CN207692270U - 一种水冷背板散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水冷背板散热装置，包括通过管路与冷却水单元和水泵形成循环回路的水冷背板，水冷背板包括换热器和位于换热器一侧的风冷装置，冷却水单元的冷却水由换热器进水管通入换热器换热后，在由换热器出水管回到冷却水单元，换热器进水管和换热器出水管之间还设有旁通管，且换热器进水管与旁通管之间设有流量调节装置。相对于现有技术，服务器吹出的热风直接经背板冷却后再循环使用，在PLC智能控制作用下，可实现面向热对象的精确制冷，效率高，能耗低。本实用新型不需要对风管风道进行特别设计，空气直接从服务器背部流到正面，气流组织简单合理，设计安装简便，气流输送节能效果更为显著。

Description

一种水冷背板散热装置

技术领域

本实用新型涉及数据中心冷却领域，具体涉及一种水冷背板散热装置。

背景技术

随着信息技术的不断发展，计算机服务器的数量日益增多，众所周知，服务器由于信息处理量大并且长期运行，产热巨大，存在高发热量、局部过热的运行特点。

传统机房空调通过对整体环境进行冷却，而冷热气流混合造成热工损失，制冷效率较低。对于机柜局部过热的情况，往往只能通过进一步降低整个机房温度来消除局部热点，导致进一步提高了机柜制冷的能耗，进一步降低了制冷效率。随着信息处理量越来越大，机柜越来越热时，传统制冷系统已难以完全带走机房的局部高热，势必要发展新的制冷技术满足需求。

背板空调系统是一种被动式的动态制冷系统，安装在机柜背部，直接冷却服务器排出的高温热风，因而可弥补传统机房空调的缺点，实现对机房局部过热区域进行排热降温。水冷背板顾名思义就是通过背板后的水冷管道不停的循环走水，从而带走机柜热量的一种散热方法，原则上水量越大、走水速度越快，同一时间带走的热量越多，散热效果越好，但是过多的水量以及过快的水流速度往往需要循环系统提供更大的动能，而往往有时机柜的散热量并不大，造成了比较低的能效。近期国内也开始出现新型的水冷背板，如申请号为201420715402.5和201420691326.9的中国实用新型专利，通过改进水冷背板的换热管道设计来提高水冷背板的提高能源效率，但是仅仅只是改进水冷背板的换热管道仅仅只能一定程度上解决问题，提高能效的效果一般，且不能实现对水冷背板的智能控制，灵活度较差。

实用新型内容

为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种制冷效率明显提高、能有效降低数据中心PUE 值的水冷背板散热装置。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种水冷背板散热装置，包括通过管路与冷却水单元和水泵形成循环回路的水冷背板，水冷背板包括换热器和位于换热器一侧的风冷装置，冷却水单元的冷却水由换热器进水管通入换热器换热后，再由换热器出水管回到冷却水单元，换热器进水管和换热器出水管之间还设有旁通管，且换热器进水管与旁通管之间设有流量调节装置。

本实用新型中水冷背板散热装置的工作原理具体为：机房冷空气在服务器内置风扇的作用下，被吸入机柜并对服务器降温；吸热后的空气在水冷背板的风冷装置的作用下，流经安装在机柜服务器背部的水冷背板；热空气与水冷背板的换热器进行热交换，将热量传递给换热器内的冷却液；温度降低后的空气从水冷背板吹出，完成机房空气循环。如此，服务器吹出的热风直接经水冷背板冷却后再循环使用，在控制装置的智能控制作用下，可实现面向热对象的精确制冷，散热效率高，能耗低。

本实用新型所提供的水冷背板散热装置安装在机柜背部，可直接冷却服务器排出的高温热风，制冷效率明显提高，有效降低数据中心PUE值，很好地解决了机房局部过热的问题，且整个散热系统无特殊风道设计需求，结构简单。

另外，本实用新型通过在换热器进水管和换热器出水管之间设置流量调节装置，通过调节流量调节装置控制流经换热器的水流量，从而调节换热器与服务器吹出热风的换热效果，进而保证机柜背板出风温度的稳定。

进一步地，上述水冷背板散热装置还包括控制装置，控制装置通过分别与水泵、流量调节装置和风冷装置联结。

本实用新型通过设置控制装置来实现对水冷背板散热装置自动控制，通过控制水泵的启闭、风冷装置的功率和流量调节装置的开度，实现对水冷背板散热装置的散热能力的调节。本实用新型所提供的水冷背板散热装置，根据服务器出风温度的高低，通过控制装置调节流量调节装置的开度来调节冷却水量的大小，通过控制风冷装置的转速，可实现能耗充分利用，避免小的散热要求时风机大的风量。

进一步地，换热器进水管上设有流量传感器和供水温度传感器，换热器出水管设有回水温度传感器；还包括用于检测水冷背板进风温度的进风温度传感器和用于检测水冷背板出风温度的出风温度传感器；风冷装置为调速风机或由多个风机组成的风机阵列，控制装置通过风机阵列控制板与风冷装置控制连接；控制装置分别与流量传感器、供水温度传感器、回水温度传感器、进风温度传感器和出风温度传感器联结。

控制装置通过检测换热器进水管的冷却水流量和温度、换热器出水管的回水温度以及水冷背板进出风温度，根据这些温度和流量数据调节风冷装置的转速和流量调节装置开度，以保证机柜背板出风温度的稳定。

进一步地，流量传感器和供水温度传感器分别设于冷却水设备和流量调节装置之间，回水温度传感器设于冷却水设备和旁通管之间。

进一步地，控制装置包括控制器、人机界面和电源装置，控制器分别与人机界面和电源装置电连接，控制器分别与水泵、流量传感器、供水温度传感器、回水温度传感器、进风温度传感器、出风温度传感器、流量调节装置、风机阵列控制板和风冷装置联结。本实用新型中控制装置具备智能控制特点，可实时检测流量、温度数据，通过改变转速调节风冷装置和变开度调节流量调节装置，以保证背板出风温度的稳定。同时还能通过人机界面现场显示，易于运维。

优选地，控制器为可编程逻辑控制器（PLC）。本实用新型可通过PLC可编程逻辑控制器智能调节的水冷背板散热装置的各部件的运作，自适应地调节控制换热器冷却水流量以及背板出风量，既能解决机房局部过热问题，又能保证背板出风温度稳定，实现面向热对象的精确制冷，效率高，能耗低。

上述水冷背板散热装置的控制方法，通过控制装置实时检测流量、温度信号，并根据水冷背板进出风温度变化，采用分程控制方法调节风冷装置的转速和流量调节装置的开度，实现水冷背板出风温度稳定。

本实用新型充分利用分程控制系统和可调速的风冷装置的特点，一方面，具有流量、温度等参数高精度的实时检测与调节功能，并根据背板进风温度的变化，自适应分级调节风冷装置的转速和流量调节装置开度，实现水冷背板高效的风冷散热功能；另一方面，通过调速风冷装置的变风量控制，最大限度地降低机组能耗，实现建设绿色环保节能新型数据中心的目标。

进一步地，分程控制方法具体为：根据系统工况，将水冷背板进风温度分成低温和高温两个区域；当水冷背板的进风温度处于低温区域时，只调节流量调节装置开度，风冷装置转速保持最小转速；当水冷背板的进风温度处于高温区域时，只调节风冷装置转速，流量调节装置开度保持最小开度。本方案能通过分程控制的方式，优选采用能效比较高的水冷背板制冷的方式，最大限度的减少风冷装置的使用，在最大程度上降低水冷背板散热系统的能耗，是一种高效节能的机房制冷方法。

与现有技术比较，本实用新型的有益效果为：

（1）本实用新型所提供的水冷背板安装在机柜背部，直接冷却服务器排出的高温热风，制冷效率高；本实用新型不需要对风管风道进行特别设计，空气直接从服务器背部流到正面，气流组织简单合理，设计安装简便，气流输送节能效果更为显著。

（2）本实用新型所提供的水冷背板散热装置，服务器吹出的热风直接经背板冷却后再循环使用，在PLC智能控制作用下，可实现面向热对象的精确制冷，效率高，能耗低。

（3）本实用新型将高精度实时检测水冷背板各个参数，且基于分程控制方法，自适应分级调节风机转速和旁通装置开度，具有冷却效率高，节能优势明显，冷却均匀、无局部过热、智能控制等优点。

（4）本实用新型采用分程控制的方法来实现对水冷散热装置的控制，优先采用能效比较高的水冷背板制冷的方式，在最大程度上降低水冷背板散热系统的能耗，是一种高效节能的机房制冷方法。

附图说明

图1为本实用新型所提供的水冷背板智能控制系统的示意图。

附图标记：1、冷却水单元；2、水泵；3、流量传感器；4、供水温度传感器；5、回水温度传感器；6、流量调节装置；7、换热器；8、风冷装置；9、进风温度传感器；10、出风温度传感器；11、控制器；12、风机阵列控制板；13、人机界面；14、电源装置；15、水冷背板。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。

实施例

一种水冷背板散热装置，如图1所示，包括冷却水单元1、水泵2、水冷背板15和控制装置；冷却水单元1、水泵2和水冷背板15通过管路形成循环回路；水冷背板15包括换热器7和位于换热器7一侧的风冷装置8，冷却水单元1的冷却水由换热器进水管通入换热器7换热后，再由换热器出水管回到冷却水单元1，换热器进水管和换热器出水管之间还设有旁通管，且换热器进水管与旁通管之间设有流量调节装置6。控制装置用于实现对水泵2、流量调节装置6和风冷装置8的智能控制。

其中，冷却水单元1用于提供低温冷却水；水泵2安装于冷却水单元供水管上，可通过PLC控制启停，为冷却水提供循环动力。

本实施例所提供的水冷背板散热装置的工作原理是：机房冷空气在服务器内置风扇的作用下，被吸入机柜并对服务器降温；吸热后的空气在背板空调风机作用下，流经安装在机柜服务器背部的背板；热空气与背板换热器进行热交换，将热量传递给换热器内的冷却液体；温度降低后的空气从背板吹出，完成机房空气循环。服务器吹出的热风直接经背板冷却后再循环使用，在控制装置的智能控制作用下，可实现面向热对象的精确制冷，效率高，能耗低。

另外，本实施例不需要对风管风道进行特别设计，空气直接从服务器背部流到正面，气流组织简单合理，设计安装简便，气流输送节能效果更为显著。

其中，换热器7均匀分布机柜背面，用于降低背板进风温度；风冷装置8安装于换热器7背面，由多个风机组成风机墙，用于调节控制背板出风量，通过控制装置和风机阵列板调节作用，实现气冷通道的风量调节；流量调节装置6安装于换热器7进水侧，用于调节流经换热器的水流量L2。

换热器进水管上设有流量传感器3和供水温度传感器4，换热器出水管设有回水温度传感器5；还包括用于检测水冷背板进风温度的进风温度传感器9和用于检测水冷背板出风温度的出风温度传感器10；控制装置分别与流量传感器3、供水温度传感器4、回水温度传感器6、进风温度传感器9和出风温度传感器10联结。

具体的，所述流量传感器3，位于旁通装置的入口处，实时检测冷却水循环流量L1；所述供水温度传感器4，位于旁通装置的入口处，实时检测冷却水供水温度T1；所述回水温度传感器5，位于冷却水设备回水管，实时检测冷却水回水温度T2；所述进风温度传感器9和出风温度传感器10，分别位于水冷背板进风侧和出风侧，实时检测背板进风温度T3和背板出风温度T4。

其中，控制装置具备智能控制特点，能通过实时检测流量、温度数据，通过变转速调节风机和变开度调节旁通装置，以保证背板出风温度的稳定；同时又可现场显示，易于运维。控制装置包括控制器11、人机界面（HMI）13和电源装置14，控制器11分别与人机界面13和电源装置14电连接，控制器11分别与水泵2、流量传感器3、供水温度传感器4、回水温度传感器5、流量调节装置6、风冷装置8、进风温度传感器9、出风温度传感器10和风机阵列控制板12联结。

一种上述水冷背板散热装置的控制方法，通过控制器11实时检测进水流量、进水温度、回水温度信号，并根据水冷背板进出风温度变化，采用分程控制方式，自适应分级调节风冷装置转速和流量调节装置开度，以实现水冷背板合理、高效的风冷散热过程。

优选的，所述分程控制方法，是指根据系统工况，将背板进风温度分成低温和高温两个区域，当所调节的背板进风温度在低温区域时，只调节流量调节装置的开度，风冷装置的转速保持最小转速；当所调节的背板进风温度在高温区域时，只调节风冷装置的转速，流量调节装置开度保持最小开度；以期最大限度地降低机组能耗。其中，流量调节装置开度最小时，换热器中冷却水的流量最大。

为解决现有机房空调所存在的制冷效率低等劣势，充分利用背板空调直接冷却服务器热风的能力，本实施例提供了一种水冷背板散热装置及其智能控制方法，使之具备制冷效率高、可解决机房局部过热、无特殊风道设计需求的优点，实现自适应分段调节的控制目标，从而保证数据中心气冷系统持续安全、可靠、节能运行。

与现有机房空调技术相比，本实施例的有益效果如下：

（1）本实用新型所提供的水冷背板安装在机柜背部，直接冷却服务器排出的高温热风，制冷效率高；本实用新型不需要对风管风道进行特别设计，空气直接从服务器背部流到正面，气流组织简单合理，设计安装简便，气流输送节能效果更为显著。

（2）本实用新型所提供的水冷背板散热装置，服务器吹出的热风直接经背板冷却后再循环使用，在PLC智能控制作用下，可实现面向热对象的精确制冷，效率高，能耗低。

（3）本实用新型采用分程控制的方法来实现对水冷散热装置的控制，优先采用能效比较高的水冷背板制冷的方式，在最大程度上降低水冷背板散热系统的能耗，是一种高效节能的机房制冷方法。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水冷背板散热装置，包括通过管路与冷却水单元和水泵形成循环回路的水冷背板，其特征在于，水冷背板包括换热器和位于换热器一侧的风冷装置，冷却水单元的冷却水由换热器进水管通入换热器换热后，再由换热器出水管回到冷却水单元，换热器进水管和换热器出水管之间还设有旁通管，且换热器进水管与旁通管之间设有流量调节装置。

2.根据权利要求1所述的水冷背板散热装置，其特征在于，还包括控制装置，控制装置分别与水泵、流量调节装置和风冷装置联结。

3.根据权利要求2所述的水冷背板散热装置，其特征在于，换热器进水管上设有流量传感器和供水温度传感器，换热器出水管设有回水温度传感器；还包括用于检测水冷背板进风温度的进风温度传感器和用于检测水冷背板出风温度的出风温度传感器；控制装置分别与流量传感器、供水温度传感器、回水温度传感器、进风温度传感器和出风温度传感器联结。

4.根据权利要求3所述的水冷背板散热装置，其特征在于，流量传感器和供水温度传感器分别设于冷却水设备和流量调节装置之间，回水温度传感器设于冷却水设备和旁通管之间。

5.根据权利要求3或4所述的水冷背板散热装置，其特征在于，风冷装置为调速风机或由多个风机组成的风机阵列，控制装置通过风机阵列控制板与风冷装置控制连接。

6.根据权利要求5所述的水冷背板散热装置，其特征在于，控制装置包括控制器、人机界面和电源装置，控制器分别与人机界面和电源装置电连接，控制器分别与水泵、流量传感器、供水温度传感器、回水温度传感器、进风温度传感器、出风温度传感器、流量调节装置、风机阵列控制板和风冷装置联结。

7.根据权利要求6所述的水冷背板散热装置，其特征在于，控制器为可编程逻辑控制器。