СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR COOLING OF ELECTRONIC EQUIPMENT AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

Изобретение относится к способу охлаждения электронного оборудования, например, установленного в приборных и распределительных или серверных шкафах, и к системе, реализующей этот способ.
Производительность электронного устройства однозначно связана с потребляемой им электрической мощностью и соответствующим тепловыделением. Рост производительности приводит к росту энергопотребления и тепловыделения.
Рост производительности электронного устройства имеет технологический порог, определяемый эффективностью отвода избыточного тепла. Указанный порог определяется одновременным действием двух факторов: с одной стороны, быстродействие отдельного функционального элемента электронного устройства зависит от параметров его рабочего тока (например, для цифровых устройств - от той тактовой частоты и напряжения, на которых они работают), с другой стороны, длина электрических связей между смежными функциональными элементами электронного устройства лимитирует скорость передачи информации по этим линиям. Таким образом, при увеличении производительности электронного устройства первый фактор приводит к росту избыточного тепла, что предполагает увеличение площади теплообмена (соответственно, и увеличение габаритов устройства), а второй фактор однозначно увязывает рост производительности с уменьшением длины проводников (т.е. с уменьшением габаритов устройства).
Универсальным способом отвода избыточного тепла от компьютеров является обдув зон генерации тепла внутри компьютера охлаждающим воздухом.
Из документа RU 2318299 известен способ охлаждения для приборных и сетевых шкафов, согласно которому организуют в шкафу воздуховод с воздушными путями одинаковой длины и, следовательно, одинаковыми сопротивлениями потока, а также с единой температурой приточного воздуха. Направляемый в контуре поток приточного воздуха охлаждают с помощью воздушно-водяного теплообменника в нижней части шкафа. Нагретый вытяжной воздух собирают в коллекторе в восходящем потоке, отклоняют и подают к теплообменнику в нисходящем потоке.
Известен также способ кондиционирования воздуха в электронных модульных блоках, установленных в приборном и распределительном шкафу, по патенту RU 2344578 согласно которому создают поток охлаждающего воздуха в замкнутом цикле, причем холодный приточный воздух подают в электронные модульные блоки, а нагретый отходящий воздух охлаждают в теплообменнике. При этом для предотвращения постоянного обезвоживания воздуха, движущегося в замкнутом цикле, влажность воздушного потока стабилизируют путем определенной подачи атмосферного воздуха.
Температура и влажность охлаждающего воздуха взаимоувязаны и обычно нормируются комплексно: температура по сухому термометру психрометра от +20°С до +25°С; относительная влажность от 40% до 50% (см., например, стандарт США ANSI TIA/EIA-942 (TIA-942) telecommunications Infrastructure Standard for Data Center»). Наличие нормирования по влажности связано с тем, что традиционно в системах охлаждения компьютерной техники используют «водяную» технологию борьбы со статическим электричеством, согласно которой процесс возникновения и накопления статических зарядов нейтрализуется влагой из воздуха.
Изменение температуры и относительной влажности воздуха при прохождении его через охлаждаемое оборудование приведено в таблице (абсолютная влажность воздуха остается постоянной):
Температура воздуха, °С
10
15
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
30
35
Относительная влажность воздуха, %
100
76
62
58
55
52
48
46
43
40
38
36
34
30
23
Крайний правый столбец таблицы определяет верхний предел параметров воздуха, выходящего из охлаждаемого электронного устройства. При влажности 23% и ниже на элементах электронных устройств начинают интенсивно образовываться статические заряды трибоэлетрической природы; верхняя температурная граница около +35°С определяется термопрочностью электронного оборудования.
В известных схемах охлаждения увлажненным воздухом интенсивность теплосъема определяется разностью температур воздуха на входе и выходе из охлаждаемого устройства, которая составляет около 15°С.
Например, воздушная холодильная установка KNURR CoolServe с «водяным» контуром охлаждения (при температуре охлаждающей жидкости 12°С), охлаждая на выходе воздух до 20°С, обеспечивает достижение максимальной холодопроизводительности около 6 kW.
Задачей изобретения является повышение эффективности теплосъема за счет расширения температурного диапазона охлаждающего воздуха на входе в охлаждаемое оборудование и на выходе из него.
Указанная задача решена в способе охлаждения электронного оборудования, включающем подачу охлаждающего воздуха на электронное оборудование, в котором согласно изобретению охлаждающий воздух ионизируют, причем концентрацию и полярность аэроионов выбирают так, чтобы на элементах охлаждаемого электронного оборудования не происходило накопления статических зарядов трибоэлектрической природы.
Ионизация воздуха позволяет отказаться от нормирования воздуха по влажности за счет нейтрализации процесса накопления статических зарядов трибоэлектрической природы аэроионами. При отказе от увлажнения воздуха верхний предел температуры на выходе охлаждаемого устройства останется неизменным, а вот нижний может быть смещен на 10° или даже на 20° вниз. Конкретное значение нижней границы температурного диапазона определяется термопрочностью охлаждаемого устройства. Таким образом, при том же расходе воздуха и тех же габаритах можно увеличить теплосъем на 50-100%, поскольку количество отводимого тепла прямо пропорционально разности температур между охлаждаемым устройством и хладагентом (в данном случае ионизированным воздухом). В свою очередь, это позволяет повысить тактовые частоты электронных компонентов, а, следовательно, и их производительность.
Предпочтительно перед ионизацией охлаждающего воздуха измеряют его температуру и влажность, и, если измеренная температура воздуха выходит за пределы заданного диапазона температур, воздух охлаждают или нагревают так, чтобы его температура находилась в заданном диапазоне, а если измеренная влажность превышает заданное значение, воздух осушают.
Подачу охлаждающего воздуха можно осуществлять как в замкнутом, так и в незамкнутом контуре.
Указанная задача также решается системой охлаждения электронного оборудования, содержащей воздуховод для создания потока охлаждающего воздуха через электронное оборудование, в котором перед охлаждаемым электронным оборудованием последовательно установлены вентилятор, охладитель и средства регулировки влажности охлажденного воздуха. Согласно изобретению система снабжена ионизатором для насыщения охлаждающего воздуха аэроионами, установленным между средством регулировки влажности и охлаждаемым электронным оборудованием, при этом средства регулировки влажности выполнены в виде осушителя воздуха.
Такая система позволяет реализовать описанный выше способ.
Предпочтительно система содержит датчик расхода воздуха, установленный на выходе секции вентилятора, датчик температуры воздуха, установленный на выходе секции охладителя, датчик температуры воздуха, установленный на выходе из охлаждаемого устройства, и блок управления связанный с указанными датчиками, вентилятором и охладителем, причем блок управления выполнен с возможностью управления вентилятором и охладителем в зависимости от сигналов, поступающих от указанных датчиков.
При этом система может дополнительно содержать датчик влажности воздуха, установленный на выходе осушителя, и датчик статического заряда, установленный в зоне охлаждаемого электронного оборудования, причем указанные датчики соединены с блоком управления, который также связан с ионизатором и выполнен с возможностью управления ионизатором в зависимости от сигналов, поступающих от указанных датчиков.
Воздуховод в данной системе может быть как замкнутым, так и незамкнутым.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показана система охлаждения электронного оборудования согласно изобретению в варианте с замкнутым воздуховодом;
на фиг.2 - график зависимости производительности холодильной установки и тепловыделения охлаждаемого электронного устройства от температуры охлаждающей жидкости на входе в холодильную установку и температуры воздуха на входе в охлаждаемое устройство.
Один из вариантов способа охлаждения электронного оборудования реализуется системой, схематично показанной на фиг.1. Система содержит воздуховод 1 для подачи охлаждающего воздуха в секцию 2 электронного оборудования и отвода нагретого воздуха из этой секции. Перед секцией 2 электронного оборудования по потоку последовательно расположены секция 3 вентилятора, обеспечивающая создания потока воздуха с заданным расходом, секция 4 охладителя, например, в виде воздушно-водяного теплообменника, секция 5 осушителя и секция 6 ионизатора.
В секции 5 осушителя удаляется влага из охлаждающего воздуха, повышая его электрическую прочность (отношение напряжения пробоя к толщине зазора) и исключая риск образования конденсата.
В секции 6 ионизации воздух насыщается ионами. В зависимости от типа электронного оборудования, находящегося в секции 2, в секции 6 ионизации воздух может насыщаться или положительными, или отрицательными ионами.
Например, при взаимодействии диэлектриков с воздухом диэлектрик получает отрицательный заряд, и для его компенсации обдувающий воздух нужно насыщать положительными аэроионами. При взаимодействии же двух различных диэлектриков, в частности, при перемотке ленты в процессе работы ленточного накопителя, один из диэлектриков получит отрицательный заряд, а другой - положительный. Очевидно, что для снятия статического заряда с последнего потребуется обдув не положительными, а отрицательными аэроионами. В составе секции 6 ионизации могут использоваться ионизаторы на основе коронирующего разряда, термоэлектронных процессов и облучения ультрафиолетовыми лучами. Использование ионизаторов на основе гидроионизации не допускается.
Для контроля и управления процессом охлаждения система может содержать датчики 7-11, и блок 12 управления.
В частности, на выходе секции 3 вентилятора установлен датчик 7 расхода воздуха, на выходе секции 4 охладителя установлен датчик 8 температуры, на выходе секции 5 осушителя установлен датчик 9 влажности, в зоне охлаждаемого электронного оборудования в секции 2 установлен датчик 10 статического заряда, а на выходе секции 2 электронного оборудования установлен второй датчик 11 температуры. Все датчики 7-11 связаны с блоком 12 управления, который, в свою очередь, соединен с вентилятором, охладителем и ионизатором. Блок управления выполнен с возможностью управления указанными вентилятором, охладителем и ионизатором в зависимости от сигналов, поступающих от датчиков 7-11.
В данном варианте осуществления изобретения воздуховод 1 выполнен замкнутым, однако он может быть выполнен и незамкнутым, обеспечивая забор воздуха из окружающей среды и выводя его за пределы охлаждаемого электронного оборудования.
При выполнении воздуховода незамкнутым возможна ситуация, когда воздух, подаваемый на охлаждаемое оборудование, будет иметь слишком низкую температуру, нежелательную для нормальной эксплуатации этого оборудования. Такая ситуация может возникнуть, например, при заборе воздуха снаружи помещения, в котором установлено электронное оборудование, в зимний период времени. В этом случае воздух необходимо будет не охлаждать, а нагревать так, чтобы его температура находилась в заданном диапазоне температур. Для этого охладитель в секции 4 переводится в режим нагрева, например, путем подачи горячей воды в воздушно-водяной теплообменник. Для нагрева воздуха могут использоваться и другие средства, установленные в секции 4 охладителя, например, электронагреватели различных типов.
Система охлаждения электронного оборудования работает следующим образом.
В секции 3 вентилятором создается поток воздуха. При этом расход воздуха контролируется датчиком 7 расхода, датчиком 11 температуры на выходе из секции 2 электронного оборудования и блоком 12 управления. Затем воздух поступает в секцию 4 охладителя. В секции 4 охладителя воздух охлаждается до заданной температуры, при этом температура выходящего из секции 4 охладителя воздуха измеряется датчиком 8, сигнал от которого поступает в блок 12 управления. Блок 12 управления в зависимости от сигнала датчика 8 температуры регулирует работу охладителя так, чтобы температура выходящего из него воздуха находилась в заданном диапазоне.
Как вариант, система может не содержать датчика 8 температуры и соответствующих средств управления охладителем, поскольку в большинстве случаев режим работы секции 4 охладителя является стационарным. Производительность секции 4 охладителя должна лишь соответствовать избыткам тепла на охлаждаемом оборудовании, и для сбалансированной системы дополнительные исполнительные и контрольные элементы, а также соответствующая система управления не требуются.
Далее охлажденный воздух поступает в секцию 5 осушителя, и если его влажность, измеренная датчиком 9 влажности, превышает заданное значение, блок 12 управления подает команду на включение осушителя. Избыток влаги отводится из секций 4 и 5 охлаждения и осушения воздуха через дренажную систему (условно не показана).
Затем охлажденный и осушенный воздух поступает в секцию 6 ионизации, где он насыщается ионами, в частности, с положительными зарядами для охлаждения обычного компьютерного оборудования.
В охлаждаемом оборудовании, расположенном в секции 2, охлажденный ионизированный воздух обтекает все поверхности, в том числе те, на которых под действием воздушных потоков возникают очаги статических зарядов трибоэлектрической природы. При возникновении такого очага между заряженной поверхностью и ионами в воздушном потоке образуются силы притяжения (для зарядов противоположной полярности). Под действием силы притяжения ионы воздуха соответствующей полярности приближаются к очагу статического заряда, соприкасаются с ним и рекомбинируют. Постоянная подача ионизированного воздуха в зону возникновения статических зарядов позволяет исключить возможность их накопления до опасных для электронного оборудования уровней. Степень ионизации воздуха регулируется блоком 12 управления в зависимости от сигнала, поступающего с датчика 10 статического заряда.
Как вариант, система может не содержать дополнительных исполнительных и контрольных элементов, а также соответствующей системы управления, поскольку в большинстве случаев режим работы секции 6 ионизации является стационарным. Производительность секции 6 ионизации должна лишь соответствовать интенсивности образования очагов статического электричества на охлаждаемом оборудовании.
Выше описана работа показанной на фиг.1 системы с замкнутым воздуховодом. При выполнении воздуховода незамкнутым и в указанном выше случае, когда температура охлаждающего воздуха, забираемого из внешней среды слишком низка, т.е. если температура выходящего из охладителя воздуха окажется ниже минимально допустимой, охладитель или переводится в режим нагрева, или выключается с одновременным включением нагревателя, который может быть установлен в секции 4 охладителя.
На фиг.2 показан график режима работы упомянутого выше известного устройства KNURR CoolServe (воздушная холодильная установка с «водяным» контуром охлаждения). В стандартном исполнении, когда процесс возникновения и накопления статических зарядов нейтрализуется влагой из воздуха, устройство охлаждает воздух на выходе до 20°С. Максимальная холодопроизводительность устройства KNURR CoolServe составляет 6 kW (при температуре охлаждающей жидкости 12°С, на графике точка А). Если подобное устройство дооснастить секцией ионизации, то температура охлаждающей жидкости может быть снижена почти до 0°С, температура охлаждающего воздуха до +8°С, что соответствует холодопроизводительности 8 kW (на графике точка В) при неизменном расходе воздуха, обдувающего охлаждаемое оборудование. При этом абсолютная влажность охлаждающего воздуха должна быть скорректирована таким образом, чтобы при температуре +8°С его относительная влажность не превышала 50%.