ТЕПЛООБМЕННИК И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СЕТЕВЫХ ШКАФОВ
HEAT EXCHANGER AND METHOD OF NETWORK CABINET COOLING

Изобретение относится к теплообменнику для охлаждаемых жидкостью сетевых шкафов в соответствии с ограничительной частью п.1 и к способу охлаждения сетевых шкафов в соответствии с ограничительной частью п.19 формулы.
Известные теплообменники для охлаждаемых жидкостью сетевых шкафов являются воздушно-жидкостными теплообменниками, в частности воздушно-водяными теплообменниками, которые пригодны для отвода высоких мощностей потерь из сетевых шкафов, в частности серверных шкафов.
Из DE 202004006552 U1 и WO 2005/104642 А1, а также из Интернет-представления «CoolTherm» фирмы «Кнюрр АГ» известен охлаждаемый жидкостью серверный шкаф, который в нижней части и, тем самым, под расположенными друг над другом серверами содержит воздушно-водяной теплообменник. Он подключен к сети здания, температура воды на входе составляет около 12°С, а все отходящее тепло отводится через охлаждающий водяной контур наружу, не влияя на климат помещения. Воздух в шкафу направляется в замкнутом контуре, причем предпочтительно реализуются одинаковые по длине пути течения через все серверы. При этом охлаждающий воздух из теплообменника с температурой 20-25°С всасывается с передней стороны вентиляторами серверов и отдается на задней стороне с повышенной температурой. Этот вытяжной воздух отсасывается за серверами и с помощью вентиляторов нагнетается через вытяжной канал в задней дверце шкафа вниз в теплообменник.
Известный серверный шкаф «CoolTherm» с расположенным со стороны дна воздушно-водяным теплообменником обеспечивает высокую мощность охлаждения, выше 4-6 кВт на шкаф, так что могут быть встроены высокомощные серверы и в вычислительных центрах также в ряд могут быть установлены серверные шкафы с очень высокой плотностью размещения.
К серверным шкафам для высокопроизводительных вычислительных центров все больше предъявляется требование выполнения всех функционально-критических компонентов с их дополнительным количеством. У серверного шкафа «CoolTherm», например, вентиляторы расположены с дополнительным количеством n+1. Воздушно-водяной теплообменник имеет в качестве чисто пассивного компонента относительно низкую вероятность выхода из строя. Однако 100%-ная защита от выхода из строя не обеспечивается.
Система жидкостного охлаждения LCP фирмы «Ритталь» (см. Интернет-представление фирмы «Ритталь», каталог продукции/системное кондиционирование) обеспечивает со стороны теплообменника образование редундантностей. Система LCP включает в себя охлаждающий стеллаж, который расположен сбоку от серверного шкафа или между двумя серверными шкафами и может размещать в себе до трех-четырех воздушно-водяных теплообменных охлаждающих модулей, расположенных друг над другом. При расположении двух серверных шкафов с системой LCP между ними и двумя боковыми системами LCP средняя система LCP представляет собой дополнительное количество для правого и левого серверных шкафов.
Из-за бокового расположения теплообменных модулей или охлаждающего стеллажа эта система охлаждения имеет повышенный риск утечек и, кроме того, повышенную потребность в площади и из-за большей ширины не отвечает шагу расположения рядов шкафов в вычислительных центрах. В основе изобретения лежит задача создания воздушно-жидкостного теплообменника, выполненного с дополнительным количеством элементов и обеспечивающего к тому же компактное, удобное в монтаже и обслуживании, а также защищенное от утечек расположение в сетевом шкафу, в частности в серверном шкафу. В то же время теплообменник с дополнительным количеством элементов должен быть совместим с использовавшимся прежде в серверном шкафу «CoolTherm» эффективным воздушно-жидкостным теплообменником. Способом охлаждения сетевых шкафов, в частности серверных шкафов, с помощью выполненного воздушно-водяного теплообменника с дополнительным количеством элементов в случае неисправности должна обеспечиваться полная охлаждающая мощность без остановки работы.
В части устройства эта задача решается посредством признаков п.1 формулы. В части способа задача решается посредством признаков п.19 формулы. Целесообразные и предпочтительные варианты содержатся в соответствующих зависимых пунктах и в описании фигур. Основная идея изобретения заключается в том, чтобы достичь совместимости при дополнительном количестве элементов за счет подходящего расположения двух теплообменных элементов в корпусе теплообменника и снабдить два независимых друг от друга теплообменных элемента отдельными присоединениями для охлаждающей воды. Предпочтительно, если два теплообменных элемента, которые могут быть выполнены, например, в виде независимых друг от друга трубчато-пластинчатых блоков, могут быть разъемно присоединены к отдельным подающим и обратным линиям сети холодного водоснабжения или обратного охладителя.
Согласно изобретению в открытом с воздуховпускной стороны промежутке теплообменника, образованном расположенными под углом друг к другу теплообменными элементами, с возможностью перемещения расположена перегородка. Она может поворачиваться из положения, в котором оба теплообменных элемента обдуваются охлаждаемым вытяжным воздухом и которое является предпочтительно средним положением, в блокирующее положение. Последнее приводит к закрыванию одного из двух теплообменных элементов и, тем самым, к воздушно-техническому блокированию подачи вытяжного воздуха с тем последствием, что соответственно другой теплообменный элемент будет обдуваться всем вытяжным воздушным потоком.
В части способа предусмотрено, что в нормальном режиме работы оба теплообменных элемента обтекаются охлаждающей жидкостью, предпочтительно охлаждающей водой из сети здания или охлаждающей водой из специальной сети холодного водоснабжения вычислительного центра, и обдуваются нагретым теплом потерь вытяжным воздухом. Перемещаемая перегородка находится в нормальном режиме работы в среднем положении, и вытяжной воздушный поток, поступающий через воздуховпускную сторону в теплообменник, распределяется по обоим теплообменным элементам. Протекающий через оба теплообменных элемента воздух выходит в виде охлаждающего воздуха из двух теплообменных элементов в воздуховыпускное пространство и подается к охлаждающим серверам и/или аналогичным конструктивным элементам.
В случае неполадки перегородка перемещается в блокирующее положение. Неполадкой может быть выход из строя теплообменного элемента, например из-за утечки или засорения. Другим случаем неполадки является выход из строя охлаждающего контура, когда подключенный теплообменный элемент больше не может снабжаться охлаждающей водой. Если охлаждающий контур выходит из строя, то за счет временного поворота воздухонаправляющей заслонки можно направить весь вытяжной воздушный поток через теплообменный элемент, подключенный к исправному охлаждающему контуру. Серверный шкаф можно за счет этого продолжать эксплуатировать до устранения неполадки. Следует лишь повернуть воздухонаправляющую заслонку так, чтобы обеспечить воздушно-техническое блокирование подачи вытяжного воздуха к теплообменному элементу с нарушенным снабжением охлаждающей водой. Условием является независимое снабжение охлаждающей водой обоих теплообменных элементов, которое предпочтительно, в частности, в высокопроизводительных вычислительных центрах.
В одном предпочтительном варианте оба теплообменных элемента выполнены прямоугольными и расположены так, что промежуток с воздуховпускной стороны в горизонтальном разрезе выполнен V-образным, а воздуховыпускное пространство - приблизительно W-образным. Как правило, воздуховпускная сторона корпуса теплообменника, расположенного в серверном шкафу, например со стороны дна, находится на задней стороне шкафа, а воздуховыпускная сторона корпуса теплообменника - в зоне передней стороны шкафа. Таким образом, теплообменник обтекается воздухом с задней стороны шкафа в направлении его передней стороны. Однако возможно также обратное расположение или отличное от 90° расположение с включением боковых стенок шкафа.
Целесообразно перемещаемая в промежутке с воздуховпускной стороны перегородка расположена вертикально и рассчитана в соответствии с вертикальной продольной стороной идентично выполненных теплообменных блоков, которые ограничивают приблизительно V-образный промежуток и в случае необходимости должны быть закрыты перегородкой, что обеспечивает необходимое «одностороннее» блокирование вытяжного воздушного потока.
Предпочтительно, что перегородка может быть перемещена вокруг вертикальной оси поворота, которая расположена в промежутке, однако вблизи воздуховыпускного пространства. Целесообразно ось поворота может быть выполнена в зоне почти граничащих между собой вертикальных внутренних кромок двух теплообменных элементов.
Если два теплообменных элемента расположены соответственно на отдельном, горизонтально перемещаемом несущем элементе, то каждый несущий элемент может быть извлечен с расположенным на нем теплообменным элементом и независимо от другого несущего элемента из корпуса теплообменника. При неполадке из-за неисправности одного из теплообменных элементов, например при утечке или засорении, неисправный теплообменный элемент после отделения от системы охлаждающей воды может быть извлечен из корпуса теплообменника, разобран и отремонтирован или заменен новым элементом. Прерывать работу для этого не требуется, и отвод тепла потерь из вытяжного воздушного потока происходит полностью во втором исправном теплообменном элементе, как только после поворотного движения перегородки будет закрыт неработоспособный теплообменный элемент.
Целесообразно нижняя часть корпуса теплообменника образована поддоном для улавливания конденсата или просочившейся воды, который может быть выполнен сплошным и присоединен к конденсатоотводящей трубе. Таким образом, риск утечек сведен к минимуму или почти исключен.
Предпочтительно, если перегородка может быть фиксирована в реализующем нормальный режим работы среднем положении и, при необходимости, также в двух возможных блокирующих положениях. Это гарантирует, что не произойдет случайного изменения положения перегородки.
В принципе, после ослабления крепежа или блокировки перегородка может быть перемещена из среднего положения в блокирующее положение вручную или с помощью привода, например газовой пружины сжатия или электродвигателя. Равным образом затем может быть осуществлен возврат в среднее положение, если неполадка устранена и снова может быть осуществлен нормальный режим работы с обдувом обоих теплообменных элементов.
Целесообразно в зоне обоих теплообменных элементов и их подводов для охлаждающей воды расположены датчики для обнаружения неполадок и для подачи аварийных или предупредительных сигналов, в частности датчики расхода и утечек. Поворот перегородки для блокирования неработоспособного больше теплообменного элемента происходит после подачи предупредительного сигнала вручную или посредством привода. Также может быть предусмотрено автоматическое перемещение перегородки.
Если подвижная перегородка повернута к одному из теплообменных элементов и препятствует протеканию воздуха через него, так что весь воздушный поток направляется через другой теплообменный элемент, встроенные в шкаф серверы, переключатели и т.д. снабжаются охлаждающим воздухом из обтекаемого теплообменного элемента. Для достижения равномерного снабжения серверов охлаждающим воздухом в воздуховыпускном пространстве и/или в зоне шкафа после выхода воздуха из корпуса теплообменника могут быть расположены воздухонаправляющие элементы, которые могут быть выполнены предпочтительно перемещаемыми и в виде заслонок. Выходящий с одной стороны поток охлаждающего воздуха может отклоняться воздухонаправляющими элементами по всей ширине шкафа и «распространяться», обеспечивая равномерное снабжение серверов и т.п. охлаждающим воздухом.
Чтобы обеспечить полную охлаждающую мощность в случае неполадки с одним работоспособным теплообменным элементом, может быть целесообразным эксплуатировать вентиляторы для воздушного вытяжного потока с повышенной частотой вращения. Поток охлаждающего воздуха может поддерживаться тогда против повышенного аэродинамического сопротивления. Существует также возможность оборудовать серверный или сетевой шкаф теплообменником с дополнительным количеством элементов с более низкой номинальной охлаждающей мощностью. В любом случае встроенные в шкаф серверы и аналогичные конструктивные элементы можно продолжать эксплуатировать при достаточной охлаждающей мощности вплоть до устранения неполадки. Прерывать работу не требуется.
Это справедливо также в случае замены теплообменного элемента при извлеченном несущем элементе и открытой дверце шкафа. Встроенные серверы и т.п. всасывают тогда из установочного пространства окружающий воздух, не содержащий нагретого вытяжного воздуха. Содержащий мощность потерь вытяжной воздух серверов во втором работоспособном теплообменном элементе лишается тепла, т.е. опять охлаждается и нагнетается в окружающее пространство нейтральным в отношении тепла. Предпочтительно, что обслуживающий персонал может работать за пределами потока охлаждающего воздуха, поскольку воздухоподвод к неисправному теплообменному элементу прерван с помощью повернутой в блокирующее положение перегородки.
Перемещаемая перегородка может быть удлинена за ее вертикальную ось поворота в направлении воздуховыпускной стороны и доходить до крышки воздуховыпускной стороны или до передней дверцы шкафа. По меньшей мере, в воздуховыпускном пространстве удлиненная перегородка расположена неподвижно и вместе с поворотной перегородкой делит теплообменник на две секции почти одинаковой величины.
В одном варианте выполнения теплообменника и сетевого шкафа, в частности серверного шкафа, в котором расположен теплообменник с дополнительным количеством элементов, корпус последнего с воздуховыпускной стороны закрыт отдельно двумя крышками, которые приданы соответствующему теплообменному элементу и могут быть выполнены, например, в виде заслонки или дверцы. Дверца шкафа может быть выполнена тогда укороченной. Например, нижняя кромка дверцы шкафа может доходить близко до верхней крышки корпуса теплообменника. Предпочтительным в этом варианте является то, что дверцу шкафа не надо открывать, если для устранения неисправности требуется извлечь теплообменный элемент. Отпадает всасывание воздуха из установочного пространства шкафов. Целесообразно, если с воздуховыпускной стороны каждый теплообменный элемент может быть снабжен запорным элементом, который при извлеченном теплообменном элементе препятствует проникновению окружающего воздуха в приточный канал шкафа и в корпус сервера. Запорный элемент может быть выполнен в виде дополнительной заслонки или же горизонтально перемещаемой или передвигаемой пластины и расположен, например, на корпусе тепплообменника. Приданные двум теплообменным элементам запорные элементы целесообразно приводятся в действие независимо друг от друга.
При замене теплообменного элемента сначала открывают соответствующую крышку или заслонку или дверцу, чтобы извлечь несущий элемент с теплообменным элементом, в то время как крышка второго работоспособного теплообменного элемента остается закрытой. Весь поток охлаждающего воздуха из этого второго теплообменного элемента может быть затем целесообразно отклонен при находящемся в запирающем положении запорном элементе и посредством направляющих элементов вверх в зону всасывания серверов. После замены неисправного теплообменного элемента снова закрывают крышку с воздуховыпускной стороны, отпирают запорный элемент и перемещаемую перегородку поворачивают обратно из ее блокирующего положения снова в среднее положение для возобновления нормального режима работы.
Пространство между воздуховыпускной стороной и передней дверцей серверного шкафа может содержать направляющий аппарат для отклонения потока охлаждающего воздуха. Такой направляющий аппарат может быть выполнен, в принципе, как описанное в DE 202004016492 U1 и изображенное на фиг.3-5 направляющее устройство. В соответствии с двумя теплообменными блоками и односторонним течением охлаждающего воздуха в случае неполадки целесообразно выполнить воздухонаправляющий аппарат цельным или из двух частей, причем тогда посередине и соосно с неподвижно расположенной перегородкой может быть расположен вертикальный разделительный элемент. Неподвижная часть перегородки может быть в альтернативном выполнении также интегрированной частью этого воздухонаправляющего аппарата. Направляющий аппарат может быть расположен на корпусе теплообменника или на внутренней стороне передней дверцы шкафа. При расположении на корпусе теплообменника воздухонаправляющий аппарат должен быть закреплен разъемно, чтобы обеспечить извлечение теплообменных элементов.
Подключение теплообменных элементов к сети холодного водоснабжения здания, специальной сети охлаждающей воды вычислительного центра или к обратному охладителю охлаждающей жидкости может быть выполнено выборочно с воздуховпускной или воздуховыпускной стороны. Если разъемные соединения реализованы быстродействующими муфтами, то соединение при извлечении теплообменного элемента может быть разъединено самопроизвольно, бескапельно и герметично, а при вдвигании теплообменного элемента снова восстановлено.
Теплообменник с дополнительным количеством элементов согласно изобретению не ограничен применением в сетевых и серверных шкафах, а может, в принципе, использоваться в любых системах и устройствах охлаждения. Преимущества заключаются в наличии дополнительного количества элементов при относительно малых конструктивных и технологических затратах. Сетевой шкаф, в частности серверный шкаф, снабженный теплообменником, согласно изобретению может продолжать эксплуатироваться при неполадке одного из двух теплообменников или в сети охлаждающей воды. Также замена неисправного теплообменного элемента может осуществляться без прерывания работы и без труда, а также без особой спешки. Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью чертежа, на котором схематично изображают: фиг.1: перспективный вид редундантного теплообменника с перегородкой в среднем положении для нормального режима работы и с частично удаленным корпусом;
- фиг.2: теплообменник из фиг.1, однако с перегородкой в предусмотренном в случае неполадки блокирующем положении;
- фиг.3: сетевой шкаф с редундантным теплообменником, перегородкой в блокирующем положении и извлеченным теплообменным элементом.
Теплообменник 2 на фиг.1-3 содержит корпус 6, который для наглядности изображен с вырывом в зоне верхней крышки 26 и боковой стенки 28. В корпусе 6 два теплообменных элемента 3, 4 расположены под углом друг к другу таким образом, что между ними возникает V-образный промежуток 5. При этом выполненные идентичными теплообменные элементы 3, 4 своими вертикальными внутренними кромками 15 почти граничат друг с другом в зоне воздуховыпускной стороны 8 корпуса 6, так что вытяжной воздух, поступающий в промежуток 5 на противоположной воздуховпускной стороне 7 теплообменника 2, направляется двумя установленными на ребро теплообменными элементами 3, 4.
В промежутке 5 расположена перегородка 10, установленная с возможностью поворота вокруг вертикальной оси 11 вправо и влево до упора в соответствующую вертикальную внутреннюю продольную сторону 19 теплообменных элементов 3, 4.
На фиг.1 перегородка 10 для нормального режима работы расположена в среднем положении. Входящий на открытой воздуховпускной стороне 7 вытяжной воздух (черная стрелка) разделяется перегородкой 10, поступает в виде охлаждающего воздуха в воздуховыпускное пространство 9 и через воздуховыпускную сторону 8 теплообменника 2 в приточный канал (не показан) и всасывается вентиляторами серверов, которые расположены в соответствующем корпусе.
Перегородка 10 ориентирована вертикально и рассчитана на закрывание ограничивающих промежуток 5 вертикальных продольных сторон 19 теплообменных элементов 3, 4. В этом примере теплообменные элементы 3, 4 выполнены прямоугольными и своими узкими продольными сторонами прилегают к несущим элементам 16, 17 со стороны дна.
На воздуховпускной стороне 7 расположены разъемные соединения 13, 14 для отдельного подключения теплообменных элементов 3, 4 к сети холодного водоснабжения здания и к обратному охладителю. Соединения 13, 14 для притока и слива хладагента, например холодной воды из сети холодного водоснабжения здания, выполнены предпочтительно в виде быстродействующих муфт.
Отдельные несущие элементы 16, 17 представляют собой в данном примере несущие плиты, которые почти граничат друг с другом и могут быть по отдельности извлечены вперед (фиг.3). За счет симметрично расположенных теплообменных элементов 3, 4 изображенная на фиг.1 перегородка 10 представляет собой также разделительную линию несущих элементов 16, 17. Под ними расположен поддон 18 для улавливания конденсата или просочившейся воды, который может быть соединен с конденсатоотводящей трубой (не показана). На фиг.2 теплообменник 2 изображен в случае неполадки. При неполадке в одном из обоих присоединенных охлаждающих водяных контуров 13, 14 или в одном из теплообменных элементов 3, 4, приводящей к прерыванию снабжения охлаждающей водой, перегородку 10 поворачивают к вышедшему из строя теплообменному элементу, который является на фиг.2 левым теплообменным элементом 4. Поворот перегородки 10, который может происходить вручную, механически или автоматически (не показано), осуществляют до блокирующего положения, в котором воздушный поток полностью отклоняется к теплообменному элементу 4. В примере на фиг.2 перегородка 10 прилегает к теплообменному элементу 4 и закрывает воздуховпускную сторону 19. Поступающий в промежуток 5 вытяжной воздух направляется исключительно работоспособным теплообменным элементом 3, а выходящий охлаждающий воздух поступает через воздуховыпускное пространство 9 и воздуховыпускную сторону 8 теплообменника 2, например по вытяжному каналу 21 (фиг.3), к серверам серверного шкафа.
В изображенном на фиг.2 рабочем состоянии теплообменника 2 с дополнительным количеством элементов эти серверы снабжаются только охлаждающим воздухом из теплообменного элемента 3. Прерывать работу для устранения неисправности или проведения ремонта не требуется благодаря выполнению теплообменника 2 с дополнительным количеством элементов. На фиг.3 изображен оборудованный теплообменником 2 с дополнительным количеством элементов серверный шкаф 20, причем теплообменник 2 расположен со стороны дна и под внутренним пространством 25. Из серверного шкафа 20, правая передняя угловая зона которого для лучшей наглядности изображена с вырывом, показаны части каркаса 29, верхняя крышка 30 с кабельным вводом 31 и вертикальные встроенные стойки 24. Последние служат, в том числе, для монтажа серверов (не показаны). С передней стороны выполнен приточный канал 21 для охлаждающего воздуха (светлые стрелки) из теплообменника 2, ас задней стороны - вытяжной канал 22 с вентиляторами, из которых показаны только отверстия 23 в стенке 27 вытяжного канала 22.
Неисправный теплообменный элемент 4 вместе с соответствующим несущим элементом 17 извлекается с передней стороны из теплообменника 2 и, тем самым, из серверного шкафа 20 и в этом положении может быть заменен или отремонтирован.
Если передняя дверца шкафа 20 проходит по всей его высоте (не показано), то ее следует открыть. Штабелированные во внутреннем пространстве 25 шкафа 20 серверы (не показаны) снабжаются в течение этого времени воздухом помещения, который благодаря направляемому в замкнутом контуре охлаждающему воздуху в отдельных шкафах пригоден для охлаждения. Весь вытяжной воздух охлаждается в теплообменном элементе 3 и поступает в качестве охлаждающего воздуха в помещение через открытый с передней стороны шкаф.
Теплообменник 2 на фиг.1-3 снабжен в воздуховыпускном пространстве 9 неподвижной перегородкой 12, которая может быть выполнена в виде продолжения поворотной перегородки 10. В данном примере перегородка 12 выступает за воздуховыпускную сторону 8 теплообменника 2 и доходит почти до передней дверцы (не показана) шкафа 20 на фиг.3.
На фиг.3 штриховой линией обозначен шкаф в альтернативном выполнении, который содержит укороченную переднюю дверцу 33, крышку 35 на теплообменнике 2 и запорный элемент 37.
Дверца 33 шкафа 20 доходит до корпуса 6 теплообменника или до верхней крышки 26 и расположенного в запирающем положении, горизонтально ориентированного запорного элемента 37. Последний придан левому теплообменному элементу 4, который при открытой крышке 35 вместе с несущим элементом 17 извлечен из шкафа для устранения неисправности. Охлажденный в правом теплообменном элементе 3 воздух направляется в приточный канал 21 за счет неподвижной перегородки 12 и крышки правого теплообменного элемента 3, которая не показана, однако в рабочем положении проходит от боковой стенки 28 до перегородки 12 и до верхней крышки 26. Благодаря находящемуся в запирающем положении запорному элементу 37 не происходит обмена с воздухом помещения.
В зоне теплообменного элемента 3 также предусмотрен запорный элемент, который, однако, на фиг.3 не может быть расположен в запирающем положении и для наглядности не показан.
Блокировочное устройство для поворотной перегородки 10 в среднем положении на фиг.1 и в двух возможных блокирующих положениях с закрыванием одного из двух теплообменных элементов 3, 4 на фиг.2 для наглядности не показано, а также не показаны датчики и воздухонаправляющие устройства в зоне воздуховпускной и воздуховыпускной сторон.