CN105188316A - 一种双系统互备机柜热管背板排热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双系统互备机柜热管背板排热系统，包括自然冷源单元、机械冷源单元、冷量分配单元、机柜末端热管背板换热单元、循环泵组、水处理装置、储压罐、供回水管路、传感器等。自然冷源单元依次与机械冷源单元并联或串联、与所述冷量分配单元、机柜末端热管背板换热单元串联。本发明的机柜末端热管背板换热单元采用互为备份的双系统管翅式热管换热结构，两路共用一套铝翅片散热，有效降低末端风阻，使得在单个系统出现故障时，另一系统能够独立运行、保证换热量要求，提高末端散热的有效性、可靠性和安全性。本发明通过机械冷源与自然冷源相结合替代数据中心原有精密空调，增加机柜的布置空间，提高数据中心空间利用率，提高经济效率。

Description

一种双系统互备机柜热管背板排热系统

技术领域

本发明涉及数据中心机房环境控制技术领域，具体涉及一种双系统互备机柜热管背板排热系统。

背景技术

全球数据中心总量超过300万个，耗电量占到全球总电量的1.1％-1.5％，我国数据中心发展迅猛，总量已超过40万个，年耗电量超过全社会用电量的1.5％，其中大多数数据中心的PUE仍普遍大于2.2，与国际先进水平相比有较大差距。数据中心IT设备需要全天候进行散热，通常数据中心内采用精密空调或者机械冷源进行制冷，而随着数据机房的快速发展，每年机房的耗电量以20％的速度快速增长，而其中在数据机房中空调的能耗占到35％-45％，某些机房空调占比更高。数据中心现有的冷却方式通常为先冷却环境再冷却设备，如GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》中所述A、B类机房要求环境温度23℃±1℃，而实际数据中心服务器机柜内温度可达45℃左右，如采用直接冷却设备的理念，可有效减少冷负荷浪费，尤其根据不同地域及季节周期性变化，结合自然冷源与机械冷源技术，采用双系统互备机柜热管背板排热系统对服务器机柜进行冷却，大幅度减少甚至完全替代实现精密空调的使用，一方面可有效降低PUE，提高能效利用率，另一方面可有效解决由于精密空调机组气流组织不合理造成局部热点等问题；同时，通过空调机组的完全替代，有效提高机房空间利用率，可布置更多服务器机柜，从而可有效提高经济效益及节地的效果；此外，双系统互备机柜热管背板排热系统采用相对独立的管翅式换热器，在实现冗余的同时，降低末端风阻，实现铝翅片共用，从而有效保证散热系统的有效性与安全性。

发明内容

本发明的目的在于充分利用自然冷源及能效比较高的机械冷源，并通过双系统互备机柜热管背板排热系统结构的合理设置，大幅度减少甚至完全替代传统精密空调的能耗，有效降低数据中心PUE值，达到节能减排的效果，并提高散热系统的冗余性、安全性与有效性；另外，通过排热系统结构的布置，可优化气流组织，实现精确制冷，改变传统精密空调“先冷环境后冷设备”的传统理念，有效提高冷量利用效率，解决局部热点问题的产生；同时，通过该系统的机柜背板安装方式，可有效提高数据中心空间的利用率，提高服务器机柜的布置数量，有效的提高经济效益并达到节地的效果。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：本发明提供的技术方案它包括自然冷源单元、机械冷源单元、冷量分配单元、机柜末端热管背板换热单元、循环泵组、过滤器、压力储液罐、供回水管路、传感器等。自然冷源单元依次与机械冷源单元并联或串联、与所述冷量分配单元、机柜末端热管背板换热单元串联。

进一步地，所述机柜末端热管背板换热单元采用双系统管翅式热管换热器，所述双系统内循环相互独立，末端换热器上采用同一个散热翅片。这样其中任何一路出现故障，另一路换热系统能够充分利用散热翅片，独立保证机柜散热量。

进一步地，所述自然冷源单元与机械冷源单元采用并联或串联的方式与所述冷量分配单元连接。

进一步地，所述冷量分配单元采用管壳式换热器或板式换热器。既可根据机房要求，采用独立系统为机柜排热系统单元提供冷量，也可将冷量分配单元中换热器互为备份地为机柜排热系统提供冷量，实现冗余布置。

进一步地，所述的机柜末端热管背板换热单元通过铰链结构连接，设置在机柜前方或机柜背面。设置在机柜前方作为冷却前板，设置在机柜背面作为冷却背板，冷却前板、背板通过铰链等结构连接，能够有效开启，从而不影响机柜内电子元器件的检修与维护。

进一步地，所述的自然冷源单元采用风冷冷凝器或冷却塔，更进一步地，所述的自然冷源单元采用携带潜热预冷却装置的风冷冷凝器。

进一步地，所述的自然冷源单元、机械冷源单元、循环泵组及机柜末端热管背板换热单元采用变频电机及启停台数来控制系统的供回温度及流量，从而保证系统的安全性、设备的节能性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过机柜末端热管背板换热单元双系统互备结构的布置，可有效提高机柜末端换热的安全性。一方面提高了冗余换热，保证了末端散热系统的备份；另一方面末端采用的两路铜管散热翅片换热器共用换热散热翅片，可有效降低末端风阻，提高了单个系统换热的效率，在一路出现故障时，故障的一路不会对有效的末端换热单元造成过大的系统阻力，保证单系统散热的有效性。

2、本发明通过在数据中心内设置该系统，可充分利用自然冷源，大幅度减少甚至完全替代传统的精密空调，提高制冷系统能效比，有效降低PUE，提高能量的利用效率。

3、本发明通过在数据中心内设置该系统，数据中心内的冷却方式打破原有的“先冷环境后冷设备”的观点，可合理的优化气流组织，实现精确制冷，避免由于气流不均造成和引起的服务器机柜局部高温及“局部热岛”现象。

4、本发明通过该系统的设置，可有效提高数据中心的空间利用效率，同比可布置更多的机柜，有效的提高经济效益并达到节地的目的。

附图说明

图1为本发明的自然冷源单元采用闭式冷却塔的并联系统示意图；

图2为本发明的自然冷源单元采用风冷冷凝器的并联系统示意图；

图3为本发明的自然冷源单元与机械冷源单元串联系统示意图；

图4为本发明的冷量分配单元与末端换热单元系统布置示意图；

图5为本发明的末端换热单元管路系统走向示意图；

图6为本发明的双系统互备机柜末端热管背板换热单元布置于机柜进风口侧示意图；

图7为本发明的双系统互备机柜末端热管背板换热单元布置于机柜出风口侧示意图；

图8为本发明的末端双系统互备管翅结构换热单元主视及剖视示意图；

图9为图8的A-A视图；

图10为本发明的末端双系统互备管翅结构换热单元轴视示意图。

图中：1自然冷源单元，1-1冷却塔，1-2水处理装置，1-3储压罐，1-4电动调节阀，1-5带本地显示压力传感器，1-6循环泵组，1-7带本地显示温度传感器，1-8带本地显示流量传感器，1-9风冷冷凝器，1-10湿膜装置，1-11湿膜装置回水管，1-12湿膜装置供水管，1-13循环水箱供水管，1-14循环水箱(含循环泵)，1-15排水溢水管，2机械冷源单元，2-1机械冷源，3冷量分配单元，4机柜末端热管背板换热单元，4-1机柜排热系统热管液管支管，4-2机柜排热系统热管气管支管，4-3机柜排热系统热管气管干管，4-4机柜排热系统热管液管干管，4-5机柜末端换热器，4-6机柜排热系统热管风机，5三通换向阀，6冷却液供水管，7冷却液回水管。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1-图10，本发明所描述的双系统互备机柜热管背板排热系统包括自然冷源单元1、机械冷源单元2、冷量分配单元3、机柜末端热管背板换热单元4、循环泵组1-6、过滤器、压力储液罐、供回水管路、传感器等。自然冷源单元1依次与机械冷源单元2并联或串联、与冷量分配单元3、机柜末端热管背板换热单元4串联。

其中，自然冷源单元1包括冷却塔1-1，水处理装置1-2，储压罐1-3，电动调节阀1-4，带本地显示压力传感器1-5，循环泵组1-6，带本地显示温度传感器1-7、带本地显示流量传感器1-8、风冷冷凝器1-9、湿膜装置1-10、湿膜装置回水管1-11、湿膜装置供水管1-12、循环水箱供水管1-13、循环水箱(含循环泵)1-14、排水溢水管1-15。冷却塔1-1通过阀门与水处理装置1-2，储压罐1-3连接。自然冷源单元1与机械冷源单元2之间还设置电动调节阀1-4，带本地显示压力传感器1-5，循环泵组1-6，带本地显示温度传感器1-7。

机械冷源单元2包括机械冷源2-1、水处理装置1-2，储压罐1-3，电动调节阀1-4，带本地显示压力传感器1-5，循环泵组1-6，带本地显示温度传感器1-7、带本地显示流量传感器1-8。2组机械冷源2-1并联，并联的一条支路上分别连接带本地显示压力传感器1-5、带本地显示温度传感器1-7、带本地显示流量传感器1-8。并联的另一条支路上与水处理装置1-2，储压罐1-3及电动调节阀1-4，带本地显示压力传感器1-5，循环泵组1-6，带本地显示温度传感器1-7、带本地显示流量传感器1-8连接。

机械冷源单元2与冷量分配单元3之间设置冷却液供水管6、冷却液回水管7。机柜末端热管背板换热单元4包括机柜排热系统热管液管支管、机柜排热系统热管气管支管4-2、机柜排热系统热管气管干管4-3、机柜排热系统热管液管干管4-4、机柜末端换热器4-5、机柜排热系统热管风机4-6。

自然冷源单元1和机械冷源单元2根据室外环境工况的变换进行两种室外冷却方式的切换，对冷却液(为冷却水或乙二醇溶液)进行冷却，经冷却的冷却液在循环泵组1-6作用下进入冷量分配单元3对工质进行冷却，最终实现对数据中心服务器机柜的间接冷却，实现最大程度的节能效果。

机柜末端热管背板换热单元4采用热管技术使用铜管铝翅片形成独立的双系统，但两路换热器共用铝翅片，在风机作用下，热气流经过热管实现换热单元内工质吸热相变，将热量从机柜中携带走，双系统同时运行时，末端单系统换热量大于机柜额定要求量，一旦某一套独立系统出现故障，另一系统完全能够独立满足额定散热要求，且出现故障的系统不会造成过大的系统阻力而影响散热效果。

冷量分配单元3作为机柜末端热管背板换热单元4的冷凝段，通过冷冻介质(冷水或乙二醇冷却溶液)与工质进行换热，实现对末端系统工质的冷却，将热量从机柜末端热管背板换热单元4中携带走。本发明中机柜服务器排热系统式热管散热装置，通过设置温度传感器、压力传感器、压力传感器等，对系统进行监控，保证系统运行的安全性。

实施例1

如图1所示，本发明自然冷源单元1采用闭式冷却塔的并联系统，自然冷源单元1与机械冷源单元2采用并联的形式，根据室外环境工况条件，三通换向阀5进行切换实现自然冷源单元1与机械冷源单元2的互换，根据工况对冷却液进行冷却，向冷量分配单元3供冷，冷量分配单元3作为机柜末端热管背板换热单元4的冷凝段，在冷量分配单3内完成对工质的冷凝相变，液态制冷剂在重力作用下沿排热系统热管换热单元液管干管4-4分别回到排热系统换热器4-5中，在风扇4-6作用下，热气流进入双系统互备机柜热管背板排热系统换热器4-5，工质受热发生相变蒸发，沿排热系统热管换热单元气管干管4-3进入冷量分配单元3中，最终形成闭式循环，不断将机柜服务器产生的热量带到数据中心外。

其中，如图4所示的冷量分配单元3与机柜末端热管背板换热单元4系统布置，末端为双系统结构，两路液管4-4，两路气管4-3，分别接入冷量分配单元3，当其中一路出现故障，另一路不受其影响，仍满足机柜的散热要求。如图5所示的机柜末端热管背板换热单元4管路系统走向，两路末端换热器4-5，分别通过液管支管4-1及汽管支管4-2分别接入机柜末端热管背板换热单元液管干管4-4及汽管干管4-3，形成两路独立的散热系统，工质在其系统内实现闭式循环，不断将机柜产生热量排出。冷量分配单元3中换热器可采用壳管式换热器，也可采用板式换热器。

如图6、图7，分别为双系统互备机柜末端热管背板换热单元布置于机柜进风口侧示意图，及双系统互备机柜末端热管背板换热单元布置于机柜出风口侧示意图，两种方式都可有效的实现机柜的冷却散热，通过采用独立的末端换热器4-5，提高数据中心环境的安全性，任何一路出现故障，通过系统仍可能够保证服务器机柜有效的散热，通过不同方位末端换热器4-5的布置，在风机4-6作用下，都可有效保证机柜的散热安全。

如图8、图9、图10所示的末端双系统管翅结构换热单元，末端双系统结构管翅换热器4-5所形成的两个系统相互独立，但其散热翅片共用，可有效减小双系统所造成的阻力，同时，任何一路出现故障，翅片都可作为保留系统原有的换热面积，从而减小故障所造成的安全隐患，保证系统的换热量，最终有效保证数据中心机柜的安全性和有效性。通过自然冷源单元1及机械冷源单元2采用变频风机、泵组1-6采用变频电机及电动阀1-4，可实现系统供回水水温的要求，有效控制排热系统热管换热单元4的换热量，防止冷凝水的产生。

实施例2

如图2所示的自然冷源单元采用风冷冷凝器的并联系统，自然冷源单元1中采用风冷冷凝器1-9对冷却液进行自然冷却，为了降低进入风冷冷凝器1-9的入口温度，提高冷却液与环境温度的温差，提高换热量，在风冷冷凝器1-9外布置潜热预冷却装置，通过等焓降温过程达到环境空气的预冷的效果，其中将湿膜1-10布置于风冷冷凝器1-9外，在循环水箱(含循环泵)1-14作用下，通过循环供水管1-12向湿膜1-10供水，多余的水在重力作用下沿回水管1-11回到循环水箱1-14，水箱1-14内通过1-13水箱供水管得到不断补水，并通过排水溢水管1-15实现排水和溢水。

实施例3

如图3所示的自然冷源单元1与机械制冷单元2串联系统，自然冷源单元1与机械制冷单元2为串联关系，其二者不是通过三通换向阀5实现，而是根据室外环境工况通过风冷冷凝器1-9与机械冷源2-1的启闭，直接控制冷源的选择。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双系统互备机柜热管背板排热系统，其特征在于：包括自然冷源单元、机械冷源单元、冷量分配单元、机柜末端热管背板换热单元、循环泵组、压力储液罐、供回水管路、传感器；

自然冷源单元依次与机械冷源单元并联或串联、与所述冷量分配单元、机柜末端热管背板换热单元串联。

2.根据权利要求1所述的一种双系统互备机柜热管背板排热系统，其特征在于：所述机柜末端热管背板换热单元采用双系统管翅式热管换热器，所述双系统内循环相互独立，末端换热器上采用同一个散热翅片。

3.根据权利要求1所述的一种双系统互备机柜热管背板排热系统，其特征在于：所述自然冷源单元与机械冷源单元采用并联或串联的方式与所述冷量分配单元连接。

4.根据权利要求1所述的一种双系统互备机柜热管背板排热系统，其特征在于：所述冷量分配单元采用管壳式换热器或板式换热器。

5.根据权利要求2所述的一种双系统互备机柜热管背板排热系统，其特征在于：所述的机柜末端热管背板换热单元通过铰链结构连接，设置在机柜前方或机柜背面。

6.根据权利要求3所述的一种双系统互备机柜热管背板排热系统，其特征在于：所述的自然冷源单元采用风冷冷凝器或冷却塔。

7.根据权利要求1所述的一种双系统互备机柜热管背板排热系统，其特征在于：所述的自然冷源单元、机械冷源单元、循环泵组及机柜末端热管背板换热单元采用变频电机及启停台数来控制系统的供回温度及流量。