CN113382599A - 一种自然液膜蒸发冷却服务器机柜 - Google Patents

一种自然液膜蒸发冷却服务器机柜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自然液膜蒸发冷却服务器机柜，机箱柜内部通过风道隔板分割为服务器放置空间及底部风道；其中，服务器放置空间的两侧均设有侧壁回风口及侧壁进风口，服务器放置空间的顶壁设有顶壁回风口及顶壁进风口，其中，顶壁回风口处设有顶部循环风扇；底部风道的两侧均设有侧风口，底部风道的下端设有冷却空气出口；第一喷淋换热空间内自上而下依次布置有第一喷淋冷却风扇、第一喷淋管及第一喷淋液膜换热器；第二喷淋换热空间内自上而下依次布置有第二喷淋冷却风扇、第二喷淋管及第二喷淋液膜换热器；顶部换热空间内布置有顶部换热器。该机柜的能耗较低，同时具有布置灵活及控制精准的特点。

Description

一种自然液膜蒸发冷却服务器机柜
技术领域
本发明涉及一种服务器机柜，具体涉及一种自然液膜蒸发冷却服务器机柜。
背景技术
信息时代，数据中心已经成为支撑社会运行的重要基础设施，数据中心内安装有大量的服务器，存储器，交换机，UPS电源等电子设备，这些设备在使用过程中会以传导、对流、辐射的形式向数据中心内散发大量的热，为保证数据中心稳定运行，通常需要配套的冷却系统来为数据中心散热。随着新一代信息技术革命的掀起，对数据中心冷却系统的节能增效，模块设计和精准调控都提出了新的更高要求：首当其冲的是节能增效，数据中心消耗了全球1.1％-1.5％的电能，而冷却系统占了其中的45％-50％。目前主流的数据中心冷却方式依赖精密空调，采用大水漫灌的方式对整个机房进行冷却，换热环节多，冷量利用率偏低，导致能效低，能耗高。为了适应可持续的绿色IT发展需求，亟需采用更加节能高效的冷却方式。其次是模块化设计，这主要是随着互联网向边缘化发展，意味着微型数据中心需求激增，这就需要冷却系统结构也要能灵活缩放，以适应不同大小的散热需求，显然传统的对整个机房的冷却方式缺乏这样的灵活性。最后是精准调控，数据中心中布置有大量机柜，随着单机柜功率越来越高，也为机柜温度的精准调控提出了挑战，传统的采用集中制冷的方式很难做到这一点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种自然液膜蒸发冷却服务器机柜，该机柜的能耗较低，同时具有布置灵活及控制精准的特点。
为达到上述目的，本发明所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜包括机箱柜、风道隔板、第一水箱、第二水箱及顶部换热器密封盖；
机箱柜内部通过风道隔板分割为服务器放置空间及底部风道；其中，服务器放置空间的两侧均设有侧壁回风口及侧壁进风口，服务器放置空间的顶壁设有顶壁回风口及顶壁进风口，其中，顶壁回风口处设有顶部循环风扇；底部风道的两侧均设有侧风口，底部风道的下端设有冷却空气出口。
机箱柜的一侧设置有第一端盖，机箱柜的另一侧设置有第二端盖，第一端盖及第二端盖的顶部均设有冷却空气入口，第一端盖及第一水箱自上到下装配于机箱柜的一侧，机箱柜、第一端盖及第一水箱围成第一喷淋换热空间；第二端盖及第二水箱自上而下装配于机箱柜的另一侧，机箱柜、第二端盖及第二水箱围成第二喷淋换热空间；顶部换热器密封盖装配于机箱柜的顶部，顶部换热器密封盖与机箱柜围成顶部换热空间；
第一喷淋换热空间内自上而下依次布置有第一喷淋冷却风扇、第一喷淋管及第一喷淋液膜换热器；第二喷淋换热空间内自上而下依次布置有第二喷淋冷却风扇、第二喷淋管及第二喷淋液膜换热器；顶部换热空间内布置有顶部换热器，底部风道的冷却风出口与机房地板下的风道总管相连，底部风道中布置有循环水泵，第一水箱与第二水箱通过水箱连接并联后与循环水泵的入口相连，循环水泵的出口与顶部换热器的管侧入口相连，顶部换热器的管侧出口与第一喷淋管的入口及第二喷淋管入口连通。
第一喷淋液膜换热器和第二喷淋液膜换热器可采用列管式设计，包括上端板、紧固螺杆、风扇固定板、下端板及若干管束，上端板通过紧固螺杆与下端板相连接，风扇固定板及各管束均固定于上端板与下端板之间；管束内为管程，作为液膜冷却通道，管束外为壳程，作为高温空气通道；第一喷淋液膜换热器中的风扇固定板上固定有若干第一侧壁循环风扇；第二喷淋液膜换热器中的风扇固定板上固定有若干第二侧壁循环风扇。
管束内部采用凹凸槽道设计，管束的外部加装翅片，上端板与下端板上均设置有与管束内孔相对应的台阶孔。
第一喷淋液膜换热器和第二喷淋液膜换热器还可采用板翅式设计，包括风扇固定板、第一端板、板翅换热芯及第二端板，其中，板翅换热芯固定于第一端板与第二端板之间，风扇固定板固定于第一端板上，第一喷淋液膜换热器中的风扇固定板上固定有若干第一侧壁循环风扇；第二喷淋液膜换热器中的风扇固定板上固定有若干第二侧壁循环风扇。
板翅换热芯为由平板与波纹翅片交替叠加并在四周交错密封的结构，板翅换热芯内部形成相互独立且垂直的液膜冷却通道与高温空气通道。
对于第一和第二喷淋液膜换热器，当循环水喷淋到液膜冷却通道入口后，在重力的作用下沿着液膜冷却通道内壁向下流动，并在内壁上形成液膜。与此同时，液膜冷却通道外侧的高温空气通道中不断有来自机箱柜内的高温空气流过并与通道内的液膜发生热交换，使循环水被加热。此时，从冷却空气入口进入的环境空气自上而下流经液膜冷却通道中被液膜包围的内部空腔，两者形成对流，温度和湿度都较低的环境空气一方面可以通过热对流和热传导以显热换热的方式带走的部分热量，另一方面高温液膜中的水还会发生自然蒸发，以潜热的形式散失热量，蒸发产生的水蒸气进入环境空气中，使空气湿度增加并以接近饱和空气的形式与冷却降温后的循环水一起从液膜冷却通道出口排出。
顶部换热器的翅片侧进出口与顶壁回风口及顶壁进风口相连通。
第一喷淋液膜换热器的液膜冷却通道入口正对第一喷淋管的出口及第一喷淋冷却风扇，第一喷淋液膜换热器的液膜冷却通道出口正对第一水箱；第二喷淋液膜换热器的液膜冷却通道入口正对第二喷淋管的出口及第二喷淋冷却风扇，第二喷淋液膜换热器的液膜冷却通道出口正对第二水箱；第一喷淋液膜换热器及第二喷淋液膜换热器的高温空气通道进口及高温空气通道出口分别与侧壁回风口和侧壁进风口相连。
顶部换热器为翅片管式换热器。
第一水箱设有浮球阀。
循环水泵为可调速水泵。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜在具体操作时，主要耗能部件为循环水泵及风扇，相较于现有冷却模式，能耗大幅降低，达到节能增效目的的同时，大幅缩减数据中心的运营成本；其次，本发明将冷却系统与机箱柜整合为一体，摒弃传统的集中冷却模式，增加或减少数据中心机柜数量时，不用再考虑冷却系统冷却能力不足或过剩的问题，从而实现模块化缩放，增加数据中心部署的灵活性；最后本发明根据柜内发热功率的大小对循环水泵及风扇进行调速，实现发热功率与冷却功率的精准匹配，实现精准控制机柜温度的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；总体结构；
图2为本发明中喷淋液膜换热器的一种结构示意图；
图3为本发明中喷淋液膜换热器的另一种结构示意图；
图4为喷淋液膜换热器的运行流程图；
图5为顶部换热器11的运行流程图。
其中，1为机箱柜、2为水箱连接管、3为循环水泵、4为浮球阀、5为第一水箱、6为第一喷淋液膜换热器、7为第一侧壁循环风扇、8为第一喷淋管、9为第一喷淋冷却风扇、10为第一端盖、11为顶部换热器、12为顶部循环风扇、13为顶部换热器密封盖、14为第二喷淋冷却风扇、15为第二喷淋管、16为第二喷淋液膜换热器、17为第二侧壁循环风扇、18为第二水箱、19为第二端盖、20为风道隔板、21为风道端盖、22为上端板、23为紧固螺杆、24为管束、25为下端板、26为风扇固定板、27为第一端板、28为板翅换热芯、29为第二端板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜包括机箱柜1、风道隔板20、第一水箱5、第二水箱18及顶部换热器密封盖13；所述机箱柜1由风道隔板20分割为服务器放置空间及底部风道，其中，服务器放置空间的两侧均设有侧壁回风口及侧壁进风口，服务器放置空间的顶壁设有顶壁回风口及顶壁进风口，其中，顶壁回风口处设有顶部循环风扇12；底部风道的两侧均设有侧风口，底部风道的下端设有冷却空气出口。机箱柜1的一端设置有第一端盖10，机箱柜1的另一端设置有第二端盖19，第一端盖10及第二端盖19的顶部均设有冷却空气入口，第一端盖10及第一水箱5自上到下装配于机箱柜1的一侧，以形成第一喷淋换热空间；第二端盖19及第二水箱18自上而下装配于机箱柜1的另一侧，以形成第二喷淋换热空间；顶部换热器密封盖13装配于机箱柜1的顶部，以形成顶部换热空间。第一喷淋换热空间内自上而下依次布置有第一喷淋冷却风扇9、第一喷淋管8及第一喷淋液膜换热器6；第二喷淋换热空间内自上而下依次布置有第二喷淋冷却风扇14、第二喷淋管15及第二喷淋液膜换热器16；顶部换热空间内布置有顶部换热器11，顶部换热器11为翅片管式换热器，底部风道的冷却风出口与机房地板下的风道总管相连，底部风道中还布置有循环水泵3，第一水箱5中设有可实时补水的浮球阀4，循环水泵3为可调速水泵。
参考图2及图3，第一喷淋液膜换热器6和第二喷淋液膜换热器16的一种结构设计均包括上端板22、紧固螺杆23、风扇固定板26、下端板25及若干管束24，上端板22通过紧固螺杆23与下端板25相连接，风扇固定板26及各管束24均固定于上端板22与下端板25之间，第一喷淋液膜换热器6中的风扇固定板26上固定有若干第一侧壁循环风扇7；第二喷淋液膜换热器16中的风扇固定板26上固定有若干第二侧壁循环风扇17，管束24额管材为利于传热的铜或铝，形状可以为圆管或者扁管等，为了进一步增大换热面积以强化换热，管束24内部采用凹凸槽道设计，管束24的外部可以加装翅片。上端板22与下端板25上设置有与管束24内孔相对应的台阶孔，以起到密封的作用。管束24内为管程，作为液膜冷却通道，管束24外为壳程，作为高温空气通道；
第一喷淋液膜换热器6和第二喷淋液膜换热器16的另一种结构设计均包括板翅式包含风扇固定板26、第一端板27、板翅换热芯28及第二端板29，其中，板翅换热芯28固定于第一端板27与第二端板29之间，风扇固定板26固定于第一端板27上，第一喷淋液膜换热器6中的风扇固定板26上固定有若干第一侧壁循环风扇77；第二喷淋液膜换热器16中的风扇固定板26上固定有若干第二侧壁循环风扇17，板翅换热芯28采用平板与波纹翅片交替叠加并在四周交错密封的结构形成相互独立且垂直的液膜冷却通道和高温空气通道。
参考图1、图4及图5，第一水箱5与第二水箱18通过水箱连接管2并联后与循环水泵3的入口相连，循环水泵3的出口与顶部换热器11的管侧入口相连，顶部换热器11的管侧出口与第一喷淋管8的入口及第二喷淋管15入口连通，顶部换热器11的翅片侧进出口与顶壁回风口及顶壁进风口相连。第一喷淋液膜换热器6的液膜冷却通道入口正对第一喷淋管8的出口及第一喷淋冷却风扇9，第一喷淋液膜换热器6的液膜冷却通道出口正对第一水箱5；第二喷淋液膜换热器16的液膜冷却通道入口正对第二喷淋管15的出口及第二喷淋冷却风扇14，第二喷淋液膜换热器16的液膜冷却通道出口正对第二水箱18；第一喷淋液膜换热器6和第二喷淋液膜换热器16的高温空气通道进口及高温空气通道出口分别与侧壁回风口及侧壁进风口相连。
参考图1、图4及图5，机柜中循环水回路为：
第一水箱5及第二水箱18的出口通过水箱连接管2并联后连接循环水泵3的入口，循环水泵3的出口连接顶部换热器11的管侧入口，顶部换热器11的管侧出口并联连通第一喷淋管8的入口和第二喷淋管15入口，水从第一喷淋管8和第二喷淋管15喷出后分别落至第一喷淋液膜换热器6及第二喷淋液膜换热器16的液膜冷却通道入口，在流经液膜冷却通道后，从液膜冷却通道出口分别落回第一水箱5及第二水箱18，形成闭环回路。
冷却用空气的流通路径为：
环境空气自第一端盖10和第二端盖19顶部的冷却空气入口进入，随后分别经过第一喷淋冷却风扇9和第二喷淋冷却风扇14，自上而下分别穿过第一喷淋液膜换热器6和第二喷淋液膜换热器16的液膜冷却通道，最后通过底部风道两侧的侧风口及冷却空气出口排出。
机箱柜1内空气有三条独立的循环回路：
第一条通过顶壁回风口，顶部循环风扇12、顶部换热器11的翅片侧及顶部进风口形成回路；
第二条通过侧壁回风口、第一侧壁循环风扇7、第一喷淋液膜换热器6的高温空气通道及侧壁进风口形成回路；
第三条通过侧壁回风口、第二侧壁循环风扇17、第二喷淋液膜换热器16的高温空气通道及侧壁进风口形成回路。
参考图4及图5，本发明的具体工作过程为：
机箱柜1的服务器放置空间内的服务器机箱在运行过程中从前部吸入冷空气，该冷空气吹过服务器内的电子元器件起到冷却降温的作用，吸热升温后的热空气从服务器机箱后部排出，该热空气分为两路，其中一路通过顶壁回风口排出机箱柜1，另一路通过侧壁回风口排出机箱柜1。从顶壁回风口排出的热空气在顶部循环风扇12的作用下流过顶部换热器11的翅片侧，与顶部换热器11管侧的循环水换热后温度下降，降温后的冷空气从顶部进风口返回至机箱柜1内，并再次由服务器机箱从前部吸入形成闭环。
吸收空气热量后的高温水从顶部换热器11流出后进入第一喷淋管8和第二喷淋管15中，通过第一喷淋管8和第二喷淋管15均匀喷出后自上而下流过第一喷淋液膜换热器6和第二喷淋液膜换热器16的液膜冷却通道内壁并形成液膜，同时环境空气在第一喷淋冷却风扇9及第二喷淋冷却风扇14的作用下，从第一端盖10和第二端盖19上的冷却空气入口进入并自上而下流经被液膜包围的内部空腔。在此期间，通过侧壁回风口排出的机箱柜1内热空气在第一侧壁循环风扇7和第二侧壁循环风扇17作用下持续流过第一喷淋液膜换热器6和第二喷淋液膜换热器16中液膜冷却通道外侧的高温空气通道，并与液膜冷却通道内侧温度仍低于热空气的循环水及环境空气进行热交换，降温后的冷空气从侧壁进风口回到机箱柜1内，并再次由机箱从前部吸入形成闭环。
在第一喷淋液膜换热器6和第二喷淋液膜换热器16的液膜冷却通道内，被加热的液膜内高温水和环境空气形成对流，温度和湿度都较低的空气一方面可以通过热对流和热传导以显热换热的方式带走的部分热量，另一方面高温液膜中的水还会发生自然蒸发，以潜热的形式散失热量，蒸发产生的水蒸气进入空气中，使之湿度增加接近为饱和空气。蒸发散热后的低温水在重力作用下落回第一水箱5及第二水箱18中，并通过循环水泵3输送进入顶部换热器11中形成循环，对于蒸发失去的水量，则通过第一水箱5内的浮球阀4实时补充，近饱和空气继续流经底部风道侧风口，最后从冷却空气出口排出。

Claims (10)

1.一种自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，包括机箱柜(1)、风道隔板(20)、第一水箱(5)、第二水箱(18)及顶部换热器密封盖(13)；
机箱柜(1)内部通过风道隔板(20)分割为服务器放置空间及底部风道；其中，服务器放置空间的两侧均设有侧壁回风口及侧壁进风口，服务器放置空间的顶壁设有顶壁回风口及顶壁进风口，其中，顶壁回风口处设有顶部循环风扇(12)；底部风道的两侧均设有侧风口，底部风道的下端设有冷却空气出口；
机箱柜(1)的一侧设置有第一端盖(10)，机箱柜(1)的另一侧设置有第二端盖(19)，第一端盖(10)及第二端盖(19)的顶部均设有冷却空气入口；第一端盖(10)及第一水箱(5)自上到下装配于机箱柜(1)的一侧，机箱柜(1)、第一端盖(10)及第一水箱(5)围成第一喷淋换热空间；第二端盖(19)及第二水箱(18)自上而下装配于机箱柜(1)的另一侧，机箱柜(1)、第二端盖(19)及第二水箱(18)围成第二喷淋换热空间；顶部换热器密封盖(13)装配于机箱柜(1)的顶部，顶部换热器密封盖(13)与机箱柜(1)围成顶部换热空间；
第一喷淋换热空间内自上而下依次布置有第一喷淋冷却风扇(9)、第一喷淋管(8)及第一喷淋液膜换热器(6)；第二喷淋换热空间内自上而下依次布置有第二喷淋冷却风扇(14)、第二喷淋管(15)及第二喷淋液膜换热器(16)；顶部换热空间内布置有顶部换热器(11)；底部风道的冷却风出口与机房地板下的风道总管相连，底部风道中布置有循环水泵(3)，第一水箱(5)与第二水箱(18)通过水箱连接管(2)并联后与循环水泵(3)的入口相连，循环水泵(3)的出口与顶部换热器(11)的管侧入口相连，顶部换热器(11)的管侧出口与第一喷淋管(8)的入口及第二喷淋管(15)入口连通。
2.根据权利要求1所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，第一喷淋液膜换热器(6)和第二喷淋液膜换热器(16)采用列管式设计，包括上端板(22)、紧固螺杆(23)、风扇固定板(26)、下端板(25)及若干管束(24)，上端板(22)通过紧固螺杆(23)与下端板(25)相连接，风扇固定板(26)及各管束(24)均固定于上端板(22)与下端板(25)之间；管束(24)内为管程，作为液膜冷却通道，管束(24)外为壳程，作为高温空气通道；第一喷淋液膜换热器(6)中的风扇固定板(26)上固定有若干第一侧壁循环风扇(7)；第二喷淋液膜换热器(16)中的风扇固定板(26)上固定有若干第二侧壁循环风扇(17)。
3.根据权利要求2所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，管束(24)内部采用凹凸槽道设计，管束(24)的外部加装翅片，上端板(22)与下端板(25)上均设置有与管束(24)内孔相对应的台阶孔。
4.根据权利要求1所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，第一喷淋液膜换热器(6)及第二喷淋液膜换热器(16)采用板翅式设计，包括风扇固定板(26)、第一端板(27)、板翅换热芯(28)及第二端板(29)，其中，板翅换热芯(28)固定于第一端板(27)与第二端板(29)之间，风扇固定板(26)固定于第一端板(27)上，第一喷淋液膜换热器(6)中的风扇固定板(26)上固定有若干第一侧壁循环风扇(7)；第二喷淋液膜换热器(16)中的风扇固定板(26)上固定有若干第二侧壁循环风扇(17)。
5.根据权利要求4所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，板翅换热芯(28)为由平板与波纹翅片交替叠加并在四周交错密封的结构，板翅换热芯(28)内部形成相互独立且垂直的液膜冷却通道与高温空气通道。
6.根据权利要求5所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，对于第一喷淋液膜换热器(6)和第二喷淋液膜换热器(16)，当循环水喷淋到液膜冷却通道入口后，在重力的作用下沿着液膜冷却通道内壁向下流动，并在内壁上形成液膜，与此同时，液膜冷却通道外侧的高温空气通道中不断有来自机箱柜(1)内的高温空气流过并与液膜冷却通道内的液膜发生热交换，使循环水被加热，此时，从冷却空气入口进入的环境空气自上而下流经液膜冷却通道中被液膜包围的内部空腔，两者形成对流，以潜热的形式散失热量，蒸发产生的水蒸气进入环境空气中，使空气湿度增加并以接近饱和空气的形式与冷却降温后的循环水一起从液膜冷却通道出口排出。
7.根据权利要求1所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，顶部换热器(11)的翅片侧进出口与顶壁回风口及顶壁进风口相连通。
8.根据权利要求1所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，第一喷淋液膜换热器(6)的液膜冷却通道入口正对第一喷淋管(8)的出口及第一喷淋冷却风扇(9)，第一喷淋液膜换热器(6)的液膜冷却通道出口正对第一水箱(5)；第二喷淋液膜换热器(16)的液膜冷却通道入口正对第二喷淋管(15)的出口及第二喷淋冷却风扇(14)，第二喷淋液膜换热器(16)的液膜冷却通道出口正对第二水箱(18)；第一喷淋液膜换热器(6)及第二喷淋液膜换热器(16)的高温空气通道进口及高温空气通道出口分别与侧壁回风口和侧壁进风口相连。
9.根据权利要求1所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，顶部换热器(11)为翅片管式换热器。
10.根据权利要求1所述的自然液膜蒸发冷却服务器机柜，其特征在于，第一水箱(5)设有浮球阀(4)，循环水泵(3)为可调速水泵。
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