CN109757085B - 渐缩渐扩式强迫风冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渐缩渐扩式强迫风冷系统，包括依次连通的渐缩式进风通道、抽风通道和渐扩式出风通道，所述渐缩式进风通道的通道宽度由冷风入口逐渐减小，所述渐扩式出风通道的通道宽度至热风出口逐渐扩大，抽风通道通过一个或以上的通风口分别与所述渐缩式进风通道、所述渐扩式出风通道相连通。本发明采用“Z”字型气流通道，解决了传统整机是冷风的进风口与出风口较长、存在死角等问题，使气流供给更加合理高效。

Description

渐缩渐扩式强迫风冷系统

技术领域

本发明涉及风冷技术领域，特别涉及一种渐缩渐扩式强迫风冷系统。

背景技术

随着现在需求的增加，服务器中各种原件的集成性与复杂性增加，各电路板产生的热量也急剧增加，因此，散热要求也更加严格。由于强迫风冷系统的传热量比自然对流和辐射的大10倍左右，所以服务器机柜内一般采用的是强迫风冷系统进行散热。然而，现有的安装服务器的机柜一般为下送风、上出风的直线型单一风道结构，存在散热不均匀的现象，且机柜顶部容易存在死角，形成风阻，导致气流组织不合理，减小散热效果。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的散热不均的不足，提供一种渐缩渐扩式强迫风冷系统。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种渐缩渐扩式强迫风冷系统，包括依次连通的渐缩式进风通道、抽风通道和渐扩式出风通道，所述渐缩式进风通道的通道宽度由冷风入口逐渐减小，所述渐扩式出风通道的通道宽度至热风出口逐渐扩大，抽风通道通过一个或以上的通风口分别与所述渐缩式进风通道、所述渐扩式出风通道相连通。

在进一步完善的方案中，上述渐缩渐扩式强迫风冷系统还包括机柜和设置于机柜内的安装架，所述机柜的第一侧板与所述安装架的第一侧壁之间形成所述渐缩式进风通道，并联式抽风通道与渐缩式进风通道之间的通风口设置于安装架的第一侧壁。

在进一步完善的方案中，上述渐缩渐扩式强迫风冷系统，所述机柜的第二侧板与所述安装架的第二侧壁之间形成所述渐扩式出风通道，所述第二侧壁与所述第一侧壁相平行，并联式抽风通道与渐扩式出风通道之间的通风口设置于安装架的第一侧壁。

在进一步优化的方案中，所述抽风通道为多个，且多个抽风通道并行设置，每个抽风通道都分别与所述渐缩式进风通道、所述渐扩式出风通道相连通。

在进一步完善的方案中，所述抽风通道垂直于所述第一侧壁，每个抽风通道设置有至少一个风扇机组，所述风扇机组的出风口即为并联式抽风通道与渐扩式出风通道之间的通风口。

在进一步完善的方案中，渐扩式出风通道的热风出口和/或抽风通道内邻近风扇机组的位置设置有温度探测器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)进风通道采用渐缩式结构，挤压空气，增加进风道中的空气压力，增加空气流速，减小原通道中的摩擦力及流阻，使空气流量分配的更加均匀，节约能量以减少风扇的功率两侧的隔板空间可去除，节约制造成本。

(2)出风通道采用渐扩式结构，在机柜风道底部形成高压环境，减少热空气的堆积，以扩散的形式加速热空气的流动，使出口的空气流场更加均匀流畅，也减少在出风口安装风扇的必要，进而降低成本。

(3)渐缩式进风通道、并联式抽风通道和渐扩式出风通道形成“Z”字型气流通道，解决了传统整机是冷风的进风口与出风口较长、存在死角等问题，使气流供给更加合理高效。

(4)采用横向安装风扇机组，增加风扇的有效散热面积，并且还能起到减少噪音和增强散热效果。

(5)采用温控风扇，使用循环智能调节机制，同时对服务器的顶部、底部以及热风出口安装温度探测器，对温度进行严格的监测与控制，调控温控风扇的风量，减少散热系统的用电功耗，节省能源，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的渐缩渐扩式强迫风冷系统的结构示意图。

图2为风扇机组的示意图。

图中标记说明

1-机柜，2-抽风通道与渐缩式进风通道之间的通风口，3-渐缩式进风通道，4-安装架，5-冷风入口，6-热风出口，7-风扇机组，8-抽风通道与渐扩式出风通道之间的通风口，9-渐扩式出风通道，10-服务器，11-温度探测器，12-温控风扇。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，本实施例中提供了一种渐缩渐扩式强迫风冷系统，包括依次连通的渐缩式进风通道3、并联式抽风通道和渐扩式出风通道9。本实施例中渐缩渐扩式强迫风冷系统可以应用于各种机柜散热的场合。本实施例中将以服务器为例进行说明，即机柜1内的设备为服务器10，服务器10安装于安装架4上。

如图1所示，渐缩式进风通道3的通道宽度由冷风入口5逐渐减小，渐扩式出风通道9的通道宽度至热风出口6逐渐扩大。具体地，机柜1的右侧(仅以图1中所示方位为参考)侧板为机柜1的第一侧板，安装架4的第一侧壁的一端连接(或邻近)第一侧板的一端，安装架4的第一侧壁的另一端远离第一侧板的另一端，以形成渐缩式结构的渐缩式进风通道3，即机柜1的第一侧板与安装架4的第一侧壁之间形成所述渐缩式进风通道3。机柜1的左侧侧板为机柜1的第二侧板，安装架4的第二侧壁的一端连接(或邻近)第二侧壁的一端，安装架4的第二侧壁的另一端远离第二侧壁的另一端，以形成渐扩式结构的机柜1的渐扩式出风通道9，即第二侧板与安装架4的第二侧壁之间形成所述渐扩式出风通道9。且第二侧壁与第一侧壁相对立。图1中安装架4为矩形体结构，所以第二侧壁与第一侧壁平行。

并联式抽风通过包括多个抽风通道，相邻两个服务器10之间形成一个形成一个抽风通道。每个抽风通道通过一个(也可以是一个以上)通风口分别与渐缩式进风通道3、渐扩式出风通道9相连通。具体的，每个抽风通道与渐缩式进风通道之间的通风口2设置于安装架4的第一侧壁，每个抽风通道与渐扩式出风通道之间的通风口8设置于安装架4的第二侧壁。

抽风通道垂直于安装架4的第一侧壁和第二侧壁，每个抽风通道设置有一个(也可以为一个以上)风扇机组7，风扇机组7的出风口即为并联式抽风通道与渐扩式出风通道之间的通风口8。如图2所示，一个风扇机组7包括三个风扇。

本实施例中，风扇为温控风扇12，具有自动启停功能，可以根据当前温度进行功率调节，以此来减少风扇功耗。即是说，如图1所示，渐扩式出风通道9的热风出口6和抽风通道内邻近风扇机组7的位置均设置有温度探测器11，用于探测当前环境温度。本实施例中，渐扩式出风通道9的热风出口6设置有一个温度探测器11，抽风通道内设置有两个温度探测器11，两个温度探测器11分别设置于服务器10的顶部和底部，以获得更加准确的环境温度。

图1中的箭头表示风的流向。上述渐缩渐扩式强迫风冷系统运行时，冷风源从渐缩式进风通道3的冷风入口5源源不断地进入渐缩式进风通道3，再经过第二侧壁上的通风口进入每个抽风通道内，通风口的大小形状相同，渐缩式进风通道3能保证每个抽风风道进入等量的冷风到服务器10里面。冷风与服务器10散发的热量混合形成热风，热风通过风扇从机柜1左侧抽出，而冷风源从渐缩式进风通道3的冷风入口5源源不断地进入，带着服务器10元件产生的热量，还在内部每个服务器10的出风口的位置上下设有温度探测器11，在渐扩式出风通道9的热风出口6也设有温度探测器11，热风出口6处的温度探测器11探测热风出口6的实时温度，以便对散热系统做出相应的命令指示，服务器10出风口上的温度探测器11是测量在系统运行时服务器10出风口的温度情况，服务器10出风口上的温度探测器11分别控制不同部位的温控风扇12的启停。当风冷系统正常工作的同时，温度探测器11测得某个服务器10的温度相应过高，超过了其所能荷载的正常温度，则会启动相应的温控风扇12，增加该部份服务器10表面的气体流速，进而降低服务器10内部电子元件周围的温度。温控风扇12从机柜1服务器10里抽出的热风进入渐扩式出风通道9，渐扩式出风通道9可以让整个风道里的热风都能从上方热风出口6吹出且不形成风阻，保证了出风通道的畅通性。整个渐缩渐扩式强迫风冷系统形成了一个“Z”字型气流通道，使气流供给更加合理高效。

应用举例

针对市面常用机柜42U高，19英寸为标准宽，尺寸为2000mm×600mm×800mm。而市面上机柜中常采用1U、2U、4U等服务器，此处以1U服务器的计算过程如下。

机柜在舱室内工作，一般情况下的环境温度为17℃，则冷风进口的温度为17℃，而热风出口温度一般为35℃，则定性温度为：

那么在26℃时，查找空气的物性参数与温度之间的关系，可近似取空气的物理参数分别如下：

密度为ρ＝1.181kg/3；比热为c_p＝1005J/kg·℃；导热系数为k＝2.64×10^-2W/m·℃；动力粘度系为μ＝1.88×10^-5kg/(m·s)；运动粘度v＝15.97×10^-6 2/s,w＝1.3m/s

根据热平衡方程式，得出一般服务器的通风量计算公式：

式中，f为所需要的风量，Q为服务器所应散掉的损耗功率，Cp为空气比热，ρ为空气密度，ΔT为空气出口温度与进口温度之差。

经计算：ΔT＝35-17＝18℃

型号	功率(W)	所需风量(m3/min)
			1U服务器	539	1.5
2U服务器	1078	3
			4U服务器	2156	6

本机柜中有四个1U服务器，折整个机柜的总风量为v＝4f，即V＝1.5×4＝6(m³/min)。

计算每个服务器的温控风扇所需要的风量(这需要风扇有保证率k,k取1.2)，则风扇所需要的风量为:F＝kf

F＝1.2×1.5＝1.8(m³/min)＝63.53CFM

CFM是流量的单位(立方英尺每分钟)，1CFM≈1.7(m3/h)

机柜内部尺寸为宽580mm，内部深度尺寸为780mm,高为1880mm,服务器位于机柜内部宽度尺寸为480mm，服务器中心与机柜中心重合。可见机柜内有两个截面为780mm×50mm的抽风通道由以下公式可计算出单个抽风通道的当量直径为：

式中，A为槽道截面面积(m²)，U为流体湿边周长(m)

雷诺数：

下面计算风道的阻力。由于Re＝7.657×10³，小于10⁵，所以采用以下公式计算沿程压力损失ΔP：

式中：l为管道长度(m)；w为空气流速(在长度l内空气的平均流速)(m/s)；d_e为当量直径(m)。

把各项参数代入上式得：

由计算以及机柜、服务器的尺寸可得，每个服务器选用120mm×120mm×25mm的温控风扇，数量为3个，则每个服务器安装一排(3个风扇)，整个机柜安装4排(12个风扇)。

在一般情况下，一个风扇机组只有两个风扇进行转动，三个风扇进行两两循环互换转动，以每一段时间进行不断更替。转速根据温度探测器所得数据进行不同区段的智能调控。当温度探测器返回的数据超过了服务器正常允许的范围时，则同时启动三个温控风扇，立即降温，使温度达到允许范围并且稳定下来的时候，第三个风扇就停止转动，恢复两两循环转动机制。这种机制就能有效的解决突发状况，使服务器处于可控的安全状态，同时，使用循环机制能有效增加风扇的使用寿命，提高安全系数和增加服务器的使用年限。

本发明的渐缩渐扩式出风通道能够自调节管道内的压力，增加风道压力，使空气流量更加均匀快速，以减少风扇所需功率。该风冷系统采用渐扩式出风通道与散热风扇的组合通风模式，以减小气流的风阻，加快气流的流通，大大增强强迫风冷系统的散热能力。

本发明采用横向安装温控风扇，增加风扇有效的散热面积，同时温控风扇还能根据温度探测器对机柜内服务器温度的监测，合理智能的调控风量，节约能量，提高散热效率；提高电子设备的工作可靠性，高效散热性，具有可满足环境使用条件的结构特征。

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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种渐缩渐扩式强迫风冷系统，其特征在于，包括依次连通的渐缩式进风通道、抽风通道和渐扩式出风通道，渐缩式进风通道、抽风通道和渐扩式出风通道形成“Z”字型气流通道，所述渐缩式进风通道的通道宽度由冷风入口逐渐减小，以挤压空气使空气流量分配的更加均匀；所述渐扩式出风通道的通道宽度至热风出口逐渐扩大，以扩散的形式加速热空气的流动，使出口的空气流场更加均匀流畅；所述抽风通道为多个，且多个抽风通道并行设置，每个抽风通道都分别与所述渐缩式进风通道、所述渐扩式出风通道相连通；还包括机柜和设置于机柜内的安装架，所述机柜的第二侧板与所述安装架的第二侧壁之间形成所述渐扩式出风通道，并联式抽风通道与渐扩式出风通道之间的通风口设置于安装架的第二侧壁；渐扩式出风通道的热风出口和/或抽风通道内邻近风扇机组的位置设置有温度探测器；

所述抽风通道垂直于所述第一侧壁，每个抽风通道设置有至少一个风扇机组，所述风扇机组的出风口即为并联式抽风通道与渐扩式出风通道之间的通风口；一个风扇机组包括3个温控风扇，且当温度探测器返回的数据超过正常允许的范围时，同时启动三个温控风扇，使温度达到允许范围并且稳定下来的时候，第三个风扇就停止转动，恢复两两循环转动机制。

2.根据权利要求1所述的渐缩渐扩式强迫风冷系统，其特征在于，所述机柜的第一侧板与安装架的第一侧壁之间形成所述渐缩式进风通道，并联式抽风通道与渐缩式进风通道之间的通风口设置于安装架的第一侧壁。