CN109561637B - 一种基于按需供冷理念的数据中心机柜及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于按需供冷理念的数据中心机柜及控制系统，其中，数据中心机柜包括机柜本体、服务器、引风装置和冷却装置，机柜本体内设有冷却区、散热区、热通道和冷通道，冷却装置设在冷却区内，服务器设在散热区内。冷却区、散热区、热通道和冷通道四者形成空气循环通道，引风装置设在空气循环通道内。本发明基于非均匀环境营造理念，采用分散式供冷末端，采用机柜内部封闭式空气循环方式，将现有均匀环境冷却方式转变为定量化和精确化的按需供冷方式，避免了机房内温、湿度变化对机柜冷却效果的影响，提高了冷量供应效率和冷却效果，并与控制装置相配合，实现了按需供冷的自动调节。

Description

一种基于按需供冷理念的数据中心机柜及控制系统

技术领域

本发明属于机柜散热技术领域，具体涉及一种基于按需供冷理念的数据中心机柜及控制系统。

背景技术

随着电子信息技术的快速发展，数据中心发展趋势越来越体现在：规模越来越大，设备数量及集成度不断增加，机柜的体积越来越小，使得机柜发热量越来越大，近10年内机房单位面积发热量增加10倍，这部分热量高度集中且分布不均匀、可变。针对上述情况，目前我国数据中心运用得比较普遍的依然是上送风或地板下送风等先冷空气再冷设备的大空间送风方式，然而因为这种供冷方式是将机房当作一个均匀需求的供冷对象，忽略了各个部分对冷量需求的不同，所以会造成制冷效率低下，且实际运行中还会存在送风不均匀、冷热气流混合、出现热区和热点等问题，严重影响了设备的冷却效果。

为解决上述问题，现有机房中采用了冷热通道封闭、列间空调及精确送风等方式，这些方法虽然可以有效地减少冷热气流的掺混，提高供冷效率，但是仍无法彻底解决冷热空气混合、冷量分配不均等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明一方面提供一种基于按需供冷理念的数据中心机柜，解决了现有技术中无法按需供冷、制冷效率低、无法彻底解决冷热空气混合以及冷量分配不均、出现热区和热点的问题。

本发明另一方面提供一种包含上述的数据中心机柜的控制系统。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种基于按需供冷理念的数据中心机柜，包括机柜本体、服务器、引风装置和冷却装置；机柜本体内设有冷却区、散热区、热通道和冷通道，冷却装置设在冷却区内，服务器设在散热区内；热通道的进风端与散热区的出风端相连通，热通道的出风端与冷却区的进风端相连通，冷通道的进风端与冷却区的出风端相连通，冷通道的出风端与散热区的进风端相连通；冷却区、散热区、热通道和冷通道四者形成空气循环通道，引风装置设在空气循环通道内。

可选地，散热区内设有多个水平隔板，并将散热区分割成横向的多个子散热区，每个子散热区内分别设置一个服务器；每个子散热区的一端均与热通道相连通，每个子散热区的另一端均与冷通道相连通。

可选地，机柜本体包括本体外壳；顶层的水平隔板与本体外壳的顶部之间形成的容置空间构成冷却区，引风装置和冷却装置均设在冷却区内，且冷却装置位于引风装置的进风口处；顶层的水平隔板与本体外壳的底部构成散热区；顶层的水平隔板靠近冷却装置的一端与本体外壳的一部分侧部之间的间隙构成热通道；顶层的水平隔板靠近引风装置的另一端与本体外壳的一部分侧部之间的间隙构成冷通道。

可选地，每个子散热区内靠近冷通道的一侧还分别设有一风扇。

可选地，每个水平隔板上还分别设有多个窜气孔。

可选地，本体外壳包括柜体和前门；柜体是由上壁、下壁、左壁、右壁和后壁相互密闭连接形成的立方体结构，前门与右壁的轴转动连接；每个水平隔板的两端分别与左壁和右壁固定连接，其另外的两端分别于前门和后壁存在间隙；每个水平隔板靠近冷却装置的一端与前门、左壁和右壁之间形成的间隙构成冷通道；每个水平隔板靠近引风装置的一端与后壁、左壁和右壁之间形成的间隙构成热通道。

可选地，每个水平隔板均采用耐高温绝缘材料。

可选地，引风装置为轴流式风机，冷却装置为干式风冷翅片管式蒸发器。

本发明另一方面提供一种包括上述的数据中心机柜的控制系统，该控制系统还包括执行子单元；执行子单元包括电子膨胀阀、第一风速调节器和多个第二风速调节器；冷却装置为蒸发器，电子膨胀阀设在蒸发器的制冷剂管入口处，用于调节蒸发器内的制冷剂流量；第一风速调节器与引风装置连接，用于调节引风装置的风量；每个第二风速调节器与对应的子散热区内的风扇连接，用于调节对应的风扇的风量。

可选地，该控制系统还包括监控子单元和处理器；监控子单元包括设在每个服务器上的第一温度传感器、设在热通道的出风端的第二温度传感器以及设在冷通道的进风端的第三温度传感器；第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器均与处理器连接；处理器还与电子膨胀阀、第一风速调节器和第二风速调节器同时连接；处理器根据监控子单元检测到的信息控制执行子单元的工作。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明基于非均匀环境营造理念，一方面提出了一种基于按需供冷理念的数据中心机柜，该机柜采用分散式供冷末端，使冷量分配更加均匀，避免了出现热区和热点的现象。将冷却装置与引风装置置于机柜本体的内部，采用机柜内部封闭式空气循环方式，经过冷却装置被冷却的空气直接用于冷却服务器，冷却后变成的热空气再被冷却装置冷却，从而实现机柜内部空气循环。该方式实现了对每个机柜进行按需供冷，保证了系统的节能型和可靠性。同时避免了冷却空气与机柜外部空气的接触，在机柜本体内左右两侧设置冷通道和热通道，避免了机房内存在的冷热气流混合的问题，提高了机柜内部送风均匀性，还避免了机房内温、湿度等因素的变化对机柜冷却效果的影响。该机柜有效地解决了传统机房中普遍存在的冷量浪费严重、输配能耗大、供冷效果差等问题。

本发明另一方面提出了包含上述的数据中心机柜的控制系统，实现了按需供冷的自动调节，操作更加简便。

附图说明

图1为如下实施例中提供的数据中心机柜去掉前门和上壁后的内部结构示意图；

图2为如下实施例中提供的数据中心机柜去掉右壁后的内部结构示意图；

图3为如下实施例中提供的水平隔板的结构示意图；

图4为如下实施例中提供的数据中心机柜内部的气流组织示意图；

图5为如下实施例中提供的蒸发器的结构示意图；

图6为如下实施例中提供的控制装置的结构示意图。

【附图标记说明】

1：下壁；2：风扇；3：服务器；4：左壁；5：水平隔板；6：引风装置；7：冷却装置；8：后壁；9：右壁；10：机柜本体；11：前门；12：上壁；13：冷通道；14：热通道；15：子散热区；16：冷却区；17：窜气孔；18：执行子单元；19：监控子单元；20：控制装置；21：第二温度传感器；22：第一温度传感器；23：第三温度传感器；24：电子膨胀阀；25：处理器；26：第一风速调节器；27：第二风速调节器。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1和图2，本实施例一方面提供一种基于按需供冷理念的数据中心机柜，包括机柜本体10、服务器3、引风装置6和冷却装置7。

其中，机柜本体10内设有冷却区16、散热区、热通道14和冷通道13，冷却装置7设在冷却区16内，服务器3设在散热区内。热通道14的进风端与散热区的出风端相连通，热通道14的出风端与冷却装置7的进风端相连通。冷通道13的进风端与冷却区16的出风端相连通，冷通道13的出风端与散热区的进风端相连通。冷却区16、散热区、热通道14和冷通道13四者形成空气循环通道，引风装置6设在空气循环通道内。

由此，在引风装置6的作用下，机柜本体10内的空气流经冷却装置7被冷却降温后由冷却区16的出风端流出，再经冷通道13后流入散热区内的服务器3，进而对服务器3进行散热降温。与现有技术中的机柜散热方式相比，现有的机房控温系统，采用集中供冷方式，通常将机房当作一个均匀需求的空间供冷对象，忽略了机房内机柜间冷却需求的不同。而本实施例基于非均匀环境营造理念，提出了一种基于按需供冷理念的数据中心机柜，该机柜采用分散式供冷末端，使冷量分配更加均匀，避免了出现热区和热点的现象。将冷却装置7与引风装置6置于机柜本体10的内部，采用机柜内部封闭式空气循环方式，经过冷却装置7被冷却的空气直接用于冷却服务器3，冷却后变成的热空气再被冷却装置7冷却，从而实现机柜内部空气循环。

该方式实现了对每个机柜进行按需供冷，保证了系统的节能型和可靠性。同时避免了冷却空气与机柜外部空气的接触，在机柜本体10内左右两侧设置冷通道13和热通道14，避免了机房内存在的冷热气流混合的问题，提高了机柜内部送风均匀性，采用机柜内部封闭式空气循环方式，有效地避免了机房内温、湿度的变化对机柜冷却效果的影响。该机柜有效地解决了传统机房中普遍存在的冷量浪费严重、输配能耗大、供冷效果差等问题。

在本申请的具体实施例中，散热区内设有多个水平隔板5，并将散热区分割成横向的多个子散热区15，每个子散热区15内分别设置一个服务器3。每个子散热区15的一端均与热通道14相连通，每个子散热区15的另一端均与冷通道13相连通。这样就能根据需要放置多个服务器3，以满足使用需求。

在具体实现过程中，上述的机柜本体10包括本体外壳，顶层的水平隔板5与本体外壳的顶部之间形成的容置空间构成上述的冷却区16，引风装置6和冷却装置7均设在冷却区16内，且冷却装置7位于引风装置6的进风口处。顶层的水平隔板5与本体外壳的底部构成散热区，顶层的水平隔板5靠近冷却装置7的一端与本体外壳的一部分侧部之间的间隙构成热通道14，顶层的水平隔板5靠近引风装置6的另一端与本体外壳的一部分侧部之间的间隙构成冷通道13。

进一步地，为了方便调节每个子散热区15的风量，每个子散热区15内靠近冷通道13的一侧还分别设有一风扇2。

上述的引风装置6一般采用风机，进一步优选为轴流式风机，具有外形尺寸小、紧凑、重量轻以及流量大等优点。在使用时风机设在顶层的水平隔板5上，将热空气从热通道14中抽上来，并使之穿过冷却装置7被冷却后，将其吹入冷通道13中。

上述的冷却装置7一般采用蒸发器，进一步优选为干式风冷翅片管式蒸发器。在使用时，干式风冷翅片管式蒸发器设在顶层的水平隔板5上，并让面积最大的那一面与热通道14相平行。干式风冷翅片管式蒸发器的翅片与本体外壳所形成的间隙全部进行了密封处理，使得空气只能从翅片表面掠过，提高冷却效率。蒸发器内部采用不会与机柜和服务器3材料发生反应的制冷剂，即使发生泄漏也不会对机柜造成大的影响。

为确保机柜在运行过程中的安全性，上述的每个水平隔板5均采用耐高温绝缘材料。此外，参照图3，在每个水平隔板5上还分别设有多个窜气孔17，以利于每层子散热区15之间气流的相互流通。

进一步地，本体外壳包括柜体和前门11，且柜体和前门11在关闭状态下为密闭连接。

在实际应用中，上述的柜体是由上壁12、下壁1、左壁4、右壁9和后壁8相互密闭连接形成的立方体结构，前门11与右壁9的轴转动连接，以使前门11可以沿轴自由开关。每个水平隔板5的两端分别与左壁4和右壁9固定连接，其另外的两端分别于前门11和后壁8存在间隙。每个水平隔板5靠近冷却装置7的一端与前门11、左壁4和右壁9之间形成的间隙构成冷通道13。每个水平隔板5靠近引风装置6的一端与后壁8、左壁4和右壁9之间形成的间隙构成热通道14。

为了起到很好的密封作用，在前门11的内侧还附有一层橡胶材料，使得前门11关上时，橡胶会与上壁12、下壁1、左壁4以及右壁9紧密贴合。

需要说明的是，这里所说的前、后、左、右是指图1中示出的前后左右方位。当然，上述的机柜整体也可以设计成立方体结构之外的其他形状，每个水平隔板5在本体外壳内的连接方式也可以根据需要进行调整，同时引风装置6、冷却装置7、热通道14和冷通道13的位置也可以根据实际需要进行调整，只要在机柜本体能够形成空气循环通道，构成封闭式空气循环方式，以实现上述散热目的、避免冷热气流混合，提高制冷效率等的布置均可，本实施例仅为举例说明，对此并不进行限定。

参照图4，机柜本体10的内部具体的气体流向和工作过程如下：

机柜本体10内的空气在引风装置6的作用下，在流经冷却装置7被冷却降温后，经冷通道13后流入每两层水平隔板5之间的子散热区15，掠过放置在水平隔板5上的服务器3，与服务器3进行热交换变成热空气后流入热通道14，然后在引风装置6的作用下再被抽回至冷却装置7进行冷却，形成机柜内部空气循环。

参照图5和图6，本实施例另一方面还提供一种包括上述的数据中心机柜的控制系统，该控制系统还包括控制装置20，该控制装置20包括执行子单元18，执行子单元18包括电子膨胀阀24、第一风速调节器26和多个第二风速调节器27。电子膨胀阀24设在蒸发器的制冷剂管入口处，用于调节蒸发器内的制冷剂流量。第一风速调节器26与引风装置6连接，用于调节引风装置6的风量。每个第二风速调节器27与对应的子散热区15内的风扇2连接，用于调节对应的风扇2的风量。

进一步地，上述的控制装置20还包括监控子单元19和处理器25，监控子单元19包括设在每个服务器3上的第一温度传感器22、设在热通道14的出风端的第二温度传感器21以及设在冷通道13的进风端的第三温度传感器23。第一温度传感器22、第二温度传感器21和第三温度传感器23均与处理器25连接。处理器25还与电子膨胀阀24、第一风速调节器26和第二风速调节器27同时连接。处理器25根据监控子单元19检测到的信息控制执行子单元18的工作。

其中，第一温度传感器22主要用于检测对应的服务器3的温度，第二温度传感器21主要用于检测从热通道14出来的热空气的温度，第三温度传感器23主要用于检测被冷却装置7冷却后的冷空气的温度，然后将检测到的各个温度值发送到处理器25。处理器25对第一温度传感器22、第二温度传感器21和第三温度传感器23送来的温度值进行判断处理，并将处理结果发送给执行子单元18。执行子单元18接收到处理器25发送来的指令后，分别通过电子膨胀阀24、第一风速调节器26以及第二风速调节器27来调节冷却装置7的制冷剂流量、引风装置6的风量以及对应的风扇2的风量。

整个控制系统利用控制装置20对机柜内部的冷却效果实时监测，对机柜内循环风量和冷却装置7的制冷剂流量进行自动调节，进而实现了机柜的按需供冷，保证了整个系统的节能性和可靠性。当然，在实际应用中，控制装置20中的处理器25可以只服务于一个机柜，也可以根据需要同时服务于多个机柜，根据实际需要进行设定，本申请对此并不进行限定。

具体地，整个控制系统的控制方法如下：

1、当第二传感器检测到热通道14的空气温度超过限定值T₁时，应先通过调节第一风速调节器26来增大风量，若当风量达到最大值后，第二传感器的检测值依然高于限定值T₁，说明整个机柜内部的供冷量不足，需增大电子膨胀阀24的开度，提高冷却装置7的制冷剂流量。

反之，当第二传感器检测到热通道14的空气温度低于限定值T₂时，说明整个机柜内部的供冷量过剩，需减小电子膨胀阀24的开度，降低冷却装置7的制冷剂流量。

2、当第二传感器检测到的温度在控制范围内，但是第二传感器和第三传感器检测到的温度值之差低于限定值△T₁时，说明冷量充足，但是引风装置6的风量过大，此时应该通过调节第一风速调节器26来减小引风装置6的风量，以减少不必要的风机能耗。

当第二传感器检测到的温度在控制范围内，但是第二传感器和第三传感器检测到的温度值之差高于限定值△T₂时，说明冷量充足，但是引风装置6的风量过小，此时应该通过调节第一风速调节器26来增加引风装置6的风量，使第二传感器和第三传感器检测到的温度值之差保持在△T₁到△T₂之间，以确保冷却装置7的换热效果和机柜内部气流组织的均匀性。

3、当第二传感器和第三传感器所检测的温度值和风量值都合理，而某一层子散热区15内的第一传感器检测到的温度值偏高，则应通过调节对应的第二风速调节器27来增大那一层子散热区15内的风扇2的风量，使该层子散热区15内的第一传感器检测的温度值保持在合理区间。

综上，本实施例中的机柜基于非均匀环境营造理念，采用分散式供冷末端，将现有均匀环境冷却方式转变为定量化和精确化的按需供冷方式，使冷量分配更加均匀，避免了出现热区和热点的现象，提高了冷量供应效率和冷却效果，并与控制系统中的控制装置20相配合，从而可以根据每个机柜的具体复合状态进行独立、灵活调节，确保系统的节能性。采用机柜内部封闭式空气循环方式，将冷却装置7与引风装置6都置于机柜本体10的内部，使得制冷量全部在机柜内部用于冷却服务器3，减少了冷量损失，避免了机房内温、湿度等因素的变化对机柜冷却效果的影响，并在机柜内部设有冷通道13和热通道14，有效地避免了机房内存在的冷热气流掺混的问题、提高了制冷效率。在冷量输配方面，采用制冷剂作为载体，相比以空气和水，载冷密度大大提高，有效降低了输配过程的能耗及冷量损失，规避了泄露对设备安全性的影响。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于按需供冷理念的数据中心机柜，其特征在于，包括机柜本体(10)、服务器(3)、引风装置(6)和冷却装置(7)；

所述机柜本体内设有冷却区(16)、散热区、热通道(14)和冷通道(13)，所述冷却装置(7)设在所述冷却区(16)内，所述服务器(3)设在所述散热区内；

所述热通道(14)的进风端与散热区的出风端相连通，所述热通道(14)的出风端与所述冷却区(16)的进风端相连通，所述冷通道(13)的进风端与所述冷却区(16)的出风端相连通，所述冷通道(13)的出风端与所述散热区的进风端相连通；

所述冷却区(16)、散热区、热通道(14)和冷通道(13)四者形成空气循环通道，所述引风装置(6)设在所述空气循环通道内；

所述散热区内设有多个水平隔板(5)，并将所述散热区分割成横向的多个子散热区(15)，每个所述子散热区(15)内分别设置一个所述服务器(3)；

每个所述子散热区(15)的一端均与所述热通道(14)相连通，每个所述子散热区(15)的另一端均与所述冷通道(13)相连通；

所述机柜本体(10)包括本体外壳；

顶层的所述水平隔板(5)与所述本体外壳的顶部之间形成的容置空间构成所述冷却区(16)，所述引风装置(6)和所述冷却装置(7)均设在所述冷却区(16)内，且所述冷却装置(7)位于所述引风装置(6)的进风口处；

顶层的所述水平隔板(5)与所述本体外壳的底部构成所述散热区；

顶层的所述水平隔板(5)靠近所述冷却装置(7)的一端与所述本体外壳的一部分侧部之间的间隙构成所述热通道(14)；

顶层的所述水平隔板(5)靠近所述引风装置(6)的另一端与所述本体外壳的一部分侧部之间的间隙构成所述冷通道(13)。

2.如权利要求1所述的基于按需供冷理念的数据中心机柜，其特征在于，

每个所述子散热区(15)内靠近所述冷通道(13)的一侧还分别设有一风扇(2)。

3.如权利要求2所述的基于按需供冷理念的数据中心机柜，其特征在于，

每个所述水平隔板(5)上还分别设有多个窜气孔(17)。

4.如权利要求2所述的基于按需供冷理念的数据中心机柜，其特征在于，所述本体外壳包括柜体和前门(11)；

所述柜体是由上壁(12)、下壁(1)、左壁(4)、右壁(9)和后壁(8)相互密闭连接形成的立方体结构，所述前门(11)与所述右壁(9)的轴转动连接；

每个所述水平隔板(5)的两端分别与所述左壁(4)和右壁(9)固定连接，其另外的两端分别于所述前门(11)和后壁(8)存在间隙；

每个所述水平隔板(5)靠近所述冷却装置(7)的一端与所述前门(11)、左壁(4)和右壁(9)之间形成的间隙构成所述冷通道(13)；

每个所述水平隔板(5)靠近所述引风装置(6)的一端与所述后壁(8)、左壁(4)和右壁(9)之间形成的间隙构成所述热通道(14)。

5.如权利要求2所述的基于按需供冷理念的数据中心机柜，其特征在于，

每个所述水平隔板(5)均采用耐高温绝缘材料。

6.如权利要求2-5任一项所述的基于按需供冷理念的数据中心机柜，其特征在于，

所述引风装置(6)为轴流式风机，所述冷却装置(7)为干式风冷翅片管式蒸发器。

7.一种包括上述权利要求2至5任一项所述的数据中心机柜的控制系统，其特征在于，还包括执行子单元(18)；

所述执行子单元(18)包括电子膨胀阀(24)、第一风速调节器(26)和多个第二风速调节器(27)；

所述冷却装置(7)为蒸发器，所述电子膨胀阀(24)设在所述蒸发器的制冷剂管入口处，用于调节所述蒸发器内的制冷剂流量；

所述第一风速调节器(26)与所述引风装置(6)连接，用于调节所述引风装置(6)的风量；

每个所述第二风速调节器(27)与对应的所述子散热区(15)内的风扇(2)连接，用于调节对应的所述风扇(2)的风量。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，还包括监控子单元(19)和处理器(25)；

所述监控子单元(19)包括设在每个所述服务器(3)上的第一温度传感器(22)、设在所述热通道(14)的出风端的第二温度传感器(21)以及设在所述冷通道(13)的进风端的第三温度传感器(23)；

所述第一温度传感器(22)、所述第二温度传感器(21)和所述第三温度传感器(23)均与所述处理器(25)连接；

所述处理器(25)还与所述电子膨胀阀(24)、第一风速调节器(26)和第二风速调节器(27)同时连接；

所述处理器(25)根据所述监控子单元(19)检测到的信息控制所述执行子单元(18)的工作。