Основы охлаждения монтажных шкафов

Поскольку компьютерное оборудование и системы питания становятся всё более компактными, вопрос рассеивания тепла приобретает всё большее значение.

Подобное оборудование имеет специальные требования по рабочей температуре, и когда оно смонтировано внутри серверных или монтажных шкафов, температура может стать настоящей проблемой.

Избыток тепла, выделяемый оборудованием внутри монтажного шкафа, является наиболее важным фактором, негативно влияющим на производительность, надежность и приводит к сбоям. Требования по  охлаждению стоит учитывать ещё на начальном этапе конструирования, так как наличие эффективной стратегии охлаждения в значительной степени помогает с теплоотводом. 

Перенос тепла

Перенос тепла происходит одним из трех способов: через излучение, теплопроводность, естественную или принудительную конвекцию. Перенос тепла излучением осуществляется посредством электромагнитных волн, примером может быть солнечная энергия, достигающая Земли. Тепло также может передаваться при непосредственном контакте объектов, пример - чип микропроцессора, охлаждаемый при помощи радиатора, имеющего с ним прямой контакт.

В большинстве случаев отвод тепла осуществляется комбинацией всех способов, даже если акцент делается на одном методе. Например, чип процессора может охлаждаться радиатором (теплопроводность), в который встроен вентилятор (принудительная конвекция). Основной принцип поддержания оборудования в охлажденном состоянии заключается в том, чтобы выводить тепло из шкафа, одновременно подавая холодный воздух к местам, где это нужно. Производители монтажных шкафов могут давать пользователям рекомендации по выбору подходящих методов охлаждения.

Наиболее часто используемые методы охлаждения монтажных шкафов, в порядке увеличения стоимости, это естественная конвекция, принудительная конвекция (например, созданная вентиляторами) и кондиционирование воздуха.

  
Естественная конвекция

Естественная конвекция подходит большинству систем, которые выделяют умеренное количество тепла. Обычно температура монтажных шкафов может быть выше комнатной температуры, хотя и оставаться в допустимых для оборудования пределах. Крайне важно убедиться, что внутренняя компоновка шкафа не мешает свободному прохождению потока воздуха. Шкаф должен иметь достаточные размеры вентиляционных отверстий как сверху, так и снизу, чтобы способствовать появлению воздушного потока и эффекта вытяжки. Наилучшим путем циркуляции воздуха внутри монтажного шкафа является вариант, когда воздух всасывается через дно и выходит через верхнюю крышку шкафа.

Верхняя крышка шкафа может быть как сплошной, так и содержать съемные панели, помимо этого её делают вентилируемой или невентилируемой. Хотя вариант сплошной крышки и дешевле, в этом случае отсутствует доступ сверху и усложняется ввод кабелей или создание вентиляционных отверстий. Вариант вентилируемой крышки обеспечивает естественный отток нагретого воздуха и позволяет поддерживать низкую температуру внутри. Некоторые производители предлагают вентилируемые крышки с заранее подготовленными местами для крепления вытяжного вентилятора, если таковой понадобится. 
Серьезной проблемой, связанной с входом потока воздуха в монтажный шкаф, является попадание пыли и других посторонних частиц. Жалюзи являются популярным решением проблемы входа и выхода воздуха для конвекционного охлаждения, поскольку предоставляют некоторую защиту против пыли, при этом скрывая содержимое шкафов. 

Принудительная конвекция

Там, где естественная конвекция не подходит, может использоваться принудительная конвекция посредством осевых и центробежных вентиляторов. Основное различие между осевым и центробежным вентилятором в их характеристиках потока и создаваемого избыточного давления. В осевом вентиляторе потоки воздуха направлены вдоль оси вращения крыльчатки, такие вентиляторы могут обеспечивать высокую скорость потоков. Однако они подходят только для шкафов с малым или средним обратным давлением, где сопротивление потоку, оказываемое оборудованием монтажного шкафа, мало.

В центробежных вентиляторах потоки воздуха обычно направлены перпендикулярно оси вращения крыльчатки. Они подходят для средних и высоких потоков воздуха при большом обратном давлении. Комбинация осевых и центробежных вентиляторов иногда работает наилучшим образом в шкафах с высокой плотностью монтажа оборудования.

Осевые вентиляторы

Существует несколько таких типов вентиляторов. Наиболее популярны такие, как пропеллерный вентилятор (propeller), вентиляторы с цилиндрическим кожухом (tube-axial) и с направляющим аппаратом (vane-axial).

Пропеллерные вентиляторы наиболее просты. Они состоят только из мотора и пропеллера. Однако, слабая производительность при сопротивлении потоку или обратном давлении и возможность турбулентности, вызванной воздушными вихрями, делает их неподходящими для монтажных шкафов. Осевой вентилятор с цилиндрическим кожухом – наиболее распространенный вид, используемый в системах охлаждения для электроники. Он подобен пропеллерному вентилятору, за исключением отрезка цилиндрической трубы, помещенной вокруг пропеллера для уменьшения воздушных вихрей. Осевые вентиляторы с направляющим аппаратом дополнены направляющими, которые расположены за крыльчаткой, чтобы ламинизировать вихревой поток воздуха.

Обычно используемые для вытяжки нагретого воздуха из системы, а также для обдувания каких-либо греющихся узлов, осевые вентиляторы на подшипниках весьма долговечны. Вытяжные вентиляторы могут быть вмонтированы внутри или снаружи верхней крышки монтажного шкафа. В некоторых системах вытяжные вентиляторы также устанавливаются на передней, задней или боковых стенках.

Центробежные вентиляторы

Когда в монтажном шкафу плотно размещено оборудование, вытяжных вентиляторов из-за высокого сопротивления воздуха может оказаться недостаточно, чтобы удалить нагретый воздух. В таких случаях используются центробежные вентиляторы, чтобы задувать холодный воздух из окружающего помещения в шкаф.

Центробежный вентилятор может использоваться снизу, чтобы создавать повышенное давление внутри шкафа. Тогда нагретый воздух может выводиться через вентиляционные отверстия в верхней крышке шкафа. Здесь важно именно нагнетание воздуха в шкаф, чтобы через небольшие щели вокруг дверей и через другие отверстия воздух только выходил, препятствуя, таким образом, проникновению пыли и грязи через эти отверстия. Иногда посредством добавления вытяжного вентилятора сверху можно улучшить циркуляцию воздуха. Большинство центробежных вентиляторов имеют фильтр со стороны входа воздуха, чтобы препятствовать проникновению пыли и грязи в шкаф.

Выбирая вентиляторы, обращайте внимание на уровень шума. Центробежные вентиляторы, обычно, имеют уровень шума от 50 до 65 децибел, тогда как для осевых типичны от 30 до 55 децибел. Проектировщики должны гарантировать, что вентиляторы обеспечивают достаточный расход воздуха (обычно измеряемый в кубических футах в минуту, cfm) в условиях реальной величины обратного давления. Большинство производителей устройств прилагают график производительности, который показывает расход воздуха при различных уровнях обратного давления. Требования по обратному давлению должны определяться путем опытных замеров – они не могут быть рассчитаны.

Тщательный подход к расположению вентиляторов в монтажных шкафах улучшает эффективность охлаждения. Устанавливайте центробежные вентиляторы возле входных отверстий для холодного воздуха, предпочтительно в нижней части шкафа, подальше от крупных источников тепла, таких как трансформаторы и источники питания. По возможности, наиболее тепловыделяющие устройства надо помещать у выхода, чтобы нагретый воздух сразу выходил наружу. Также, избегайте негерметичностей на пути потока между входными и выходными вентиляционными отверстиями, которые будут нарушать эффективность воздушного потока.

Вентиляционные панели 

Шкафы с таким оборудованием, как крейты, сервера, ящики и полки все же могут содержать перегревающиеся места, которые трудно охладить в виду ограниченного потока воздуха. Таким образом, в добавление к нагнетательным и вытяжным вентиляторам, используются вентиляционные панели, чтобы направить потоки воздуха в подобные места. Такая панель представляет собой несущий каркас с рядом небольших осевых вентиляторов, соединенных последовательно и подсоединенных к общему источнику питания. Эта панель может быть установлена непосредственно под чувствительным оборудованием или перегревающимся местом. 

Кондиционирование воздуха

Для большинства приложений комбинация естественного удаления воздуха и вентиляторов поможет достичь желаемых результатов. Для критических и особо чувствительных к перегреву систем, а также для герметичных шкафов, кондиционеры обеспечивают максимальную возможность для отвода тепла. Они также позволяют охлаждать шкафы до температуры ниже, чем температура окружающей среды.

Типичный кондиционер для шкафа имеет два теплообменника. Внутренний вентилятор затягивает горячий воздух в теплообменник внутри шкафа и вдувает охлажденный воздух обратно в шкаф. Поглощенное тепло передается внешнему теплообменнику, который охлаждается внешним воздухом с использованием другого вентилятора. Кондиционер использует сжатый фреон или другой хладагент для процесса охлаждения.

Большинство шкафов с кондиционерами герметичны, и внутри шкафа циркулирует один и тот же объем воздуха. Это защищает шкаф от проникновения внутрь влажного воздуха, создающего конденсат, который, в свою очередь, может повредить чувствительное оборудование. Однако, если шкаф негерметичен, и внутренние компоненты находятся при температуре более низкой, чем температура окружающей среды, то чтобы предотвратить образование конденсата, понадобятся силикагель или другие удаляющие влагу средства. Чтобы подобрать кондиционер для серверного шкафа, используйте программное обеспечение, предоставленное производителем. 

Базовый расчет расхода воздуха

Расход воздуха, который необходимо для достижения желаемого охлаждения, выражается следующим уравнением, которое связывают расход с ΔT: 
Расход воздуха (ft³/min) = БТЕ / час / (1,95 х ?T) = (1760 х kW)/?T 
*БТЕ - британская тепловая единица (0,252 большой калории) 
Типичное значение для ?T – это 10°C. Добавьте 25% для запаса надежности (12,5°C). Заметьте, что ?T представляет перепад температуры по отношению к температуре окружающего воздуха. Если внешняя температура чересчур высока, то может статься, что поддерживать безопасную рабочую температуру без кондиционирования окажется сложным или даже невозможным.