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新型热管背板技术在数据中心的应用

2021-03-27

中国电源产业网

导语：昌遂（证券代码：667318）作为IDC数据中心末端电源解决方案提供商、制造商和国家高新技术企业，秉承着“ 让机架配电更灵活、让数据中心更节能”的服务理念，致力于为用户提供安全、可靠、高性价比的PDU电源产品。昌遂2006年成立、注册资本5000万、累计销售额 9.5亿+，经过15年技术创新及管理提升，“昌遂*CAN”品牌已成为行业知名品牌。

热管背板是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，热管运行时工作液体的回流靠重力即可满足，无须其它动力（水泵或压缩机）。热管背板安装于机柜后门，与机柜紧密结合，不影响机柜后门的开关。热管背板的冷却原理如下图。

热管背板形式的冷却流程如下：

『在机柜内 IT 设备的风机以及热管背板末端的风机产生的吸引力的作用下，机房内的循环空气通过机柜的开孔前门进入机柜并流经 IT 设备；

『循环空气被正在运行的 IT 设备加热后温度升高成为热空气后，被排出 IT 设备；

『热空气被排出 IT 设备后，被吸入热管背板末端，热空气在流经热管背板末端时，热管空气的热量被热管背板末端中的液态制冷剂吸收，成为冷空气后，被排出机柜，进入机房的环境中；

『在机柜内 IT 设备的风机以及热管背板末端的风机产生的吸引力的作用下，机房内的循环空气通过机柜的开孔前门进入机柜并流经 IT 设备。

热管背板的冷却方式实现了将传统整个机房为冷却单元向以机柜局部为冷却单元的转变，实现了服务器设备在机柜内部冷却的目标。由于服务器运行时产生的热量在机柜内部已经实现冷却，热管背板的排风即为机房环境温度，即：采用热管背板为冷却末端时，机房中温度即为设定的进风温度。

新型热管冷却系统由两个热管循环和一个蒸气压缩循环串并联组成，主要包含蒸发器、中间换热器、热管冷凝器和空调冷凝器四个换热部件以及蒸发器风机、冷凝器风机和压缩机三个动力部件。

随着室外环境温度和机房 IT 负荷率的不同，热管复合冷却系统存在自然冷却、蒸气压缩以及复合制冷三种运行模式。系统在三种运行模式之间的切换不依赖于阀门，仅需控制压缩机的启停即可。

01 自然冷却模式

当室外环境温度足够低时，仅依靠外侧热管循环就能满足制冷需求，此时压缩机不启动。制冷工质在蒸发器中吸热气化沿气管流至中间换热器和热管冷凝器，由于压缩机未启动，气态工质在中间换热器中无法放热冷凝，阻止中间热管循环的形成；而流至热管冷凝器的工质在室外风机的作用下冷凝放热，液化后的制冷工质沿着液管回流至蒸发器，形成自然冷却循环。循环示意图如图（a）所示。在自然冷却模式下，系统退化为一个分离式热管循环系统。

02 蒸气压缩模式

当室外环境温度过高时，外侧热管停止循环，此时启动压缩机，制冷工质在蒸发器中吸热气化沿气管流至中间换热器和热管冷凝器，由于室外环境温度高，气态工质在热管冷凝器中无法放热冷凝，气态工质将充满整个热管冷凝器，外侧热管循环自动停止。而流至中间换热器的工质将热量传递给蒸气压缩循环的制冷工质，最终在空调冷凝器排放到室外环境。循环示意图如图（b）所示。在蒸气压缩模式下，系统实际上是中间热管循环和蒸气压缩循环串联换热。

03 复合制冷模式

当室外环境温度较低时，外侧热管循环启动，但制冷量又不足以满足机房需求，此时系统根据室内制冷需求调节压缩机运行频率，用以补充外侧热管循环制冷量的不足。制冷工质在蒸发器吸热气化，沿气管流至中间换热器和热管冷凝器，气态工质同时在中间换热器和热管冷凝器完成热量传递和排放。循环示意图如图（c）所示。在复合制冷模式下，系统是一个较为复杂的串并联换热网络，中间热管循环与蒸气压缩循环串联换热，再与外侧热管循环并联换热。

新型复合热管管冷却系统具有以下特点：

（1）节能性。该新型热管复合冷却系统将主动制冷与自然冷却相结合，当室外环境温度足够低时，仅靠一级预冷热管即可达到需要的制冷量；当室外环境温度升高，一级热管可作为部分预冷，即启动外侧热管循环制冷来提供另一部分冷量；仅靠外侧热管循环制冷量不足时，启动蒸气压缩循环，依靠调节变频压缩机频率，实现主动制冷与自然冷却的无极切换，最大限度地利用自然能源。热量传输依靠重力式分离热管的自发循环，不消耗额外的输配能耗。

（2）安全性。整个系统为全氟冷却系统，没有水进入机房，对 IT 设备没有任何安全隐患。且系统主动制冷和自然冷却两种形式之间的切换不依靠阀门，杜绝了单点故障，提高了系统运行安全性。

（3）可靠性高，运行维护方便。由于设备对于安装高度的需求，室外机安装在机房顶部，自动化程度高；蒸发器分布机房内，运行管理人员只需在机房内和制冷设备的机房顶部区域进行运行维护，可设置少量全职现场运行管理人员，甚至可以不设。

昌遂-机房环境管理

编辑：中国电源产业网

来源：《电源工业》编辑部

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