CN105491863A - 用于数据中心机柜的冷却装置、机柜和冷却系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于数据中心机柜的冷却装置、机柜和冷却系统。所述冷却装置的一具体实施方式包括：末端散热盘管，设于机柜的出风侧，用于从底部输入液态制冷剂，从顶部输出气态的制冷剂；冷却器，设于高于所述末端散热盘管预设高度处，用于将回流的气态制冷剂冷却为液态制冷剂并输出液态制冷剂；供液管，用于联通多个所述末端散热盘管与所述冷却器以向所述末端散热盘管输入液态制冷剂；排气管，用于联通多个所述末端散热盘管与所述冷却器以向所述冷却器回流所述气态制冷剂。该实施方式提高了数据中心机房的防水安全性。

Description

用于数据中心机柜的冷却装置、机柜和冷却系统

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，具体涉及计算机数据中心领域，尤其涉及用于数据中心机柜的冷却装置、机柜和冷却系统。

背景技术

随着大规模云计算数据中心在全球范围内的广泛部署，互联网数据中心机房内的高密度机柜不断增加，设备的处理能力日益增强，随之需要对机房内的高发热量设备进行有效的降温处理。

目前，很多数据中心采用水冷空调为机房中的服务器降温，并且为了进一步提高降温能效，逐渐由传统的地板下送风等形式转变为水冷散热器更靠近热源的形式为数据中心的机柜降温，例如采用行级空调系统、顶置冷却单元和水冷背板等形式为数据中心的机柜降温。

然而，上述的用于数据中心的机柜的降温方式，水冷散热器更靠近热源，存在以下问题：水进机房且更靠近带电设备会带来很大的安全隐患。

发明内容

本申请的目的在于提出一种改进的用于数据中心机柜的冷却装置、机柜和冷却系统，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种用于数据中心机柜的冷却装置，包括：末端散热盘管，设于机柜的出风侧，用于从底部输入液态制冷剂，从顶部输出气态的制冷剂；冷却器，设于高于所述末端散热盘管预设高度处，用于将回流的气态制冷剂冷却为液态制冷剂并输出液态制冷剂；供液管，用于联通多个所述末端散热盘管与所述冷却器以向所述末端散热盘管输入液态制冷剂；排气管，用于联通多个所述末端散热盘管与所述冷却器以向所述冷却器回流所述气态制冷剂。

在一些实施例中，所述冷却器包括：散热器和/或换热器。

在一些实施例中，当所述冷却器包括散热器时，所述装置还包括：用于散热器的风扇，用于形成气流以加速散热器表面的空气流通；和/或喷淋组件，用于喷淋所述散热器以将所述制冷剂冷却至液态。

在一些实施例中，当所述冷却器包括散热器和换热器时，所述供液管包括：用于分别联通所述散热器和所述换热器的供液支管，每一个所述供液支管上设有用于供液的电动阀门；以及所述排气管包括：用于分别联通所述散热器和所述换热器的排气支管，每一个所述排气支管上设有用于排气的电动阀门。

在一些实施例中，所述冷却装置还包括：温度检测组件，用于检测所述冷却器所处的环境温度；控制组件，用于当所述环境温度低于预设温度时，控制每一个供液支管上的电动阀门和每一个排气支管上的电动阀门动作以联通所述供液管和所述排气管与所述散热器，其中，所述预设温度基于所述制冷剂的冷凝温度确定；以及当所述环境温度高于所述预设温度时，控制每一个供液支管上的电动阀门和每一个排气支管上的电动阀门动作以联通所述供液管和所述排气管与所述换热器。

在一些实施例中，所述供液管的一部分和/或所述排气管的一部分集成于所述机柜的框架上。

在一些实施例中，所述供液管的另一部分和/或所述排气管的另一部分预设于所述机柜所处的机房中。

在一些实施例中，当所述供液管的一部分集成于所述机柜的框架上，并且所述供液管的另一部分预设于所述机柜所处的机房中时，所述供液管的另一部分至少预留与所述供液管的一部分的接口，其中，所述接口的位置基于预设的机柜的排列位置以及集成于所述框架上的供液管的位置确定；以及当所述排气管的一部分集成于所述机柜的框架上，并且所述排气管的另一部分预设于所述机柜所处的机房中时，所述排气管的另一部分至少预留与所述排气管的一部分的接口，其中，接口的位置基于预设的机柜的排列位置以及集成于所述框架上的排气管的位置确定。

在一些实施例中，所述供液管中的接口通过快速接头连接；以及所述排气管中的接口通过快速接头连接。

在一些实施例中，所述末端散热盘管集成于所述机柜的散热风扇的出风侧。

在一些实施例中，所述制冷剂为含氟制冷剂；和/或所述换热器中用于冷却所述制冷剂的冷流体为水。

在一些实施例中，所述末端散热盘管的排列方式基于所述机柜内的或由所述机柜组成的机柜列内的散热源的排列方式、散热功率以及所述末端散热盘管的冷却功率确定。

第二方面，本申请提供了一种机柜，所述机柜包括：如上所述的末端散热盘管。

在一些实施例中，当所述供液管的一部分和/或所述排气管的一部分集成于所述机柜的框架上时，所述机柜还包括：所述供液管的一部分和/或所述排气管的一部分。

第三方面，本申请提供了一种冷却系统，包括：机柜本体和如上所述的冷却装置。

本申请提供的用于数据中心机柜的冷却装置、机柜和冷却系统，通过设于机柜的出风侧的末端散热盘管来冷却机柜排出的热风，通过设于高于末端散热盘管预设高度处的冷却器将末端散热盘管回流的气态制冷剂冷却为液态制冷剂并输出液态制冷剂，通过供液管向所述末端散热盘管输入液态制冷剂，并且通过排气管回流气态制冷剂，从而可以防止水患，提高数据中心机房的防水安全性；又由于末端散热盘管与机柜的贴合度高，大大改善了机柜的散热效果；还由于制冷剂的循环采用了重力热管原理，无需额外驱动力，因此减少了冷却装置所需的能耗。

进一步地，在一些实施例中，供液管的一部分和排气管的一部分可以集成于机柜的框架上，备选地或附加地，另一部分供液管和另一部分排气管预设于机柜所处的机房中，从而使得冷却装置可以快速安装到位。

进一步地，在一些实施例中，供液管中的接口和排气管中的接口采用快速接头连接，便于冷却装置的维护和操作。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请的数据中心机柜的冷却装置的一个示例性的结构图；

图2是根据本申请的设于机柜的散热源出风侧的末端散热盘管的一个实施例的侧视图；

图3是根据本申请的设于机柜的散热源出风侧的末端散热盘管的一个实施例的正视图。

附图标记：110-末端散热盘管；120-冷却器；121-散热器；122-换热器；130-供液管；131-供液管的分管路；132-供液支管；140-排气管；141-排气管的分管路；142-排气支管；150-机柜；151-散热风扇。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

示例性的，数据中心机柜的冷却装置如图1所示，可以包括但不限于末端散热盘管110、冷却器120、供液管130和排气管140。

其中，末端散热盘管110，设于机柜150的出风侧，用于从底部输入液态制冷剂，从顶部输出气态的制冷剂。

可以理解，末端散热盘管110是一种盘绕的管道单元，具有良好的热传导性能，管道的管壁作为热传导介质，可以使得管道外空气中的热量传导至管道内的制冷剂，从而冷却管道外的热空气并气化管道内的制冷剂。

末端散热盘管110的排列方式，可以基于机柜中或由机柜组成的机柜列中的散热源的排列方式、散热功率以及末端散热盘管的冷却功率确定。例如，当末端散热盘管的冷却功率较大、可以满足一个机柜或多个机柜中所有散热源的散热功率时，可以为一个机柜或多个机柜设置一个末端散热盘管；当末端散热盘管的冷却功率较小且机柜内各个热源的散热功率较高时，也可以为机柜内的散热源(例如服务器)一一设置末端散热盘管。

进一步参考图2和图3，图2和图3分别示出了根据本申请的设于机柜中散热源出风侧的末端散热盘管的一个实施例的侧视图和正视图。

如图2所示，在本实施例中，末端散热盘管110设置于机柜中除顶部的交换机和中部的机柜电源模块之外的四层热源(例如服务器)的散热风扇的出风侧，从而通过散热风扇151的运行，将机柜150内热源产生的热量沿虚线箭头所示的气流方向输送至末端散热盘管110进行冷却，从而得到冷却后的空气再次参与室内冷却空气的循环。其中，从上往下第一层的散热风扇151与其出风侧的末端散热盘管110的集成面设置A-A剖面。

如图3所示，图3中呈现了从上往下第一层的散热风扇151与其出风侧的末端散热盘管110的集成面的A-A剖视图，示出了第一层末端散热盘管110之后的第一层散热风扇151，并且示出了分别设于机柜150的第二层至第四层散热风扇151的出风侧的第二层至第四层末端散热盘管110，从而通过散热风扇151的运行，将机柜150内热源产生的热量输送至末端散热盘管进行冷却，从而得到冷却后的空气参与室内冷却空气的循环。

可以理解，上述图2和图3中所示的情形仅为针对本申请的举例说明，并不构成对本申请的限定。例如，图中末端散热盘管的排列方式还可以为多个横向或竖向设置的散热风扇设置一个末端散热盘管；末端散热盘管的数量可以减少为按单行或多行(也可以为单列或多列)散热风扇设置末端散热盘管的数量；热源在机柜中的设置位置可以按照用户需求设置；以及机柜中所包括的组件也可以按照用户使用机柜的需求设置。

上述的末端散热盘管110，与供液管130和排气管140之间的联接方式可以为现有的或未来发展的技术中的各种联接方式，本申请对此不做限定。例如，末端散热盘管110与供液管130和排气管140之间的联接可以均为活动联接，从而便于插拔和维护。

可以理解，上述图1和图3中还示例性的示出了当末端散热盘管为多个时，供液管和排气管可以分别包括与散热盘管一一对应的分管路：单个末端散热盘管的输入管分别联通供液管的一个分管路131，单个末端散热盘管的输出管分别联通排气管的一个分管路141。

可以理解，除上述图1和图2中示出的冷却装置包括多个末端散热盘管的方式之外，该冷却装置也可以仅包括单个功率足够的末端散热盘管，而此时用于联通冷却器的供液管和排气管直接联通该单个末端散热盘管即可。

上述的设于机柜的出风侧的末端散热盘管110，可以提高与机柜的贴合度并改善机柜的散热效果。在一些实现方式中，末端散热盘管还可以集成于机柜的散热风扇的出风侧，从而使得末端散热盘管与机柜之间的结构更为紧凑，更加靠近热源，从而提高冷却效率。

上述的末端散热盘管110中循环的制冷剂，又称为制冷工质，是在冷却装置中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质，在末端散热盘管110内吸收被冷却介质热空气的热量而汽化，在冷却器120中将热量传递给周围空气或水而冷凝。在这里，制冷剂可以是常温常压为气态，无水浸风险的制冷剂。例如，制冷剂可以为含氟制冷剂二氟一氯甲烷R22；1，1，1，2-四氟乙烷R134a；以及混合制冷剂R410a等。

返回图1，上述的冷却装置中的冷却器120，是用于冷却气态制冷剂的冷却设备，可以为现有技术或未来发展的技术中的任意一种冷却设备，例如，冷却器120可以为将机械或其他器具在工作过程中产生的热量及时转移以避免影响其正常工作的散热器121，备选地或附加地，冷却器120还可以为将热流体的部分热量传递给冷流体的设备的换热器122等，本申请对此不作限定。在实际的应用中，冷却器的数量和冷却功率，可以根据需要冷却的机柜的数量以及散热量来确定。示例性的，如图1所示，在一些情形下，环境温度有时温度较低可以直接用于冷却制冷剂，有时温度较高无法直接用于冷却制冷剂，此时冷却器可以同时包括散热器(例如室外散热器)和换热器(例如氟-水换热器)。在另一些情形下(图1中未示出)，环境温度一直较低，可以直接用于冷却制冷剂，此时可以仅采用散热器作为冷却器。在第三种情形下(图1中未示出)，环境温度一直较高无法使用散热器冷却制冷剂，此时可以仅采用换热器作为冷却器。

上述的冷却器120，用于将回流的气态制冷剂冷却为液态制冷剂并输出液态制冷剂，其设置的位置可以为高于末端散热盘管预设高度处，以确保冷却器与末端散热盘管可以保持一定的高度差，从而使制冷剂遵循重力热管原理循环，无需额外驱动力，大大的减少制冷剂循环的能耗。

在一些实现方式中，当冷却器120包括散热器121时，冷却装置还可以包括：用于散热器的风扇，用于形成气流以加速散热器表面的空气流通；备选地或附加地，还可以包括喷淋组件，用于喷淋散热器以将制冷剂冷却至液态。

在一些实现方式中，当冷却器120包括换热器122时，上述换热器中用于冷却制冷剂的冷流体可以为水。

上述的供液管130，用于联通多个末端散热盘管与冷却器以向末端散热盘管输入液态制冷剂。

供液管130的输入口用于联通冷却器120的输出口，供液管130的输出口用于联通末端散热盘管的输入口，从而将冷却器120冷却的液态制冷剂输送至末端散热盘管。

可选地，上述供液管的一部分可以集成于机柜的框架上，以便工厂模块化生产；备选地或附加地，上述供液管的另一部分预设于机柜所处的机房中，以便在机柜进场前提前安装，缩短交付时间。当供液管的一部分集成于机柜的框架上，并且供液管的另一部分预设于机柜所处的机房中时，供液管的另一部分至少预留与供液管的一部分的接口，其中，供液管的另一部分预留的接口的位置基于预设的机柜的排列位置以及集成于框架上的供液管的位置确定。

在一些实现方式中，当冷却器120包括散热器121和换热器122时，供液管130可以包括：用于分别联通散热器和换热器的供液支管132，每一个供液支管上设有用于供液的电动阀门。在这里，可以通过控制供液支管中的电动阀门开闭，从而方便的控制供液管120联通散热器或换热器。

为了方便供液管各段的快速联通，供液管中各段之间的接口可以通过快速接头连接。

排气管140，用于联通多个末端散热盘管与冷却器以向冷却器回流气态制冷剂。

在本实施例中，排气管140的输入口用于联通末端散热盘管的输出口，供液管130的输出口用于联通冷却器120的输入口，从而将末端散热盘管中吸收热量后的气态制冷剂输送至冷却器120进行冷却。

可选地，排气管的一部分可以集成于机柜150的框架上，以便工厂模块化生产；备选地或附加地，排气管的另一部分预设于机柜150所处的机房中，以便在机柜进场前提前安装，缩短交付时间。当排气管的一部分集成于机柜的框架上，并且排气管的另一部分预设于机柜所处的机房中时，排气管的另一部分至少预留与排气管的一部分的接口，其中，排气管的另一部分预留的接口的位置基于预设的机柜的排列位置以及集成于框架上的排气管的位置确定。

在一些实现方式中，当冷却器120包括散热器121和换热器122时，排气管140可以包括：用于分别联通散热器和换热器的排气支管142，每一个排气支管上设有用于排气的电动阀门。在这里，可以通过控制排气支管中的电动阀门开闭，从而方便的控制排气管140联通散热器或换热器。

同样，为了方便排气管各段的快速联通，排气管中各段之间的接口也可以通过快速接头连接。

示例性的，图1中的由机柜组成的两列机柜列的设置方向为相对设置，实际的设置方向可不受此局限，也可以采用多列机柜列同向设置、机柜列沿一字形设置和机柜列沿圆形设置等多种设置形式。

在图1的基础上，上述冷却装置还可以包括：温度检测组件(未示出)，用于检测冷却器所处的环境温度；控制组件(未示出)，用于当环境温度低于预设温度时，控制每一个供液支管上的电动阀门和每一个排气支管上的电动阀门动作以联通供液管和排气管与散热器，其中，预设温度基于制冷剂的冷凝温度确定；当环境温度高于预设温度时，控制每一个供液支管上的电动阀门和每一个排气支管上的电动阀门动作以联通供液管和排气管与换热器。在这里，可以通过温度检测组件和控制组件实现根据冷却器的环境温度自动切换散热器和换热器，无需人工介入，从而提高了控制效率。

在本实施例的冷却器包括室外散热器和氟-水换热器的一个具体的应用场景中，末端散热盘管110冷却机柜150排出的热风后，其内的制冷剂蒸发吸热变成气态，根据室外温度条件，可分不同工况运行。运行方案如下：

1)如室外空气的温度可以满足冷却制冷剂所需的温度，则气态制冷剂进入到室外散热器121内被外界冷空气直接冷凝成液态，液态制冷剂通过重力作用流入末端散热器内继续吸热蒸发；如需提高换热效果则可以开启室外散热器风扇进行强制对流换热。

2)如果室外空气温度不能满足冷却制冷剂所需的温度，但水冷后的空气温度可以满足冷却制冷剂所需的温度，则开启室外散热器121的水喷淋装置，以提高室外散热器的换热效果。

3)如果室外水冷后的空气温度不能满足机房需求，则气态制冷剂进入氟-水换热器122被一次侧冷冻水冷凝成液态，液态制冷剂在重力作用下流至末端散热器继续蒸发吸热。

在这里，本申请还提供了一种机柜，包括上述的末端散热盘管，应当理解，上述针对末端散热盘管描述也适用于本机柜中的末端散热盘管，在此不再赘述。在一些实现方式中，当供液管的一部分和/或排气管的一部分集成于机柜的框架上时，机柜还包括这供液管的一部分和/或排气管的一部分，同理，上述针对供液管和排气管的描述也适用于本机柜中的供液管和排气管，在此不再赘述。

在这里，本申请还提供了一种冷却系统，包括机柜本体和上述的冷却装置。应当理解，上述针对冷却装置的描述也适用于本冷却系统中的冷却装置。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (15)

1.一种用于数据中心机柜的冷却装置，其特征在于，包括：

末端散热盘管，设于机柜的出风侧，用于从底部输入液态制冷剂，从顶部输出气态的制冷剂；

冷却器，设于高于所述末端散热盘管预设高度处，用于将回流的气态制冷剂冷却为液态制冷剂并输出液态制冷剂；

供液管，用于联通多个所述末端散热盘管与所述冷却器以向所述末端散热盘管输入液态制冷剂；

排气管，用于联通多个所述末端散热盘管与所述冷却器以向所述冷却器回流所述气态制冷剂。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却器包括：散热器和/或换热器。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，当所述冷却器包括散热器时，所述装置还包括：

用于散热器的风扇，用于形成气流以加速散热器表面的空气流通；和/或

喷淋组件，用于喷淋所述散热器以将所述制冷剂冷却至液态。

4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，当所述冷却器包括散热器和换热器时，

所述供液管包括：用于分别联通所述散热器和所述换热器的供液支管，每一个所述供液支管上设有用于供液的电动阀门；以及

所述排气管包括：用于分别联通所述散热器和所述换热器的排气支管，每一个所述排气支管上设有用于排气的电动阀门。

5.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括：

温度检测组件，用于检测所述冷却器所处的环境温度；

控制组件，用于当所述环境温度低于预设温度时，控制每一个供液支管上的电动阀门和每一个排气支管上的电动阀门动作以联通所述供液管和所述排气管与所述散热器，其中，所述预设温度基于所述制冷剂的冷凝温度确定；以及当所述环境温度高于所述预设温度时，控制每一个供液支管上的电动阀门和每一个排气支管上的电动阀门动作以联通所述供液管和所述排气管与所述换热器。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述供液管的一部分和/或所述排气管的一部分集成于所述机柜的框架上。

7.根据权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，所述供液管的另一部分和/或所述排气管的另一部分预设于所述机柜所处的机房中。

8.根据权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，

当所述供液管的一部分集成于所述机柜的框架上，并且所述供液管的另一部分预设于所述机柜所处的机房中时，所述供液管的另一部分至少预留与所述供液管的一部分的接口，其中，所述供液管的另一部分预留的接口的位置基于预设的机柜的排列位置以及集成于所述框架上的供液管的位置确定；以及

当所述排气管的一部分集成于所述机柜的框架上，并且所述排气管的另一部分预设于所述机柜所处的机房中时，所述排气管的另一部分至少预留与所述排气管的一部分的接口，其中，所述排气管的另一部分预留的接口的位置基于预设的机柜的排列位置以及集成于所述框架上的排气管的位置确定。

9.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述供液管中的接口通过快速接头连接；以及

所述排气管中的接口通过快速接头连接。

10.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述末端散热盘管集成于所述机柜的散热风扇的出风侧。

11.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述制冷剂为含氟制冷剂；和/或

所述换热器中用于冷却所述制冷剂的冷流体为水。

12.根据权利要求1-11任意一项所述的冷却装置，其特征在于，所述末端散热盘管的排列方式基于所述机柜中或由所述机柜组成的机柜列中的散热源的排列方式、散热功率以及所述末端散热盘管的冷却功率确定。

13.一种机柜，其特征在于，所述机柜包括：如权利要求1-12之一所述的末端散热盘管。

14.根据权利要求13所述的机柜，其特征在于，当所述供液管的一部分和/或所述排气管的一部分集成于所述机柜的框架上时，所述机柜还包括：所述供液管的一部分和/或所述排气管的一部分。

15.一种冷却系统，其特征在于，包括：机柜本体和如权利要求1-12任意一项所述的冷却装置。