发热密度记录将持续不断的被刷新。同时据我们预计，由于科技的发展，现有的低热量机房设备（如交换机）也迟早会被数据设备替代，发热量也会逐步接近目前的IDC机房的水平。现有的机房散热水平已经对于机房空调来说都是不堪重负，那么长此下去，机房空调将难以应对！ 

下面详细介绍下机房空调的技术特点及运行原理：

1）集中送风方式控温：

机房空调采用的是循环整个室内空气的方法进行室内温度控制，工作模式为：空调通过大功率的风机采集回收室内空气并检测温湿度后，空调对回收的空气进行室内环境需要的温湿度处理后回送到室内；大功率风机将经过处理的适宜空气送到机房设备内以后，吸收机房设备发出的热量，升温空气再在大功率风机的作用下排出设备内部，最后通过机房空间回到空调，如此周而复始的循环，完成空气处理。在整个循环中，大功率风机是不可或缺的，甚至于可以说是机房空调的灵魂。

空调的制冷系统和送风系统是两个不可或缺的必要组成部分，以一台名义制冷量18KW（显冷量）的机房空调为例，其配备的压缩机耗电功率约为5KW左右，而为风机耗电功率则为2KW甚至更高。我们知道，机房的制冷量配置原则是至少满足最大热负荷时的降温需求，根据所有空调的控制逻辑，在室内温度达到设定值后，压缩机将会停机，但为了维持室内正常的风循环，风机将会不间断运行。同时，即使是该机房不存在任何制冷设备或制冷量备份，该空调的压缩机也一直会处在间歇运行的状态。据不完全统计，一个没有任何制冷量备份保温措施完好的普通机房，压缩机的全年占空比将在50%左右，而室内风机将不间断运行，以该18KW空调运行一万小时为例：

压缩机耗电：5KW*10000小时*50%=25000度电

风机耗电：2KW*10000小时*100%=20000度电

出现以下情况将进一步降低压缩机占空比：

a）、机房保温措施不完善，空调冷量配置较高；b）、存在备份空调或备份制冷量；c）、机房扩容增加制冷设备；d）、采用各种空调节能措施。

2）、采用制冷方式进行热量转移：我们常见的机房专用空调均采用各种类型的制冷方式完成机房内外的热量交换，在室外温度高于室内温度时，无疑它将是保障机房温度的一种不可或缺的方式，但在全球绝大多数陆地区域常年平均温度均远低于机房要求温度（25℃）的，换种思路来分析，也就是说全球绝大多数陆地区域多数时间的环境温度低于机房要求的温度。在室外温度较低的情况下，如果仍然采用制冷的方式通过消耗电量的代价来将机房内的热量转移到机房外，而不能便利的切换到使用自然冷源降低机房温度实在是一种巨大的浪费。

3）、大风量、大风压、小焓差：为了满足机房复杂的内部结构，必须将空调的送风风量和风力加大到足够到达每一台机房设备进风口，才能满足机房设备的降温要求。而小焓差主要为了保证空调吹出的冷风不至于在机房设备上产生结露现象，影响机房设备的运行安全。

4）、能耗高、稳定性高于经济效益：因为机房设备的运行环境要求较高，一旦出现运行环境超标的情况下立即会产生各种运行故障，所以机房空调设计必须保证不间断的高度稳定性，才能满足机房设备的持续不断的要求。即便是市面上已经有了新的更高效的新技术，也极为慎重的应用推进。因此，在空调设计上，效率等诸多经济因素往往是退而求其次。

5）、湿度智能控制：机房设备基本上是由各种电路板组成，运行对湿度有较高的要求，湿度过低容易出现静电、过高将导致电路板短路等各种故障，所以机房空调多数都配置有加除湿系统，只是在机房空调配置中往往湿度配置并不严谨。加湿量、除湿能力的配置不经计算是常见的事情，同时湿度控制时将消耗太多的无效功。特别是除湿工作时，制冷系统和电加热系统将同时开启，而制冷指令和加、除湿工作指令也经常发生冲突。

6）、通过增加设备的方法进行增容扩展：

机房设计最初是以当前情况下对于机房内部环境的要求进行空调配置的，同时空调设备也占据了机房最佳的送风风道，后期如若产生机房增容等情况需要增加制冷量时，只能用增加空调设备的方法进行增容，制冷量增加的同时也增加了相应的送风风机耗电，增加的送风风机耗能对于原有机房送风水平来说多数属于无用功，但为了满足大风量、高风压和小焓差的要求，又无法降低该部分能耗，将大大增加机房内的无用能耗。

之前的程控交换设备电路板整部分均为独立的小热源，同时设备内部没有强制对流装置进行热传递工作，需要使用机房空调的大风量高风压进行强制对流换热，但进入新世纪后的近些年来，数据、网络、传输和无线通讯设备迅猛发展，占有率逐年上升，这些设备的发热特点有了很大的不同：

1、电路板整部分为独立小热源的同时，电路板上的部分芯片（如CPU）和部件（如电源）成为高热热源，高热热源部分绝对的主导了机房设备乃至机房总发热量。

2、主要发热部位采用了独立散热器（多数高热CPU采用了热管式独立散热器），机房设备主机增加了强制对流风扇，以此方式有利于设备内部往设备外（机房内）的排热。

3、湿度需求与之前相同仍为40%rh-60%rh。

4、机房整体热量急剧提高，之前的程控交换机房最高配置为每平米机房配置制冷量300W-350W，而目前的IDC机房该数据显著提高，往往一个机柜（0.8平米）发热量能到20KW以上。

综上所述，由于通信行业不断发展，机房设备发热量不断增加，致使原有的机房散热技术出现了各种难以解决的问题，如耗能巨大、机房内部冷热不均等瓶颈现象。加之机房设备仍在不断增加运算能力和发热量，长此以往机房空调终将无法满足机房散热的需求。

说明：传统的机房排热设备（空调、新风、热管、乙二醇等）都有一个特点，就是先将机房空间冷却，然后通过机房适宜的空气温度为机房设备降温，这种间接的方式我们将其统称为区域供冷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种机房设备并联散热系统，将各机房设备的排热点排放的热量集中起来传导到室外，使机房设备排放的热量最低限度的影响机房空间温度。

为解决以上技术问题，本发明技术方案一为：机房设备并联散热系统，其不同之处在于：其包括机柜并联散热系统，机柜并联散热系统具有封闭循环的管路，所述管路内充注适量换热介质，所述管路上连接有机柜放热冷凝装置及多个机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置分别设置在室内机房设备的排热点，机柜放热冷凝装置设置在室外，机柜吸热蒸发装置通过气体支管连接至气体汇管，气体汇管连接至机柜放热冷凝装置，机柜放热冷凝装置将气体部分或全部冷凝成液体后送至液体汇管，液体汇管通过液体支管回流至各机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置的安装高度低于机柜放热冷凝装置的安装高度。

本发明技术方案二为：机房设备并联散热系统，其不同之处在于：其包括机柜并联散热系统，机柜并联散热系统具有封闭循环的管路，管路内充注适量换热介质，所述管路上连接有机柜放热冷凝装置、制冷设备及多个机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置分别设置在室内机房设备的排热点，机柜放热冷凝装置设置在室外，机柜吸热蒸发装置通过气体支管连接至气体汇管，气体汇管连接至机柜放热冷凝装置，机柜放热冷凝装置将气体部分或全部冷凝成液体后送至制冷设备，制冷设备将制冷后的低温液体依次通过液体汇管、液体支管回流至机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置的安装高度低于机柜放热冷凝装置的安装高度。

按以上方案，所述机柜吸热蒸发装置包括换热器、热管并联连接器，换热器安装在机柜背门内或机柜排风口，换热器本体为一个充注适量换热介质的密闭管路，换热器上、下两端分别设置有换热器第一汇管、换热器第二汇管，换热器第一汇管、换热器第二汇管之间连通有多根蒸发导管，蒸发导管上密布有换热翅片，换热器第二汇管开有用于连接液体支管的进液口，换热器第一汇管顶部设置有热管并联连接器。

按以上方案，还包括高热部件并联散热系统，高热部件并联散热系统包括设置在机柜内部高热部件上的高热部件吸热蒸发装置、设置在室外的高热部件放热冷凝装置，高热部件吸热蒸发装置包括高热部件换热器及其顶部的热管并联连接器，热管并联连接器通过气体支管连通至气体汇管，再由气体汇管连通至高热部件冷凝装置，高热部件放热冷凝装置的液体回流端依次通过液体汇管、液体支管与高热部件吸热蒸发装置液体回流端相连接，高热部件吸热蒸发装置的安装高度低于高热部件放热冷凝装置的安装高度。

工作原理：机房多个设备排热点分别安置有相应的吸热蒸发装置，吸热蒸发装置顶部的热管并联连接器通过气体支管连接至气体汇管，热管并联连接器、气体支管、气体汇管内部相通，蒸发、沸腾后的气态换热介质在其管路中通行，并将气态换热介质导入室外（如楼顶）的放热冷凝装置中降温并冷凝为液体，送入液体汇管。

为了解决由于室外高温导致的散热效能降低，也可以在放热冷凝装置的一侧串联制冷设备从而对介质进行二次降温。液体汇管将液态介质回流至每一个吸热蒸发装置进行吸热、蒸发、气化工作，将液态介质气化进入气体汇管，如此循环以达到吸热降温的效果。

机柜背门为机房中主要的排热点，现有的机柜背门目前的功能仅仅是作为机柜的一个安全部件，而且一般背门内均为中空状态，我们可以利用这个空间，在该空间内安置吸热蒸发装置，将通过该处的热气流降温。吸热蒸发装置包含的换热器采用设置蒸发导管、满敷换热翅片的方式为设备出风换热，并为标准设备预留一定量的出风投影区域，可大幅度提高换热功率。

为了解决机房设备内部高热部件的散热问题，本发明还设计了与机房设备内部多个高热部件相配置的高热部件并联散热系统，高热部件吸热蒸发装置通过气体支管连接至气体汇管，蒸发、沸腾后的气态换热介质在其高热部件并联散热系统管路中通行，并将气态换热介质导入室外（如楼顶）的高热部件冷凝装置中降温并冷凝为液体，送入液体汇管。

对比现有技术，本发明的有益特点如下：

1）、该机房设备并联散热系统，采用吸收机房排热点热量的方式，将热量通过封闭循环的管路排放去室外，使机房内温度不至于升高，保障机房运行环境。

2）、该机房设备并联散热系统，可大面积实现各机房设备的排热点的多点并联、非等高并联等情况。

3）、该机房设备并联散热系统，正温差大，易于换热，同时其能耗相对于现有散热技术有极大程度的降低。

4）、该机房设备并联散热系统，使机房设备循环出风温度更加接近机房设备循环进风温度，对气流要求小，可大幅度裁减机房风量和风压。

5）、该机房设备并联散热系统，降温设备不占用机房面积。

6）、该机房设备并联散热系统，能轻易的扩容以满足日益增加的机房技术要求。

附图说明

图1为本发明机房设备并联散热系统整体结构示意图； 

图2为本发明机房设备并联散热系统实施例机柜吸热蒸发装置示意图； 

图3为本发明机房设备并联散热系统实施例机柜背门正视示意图；

图4为本发明机房设备并联散热系统实施例机柜背门侧视示意图；

图5为本发明机房设备并联散热系统实施例设备内部结构示意图；

图6为本发明机房设备并联散热系统实施例高热部件吸热蒸发装置结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参考图1，本发明实施例1，机房设备并联散热系统，其包括机柜并联散热系统，机柜并联散热系统具有封闭循环的管路，所述管路内充注适量换热介质，所述管路上连接有机柜放热冷凝装置1及多个机柜吸热蒸发装置12，机柜吸热蒸发装置12分别设置在室内机柜14的排热点，机柜放热冷凝装置1设置在室外，机柜吸热蒸发装置12通过气体支管6并联连接至气体汇管4，气体汇管4连接至机柜放热冷凝装置1，机柜放热冷凝装置1将气体部分或全部冷凝成液体后送至液体汇管5，液体汇管5通过液体支管7回流至各机柜吸热蒸发装置12，机柜吸热蒸发装置12的安装高度低于机柜放热冷凝装置1的安装高度。

本发明实施例2，机房设备并联散热系统，其包括机柜并联散热系统，机柜并联散热系统具有封闭循环的管路，管路内充注适量换热介质，所述管路上连接有机柜放热冷凝装置1、制冷设备2及多个机柜吸热蒸发装置12，机柜吸热蒸发装置12分别设置在室内机柜14的排热点，机柜放热冷凝装置1、制冷设备2设置在室外，机柜吸热蒸发装置12通过气体支管6并联连接至气体汇管4，气体汇管4连接至机柜放热冷凝装置1，机柜放热冷凝装置1将气体部分或全部冷凝成液体后送至制冷设备2，制冷设备2将制冷后的低温液体依次通过液体汇管5、液体支管7回流至机柜吸热蒸发装置12，机柜吸热蒸发装置12的安装高度低于机柜放热冷凝装置1的安装高度。

如图1所示，机柜放热冷凝装置1、制冷设备2、高热部件冷凝装置3安置在室外楼顶9，与制冷设备2、高热部件冷凝装置3分别连接的液体汇管5上可以串联储液箱8，其中11表示建筑物墙壁。

具体的，请参考图1、图2、图3和图4，实施例1及实施例2中，机柜吸热蒸发装置12包括换热器和热管并联连接器12-1，换热器安装在机柜背门内或机柜排风口（当然，只要能有利于散热，换热器也可以安装在机柜的其它部位），换热器上、下两端分别设置有换热器第一汇管12-2、换热器第二汇管12-3，换热器第一汇管12-2、换热器第二汇管12-3之间连通有蒸发导管12-5，蒸发导管12-5上密布有换热翅片12-6，换热器第二汇管12-3上开有用于连接液体支管7的进液口12-4，换热器顶部设置有热管并联连接器12-1，热管并联连接器12-1上部与气体支管6连通。机柜吸热蒸发装置12的安装高度低于机柜放热冷凝装置1的安装高度。换热器、热管并联连接器12-1、机柜放热冷凝装置1构成机柜并联散热系统。

为了解决机房设备内部高热部件的散热问题，具体的，请参考图5和图6，在实施例1或实施例2的基础上，还可以增加与机柜并联散热系统互相独立的高热部件并联散热系统，高热部件并联散热系统包括设置在机柜14内部高热部件10上的高热部件吸热蒸发装置13、设置在室外的高热部件放热冷凝装置3，高热部件吸热蒸发装置13包括高热部件换热器13-6及其顶部的热管并联连接器13-1，热管并联连接器13-1通过气体支管6连通至气体汇管4，再由气体汇管4连通至设置在室外的高热部件放热冷凝装置3，高热部件放热冷凝装置3的液体回流端依次通过液体汇管5、液体支管7与高热部件吸热蒸发装置13的液体回流端13-5相连接，高热部件吸热蒸发装置13的安装高度低于高热部件放热冷凝装置3的安装高度。

 具体的，请参考图6，热管并联连接器13-1为一个纳子接头，纳子接头内部的管道设置有拦液球13-4，拦液球13-4的上端管道设置有拦液排气口13-2，拦液球13-4的下端管道设置有止落片13-3，拦液排气口13-2直径小于拦液球13-4直径。

本发明实施例中采用逐点换热的方式，室内部分不需要风机或其他的风循环装置。同时每一个吸热蒸发装置都可以非常小巧，能够集成到机柜角落、顶端、柜门夹缝、设备内部等位置，而管路可以在机柜顶部和底部的线架上敷设，所以在实际使用中，不需要单独为吸热蒸发装置单独预留使用面积，同时也不需要为管路特意预留过多的机房空间。

具体的，机柜放热冷凝装置1、高热部件放热冷凝装置3均为使换热介质向外放热的放热冷凝装置，吸热蒸发装置送出的气态换热介质进入放热冷凝装置后，将热量传递给周围介质——水或空气，换热介质蒸气冷却凝结为液体。放热冷凝装置按其冷却介质和冷却方式，以本领域普通技术人员而言，可以分为空气冷却式、水冷却式和蒸发冷却式三种类型。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.机房设备并联散热系统，其特征在于：其包括机柜并联散热系统，机柜并联散热系统具有封闭循环的管路，所述管路内充注适量换热介质，所述管路上连接有机柜放热冷凝装置及多个机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置分别设置在室内机房设备的排热点，机柜放热冷凝装置设置在室外，机柜吸热蒸发装置通过气体支管连接至气体汇管，气体汇管连接至机柜放热冷凝装置，机柜放热冷凝装置将气体部分或全部冷凝成液体后送至液体汇管，液体汇管通过液体支管回流至各机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置的安装高度低于机柜放热冷凝装置的安装高度。

2.机房设备并联散热系统，其特征在于：其包括机柜并联散热系统，机柜并联散热系统具有封闭循环的管路，管路内充注适量换热介质，所述管路上连接有机柜放热冷凝装置、制冷设备及多个机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置分别设置在室内机房设备的排热点，机柜放热冷凝装置设置在室外，机柜吸热蒸发装置通过气体支管连接至气体汇管，气体汇管连接至机柜放热冷凝装置，机柜放热冷凝装置将气体部分或全部冷凝成液体后送至制冷设备，制冷设备将制冷后的低温液体依次通过液体汇管、液体支管回流至机柜吸热蒸发装置，机柜吸热蒸发装置的安装高度低于机柜放热冷凝装置的安装高度。

3.如权利要求1或2所述的机房设备并联散热系统，其特征在于：所述机柜吸热蒸发装置包括换热器、热管并联连接器，换热器安装在机柜背门内或机柜排风口，换热器本体为一个充注适量换热介质的密闭管路，换热器上、下两端分别设置有换热器第一汇管、换热器第二汇管，换热器第一汇管、换热器第二汇管之间连通有多根蒸发导管，蒸发导管上密布有换热翅片，换热器第二汇管开有用于连接液体支管的进液口，换热器第一汇管顶部设置有热管并联连接器。

4.如权利要求3所述的机房设备并联散热系统，其特征在于：还包括高热部件并联散热系统，高热部件并联散热系统包括设置在机柜内部高热部件上的高热部件吸热蒸发装置、设置在室外的高热部件放热冷凝装置，高热部件吸热蒸发装置包括高热部件换热器及其顶部的热管并联连接器，热管并联连接器通过气体支管连通至气体汇管，再由气体汇管连通至高热部件冷凝装置，高热部件放热冷凝装置的液体回流端依次通过液体汇管、液体支管与高热部件吸热蒸发装置液体回流端相连接，高热部件吸热蒸发装置的安装高度低于高热部件放热冷凝装置的安装高度。

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