高功率OTN 設備散熱研究

［曹煉鏗 梅云波 賴世能 董宏］

1 引言

OTN 技術通過在波分系統上引入電域子層，使得業務可以在在波長/子波長上進行傳送、復用、交換、監控和保護恢復。尤其引入分組OTN 技術后，隨著業務的升級提速，OTN 設備逐漸替代了原來的MSTP 設備，得到了大規模的應用。

但OTN 設備集成度高，尤其引入100 G/s 以后，功率大大提高，額定功率可以達到15 kW，是一種高發熱量的通信設備。同時現有大容量OTN 產品普遍存在進出風口布局混亂、雙面冷熱氣流混合的不合理熱設計，導致其冷卻散熱難度比傳統傳輸設備和高功率IT 或IP 設備的冷卻散熱困難得多，習慣采用的冷熱過道分離制冷方案基本失效，根本無法滿足高功率OTN 設備穩定運行條件，導致不少地方出現了高功率OTN 設備建設進度滯后乃至受阻的不利局面，這種狀態必將影響網絡轉型升級發展進程。

2 OTN 機柜通風現狀

OTN 柜一般由一個或二個深度為300 mm 的單面電路板框外加2 個柜門組成的機柜，OTN 柜內雙面框的進出風口布局有多種，目前比較主流的設備柜自身進出風口布局有：

（1）中間進風、上下出風方式，如圖1（a）所示；

（2）前下或底部進風、頂上出風方式，如圖1（b）所示；

（3）下半架前下進風、中間出風，上半架中間進風、頂上出風，如圖1（c）所示。

圖1 （a）中間進風 上下出風

圖1 （b）前下或底部進風 頂上出風

圖1 （c）前下進風 頂上出風上半架中間進風、頂上出風

由圖1 可以看出，各廠家的OTN 設備存在進出風口布局混亂、雙面冷熱氣流混合的不合理的情況。鑒于短時間內無法徹底改變OTN 設備進出風口布局混亂、雙面冷熱氣流混合的不合理現狀，唯有從外圍增加一定輔助裝置，結合對OTN 柜體和柜門進行適度優化，實現對OTN 柜進出風通道進行有序間隔，形成冷熱氣流不再混合的友好布局，并對機房供電、空調設備進行合理化配置，滿足高功率OTN 的供電、散熱需求。

在與廠家溝通后，根據廠家設備的通風散熱情況，找了3 個廠家分別在實驗室或機房現場給OTN 設備增加了一些輔助裝置，對OTN 柜體和柜門進行適度優化，實現對OTN 柜進出風通道進行有序間隔，形成冷熱氣流不再混合的友好布局。經測試，提高了散熱效率。

3 OTN 機柜氣流架構改造

測試結果表明OTN 柜雙面框自身的氣流組織安排應符合冷、熱分離的合理氣流組織原則，合理氣流組織可采用圖2 所描述的類型。當OTN 柜采用了冷、熱氣流混合的不科學、不合理氣流組織，如圖3 所描述的不合理氣流組織時，則應該增加輔助導風裝置幫助其實現不科學、不合理氣流組織要求。

圖2 多種合理氣流組織的OTN 柜案例類型

圖3 多種不合理氣流組織的OTN 柜案例類型

為保證氣流組織，有些細節還需要注意。

（1）OTN 柜的前、后門一般均采用局部開孔門（即需要從外面直接吸入冷氣或需要直接向外排出熱氣的區域應設為開孔區，其他部位均設為封閉區域）。當冷氣全部從OTN 柜底部或側面進入時，柜門應不需開通風孔。

（2）導風柜由OTN 設備廠家自行配置，整體提供，以保證進、出風通道面積及氣流組織方式可以滿足OTN設備最大功率運行要求。

（3）在導風柜的前、后面板按冷、熱氣流分隔需要設置與冷、熱過道相接的進、出風口，在導風柜側面板按OTN 設備柜進、排風需要設置與OTN 設備柜精密對接、封堵嚴密的風口。導風柜內、外各種風口的截面積，均應不小于OTN 柜自身進、出風口截面積。

（4）由于導風柜兼作OTN 光纖走線柜，因此在柜內物理空間上應分導風通道和光纖槽道，槽道內尾纖敷設滿后，導風通道截面積不應低于導風柜總截面積50%。

（5）導風柜內物理空間應根據OTN 柜和機房冷、熱氣流組織結構進行冷、熱通道布局規劃。導風柜內需要進行上下分層分隔時，隔板應該采用隔熱性好的材料制作；對于在隔板上預留的尾纖走線過孔，應采用保溫性能好的材料做氣密性封堵措施，并保證封堵材料能在尾纖日常增減操作后不喪失氣密性。

（6）新安裝OTN 設備氣流組織應與原有通信設備氣流組織協調一致。OTN 柜的氣流組織安排應與其所在的通信機房的氣流組織結構相一致，避免擾亂通信機房原有的氣流組織結構。當出現OTN 柜的氣流組織安排與其所在的通信機房的氣流組織安排不一致時，則可通過一體化機柜、外加輔助導風裝置或微冷池等措施對其進行氣流組織優化改造，使其符合通信機房原有的氣流組織結構。

4 OTN 一體化柜

如果機柜受原有設計限制，使用前文所說的導風柜也無法在機柜內直接將氣流組織改造成前進后出方式，則應借助機柜外部輔助散熱裝置，與機柜內部散熱輔助裝置結合起來，形成前進后出氣流組織，實現方法可參考圖4所示的OTN 一體化柜雙面冷、熱氣流組織結構俯視圖。OTN 一體化柜是為了幫助冷、熱氣流混合組織的OTN 柜實現冷、熱氣流分離，有效解決其制冷散熱困難，而將OTN 柜與導風柜有機結合在一起的組合體。OTN 一體化柜原則上應是一個整體，也可以由OTN 柜與導風柜通過緊密組裝形成。為了確保冷熱氣流能在導風柜與OTN 柜之間順暢流通，OTN 柜的邊框、電路板與柜門之間應預留足夠的空間間隙，對于額定功率在12～15 kW的OTN柜，不應少于100 mm。為了解決好現有600 mm 深OTN 機柜深度不夠，柜門內氣流繞行空間不足的困難，可以采用在現有600 深OTN 機柜基礎上，前后各擴展一個10 cm 深的柜框，解決好氣流繞行通道。

圖4 進出同向氣流設備柜改變成前進后出氣流的OTN 一體化柜案例

5 冷通道

對于少量OTN 設備部署的場景，OTN 柜可采用上面兩種方式與其他通信網絡設備共用機房，但應與其他通信網絡設備保持整齊、合理布局，且與其配套的電源空調設備必須完整、獨立解決本身供電和散熱問題。另外進一步可以將OTN 柜、導風柜、電源柜、行間空調柜組合在一起，形成冷、熱氣流內部循環的微冷池，確保其不對其他通網絡設備造成高溫干擾。所以對于大量OTN 設備集中部署的場景，可以為這些設備開設專門機房，所有OTN 設備以及其他配套設備進入冷通道進行排列部署。冷通道是指一兩列機柜與相應的供電、空調、導風、照明、門禁、消防及支架及封閉器材等裝置有機組合在一起，將列間過道封閉作為冷氣聚集池，為這些機柜設備散熱提供集中冷源，有效解決高功率機柜散熱問題。

由于目前的大容量OTN 柜（包括電子架柜和光子架柜）散熱氣流組織都不是前進后出或前進頂出，都需要增加導風柜改變冷熱氣流的走向以達到前進后出或達到前進頂出的風道形式，在產品研發、工程設計、場地規劃時應該預留導風柜的安裝條件。在冷池空調冷量充足、且光子架柜功耗偏小時，光子架柜可少配或不配導風柜。冷池空間受限的情況下，可優先考慮把功耗大的OTN 柜（特指電子架柜）放在冷池內，把少量功耗偏小的OTN 柜（特指光子架柜）放在冷池外，但需要采取措施解決機房環境溫度控制和尾纖布放、維護操作問題。

6 結束語

隨著OTN 設備的集成度越來越高，更高速率的OTN接口耗能越來越大，雖然芯片的集成度增加可以一定程度的減少功耗，但總的趨勢是單機功耗越來越大。為了方便OTN 設備在機房里的部署，下一代的OTN 設備需要重新考慮通風散熱架構，更可能需要引進液冷散熱的架構。