CN107683072A - 一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统，涉及一种散热方式；该系统包括：用于存储冷空气的下层空间、用于摆放空调和机柜等的中层空间、用于存储热空气的上层空间；下层空间与中层空间采用带密集小孔的底板隔开，中层空间与上层空间采用带集中通风孔的顶板隔开，所述顶板的集中通风孔上安装有帮助空气进入上层空间的风扇；所述服务机机柜以阵列的方式设置于底板上；空调从上层空间吸入热空气，向下层空间释放冷空气。该系统热循环遵循自然规律，一旦建立了该循环后，只需消耗少量的能量就能维持该循环，从而本发明能够大量地节约能源。

Description

一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统

技术领域

本发明涉及一种散热方式，特别是在气体流动领域当中。

背景技术

随着微电子技术的发展，各种微处理器、微感应器、微控制器等微型器件的制备与应用逐渐变为现实。而在制冷方面，微型热电制冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)被认为是解决微型机电系统散热的有效途径之一。TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，另一端放热的现象。TEC包括一些P型和N型对(组)，它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间，当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生“热”侧和“冷”侧，这就是TEC的加热与致冷原理。由流过电偶桥的电流方向和大小来决定是制冷还是加热以及其速率的大小。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际应用中都将若干对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际应用的致冷器。很多应用场景如：热电制冷的小冰箱、除湿机、通讯设备的机柜空调、医疗器械中的温控设备、CDD等摄像设备的温控、半导体的激光器、生物培养皿温控设备、通讯设备光电子里为了防止信号漂移做的温度控制器等。随着计算机芯片越来越小巧而单薄，密集程度和功能却变得越来越大，运行速度也在逐渐攀升。因此小尺寸、短反应时间却有着高制冷效率的微型温差电制冷器在微机电、通讯、电池等领域内具有非常重大的应用价值。

随着世界经济和信息化时代的快速发展，互联网让人们的生活水平日新月异，逐步开启了崭新的篇章。而数据中心是一整套大型复杂的运算设施，它承担着在Internet网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息等职能，还包含着冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置，将成为信息化建设的新热点和核心内容。

伴随着服务器集成度的提高，数据中心机房单机架的功率将大幅度提升，对数据中心也提出了更高的要求，在有限的机柜空间范围之内必须增加服务器的密度并减小其个体体积。另外空调短时间的停机或制冷量不足，机房温度迅速升高到极限温度，将造成服务器报警甚至停机。这将使得局部发热量节节攀升，温度梯度逐渐加大，通风降温处理更加复杂。高耗能的计算机会使数据中心陷入瘫痪。

国内传统的数据中心往往存在有以下几方面的缺陷问题：(1)整体布局不合理，制冷系统经常有热风回流问题，造成机房内冷热通道混乱，使得空调系统经常过功率超负荷运行，才能解决这些乱窜的废热，浪费资源；(2)有统计数据表明，数据中心的冷却功耗占到整体功耗的45％～50％，居高不下；(3)空调系统制冷量或送风量设计的通道过小；(4)机柜内部服务器等排列无规律，导致气流流向不合理；(5)机房内的机组摆放位置过于密集，阻碍空气的对流；(6)机房内活动地板的高度和多孔砖的孔道面积会造成影响，导致机房内气流流向设计不合理等。

针对数据中心的冷却问题，其实目前已经有多种方案来应对计算性能和密集程度不断增长带来的挑战。比如：(1)植物油等油冷方式；(2)水冷却方式；(3)冷冻水方式；(4)空气冷却方式；(5)乙二醇等冷却方式；(6)添加干冰或液氮等方式。虽然以上方式都在当时的一定范围内取得了一些成果，在短时间内提供了较高的散热效率，但与此同时也带来了一些新的问题：如(1)油冷方式导致地板需要承受更大的重量，而且比较浪费油资源；(2)冷却塔、泵和管道系统的初始成本和维护成本很高，需要经常进行清洁和处理；(3)投资成本最高，对机房设备影响较大，空调系统向IT环境引入了额外的一种液体源；(4)空气冷却管路必须在现场安装，而且多台机房空调不能共享一个冷凝器；(5)增加了投资和安装成本，需要对系统中乙二醇的体积和质量进行维护；(6)由于干冰和液氮制造成本昂贵，并且极易挥发或汽化，需要有专门的管道系统，而且需要定时维护和检查，另外有时候某些处理器在温度过低时也会停止工作而造成整个数据中心的瘫痪。

数据中心快速增长的高密度趋势带来了能耗的急剧增加，这需要我们对数据中心制冷技术持续进行创新，不断提升制冷能效。有鉴于此，在有限的场地空间和空调系统投入下，在保障数据中心越来越强的业务需求的同时，还要实现在特定的机柜数量下满足服务器的高密度需求以及最大限度地提高其散热效果。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明专利提供了一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统。通过TEC双向控温系统和散热风扇的双重作用使得该系统一直在适当的温度范围内工作，使得这套系统具有能够自动调节温度、安全环保、易于维护、使用方便、成本低廉的诸多优良特性。

本发明技术方案为一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统,该系统包括：用于存储冷空气的下层空间、用于摆放空调和机柜等的中层空间、用于存储热空气的上层空间。下层空间与中层空间采用带密集小孔的底板隔开，中层空间与上层空间采用带集中通风孔的顶板隔开，所述顶板的集中通风孔上安装有帮助空气进入上层空间的风扇；所述服务机机柜以阵列的方式设置于底板上；空调从上层空间吸入热空气，向下层空间释放冷空气。

进一步的，所述机柜包括带通风孔的侧板、散热风扇、导热隔板、TEC热电片、温度传感器，所述机柜内有多层导热隔板，导热隔板上用于放置数据处理器，导热隔板下方设置TEC热电片，热电片的电极连接风扇，风扇设置于导热隔板的侧面，所述温度传感器实时获取机柜内部的温度，根据该温度用于控制风扇的开或关，及外部空调的功率。当数据处理器工作时产生热量，热量传递给导热隔板，导热隔板再将热量传递给热电片，热电片形成温差，发电后将电能输出给风扇，风扇转动吹走机柜内部的热空气。

再进一步的，所述阵列设置的机柜，阵列间的行空隙间隔设置为热通道和冷通道，机柜内的热空气都吹入热通道，机柜都从冷通道吸入冷空气；所述顶板上的集中通风孔设置于热通道上方。

再进一步的，所述机柜顶部设置延伸到顶板的隔板，用于隔绝热通道和冷通道；所述热通道内的底板不设置密集小孔，防止冷空气从小孔中溢出。

本发明一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统，该系统下层空间的冷空气从冷通道被机柜吸入，经过数据处理器后变成热空气，吹入热通道，热通道内热空气自然上升，被顶板上的集中通风孔吸入上层空间，空调从上层空间吸入热空气，向下层空间释放冷空气，这样形成了热循环，该热循环遵循自然规律，一旦建立了该循环后，只需消耗少量的能量就能维持该循环，从而本发明能够大量地节约能源。

附图说明

图1是本发明技术方案中所使用的TEC热电片。

图2是本发明技术方案中所使用的天花板上面安装的抽热散热风扇。

图3是本发明技术方案中所使用的服务器机机柜内部结构示意图。

图4是本发明技术方案中所使用的一种整体结构框架示意图。

图5是本发明技术方案中所使用的机房内部系统中的一种整体气流和能量流的循环流向不带隔板的实施方式示意图(颜色较深箭头部分代表热流，无色箭头部分代表冷流)。

图6是本发明技术方案中所使用的机房内部系统中的一种整体气流和能量流的循环流向带隔板的实施方式示意图。

说明书附图中各组件分别为：1-服务器机机柜的顶板；2-服务器机机柜的隔离板(导热板)；3-TEC热电片；4-服务器机机柜的侧板；5-服务器机机柜的底板；6-服务器机机柜的后盖板；7-温度传感器；8-散热风扇的固定杆；9-吸热抽热风扇；10-服务器侧板的镂空状散热孔洞；11-服务器机机组；12-服务器机机组的顶板；13-精密空调机机组；14-机房内的下层镂空状活动地板；15-机房内的上层带有抽热散热风扇的活动地板；16-深色箭头代表热气流；17-无色箭头代表冷气流；18-机房最底层实心地面；19-机房最上层实心天花板。

具体实施方式

本发明专利实例中将采用其中一种技术方案来进行详实地实施。数据中心的机房重地由若干机柜组或机架组按顺序面对面、背靠背地排列组合在一定的范围区间之内，合理布置机柜或机架对于确保机房拥有适当的温度和足够的空气非常重要。

该套系统具体包括：(1)服务器机机柜(包含服务器散热风扇、抽热散热风扇的固定杆、金属隔离板(导热板)、机柜的侧板、金属后盖板、TEC热电片、温度传感器等)；(2)数据中心机房(包含服务器机机组、精密空调机机组、顶部的抽热散热风扇机组、机房内的下层镂空状活动地板、机房内的上层带有抽热散热风扇的活动地板等)。

进一步的，该套系统的服务器机机柜内部纵向分割成两个区间，分别是放置有服务器金属隔离板(导热板)的第一区间和放置有温度传感器和抽热散热风扇的第二区间。更为重要的是，在每块金属隔离板(导热板)的下方都紧贴有若干块TEC热电片。它在高温下能够冷却数据中心系统，在寒冷的北方地区使用可以在规定的时间内加热该系统，使得TEC双向控温系统一直在适当的温度范围内工作，从而使得该套系统拥有能够自动调节温度、安全环保、易于维护、使用方便、成本低廉等诸多优良特性。另外，由于该金属隔离板(导热板)之间由于距离较近，且放置有诸多的刀片式服务器和网络设备、存储设施等，因此该隔离板上面的所有设备都要处于最小挡风状态，即横截面积的最大挡风面要与从服务器门板镂空状散热孔洞进入的空气气流平行。而且，在整个系统的电路控制下，通过温度传感器和其他探测器的综合感知，根据腔体内部的温度来综合控制TEC热电片和散热风扇的启动和总体运行的时间。

进一步的，该数据中心的机房系统主要由若干服务器机机组和室内精密空调机机组等组合而成，相互两个机组之间保持一定的距离，以有利于各通道之间的传热和散热。当机柜内或机组上的设备为前进风和后出风方式冷却时，机柜或机组的布置采用“面对面、背靠背”的方式。机房内的气流流通一般采用“地板下送冷风，上部回热风”的方式，其送风通道和回风通道均可在需要的位置开设风口。设备的排列和摆放方式应明确划分为冷热通道，这样在两排机柜的正面面对通道中间形成一个冷通道的冷空气区，冷空气流经设备后形成了热空气，再被排放到两排机柜背面中的热通道中去，最后通过热通道上方布置的回风口回到精密空调机机组，使整个机房气流、能量流流动通畅无阻，不但提高了机房精密空调的利用率，而且还进一步提升了制冷效果。采用镂空状活动地板与实心地面形成的气流存储空间，其高度应根据机柜摆放的密度、机房的面积等综合确定。一方面可以大面积地存储冷气流或热气流，提高其制冷或散热的效果；另一方面该镂空状的活动地板和机房顶部的活动地板与精密空调机和许多服务器机机柜的多种排列组合可以保证整个机房内部的气流和能量流动畅通无阻，也同时可以确保冷热气流分别在不同的机组组合之间形成气流循环，而且在顶部安装的抽热散热风扇可以加速整个大小气流循环的运行。

进一步的，该数据中心的机房系统使冷空气或常温空气从冷风区进入服务器机机柜，被刀片式的服务器等器件加热之后送入热风区，部分热风从热风区进入TEC热电片进行冷却散热，之后经过机柜内的抽热散热风扇将冷却的气流送入冷风区，另外一部分热风直接吸取吹送入顶部天花板进入热层空间，再由反向放置的抽热散热风扇吸取热流进入到精密空调机机柜制冷，将热流转换为冷流再传入到底部的冷层空间中，冷层空间中的冷气流将直接从镂空状的地板中的各个小孔向上传输。其中，经由许多串联在一起的TEC热电片的热气流经过温差发电等原理，可以输出一定的电流和电压，可以实现带动安装在机柜内的抽热散热风扇的转动和温度控制器等器件的运行，而不需要再另外浪费额外的电力资源，达到清洁、高效、合理利用等完美效果。如此循环往复，可以保证该设备24小时不间断地运行，同时也可避免粉尘等的不利影响。另外，机柜正面进风，背面出风，两排机架背面相对，形成冷热通道，是较好的送风方式，该方式可以有效地减少空气回流和气流乱窜，使得数据中心内上下温度平均，提高制冷效率，达到理想的冷却散热效果。

Claims (4)

1.一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统，该系统包括：用于存储冷空气的下层空间、用于摆放空调和机柜等的中层空间、用于存储热空气的上层空间；下层空间与中层空间采用带密集小孔的底板隔开，中层空间与上层空间采用带集中通风孔的顶板隔开，所述顶板的集中通风孔上安装有帮助空气进入上层空间的风扇；所述服务机机柜以阵列的方式设置于底板上；空调从上层空间吸入热空气，向下层空间释放冷空气。

2.如权利要求1所述的一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统，其特征在于所述机柜包括带通风孔的侧板、散热风扇、导热隔板、TEC热电片、温度传感器，所述机柜内有多层导热隔板，导热隔板上用于放置数据处理器，导热隔板下方设置TEC热电片，热电片的电极连接风扇，风扇设置于导热隔板的侧面，所述温度传感器实时获取机柜内部的温度，根据该温度用于控制风扇的开或关，及外部空调的功率。

3.如权利要求2所述的一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统，其特征在于所述阵列设置的机柜，阵列间的行空隙间隔设置为热通道和冷通道，机柜内的热空气都吹入热通道，机柜都从冷通道吸入冷空气；所述顶板上的集中通风孔设置于热通道上方。

4.如权利要求3所述的一种基于热电器件的数据中心冷却散热系统，其特征在于所述机柜顶部设置延伸到顶板的隔板，用于隔绝热通道和冷通道；所述热通道内的底板不设置密集小孔，防止冷空气从小孔中溢出。