ЗАМКНУТАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G12B15/02 H05K7/20 G06F1/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам охлаждения тепловыделяющего оборудования, в частности вычислительной техники и телекоммуникационной техники, и может быть использовано при построении инженерных систем для центров обработки данных как стационарных модульных, так и мобильных.

Уровень техники

Из патента РФ №94094 на полезную модель ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" известна система охлаждения тепловыделяющего оборудования, выполненная в составе Мобильного Центра Обработки Данных (далее МЦОД) и содержащая корпус с ИТ-оборудованием, подлежащим охлаждению, и системами электроснабжения. Для эксплуатации этой охлаждающей системы используются размещенные снаружи корпуса моноблочные кондиционеры, которые через отверстия в корпусе обеспечивают перемещение и охлаждение воздуха внутри корпуса с ИТ-оборудованием, включающим серверы, системы хранения данных и оборудование телекоммуникационных систем.

Недостатками этой системы для охлаждения тепловыделяющего оборудования являются нестандартные для транспортировки габариты, обусловленные наружным размещением кондиционеров, и реализация режима свободного охлаждения, при котором для охлаждения внутрь корпуса подают внешний воздух. Однако иногда подача внешнего воздуха в корпус может быть нежелательной, например, если охлаждающая система оказывается окруженной агрессивной и/или загрязненной атмосферой.

Из US 2011105010 известна замкнутая система охлаждения ИТ-оборудования, содержащая герметичный корпус, исключающий воздухообмен с окружающей средой. Перемещение охлаждающего воздуха в этой системе обеспечено внутренним кондиционером, содержащим вентилятор и охлаждающие теплообменные змеевики. Потолок и пол корпуса выполнены двойными, благодаря чему внутри корпуса сверху и снизу образованы пространства, а стенки корпуса выполнены однослойными. Сдвоенные потолок и пол выполнены из материала практически одинаковой толщины, т.е. имеют по существу одинаковые теплопроводящие свойства. Охлажденный воздух от кондиционера подается в пространство под полом, проходит под стойки с ИТ-оборудованием и нагнетается вверх для охлаждения ИТ-оборудования.

Хотя такие системы могут быть использованы в агрессивной и/или загрязненной окружающей атмосфере, к их недостаткам относится сравнительно большое энергопотребление и, следовательно, значительные энергетические затраты на охлаждение, обусловленные недостаточными теплоизолирующими свойствами корпуса.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система для охлаждения тепловыделяющего оборудования, выполненная в составе Мобильного Центра Обработки Данных "Датериум", известного из патента РФ №78384 на полезную модель ОАО "Ситроникс". Эта охлаждающая система содержит выполненный однослойным корпус, в котором на подвижной платформе установлены стойки с ИТ-оборудованием. Внутреннее пространство корпуса разделено перегородкой, служащей тепловым экраном, на горячий отсек и холодный отсек. Одна часть ИТ-оборудования размещена в холодном отсеке, а другая - в горячем отсеке. Перегородка проходит на расстоянии от потолка и отстоит от боковой стенки корпуса для разделения потоков холодного и горячего воздуха, так что поток холодного воздуха организован через переднюю стенку нагревающегося ИТ-оборудования. Кроме того, в корпусе размещены система электроснабжения, система охранной сигнализации и контроля доступа, система газового пожаротушения, автоматизированная система диспетчерского управления, кабельное и сетевое оборудование, именуемые в целом как прочие инженерные системы. Для охлаждения в системе используются раздельно-агрегатные кондиционеры, имеющие внутренние блоки, размещенные внутри корпуса на его потолке, и наружные блоки, размещенные снаружи корпуса. Охлаждение может осуществляться в двух режимах: с использованием кондиционера штатным образом (т.е. как холодильной машины, забирающей излишки тепла изнутри корпуса через внутренние блоки и сбрасывающей их в окружающую среду через наружные блоки) и в режиме продувки корпуса внешним воздухом (т.е. в режиме свободного охлаждения, или фрикулинга). В последнем режиме потребляется меньше энергии, поскольку не используются наружные блоки кондиционеров.

Недостатки этой охлаждающей системы схожи с недостатками охлаждающей системы, раскрытой в патенте РФ №94094.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений путем обеспечения возможности использования режима свободного охлаждения в агрессивной и/или загрязненной атмосфере, без непосредственного воздухообмена с внешней средой, что позволяет снизить энергопотребление МЦОД и увеличить ресурс блоков системы кондиционирования.

Для решения этой задачи разработана замкнутая система охлаждения тепловыделяющего оборудования, содержащая корпус, выполненный с возможностью содержания охлаждающей среды, разделенный тепловым экраном на горячий отсек и холодный отсек и выполненный с возможностью размещения в нем тепловыделяющего оборудования одной его частью в холодном отсеке, а другой его частью в горячем отсеке, и средства для обеспечения перемещения охлаждающей среды, размещенные в корпусе.

Чтобы преодолеть недостатки уровня техники, корпус дополнительно содержит непроницаемую наружную оболочку, имеющую относительно высокую теплопроводность и контактирующую с внешней средой, и внутреннюю оболочку, имеющую относительно низкую теплопроводность и расположенную внутри внешней оболочки с образованием между указанными оболочками области. Корпус дополнительно содержит первое отверстие, расположенное во внутренней оболочке корпуса и выполненное с возможностью обеспечения сообщения указанной области с холодным отсеком, и второе отверстие, также расположенное во внутренней оболочке корпуса и выполненное с возможностью обеспечения сообщения указанной области с горячим отсеком. Кроме того, средства для обеспечения перемещения охлаждающей среды выполнены с возможностью ее перемещения по замкнутому контуру, содержащему первое отверстие, холодный отсек, тепловыделяющее оборудование, горячий отсек, второе отверстие и область между наружной и внутренней оболочками корпуса.

Заявляемая система обеспечивает технический результат в виде обеспечения регулирования температуры внутри корпуса за счет изменения интенсивности теплообмена охлаждающей среды с внешней средой через наружную оболочку корпуса, что, в частности, позволяет уменьшить энергопотребление.

В предпочтительном варианте реализации изобретения средствами для обеспечения перемещения охлаждающей среды является по меньшей мере один регулируемый вентилятор, имеющий переменную производительность и встроенный в кондиционер, прикрепленный к потолку корпуса.

Средства для обеспечения перемещения охлаждающей среды предпочтительно размещены возле первого отверстия во внутренней оболочке корпуса. При этом размер первого отверстия задан первой регулируемой заслонкой, а размер второго отверстия задан второй регулируемой заслонкой. Кроме того, предлагаемая система предпочтительно содержит автоматический электронагреватель для обеспечения работы или хранения размещенного в корпусе оборудования.

В общем случае, охлаждающей средой для охлаждения оборудования служит воздух, однако могут также использоваться другие газы с нейтральными химическими свойствами.

Предлагаемая система предназначена в первую очередь для охлаждения центров обработки данных, которые могут быть выполнены как стационарными модульными, так и мобильными. Тепловыделяющим оборудованием, расположенным в центре обработки данных, является вычислительное или телекоммуникационное оборудование, размещенное на стойках и прикрепленное к подвижной платформе, размещенной в корпусе. Для подачи питания к тепловыделяющему оборудованию и кондиционерам используется система электроснабжения, которая может быть выполнена с использованием источников бесперебойного питания. При этом центр обработки данных содержит систему охранной сигнализации и контроля доступа, систему газового пожаротушения, автоматизированную систему диспетчерского управления или кабельное и сетевое оборудование.

На практике предлагаемая замкнутая система охлаждения тепловыделяющего оборудования может работать в агрессивной внешней среде без использования кондиционеров или использования их на уменьшенной мощности, в умеренной и холодной зоне до 8 месяцев в году. При таком использовании предлагаемой охлаждающей системы ее энергоэффективность увеличивается на величину до 30%, а ресурс блоков кондиционеров увеличивается на величину до 60%. Кроме того, предлагаемая система может быть выполнена в стандартных габаритах транспортных контейнеров и без выступающих из корпуса частей.

Краткое описание чертежей

Для пояснения предлагаемой замкнутой системы охлаждения тепловыделяющего оборудования прилагается ее разрез, изображенный на фиг.1.

Осуществление изобретения

В одном варианте осуществления изобретения предлагаемая замкнутая система охлаждения тепловыделяющего оборудования содержит корпус в форме, например, прямоугольного параллелепипеда. Как показано на фиг.1, внутреннее пространство корпуса разделено тепловым экраном 7 на горячий отсек 4 и холодный отсек 2. В корпусе на стойках установлено тепловыделяющее оборудование, такое как ИТ-оборудование 12 или телекоммуникационное оборудование, причем одна часть ИТ-оборудования 12 размещена в холодном отсеке 2, а другая его часть размещена в горячем отсеке 4. Горячий отсек 4 выполнен в виде коридора или части машинного зала МЦОД, в котором находится воздух, нагреваемый при работе ИТ-оборудования 12. Холодный отсек 3 выполнен в виде коридора или части машинного зала МЦОД, из которого забирается воздух для охлаждения ИТ-оборудования 12.

В корпусе также размещены средства для обеспечения перемещения охлаждающей среды, такой как воздух. В качестве средств для обеспечения перемещения охлаждающей среды могут использоваться кондиционеры 11, содержащие вентиляторы с регулируемой скоростью вращения. Кондиционеры 11 могут быть выполнены в виде сплит-систем, или раздельно-агрегатных кондиционеров, в которых имеются наружные блоки, размещенные снаружи охлаждаемого помещения, и внутренние блоки, размещенные внутри охлаждаемого помещения, или в виде моноблочных систем, не имеющих внешних относительно корпуса блоков для забора внешнего атмосферного воздуха. При использовании в предлагаемой системе кондиционеров, выполненных в виде сплит-систем, используется отдельный циркуляционный вентилятор.

В корпусе также размещены прочие инженерные системы МЦОД, такие как система электроснабжения для подачи питания к тепловыделяющему оборудованию и кондиционеру 11, система охранной сигнализации и контроля доступа, система газового пожаротушения, автоматизированная система диспетчерского управления, кабельное и сетевое оборудование. Для обеспечения работы ИТ-оборудования 12 и кондиционера 11 к ним подано питание от системы электроснабжения.

На фиг.1 показаны особенности конструкции корпуса, который содержит две оболочки 5 и 6. Наружная оболочка 5 выполнена тонкой, например, из металла и является непроницаемой для внешней среды, в частности внешнего атмосферного воздуха. Оболочка 5 имеет относительно высокую теплопроводность и непосредственно граничит с окружающей внешней средой, например загрязненной или агрессивной атмосферой. Внутренняя оболочка 6 выполнена из теплоизолирующих материалов, имеет относительно низкую теплопроводность и размещена внутри наружной оболочки 5. Внутренняя оболочка 6 является достаточно жесткой для обеспечения размещения на ней стоек с ИТ-оборудованием 12 и прочих инженерных систем. В результате такого размещения оболочек 5, 6 между ними образована область 8, заполненная воздухом или иным газом, не сообщающимся с внешней средой.

Во внутренней оболочке 6 выполнены два отверстия 9 и 10 для прохода воздуха во внутреннее пространство корпуса, такое как внутреннее помещение МЦОД, разделенное тепловым экраном 7 на горячий отсек 4 и холодный отсек 3. Тепловой экран 7 выполнен в виде перегородки, размещенной на расстоянии от внутреннего потолка, образованного верхней частью внутренней оболочки 6, и отстоящей от внутренней боковой стенки, образованной боковой частью внутренней оболочки 6. Тепловой экран 7 разграничивает потоки холодного и горячего воздуха, так что поток холодного воздуха направлен на переднюю стенку тепловыделяющего ИТ-оборудования 12, подлежащего охлаждению.

Отверстие 10, выполненное с возможностью регулировки регулируемой заслонкой 2, сообщается с горячим отсеком 4, содержащим нагретый ИТ-оборудованием 12 воздух, а отверстие 9, выполненное с возможностью регулировки регулируемой заслонкой 1, сообщается с холодным отсеком 3, содержащим холодный воздух для охлаждения тепловыделяющего ИТ-оборудования 12. Воздух через отверстие 9 подается из области 8 в холодный отсек 3 посредством вентилятора кондиционера 11, обеспечивающего при необходимости также охлаждение воздуха. Размер отверстия 10, обеспечивающего сообщение области 8, образованной оболочками 5 и 6, с горячим отсеком 4 регулируют регулируемой заслонкой 3, а размер отверстия 9, обеспечивающего сообщение области 8 с холодным отсеком 3, регулируют регулируемой заслонкой 1.

Благодаря такой конструкции, когда движения воздуха в области 8 нет, ИТ-оборудование 12 и инженерные системы МЦОД оказываются окружены двумя оболочками 5 и 6, между которыми находится воздух или иной газ, обеспечивающий высокую теплоизоляцию. Режим, при котором отсутствует перемещение воздуха в области 8, используется, когда ИТ-оборудование 12 не выделяет тепла (например выключено или не смонтировано). В этом режиме для поддержания положительной температуры при заморозках или в зимний период используется дополнительный источник тепла, такой как автоматический электронагреватель, размещенный, например, внутри кондиционера 11, области 8 или холодном отсеке 3.

Работающее ИТ-оборудование 12 нагревается само и нагревает окружающий его воздух. ИТ-оборудование 12, такое как серверы или коммуникационные станции, содержит внутренние вентиляторы для охлаждения продувкой воздуха, которые из холодного отсека 3 засасывают холодный воздух, подают его на нагревающиеся части тепловыделяющего оборудования и выбрасывают нагретый в результате этого воздух в горячий отсек 4.

Если температура Т снаружи корпуса ниже заданного значения Т₃, обычно от +16ºС до +24ºС, для холодного отсека 2, для обеспечения охлаждения ИТ-оборудования 12 включают вентилятор кондиционера 11.

Он начинает прогонять внутренний воздух, заключенный в корпусе, через область 8, образованную между внутренней 6 и наружной 5 оболочками, при этом через отверстие 10 в область 8 поступает нагретый воздух, а через отверстие 9 охлажденный воздух из области 10 поступает в холодный отсек 2. Во время такого перемещения воздуха по области 8 излишки тепла через тонкую наружную оболочку 5, обладающую относительно высокой теплопроводностью, сбрасываются наружу в результате рассеяния тепла.

Температуру воздуха, поступающего в холодный отсек 2 из области 8 (т.е. температуру в холодном отсеке 2), регулируют путем управления расходом воздуха в области 8 через изменение скорости вентилятора кондиционера 11. Если при максимальной скорости вентилятора температура воздуха, поступающего в холодный отсек 2 из области 8, превышает заданное необходимое значение, включают компрессор кондиционера 11, которым понижают температуру воздуха, поступающего в холодный отсек 2, до значений, необходимых для нормального охлаждения ИТ-оборудования 12.

Если температура Т снаружи корпуса выше заданного значения Т₃, регулируемую заслонку 1 закрывают, в результате чего прекращается поступление воздуха из области 8 в холодный отсек 2, открывают регулируемую заслонку 3, а кондиционер 11 включают в штатном режиме, так что работающее ИТ-оборудование 12 охлаждается только кондиционером 11. Благодаря такой конфигурации достигается увеличенная теплоизоляция внутреннего пространства корпуса, являющаяся результатом сложения теплоизолирующих свойств воздуха, заключенного между оболочками 5 и 6, и теплоизолирующих свойств внутренней оболочки 6.

Таким образом, описываемая замкнутая система охлаждения ИТ-оборудования 12 имеет три режима работы - основной, переходный и высокотемпературный. В основном режиме, при котором температура Т снаружи корпуса ниже заданного значения Т₃ для холодного отсека 2 (Т<Т₃), температуру внутри корпуса регулируют за счет изменения интенсивности теплообмена охлаждающей среды с внешней средой через наружную оболочку 5 корпуса. Интенсивность теплообмена регулируют скоростью вращения вентилятора и величиной открытия регулируемых заслонок 1 и 3. В результате этого теплообмен через наружную оболочку 5 изменяется в диапазоне между максимальным и минимальным значениями для поддержания в холодном отсеке 2 заданной температуры. В переходном режиме, при котором температура Т снаружи корпуса немного меньше заданного значения Т₃ для холодного отсека 2 или равна ему (Т≤Т₃), через наружную оболочку 5 успевает рассеиваться только часть тепла, выделяемого ИТ-оборудованием, а остальное тепло поглощается кондиционерами 11. В переходном режиме рассеяние тепла через наружную оболочку 5 меньше, чем в основном режиме работы охлаждающей системы. В высокотемпературном режиме, при котором температура Т снаружи корпуса превосходит заданное значение Т₃ для холодного отсека 2 (Т>Т₃), практически все тепло, выделяемое ИТ-оборудованием, поглощается кондиционерами 11, а рассеяния тепла через наружную оболочку 5 практически не происходит.

В основном режиме работы охлаждающей системы компрессоры кондиционеров 11, являющиеся основным потребителем электроэнергии в инженерном оборудовании МЦОД, выключены. В переходном режиме работы охлаждающей системы кондиционеры 11 потребляют меньше энергии, чем в высокотемпературном режиме, который является обычным в традиционных системах охлаждения ИТ-оборудования в МЦОД. Таким образом в основном и переходном режимах экономится электроэнергия. Кроме того, в основном режиме 1 увеличивается в сторону низких температур рабочий температурный диапазон МЦОД, позволяя ему работать при температурах ниже, чем допустимая температура работы блоков кондиционеров (для большинства кондиционеров составляет -20ºС…-25ºС), т.е. при температурах -40…-50ºС.

За счет полного отсутствия воздухообмена с окружающей средой режим свободного охлаждения может быть использован в пыльном и грязном воздухе, взрывоопасной среде, например на химических и нефтеперегонных заводах, при добыче полезных ископаемых и т.п. Предлагаемая замкнутая система охлаждения тепловыделяющего оборудования не чувствительна к осадкам в виде дождя и снега, в том числе и при сильном ветре, и может работать частично засыпанной снегом или залитой водой.

Список позиционных обозначений

1. Регулируемая заслонка холодного отсека

2. Холодный отсек

3. Регулируемая заслонка горячего отсека

4. Горячий отсек

5. Наружная оболочка корпуса

6. Внутренняя оболочка корпуса

7. Тепловой экран

8. Область между наружной и внутренней оболочками корпуса

9. Отверстие во внутренней оболочке корпуса, сообщающееся с холодным отсеком

10. Отверстие во внутренней оболочке корпуса, сообщающееся с горячим отсеком

11. Кондиционер

12. ИТ-оборудование

Изобретение относится к системам охлаждения тепловыделяющего оборудования, в частности вычислительной техники и телекоммуникационной техники, и может быть использовано при построении инженерных систем для центров обработки данных как стационарных модульных, так и мобильных. Технический результат - обеспечение возможности использования режима свободного охлаждения в агрессивной и/или загрязненной атмосфере без непосредственного воздухообмена с внешней средой, что позволяет снизить энергопотребление Мобильного центра обработки данных и увеличить ресурс блоков системы кондиционирования. Достигается тем, что система содержит корпус, разделенный тепловым экраном на горячий отсек и холодный отсек, так что одна часть ИТ-оборудования размещена в холодном отсеке, а другая - в горячем. Система также содержит внутренний кондиционер с вентилятором. Корпус выполнен из непроницаемой наружной оболочки с высокой теплопроводностью и внутренней оболочки с низкой теплопроводностью. Между оболочками образована область, сообщающаяся через первое отверстие с холодным отсеком, а через второе отверстие с горячим отсеком. Кондиционер с вентилятором перемещают внутренний воздух по замкнутому контуру, содержащему первое отверстие, холодный отсек, ИТ-оборудование, горячий отсек, второе отверстие и область между наружной и внутренней оболочками корпуса. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Замкнутая система охлаждения тепловыделяющего оборудования, содержащая корпус, выполненный с возможностью содержания охлаждающей среды, разделенный тепловым экраном на горячий отсек и холодный отсек и выполненный с возможностью размещения в нем тепловыделяющего оборудования одной его частью в холодном отсеке, а другой его частью в горячем отсеке, и средства для обеспечения перемещения охлаждающей среды, размещенные в корпусе, отличающаяся тем, что корпус содержит непроницаемую наружную оболочку, имеющую относительно высокую теплопроводность и контактирующую с внешней средой, и внутреннюю оболочку, имеющую относительно низкую теплопроводность и расположенную внутри внешней оболочки с образованием между указанными оболочками области, первое отверстие, расположенное во внутренней оболочке корпуса и выполненное с возможностью обеспечения сообщения указанной области с холодным отсеком, и второе отверстие, расположенное во внутренней оболочке корпуса и выполненное с возможностью обеспечения сообщения указанной области с горячим отсеком, причем средства для обеспечения перемещения охлаждающей среды выполнены с возможностью ее перемещения по замкнутому контуру, содержащему первое отверстие, холодный отсек, тепловыделяющее оборудование, горячий отсек, второе отверстие и область между наружной и внутренней оболочками корпуса.

2. Система по п.1, в которой средствами для обеспечения перемещения охлаждающей среды является по меньшей мере один регулируемый вентилятор.

3. Система по п.2, в которой указанный по меньшей мере один управляемый вентилятор имеет переменную производительность.

4. Система по п.2, в которой указанный по меньшей мере один управляемый вентилятор встроен в кондиционер, прикрепленный к потолку корпуса.

5. Система по п.1, в которой средства для обеспечения перемещения охлаждающей среды размещены возле первого отверстия во внутренней оболочке корпуса.

6. Система по п.1, в которой размер первого отверстия задан первой регулируемой заслонкой, а размер второго отверстия задан второй регулируемой заслонкой.

7. Система по п.1, дополнительно содержащая автоматический электронагреватель.

8. Система по п.1, в которой охлаждающей средой является воздух или газы с нейтральными химическими свойствами.

9. Система по п.1, выполненная с возможностью работы в составе центра обработки данных.

10. Система по п.9, выполненная с возможностью работы в составе центра обработки данных, выполненного стационарным модульным или мобильным.

11. Система по п.1, в которой тепловыделяющим оборудованием является вычислительное или телекоммуникационное оборудование, размещенное на стойках и прикрепленное к подвижной платформе, размещенной в корпусе.

12. Система по п.1, содержащая систему электроснабжения для подачи питания к тепловыделяющему оборудованию и системе охлаждения.

13. Система по п.12, в которой система электроснабжения выполнена с использованием источников бесперебойного питания.

14. Система по п.9, выполненная с возможностью работы в составе центра обработки данных, содержащего систему охранной сигнализации и контроля доступа, систему газового пожаротушения, автоматизированную систему диспетчерского управления или кабельное и сетевое оборудование.