高功率OTN 设备散热研究

［曹炼铿 梅云波 赖世能 董宏］

1 引言

OTN 技术通过在波分系统上引入电域子层，使得业务可以在在波长/子波长上进行传送、复用、交换、监控和保护恢复。尤其引入分组OTN 技术后，随着业务的升级提速，OTN 设备逐渐替代了原来的MSTP 设备，得到了大规模的应用。

但OTN 设备集成度高，尤其引入100 G/s 以后，功率大大提高，额定功率可以达到15 kW，是一种高发热量的通信设备。同时现有大容量OTN 产品普遍存在进出风口布局混乱、双面冷热气流混合的不合理热设计，导致其冷却散热难度比传统传输设备和高功率IT 或IP 设备的冷却散热困难得多，习惯采用的冷热过道分离制冷方案基本失效，根本无法满足高功率OTN 设备稳定运行条件，导致不少地方出现了高功率OTN 设备建设进度滞后乃至受阻的不利局面，这种状态必将影响网络转型升级发展进程。

2 OTN 机柜通风现状

OTN 柜一般由一个或二个深度为300 mm 的单面电路板框外加2 个柜门组成的机柜，OTN 柜内双面框的进出风口布局有多种，目前比较主流的设备柜自身进出风口布局有：

（1）中间进风、上下出风方式，如图1（a）所示；

（2）前下或底部进风、顶上出风方式，如图1（b）所示；

（3）下半架前下进风、中间出风，上半架中间进风、顶上出风，如图1（c）所示。

图1 （a）中间进风 上下出风

图1 （b）前下或底部进风 顶上出风

图1 （c）前下进风 顶上出风上半架中间进风、顶上出风

由图1 可以看出，各厂家的OTN 设备存在进出风口布局混乱、双面冷热气流混合的不合理的情况。鉴于短时间内无法彻底改变OTN 设备进出风口布局混乱、双面冷热气流混合的不合理现状，唯有从外围增加一定辅助装置，结合对OTN 柜体和柜门进行适度优化，实现对OTN 柜进出风通道进行有序间隔，形成冷热气流不再混合的友好布局，并对机房供电、空调设备进行合理化配置，满足高功率OTN 的供电、散热需求。

在与厂家沟通后，根据厂家设备的通风散热情况，找了3 个厂家分别在实验室或机房现场给OTN 设备增加了一些辅助装置，对OTN 柜体和柜门进行适度优化，实现对OTN 柜进出风通道进行有序间隔，形成冷热气流不再混合的友好布局。经测试，提高了散热效率。

3 OTN 机柜气流架构改造

测试结果表明OTN 柜双面框自身的气流组织安排应符合冷、热分离的合理气流组织原则，合理气流组织可采用图2 所描述的类型。当OTN 柜采用了冷、热气流混合的不科学、不合理气流组织，如图3 所描述的不合理气流组织时，则应该增加辅助导风装置帮助其实现不科学、不合理气流组织要求。

图2 多种合理气流组织的OTN 柜案例类型

图3 多种不合理气流组织的OTN 柜案例类型

为保证气流组织，有些细节还需要注意。

（1）OTN 柜的前、后门一般均采用局部开孔门（即需要从外面直接吸入冷气或需要直接向外排出热气的区域应设为开孔区，其他部位均设为封闭区域）。当冷气全部从OTN 柜底部或侧面进入时，柜门应不需开通风孔。

（2）导风柜由OTN 设备厂家自行配置，整体提供，以保证进、出风通道面积及气流组织方式可以满足OTN设备最大功率运行要求。

（3）在导风柜的前、后面板按冷、热气流分隔需要设置与冷、热过道相接的进、出风口，在导风柜侧面板按OTN 设备柜进、排风需要设置与OTN 设备柜精密对接、封堵严密的风口。导风柜内、外各种风口的截面积，均应不小于OTN 柜自身进、出风口截面积。

（4）由于导风柜兼作OTN 光纤走线柜，因此在柜内物理空间上应分导风通道和光纤槽道，槽道内尾纤敷设满后，导风通道截面积不应低于导风柜总截面积50%。

（5）导风柜内物理空间应根据OTN 柜和机房冷、热气流组织结构进行冷、热通道布局规划。导风柜内需要进行上下分层分隔时，隔板应该采用隔热性好的材料制作；对于在隔板上预留的尾纤走线过孔，应采用保温性能好的材料做气密性封堵措施，并保证封堵材料能在尾纤日常增减操作后不丧失气密性。

（6）新安装OTN 设备气流组织应与原有通信设备气流组织协调一致。OTN 柜的气流组织安排应与其所在的通信机房的气流组织结构相一致，避免扰乱通信机房原有的气流组织结构。当出现OTN 柜的气流组织安排与其所在的通信机房的气流组织安排不一致时，则可通过一体化机柜、外加辅助导风装置或微冷池等措施对其进行气流组织优化改造，使其符合通信机房原有的气流组织结构。

4 OTN 一体化柜

如果机柜受原有设计限制，使用前文所说的导风柜也无法在机柜内直接将气流组织改造成前进后出方式，则应借助机柜外部辅助散热装置，与机柜内部散热辅助装置结合起来，形成前进后出气流组织，实现方法可参考图4所示的OTN 一体化柜双面冷、热气流组织结构俯视图。OTN 一体化柜是为了帮助冷、热气流混合组织的OTN 柜实现冷、热气流分离，有效解决其制冷散热困难，而将OTN 柜与导风柜有机结合在一起的组合体。OTN 一体化柜原则上应是一个整体，也可以由OTN 柜与导风柜通过紧密组装形成。为了确保冷热气流能在导风柜与OTN 柜之间顺畅流通，OTN 柜的边框、电路板与柜门之间应预留足够的空间间隙，对于额定功率在12～15 kW的OTN柜，不应少于100 mm。为了解决好现有600 mm 深OTN 机柜深度不够，柜门内气流绕行空间不足的困难，可以采用在现有600 深OTN 机柜基础上，前后各扩展一个10 cm 深的柜框，解决好气流绕行通道。

图4 进出同向气流设备柜改变成前进后出气流的OTN 一体化柜案例

5 冷通道

对于少量OTN 设备部署的场景，OTN 柜可采用上面两种方式与其他通信网络设备共用机房，但应与其他通信网络设备保持整齐、合理布局，且与其配套的电源空调设备必须完整、独立解决本身供电和散热问题。另外进一步可以将OTN 柜、导风柜、电源柜、行间空调柜组合在一起，形成冷、热气流内部循环的微冷池，确保其不对其他通网络设备造成高温干扰。所以对于大量OTN 设备集中部署的场景，可以为这些设备开设专门机房，所有OTN 设备以及其他配套设备进入冷通道进行排列部署。冷通道是指一两列机柜与相应的供电、空调、导风、照明、门禁、消防及支架及封闭器材等装置有机组合在一起，将列间过道封闭作为冷气聚集池，为这些机柜设备散热提供集中冷源，有效解决高功率机柜散热问题。

由于目前的大容量OTN 柜（包括电子架柜和光子架柜）散热气流组织都不是前进后出或前进顶出，都需要增加导风柜改变冷热气流的走向以达到前进后出或达到前进顶出的风道形式，在产品研发、工程设计、场地规划时应该预留导风柜的安装条件。在冷池空调冷量充足、且光子架柜功耗偏小时，光子架柜可少配或不配导风柜。冷池空间受限的情况下，可优先考虑把功耗大的OTN 柜（特指电子架柜）放在冷池内，把少量功耗偏小的OTN 柜（特指光子架柜）放在冷池外，但需要采取措施解决机房环境温度控制和尾纤布放、维护操作问题。

6 结束语

随着OTN 设备的集成度越来越高，更高速率的OTN接口耗能越来越大，虽然芯片的集成度增加可以一定程度的减少功耗，但总的趋势是单机功耗越来越大。为了方便OTN 设备在机房里的部署，下一代的OTN 设备需要重新考虑通风散热架构，更可能需要引进液冷散热的架构。