УСТРОЙСТВО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА В ШКАФУ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
DEVICE OF CONDITIONING FOR COOLING OF AIR IN CABINET FOR ELECTRONIC DEVICES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству кондиционирования для охлаждения воздуха в шкафу для электронных устройств или т.п.
Уровень техники
В вычислительных центрах и на промышленных предприятиях широко используется установка электронных устройств в шкафах (известных также как "стойки"), которые имеют стандартный шаговый размер, например 19 дюймов. Часто такие шкафы имеют достаточное пространство для размещения множества электронных устройств, плотно установленных друг над другом. Для функционирования этих электронных устройств наряду со снабжением их электрической энергией и данными необходимо также обеспечивать их достаточное охлаждение. Для охлаждения обычно используются устройства кондиционирования, служащие, по существу, для выработки охлаждающего воздуха, который при помощи устройств для подачи воздуха, расположенных в электронных устройствах, пропускается через электронные устройства и при этом отбирает теплоту электронных компонентов. При увеличении концентрации вычислительной мощности на единицу пространства постоянно возрастает потребность в обеспечении максимально эффективными устройствами кондиционирования, которые могут надежно и длительно вырабатывать достаточное количество холодного охлаждающего воздуха, не требуя при этом слишком большого рабочего пространства. Обычно известные устройства кондиционирования бывают оснащены простыми охлаждающими механизмами, которые основаны, например, на охлаждающем контуре с испарителем.
В современных вычислительных центрах в одном помещении находится множество рядов, состоящих из соседних друг с другом шкафов для электронных устройств и отделенных друг от друга проходами, при этом передние части шкафов для электронных устройств одного ряда могут быть обращены к передним частям шкафов для электронных устройств соседнего ряда. Передние части шкафов часто содержат воздухозаборники, которые предназначены для всасывания холодного воздуха из, так называемого, ”холодного канала”. Воздух, нагретый электронными компонентами, выходит через задние стороны шкафов для электронных устройств и попадает в, так называемый, “теплый канал”. При этом должно быть в наличии по меньшей мере одно устройство кондиционирования, которое направляет холодный воздух в холодные каналы, например охлажденный воздух, отбираемый из теплых каналов. Известен способ вдувания холодного воздуха в холодный канал через выпускные отверстия в полу. Известен также способ установки устройств кондиционирования между шкафами для электронных устройств, при этом холодный воздух вдувается из устройств кондиционирования перпендикулярно передней части соседних шкафов для электронных устройств. Такая система представляет собой открытую систему воздушного охлаждения.
Известны также закрытые системы. В них шкаф для электронных устройств и указанное устройство кондиционирования находятся в замкнутом кожухе или в общем корпусе.
Недостаток устройств кондиционирования известного уровня техники заключается в том, что воздух, охлажденный устройствами кондиционирования, в открытой системе воздушного охлаждения, не идеально подводится к охлаждаемым электронным устройствам. Подготовленный охлаждающий воздух при использовании известных выпускных устройств смешивается с нагретым воздухом прежде, чем он в конечном итоге сможет всасываться в передние части шкафов для электронных устройств с целью охлаждения электронных устройств.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей изобретения является обеспечение устройства указанного выше вида, которое позволит уменьшить или полностью устранить вышеназванные недостатки. В частности, задачей изобретения является обеспечение устройства кондиционирования, которое выполнено в виде самостоятельного независимого блока, однако, особенно эффективно направляет охлажденный воздух к шкафам для электронных устройств, поэтому подаваемый охлаждающий воздух может поступать непосредственно к отдельным электронным устройствам для их охлаждения.
Эта задача решена при помощи устройства кондиционирования с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения устройство кондиционирования согласно изобретению содержит корпус с первой стороной и второй стороной и предназначено для того, чтобы с первой стороны всасывать воздух, а со второй стороны выдувать охлажденный воздух. При этом первая сторона и вторая сторона устройства кондиционирования согласно изобретению расположены напротив друг друга, поэтому устройство кондиционирования согласно изобретению можно устанавливать между шкафами для электронных устройств и получать с его второй стороны охлаждающий воздух для использования в шкафах для электронных устройств. Это особенно эффективно для открытой системы воздушного охлаждения с теплым и холодным каналами между рядами шкафов для электронных устройств, расположенными напротив друг друга.
В соответствии со вторым аспектом изобретения вторая сторона устройства кондиционирования согласно изобретению содержит устройство для подачи воздуха, которое направляет охлаждающий воздух наружу в радиальном направлении. При этом радиальное направление следует понимать как направление, по существу, перпендикулярное оси между первой стороной и второй стороной. В соответствии с этим с первой стороны осевой входной поток воздуха поступает в устройство кондиционирования согласно изобретению, которое создает радиально направленный выходной поток воздуха на второй стороне.
В соответствии с третьим аспектом изобретения между первой стороной и второй стороной устройства кондиционирования согласно изобретению находится охлаждающее устройство, которое охлаждает входной осевой поток воздуха, прежде чем он выйдет из устройства кондиционирования в радиальном направлении.
Таким образом, устройство кондиционирования согласно изобретению, по существу, может обеспечивать поток охлаждающего воздуха для открытой системы воздушного охлаждения. Для получения особенно эффективного выходного потока воздуха, который обеспечивает идеальную подачу к соседним электронным устройствам, глубину устройства кондиционирования согласно изобретению предпочтительно выбирают таким образом, чтобы устройство для подачи воздуха или область выпуска воздуха устройства кондиционирования согласно изобретению выступала наружу относительно передних частей соседних шкафов для электронных устройств, или чтобы устройство для подачи воздуха на второй стороне устройства кондиционирования согласно изобретению было расположено таким образом относительно передней плоскости соседних шкафов для электронных устройств в осевом направлении, чтобы радиальный поток проходил параллельно передним частям соседних шкафов для электронных устройств на незначительном расстоянии от них. При этом особенно предпочтительно, чтобы выходящий поток охлаждающего воздуха имел тенденцию проходить вдоль передних поверхностей соседних шкафов для электронных устройств и прилипать к этим поверхностям, а не отделяться от них, чтобы продолжать движение в первоначально заданном направлении. Эффект прилипания потока известен как эффект Коанда по имени открывшего его ученого Анри Коанда. По причине этого прилипания потока радиально выходящий поток охлаждающего воздуха не распространяется свободно в помещении, содержащем множество шкафов для электронных устройств, где он может смешиваться с теплым воздухом, а подается к шкафам для электронных устройств, соседним с устройством кондиционирования согласно изобретению, например, к их передним частям, непосредственно в виде потока холодного воздуха, таким образом, соответствующие устройства для подачи воздуха в шкафах для электронных устройств непосредственно получают почти исключительно чистый охлаждающий воздух, который можно использовать для охлаждения электронных устройств.
Несмотря на то, что открытая системы воздушного охлаждения реализуется с независимым отдельным устройством кондиционирования, эффективность устройства кондиционирования согласно изобретению по отношению к известным устройствам кондиционирования значительно повышается, поскольку вырабатываемую мощность охлаждения не приходится затрачивать на постоянные потери, связанные со смешиванием с теплым воздухом, вместо этого почти всю мощность охлаждения, выделяемую устройством кондиционирования, можно использовать для охлаждения электронных устройств.
Еще одно особое достоинство конструкции устройства кондиционирования согласно изобретению заключается в том, что систему охлаждения, содержащую несколько устройств кондиционирования, можно очень легко масштабировать, поскольку, например, рядом с локальными источниками очень высоких тепловых нагрузок (так называемыми, "горячими точками") можно легко установить дополнительные устройства кондиционирования согласно изобретению, которые могут непосредственно подавать дополнительный охлаждающий воздух, не требуя модификации носителей электронных устройств.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство для подачи воздуха выполнено в виде радиального вентилятора, который выходит наружу из второй стороны устройства кондиционирования согласно изобретению, таким образом, чтобы выводить осевой воздушный поток, который поступает в устройство кондиционирования, в радиальном направлении параллельно граничной поверхности второй стороны.
Устройство для подачи воздуха предпочтительно выполнено с возможностью регулирования скорости вращения и, следовательно, создаваемого объемного потока воздуха, что позволяет индивидуально настраивать мощность охлаждения и подводить ее к охлаждаемым устройствам. Особенно пригодными для привода вентиляторов являются бесщеточные двигатели постоянного тока, поскольку они особенно эффективны и имеют высокий коэффициент полезного действия даже в режиме полной нагрузки.
Устройство кондиционирования воздуха согласно изобретению особенно предпочтительно содержит по меньшей мере один температурный датчик, который установлен таким образом, чтобы измерять температуру выходящего охлаждающего воздуха или входящего нагретого воздуха. Благодаря этому, реализуется параметр управления для регулирования скорости вращения устройства для подачи воздуха и/или мощности охлаждения.
В предпочтительном варианте осуществления устройство кондиционирования согласно изобретению содержит по меньшей мере одно устройство сопряжения по меньшей мере для одного температурного датчика, который находится на соседнем охлаждаемом устройстве. Температуру, измеренную на обратной стороне соседнего охлаждаемого устройства, которое обычно представляет собой шкаф для электронных устройств или электронное устройство в шкафу для электронных устройств, можно использовать для управления объемным потоком воздуха и/или теплообменника. Используя обратную связь температуры, измеренной в соседнем устройстве, можно, например, также исключить подачу недостаточной мощности охлаждения при охлаждении особенно мощных устройств.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения на второй стороне устройства кондиционирования согласно изобретению распределены несколько радиальных вентиляторов, таким образом, по всей высоте конструкции устройства кондиционирования согласно изобретению возникает максимально возможный равномерный радиальный поток воздуха. Кроме того, каждый из этих радиальных вентиляторов предпочтительно может обеспечивать индивидуальное регулирование температуры входящего или выходящего воздуха по высоте конструкции при помощи индивидуального регулирования скорости вращения или регулирования создаваемого объемного потока воздуха для того, чтобы иметь возможность реагировать на индивидуальные требования к охлаждению. Для этого по высоте устройства кондиционирования согласно изобретению можно установить несколько температурных датчиков, чтобы обеспечить индивидуальную подгонку температуры по высоте конструкции в соответствии с требованиями к охлаждению. В особенно предпочтительном варианте осуществления теплообменник содержит несколько сегментов, при этом к каждому радиальному вентилятору относится собственный индивидуально управляемый сегмент теплообменника. Таким образом, можно индивидуально управлять не только объемным потоком воздуха каждого радиального вентилятора, но также и относящимся к нему сегментом теплообменника.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство кондиционирования содержит на второй стороне выступающую раму, в которой установлено устройство для подачи воздуха. Эта рама служит для защиты устройства для подачи воздуха от механических повреждений, поскольку оно согласно изобретению отстоит на некотором расстоянии от единой передней плоскости соседних шкафов для электронных устройств и поэтому может быть подвержено повреждениям по недосмотру. Эта выступающая рама предпочтительно имеет решетчатую обшивку, которая обеспечивает боковой выход охлаждающего воздуха.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство кондиционирования содержит трубопроводы, которые служат для определенной ориентации и гармонизации выходящего охлаждающего воздуха. Они могут быть установлены, например, в вышеуказанной выступающей раме, а именно, на ее боковых поверхностях. Эти трубопроводы можно также использовать для того, чтобы полностью перекрывать радиальный вывод охлаждающего воздуха с одной стороны устройства кондиционирования согласно изобретению в том случае, если шкаф для электронных устройств расположен только с одной стороны от устройства кондиционирования.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения указанные трубопроводы могут быть ориентированы таким образом, чтобы, по возможности, идеально реализовать эффект Коанда, например, при помощи более сильного концентрирования выходящего воздушного потока или путем подгонки к возможным криволинейным участкам передних частей соседних шкафов для электронных устройств.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство кондиционирования содержит охлаждающее устройство, которое может охлаждать поступающий теплый воздух. Охлаждающее устройство может представлять собой самостоятельное устройство для активной выработки холодильной энергии, которое установлено, например, непосредственно внутри устройства кондиционирования согласно изобретению. Альтернативно этому охлаждающее устройство может быть выполнено только в виде теплообменника, в который подается централизованно охлажденная на другом участке охлаждающая среда для того, чтобы охлаждать проходящий теплый воздух.
При использовании активного охлаждающего устройства предпочтительно оснащать его компрессорами с регулируемой скоростью вращения. Это позволяет регулировать мощность охлаждения, благодаря чему можно уменьшить стоимость энергии и дополнительно повысить энергоэффективность устройств. За счет использования бесщеточных двигателей постоянного тока даже в режиме полной нагрузки обеспечивается очень высокий коэффициент полезного действия.
Регулирование скорости вращения вентиляторов и компрессоров можно реализовать при помощи одного центрального блока регулирования, который может контролироваться и управляться блоком управления. При этом блок регулирования может устанавливать величину напряжения для работы управляемых компонентов, альтернативно этому - частоту напряжения или далее альтернативно - задавать регулируемый параметр, которые сравниваются автономными блоками управления в управляемых компонентах или вблизи управляемых компонентов с фактическими величинами для обеспечения управления.
Краткое описание чертежей
Другие признаки, достоинства и возможности применения настоящего изобретения представлены в следующем описании примеров осуществления и иллюстрированы чертежами. При этом все описанные и/или иллюстративно представленные признаки отдельно и в любой комбинации образуют предмет изобретения, в том числе независимо от их сочетания в отдельных пунктах формулы изобретения или их взаимосвязи. При этом одинаковые или аналогичные объекты на чертежах обозначены одинаковыми номерами.
На фигурах 1а, 1b, 1c, 1d, 1e и 1f показан первый пример осуществления устройства кондиционирования согласно изобретению.
На фигурах 2а, 2b, 2c, 2d, 2e и 2f показан второй пример осуществления устройства кондиционирования согласно изобретению.
На фигурах 3а, 3b, 3c и 3d показана принципиальная схема устройства кондиционирования согласно изобретению, при этом на фигуре 3d) устройство кондиционирования согласно изобретению показано во встроенном положении.
Осуществление изобретения
На фигуре 1а показан вид с первой стороны устройства 2 кондиционирования согласно изобретению. Устройство 2 кондиционирования содержит воздушно-жидкостной теплообменник 4, который при помощи трубопроводов 6 соединяется с непоказанным центральным холодильным агрегатом для подачи охлажденной охлаждающей среды. Воздух при помощи радиальных вентиляторов 10, используемых в качестве устройств для подачи воздуха, всасывается в устройство 2 кондиционирования воздуха с первой стороны 8, показанной справа на виде сзади устройства 2 кондиционирования согласно изобретению, проходит через теплообменник 4, в который подается охлаждающая среда, охлаждается при этом и выходит из устройства 2 кондиционирования через отверстия 12 в задней стенке устройства 2 кондиционирования согласно изобретению. Это означает, что воздух поступает с первой стороны 8 устройства 2 кондиционирования согласно изобретению, охлаждается, проходит при этом в направлении второй стороны 14 устройства 2 кондиционирования согласно изобретению, там он отклоняется радиальными вентиляторами 10, по существу, на 90°, т.е., по существу, параллельно второй стороне 14, и выходит из устройства 2 кондиционирования.
Отверстия 12 могут быть выполнены в виде решетки с отверстиями, которая закрывает часть устройства 2 кондиционирования согласно изобретению для того, чтобы, например, защитить вентиляторы 10 от повреждений.
Устройство 2 кондиционирования согласно изобретению предпочтительно выполнено с возможностью его установки между шкафами для электронных устройств или рядом с ними, при этом передняя выпускная область 16 с боковыми отверстиями 12 явно удалена в пространстве от передней части шкафов для электронных устройств, поэтому воздух, выходящий через отверстия 12 в решетке, может проходить вдоль передней части шкафов для электронных устройств и прилипать к ней. Благодаря автономной конструкции устройства кондиционирования согласно изобретению, для реализации особенно эффективного охлаждения не требуется каких-либо модификаций соседних шкафов для электронных устройств.
Вид спереди устройства 2 кондиционирования согласно изобретению на фигуре 1b наглядно показывает, что при относительно малой ширине можно обеспечить особенно эффективное охлаждение соседних шкафов для электронных устройств. Устройство 2 кондиционирования согласно изобретению по сравнению с обычными шкафами для электронных устройств требует очень мало места по ширине.
Как показано на фигуре 1с, теплообменник 4 наклонно установлен внутри устройства 2 кондиционирования согласно изобретению, поэтому проходящий воздух может охватывать относительно большую поверхность теплообменника 4.
Далее на фигуре 1d показан вид сверху, на котором видны компоненты устройства кондиционирования согласно изобретению с фигур 1а-1с, при этом здесь особенно отчетливо видно, что теплообменник 4 установлен наклонно, т.е. под углом к оси между первой стороной 8 и второй стороной 14. Благодаря этому, за счет особенно хорошего использования имеющегося объема можно максимизировать активную поверхность теплообменника 4.
И, наконец, на фигурах 1е и 1f показан первый пример осуществления устройства 2 кондиционирования согласно изобретению в двух различных изометрических проекциях. Для наглядности решетка 12 удалена, что открывает вид на вентиляторы 10. Для защиты от повреждений и загрязнений первая сторона 8 закрыта предохранительной решеткой 18, которая может быть, например, подвешена на шарнирных петлях 20 для того, чтобы обеспечить доступ к трубопроводам 6 и другим компонентам устройства кондиционирования. И, наконец, для управления устройством 2 кондиционирования согласно изобретению на второй стороне 14 расположен блок 22 управления, который может управлять, например, расположением клапанов трубопроводов 6 для того, чтобы индивидуально, в соответствии с потребностью регулировать прохождение охлаждающей среды и тем самым мощность охлаждения.
Трубопроводы 6 входят, например, в основание 24 и поднимаются до верхней крышки 26, поэтому присоединительные трубопроводы можно использовать выше или ниже устройства 2 кондиционирования согласно изобретению.
На фигурах 2а-2f показан второй пример осуществления устройства 28 кондиционирования согласно изобретению, которое, по существу, отличается от устройства 2 кондиционирования согласно изобретению в первом примере осуществления встроенным компактным активным охлаждающим устройством 30. Это особенно предпочтительно для небольших вычислительных центров или для отдельно стоящих шкафов для электронных устройств в производственных условиях, когда применение центральной холодильной установки для обеспечения теплообменников охлажденной охлаждающей средой является экономически нецелесообразным. В основу охлаждающего устройства 30, показанного здесь лишь схематически, может быть положен, например, известный из бытовых холодильников контур охлаждения с испарителем. В воздушно-жидкостной теплообменник 32 от охлаждающего устройства 30 подается охлажденная жидкость, поэтому воздушный поток, проходящий от первой стороны 8 ко второй стороне 14, подвергается охлаждению. Как показано, воздушно-жидкостной теплообменник 32 из-за отсутствия свободного пространства может быть расположен не наклонно внутри устройства 28 кондиционирования согласно изобретению, поскольку охлаждающее устройство 30 может занимать монтажное пространство, необходимое для наклонной установки теплообменника, однако, это можно компенсировать увеличенной глубиной воздушно-жидкостного теплообменника 32.
При этом во втором примере осуществления устройство 28 кондиционирования согласно изобретению также может иметь относительно малую ширину по сравнению с обычными шкафами для электронных устройств, как видно на фигуре 2b.
И, наконец, на фигурах 2е и 2f второй пример осуществления устройства 28 кондиционирования согласно изобретению представлен в двух различных изометрических проекциях, которые показывают внутреннюю конструкцию.
Как указано выше, принцип изобретения основан на том, что устройство 2 или 28 кондиционирования согласно изобретению обеспечивает открытое воздушное охлаждение электронных устройств, расположенных в соседних шкафах для электронных устройств, однако, при этом оно позволяет устранить недостатки, известные для устройств существующего уровня техники. Это можно осуществить благодаря тому, что выпускная область 16 устройства 2 или 28 кондиционирования согласно изобретению отстоит от передних частей соседних шкафов для электронных устройств, и охлажденный воздух выходит радиально вдоль передних частей этих соседних шкафов для электронных устройств. Охлаждающий воздух проходит непосредственно вдоль передних частей шкафов для электронных устройств и должен только всасываться в соответствующие шкафы для электронных устройств, чтобы обеспечить охлаждение. Этот принцип согласно изобретению использует эффект Коанда, который описывает прилипание потока к плоскостям.
Фигуры 3а-3d дополнительно поясняют этот принцип. На фигурах 3а-3c показаны примеры осуществления устройства 2 или 28 кондиционирования согласно изобретению в схематическом виде. Первая сторона 8, т.е. задняя сторона, устройства 2 или 28 кондиционирования согласно изобретению, направлена к, так называемому, "теплому каналу" с отработанным нагретым охлаждающим воздухом, в то время как вторая сторона 14, т.е. передняя сторона, направлена к "холодному каналу" со свежим охлажденным охлаждающим воздухом. Можно факультативно измерять температуру входящего воздуха при помощи температурных датчиков 9 для того, чтобы по мере необходимости регулировать скорость вращения радиальных вентиляторов 10. На фигуре 3b показано несколько температурных датчиков 9, которые распределены по высоте конструкции устройства 2 кондиционирования согласно изобретению и, таким образом, позволяют индивидуально регулировать скорости вращения всех радиальных вентиляторов. Альтернативно этому или дополнительно можно также установить один или несколько температурных датчиков на выходной стороне теплообменника. Особенно предпочтительно установить температурные датчики на различной высоте на задней стороне охлаждаемых соседних шкафов для электронных устройств и использовать полученные там температурные данные для регулирования общей или индивидуальной скорости вращения радиальных вентиляторов 10 и/или - если для каждого вентилятора предпочтительным образом имеется собственный отдельно управляемый сегмент теплообменника - также индивидуально управлять сегментами теплообменника.
В заключение на фигуре 3d показано устройство 2 или 28 кондиционирования согласно изобретению, установленное между двумя шкафами для электронных устройств 34, вдоль передних частей 36 которых холодный воздух выходит из радиальных вентиляторов 10 и согласно эффекту Коанда прилипает к этим передним частям.
Примеры осуществления устройства кондиционирования согласно изобретению особенно эффективны, благодаря эффекту Коанда для радиально выходящего охлаждающего воздуха. При этом следует указать, что устройство кондиционирования согласно изобретению не ограничено описанными примерами осуществления. Более того, предметом изобретения является любое возможное видоизменение технического исполнения с устройствами для подачи воздуха, расположенными более или менее друг над другом или рядом друг с другом, с различными внутренними или внешними охлаждающими устройствами, исполнениями теплообменников и аэродинамическими деталями.