数据中心冷却系统专利技术分析

　　【摘要】随着互联网和大数据应用的高速发展，数据中心的建造越来越重要，而数据中心在承载高负荷的数据交互时，会产生巨大的热负荷，从而带来高额的电能消耗。因此，对数据中心的冷却降温是至关重要的，新技术的引用将有效降低数据中心的能耗，本文将对数据中心冷却系统的专利技术进行分析。
　　【关键词】数据中心；制冷；机架；专利
　　引言：
　　数据中心是指在一个物理空间内实现对数据信息的集中处理、存储、传输、交换、管理，它不仅仅包括计算机、系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。随着数据中心的发展，尤其是云计算技术的出现，数据中心已经不只是一个简单的服务器统一托管、维护的场所，它已经衍变成一个集大数据量运算和存储为一体的高性能计算机的集中地。数据中心良好的环境需要合适的制冷系统方案，合适的制冷系统方案不但能保证数据中心良好的温湿度、洁净度环境，并且可以使运行费用降低，节约运营成本，降低数据中心生命周期成本。
　　一、数据中心整体制冷系统选择方案
　　（一）数据中心气流组织选择方案
　　数据中心制冷系统的气流组织，简单的说就是送风口回风口的位置设计布置以及采用相应的风口形式。气流组织的确定首先要依据设备冷却方式、安装方式的选择，考虑到冷量的高效利用以及数据中心建筑结构、平面布局等方面。
　　由于气流组织均具有从上、下、侧面进行送风和回风的方式，按照适用范围不同，我们可以将气流组织的技术分为房间整体的送回风，以及房间局部区域的送回风两种方式。下面，对这两种方式给出所选择的不同技术方案。
　　（二）冷热通道
　　冷热通道专利技术主要掌握在惠普、美国能量变换公司（APC）、IBM、日本NTT、高砂热学、日立、富士通等国外企业手中，国内企业主要有华为和中国移动等。其中，惠普、IBM和富士通是重庆所重点提到的企业，惠普和IBM在冷封閉上具有一定技术实力，而NTT、高砂热学和日立的技术也均集中在冷封闭技术上，不再重点考虑；富士通公司在非封闭上具有一定技术实力；而APC公司在热通道封闭技术领域具有较强的技术实力，给与推荐。
　　（三）智能地板
　　智能地板专利技术主要掌握在日立、高砂热学、富士通、IBM、艾默生等国外企业手中，国内申请人上海数讯进行了相关申请，但是技术方案相对简单。可见，该技术领域主要被外国申请人所控制。富士通、IBM、高砂热学掌握相对较多的智能地板重点专利，主要涉及空气格栅张开量的控制、基于机架上下部的不同温度通过节气阀调节冷气量、通过模拟结果控制风扇的送风温度及方向。
　　（四）管道送回风
　　管道送回风专利技术主要掌握在美国能量变换APC、富士通、惠普、日立、IBM、NTT集团、太阳微系统等国外企业手中，国内企业主要是华为、中国移动和重庆西泽。富士通、美国能量变换和惠普三家公司积极在华申请重点专利，技术重点分别是：进气口和排气口的设置、双层风扇模块、顶板管道排热，美国能量变换公司和惠普的专利申请均具备授权前景。ROTHJT和日立也具有管道送风领域的重点技术，主要涉及多条供气支管和供排气气罩。国内企业的华为和重庆西泽的重点专利分别涉及风道的切换装置和双套风管，华为的专利申请具备授权前景，重庆西泽已经获得专利权，二者的技术方案值得关注。
　　二、整体技术态势分析
　　（一）国外明专利几乎占据了半壁江山
　　对于数据中心的制冷系统而言，冷却方式的选择也是至关重要的，直接向数据中心内部供冷，相当于冷却手段的硬件，通常采用风冷、水冷、蓄能和自然冷源的方式。各种冷却方式具有各自优缺点，风冷冷却方式是指专用空调设备采用压缩机式制冷，热交换器内的制冷剂与循环空气进行热交换，对室内进行冷却，优点是没有冷冻水进入机房，避免了冷冻水泄露给电子设备带来的危害，缺点是不适用高超高发热量数据中心，制冷量有限；水冷冷却方式是指专用空调设备采用风机盘管式制冷，热交换器内的冷冻水与循环空气进行热交换，对室内进行冷却，优点是冷量大、热效率高，适用于目前的大型高发热量数据中心，缺点是冷冻水进行机房内，管路密封尤为重要，否则将给电子设备带来极大的破坏，因此管路的成本和技术明显提高；蓄能冷却方式主要利用低谷电进行蓄冷，优点是节省电费，缺点是蓄冷量有限，不适用数据中心的连续运行，通常只作为辅助冷源或者应急冷源；自然冷源冷却方式是利用室外的天然冷量对数据中心进行降温，优点是能够最大限度的降低数据中心的PUE值，缺点是受地理环境、气候所限。
　　（二）日、韩大公司在空调机领域占有垄断地位
　　近年来，随着数据中心的高速发展，数据中心的发热量显著增长，不论是整体还是局部发热量都呈高位运行。发热量的激增给制冷系统也带来了巨大的压力，为了满足数据中心冷却的需要，企业和科研机构都在新型制冷方式的研发上投入相当大的力量，也孕育而生了行级制冷和机柜级制冷技术，相对于传统型的房间级制冷技术而言，制冷效果的针对性更强，可以对某一区域或某一台机柜进行精确供冷，可以有效解决高超高发热量问题，但是这两类制冷方式还属于新技术，存在技术难度大、成本高以及发展前景不明朗等问题。这两类制冷技术目前可以说还是主要被国外申请人掌握，我国申请人还存在明显差距。
　　（三）大专院校和科研单位的技术研发能力相对薄弱
　　大专院校和科研单位在目前的经济模式下尚未形成产学研一体化的产业链，新技术完成后或被束之高阁，或通过论文的发表和成果的鉴定向国内外公开而流失，不能在国家的经济建设中发挥作用，创新成果的商品化和市场化能力不强。
　　三、前景与展望
　　纵观全球云计算数据中心制冷及节能技术，虽然我国申请人还存在申请的技术方案略显简单，技术覆盖范围略窄等问题。但是我国专利申请呈快速增长趋势，在热封闭、利用自然冷源、模块化等技术领域具备较为领先的专利技术，虽然在数据中心（机房）制冷及节能技术的发展中起步较晚，但是近年来发展势头强劲，已经追赶上了美、日等发达国家。我国申请人应当再接再励，继续拓展数据中心（机房）制冷及节能技术的研究领域，增强相关技术的纵深度，并且提高专利申请文件撰写水平，为日后进行专利维权奠定良好的基础。
　　我国企业目前面临着难得的机遇，首先，云计算数据中心的制冷及节能技术虽然有了一定发展，但国外企业也尚处于起步阶段，没有完美和成熟的技术方案，甚至有些领域的技术方向还不明确。因此国外企业在中国的相关专利申请并不多，也没有完整的专利布局。这对于我国的相关产业是难得的机遇。此外，就课题的分析而言，我国在热封闭、自然冷源和模块化方面甚至具有较为领先的技术，冰蓄冷方面也有重点的专利技术。此外，为了鼓励自主创新和企业进行国际专利布局，对于国内申请人申请专利一直实行减缓政策，对于企业向国外申请专利，财政部还设立了PCT申请专项资金。我国企业应抓住本领域技术还存在较多空白点，国家又大力扶持的良好机遇，在发展企业自有技术路线的同时，关注竞争对手的技术发展动向，可以对已有技术产品消化和吸收并在此基础上开拓创新，形成具有自主知识产权的产品和技术，在具备专利数量优势的有利形势下，大幅提高专利申请的质量，加快专利布局。