一種用於機櫃冷卻的散熱裝置的製作方法

2023-10-28 14:00:42

專利名稱：一種用於機櫃冷卻的散熱裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱裝置，具體涉及一種對刀片伺服器機櫃利用風水交換 製冷來散熱的裝置。
背景技術：
現今我們的生活正邁入一個電子產業蓬勃發展的資訊時代，各種由計算機 所衍生之高科技產品、電子設備發展迅速，為人們的日常生活帶來了莫大的便 利性，然而，隨著當前各種電子科技的不斷研發與精進，相關電子產品之研發 理念，是以走向高頻率、高速度之數據處理模式，並以輕、薄、短、小之外觀 造型為其發展主軸，當電子產品之機殼縮小後，將使得其內部之晶片尺寸逐漸 朝向微形化、集成化轉變，此設計理念造成電子元件的發熱密度越來越高，相 應的也帶來了各種能耗問題，散熱的成效與能耗的升降有直接的關係，因此採 用何種方式散熱，如何散熱一直是各行業應用時首先需要考慮的。
常用的散熱裝置有採用散熱片的方式，即直接在散熱設備表面安裝散熱鰭 片，採用的是被動式散熱，此方式只適用在發熱量不大且通風狀況良好的情況 下適用，因此有些封閉空間採用此方式時，常常在散熱片表面安裝風扇來加強 空氣流通，這樣雖然達到了一定的散熱效果，但佔據了大量的空間，而且隨著 電子產業的發展，電子元件的運行頻率和功能日益提升，集成化也越來越高， 其發熱量也隨之增加，這種被動式散熱已經不適用一些高科技領域。
還有一些採用水冷方式，即直接在發熱量大的設備上安裝冷媒置換管道， 將設備散發的熱量通過管道接觸直接帶走，此方式通過直接接觸能將設備溫度 快速降下來，對一些需要保護恆溫的設備效果明顯，但是採用循環冷媒的管路易發生洩露，且很多需要散熱的設備是不能直接與流體接觸的，所以一但發生 液體滲出，就會影響設備的正常工作。在計算機技術飛速發展的今天，隨著新 一代數據中心的建設，網絡、伺服器、存儲等基礎設備進一步集中，這就對機 房的基礎環境提出了新的要求，而機櫃微環境也越來越受到重視，伺服器都是 安裝在機櫃內，機櫃內的溫溼度，電源分配，承重性等等因素直接影響伺服器 的高性能運行，隨著新一代計算機的電晶體集成密度越來越高，處理器的速度 越來越快，伺服器的發熱量也急劇增長，伺服器越來越高的功率，對機櫃內服 務器高密度安裝以及如何散熱提出了挑戰，同時，要求我們在解決這些問題的 同時還要確保系統的高可用性、可擴展性，高節能性。當前，高集成的刀片式 伺服器己經成為科學計算的主力，刀片式伺服器在提供更高密度、更高計算能 力的同時也帶來了更多的功耗，電力不足、製冷達不到要求，這都困擾著刀片 伺服器的推廣和應用。
在機房製冷方面，目前傳統機房多採用精密空調開孔地板下送風進行製冷 的方式，美國採暖、製冷與空調工程師學會研究得出，此方式是在每個機櫃下
的地板上設置1-2個出風口，每個風口出風量為500-600m3/h，以11。C的溫差 計，每個出風口最大可帶走1.5-2KW能量，即單臺機櫃單採用空調製冷的最大 散熱量為3kw-5kw，由於氣流難以像電流一樣被約束，冷熱氣流的混合、對流、 短路等，均會造成氣流組織偏離設計值，從而使部分機櫃得不到足夠的風量或 者機櫃內的部分伺服器得不到足夠的冷量，產生局部熱區或熱點；而同時又有 一部分冷風沒有被利用，這種情況降低了空調機的工作效率，浪費電能。
以1U的功率為400W的伺服器來計算，如果在一個42U高的機櫃中安裝12 臺這樣的伺服器，就將使機櫃內的功耗達到4.8KW，達到了架空地板+精密空調 方式的極限，也就是42U的機櫃只利用了 12U，其餘的安裝空間都浪費掉了。

發明內容
為解決機櫃與散熱裝置一體化造成的調整不便，不能針對各機櫃不同散熱 點分別處理，機櫃散熱裝置佔用空間大，散熱效果低的問題。本發明第一目的 提供一種外置式風水冷散熱裝置，第二目的提供一種安裝方便、體積、形狀、 結構可按不同散熱要求調整的散熱裝置。本發明採用技術方案如下 一種用於 機櫃冷卻的散熱裝置包括熱風吸入裝置、水冷循環裝置和外置制冷機組，其 特徵在於，所述水冷循環裝置包括導風管、排風管並通過循環水管與外置製冷 機組連接，所述熱風吸入裝置包括進風口、出風口和內部的吸風扇，所述熱風 吸入裝置通過出風口與水冷循環裝置導風管連接。
本發明的另一優選方式所述熱風吸入裝置為箱形立體結構，由前封板、 框架、後封板組成，所述進風口開在前封板上，吸風扇安裝在後封板內表面上， 吸風扇與進風口之間安裝有導風圈，所述後封板上吸風扇周圍安裝有由隔板圍 成的獨立風道，所述隔板高度與框架一致，所述出風口開在吸風扇的一端，所 述風道出口與出風口相通。
本發明的再一優選方式所述熱風吸入裝置後封板外表面安裝有LCD顯示 屏、系統指示燈、開門按鈕、控制門和門禁刷卡器。
本發明的又一優選方式所述熱風吸入裝置內安裝有備用吸風扇。 本發明的還一優選方式所述同一風道內安裝有兩個風扇。 本發明的另一優選方式所述吸風扇的吸風口有外凸的進風圈。 本發明的另一優選方式所述熱風吸入裝置內的吸風扇有多個且可以自由 調整位置。
本發明的另一優選方式所述水冷循環裝置內部有熱交換主體，所述熱交 換主體包括殼體、水冷管繞成的散熱管，所述散熱管表面安裝有散熱鰭片，所 述散熱管上有出水口和進水口並分別與循環水管的出水管和進水管連接。本發明的另一優選方式所述外置制冷機組包括制冷機組、循環水泵、電 磁閥。
本發明的另 一優選方式所述熱風吸入裝置的後封板上有備用空氣出氣孔， 所述水冷循環裝置的導風管處進氣支管。
本發明可以安裝在機櫃的任何一面，熱風吸入裝置做為機櫃的一個門，吸 風口位置機櫃內以將機櫃內產生的熱量吸走，而水冷循環裝置安裝通過排風口 與機櫃內相通，以將降過溫的空氣吹入櫃內，從而實現機櫃內降溫、散熱。本 技術方案散熱裝置中吸風扇與水冷循環裝置之間的路徑短，縮短了工作過程， 進而加快了散熱空間的散熱效率，每個吸風扇都採用單獨的風道與出風口相連， 各個風扇進來的風不會相互影響，而且可以視散熱空間的溫度調整做功的吸風 扇個數及轉數，水冷循環裝置內部採用循環水冷管，可以最大面積的與進來的 熱風接觸，在短時間內對熱風進行降溫，置換後升溫的水由出水管直接排到室 外製冷機組，被室外製冷機組降溫的水由進水管再進入水冷循環裝置，如此達 到一個完整的循環過程，整個循環過程由監控系統進行控制。
吸風扇可以按機櫃內安裝的刀片伺服器的位置進行調整，可將吸風扇調整 到發熱量大的區域，為了針對同一位置不同散熱區，可以在一個吸風口內安裝 兩個或三個風扇，利用不同的風扇對準不同的發熱源，還可以減少風扇體積， 安裝備用風扇可以在突發熱量增加的情況下起到調節作用，備用風扇和工作風 扇都可以視情況關閉、啟動，最大限度的節省能耗，利用進風圈可以延伸到發 熱區，快速的將熱量由吸風扇吸走。利用熱風吸入裝置上的備用空氣出氣孔可 以將機櫃內的熱空氣直接排到外部環境中，減少水冷循環裝置的工作量，而水 冷循環裝置可以通過進氣支管，直接吸進較低溫度的空氣進行降溫，減少了整 個製冷系統的工作量，此方式適用在一些特殊處理中，如外界溫度比機櫃內 部空氣溫度更低、製冷循環更方便時。本方案整個水冷系統按物理結構可劃分為三個部分，熱風吸入裝置、水冷
循環裝置、室外水冷機組；三者之間相互交換熱能實現散熱設備的降溫，其循 環可視為一個大循環冷卻過程，也可劃分為三個微循環 一是熱風吸入後與散
熱管之間冷熱置換，二是散熱管與室外水冷機組間的冷熱水循環，三是室外水 冷機組冷媒與循環水之間的冷熱置換過程。本方案中熱風吸入裝置中的風扇採
用EC風扇，其個數的多少由需要散熱的設備決定，風扇的轉速及開啟個數由監 控系統控制，室外製冷機組安裝的電磁閥在監控系統的控制下可根據溫度情況 調節循環水管的流量，達到節能的目的。
為保證設備安全運行，在保證基本設備的情況下，本方案散熱裝置可採用 部分冗餘設計或全冗餘設計。部分冗餘設計是對主要部件如室外機、水泵採 用1 + 1冗餘，共用一套主管道系統的設計，當室外機或水泵出現故障時，可啟 用備用室外機或備用水泵，以保證水冷系統的正常運轉；全冗餘設計是對室外 機、水泵、供回水主管道系統都採用1+1冗餘設計，完全的一主一備，當主水 冷系統故障時可全部切換到備用系統上，以保證水冷系統的正常運轉。本方案 採用風冷+水冷的方式節約了路徑，使得效率最大化。


圖1本發明散熱裝置連接示意圖
圖2圖1所示熱風吸入裝置示意圖
圖3圖2所示吸風扇送風道示意圖
圖4圖2所示熱風吸入裝置後封板外表面示意圖
圖5本發明水冷循環裝置示意圖
具體實施方式
實施例1:
如圖1所示，本發明技術方案散熱裝置包括室外製冷機組3、熱風吸入裝置
1、水冷循環裝置2及循環管路，循環管路包括進水管25和出水管26。
如圖2所示，熱風吸入裝置l採用箱形結構，包括前封板IO、框架ll、後 封板12，前、後板與框架閉合後裝置整體密封，在前封板10中軸線上有多個進 風口 13，當然進風口的位置並不一定非要固定在中軸線上，在有利於吸風及內 部風道的設定上開在箱體的任何位置都是可以的，而且進風口的多少也可以視 實際需要增加或減少。箱體的內部安裝有吸風扇16，吸風扇16的位置與進風口 13對應，為了增加吸風扇16的吸風效果，在吸風扇16與進風口 13之間安裝有 密封用的導風圈15。本方案將吸風扇16固定在後封板12上，當然也可以固定 在前封板10上。
如圖3所示，後封板上安裝有監控模塊18，在後封板12上吸風扇16周圍 安裝由隔板17圍成的送風道20，各個吸風扇16的風道獨立，分別通向出風口 14。出風口 14視散熱需要可以開在箱體的任何地方，本方案的出風口 14安裝 在吸風扇16的一端。為了避免各個吸風扇風道之間相互影響，各吸風扇的風道 設定在箱體的不同位置並採用交差錯開的方式，離出風口 14最遠的吸風扇風道 出口位於一側，中間的吸風扇風道出口位於另一側，與前面風道出口位置相反， 靠近出風口 14的吸風扇16風道由隔板17直接與出風口相通，隔板17的高度 與框架ll相等，當前、後封板合在框架上時，各風扇的風道是封閉的，這樣不 會使吸風扇吸入的風從其它地方逸出，降低換熱效果。隔板17的安裝採用如下 的方式，位於上方的隔板一端固定在其下方吸風扇的隔板上，隔板中間部位圍 繞吸風扇，隔板另一端與下一個吸風扇隔板之間形成出口且靠近框架11，這樣 風口出來的風不會流向相反方向，避免了通風不暢和相互影響。
如圖4所示，整個散熱裝置控制系統的部分裝置安裝在熱風吸入裝置的後封板內表面，有LCD顯示屏20、各種指示燈21、開門按鈕22、控制門23、門 禁刷卡器19，用於箱體內的設備、室外製冷等整個供熱裝置進行監製。
如圖5所示，水冷循環裝置2包括順序連接的排風管30、熱交換主體和導 風管31，熱交換主體包括外殼32、散熱管35，散熱管35由水冷細銅管繞成， 散熱管35上有出水口 33和進水口 34，散熱管35的表面安裝有散熱片。
本方案工作方式如下啟動吸風扇16將熱風從進風口 13吸入箱體內，吸 入的熱風由各獨立風道將熱風由出風口 14經導風管31送入水冷循環裝置2，從 導風管31進來的熱風通過熱交換主體，熱交換主體內的散熱管35與熱風進行 置換，降溫後的熱風變成低溫冷風從排風管30排出，由於吸風扇16對吸入的 熱風有風壓，而整個散熱裝置是密封的，因此排風管30的風可以吹到一定範圍。 散熱管35內的水吸收熱後經出水口 33、出水管26循環到室外製冷機組3，室 外製冷機組3對熱水進行降溫變成預定的冷水後，經進水管25、進水口34流入 散熱管35，提供不斷循環的用於降低熱風的冷源。熱風吸入裝置的後封板上安 裝的各種控制項，對散熱裝置進行相應操作，如LCD顯示屏20顯示散熱裝置的各 種狀態，系統指示燈21分為故障定位燈和狀態指示燈，能對散熱裝置的故障進 行報警，用於維修設備的控制門23及刷卡器19，而整個散熱過程各部件的控制 都由監控系統18完成。
在循環水管上安裝有壓力泵4，壓力泵4可以安裝在進水管25上也可以安 裝在出水管26上，在每個水管上都安裝有電磁閥5，以實現水流的控制，室外 制冷機組可以採用水冷機組，也可以採用風冷機組，在一些寒冷地區可以採用 兩種機組並用的方式，當室外的溫度低於散熱裝置的要求時，就可以切換自然 風冷的方式，以利用能源、節省能耗。
本技術方案還可以採用備用設備的方式來保證設備安全運行，本方案散熱 裝置可採用部分冗餘設計或全冗餘設計。部分冗餘設計是對主主要部件如室外機、水泵採用1 + 1冗餘，共用一套主管道系統的設計，當室外機或水泵出現
故障時，可啟用備用室外機或備用水泵，以保證水冷系統的正常運轉；全冗餘 設計是對室外機、水泵、供回水主管道系統都採用1+1冗餘設計，完全的一主 一備，當主水冷系統故障時可全部切換到備用系統上，以保證水冷系統的正常 運轉，冗餘設備的安裝都採用並聯方式。
本技術方案中吸風扇的多少視散熱設備的降溫要求來定， 一般在標準範圍 內多安裝一個備用吸風扇，可以對散熱設備的溫度調整範圍留出餘地，或是在 某個吸風扇出現停轉時，自動進行工作，防止出現意外，進風口的位置可以視 散熱空間形狀排列，內部的吸風扇還可以上下左右調整位置，以更方便對準發 熱源。
本方案採用控制電源和系統電源獨立供電的方式，以保證監控模塊的可靠 性，其中控制電源選用AC-DC模塊，其輸入電壓為AC220V，輸出為DC24V;系 統電源選用AC-DC模塊，其輸入電壓為AC220V，輸出為DC12V，另外還設計了 1 個12V轉5V的DC-DC模塊，給監控單元供電。
本方案的散熱裝置可以安裝在散熱設備的任何方位，熱風吸入裝置框體稜 角處安裝卡合密封裝置，可以方便與任何散熱裝置連接，由於本方案是採用吸 入式換冷方式，因此最好的實施方式是將散熱設備安裝在一個密封空間，可以 最大限定的利用整個環境溫度來對設備進行降溫。
實施例2:
如圖2所示，在實施例1基礎上本技術方案在吸風口 13還安裝有吸風圈6， 吸風圈向外延伸以對準發熱源，吸風圈6可以折向扣在發熱源上，這樣吸風扇 的風力可以直接將發熱源產生的高溫直接吸走，而不必在其散發後再吸收。
實施例3:
在實施例1基礎上本技術方案在同一個吸風口 13內的吸風扇16可以安裝多個，以適應同一高度、不同位置的發熱源，使每一個發熱源都有對應的吸風 扇工作。
實施例4:
如圖4、 5所示，在實施例1的基礎上本技術方案的熱風吸入裝置1的後封 板或側面安裝有備用空氣出氣孔7，在水冷循環裝置的導風管附近安裝進氣支管 8，當室內或是室外的溫度低於吸風扇16吸入的溫度時，可以利用出氣孔7將 機櫃內的空氣直接排到機櫃外，此時將出風口14封閉，而水冷散熱裝置就不用 對高溫空氣進行降溫。水冷散熱裝置打開空氣支管8，從室內或室外吸進較低溫 度的空氣再進行降溫，這樣可以大大減小製冷系統的負擔，也能較快的得到低 溫空氣，對機櫃內溫度的散發速度也大大加快。
權利要求
1、一種用於機櫃冷卻的散熱裝置包括熱風吸入裝置(1)、水冷循環裝置(2)和外置制冷機組(3)，其特徵在於，所述水冷循環裝置(2)包括導風管(30)、排風管(31)並通過循環水管與外置制冷機組(3)連接，所述熱風吸入裝置(1)包括進風口(13)、出風口(14)和內部的吸風扇(16)，所述熱風吸入裝置(1)通過出風口(14)與水冷循環裝置導風管(30)連接。
2、 如權利要求1所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述熱 風吸入裝置(l)為箱形立體結構，由前封板(10)、框架(11)、後封板(12)組 成，所述進風口 (13)開在前封板(10)上，吸風扇(16)安裝在後封板(12) 內表面上，吸風扇(16)與進風口 (13)之間安裝有導風圈(15),所述後封板(12)上吸風扇周圍安裝有由隔板(17)圍成的獨立風道，所述隔板(17)高 度與框架(11) 一致，所述出風口 (14)開在吸風扇的一端，所述風道出口與 出風口 (14)相通。
3、 如權利要求2所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述熱 風吸入裝置後封板外表面安裝有LCD顯示屏(20)、系統指示燈(21)、開門按 鈕(22)、控制門(23)和門禁刷卡器(19)。
4、 如權利要求2所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述熱 風吸入裝置(l)內安裝有備用吸風扇。
5、 如權利要求2所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述同 一風道內安裝有兩個吸風扇(16)。
6、 如權利要求2所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述吸 風扇(16)的吸風口 (13)有外凸的進風圈(6)。
7、 如權利要求2所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述熱 風吸入裝置內的吸風扇(16)有多個且可以自由調整位置。
8、 如權利要求l所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述水冷循環裝置(2)內部有熱交換主體，所述熱交換主體包括殼體(32)、水冷管 繞成的散熱管(35)，所述散熱管(35)表面安裝有散熱鰭片，所述散熱管(35) 上有出水口 (33)和進水口 (34)並分別與循環水管的出水管(26)和進水管 (25)連接。
9、 如權利要求l所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述外 置制冷機組(3)包括制冷機組、循環水泵(4)、電磁閥(5)。
10、 如權利要求1所述一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，其特徵在於，所述 熱風吸入裝置的後封板上有備用空氣出氣孔(7)，所述水冷循環裝置(2)的導風 管(30)處空氣進氣支管(8)。
全文摘要
本發明涉及一種用於機櫃冷卻的散熱裝置，具體涉及一種採用風水交換製冷的散熱裝置。熱風吸入裝置為箱形立體結構，箱體表面開有進風口和出風口，內部安裝有監控模塊，箱體內部進風口對應的位置上安裝有吸風扇，吸風扇通過風道與出風口連接；本方案散熱路徑短，縮短了工作過程，進而加快了散熱空間的散熱效率，吸風扇採用單獨的風道與出風口相連，各個風扇進來的風不會相互影響，而且可以視散熱空間的溫度調整做功的吸風扇個數及轉數，整個循環過程由監控系統進行控制。本方案採用部分冗餘設計或全冗餘設計，當主水冷系統故障時可全部切換到備用系統上，以保證水冷系統的正常運轉，使得效率最大化。本方案製冷路徑短、針對性強，達到效率最大化。
文檔編號H05K7/20GK101626675SQ20091009121
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月14日 優先權日2009年8月14日
發明者馮瑞軍, 軍 歷, 寧 李, 程 李, 童中原 申請人:曙光信息產業(北京)有限公司