CN110099546B - 一种数据中心服务器机柜局部热点消除系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心服务器机柜局部热点消除系统及方法，系统包括服务器机柜、散热风扇组、风扇支架、导轨、步进电机、牵引绳、定滑轮、控制器、温度传感器。步进电机与散热风扇组通过牵引绳连接，可带动散热风扇组沿着导轨上下移动。控制器通过温度传感器探测机柜局部热点，从而驱动步进电机旋转一定圈数，使散热风扇组到达过热服务器进风口位置，增加该处送风量，强化散热，消除局部热点。本发明能自动对过热服务器进行精确送风，降低温度，保证服务器稳定运行，并延长其使用寿命，同时避免降低空调温度，减少了数据中心能耗。

Description

一种数据中心服务器机柜局部热点消除系统及方法

技术领域

本发明涉及一种数据中心服务器机柜局部热点消除系统及方法，属于数据中心机柜散热领域。

背景技术

近年来，随着数据处理业务需求的爆炸式增长和计算机网络技术的飞跃进步，数据中心的规模和容量不断扩大。目前，我国的数据中心建设已经进入高速发展时期。数据中心的热密度每年呈上升趋势，且这种趋势还在继续，例如大量采用的新型机架式服务器和刀片式服务器的热密度已达20~30kW/机架。不断攀升的热密度导致数据中心内更容易出现机柜过热现象，从而造成服务器热保护停机。服务器故障不仅会造成经济损失，而且会减少其使用寿命，甚至造成不可逆的数据丢失。因此，数据中心服务器机柜局部热点的消除已成为一个亟待解决的问题。

数据中心服务器机柜出现局部热点主要有以下几个原因：

1、空调送风量不足导致部分机柜供冷不能满足要求。

2、机柜底部存在缝隙，造成热风回流到机柜入口。

3、相邻机柜间存在缝隙，导致冷热气流混合，冷量浪费。

4、机柜自身密闭性不佳，如空闲机柜位置未使用盲板封闭，使得冷气流未经过服务器就流出。这些现象在数据中心内普遍存在，威胁着IT设备的稳定运行。

目前，处理机柜局部热点的方法主要为降低机房空调的送风温度，加大送风量。但此方法会增大空调运行功耗，尤其是降低机房空调送风温度，据统计，送风温度每降低一度，制冷机组的冷量将降低3-4%，冷量的减少不得不增开机组，造成电能的浪费，因此，有必要开发一种能探测机柜局部热点并自动消除的装置。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种数据中心服务器机柜局部热点消除系统，该系统能探测机柜内是否出现过热的服务器，若存在则定位该服务器位置，通过移动散热风扇组增加对过热服务器的送风量，强化其散热效果，从而在不降低空调送风温度的前提下，消除局部热点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数据中心服务器机柜局部热点消除系统，包括服务器机柜、散热风扇组、风扇支架、导轮、导轨、控制器、报警器和温度传感器；

其中，所述服务器机柜正面位于服务器的两侧竖向对称固定所述导轨，风扇支架的四角安装有导轮，嵌于两侧的导轨中，风扇支架上安装散热风扇组；

风扇支架移动机构，用于带动所述风扇支架在所述导轨中上、下移动，包括步进电机、定滑轮以及牵引绳，所述步进电机和定滑轮均固定在服务器机柜的顶部，步进电机的传动轴上固定有牵引轮盘，所述牵引绳绕在牵引轮盘上，并穿过定滑轮，与风扇支架的顶部连接，并且，风扇支架与定滑轮之间部分的牵引绳保持竖直；

所述机柜背面位于每层服务器的出风口处均设有一个温度传感器，相邻两个温度传感器之间的距离相等，所有温度传感器均与控制器连接，温度传感器将服务器出口温度转化为电信号传递给控制器的信号输入端；

控制器的信号输出端与所述步进电机、报警器以及数据中心监控室连接。

所述报警器包括报警指示灯和蜂鸣器。

控制器实时获取温度传感器的N个温度信号，并将N个温度信号与控制器内部设置的上限温度和下限温度进行对比，若N个温度传感器的温度信号均低于上限温度，则认为机柜内不存在局部热点，此时，控制器控制步进电机得电但不转动，步进电机利用自身的保持力矩将散热风扇组吊在导轨最高点，此时风扇支架的下沿与最上层服务器的上沿齐平，散热风扇组不转动，报警器不工作；

工况一：仅有一台服务器出口温度超过上限温度，即过热服务器Ⅰ温度过高，此时，控制器使散热风扇组得电，风扇组开始转动，同时控制器控制步进电机顺时针转动圈数k₁，使散热风扇组下降一定距离，到达过热服务器Ⅰ位置，通过加大服务器进风口的空气流量，强化过热服务器Ⅰ内部元件与空气的换热效果，达到降低温度消除局部热点的效果，所述步进电机转动圈数k₁应满足下式：

k₁=mh/(2πr)

其中，m为与过热服务器Ⅰ相对应的温度传感器序号，h为相邻服务器之间的距离，r为牵引圆盘的半径；

在散热风扇组到达过热服务器位置后，控制器启动计时，若2分钟后过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度开始降低，则使散热风扇组继续工作，直到过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度低于下限温度，此时控制器控制步进电机逆时针转动圈数k₁，将散热风扇组拉回初始位置，并使其断电，整个系统恢复初始状态，并向数据中心监控室发送信号A1，通知工作人员机柜局部热点已被消除；

若2分钟后过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度继续升高，说明可能出现了服务器内部风道堵塞等情况，控制器启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点；

若过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度始终高于下限温度且低于上限温度，说明散热风扇组可以控制局部热点，但不能彻底消除，散热风扇组保持在当前位置不动，控制器启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A3，通知工作人员对应位置机柜出现了局部热点，但服务器温度被控制在安全区间内；

工况二：散热风扇组排除热点的过程中，出现第二台服务器出口温度超过上限温度，即过热服务器Ⅱ温度过高，对于工况二，散热风扇组将在两台过热服务器之间往复运动消除局部热点，下面详述：

散热风扇组在步进电机的带动下首先到达过热服务器Ⅰ处，执行消除热点的工作流程，此时控制器检测到服务器Ⅱ过热，立刻启动计时2分钟，2分钟后，控制器控制步进电机转动一定圈数k₂，离开过热服务器Ⅰ，使散热风扇组到达过热服务器Ⅱ处，对其进行强化散热，该过程同样维持2分钟，此后控制器控制步进电机反向转动一定圈数k₂，离开过热服务器Ⅱ，回到过热服务器Ⅰ，完成一次往复，之后重复上述循环，直到两台过热服务器对应的温度传感器均低于下限温度，步进电机将散热风扇组拉回初始位置，并使其断电，整个系统恢复初始状态，并向数据中心监控室发送信号A1，通知工作人员机柜局部热点已被消除；

若上述过程中，任意一台过热服务器的温度持续上升，则控制器启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点；

若任意一台过热服务器的温度保持在上限温度与下限温度之间，则保持散热风扇组的往复运动，并向数据中心监控室发送信号A3，通知工作人员对应位置机柜出现了局部热点，但服务器温度被控制在安全区间内，所述步进电机转动圈数k₂应满足下式：

k₂=(m-n)h/(2πr)

其中，n为与过热服务器Ⅱ相对应的温度传感器序号，当m>n时，表示步进电机逆时针旋转，散热风扇组向上移动，当m<n时，表示步进电机顺时针旋转，散热风扇组向下移动；

工况三：散热风扇组排除热点的过程中，出现了三台及以上服务器出口温度超过上限温度，出现该情况，说明数据中心内整体温度有所上升，则控制器直接启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

当机柜内某台服务器出现过热时，控制器检测到对应温度传感器温度超过上限温度，并记录其位置，从而驱动步进电机旋转一定圈数，使散热风扇组到达过热服务器进风口位置，增加该处送风量，强化散热，从而消除局部热点。

之后，步进电机反向旋转，带动散热风扇组回到初始位置，完成自动化的热点探测与消除工作。若经过散热风扇组的强化散热，仍然不能消除局部热点，则控制器启动报警器，并向数据中心监控室发送报警信号，通知工作人员手动排除热点。

本发明在机柜内无热点时几乎不耗电，节约能源。在机柜出现局部热点时，本发明能在不降低空调送风温度的前提下，自动对过热服务器进行局部强化送风量，降低局部温度，保证服务器稳定运行，并延长其使用寿命，减少了数据中心整体能耗。

附图说明

图1为本发明的正面结构示意图；

图2为本发明的背面结构示意图；

图3为本发明的控制流程图。

具体实施方式

如图1与图2所示，本发明数据中心服务器机柜局部热点消除系统，包括服务器机柜1、散热风扇组2、风扇支架3、导轮4、导轨5、步进电机6、牵引圆盘7、牵引绳8、定滑轮9、控制器10、报警指示灯11、蜂鸣器12、温度传感器13-i（i=1，2，…，N）。

所述服务器机柜1可能存在多种规格，本例的服务器机柜1内部满载时，可以放置N台服务器。导轨5固定在机柜正面两侧，风扇支架3的四角安装有导轮4，嵌于两侧的导轨5中，使其可以在垂直方向滑动，而散热风扇组2则安装在风扇支架3上。

步进电机6、定滑轮9均固定在机柜1的顶部，步进电机6的传动轴上固定有牵引轮盘7，牵引绳8绕在牵引轮盘7上，并穿过定滑轮9，与风扇支架3的顶部连接，而且需要保证风扇支架3与定滑轮9之间的部分牵引绳8是竖直的。

在初始状态，风扇支架3的下沿与最上层服务器的上沿齐平。通过该结构设计，步进电机6传动轴的旋转运动转化为散热风扇组2的竖直运动，并且可以精确控制散热风扇组2的位置。

所述温度传感器13-i共N个，由上到下依次为13-1到13-N，对应N台服务器，固定在机柜背面服务器出风口处，相邻两个温度传感器之间的距离相等。N个温度传感器均与控制器10连接，将服务器出口温度转化为电信号传递给控制器10。

控制器10的信号输出端连接步进电机6，控制步进电机6旋转的方向与圈数。

控制器10信号输出端连接散热风扇组2，控制散热风扇组2的启停。

控制器10控制报警指示灯11与蜂鸣器12发出报警信号通知数据中心巡检人员，同时可以将报警型号传递给数据中心监控室，方便定位出现热点的机柜位置。

本发明数据中心服务器机柜局部热点消除系统的工作流程如下：

本系统启动后，控制器10实时获取温度传感器13-i的N个温度信号，并可以将温度信号与内部设置的上限温度（默认为45℃）和下限温度（默认为35℃）进行对比，若温度传感器13-i的温度信号均低于上限温度，则认为机柜内不存在局部热点。此时，控制器10控制步进电机6得电但不转动，步进电机6利用自身的保持力矩将散热风扇组2吊在最高点，此时风扇支架3的下沿与最上层服务器的上沿齐平，散热风扇组2也不转动，报警指示灯11与蜂鸣器12均不工作。

工况一：仅有一台服务器出口温度超过上限温度。系统工作时，控制器10将N个温度信号与上限温度比较，找到大于上限温度的温度传感器，假设其编号为13-m。此时，控制器10使散热风扇组2得电，风扇组开始转动，同时控制步进电机6顺时针转动一定圈数k₁，使散热风扇组2下降一定距离，到达过热服务器位置，通过加大服务器进风口的空气流量，强化服务器内部元件与空气的换热效果，达到降低温度消除局部热点的效果。

进一步，所述步进电机6转动圈数k₁应满足下式：

k₁=mh/(2πr)

其中，m为与过热服务器Ⅰ相对应的温度传感器序号，h为相邻服务器之间的距离；r为牵引圆盘7的半径。

在散热风扇组2到达过热服务器位置后，控制器10启动计时，若2分钟后温度传感器13-m的温度开始降低，则使散热风扇组2继续工作，直到温度传感器13-m的温度低于下限温度，此时控制器10控制步进电机6逆时针转动圈数k₁，将散热风扇组2拉回初始位置，并使其断电，整个系统恢复初始状态，并向数据中心监控室发送信号A1，通知工作人员机柜局部热点已被消除。若2分钟后温度传感器13-m的温度继续升高，说明可能出现了服务器内部风道堵塞等情况，控制器10启动报警指示灯11与蜂鸣器12，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点。若温度传感器13-m的温度始终高于下限温度且低于上限温度，说明散热风扇组2可以控制局部热点，但不能彻底消除，散热风扇组2保持在当前位置不动，控制器10启动报警指示灯11与蜂鸣器12，并向数据中心监控室发送信号A3，通知工作人员对应位置机柜出现了局部热点，但服务器温度被控制在安全区间内。

工况二：散热风扇组2排除热点的过程中，出现第二台服务器出口温度超过上限温度。为了方便叙述，过热服务器Ⅰ对应了温度传感器13-m，过热服务器Ⅱ对应了温度传感器13-n。对于工况二，散热风扇组2将在两台过热服务器之间往复运动消除局部热点，下面详述。

散热风扇组2首先受到控制到达过热服务器Ⅰ处，执行消除热点的工作流程。此时控制器10检测到服务器Ⅱ过热，立刻启动计时2分钟。2分钟后，控制器10控制步进电机6转动一定圈数k₂，离开过热服务器Ⅰ，使散热风扇组2到达过热服务器Ⅱ处，对其进行强化散热，该过程同样维持2分钟，此后控制器10控制步进电机6反向转动一定圈数k₂，离开过热服务器Ⅱ，回到过热服务器Ⅰ，完成一次往复。之后重复上述循环，直到两台过热服务器对应的温度传感器均低于下限温度，步进电机6将散热风扇组2拉回初始位置，并使其断电，整个系统恢复初始状态，并向数据中心监控室发送信号A1，通知工作人员机柜局部热点已被消除。若上述过程中，任意一台过热服务器的温度持续上升，则控制器10启动报警指示灯11与蜂鸣器12，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点。若任意一台过热服务器的温度保持在上限温度与下限温度之间，则保持散热风扇组2的往复运动，并向数据中心监控室发送信号A3，通知工作人员对应位置机柜出现了局部热点，但服务器温度被控制在安全区间内。

进一步，所述步进电机6转动圈数k₂应满足下式：

k₂=(m-n)h/(2πr)

其中，n为与过热服务器Ⅱ相对应的温度传感器序号，当m>n时，表示步进电机6逆时针旋转，散热风扇组2向上移动，当m<n时，表示步进电机6顺时针旋转，散热风扇组2向下移动。

工况三：散热风扇组2排除热点的过程中，出现了三台及以上服务器出口温度超过上限温度。出现该情况，大概率说明数据中心内整体温度有所上升，则控制器10直接启动报警指示灯11与蜂鸣器12，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点。

本发明利用简单的传感器及机械装置实现了机柜局部热点的探测、消除及报警的一体化过程。控制装置的控制逻辑简单，易于实现，机械装置的可动部件少，可靠性高，易于维护。本发明在服务器正常工作状态时几乎不耗电，节约能源。在机柜出现局部热点时能快速准确地对过热服务器进行精确送风，防止其过热停机，降低过热对服务器造成的损害，在数据中心等场合具有较大应用前景。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种数据中心服务器机柜局部热点消除方法，基于一种数据中心服务器机柜局部热点消除系统，系统包括服务器机柜、散热风扇组、风扇支架、导轮、导轨、控制器、报警器和温度传感器；

其中，所述服务器机柜正面位于服务器的两侧竖向对称固定所述导轨，风扇支架的四角安装有导轮，嵌于两侧的导轨中，风扇支架上安装散热风扇组；

风扇支架移动机构，用于带动所述风扇支架在所述导轨中上、下移动，包括步进电机、定滑轮以及牵引绳，所述步进电机和定滑轮均固定在服务器机柜的顶部，步进电机的传动轴上固定有牵引轮盘，所述牵引绳绕在牵引轮盘上，并穿过定滑轮，与风扇支架的顶部连接，并且，风扇支架与定滑轮之间部分的牵引绳保持竖直；

所述服务器机柜背面位于每层服务器的出风口处均设有一个温度传感器，相邻两个温度传感器之间的距离相等，所有温度传感器均与控制器连接，温度传感器将服务器出口温度转化为电信号传递给控制器的信号输入端；

控制器的信号输出端与所述步进电机、报警器以及数据中心监控室连接；

其特征在于，

控制器实时获取温度传感器的N个温度信号，并将N个温度信号与控制器内部设置的上限温度和下限温度进行对比，若N个温度传感器的温度信号均低于上限温度，则认为机柜内不存在局部热点，此时，控制器控制步进电机得电但不转动，步进电机利用自身的保持力矩将散热风扇组吊在导轨最高点，散热风扇组不转动，报警器不工作；

工况一：仅有一台服务器出口温度超过上限温度，如过热服务器Ⅰ温度升高，此时，控制器使散热风扇组得电，风扇组开始转动，同时控制器控制步进电机顺时针转动圈数k₁，使散热风扇组下降一定距离，到达过热服务器Ⅰ位置，通过加大服务器进风口的空气流量，强化过热服务器Ⅰ内部元件与空气的换热效果，达到降低温度消除局部热点的效果，所述步进电机转动圈数k₁应满足下式：

k₁=mh/(2πr)

其中，m为与过热服务器Ⅰ相对应的温度传感器序号，h为相邻服务器之间的距离，r为牵引圆盘的半径；

在散热风扇组到达过热服务器位置后，控制器启动计时，若2分钟后过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度开始降低，则使散热风扇组继续工作，直到过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度低于下限温度，此时控制器控制步进电机逆时针转动圈数k₁，将散热风扇组拉回初始位置，并使其断电，整个系统恢复初始状态，并向数据中心监控室发送信号A1，通知工作人员机柜局部热点已被消除；

若2分钟后过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度继续升高，说明可能出现了服务器内部风道堵塞情况，控制器启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场查明原因排除热点；

若过热服务器Ⅰ处的温度传感器的温度始终高于下限温度且低于上限温度，说明散热风扇组可以控制局部热点，但不能彻底消除，散热风扇组保持在当前位置不动，控制器启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A3，通知工作人员对应位置机柜出现了局部热点，但服务器温度被控制在安全区间内；

工况二：散热风扇组排除热点的过程中，出现第二台服务器出口温度超过上限温度，如过热服务器Ⅱ，对于工况二，散热风扇组将在两台过热服务器之间往复运动消除局部热点，下面详述：

散热风扇组在步进电机的带动下首先到达过热服务器Ⅰ处，执行消除热点的工作流程，此时控制器检测到服务器Ⅱ过热，立刻启动计时2分钟，2分钟后，控制器控制步进电机转动一定圈数k₂，离开过热服务器Ⅰ，使散热风扇组到达过热服务器Ⅱ处，对其进行强化散热，同样维持2分钟，此后控制器控制步进电机反向转动一定圈数k₂，离开过热服务器Ⅱ，回到过热服务器Ⅰ，完成一次往复，之后重复上述散热风扇组排除热点的循环过程，直到两台过热服务器对应的温度传感器均低于下限温度，步进电机将散热风扇组拉回初始位置，并使其断电，整个系统恢复初始状态，并向数据中心监控室发送信号A1，通知工作人员机柜局部热点已被消除；

若上述散热风扇组排除热点的过程中，任意一台过热服务器的温度持续上升，则控制器启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点；

若任意一台过热服务器的温度保持在上限温度与下限温度之间，则保持散热风扇组的往复运动，并向数据中心监控室发送信号A3，通知工作人员对应位置机柜出现了局部热点，但服务器温度被控制在安全区间内；

所述步进电机转动圈数k₂应满足下式：

k₂=(m-n)h/(2πr)

其中，n为与过热服务器Ⅱ相对应的温度传感器序号，当m>n时，表示步进电机逆时针旋转，散热风扇组向上移动，当m<n时，表示步进电机顺时针旋转，散热风扇组向下移动；

工况三：散热风扇组排除热点的过程中，出现了三台及以上服务器出口温度超过上限温度，说明数据中心内整体温度有所上升，则控制器直接启动报警器，并向数据中心监控室发送信号A2，通知工作人员立刻到现场排除热点。

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