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针对机房数据中心，今天我们介绍一种新型背板空调。它支持机房自由扩容和升级，可用于新一代高密度数据中心。 设备整体如图1所示，整个重力热管背板空调系统由多个重力热管背板、RCU(制冷剂冷凝单元)、控制系统和相关管路系统组成。背板空调的循环系统由2部分组成：空气循环系统和热管循环系统。
①机房冷空气在服务器内置风扇的作用下，被吸入机柜并对服务器降温；②吸热后的空气流向安装在机柜服务器背部的热管背板；③热空气与背板换热器进行热交换，将热量传递给换热器内的制冷剂；④温度降低后的冷空气从背板吹出，完成机房空气循环。①热管背板换热管内制冷剂在吸收热空气热量后，在换热管内吸热相变，由液态变为气态；②汽化后的制冷剂在压差作用下，经制冷剂气管流入RCU；③制冷剂在RCU内与冷冻水进行热交换，由气态凝结为液态；④在重力压差的作用下，沿制冷剂液管回流至各个热管背板，继续吸收热空气热量，完成制冷剂循环。热管管路制冷剂的循环依靠外界工况状态和本身的物理特性，无额外的驱使动力。现有的制冷剂换热的研究一般针对强制流动传热，而对强制流动的传热研究又多以水平管为主，对于垂直管自然沸腾流动的换热特性还有待进一步研究。混合制冷剂沸腾和纯质制冷剂沸腾有显著不同，其影响因素有组分对核化的影响，物性随组分的显著变化，以及气液变换和沸腾蒸发的阻力等。一般情况下，混合制冷剂的沸腾换热系数低于有相同物性的纯质制冷剂的沸腾换热系数。模拟计算蒸发温度设置为15℃，进口过冷度与出口过热度均按2℃计算。将换热管沿制冷剂流向分为多个小管段，计算各个管段的换热情况，计算结果如图4示。由图4可以看出，过冷液体制冷剂对流换热区的换热系数非常低，两相沸腾换热区内单相液体达到饱和温度，产生气泡，气泡向上浮起，产生剧烈扰动，因此该段的换热系数显著加大。越到换热管的后端，截面含气率越大。液体接触壁面比例变小，换热系数随之降低；进入气向换热区之后，换热系数出现急剧衰减。气、液单相换热区的换热系数远小于两相区的换热系数。由此可以推断蒸发器的换热效果主要取决于两相沸腾区域所占的比例。也就是取决于制冷剂的进口过冷度和出口过热度。测试采用8个热管连接1个RCU，充注制冷剂R134a。在RCU额定进／出水温度为7℃／14℃(流量为5．9m3/h)，背板空调额定进风温度为35℃，单个背板额定通风量为1500m3/h时，单个背板名义制冷量为6 kw，RCU换热量为48 kW。为了保证回液的动力，并且防止RCU换热器的底部积液影响传热性能，RCU底部距热管背板顶部必须保持适当的垂直距离，该试验中这个垂直高度设置为500mm。RCU与热管背板的连接管程距离约为13．5m。本次试验主要针对背板空调的实际应用，考虑机柜实际运行可能遇到的各种问题，根据这些问题设置相应的试验方案。服务器的散热量在实际运行时会发生变化，此外，其中部分背板空调出现故障时，需要其他背板空调提供相应冷量，所以背板空调的热负荷时时发生变化。为了模拟这种情况，在此试验中，保持RCU的水量、进水温度、背板的风量为额定值，调节背板空调进风温度在25～40℃范围内变化，测试结果如图6所示。当背板进风温度逐渐升高时，空调的制冷量随之稳定增加，这是因为热管的换热量是根据两端的工况自行调节的结果，当两端的温度差比较大时，热管内的工质沸腾得更加激烈，流动速度加快，制冷量相应增加。RCU的冷冻水所提供的冷量与机房热负荷必须保持动态平衡，系统通过调节RCU的冷冻水量调节空调的冷量，为了验证水量变化对冷量调整的可靠性，设计本试验。在此试验中，保持RCU进水温度、背板风量、进风温度为额定值，调节RCU的进水量分别为额定水量的30％，50％，75％，100％，125％和150％，测试结果如图7所示。如图所示，当RCU的供水量大于额定值时，换热量变化非常平缓，当水量增加50％时，制冷量仅增加11％；RCU供水量小于额定值时，变化幅度较大，水量减少70％时，制冷量减少50％。分析原因认为：RCU供水量较大时，限制空调换热量的主要因素是背板蒸发器和RCU的换热面积，因此水量变化对换热量变化影响较小；RCU供水量较小时，蒸发器和RCU的换热面积相对充足，此时，供水量是影响换热的主要因素，水量变化可以有效调控系统的总换热量。为分析机柜内部热负荷不同对热管背板换热的影响，采用单一背板机柜并在内部放置假负载进行测试，见图8。假负载自带风扇，通风量自动根据负载量调节，蒸发器出风均布6个温度探头，与各个假负载出风相对应。试验保证RCU冷冻水进水温度、流量、机柜服务器的进风温度、风量为额定值，通过开关模拟服务器的负载组成不同大小热负荷的负载组合，分析不同负载对热管背板换热性能的影响。通过焓差试验室获取不同负载大小对应的热管背板的换热量和热管背板进风温度和机柜出风温度，并计算得到平均值，如表1所示。测试结果发现：机柜内部负载均匀时，蒸发器的换热量是最理想的；负载位于机柜上部时；负载位于机柜下部时，蒸发器的制冷量最小。测试一中，蒸发器进风均匀，制冷量最大；测试二中，负载位于机组上部，蒸发器上部通风量较大，制冷剂在下端沸腾比较平缓，换热系数较低，到蒸发器中上端才产生比较剧烈的核态沸腾，在蒸发器出口的过热度比较小，总体换热效果稍有衰减；测试三中，负载位于机组下部，蒸发器下部热流密度比较大，制冷剂从下部开始就发生比较剧烈的核态沸腾，使得蒸发器中上端含气率较大，制冷剂出现较大过热度，整体换热效果最差。从表1可以看出，三次测试最大制冷量和最小制冷量仅相差约9％。这是因为虽然假负载位于机柜的不同位置，但是进入蒸发器时的温度和风量基本一致，所以三次测试中，蒸发器进风只存在通风均匀性的问题，而且蒸发器本身存在阻力，对蒸发器进风均匀起到了一定的调整作用，实际通风均匀性比较良好，最终三次测试冷量相差并不大。实际应用中，上述问题会造成房间温度约±1℃的温度偏差，并不影响机房服务器的正常使用，如能注意均匀服务器的摆放位置，效果会更好。
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