CN110913658B - 一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，包括机柜壳体，机柜壳体内设有工作区箱体和储能箱体，工作区箱体内逐层设有储能子模块，储能箱体内设有平板式脉动热管，储能箱体下部区域设有填充有相变材料的相变材料区，平板式脉动热管上部连接冷凝段翅片，冷凝段翅片一侧的储能箱体上设有进风口，另一侧设有出风口，储能箱体下方外侧设有蒸发段翅片。

Description

一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜
技术领域
本发明涉及通信器材领域，特别是一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜。
背景技术
近年来，随着互联网、大数据、云计算等行业的快速发展，数据中心的数量、规模和功耗急剧增加。而在服务器内部，电子器件逐渐趋于小型化和集成化，其产生的热流密度也快速的增加。尤其是电子封装技术和芯片集成技术的高速发展，使得电子设备的尺寸越来越小，单位时间单位体积内产生的热流越来越高。这使得机架的冷却成为数据中心热管理中最严重的问题之一。
数据中心热管理常出现的问题包括气流组织短路和热空气回流等问题，这些现象可能导致能量的浪费。此外，随着某些机架中特定服务器的发热量增加，供给的冷却空气温度不能降低到合理的水平以防止“热点”的产生。而对于低发热量的区域，房间的整体温度低于实际所需的冷却温度，也会产生能量的浪费。这些问题都会导致数据中心利用率的低下。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，包括机柜壳体，机柜壳体内设有工作区箱体和储能箱体，储能箱体内设有平板式脉动热管，储能箱体下部区域设有填充有相变材料的相变材料区，平板式脉动热管上部连接冷凝段翅片，冷凝段翅片一侧的储能箱体上设有进风口，另一侧设有出风口，储能箱体下方外侧设有蒸发段翅片。
本发明中，所述工作区箱体包括前门板，多孔背板和储能子模块，前门板上设有一组风扇，多孔背板上设有一组通风口，储能子模块包括铜质基座和换热翅片。
本发明中，所述工作区箱体的多孔背板与储能箱体之间设有挡风板，挡风板底部设有换风管和风机，多孔背板吹出的热风经过换风管和风机处流通至蒸发段翅片处。
本发明中，所述相变材料区位于平板式脉动热管底部的外围，蒸发段翅片和相变材料区分别位于储能箱体的底部外侧和底部内侧。
本发明中，所述平板式脉动热管包括铜质基座和毛细管，毛细管设置在铜质基座内。
本发明中，所述平板式脉动热管内的毛细管内注有工质，工质充液率32～42％。
本发明中，所述工质为有机工质或者微纳胶囊相变材料乳液或者纳米流体或者磁流体。
本发明中，所述相变材料区内填充的相变材料为膨胀石墨材料与石蜡复合而成的相变材料或微胶囊相变材料。
本发明中，所述工作区箱体内设有一层以上的用于承载设备的隔板。
有益效果：工作区内热源与储能子模块接触完成一次散热，实现工作区内温度调节。经由热通道排出的热空气冲刷蒸发段翅片后被储能箱体的吸热区带走大部分热量完成二次散热并加热储能箱体内部的相变材料，相变材料具有潜热高且相变时变化体积小的特点，随着温度的不断升高，相变材料融化并将大量的热量存储下来。其中部分热量通过平板式脉动热管传递到冷却区进行冷却，另一部分热量通过充流管道和出流管道的冲放过程实现储存能量的循环利用。一次散热通过相变材料的储能作用完成工作区内部的温度调节，二次散热通过脉动热管与相变材料的共同作用完成机柜内送风温度的调节，采用本发明可以针对性的降低工作区温度，实现机柜内部温度自循环调节，在提高冷却效果的同时节约能耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为整体结构示意图；
图2为工作区箱体与储能箱体组合示意图；
图3为工作区位置示意图；
图4为工作区箱体局部示意图；
图5位储能子模块与热源组合示意图
图6为储能箱体示意图；
图7为平板式脉动热管内部视图；
图8为平板式脉动热管左视图。
具体实施方式
实施例：
如图1，本实施例公开了一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，包括机柜壳体1、设在机柜壳体1内部的工作区箱体2、设在工作区箱体2内部的储能子模块40、设在机柜壳体1内部与工作区箱体连接的热通道4、设在机柜壳体1内部的储能箱体10、设在储能箱体10内部的平板式脉动热管12和冷通道13。
工作区箱体2包括承载风扇单元8的前门板7，作为出风口的多孔背板5，作为箱体密封的顶板6和底板3，工作区内部采用隔板9来承载设备并逐层设有储能子模块40。其中机柜壳体左侧板21、右侧板22与工作区箱体前门板7、多孔背板5、顶板6、底板3形成一个箱体结构。热通道4包括风机16和混风管19。
储能箱体10包括由下至上的吸热区18、过渡区14、冷却区11、平板式脉动热管12、储能箱体外壳23。其中吸热区18的具体结构包括保温箱体17、相变材料区24、充流管道25、出流管道26，蒸发段翅片15。冷却区11的具体结构包括进口风扇20、进风口27、出风口28、冷凝段翅片29。相变材料区24内设有膨胀石墨材料与石蜡等有机相变材料复合而成的相变材料或微胶囊相变材料。
平板式脉动热管12包括包含在吸热区18内的热管蒸发段30、弯头33、包含在过渡区14内的热管绝热段31、包含在冷却区11内的热管冷凝段32、铜质基座34、毛细管35、充液口36、冷凝段翅片29。
如图1-3所示，机柜工作区箱体2通过前门板7上承载的风扇单元8进行入口风量调节，进入工作区箱体2内部的冷空气对服务器进行冷却后进入热通道4，经由风机16和混风管19排出工作区箱体2；经由热通道4排出的热空气冲刷蒸发段翅片15后被储能箱体10的吸热区18带走大部分热量后由风扇单元8再次吸入工作区箱体2。
如图4-5所示，进入工作区箱体2的冷空气冷却工作区热源后冲刷储能子模块40的翅片端39，同时壳体与工作区热源接触带走一部分热量，该过程为一次调节，然后通过多孔背板5进入热通道内，经由风机16送出并冲刷蒸发端翅片进行放热，从而完成二次调节。如图6所示，热空气冲刷蒸发段翅片15后由吸热区18吸收的热量部分储存在相变材料区24中，部分通过平板式脉动热管传递到冷却区11，冷却区可以采用风冷水冷俩种方式，当采用风冷时，进风口27通过进口风扇20吸入冷空气冲刷冷凝段翅片29带走热量并从出风口28离开，当采用水冷时，通过换热器与冷凝段铜制基座34直接接触带走热量，换热器可以采用各类水冷冷头。
如图7所示，首先从充液口36将平板式脉动热管12抽真空，然后注入一定体积的工质，推荐的充液率为32～42％，最后封闭充液口36。
如图8，冷凝段翅片29连接铜质基座34，配合散热。
本实施例在使用时，经由热通道排出的热空气冲刷蒸发段翅片后被储能箱体平板式脉动热管底部的吸热区带走大部分热量，并且加热储能箱体内部的相变材料，相变材料具有潜热高且相变时变化体积小的特点，随着温度的不断升高，相变材料融化并将大量的热量存储下来。这两部分的热量，一部分热量通过平板式脉动热管传递到冷却区进行冷却散热，另一部分热量通过充流管道和出流管道对相变材料的更换冲放过程实现散热，并且相变材料可将该部分热量带走进行再利用，实现节能。
本发明提供了一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，其特征在于，包括机柜壳体（1）、设在机柜壳体（1）内部的工作区箱体（2）、设在工作区箱体（2）内部的储能子模块（40）、设在机柜壳体（1）内部与工作区箱体连接的热通道（4）、设在机柜壳体（1）内部的储能箱体（10）、设在储能箱体（10）内部的平板式脉动热管（12）；
所述工作区箱体（2）包括承载风扇单元（8）的前门板（7），作为出风口的多孔背板（5），作为箱体密封的顶板（6）和底板（3），工作区内部采用隔板（9）来承载设备并逐层设有储能子模块（40）；机柜壳体左侧板（21）、右侧板（22）与工作区箱体前门板（7）、多孔背板（5）、顶板（6）、底板（3）形成一个箱体结构；热通道（4）包括风机（16）和混风管（19）；
所述储能箱体（10）包括由下至上的吸热区（18）、过渡区（14）、冷却区（11）、平板式脉动热管（12）、储能箱体外壳（23）；
其中，吸热区（18）包括保温箱体（17）、相变材料区（24）、充流管道（25）、出流管道（26），蒸发段翅片（15）；冷却区（11）包括进口风扇（20）、进风口（27）、出风口（28）、冷凝段翅片（29）；
所述平板式脉动热管（12）包括包含在吸热区（18）内的热管蒸发段（30）、弯头（33）、包含在过渡区（14）内的热管绝热段（31）、包含在冷却区（11）内的热管冷凝段（32）、铜质基座（34）、毛细管（35）、充液口（36），毛细管（35）设置在铜质基座（34）内；
储能箱体（10）的吸热区（18）设有填充有相变材料的相变材料区（24），平板式脉动热管（12）上部连接冷凝段翅片（29），冷凝段翅片（29）一侧的储能箱体（10）上设有进风口（27），另一侧设有出风口（28），储能箱体（10）的吸热区（18）外侧设有蒸发段翅片（15）；
工作区箱体（2）的多孔背板（5）与储能箱体（10）之间设有热通道（4），热通道（4）底部设有混风管（19）和风机（16），多孔背板（5）吹出的热风经过混风管（19）和风机（16）处流通至蒸发段翅片（15）处。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，其特征在于，所述储能子模块（40）包含铜质基座（38）和翅片（39）。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，其特征在于，所述相变材料区（24）位于平板式脉动热管（12）底部的外围，蒸发段翅片（15）和相变材料区（24）分别位于储能箱体（10）的底部外侧和底部内侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，其特征在于，所述平板式脉动热管（12）内的毛细管内注有工质，工质充液率32~42%。
5.根据权利要求4所述的一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，其特征在于，所述工质为有机工质或者微纳胶囊相变材料乳液或者纳米流体或者磁流体。
6.根据权利要求1所述的一种基于脉动热管与相变材料耦合的机柜，其特征在于，所述相变材料区（24）内填充的相变材料为膨胀石墨材料与石蜡复合而成的相变材料或微胶囊相变材料。
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