CN108650853A - 数据中心冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数据中心冷却系统，包括机柜、顶板、送风装置和冷却装置，顶板和多组机柜构成封闭空间，机柜具有排风侧和入风侧，排风侧面向封闭空间；冷却装置包括热管，热管具有蒸发段和冷凝段，蒸发段位于封闭空间中，封闭空间具有用于将由排风侧排出的并经蒸发段冷却后的气流送至机柜入风侧的出风口，送风装置包括输送冷风的送风通道，冷凝段位于送风通道中。本发明通过热管对机柜排出的热风进行冷却，并利用室外风与热管进行换热，冷却效率高。

Description

数据中心冷却系统

技术领域

本发明涉及数据中心冷却领域，更具体的说，它涉及数据中心冷却系统。

背景技术

数据中心内大量采用的新型机架式服务器和刀片式服务器的热密度正在逐年增加，热管技术作为一项高效的散热技术可有效地解决高热密度数据中心无法有效散热的窘境。然而受限于技术与工艺等因素，热管技术在数据中心中的应用尚处于研究阶段，相关产品鲜有可见。

目前热管技术在数据中心冷却系统中的应用，现有技术方案主要有以下缺点：1.未封闭热通道，存在一定的冷热混合现象；2.受限于接触面积和时间等因素，机柜排出的热空气的热量无法有效地传递给热管，会造成热空气无法得到充分冷却的问题；3.无法确保进入热管冷凝段的空气温度在合理的范围内，无法确保热管冷凝段的高温气体能够得到及时有效地冷凝；4.无法稳定且持续地利用外界环境的冷量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用热管对数据中心进行冷却、冷却效率高的数据中心冷却系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：数据中心冷却系统，包括机柜、顶板、送风装置和冷却装置，顶板和多组机柜构成封闭空间，机柜具有排风侧和入风侧，排风侧面向封闭空间；冷却装置包括热管，热管具有蒸发段和冷凝段，蒸发段位于封闭空间中，封闭空间具有用于将由排风侧排出的并经蒸发段冷却后的气流送至机柜入风侧的出风口，送风装置包括输送冷风的送风通道，冷凝段位于送风通道中。

作为优选的方案，封闭空间包括热通道、热交换区和汇集区，蒸发段位于热交换区并穿插于导热板，热通道、热交换区、汇集区、出风口依次连通。

作为优选的方案，导热板表面设有用于热管蒸发段穿插的插孔，热管的蒸发段通过插孔穿插于导热板上；多个导热板上下平行布置，导热板之间具有气流穿过的间隙。

作为优选的方案，蒸发段插入导热体，导热体设有进风口、热交换区和汇集区；热交换区具有实体部以及用于气流通过的空心部，空心部为螺旋结构，热管具有蒸发段和冷凝段，蒸发段插入实体部，进风口、空心部、汇集区、出风口依次连通。优选的，实体部设有蒸发段插入的穿孔，穿孔沿空心部周向分布，蒸发段通过穿孔插入实体部中。

作为优选的方案，进风口沿导热体周向和高度方向分布，实体部开有连通进风口与空心部的进气流道。

作为优选的方案，出风口设有风机，风机与汇集区位置对应。

作为优选的方案，送风通道包括第一送风通道，第一送风通道具有送风口和出风口，送风口设有用于采集室外气流温度数据的温度传感器；第一送风通道一侧开有第二送风通道，第二送风通道具有进风侧和排风侧，进风侧和排风侧均与第一送风通道连通，第一送风通道和第二送风通道均设有挡板机构，驱动机构通过驱动挡板机构移动使第一送风通道和第二送风通道有选择地开启或关闭，位于第一送风通道的挡板机构与排风侧之间设有对经过第一送风通道的气流进行冷却的换热器。

作为优选的方案，挡板机构包括固定挡板和移动挡板，固定挡板和移动挡板前后紧靠设置，移动挡板面向送风口；固定挡板和移动挡板均开有气流通过的开孔，固定挡板与移动挡板上的开孔重合或部分重合时、气流通过，固定挡板与移动挡板上的开孔错开时、气流被阻挡。

作为优选的方案，热管的冷凝段穿插于多个导热部，导热部上下平行设置，导热部之间具有间隙。

作为优选的方案，机柜之间均通过涂抹密封胶和/或加装密封条进行密封处理；封闭空间设有门，门位于两机柜之间。

本系统的工作过程是：机柜排风侧排出的热风通过封闭热通道进入热交换区，热交换区中的热管蒸发段对热风进行冷却，冷却后的气流积聚于汇集区，通过出风口再次流至机柜的入风侧。热管蒸发段吸收的热量传递给冷凝段，送风装置输送冷风对冷凝段进行冷却，送风装置中的第一送风通道的两端均与室外连通，室外风经过空气处理器，再经过温度传感器，根据温度传感器采集的温度数据，控制器来判断开启第一送风通道或第二送风通道，若温度低于预设的温度，则第二送风通道开启，第一送风通道关闭，经由第二送风通道的室外风与热管冷凝段换热，若温度高于预设的温度，则第一送风通道开启，第二送风通道关闭，经由第一送风通道的室外风与换热器换热，对室外风进行冷却，冷却后的室外风与热管冷凝段换热使冷凝段冷却，换热后的热风则通过出风口排出室外。

本发明的优点在于：1、通过热管对机柜排出的热风进行冷却，并利用室外风与热管进行换热，冷却效率高。

2、封闭热通道，尽可能的避免冷风与热风混合现象。

3、导热体内螺旋流道布局增大了热空气与导热体的接触面积和接触时间，从而确保了机柜排出的热空气能够得到有效的冷却。

4、第一送风通道和第二送风通道根据室外风的温度有选择地开启或关闭，节约能源；而且换热器作为补充冷源，可保证室外空气温度较高的情况下，提高给热管冷却的气流温度仍能降至合理范围；送风通道内的气流可均来自室外，从而室外空气的冷量能够得到持续稳定的利用。

5、第一送风通道和第二送风通道均设有具有一定开孔率的挡板机构，挡板机构的开孔率由控制器控制，从而确保了用于热管冷却的气流温度在合理的区间内。

6、热管冷凝段加装导热部，增大了气流与热管的接触面积和接触时间，从而能够有效的冷却热管。

附图说明

图1为冷却系统的结构示意图。

图2为封闭热通道机柜组的结构示意图。

图3为封闭热通道机柜组正视图。

图4为封闭热通道机柜组及第一种冷却装置的A-A剖视图。

图5为封闭热通道机柜组及第一种冷却装置的B-B剖视图。

图6为封闭热通道机柜组及第一种冷却装置的底部送风图。

图7为第二种冷却装置的立体图。

图8为第二种冷却装置的螺旋流道俯视图。

图9为第二种冷却装置导热体内部剖视图。

图10为挡板机构和驱动机构的立体图。

图11为挡板机构和驱动机构的正视图。

图中标识：导热体1，封闭空间3，热管2，热交换区12，汇集区13，热通道31，出风口14，顶板32，机柜33，蒸发段21，冷凝段22，导热部221，导热板23，绝热段24，排风孔232，风机141，插孔231，排风侧331，入风侧332，空心部122，实体部121，进风口11，进气流道111，穿孔1212，第一送风通道41，送风口411，排风口412，第二送风通道42，入风端421，出风端422，挡板机构43，驱动机构44，换热器45，控制器46，温度传感器413，固定挡板431，移动挡板432，开孔433，底板48，侧板49，丝杠441，电机442，滑块443，连接杆444，空气处理器414。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

数据中心冷却系统

如图1所示，数据中心冷却系统，包括封闭热通道机柜组、送风装置和冷却装置，封闭热通道机柜组包括顶板32和多组机柜33，顶板32和多组依次排列的机柜33构成封闭空间3，机柜33具有排风侧331和入风侧332，排风侧331面向封闭空间3内部；冷却装置包括热管2，热管2具有蒸发段21和冷凝段22，蒸发段21位于封闭空间3中，封闭空间3具有用于将由排风侧331排出的并经蒸发段21冷却后的气流送至入风侧332的出风口14，送风装置包括输送冷风的送风通道，冷凝段22位于送风通道内。

封闭热通道机柜组

如图2所示，封闭热通道机柜组是顶板32与机柜33组构成封闭空间3，从而形成热气流通过的封闭热通道31，冷却装置位于封闭空间3内，对机柜33排出的热空气进行冷却，本实施例中的冷却装置为第一种冷却装置。

如图3-5所示，封闭热通道机柜组，包括顶板32和多组机柜33，顶板32和多组机柜33形成封闭空间3，封闭空间3包括热通道31、热交换区12和汇集区13，热交换区12位于热通道31与汇集区13之间；封闭空间3内部设有冷却装置，冷却装置包括热管2，热管2具有蒸发段21和冷凝段22，蒸发段21位于热交换区12并穿插于导热板221；封闭空间3具有将冷却气流排出并将冷却气流提供给机柜入风侧的出风口14，汇集区13与出风口14连通。通过设置封闭空间，形成热气流通过的封闭热通道31，避免热气流与冷却的气流混合。导热板的材质为铝或其他导热性能较好的材料，在热管的蒸发段布置导热板，以增大热气流与热管的接触时间和接触面积，以使热气流得到充分的冷却。热管2的换热原理：热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段，热管内部为相变介质，蒸发段内的介质为液态，吸收热量后会蒸发汽化，从而吸收大量热量，汽化后的相变介质流经绝热段后进入冷凝段，冷凝段经与冷源接触后液化，在重力作用下回流至蒸发段，进入下一个循环，以此实现热量的快速传递。热管的蒸发段与导热体直接接触，整个导热体因热管蒸发段的相变吸热作用而得到冷却，从而实现与热气流的热交换。

在一些实施例中，如图2-4所示，多组机柜33依次排列，机柜33具有排风侧331和和入风侧332，排风侧331面向封闭空间3内部。机柜33排出的热气流积聚于封闭空间3内，有利于对热气流实施冷却。优选的，封闭空间3可以是不规则的形状。优选的，封闭空间3可以为圆柱体、正方体、长方体等规则的形状。将封闭空间3设置成规则的形状，每个机柜33排出的热气流与热管蒸发段21接触的机会是均等的，每个机柜33排出的热气流均能得到有效的冷却。机柜排风侧332排出的热气流经由封闭的热通道31进入热管的蒸发段21，对热气流进行冷却。热通道31还可作为操作区，用于热管或机柜的前期的安装及后期的运维工作。

在一些实施例中，如图4所示，热通道31、热交换区12和汇集区13同轴设置。

在一些实施例中，如图4和图5所示，导热板23表面设有用于热管蒸发段21穿插的插孔231，热管2的蒸发段21通过插孔231穿插于导热板23上；多个导热板23上下平行布置且导热板23之间具有气流穿过的间隙。一部分热气流通过空气与热管的蒸发段21进行换热，另一部分气流则通过导热板23与热管的蒸发段21进行换热，导热板23增大了气流与热管2的接触时间和接触面积，以使热气流得到充分的冷却。热管的蒸发段21沿导热板23表面周向均匀地插入于导热板中，保证各个方向的热气流都能与热管接触，用于热管插入的插孔231的数量需按照机柜满负载运行时的换热量而定。

在一些实施例中，如图5所示，每个导热板23的中心位置均开有气流穿过的排风孔232，多个排风孔232上下堆叠形成汇集区13，汇集区13位于封闭空间3的中心位置。汇集区13位于封闭空间3的中心位置，有利于将冷气流积聚于一起。

在一些实施例中，如图5和图6所示，出风口14设于封闭空间3的顶部或底部，出风口14设有风机141，风机141与汇集区13位置对应。风机141用于将汇集区13内的已冷却的冷气流送至机柜的入风侧332。出风口14开设于封闭空间3顶部时，多个风机141安装在顶板32上，积聚于汇集区13的冷气流，进而被风机141通过出风口14送至机柜入风侧332。出风口14开设于封闭空间3底部时，多个风机141位于地板下方，机柜入风侧332对应的底板设有冷风进入的入风口，入风口铺设地板格栅，地板格栅下方再次设置风机，冷却后的气流通过入风口进入机柜的入风侧。

在一些实施例中，如图2所示，机柜33之间均通过涂抹密封胶和/或加装密封条进行密封处理。通过密封处理，以确保两机柜33间的连接处不漏风。

在一些实施例中，如图2所示，封闭空间3设有门34，门34位于两机柜33之间。门34用于设备和人员的进出。

冷却装置

冷却装置位于封闭热通道机柜组构成的封闭空间3内部，用于对机柜排出的热风进行冷却。对于第一种冷却装置已在封闭热通道机柜组有所描述。以下是对第二种冷却装置的结构进行描述。

如图7-9所示，第二种冷却装置包括导热体1和热管2，导热体1设有进风口11、热交换区12、汇集区13和出风口14；热交换区12具有实体部121以及用于气流通过的空心部122，空心部122为螺旋结构，热管2具有蒸发段21以及与蒸发段换热的冷凝段22，蒸发段21插入实体部121，进风口11、空心部122、汇集区13与出风口14依次连通。导热体1可以为铝、铜或其他导热系数较高的材质，换热效率高，换热效果好。将导热体1的热交换区设置成实体部121和为螺旋结构的空心部122，热气流通过进风口11进入热交换区12，然后沿着螺旋结构的空心部122进入汇集区13，螺旋结构的空心部122增大热气流与导热体1的接触面积及接触时间，并且有利于热气流的流动。将导热体1和热管2放入封闭热通道机柜组中时，导热体1的出风口与顶板的出风口连通。

在一些实施例中，如图7所示，进风口11沿导热体1周向和高度方向分布，实体部121开有连通进风口11与空心部122的进气流道111。在导热体1的表面均匀布置多个进风口11，来自各个方向的气流都能及时、充分地进入到导热体1内部。

在一些实施例中，如图9所示，实体部121设有蒸发段21插入的穿孔1212，穿孔1212沿空心部122周向分布，蒸发段21通过穿孔1212插入实体部121中。蒸发段21插入穿孔1212中，使热管的蒸发段21与导热体1的实体部121直接接触。在热气流经由螺旋结构的空心部积聚于汇集区13的过程中，热气流与导热体1的接触面积增大且与导热体1的接触时间增长，确保进入导热体1内部的热气流能够得到有效的冷却。

在一些实施例中，如图7所示，热管的冷凝段22穿插于多个导热部221，导热部221上下平行设置，导热部221之间具有间隙。热管冷凝段22加装导热部221，导热部221即为导热板，在外界对热管的冷凝段22进行冷却的过程中，例如利用冷空气对冷凝段22进行冷却，导热部221能够增大冷空气与热管冷凝段22的接触面积和接触时间，从而能够有效地冷却热管冷凝段22。

在一些实施例中，如图9所示，热交换区12沿汇集区13周向布置，汇集区13位于导热体1中心位置。将汇集区13设置于导热体1中心位置，使冷却后的气流得以汇聚于一起。

在一些实施例中，如图5和图6所示，出风口14位于汇集区13的上方或下方，风机141设于出风口14处。位于出风口14的风机可采用离心风机。出风口14开设于导热体1顶部或底部，出风口14开设于导热体1顶部时，多个风机141安装在导热体1上，冷却后的气流积聚于汇集区13，进而被风机141通过顶板出风口送至机柜入风侧。出风口14开设于导热体1底部时，多个风机141位于出风口14，机柜入风侧对应的地板设有冷风进入的入风口，入风口铺设地板格栅，地板格栅下方再次设置风机141，冷却后的气流通过入风口进入机柜的入风侧。位于地板格栅下方的风机可采用轴流风机，风机风量大。

在一些实施例中，如图7所示，导热体1为长方体、正方体或圆柱体。导热体1的形状设置不限，依据机柜的布置情况而定。

在一些实施例中，如图7所示，热管2还具有绝热段24，绝热段24位于蒸发段21和冷凝段22之间。数据中心中送风管道都会设置在房间顶部，所以送风管道和机柜顶部之间必须留有一段距离，因以绝热段24的存在更有利于风机和数据中心中其他设备的布置，使数据中心在空间上具有更大的可操作性。

送风装置

送风装置，用于输送冷风，冷风与热管冷凝段进行换热，换热后的热风从送风装置排风口排出。

如图1所示，送风装置，包括第一送风通道41，第一送风通道41具有送风口411和排风口412，送风口41设有用于采集室外气流温度数据的温度传感器413；第一送风通道41侧壁开有第二送风通道42，第二送风通道42具有入风端421和出风端422，入风端421和出风端422均与第一送风通道41连通，第一送风通道41和第二送风通道42均设有挡板机构43，驱动机构44通过驱动挡板机构43移动使第一送风通道41和第二送风通道42有选择地开启或关闭，位于第一送风通道41的挡板机构43与出风端422之间设有对经过第一送风通道41的气流进行冷却的换热器45。

作为优选的方案，如图1所示，第二送风通道42的入风端421和出风端422均位于送风口411和排风口412之间，

作为优选的方案，如图1所示，控制器46安装于第一送风通道41。控制器46根据温度传感器413采集到的温度数据控制驱动机构在方向和距离上的移动。

作为优选的方案，如图10和图11所示，挡板机构43包括固定挡板431和移动挡板432，固定挡板431和移动挡板432前后紧靠设置，移动挡板432面向送风口411；固定挡板431和移动挡板432均开有气流通过的开孔433，固定挡板431与移动挡板432上的开孔433重合或部分重合时、气流通过，固定挡板431与移动挡板432上的开孔433错开时、气流被阻挡。优选的，固定挡板431与移动挡板432上的开孔433均匀布置。移动挡板432可以上下移动，也可以左右移动。固定挡板431和移动挡板432设有多个开孔433，一是控制开度，二是具有稳流稳压作用，使气流速度更加均匀。

作为优选的方案，固定挡板431与移动挡板432上的开孔433均具有多个，固定挡板431与移动挡板432上的开孔433大小相同，且开孔433均匀布置。均匀布置是指在竖直方向或水平方向上，开孔433之间的距离相同。

作为优选的方案，固定挡板431相邻开孔433之间的距离大于移动挡板432的开孔大小。例如，移动挡板432左右移动时，固定挡板431的左右相邻开孔433之间的距离大于或等于移动挡板432的开孔大小。

作为优选的方案，第一送风通道41和第二送风通42道均包括顶板、底板48和两侧板49，控制器位于第一送风通道41中的侧板49上，如图1所示。

作为优选的方案，如图11所示，驱动机构44包括丝杠441、电机442、滑块443和连接杆444，电机442固定于侧板49，电机442带动丝杠441转动，丝杠441上设有滑块443，滑块443沿丝杠441轴方向移动，连接杆444一端与滑块443固定，连接杆444另一端与移动挡板432固定，滑块443通过连接杆444带动移动挡板432移动。

作为优选的方案，如图1所示，换热器45为板式换热器、管片式换热器或其他类型换热器。

作为优选的方案，如图1所示，第一送风管道41设有去除空气中杂质的空气处理器414。如果空气杂质太多，就会严重影响管道系统，并且热管的顶部积蓄很多杂质，影响热管使用和寿命。

送风装置的工作过程是：室外风进入送风口411，位于送风口411处的温度传感器413将采集到的温度数据传递给控制器46，控制器46根据温度数据控制电机442转动，从而控制移动挡板432是否移动、移动距离以及移动方向。控制器预设有2个温度，分别为A和B，A和B之间的关系为A低于B，若温度传感器采集的温度低于A，则第一送风通道关闭，第二送风通道开启；若温度传感器采集的温度介于A与B之间，则第一送风通道41和第二送风通道42均具有一定的开孔率，开孔率为固定挡板431与移动挡板432上的开孔的重合率，重合率越大，开孔率则越大，重合率越小，开孔率则越小；若温度传感器413采集的温度高于B，则第二送风通道42关闭，第一送风通道41开启，气流通过第一送风通道41，经过换热器45，对气流进行冷却。温度A和B的设定依实际情况而定。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.数据中心冷却系统，其特征在于：包括机柜、顶板、送风装置和冷却装置，顶板和多组机柜构成封闭空间，机柜具有排风侧和入风侧，排风侧面向封闭空间；冷却装置包括热管，热管具有蒸发段和冷凝段，蒸发段位于封闭空间中，封闭空间具有用于将由排风侧排出的并经蒸发段冷却后的气流送至机柜入风侧的出风口，送风装置包括输送冷风的送风通道，冷凝段位于送风通道中。

2.如权利要求1所述的数据中心冷却系统，其特征在于：封闭空间包括热通道、热交换区和汇集区，蒸发段位于热交换区并穿插于导热板，热通道、热交换区、汇集区、出风口依次连通。

3.如权利要求2所述的数据中心冷却系统，其特征在于：导热板表面设有用于热管蒸发段穿插的插孔，热管蒸发段通过插孔穿插于导热板上；多个导热板上下平行布置，导热板之间具有气流穿过的间隙。

4.如权利要求1所述的数据中心冷却系统，其特征在于：蒸发段插入导热体，导热体设有进风口、热交换区和汇集区；热交换区具有实体部以及用于气流通过的空心部，空心部为螺旋结构，蒸发段插入实体部，进风口、空心部、汇集区、出风口依次连通。

5.如权利要求4所述的数据中心冷却系统，其特征在于：进风口沿导热体周向和高度方向分布；实体部开有连通进风口与空心部的进气流道。

6.如权利要求2或4所述的数据中心冷却系统，其特征在于：出风口设有风机，风机与汇集区位置对应。

7.如权利要求1所述的数据中心冷却系统，其特征在于：送风通道包括第一送风通道，第一送风通道具有送风口和出风口，送风口设有用于采集室外气流温度数据的温度传感器；第一送风通道一侧开有第二送风通道，第二送风通道具有进风侧和排风侧，进风侧和排风侧均与第一送风通道连通，第一送风通道和第二送风通道均设有挡板机构，驱动机构通过驱动挡板机构移动使第一送风通道和第二送风通道有选择地开启或关闭，位于第一送风通道的挡板机构与排风侧之间设有对经过第一送风通道的气流进行冷却的换热器。

8.如权利要求7所述的数据中心冷却系统，其特征在于：挡板机构包括固定挡板和移动挡板，固定挡板和移动挡板前后紧靠设置，移动挡板面向送风口；固定挡板和移动挡板均开有气流通过的开孔，固定挡板与移动挡板上的开孔重合或部分重合时、气流通过，固定挡板与移动挡板上的开孔错开时、气流被阻挡。

9.如权利要求1所述的数据中心冷却系统，其特征在于：热管的冷凝段穿插于多个导热部，导热部上下平行设置，导热部之间具有间隙。

10.如权利要求1所述的数据中心冷却系统，其特征在于：机柜之间均通过涂抹密封胶和/或加装密封条进行密封处理；封闭空间设有门，门位于两机柜之间。