CN106163242B - 一种机柜换热系统及服务器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机柜换热系统及服务器，涉及服务器技术领域，能够在满足IT设备内的器件散热的要求的前提下，使换热器不占用机柜的外部空间并且其不需要单独设置风扇。该机柜换热系统包括：机柜，所述机柜内设有插框，所述插框内设有IT设备和风扇，所述机柜的内壁与所述插框之间设有换热器，所述风扇产生的气流在所述机柜内部形成风循环回路，所述IT设备和所述换热器均处于所述风循环回路中。本发明可用于服务器产品中IT设备机柜的散热。

Description

一种机柜换热系统及服务器

技术领域

本发明涉及服务器技术领域，尤其涉及一种机柜换热系统及服务器。

背景技术

在IT设备单板布局的服务器产品(比如E9000服务器)中，一般包括CPU(centralprocessing unit中央处理器)、内存、硬盘、RAID卡(Redundant Array of IndependentDisks独立磁盘冗余阵列)等器件，目前的IT设备散热方案一般将CPU和内存进行液冷设计，两者热量通过液冷冷板带走，并通过管路将热量带到机房外面，其它器件如硬盘和RAID卡等使用IT设备自带的风扇吹出的风散热，而风带走的热量则由机房空调制冷。由于使用空调对风冷带走的热量制冷不利于能效的提升，因此，业界出现了一些全液冷方案(100％)，即单板上所有器件的热量都通过液冷带走。

现有的一种服务器产品的机柜换热系统，如图1所示，在两个IT机柜01之间设置一个换热机柜03，换热机柜03里有换热器04和风扇05，换热器04一般为管翅式结构，IT设备02中没有通过液冷冷板直接带走的器件热量由风扇05吹出的风散热，风带走的热量则通过换热器04的管路中的液体带走，这样就实现了全液冷。

但是，在实际的应用中发明人发现如下问题：由于在两个IT机柜01中间设置一个换热器04，这样太占用机房空间。另外，换热器04自身带风扇05，不利于机柜的节能。

发明内容

本发明实施提供一种机柜换热系统，能够在满足IT设备内的器件散热的要求的前提下，使换热器不占用机柜的外部空间并且其不需要单独设置风扇。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，公开了一种机柜换热系统，包括：机柜，机柜内设有插框，插框内设有IT设备和风扇，机柜的内壁与插框之间设有换热器，风扇产生的气流在机柜内部形成风循环回路，IT设备和换热器均处于风循环回路中。

由于换热器是设置在机柜的内壁与插框之间，这样就无需单独设置一个换热柜用来放置换热器，换热器就不需要占用机柜的外部空间。由于插框内的风扇产生的气流在机柜内部形成风循环回路，IT设备和换热器均处于风循环回路中，这样风扇产生的气流能够将IT设备产生的热量带走，并在换热器处进行热交换生成温度较低的气流后再送至IT设备处对IT设备内的器件进行降温，插框内的风扇就能够满足IT设备内的器件散热的要求，由于插框内的风扇是IT设备自带的风扇，这样换热器就无需单独再设置风扇。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，

换热器为热管换热器，插框内设有与IT设备接触换热的液冷装置，液冷装置连接有机柜进液管和机柜出液管，热管换热器与机柜进液管接触换热。

由于插框内设有与IT设备接触换热的液冷装置，液冷装置连接有机柜进液管和机柜出液管，这样机柜进液管中的液体，就会进入到与IT设备接触换热的液冷装置中，IT设备中的元器件产生的热量就会被液冷装置中的液体所吸收，并通过机柜出液管排出机柜。同时，风扇所产生的气流将IT设备中不适宜用液冷散热元件产生的热量带走，该气流在热管换热器处发生热交换，其热量被热管换热器吸收。由于热管换热器与机柜进液管接触，热管换热器吸收的热量再次被机柜进液管中的液体所吸收，并通过机柜出液管排出机柜。通过液冷装置与热管换热器的配合，能够将IT设备中的元器件产生的热量带走，达到全液冷散热的目的。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，

热管换热器包括热管，热管内通有冷却介质，热管的外表面与机柜进液管的外表面接触换热。

由于热管的外表面可以与机柜进液管的外表面接触，这样热管换热器与风扇吹来的气体热交换并由冷却介质吸收的热量则被机柜进液管中的液体吸收，液体由机柜出液管将热量带出机柜。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，

热管上的连接有翅片。翅片可以增大热管与气流的换热面积。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，

热管换热器可以直接固定在机柜进液管上，比如焊接，另外，也可以通过导热连接板固定于机柜进液管上，导热连接板与机柜进液管之间为面接触。相比直接固定在机柜进液管上，热管换热器通过导热连接板固定于机柜进液管上，可以增大与热管和机柜进液管的接触面积，热管中的热量可以充分通过导热板传递给机柜进液管中的液体，从而提高了换热效率。

结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，

导热连接板与机柜进液管可以焊接，也可以通过螺钉连接。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，

当导热连接板与机柜进液管通过螺钉连接时，导热连接板与机柜进液管之间设有导热层。

由于用螺钉连接时，导热连接板与机柜进液管之间容易产生间隙，这样会影响热传效率，因此，在导热连接板与机柜进液管之间设有导热层可以填补它们之间的间隙，从而提高了热传效率。

结合第一方面，在第一方面的第七种可能的实现方式中，

换热器为管翅式换热器，管翅式换热器包括换热管和固定于换热管上的翅片，换热管串接于通有冷却介质的冷却液回路内。

当热气流通过换热管上翅片的间隙时，气流会将热量通过翅片传递给换热管，这时在换热管中流动的冷却介质会将热量吸收并通过冷却液回路转移到别处。

结合第一方面的第七种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，

换热管和液冷装置可以分别串接与两个不同的冷却液回路中，另外，换热管和液冷装置也可以并联串接于同一个冷却液回路中，具体地，插框内设有与IT设备接触换热的液冷装置，液冷装置连接有机柜进液管和机柜出液管，机柜进液管、液冷装置和机柜出液管形成的流路串接于冷却液回路内且与换热管并联。相比换热管和液冷装置串接有两个不同的冷却液回路，这样可以使冷却液回路更简单，有利于节能，机柜上也不必设置两个进液管和出液管，同时，换热管中的冷却介质与液冷装置中的液冷液同为一种液体，更有利于其在换热管和液冷装置中循环流动。

结合第一方面的第七种可能的实现方式，在第一方面的第九种可能的实现方式中，

管翅式换热器相对于机柜的内壁设置方式可以平行设置，另外，也可以倾斜设置，即使气流通过管翅式换热器的风道呈Z字形，相比平行设置，管翅式换热器相对于机柜的内壁倾斜设置，气流沿Z字形风道通过管翅式换热器可以显著提高换热效率。这是由于管翅式换热器左右侧面大于上下侧面，倾斜设置可以使一部分气流沿Z字形风道从其左右侧面通过，增大了气流与管翅式换热器的接触面积，使气流与管翅式换热器充分接触并换热，从而提高了换热效率。

结合第一方面的第九种可能的实现方式，在第一方面的第十种可能的实现方式中，

管翅式换热器相对于机柜的内壁的倾斜角度为10度～30度。这样可以在不增加机柜体积的前提下，增加气流与管翅式换热器的接触面积。

结合第一方面或第一方面的第一至第十种可能的实现方式中的任一项，在第一方面的第十一种可能的实现方式中，

换热器为两个，两个换热器对称设置于机柜的两相对内壁处，插框内设有两个风扇，两个风扇分别靠近两个换热器设置。

由于两个换热器对称设置于机柜的两相对内壁处，不但可以增加机柜内IT设备的散热效果而且还有利于机柜的平衡。另外，两个风扇分别靠近两个换热器设置，这样可以提高气体与换热器的换热效率，避免了两个风扇离换热器过远导致气流到达换热器时过少。

结合第一方面或第一方面的第一至第十种可能的实现方式中的任一项，在第一方面的第十二种可能的实现方式中，

换热器内的冷却介质为热水，热水的温度为40℃～50℃。这样可以使机柜换热系统更加节能。

第二方面，公开了一种服务器，包括上述第一方面及其的任一种可能实现方式中的机柜换热系统。

由于在第二方面公开的服务器中使用的机柜换热系统与上述第一方面及其各种可能的实现方式公开的机柜换热系统相同，因此二者能够解决相同的技术问题，并达到相同的预期效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为现有的机柜换热系统示意图；

图2为本发明实施例提供的机柜换热系统示意图；

图3为本发明实施例一中提供的机柜换热系统示意图；

图4为本发明实施例一中提供的机柜换热系统中热管换热器与机柜进水管连接示意图(B为气流的方向)；

图5为本发明实施例一中提供的机柜换热系统中热管换热器与机柜进水管连接A向视图；

图6为本发明实施例二中提供的机柜换热系统示意图(管翅式换热器平行设置)；

图7为本发明实施例二中提供的机柜换热系统中管翅式换热器管路进出水示意图(B为气流的方向)；

图8为本发明实施例二中提供的机柜换热系统中管翅式换热器倾斜设置示意图；

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面是本发明实施例中出现的名词解释：

PUE：(Power Usage Effectiveness电源使用效率)PUE值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。PUE值是指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高，能效水平越好。

RAID：(Redundant Array of Independent Disks独立磁盘冗余阵列)一种把多块独立的硬盘(物理硬盘)按不同方式组合起来形成一个硬盘组(逻辑硬盘)，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据冗余的技术。

RAID卡：就是用来实现RAID功能的板卡，通常是由I/O处理器、硬盘控制器、硬盘连接器和缓存等一系列零组件构成的。

本发明实施例提供一种机柜1散热系统，如图2所示，包括机柜1，机柜1内设有插框，插框内设有IT设备2和风扇4，机柜1的内壁与插框之间设有换热器3，风扇4产生的气流在机柜1内部形成风循环回路，IT设备2和换热器3均处于风循环回路中。

由于换热器3是设置在机柜1的内壁与插框之间，这样可以最大限度地利用了机柜1的内部空间，使机柜1内部设备布置更加紧凑，就无需单独设置一个换热柜用来放置换热器3，换热器3就不需要占用机柜1的外部空间。由于插框内的风扇4产生的气流在机柜1内部形成风循环回路，IT设备2和换热器3均处于风循环回路中，这样风扇4产生的气流能够将IT设备2产生的热量带走，并在换热器3处进行热交换生成温度较低的气流后再送至IT设备2处对IT设备2内的器件进行降温，插框内的风扇4就能够满足IT设备2内的器件散热的要求。由于插框内的风扇4是系统自带的风扇，这样换热器3就无需单独再设置风扇，使该换热系统更节能。因此，该方案能够满足IT设备2内的器件散热的要求的前提下，使换热器3不占用机柜1的外部空间并且其不需要单独设置风扇。

实施例一

换热器3的种类并不唯一，比如换热器3可以是热管换热器31，也可以是管翅式换热器32等。本实施例中换热器3为热管换热器31，具体地，如图3所示，换热器3为热管换热器31，插框内设有与IT设备2接触换热的液冷装置，液冷装置连接有机柜进液管5和机柜出液管6，热管换热器31与机柜进液管5接触换热。由于插框内设有与IT设备2接触换热的液冷装置，液冷装置连接有机柜进液管5和机柜出液管6，这样机柜进液管5中的液体，比如水等，就会进入到与IT设备2接触换热的液冷装置中，IT设备2中的元件产生的热量就会被液冷装置中的液体所吸收，并通过机柜出液管6排出机柜1。同时，热管换热器31与机柜进液管5接触换热，具体过程是：风扇4所产生的气流将IT设备2中不适宜液冷散热元件产生的热量带走，该气流在热管换热器31处发生热交换，其热量被热管换热器31吸收。由于热管换热器31与机柜进液管5接触，热管换热器31吸收的热量再次被机柜进液管5中的液体所吸收，并通过机柜出液管6排出机柜1。通过液冷装置与热管换热器31的配合，能够将IT设备2中的元器件产生的热量带走，达到全液冷散热的目的。

需要说明的是：IT设备2单板中有些元件适合液冷散热，比如CPU、内存等，另外还有一些不适宜液冷散热，比如硬盘、RAID卡等，这是由于硬盘和RAID卡要插拔维护，特别是硬盘要单独插拔，不断电维护，不方便用液冷散热，如果硬盘和RAID卡也用液冷散热，则液冷冷板结构非常复杂，散热成本也很高。IT设备2中这部分不适宜液冷散热的元件产生的热量则由风扇4吹出的气流带走并在换热器3处换热，最后由换热器3中的液体带走。

参见图4和图5，热管换热器31包括热管311，热管311内通有冷却介质，热管311的外表面与机柜进液管5的外表面接触换热。当热气流通过热管换热器31时，气流与和其相接触的这部分热管311发生热交换，热管311中的冷却介质发生状态改变(比如蒸发)并吸收了气体的热量，此时这部分热管311压力升高，使冷却介质向热管311的另一部分(不与气流相接触的部分，即与机柜进液管5的外表面接触的部分)运动，并把热量带到热管311的这一部分，并与机柜进液管5的外表面接触换热，机柜进液管5中的液体吸收了这部分热量，而热管311中的冷却介质则恢复到原来的状态，并回到了热管311与气流相接触的那部分，以此循环，以完成将温度较高的气流的热量传递给机柜进液管5中液体。

参见图4和图5，为了增大热管311与气流的换热面积，优选在热管311上连接有翅片312。由于翅片312是由导热性很强的材料制成的薄片，当热气流通过热管311上翅片312的间隙时，翅片312与气流有很大的接触面积，气流的热量就很容易通过翅片312传递给热管311，这样就增大了气流与热管311的换热面积，提高了换热效率。

其中，热管311与机柜进液管5可以直接连接，比如焊接，另外，如图4和图5所示，热管换热器31也可以通过导热连接板313固定于机柜进液管5上，导热连接板313与机柜进液管5之间为面接触。相比热管311与机柜进液管5直接连接，导热连接板313可以增大与热管311和机柜进液管5的接触面积，热管311中的热量可以充分通过导热板传递给机柜进液管5中的液体，从而提高了换热效率。

导热连接板313与机柜进液管5的连接方式可以是焊接，也可以通过螺钉连接，这里不做限定。当导热连接板313与机柜进液管5通过螺钉连接时，为了提高导热板与机柜进液管5之间的热传效率，优选在导热连接板313与机柜进液管5之间设有导热层。由于用螺钉连接时，导热连接板313与机柜进液管5之间容易产生间隙，这样会影响热传效率，因此，在导热连接板313与机柜进液管5之间设有导热层可以填补它们之间的间隙，从而提高了热传效率。其中，导热层可以是导热垫，也可以是硅油等，在此不作限定。

实施例二

本实施例中的换热器3为管翅式换热器32。具体地，如图6所示，换热器3为管翅式换热器32，管翅式换热器32包括换热管321和固定于换热管321上的翅片322，换热管321串接于通有冷却介质的冷却液回路内。当热气流通过换热管321上翅片322的间隙时，气流会将热量通过翅片322传递给换热管321，这时在换热管321中流动的冷却介质会将热量吸收并通过冷却液回路转移到别处。为了提高管翅式换热器32换热效率，换热管321可以优选设计呈蛇形，这样可以增加翅片322与换热管321的接触面积，从而提高了换热效率。

其中，换热管321和液冷装置可以分别串接与两个不同的冷却液回路中，另外，换热管321和液冷装置也可以并联串接于同一个冷却液回路中，具体地，如图7所示，插框内设有与IT设备2接触换热的液冷装置，液冷装置连接有机柜进液管5和机柜出液管6，机柜进液管5、液冷装置和机柜出液管6形成的流路串接于冷却液回路内且与换热管321并联。相比换热管321和液冷装置串接有两个不同的冷却液回路，图7中所示方案可以使冷却液回路更简单，有利于节能，机柜1上也不必设置两个进液管和出液管，同时，换热管321中的冷却介质与液冷装置中的液冷液同为一种液体，更有利于其在换热管321和液冷装置中循环流动。

进一步地，管翅式换热器32相对于机柜1的内壁设置方式可以平行设置(如图6所示)，另外，如图8所示，也可以倾斜设置，即使气流通过管翅式换热器32的风道呈Z字形，相比平行设置，管翅式换热器32相对于机柜1的内壁倾斜设置，气流沿Z字形风道通过管翅式换热器32可以显著提高换热效率。这是由于管翅式换热器32左右侧面大于上下侧面，倾斜设置可以使一部分气流沿Z字形风道从其左右侧面通过，增大了气流与管翅式换热器32的接触面积，使气流与管翅式换热器32充分接触并换热，从而提高了换热效率。

为了在不增加机柜1体积的前提下，增加气流与管翅式换热器32的接触面积，管翅式换热器32相对于机柜1的内壁的倾斜角度优选为10度～30度。如果倾斜角度过小，大部分气流从管翅式换热器32的下部侧面向上通过，只有一少部分气体是从管翅式换热器32的左右侧面通过，这样气流与管翅式换热器32的接触面积增加的不明显；如果倾斜角度过大，虽然大幅度增加了气流与管翅式换热器32的接触面积，但这样使机柜1的左右宽度增加，从而使机柜1的体积也随之增加，增大了占用机房的空间。

为了最大限度地利用机柜1有限的空间对机柜1内IT设备2进行散热，如图3、图6和图8所示，优选地，换热器3为两个，两个换热器3对称设置于机柜1的两相对内壁处，插框内设有两个风扇4，两个风扇4分别靠近两个换热器3设置。由于两个换热器3对称设置于机柜1的两相对内壁处，不但可以增加机柜1内IT设备2的散热效果而且还有利于机柜1的平衡。另外，两个风扇4分别靠近两个换热器3设置，这样可以提高气体与换热器3的换热效率，避免了两个风扇4离换热器3过远导致气流到达换热器3时过少。

为了使机柜1换热系统更加节能，优选地，换热器3内的冷却介质为热水，热水的温度为40℃～50℃。如果水的温度过低，比如用冰冻水冷却，则需要用制冷设备将水温降低，这个过程需要消耗大量电能；如果水的温度过高，使水冷散热效果减弱，因此，水的温度优选为40℃～50℃，这样可以降低能耗，使该系统的PUE值小于1.1。

本发明实施例还提供了一种服务器，包括上述任一实施例所述的机柜换热系统。

由于在本实施例的服务器中使用的机柜换热系统与上述各实施例中提供的机柜换热系统相同，因此二者能够解决相同的技术问题，并达到相同的预期效果。关于本发明实施例的服务器的其它构成等已为本领域的技术人员所熟知，在此不再详细说明。上述服务器可以为E9000服务器等，在此不做限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种机柜换热系统，包括机柜，所述机柜内设有插框，所述插框内设有IT设备和风扇，其特征在于，所述机柜的内壁与所述插框之间设有换热器，所述风扇产生的气流在所述机柜内部形成风循环回路，所述IT设备和所述换热器均处于所述风循环回路中；

所述插框内设有与所述IT设备接触换热的液冷装置，所述液冷装置连接有机柜进液管和机柜出液管。

2.根据权利要求1所述的机柜换热系统，其特征在于，所述换热器为热管换热器，所述热管换热器与所述机柜进液管接触换热。

3.根据权利要求2所述的机柜换热系统，其特征在于，所述热管换热器包括热管，所述热管内通有冷却介质，所述热管的外表面与所述机柜进液管的外表面接触换热。

4.根据权利要求3所述的机柜换热系统，其特征在于，所述热管上的连接有翅片。

5.根据权利要求2所述的机柜换热系统，其特征在于，所述热管换热器通过导热连接板固定于所述机柜进液管上，所述导热连接板与所述机柜进液管之间为面接触。

6.根据权利要求5所述的机柜换热系统，其特征在于，所述导热连接板与所述机柜进液管焊接或通过螺钉连接。

7.根据权利要求6所述的机柜换热系统，其特征在于，当所述导热连接板与所述机柜进液管通过螺钉连接时，所述导热连接板与所述机柜进液管之间设有导热层。

8.根据权利要求1所述的机柜换热系统，其特征在于，所述换热器为管翅式换热器，所述管翅式换热器包括换热管和固定于所述换热管上的翅片，所述换热管串接于通有冷却介质的冷却液回路内。

9.根据权利要求8所述的机柜换热系统，其特征在于，所述机柜进液管、液冷装置和机柜出液管形成的流路串接于所述冷却液回路内且与所述换热管并联。

10.根据权利要求8所述的机柜换热系统，其特征在于，所述管翅式换热器相对于所述机柜的内壁倾斜设置。

11.根据权利要求10所述的机柜换热系统，其特征在于，所述管翅式换热器相对于所述机柜的内壁的倾斜角度为10度～30度。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的机柜换热系统，其特征在于，所述换热器为两个，两个所述换热器对称设置于机柜的两相对内壁处，所述插框内设有两个风扇，两个所述风扇分别靠近两个所述换热器设置。

13.根据权利要求1～11中任一项所述的机柜换热系统，其特征在于，所述换热器内的冷却介质为热水，所述热水的温度为40℃～50℃。

14.一种服务器，其特征在于，包括权利要求1～13中任一项所述的机柜换热系统。