一种自然蒸发冷却的服务器机柜及其工作方法与流程

本发明属于换热技术领域，涉及一种自然蒸发冷却的服务器机柜及其工作方法。

背景技术：

随着5g市场的上市及国内通讯网络的蓬勃发展，通讯行业的高能耗问题日益突出。据统计，我国三大通信运营商的能耗已占全国总能耗的2％，其中，作为无线通信系统中重要的基础信息枢纽的通讯基站整体能耗约占全部通讯网络能耗的53％以上。同时，5g时代的到来将进一步加快云计算、物联网、智能制造、人工智能、移动互联网等产业发展，支撑上述产业发展的基础设施是数据中心。然而，5g通讯基站和数据中心的发展严重受制于高能耗问题，其中，服务器冷却对数据中心能耗有着决定性影响。

目前数据中心服务器冷却技术主要采用空调制冷与冷热通道相结合的风冷技术。首先，风冷换热效率低，同时换热介质气体的比热容小，其冷却比功耗(风机功耗)较大；其次，目前采取的冷热通道方式属于“大水漫灌”，难以做到针对每一个服务器的精确调控达到节能目的；第三，传统风冷方式需要有存放服务器的机房，布置起来灵活性差，特别是随着边缘计算以及移动互联网向边缘发展的趋势，小型微型数据中心需求激增，需要有模块化灵活布置的高效服务器机柜。另一方面，目前通讯基站服务器模块的散热主要采用空调冷却，空调冷却方法存在成本高、耗电大、运行费用高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种自然蒸发冷却的服务器机柜及其工作方法，该机柜及其工作方法能够确保服务器部件工作在安全温度范围内，且具有功耗低及成本低的特点。

为达到上述目的，本发明所述的自然蒸发冷却的服务器机柜包括柜体，其中，柜体内由外到内依次设置有第一隔断及第二隔断，其中，柜体内通过第一隔断及第二隔断分隔为由外到内依次分布的第一蒸发冷却腔、第二蒸发冷却腔及载物腔；

第一蒸发冷却腔内设置有集水槽、填料间及带有喷淋头的喷淋管，其中，喷淋管、填料间及集水槽自上到下依次设置，第二隔断的顶部与第二蒸发冷却腔之间设置有冷凝换热器，其中，集水槽的出口与冷凝换热器的入口相连通，冷凝换热器的出口与喷淋管的入口相连通；柜体的侧面开设有进气口，其中，进气口位于填料间与集水槽之间，第二蒸发冷却腔内填充有相变工质。

第二隔断的外壁上设置有毛细导液网。

还包括若干强化换热板，其中，强化换热板的中部位于载物腔内，强化换热板的端部穿过第二隔断且与第二蒸发冷却腔相连通。

相变工质的填充高度高于第二隔断的高度，且小于冷凝换热器底部的高度。

集水槽底部的出水口经循环泵与冷凝换热器的入口相连通。

集水槽的液面位置处设置有补水浮球阀，其中，补水浮球阀的进水口连通有补水管。

柜体的底部设置有出气口，其中，出气口处设置有排风扇，其中，排风扇位于第一隔断的一侧，集水槽位于第一隔断的另一侧，出气口连通有排气管。

第一隔断的顶部设置有若干强化换热翅片，各强化换热翅片分布于第一隔断顶部的内侧及外侧。

第一隔断上设置有加注口，所述加注口连通有工质加注阀。

本发明所述自然蒸发冷却的服务器机柜的工作方法包括以下步骤：

当环境温度高于预设温度时，机柜在蒸发冷却模式下工作，开启循环泵及排风扇，干燥空气经进气口进入第一蒸发冷却腔，空气在排风扇的作用自下向上流动经过填料间，同时，喷淋头自上到下喷淋的水与空气进行换热降温，然后掉落到集水槽中，干燥空气吸收蒸发的水分后变为饱和空气，然后经排风扇进入到排气管中，集水槽内的水进入到冷凝换热器中吸热，再进入到喷淋管中，在第二蒸发冷却腔内，液态的相变工质通过第二隔断及强化换热板吸收载物腔中服务器部件发出的热量，使得液态的相变工质汽化为气态的相变工质，然后上升至第二蒸发冷却腔的顶部区域，并与冷凝换热器中的水进行换热降温凝结为液态的相变工质，然后掉落到下来；

当环境温度小于预设温度时，机柜在自然风冷模式下工作，关闭循环泵，开启排风扇，室外温度较低的空气经进气口进入第一蒸发冷却腔，然后自下到上流动至第一蒸发冷却腔的顶部，与此同时，液态的相变工质通过第二隔断及强化换热板吸收载物腔内服务器部件工作时产生的热量，液态的相变工质吸热汽化为气态的相变工质，气态的相变工质上升至第二蒸发冷却腔的顶部，此时，气态的相变工质与第一蒸发冷却腔内的空气通过第一隔断进行热交换，使第二蒸发冷却腔内部的气态的相变工质冷凝为液体的相变工质并坠落下来，在第一蒸发冷却腔中的空气吸热后通过排风扇排出。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的自然蒸发冷却的服务器机柜及其工作方法在具体操作时，主要耗电部件为循环泵及排风扇，在实际运行时，可以根据外界环境的温度，灵活选择自然蒸发冷却或者自然吹风冷却模式，相比于传统的空调，功耗较低，大大降低服务器的运营成本，另外，本发明依靠第二蒸发冷却腔中相变工质的汽化对载物腔中服务器部件进行冷却，充分利用液态相变工质汽化的潜热，冷却速度快，载物腔内温度波动小，能够为载物腔中的设备提供良好稳定的工作环境，使得确保服务器部件工作在安全温度范围内，结构简单，易于安装且成本低廉。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中柜体的结构示意图。

其中，1为第一蒸发冷却腔、2为第二蒸发冷却腔、3为第一隔断、4为喷淋管、5为填料间、6为载物腔、7为百叶进气口、8为补水浮球阀、9为集水槽、10为底座、11为泄水阀、12为排风扇、13为循环泵、14为强化换热板、15为毛细导液网、16为第二隔断、17为相变工质、18为冷凝换热器、19为工质加注阀、20为机柜前门、21为机柜后门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的自然蒸发冷却的服务器机柜包括柜体，柜体设置有机柜前门20和机柜后门21，其中，柜体内由外到内依次设置有第一隔断3及第二隔断16，其中，柜体内通过第一隔断3及第二隔断16分隔为由外到内依次分布的第一蒸发冷却腔1、第二蒸发冷却腔2及载物腔6；第一蒸发冷却腔1内设置有集水槽9、填料间5及带有喷淋头的喷淋管4，其中，喷淋管4、填料间5及集水槽9自上到下依次设置，第二隔断16的顶部与第二蒸发冷却腔2之间设置有冷凝换热器18，其中，集水槽9的出口与冷凝换热器18的入口相连通，冷凝换热器18的出口与喷淋管4的入口相连通；柜体的侧面开设有进气口7，其中，进气口7位于填料间5与集水槽9之间，第二蒸发冷却腔2内填充有相变工质17，第二隔断16的外壁上设置有毛细导液网15。

本发明还包括若干强化换热板14，其中，强化换热板14的中部位于载物腔6内，强化换热板14的端部穿过第二隔断16且与第二蒸发冷却腔2相连通；相变工质17的填充高度高于第二隔断16的高度，且小于冷凝换热器18底部的高度。

集水槽9底部的出水口经循环泵13与冷凝换热器18的入口相连通；集水槽9的液面位置处设置有补水浮球阀8，其中，补水浮球阀8的进水口连通有补水管。

柜体的底部设置有出气口，其中，出气口处设置有排风扇12，其中，排风扇12位于第一隔断3的一侧，集水槽9位于第一隔断3的另一侧，出气口连通有排气管，排风扇12的数目为一台或者多台，第一隔断3的顶部设置有若干强化换热翅片，各强化换热翅片分布于第一隔断顶部的内侧及外侧，第一隔断3上设置有加注口，所述加注口连通有工质加注阀19。

柜体的底部设置有底座10，第二隔断16的垂直壁面与第一隔断3的垂直壁面之间的间隙宽度为10mm。进气口7为百叶进气口。循环泵13的入口处连通有泄水阀11。

第二蒸发冷却腔2内部填充有相变工质17，工作压力下相变工质17的液面低于冷凝换热器18下侧的最低位置高度，并高于第二隔断16。

强化换热板14为封闭的中空扁平方形腔体，强化换热板14的两端穿透第二隔断16，使强化换热板14的内部中空扁平方形腔体与第二蒸发冷却腔2相连通，强化换热板14的上部为平板表面，强化换热板14的下部壁面为带强化换热功能的肋片表面。

第一隔断3及第二隔断16的材质为具有高导热系数的金属材料、复合材料，包括钢、铝合金等。

第一蒸发冷却腔1外壁面的结构材料为钢、铝合金、玻璃钢或塑料等。

毛细导液网15为不锈钢丝网、合金丝网、铜线丝网、石英纤维及镍毡中的一个或者多个复合而成的丝网。

填料间5中的填料为s波填料、斜交错填料、台阶式梯形斜波填料、差位式正弦波填料、点波填料、角蜂窝填料、双向波填料或斜折波填料。

所述相变工质17为工作压力下的相变温度为-20℃～50℃的热力循环工质，相变工质17为水、r245fa、醇类、r1336mzz、r1233zd、novec649、hfe7000、r1224yd(z)、re245fa2、r365mfc、hfe-347mmy及hfe-347mcc中的一种或者为r1336mzz、r1233zd、r245fa、novec649、hfe7000、r1224yd(z)、re245fa2、r365mfc、hfe-347mmy、hfe-347mcc、hfe7100及hfe7500中的多种按任意比例混合的混合物，根据实际制冷需求选择相变工质17，加注工质前对第二蒸发冷却腔2进行抽真空。

本发明所述自然蒸发冷却的服务器机柜的工作方法包括以下步骤：

将相变工质17从工质加注阀19加注，在加注之前将第二蒸发冷却腔2内抽成真空，然后将工质储存罐的工质出口与工质加注阀19连通加注相变工质17，相变工质17加注完成后，工质加注阀19处于常闭状态。

机柜工作模式分为蒸发冷却模式和自然风冷模式，工作模式的选择依据外界环境气温确定。

当环境温度高于预设温度时，机柜在蒸发冷却模式下工作，开启循环泵13及排风扇12，干燥空气经进气口7进入第一蒸发冷却腔1，空气在排风扇12的作用自下向上流动经过填料间5，同时，喷淋头自上到下喷淋的水与空气进行换热降温，然后掉落到集水槽9中，干燥空气吸收蒸发的水分后变为饱和空气，然后经排风扇12进入到排气管中，集水槽9内的水进入到冷凝换热器18中吸热，再进入到喷淋管4中，在第二蒸发冷却腔2内，液态的相变工质17通过第二隔断16及强化换热板14吸收载物腔6中服务器部件发出的热量，使得液态的相变工质17汽化为气态的相变工质17，然后上升至第二蒸发冷却腔2的顶部区域，并与冷凝换热器18中的水进行换热降温凝结为液态的相变工质17，然后掉落到下来。

当环境温度小于预设温度时，机柜在自然风冷模式下工作，关闭循环泵13，开启排风扇12，室外温度较低的空气经进气口7进入第一蒸发冷却腔1，然后自下到上流动至第一蒸发冷却腔1的顶部，与此同时，液态的相变工质17通过第二隔断16及强化换热板14吸收载物腔6内服务器部件工作时产生的热量，液态的相变工质17吸热汽化为气态的相变工质17，气态的相变工质17上升至第二蒸发冷却腔2的顶部，此时，气态的相变工质17与第一蒸发冷却腔1内的空气通过第一隔断3进行热交换，使第二蒸发冷却腔2内部的气态的相变工质17冷凝为液体的相变工质17并坠落下来，在第一蒸发冷却腔1中的空气吸热后通过排风扇12排出。