CN113056181A - 一种风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端*** - Google Patents

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黄彬
张庭玮
陆高锋
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Abstract

本发明公开了一种风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，包括机柜单元、蓄冷单元、空调单元和支架；所述机柜单元为单行布置，位于模块化数据中心中间，进风方式为前进风，后出风；所述空调单元位于模块化数据中心顶部，通过悬挂的方式固定在空中。本发明采用相变蓄冷实现数据中心的应急供冷，***结构简单、成本低、换热效率高，材料相变潜热大、导热性能强、占用体积小，具有良好的技术效果。

Description

一种风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***
技术领域
本发明涉及数据中心供冷技术领域，尤其涉及一种风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***。
背景技术
数据中心是一类特殊的建筑，其中的主要设备为服务器，辅助***包括供配电***、制冷***、消防监控、管理***等。近年来，随着云计算的兴起，模块化数据中心作为一种新的部署形式获得了快速的发展。模块化数据中心将机柜、制冷、配电、监控等***集成在一起，降低了基础设施对环境的耦合，具有绿色节能、建设周期短、易于扩展、方便控制等优点。
数据中心承担着信息化社会基础的任务，具有数据储存、网络通信、数据计算等功能，对环境条件有着严格的要求。一旦由于意外事故(停电、网络故障、IT***误差等)造成服务器宕机，不但造成使用者的不方便，特别是对于那些重要的公共场所，比如交通***、银行、医院等，将造成巨大的经济损失。
为了满足服务器的要求，必须实现连续供电供冷。数据中心的供电***通常采用市电+UPS后备电池。当数据中心突然停电时，UPS***中的蓄电池通过逆变器把直流电转换为交流电供给服务器。同时，为了防止服务器内温度上升超过极限值引起服务器宕机，一种方法是将空调***直接接入UPS，实现连续供冷。这种方式要求UPS***具有较大的容量，成本较高；另一种方式是采用蓄冷对机房实现连续供冷。目前蓄冷的方法主要有冰蓄冷和水蓄冷。其中，冰蓄冷由于冰的凝固温度为0℃，对充冷过程要求更低的温度，需要额外的制冰机组。对于水蓄冷来说，储冷过程是一个显热释放的过程，热容相对较低，设备通常体积较大，占用了额外的空间，增加了设备的初始投资。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于风冷模块化数据中心的应急供冷末端***，以相对较低的成本实现数据中心服务器连续供冷。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何以相对较低的成本实现数据中心服务器连续供冷。
为实现上述目的，本发明提供了一种风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，包括机柜单元、蓄冷单元、空调单元和支架。
进一步地，所述机柜单元为单行布置，位于模块化数据中心中间，进风方式为前进风，后出风。
进一步地，所述空调单元位于模块化数据中心顶部，通过悬挂的方式固定在空中。
进一步地，所述空调单元包含蒸发器和风机，所述空调单元的进风口位于侧部，出风口位于下方。
进一步地，所述支架位于所述机柜单元与所述蓄冷单元之间，对所述蓄冷单元起支撑作用。
进一步地，所述蓄冷单元位于所述空调单元的出风口和所述机柜单元之间，便于降温后的空气快速进入服务器中，流动路径短，不会与其他无关结构发生热交换，有效降低中间换热损失。
进一步地，所述蓄冷单元由蓄冷板平行排列形成流道，空气自上而下流过所述流道。
进一步地，所述蓄冷单元使用的蓄冷材料为二元或三元有机复合相变材料中的一种，同时采用碳纳米颗粒增强相变材料的导热性能，相变材料的熔点和凝固点与运行工况相匹配，可在数据中心正常运行时保持固体状态，在紧急工况时释放冷量。
进一步地，所述蓄冷板的表面布有半圆柱形式的肋片，均匀分布于空气流道中，具有阻力损失系数小、换热效果强的特点。
进一步地，所述蓄冷板的外壳由铝合金制成，具有导热性能高、重量轻、价格低廉等特点。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用相变蓄冷实现数据中心的应急供冷。其充冷过程可以在数据中心正常运行情况下，采用空调出风进行冷却。相比于传统的冰蓄冷，无需额外的辅助制冷设备，***结构简单、成本较低。
(2)本发明的供冷末端中蓄冷单元位于吊顶空调出口与机柜之间，空气自上而下流过流道，流动路径短，换热效率高。
(3)本发明采用的相变材料为碳纳米颗粒增强的多元复合有机相变材料，材料相变潜热大，导热性能强。与传统的水蓄冷相比，结构简单、占用体积小。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的蓄冷单元的三维示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的蓄冷单元局部投影示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的末端***示意图。
其中，1-机柜单元，2-蓄冷单元，21-蓄冷板，22-肋片，23-空气流道，3-空调单元，31-蒸发器，32-风机，4-支架。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明一个较佳实施例的蓄冷单元2的三维结构示意图，包括蓄冷板21、相变材料(图中未示出)。相变材料是通过筛选适配得到的相变温度合适的二元或三元复合材料，使得相变材料在数据中心正常运行状态下保持固态，在紧急工况下开始释放冷量。同时，不需要额外制冷机组就可以完成充冷过程。蓄冷板21的外壳由铝合金制成，起承载相变材料和导热的作用。由于相变材料的导热系数比铝合金低很多，外壳的厚度对单个蓄冷板的传热影响可以忽略，但会影响蓄冷板的整体布置(蓄冷板的数量和流道宽度)。由于将一块实心板内部掏空的难度很大，为了便于加工，可将蓄冷板沿侧边分为两半分别加工，然后再将两个零部件组合固定，固定方式可选择焊接或者使用强力胶水进行粘连，为防止相变材料从缝隙处泄露，可在两个零部件连接处加上密封条。蓄冷板入口充注相变材料后，可通过密封盖密封。因为整块蓄冷板竖直放置，热空气自上而下流动，将相变材料的入口开在蓄冷板顶部，可有效防止相变材料的泄露。蓄冷板表面是交错排列的弓形肋片，可以加强空气侧的扰动，增强换热效果。
图2是本发明一个较佳实施例的蓄冷单元2局部投影示意图，蓄冷板21之间平行排列，可根据数据中心的负荷大小灵活调整蓄冷板21的数量和空气流道23的厚度，空气流道23可以布置成等间距，也可以非等距。简单的流道结构在增强换热的同时有效防止了更大的压降损失。蓄冷装置布置在空调单元3的下方，停电时风机32将热空气送人蓄冷单元2，变成合格的冷空气。冷空气进入密闭冷通道或直接进入机柜单元1的内部。
图3是本发明的一个较佳实施例的末端***示意图，模块化数据中心集成在集装箱内，空调单元3布置悬挂在机柜单元1的顶部，空调单元3的进风口位于侧面，风机32位于下面，临近出口。机柜单元1前进风、后出风，热风经空调单元3的侧部进入空调单元3内部，与蒸发器31交换热量，冷却后的冷风通过风机32吹入蓄冷单元2，此时为正常运行工况，蓄冷板21不释放冷量。从蓄冷单元2出来的冷空气下沉，从机柜单元1的前端进入与服务器换热。当紧急工况发生时，空调单元3内部的蒸发器31不再工作，从风机32出来的是温度较高的热风，热风流入蓄冷单元2，蓄冷板21释放冷量将空气温度降到要求范围内，冷风进入机柜单元1，保持服务器的正常运行。当紧急工况结束后，模块化数据中心又切回正常运行。从空调单元3出来的冷风流入蓄冷单元2，蓄冷板21中的相变材料重新从液态变为固态。
实施例中，机柜单元1为宽度600mm，深度800mm的42U标准机柜。
实施例中，一个蓄冷单元2与两个机柜单元1相对应，每个机柜单元1内安装5台标准2U服务器。
实施例中，支架4为钢制格栅。
实施例中，一个空调单元3对应一个蓄冷单元2。
实施例中，所选用的相变材料为质量比98:2的癸酸、硬脂酸二元混合物，经过DSC测试，相变融合温度为28.48℃，相变凝固温度为25.33℃，度区间符合应用工况且稳定性良好。
实施例中，蓄冷单元2中的相变材料加入了5％的直径为50纳米的石墨粉。
实施例中，单个蓄冷单元2对应的热负荷为6KW，蓄冷时间为5min。
实施例中，蓄冷单元2中蓄冷板21的长度为450mm，总厚度为9mm(其中外壳厚度3mm)，高度400mm，流道的宽度为4mm。
实施例中，蓄冷单元2中蓄冷板21表面的肋片22为弓形，长度为4mm，高度为2mm，蓄冷板21同侧相邻肋片22之间的间距为20mm，异侧相邻肋片22之间的间距为10mm。
实施例中，蓄冷单元2中的蓄冷板21等距排列。
实施例中，蓄冷单元2中的相变材料通过细管注入。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，包括机柜单元、蓄冷单元、空调单元和支架。
2.如权利要求1所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述机柜单元为单行布置，位于模块化数据中心中间，进风方式为前进风，后出风。
3.如权利要求1所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述空调单元位于模块化数据中心顶部，通过悬挂的方式固定在空中。
4.如权利要求1所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述空调单元包含蒸发器和风机，所述空调单元的进风口位于侧部，出风口位于下方。
5.如权利要求1所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述支架位于所述机柜单元与所述蓄冷单元之间，对所述蓄冷单元起支撑作用。
6.如权利要求1所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述蓄冷单元位于所述空调单元的出风口和所述机柜单元之间，便于降温后的空气快速进入服务器中，流动路径短，不会与其他无关结构发生热交换，有效降低中间换热损失。
7.如权利要求1所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述蓄冷单元由蓄冷板平行排列形成流道，空气自上而下流过所述流道。
8.如权利要求1所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述蓄冷单元使用的蓄冷材料为二元或三元有机复合相变材料中的一种，同时采用碳纳米颗粒增强相变材料的导热性能，相变材料的熔点和凝固点与运行工况相匹配，可在数据中心正常运行时保持固体状态，在紧急工况时释放冷量。
9.如权利要求7所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述蓄冷板的表面布有半圆柱形式的肋片，均匀分布于空气流道中，具有阻力损失系数小、换热效果强的特点。
10.如权利要求7所述的风冷直吹的模块化数据中心应急供冷末端***，其特征在于，所述蓄冷板的外壳由铝合金制成，具有导热性能高、重量轻、价格低廉等特点。
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