CN107809894B - 一种数据中心机柜的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种数据中心机柜的冷却装置，包括：紧贴机柜背板设置的高温换热器，与第一冷却塔相连，以利用第一温度的冷却液将离开所述机柜的空气冷却至第三温度；以及设置在机柜顶部的低温换热器，经由冷机与第二冷却塔相连，以利用第二温度的冷却液将所述第三温度的空气冷却至第四温度，其中所述第一温度高于所述第二温度，以及所述第三温度高于所述第四温度。本发明中，通过设置机柜背部的高温换热器和机柜顶部的低温换热器，可以实现分级冷却，既增强了散热能力，又降低了机房空调系统的耗电。

Description

一种数据中心机柜的冷却装置
技术领域
本发明涉及冷却系统领域，并且特别涉及一种数据中心机柜的冷却装置。
背景技术
随着云计算的兴起，数据机房的建设越来越多，且具有以下趋势：单机柜功耗越来越大；高温服务器兴起；节能要求越来越高。
单机柜功耗越来越大迫使空调末端距离IT设备越来越近，由最初的房间级冷却(水冷精密空调、风冷精密空调等)，到单元级冷却(水冷列间空调、风冷列间空调、顶置盘管冷冻单元等)，再到机柜级冷却(水冷背板、热管背板等)，目前各种制冷方式均能满足服务器的制冷要求，但是随着单机柜功耗的增大传统方法的制冷能效与换热能力将无法满足需求，将单元级冷却与机柜级冷却两者巧妙的结合可在保证制冷能效的同时增强末端散热能力。随着高温服务器的兴起，使得冷冻水供水温度得到了很大程度的提高，从而制冷系统的COP(制冷效率)值增大，即制冷耗电减少，数据中心PUE(电源使用效率，power usageeffectiveness)值有了很大程度的降低，但现阶段的制冷系统的三种模式(自然冷却、预冷模式、全制冷模式)无法将自然冷却用到极致，本专利通过重新设置空调末端及冷冻单元系统架构，充分利用分级冷却的方式，高温水部分可实现全年利用自然冷却模式，达到数据中心的极致高效节能。
目前新建大型数据中心均使用冷冻水系统，末端空调形式多为水冷精密空调、水冷背板、热管背板、INROEW空调等单一形式。面对高密度服务器，现阶段液冷也是一个趋势。
对于水冷精密空调、水冷背板、热管背板、INROEW空调等这种单一末端制冷形式而言，其缺点在于，一来其制冷能力相对较差，无法满足服务器功耗增加的需求；二来需要建立备用空调间，为其提供备用冷源；三来冷通道温度要求相对服务器出口热风温度较低，一次性满足制冷要求，开启自然冷却模式温度受限制，无法将自然冷源用到极致。
对于液冷方案而言，其主要分为两大类：第一类为间接铜排式，其中内部流体可分为水和氟化液。以水为内部流体的方案缺点在于，存在水进入服务器的风险，而且器件容易供冷不均；以氟化液为内部流体的方案缺点在于，技术难度大，分流不均易造成气堵；第二类液冷方案为直接浸没式，其中可分为单相溶液和相变溶液。但是单相溶液的方案维护的时候带出液体多；而相变溶液的方案初投资高，维护不便。总体来说，液冷方案都存在成本偏高的缺点。
综上所述，目前缺少一种既有足够的散热能力，又节省能源的冷却装置。
发明内容
本发明实施例提供一种数据中心机柜的冷却装置，以至少解决现有技术中的以上技术问题。
本发明实施例提供了一种数据中心机柜的冷却装置，包括：
紧贴机柜背板设置的高温换热器，与第一冷却塔相连，以利用第一温度的冷却液将离开所述机柜的空气冷却至第三温度；以及
设置在机柜顶部的低温换热器，经由冷机与第二冷却塔相连，以利用第二温度的冷却液将所述第三温度的空气冷却至第四温度，其中所述第一温度高于所述第二温度，以及所述第三温度高于所述第四温度。
在一些实施例中，所述第一冷却塔为开式冷却塔。
在一些实施例中，所述第一冷却塔为闭式冷却塔。
在一些实施例中，所述第一冷却塔为闭式塔型热管，并且所述冷却液为制冷剂。
在一些实施例中，所述高温换热器和所述低温换热器中的至少一个为水冷盘管或热管。
在一些实施例中，所述冷却装置还包括用于所述高温换热器并与其连接的第一风扇背板和用于所述低温换热器并与其连接的第二风扇背板。
在一些实施例中，所述第一温度高于环境湿球温度1.5℃到3℃。
在一些实施例中，与预设的用于所述机柜中的服务器的进风温度相比，所述第二温度的最小值为低于该进风温度2℃，最大值为高于该进风温度5℃。
在一些实施例中，所述服务器的进风温度根据室外温度设置。
在一些实施例中，所述冷却液为冷却水。。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：通过设置机柜背部的高温换热器和机柜顶部的低温换热器，可以实现分级冷却，既增强了散热能力，又降低了机房空调系统的耗电。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。
图1为根据本发明实施例的数据中心机柜的冷却装置的示意性后视图；
图2为根据本发明实施例的空气冷却循环示意图；
图3为根据本发明的冷却装置的第一级冷却部分的第一实施例的示意图；
图4为根据本发明的冷却装置的第一级冷却部分的第二实施例的示意图；
图5为根据本发明的冷却装置的第一级冷却部分的第二实施例的示意图；
图6为根据本发明的冷却装置的第二级冷却部分的一个实施例的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
图1为本发明实施例提供的数据中心机柜的冷却装置100的示意性后视图，该冷却装置100包括高温换热器110和低温换热器120；其中，高温换热器110被设置为紧贴机柜背板，而低温换热器120被设置在机柜顶部。
虽然图1中仅示出了六个高温换热器110和一个低温换热器120，但可以理解的是，图1中示出的实施例仅是说明性而非限制性的，本发明提供的冷却装置可以包括其他数量的高温换热器和低温换热器，在此不做具体限制。
高温换热器110连接至高温供液主管(未示出)，高温供液主管分为N个支管(未示出)为每个高温换热器110提供冷却液。可以理解的是，N为高温换热器110数量的2倍，以更好地实现供液和回液。高温换热器110和低温换热器120中的一个或两个可以为水冷盘管或热管。但是可以理解的是，这两个换热器还可以是其他任意类型，本发明在此不做具体限制。
特别地，高温换热器110和低温换热器120都可以连接到相应的风扇背板(未示出)，以增强空气的流动性，使得能更好的为服务器降温。
图2为根据本发明实施例的空气冷却循环示意图。如图2所示，其示意性地示出了一组机柜的截面，该一组机柜包括背对布置的两排机柜，上部封闭，于是在两排机柜之间形成一个封闭的热通道。如图2所示，冷却装置100在运行时，高温换热器110被供给具有第一温度的冷却液，其带走服务器出风(出风温度为T0)的热量，将离开机柜的空气冷却至第三温度T1，上升至低温换热器120所在的区域，此为第一级冷却(气流以箭头A表示)；低温换热器120被供给具有第二温度的冷却液，将第三温度的空气冷却至第四温度T2，此为第二级冷却(气流以箭头B表示)。可以理解的是，第一温度高于第二温度，且第三温度高于第四温度，以实现分级冷却。第四温度T2为预设的用于服务器的进风温度，其可以再重新供给服务器，以帮助其散热，形成循环，可进一步节省能源。其中，服务器出风温度T0可以根据室外环境温度而进行设置，并且可以根据季节变化而变化，具体数值在此不做限制。
图3为根据本发明的冷却装置的第一级冷却部分的第一实施例的示意图。如图3所示，高温换热器(未单独示出)通过板式换热器130连接至第一冷却塔140，冷却液从第一冷却塔140经由板式换热器130供给到高温换热器110，通过高温换热器110为机柜R散热。此处，第一冷却塔140为开式冷却塔。
可以理解的是，第一冷却塔140还可以是其他的类型。图4和图5分别示出了根据本发明的冷却装置的第一级冷却部分的第二实施例和第三实施例的示意图。
其中，图4中，第一冷却塔为闭式冷却塔，板式换热器设置在闭式冷却塔内部；而图5中，第一冷却塔为冷却塔型热管，此时冷却液为制冷剂。制冷剂通过汽化带走来自高温换热器110的冷却液的热量，并且通过冷却塔型热管与外界相连，在外界重新凝结为液体，并且被再次供给到闭式冷却塔中。
图3至图5中，第一冷却塔与外界相连通，通过加湿等方法为温度高的冷却液降温，然后重新供给到高温换热器110。
图6示出了根据本发明的冷却装置的第二级冷却部分的一个实施例的架构示意图。如图6所示，位于机柜R顶部的低温换热器(未单独示出)经由冷机150与第二冷却塔160相连，由此被供给第二温度的冷却液。
冷机150接收来自低温换热器的热的冷却液，通过吸收热量使温度高的冷却液降温成温度低的冷却液，并将温度低的冷却液重新供给到低温换热器，完成低温换热器部分的冷却液循环。
同时，冷机150中由于吸收热量而变得温度非常高的冷却液通过第二冷却塔160在外界进行降温，第二冷却塔160再将降温后的冷却液重新供给到冷机150，完成冷机部分的冷却液循环。
本发明实施例中，冷却液可以为冷却水，也可以是其他种类的冷却液，本发明对此不做限制。
本发明实施例中，第一温度由环境温度决定，一般情况下接近环境湿球温度，第二温度则由服务器进风温度T2决定，而服务器进风温度T2则是提前预设的数值，优选地可以根据室外温度而进行设置。可以理解的是，服务器进风温度T2并不是一成不变的，而是可以根据外界天气变化。特别地，可以在季节交替的时候进行调整，以进一步节省能源。
湿球温度是指同等焓值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度，在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至100％相对湿度线上，对应点的干球温度。简而言之，湿球温度就是当前环境仅通过蒸发水分所能达到的最低温度。
对第一温度和第二温度进行适当的设置，既可以满足节能要求，又可以满足服务器散热要求。优选地，第一温度＝环境湿球温度+1.5到3℃；
而第二温度＝服务器进风温度-2到5℃。
以北京为例，在北京夏季温度最高，其室外环境湿球温度约为26.4℃，极端情况下，湿球温度可以达到31℃，而目前常用的一种机柜功率为8.8KW。在这种情况下，可以将服务器进风温度T2设置为27℃，而将服务器出风温度T0设置为39℃。
此时，第一温度最高可以设置为31+1.5℃，也就是32.5℃。利用具有该第一温度的冷却液，出风温度为39℃的空气可以被冷却到约34℃。而若要满足服务器进风温度27℃的要求，第二温度则可以设置为22℃到25℃。这样，可以将空气从34℃冷却到27℃。
可以理解的是，由于第一冷却塔与外界进行热交换，因此，在外界温度低(例如冬季)时，通过第一冷却塔降温的冷却液温度已经很低，使得被供给到第一级冷却部分的冷却液温度很低。这样，只要第一级降温就能够达到很好的效果。在这种情况下，甚至能关闭第二级降温，以更进一步节能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数据中心机柜的冷却装置，其特征在于，包括：
紧贴机柜背板设置的高温换热器，与第一冷却塔相连，以利用第一温度的冷却液将离开所述机柜的空气冷却至第三温度；以及
设置在机柜顶部的低温换热器，经由冷机与第二冷却塔相连，以利用第二温度的冷却液将所述第三温度的空气冷却至第四温度，其中所述第一温度高于所述第二温度，以及所述第三温度高于所述第四温度。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一冷却塔为开式冷却塔。
3.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一冷却塔为闭式冷却塔。
4.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一冷却塔为闭式塔型热管，并且所述冷却液为制冷剂。
5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述高温换热器和所述低温换热器中的至少一个为水冷盘管或热管。
6.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括用于所述高温换热器并与其连接的第一风扇背板和用于所述低温换热器并与其连接的第二风扇背板。
7.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一温度高于环境湿球温度1.5℃到3℃。
8.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，与预设的用于所述机柜中的服务器的进风温度相比，所述第二温度的最小值为低于该进风温度2℃，最大值为高于该进风温度5℃。
9.如权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，所述服务器的进风温度根据室外温度设置。
10.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却液为冷却水。
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