СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В ЦОД
SYSTEM FOR CONDITIONING AND DISTRIBUTING DATA PROCESSING CENTRE

Изобретение относится к системе охлаждения для серверных шкафов с замкнутым циклом воздушного охлаждения.
Электронное оборудование, например серверы, цифровые коммутаторы, преобразователи сигналов, процессоры и т.п., исполненные в виде модульных стандартизованных конструкций, монтируют, как правило, друг над другом в монтажной стойке или сетевом коммутационном шкафу. Стремление к компактности при изготовлении электронного оборудования ограничивает возможности по увеличению поверхностей для съема тепла внутри электронных блоков. Максимальное количество объема тепла, отводимое за счет воздушного теплообмена, достигает 10-15 кВт на каждый шкаф с плотно упакованными электронными блоками.
Известны конструкции серверных шкафов, в которых для отвода тепла, выделяющегося при работе, все электронные блоки снабжены собственными вентиляторами, а также воздухозаборными и воздухоотводными отверстиями, которые могут быть выполнены в передней и задней или боковых стенках корпуса. В такой конструкции для эффективного теплоотвода необходимо на воздухозаборные поверхности блоков подавать достаточное количество охлажденного воздуха с заданными параметрами влажности. При этом необходимо обеспечить эффективное удаление выходящего из охлаждаемых устройств теплого воздуха.
В патенте RU 2344578 предложено решение, где для поддержания на стабильном уровне влажности атмосферного воздуха специально предусмотрены разрывы или неплотности в шкафу в элементах конструкции, как то: цоколь, корпус, задняя и передняя дверцы. Через эти разрывы или неплотности атмосферный воздух подается в шкаф для оказания управляющего воздействия на влажность воздуха. Согласно такому способу измеряется влажность воздуха в шкафу или в потоке охлаждающего воздуха и, в зависимости от условий окружающей шкаф среды и целевых значений, для шкафа рассчитываются неплотности или разрывы таким образом, чтобы во внутрь шкафа могло попасть необходимое количество атмосферного воздуха.
Недостатком вышеуказанной системы охлаждения является прямая зависимость влажности воздуха внутри шкафа от окружающих условий. У такого решения при низкой атмосферной влажности, особенно в зимний период, увлажнение воздуха внутри шкафа будет недостаточным. Для того чтобы влажность воздуха в корпусе выдерживалась в заданных пределах, необходимо будет сильно снизить температуру внутри шкафа, что может привести к повреждению встроенных модульных блоков и систем. Также недостатком такой конструкции является то, что через такие неплотности во внутрь шкафа с атмосферным воздухом возможно попадание пыли.
В других решениях, как правило, охлаждаемые воздухом электронные шкафы снабжены перфорированными дверями для обеспечения максимальной воздухопроницаемости. И охлаждающий воздух забирается из окружающего шкафа пространства и всасывается вентиляторами устройств для продувания через электронный блок и отвода тепла с нагретых поверхностей (Патент US №6535382).
Недостатками такой схемы является маленькая эффективность отвода тепла, непосредственно выделяющегося в шкафу с электронными блоками, а также затраты значительной части мощности установки охлаждения воздуха на охлаждение конструкций и атмосферы здания, в котором находится электронный шкаф.
В описании патента RU №2318299 имеется ссылка на патенты US 6506111 В2, US 6652373 В2, и US 6652374 В2, в которых описаны шкафы, с расположенными внутри друг над другом мощными серверами, тепловыделение которых отводится посредством рециркулирующего воздушного потока. Нагретый серверами поток воздуха с помощью вентилятора подают к воздушно-водяному теплообменнику, расположенному под шкафом в цоколе или внутри шкафа под пакетом серверов, и воздух, охлаждаясь, проходя через него, попадает в приточный объем к воздухозаборным решеткам серверов и засасывается вентиляторами серверов внутрь.
Система охлаждения в этих патентах состоит из замкнутого цикла охлаждающего воздуха в закрытом не герметичном приборном шкафу с воздушно-водяным теплообменником, с помощью которого происходит отвод всей мощности тепловыделения электронных блоков. Воздушно-водяной теплообменник установлен в нижней части шкафа и присоединен предпочтительно к системе холодного водоснабжения здания.
Недостатком такого способа является отсутствие системы измерения и поддержания влажности воздуха. При таком подходе воздух будет неизбежно осушен до очень низких значений влажности, способствующих электростатическим явлениям, высоковольтным, самопроизвольным по месту и времени, электростатическим разрядам, которые могут выводить из строя электронные блоки.
Наиболее близким решением является заявка US №2009/0126385, где описывается распределительный шкаф, в котором образовавшийся и собранный на испарителе кондиционера внутри шкафа конденсат, вырабатываемый в теплообменнике, преобразуется в аэрозоли с помощью распыляющего устройства, и подается обратно в воздушную систему корпуса для стабилизации атмосферной влажности внутри шкафа. Причем в качестве распылителя используется ультразвуковой вибратор или ультразвуковой распылитель.
Недостатком такого способа увлажнения является вероятность обильного выпадения конденсата на испарителе кондиционера и внесение в поток воздуха микроскопических капель воды в виде аэрозоли, и попадание этих капель на электронное оборудование. Возможно это потому, что ультразвуковой вибратор преобразует конденсат не в пар, а в мельчайшие капельки воды, которые в потоке воздуха имеют тенденцию к слипанию и увеличению в размерах, что также ведет к деградации параметра влажности.
Целью предлагаемого изобретения является создание системы кондиционирования и распределения воздушных потоков для герметичного шкафа - центра обработки данных (ЦОД), в котором возможно:
- поддержание микроклимата с параметрами влажности 30-55% и параметрами температуры 22-27 C° в области охлаждения;
- создание эффективной системы охлаждения и стабилизации влажности, которая была бы лишена недостатков, связанных с образованием конденсата на модульных блоках и электронных системах;
- предотвращение попадания пыли и других вредных примесей во внутрь корпуса ЦОД.
В соответствии с изобретением данная цель достигается посредством признаков, описанных в пункте 1 патентной формулы.
Сущность изобретения состоит в том, что в конструкции шкафа для стабилизации влажности охлаждаемого воздуха предусмотрен увлажнитель в виде объемно-пористого полотна, находящийся на внутренней стенке дверцы шкафа, а также предусмотрена система воздуховодов для перенаправления части охлажденных воздушных потоков на боковые стенки охлаждаемого оборудования.
Отличительными признаками заявленной системы кондиционирования и распределения воздушных потоков является то, что:
- шкаф-ЦОД является полностью герметичным, что избавляет от паразитных теплопритоков, попадания пыли, а также от теплопотерь;
- резервирование внутренних и внешних блоков системы кондиционирования предполагает избежать аварийной остановки работы системы охлаждения;
- за счет испарения влаги с большой поверхности объемно-пористого полотна увлажнителя происходит поддержание на стабильном уровне влажности воздуха внутри шкафа-ЦОД;
- подача воды в капиллярную трубку увлажнителя управляется контроллером по сигналу датчика влажности и температуры;
- циркуляция воздуха в шкафу совпадает с естественными потоками конвекции, которые естественным образом используются в шкафу;
- дополнительно используется система распределения воздушных потоков в виде воздуховодов для направления на заборные стенки электронного оборудования потоков воздуха с заданными параметрами температуры и влажности;
- воздуховоды и электронное оборудование крепятся к одним направляющим, причем воздуховоды крепятся непосредственно под охлаждаемым оборудованием, что позволяет избежать дополнительных затрат на конструкцию, изготовление и монтаж.
Предлагаемую конструкцию поясняют чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 - общий вид шкафа с системой охлаждения и с открытыми дверями и
снятой боковой стенкой;
фиг.2 - вид шкафа со снятой стенкой сбоку;
фиг.3 - схема распределения потоков воздуха внутри шкафа с размещенным оборудованием.
На фиг.1 изображен серверный шкаф - центр вычислительной обработки данных (ЦОД) 4 с герметизированным внутренним пространством и расположенными друг над другом модулями бесперебойного питания 7, оборудованием (серверами и коммутаторами) 6, внутренним блоком Сплит-кондиционера 5. Электронные блоки - серверы и коммутаторы - выполнены в стандарте «19 дюймов» и имеют размер «высота», кратный 1U (равный 1.75 дюйма или 44.45 мм) и крепятся в соответствии со стандартом к вертикальным направляющим 20 (фиг.2). При этом передние стенки блоков и заглушки 11 вместе с дверью 14 и боковыми стенками образуют область охлажденного воздуха 12.
Из области охлажденного воздуха 12 с помощью вентиляторов электронных блоков 22 (фиг.3) воздух попадает внутрь этих блоков 6 и нагревается на теплорассеивающихся поверхностях, тем самым снимая с электронных блоков тепло и перенося его в область нагретого воздуха 13. Охлаждение воздуха происходит путем продувания потока горячего воздуха через испаритель кондиционера 16 вентилятором кондиционера 21 и направлением его в область охлажденного воздуха 12. В области охлажденного воздуха 12 воздух проходит сквозь полотно объемно-пористого увлажнителя 1 и насыщается до параметров 30-55% влажности. Увлажнение происходит за счет испарения воды с большой поверхности объемно-пористого увлажнителя 1. Для перенаправления части охлажденных воздушных потоков на боковые поверхности оборудования (коммутаторов) 6 к вертикальным направляющим 20 крепится, по меньшей мере, один воздуховод 2, воздухозаборное отверстие которого направлено в сторону увлажнителя 1. Воздух подается по воздуховоду на боковые стенки оборудования и всасывается вентиляторами электронных блоков 22 внутрь для охлаждения элементов коммутаторов. Циркуляция воздуха в шкафу совпадает с естественными потоками конвекции, которые естественным образом используются в шкафу. Для балансировки давления и объема прокачиваемого воздуха используется перепускной клапан 3, управляемый контроллером.
Влага, неизбежно выпадающая из воздуха при его охлаждении в виде конденсата, собирается в поддоне кондиционера 23 и через дренажное отверстие 24 по дренажной трубке 25 попадает в поддон для сбора конденсата 10. По сигналу датчика влажности 18 контроллер 26 управляет насосом 8 и влага из поддона подается в трубку капиллярной подачи воды 17 объемно-пористого увлажнителя 1, тем самым поддерживая необходимый запас влаги. Таким образом, контроллер 26, используя показания датчиков влажности 18 и температуры 19, постоянно поддерживает нужную влажность охлаждаемого воздуха внутри шкафа.
Технический результат достигается путем использования в конструкции шкафа-ЦОД для стабилизации влажности охлаждаемого воздуха увлажнителя в виде объемно-пористого полотна, находящегося на внутренней стенке дверцы шкафа, а также предусмотренной система воздуховодов для перенаправления части охлажденных воздушных потоков на боковые стенки охлаждаемого оборудования.