CN113163689A - 一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，包括载物腔，冷水腔，第一侧位管式换热器，第一侧位换热腔，安装板，集水箱，排风格栅，引风风扇，喷淋腔，机柜外壳，第二侧位换热腔，第二侧位管式换热器，换热循环风扇，排风道，引风风扇支架，冷板，管束，补水管，折叠换热板，循环水管，第一侧位喷淋管，冷水腔喷淋管，第二侧位喷淋管，循环水管，引风道冷板，内部间断冷板，排风道冷板，浮球阀，循环水泵，侧位回风口，侧位进风口，上部端板，下部端板，连接水管。其中第一和第二侧位管式换热器具有列管式设计：列管式包含上部端板，下部端板，安装板，管束。机柜采用喷淋蒸发潜热换热结合显热换热的方式进行散热，具有低能耗、成本低和灵活性强的特点。

Description

一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜

技术领域

本发明属于冷却装置技术领域，涉及一种智能数据中心、计算机服务器的冷却装置，尤其是一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜。

背景技术

随着云计算、物联网、人工智能的崛起引领了数据中心行业的蓬勃发展，数据中心一跃成为新世纪支撑社会迅速发展必不可少的基础设施之一。数据中心是存储大量信息和通信技术(ICT)设备的计算结构，用于处理、存储和传输信息。它们还配有数据存储、网络路由器、交换机、电源、数据通信连接等。为保证这些设备的安全稳定运行，数据中心的冷却至关重要。现如今数据中心每年冷却所需要的电量占全球总用电量的2％，且这一趋势以每年12％的速度增长。

目前数据中心普遍采用空调制冷，运用电力驱动的压缩机产生低温的冷源，通过冷热通道相互协调的方式将数据中心的热量带走，使其工作在相对恒定的温度和湿度的环境中。但这种传统的冷却方式能源的利用率相对偏低，主要体现在一下几个方面：

(1)自然冷源的利用率偏低。对于大部分的城市而言，一年中有相当一部分时间的室外环境温度低于数据中心的控制温度，此时根本不需要启动电制冷，而这部分自然冷却的时间正好是机房空调系统所不能充分利用的。

(2)冷却气流分配不均而引起能耗的增加。冷热通道的制冷方式属于“大水漫灌”，导致内部的温度场分布不均，很容易造成制冷过程中的“短板效应”—为使得最不利点也能满足要求从而被迫的增加能耗。

(3)传统的数据中心灵活性差。随着大数据、互联网的边缘化的发展趋势，微小型数据的需求与日俱增，需要有模块化布置灵活的高效服务器机柜。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，该服务器机柜及其工作方法可确保内部器件工作在合理的温度范围内，且可以实现功耗低和成本低的目标。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，包括：

机柜外壳，所述机柜外壳顶部设置引风风扇，底部设置集水箱以及排风道，中部设置载物腔，载物腔的上方设置冷水腔，两侧设置第一侧位换热腔和第二侧位换热腔；

集水箱，所述集水箱内设置有循环水泵，循环水泵通过循环水管将循环水泵入喷淋腔内的喷淋系统；

喷淋腔，所述喷淋腔内设置喷淋系统，喷淋系统将循环水分别喷淋至冷水腔、第一侧位换热腔和第二侧位换热腔，循环水经过换热后，落入底部的集水箱中，完成循环；

载物腔，所述载物腔由水平设置的引风导冷板、排风道冷板、若干内部间断冷板和若干竖直设置的冷板围成，两侧冷板上分别开设侧位进风口和侧位回风口，外部空气由引风风扇引入柜体内，进入第一侧位换热腔和第二侧位换热腔后由侧位进风口进入载物腔内，由侧位回风口排出，最后经排风道排出。

本发明进一步的改进在于：

所述第一侧位换热腔包括第一侧位管式换热器，第一侧位管式换热器的前端设置若干换热循环风扇，内部设置若干管束，侧面连接补水管；所述第二侧位换热腔包括第二侧位管式换热器，第二侧位管式换热器的前端设置若干换热循环风扇，内部设置若干管束。

所述第一侧位管式换热器与第二侧位管式换热器的结构相同，均包括上端部板和下端部板，若干管束纵向安装于上端部板和下端部板之间，上端部板和下端部板的前端安装安装板，若干热循环风扇安装于安装板上。

所述喷淋系统包括位于第一侧位换热腔上方的第一侧位喷淋管、位于冷水腔上方的冷水腔喷淋管以及位于第二侧位换热腔上方的第二侧位喷淋管，第一侧位喷淋管、冷水腔喷淋管和第二侧位喷淋管均与循环水管相连通。

所述载物腔中部的冷板的内部设置折叠换热板，循环水管设置于其中一个中部的冷板内。

所述引风风扇通过引风风扇支架安装于机柜外壳的顶部。

所述载物腔的中部设置有两个水平设置的内部间断冷板，以及两个纵向设置的冷板。

所述集水箱包括第一集水箱和第二集水箱，第一集水箱位于第一侧位换热腔的下方，内部设置有用于测量水位的浮球阀；第二集水箱位于第二侧位换热腔的下方，循环水泵设置于第二集水箱内。

所述第一集水箱与第二集水箱之间为排风道，第一集水箱和第二集水箱相对的侧面安装有排风格栅。

所述第一集水箱通过连接水管与第二集水箱连通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

基于现有技术存在的短板，本发明将自然冷源与喷淋冷却装置集于单个机柜，并在冷却的结构上进行了优化，从而设计了一种自然蒸发冷却服务器机柜；在提高能量利用率的同时，克服了对传统冷却方式所表现的不足，使得数据中心的服务器机柜能够更加灵活的布置且实现了单体机柜的精准控制。本发明相较于传统的空调制冷模式，能够达到节能的目的，从而能够大幅度的降低运行成本，其主要的耗能部件为循环水泵和风扇，大幅度降低了造价成本；另外，本发明避免了传统的“大水漫灌”冷却模式，通过增加两侧冷却通道以及机柜内部气液通道使得整个机柜的散热效率更高，进而进一步降低了运行成本，冷却系统与机柜本身融为一体，同时也增强了机柜的灵活性；最后，机柜在充分利用自然冷源且内部的循环水泵的流速和风扇的转速均为可以调节的，从而实现了对整个机柜冷却所需冷量的精准供应，同时单个机柜拥有一套冷却系统，使得机柜内部的温度控制更加精准。

附图说明

为了更清楚的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为本发明的结构示意图；

图2为本发明机柜的剖面示意图；

图3为发明机柜的内部结构示意图；

图4为侧壁管式换热器示意图；

图5为底面结构示意图；

图6为机柜运行流程示意图。

其中：1-载物腔，2-冷水腔，3-第一侧位管式换热器，4-第一侧位换热腔，5-安装板，6-集水箱，7-排风格栅，8-引风风扇，9-喷淋腔，10-机柜外壳，11-第二侧位换热腔，12-第二侧位管式换热器，13-换热循环风扇，14-排风道，15-引风风扇支架，16-冷板，17-管束，18-补水管，19-折叠换热板，20-循环水管，21-第一侧位喷淋管，22-冷水腔喷淋管，23-第二侧位喷淋管，24-引风道冷板，25-内部间断冷板，26-排风道冷板，27-浮球阀，28-循环水泵，29-侧位回风口，30-侧位进风口，31-上部端板，32-下部端板，33-连接水管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明将喷淋制冷系统与服务器机柜融为一体，高效的利用了自然冷源对服务器内部的电子器件进行冷却，实现了低能耗、低成本且灵活性强的单体服务器机柜。

参见图1，本发明实施例公开了一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，包括载物腔1、冷水腔2、第一侧位管式换热器3、第一侧位换热腔4、安装板5、集水箱6、排风格栅7、引风风扇8、喷淋腔9、机柜外壳10、第二侧位换热腔11、第二侧位管式换热器12、换热循环风扇13、排风道14、引风风扇支架15和冷板16。

如图1、3和4所示，第一侧位管式换热器3和第二侧位管式换热器12具体排列方式为列管式排列：列管式排列其中安装板上安装有换热循环风扇13，一定数量的管束17被固定于上部端板31和下部端板32之间，为了有利传热和减少重量，管束为薄壁的金属管，上部端板31和下部端板32与管束17之间的连接方式为胀管或焊接，以保证侧壁面的密封性。冷水腔2主要包含折叠换热板19和循环水管20。

如图1和3所示，机柜中循环水回路为：底部的集水箱6通过连接水管33相连通，循环水泵28通过循环水管20与顶部的喷淋管相连，喷淋管的出口分别并联了第一侧位喷淋管21、冷水腔喷淋管22，第二侧位喷淋管23。在第一侧位换热腔4中循环水从第一侧位喷淋管21下落至第一侧位管式换热器3的冷却通道入口，在经过一定数量管束17后回落至集水箱6；循环水从冷水腔喷淋管22下落至冷水腔2入口，通过折叠换热板19将下落的水分散以增强换热且同时增大了换热面积，最终落至集水箱6；第二侧位换热腔中的水循环与第一侧位换热腔的水循环类似；最终所有的循环水落入集水箱6，从而形成闭环的回路。

如图1、2、3和5所示，引风道冷板24，内部间断冷板25，排风道冷板26和冷板16将机柜内部分割为若干个载物腔1，其中靠近第一侧位换热腔4和第二侧位换热腔11的载物腔1两侧均设有侧位回风口29和侧位进风口30。其中第一侧位管式换热器3、第二侧位管式换热器12、冷水腔2内部的环境空气均由引风风扇8将环境空气引入，被加热的环境空气由排风格栅7排出后汇集于排风道14排向外部。由第一侧位喷淋管21和集水箱6形成了第一侧位换热腔4；由第二侧位喷淋管23和集水箱6形成了第二侧位换热腔11；由折叠换热板19、循环水管20和冷水腔喷淋管22形成了冷水腔2。所述的第一侧位换热腔4内自上而下依次布置有第一侧位喷淋管21和第一侧位管式换热器3；第二侧位换热腔11内自上而下依次布置有第二侧位喷淋管23和第二侧位管式换热器12；冷水腔2自上而下主要布置折叠换热板19、冷水腔喷淋管22和循环水管20；所述的排风道14的空气与机房底部的风道总管无缝衔接，其中风道中包含了连接水管33。所述的集水箱6通过水箱连接水管33相连，集水箱6中安装有可实现实时补水的浮球阀27；与此同时，集水箱6固定了可以实时调速的循环水泵28。换热循环风扇13、引风风扇8均为可调速风扇。

如图6所示，本发明低功耗自然蒸发冷却服务器机柜的工作过程如下：

载物腔1的运行过程为内部的空气由靠近侧位进风口30的一端进入，对放置的负载进行冷却，中间部分的冷却主要依靠冷水腔两侧的低温冷板16进行冷却，产生的高温空气分别由两侧的侧位回风口分别进入第一和第二条内部空气的循环回路，高温的空气与第一侧位管式换热器3和第二侧位管式换热器12中的管束17内部的低温液膜通过热对流和热传导将热量传递到管束17的内部，最终形成的低温空气由侧位进风口30进入到负载的放置空间。环境空气主要由引风风扇8进入，分别从冷水腔2中的折叠换热板19、第一侧位管式换热器3的管束和第二侧位管式换热器12的管束17中流过，换热后的环境空气由排风格栅7汇入排风道14，最终由排风道14与布置于服务器机房底部的风道总管相连，将空气排入大气。循环水在实际的运行过程中由固定于集水箱6的循环水泵28将循环水沿着循环水管20将水泵入顶部的喷淋系统，喷淋系统中的循环水依次进入并联的第一侧位喷淋管21、第二侧位喷淋管23、冷水腔喷淋管22，循环水从第一侧位喷淋管21、冷水腔喷淋管22和第二侧位喷淋管23分别落至第一侧位管式换热器3的管束中和冷水腔换热板19和第一侧位管式换热器12的管束中，最后落至集水箱6；集水箱通过连接水管33相互连通，从而构成整个循环水系统。第一侧位管式换热器3和第二侧位管式换热器12的管束中以及冷水腔2中的换热过程为：当喷淋管中的水喷洒到第一侧位管式换热器3和第二侧位管式换热器12和冷水腔2的入口后，在重力和风力的作用下循环水沿着管束17和折叠换热板19的壁面自上而下流动，且非常容易产生很薄的液膜。此时，管束17的外部和折叠换热板19壁面的外侧有来自于负载产生的高温空气流过并与内部的液膜发生热传递，使得循环水被加热。由引风风扇8带入的环境空气自上而下的流经管束17和冷水腔2中液膜的表面，两者形成对流，湿度和温度较低的环境空气一方面通过热对流和热传导的方式将热量带走，另一部分液膜表面会产生蒸发现象，以潜热的方式将热量带走。因蒸发而损失的水通过固定于集水箱6中与补水管18相贯通的浮球阀27实时补充。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，包括：

机柜外壳(10)，所述机柜外壳(10)顶部设置引风风扇(8)，底部设置集水箱(6)以及排风道(14)，中部设置载物腔(1)，载物腔(1)的上方设置冷水腔(2)，两侧设置第一侧位换热腔(4)和第二侧位换热腔(11)；

集水箱(6)，所述集水箱(6)内设置有循环水泵(28)，循环水泵(28)通过循环水管(20)将循环水泵入喷淋腔(9)内的喷淋系统；

喷淋腔(9)，所述喷淋腔(9)内设置喷淋系统，喷淋系统将循环水分别喷淋至冷水腔(2)、第一侧位换热腔(4)和第二侧位换热腔(11)，循环水经过换热后，落入底部的集水箱(6)中，完成循环；

载物腔(1)，所述载物腔(1)由水平设置的引风导冷板(24)、排风道冷板(26)、若干内部间断冷板(25)和若干竖直设置的冷板(16)围成，两侧冷板(16)上分别开设侧位进风口(30)和侧位回风口(29)，外部空气由引风风扇(8)引入柜体内，进入第一侧位换热腔(4)和第二侧位换热腔(11)后由侧位进风口(30)进入载物腔(1)内，由侧位回风口(29)排出，最后经排风道(14)排出。

2.根据权利要求1所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述第一侧位换热腔(4)包括第一侧位管式换热器(3)，第一侧位管式换热器(3)的前端设置若干换热循环风扇(13)，内部设置若干管束(17)，侧面连接补水管(18)；所述第二侧位换热腔(11)包括第二侧位管式换热器(12)，第二侧位管式换热器(12)的前端设置若干换热循环风扇(13)，内部设置若干管束(17)。

3.根据权利要求2所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述第一侧位管式换热器(3)与第二侧位管式换热器(11)的结构相同，均包括上端部板(31)和下端部板(32)，若干管束(17)纵向安装于上端部板(31)和下端部板(32)之间，上端部板(31)和下端部板(32)的前端安装安装板(5)，若干热循环风扇(13)安装于安装板(5)上。

4.根据权利要求1所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述喷淋系统包括位于第一侧位换热腔(4)上方的第一侧位喷淋管(21)、位于冷水腔(2)上方的冷水腔喷淋管(22)以及位于第二侧位换热腔(11)上方的第二侧位喷淋管(23)，第一侧位喷淋管(21)、冷水腔喷淋管(22)和第二侧位喷淋管(23)均与循环水管(20)相连通。

5.根据权利要求1所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述载物腔(1)中部的冷板(16)的内部设置折叠换热板(19)，循环水管(20)设置于其中一个中部的冷板(16)内。

6.根据权利要求1所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述引风风扇(8)通过引风风扇支架(15)安装于机柜外壳(10)的顶部。

7.根据权利要求1所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述载物腔(1)的中部设置有两个水平设置的内部间断冷板(25)，以及两个纵向设置的冷板(16)。

8.根据权利要求1所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述集水箱(6)包括第一集水箱和第二集水箱，第一集水箱位于第一侧位换热腔(4)的下方，内部设置有用于测量水位的浮球阀(27)；第二集水箱位于第二侧位换热腔(11)的下方，循环水泵(28)设置于第二集水箱内。

9.根据权利要求8所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述第一集水箱与第二集水箱之间为排风道(14)，第一集水箱和第二集水箱相对的侧面安装有排风格栅(7)。

10.根据权利要求8或9所述的低功耗自然蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，所述第一集水箱通过连接水管(33)与第二集水箱连通。

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