主动/被动冷却系统的制作方法

文档编号:17934240
研发日期:2019/6/15

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求提交于2016年8月2日的题为“Active/Passive Thermosyphon for Data Center Cooling”的美国临时专利申请No.62/369,957的权益,其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及冷却系统以及控制它们的系统和方法。具体地,本发明涉及一种具有主动模式和被动模式两者的气流冷却系统。例如,特别合适的应用是在数据中心冷却系统中。



背景技术:

数据中心通常需要大量的能源用于运行。这些数据中心中的服务器会产生大量热量,需要对其进行冷却。为了减少数据中心的能源使用,需要更有效的冷却系统。

热管和热虹吸管是通过闭合的制冷剂容积的蒸发和冷凝将能量从较高温度的蒸发器部分转移到较低温度的冷凝器部分的装置。通过重力或毛细管力实现制冷剂从冷凝器部分到蒸发器部分的转移。已经将热管作为间接节能器用于数据中心的冷却。在这些设备中,来自数据中心的热空气例如再循环通过热管的蒸发器部分,在所述蒸发器部分处封闭的制冷剂由来自数据中心的热量蒸发,从而冷却数据中心空气。冷却器环境空气被吹过热管的冷凝器部分,在所述冷凝器部分处制冷剂蒸汽被冷凝并且数据中心热量被排出。在一些应用中,环境空气在其通过热管的冷凝器部分之前首先用蒸发冷却器绝热冷却,以提供更低温度的散热器。在另一种构造中,可以在环境空气通过热管的冷凝器部分的表面的同时用水喷洒所述冷凝器部分,从而提供接近环境湿球温度的散热器温度。

在这些实现中,热管和热虹吸管受到环境温度条件的限制,并且当环境温度较高时可能无法提供足够的散热。这种限制的一种这样的解决方案是泵送制冷剂系统,其结合了机械冷却系统(例如直接膨胀(DX)冷却系统(主动模式))与近似被动模式(其操作类似热虹吸管)。这些系统包括用于将液体制冷剂从冷凝器移动到蒸发器的泵。通过使用泵,可以独立于蒸发器和冷凝器压降以及重力的影响来控制制冷剂的流动。这种方法是近似被动的,因为泵只需要很少的功率来转移相当大量的热能。在泵送制冷剂系统中,可以关闭泵,并且通过操作阀,压缩机和膨胀阀可以集成到系统制冷剂流动中,以允许系统用作直接膨胀冷却系统。

直接膨胀系统中的系统设计约束通常要求在系统的蒸发器和冷凝器部分中适度的压降,以提供通过系统的多个并联的蒸发器和冷凝器回路的均匀的制冷剂流动。正是由于这些压降,系统在近似被动模式下运行时需要泵来循环制冷剂流体。由于制冷剂回路包括压缩机系统,制冷剂容积还需要包括用于润滑的油。对于泵送制冷剂系统有各种设计和操作约束,例如针对制冷剂速度的最佳实践(所谓的“油管理”),其确保油不会被困在系统的各种管道长度中并且可靠地返回到其中需要油的压缩机。当在泵送(近似被动模式)下操作时,这些油管理约束成为问题,因为泵送模式的流动路径和流速可能与DX模式所需的规则不一致。例如,由于可用的过热和过冷水平以及盘管溢流水平不同,在泵送模式和DX模式期间,用于系统内的正确操作的制冷剂容积也可能极为不同。

因此,期望具有进一步减少能量使用的冷却系统,以及在被动模式或近似被动模式下不需要油管理的冷却系统。



技术实现要素:

在一个方面,本发明涉及一种能够在被动模式和主动模式下操作的气流冷却组件。气流冷却组件包括蒸发器、被动冷凝器和热交换器。蒸发器具有外表面并且包含主冷却介质。蒸发器构造成使第一气流被引导到其外表面上,并且构造成当第一气流被引导到外表面上时将主冷却介质的相态从液体改变为气体。被动冷凝器具有外表面并且流体地联接到蒸发器。热交换器也流体联接到蒸发器。在被动模式中,被动冷凝器构造成从蒸发器接收气相的主冷却介质,接收被引导到其外表面上的第二气流以将主冷却介质的相态从气体改变为液体,以及将液相的主冷却介质供应至蒸发器。在主动模式中,热交换器构造成从蒸发器接收气相的主冷却介质,从主冷却介质单元转移热量以将主冷却介质从气体改变为液体,以及将液相的主冷却介质供应至蒸发器。

在另一个方面,本发明涉及一种气流冷却组件,其包括热交换器和被动冷凝器。蒸发器具有外表面并且包含主冷却介质。蒸发器构造成使第一气流被引导到其外表面上,并且构造成当第一气流被引导到外表面上时将主冷却介质的相态从液体改变为气体。热交换器流体地联接到蒸发器并且构造成接受二次冷却介质。当热交换器接受二次冷却介质时,热交换器构造成从蒸发器接收气相的主冷却介质,从主冷却介质转移热量,以及将主冷却介质的相态从气体改变为液体。被动冷凝器具有外表面并且流体地联接到蒸发器。被动冷凝器构造成使第二气流被引导到其外表面上。当热交换器不接受二次冷却介质时,被动冷凝器构造成从蒸发器接收气相的主冷却介质,从主冷却介质转移热量,以及将主冷却介质的相态从气体改变为液体。蒸发器构造成从热交换器或被动冷凝器接收液相的主冷却介质。

在又一个方面,本发明涉及一种气流冷却组件,其包括蒸发器、被动冷凝器和热交换器。蒸发器具有外表面并且包含主冷却介质。蒸发器构造成使气流被引导到其外表面上,并且构造成当气流被引导到外表面上时将主冷却介质的相态从液体改变为气体。被动冷凝器具有外表面并且联接到蒸发器。被动冷凝器构造成使环境空气被引导到其外表面上,从主冷却介质转移热量,以及将主冷却介质的相态从气体改变为液体。热交换器联接到蒸发器并且构造成通过机械冷却选择性地接受热量,从主冷却介质转移热量,以及将主冷却介质的相态从气体改变为液体。蒸发器构造成从被动冷凝器或热交换器接收液相的主冷却介质。当热交换器通过机械冷却接受热量时,蒸发器构造成从热交换器接收液相的主冷却介质。

在另一个方面,本发明涉及一种冷却气流的方法。该方法包括将气流引导到蒸发器的外表面上以将蒸发器中包含的主冷却介质从液相改变为气相,并且选择性地利用热交换器和被动冷凝器中的一个将主冷却介质从气相改变为液相。热交换器和被动冷凝器中的每一个都联接到蒸发器,以从蒸发器接收气相的主冷却介质,并且将液相的主冷却介质供应到蒸发器。

在又一个方面,本发明涉及一种气流冷却组件,其包括蒸发器、第一冷凝器和第二冷凝器。蒸发器具有外表面并且包含主冷却介质。蒸发器构造成使第一气流被引导到其外表面上,并且构造成当第一气流被引导到外表面上时将主冷却介质的相态从液体改变为气体。第一冷凝器具有外表面并且联接到蒸发器。第一冷凝器构造成使得第二气流被引导到其外表面上,并且构造成当第二气流引导到第一冷凝器的外表面上时从蒸发器接收主冷却介质,从主冷却介质转移热量,以及将主冷却介质的相态从气体改变为液体。第二冷凝器联接到蒸发器并且构造成接受二次冷却介质。当接受二次冷却介质时,第二冷凝器构造成从蒸发器接收主冷却介质,从主冷却介质转移热量,以及将主冷却介质的相态从气体改变为液体。蒸发器构造成从第一冷凝器和第二冷凝器中的至少一个接收液相的主冷却介质。

在另一个方面,本发明涉及一种改进的热管,其包括热管和第二微通道式盘管。热管在其中含有制冷剂并且具有蒸发器部分和冷凝部分。冷凝部分位于冷凝气流中。热管是第一微通道式盘管。第二微通道式盘管流体地联接到热管,以从热管的蒸汽端接收汽相的冷却介质。第二微通道式盘管定位在热管的冷凝部分之前的冷凝气流中。第二微通道式盘管构造成促进制冷剂的冷凝,以及通过允许重力返回而产生改进的热虹吸管,以及将冷凝的制冷剂再循环到热管的蒸发器部分。

从结合附图阅读的以下对其说明性实施例的详细描述,本发明的这些和其它方面、目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是使用根据本发明的优选实施例的冷却系统的数据中心的前视图。

图2是沿图1中的线2-2截取的图1中所示的冷却系统的剖视图。

图3是在被动模式下操作的根据本发明的优选实施例的气流冷却组件的示意图。

图4是在主动模式下操作的图3中所示的气流冷却组件的示意图。

图5A示出了微通道冷却盘管,其可以用在图3中所示的气流冷却组件中。图5B是沿图5A中的线5B-5B截取的图5A中所示的微通道冷却盘管的微通道的剖视图。

图6是冷却系统的示意图,该冷却系统具有在被动模式下操作的图3中所示的气流冷却组件的多个回路。

图7是图6中所示的冷却系统的示意图,其中气流冷却组件回路中的一个在主动模式下操作。

图8是图6中所示的冷却系统的示意图,其中所有气流冷却组件回路均在主动模式下操作。

图9是描绘操作图4中所示的冷却系统的方法的流程图。

图10是在被动模式下操作的根据本发明的第二优选实施例的气流冷却组件的示意图。

图11是在主动模式下操作的图10中所示的气流冷却组件的示意图。

图12是在被动模式下操作的第二实施例的气流冷却组件的替代构造的示意图。

图13是在主动模式下操作的图12中所示的气流冷却组件的示意图。

图14是图12中所示的气流冷却组件的另一种构造的示意图。

图15是冷却系统的示意图,该冷却系统具有图10和图11中所示的气流冷却组件的回路和图14中所示的气流冷却组件的回路。

图16是以近似被动模式操作的另一个冷却系统的示意图。

图17是在主动模式下操作的图16中所示的冷却系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的优选实施例的具有冷却系统110的数据中心100。图2是沿图1中的线2-2截取的冷却系统110的剖视图。尽管参考数据中心100示出和描述了冷却系统110,但是冷却系统110不限于该应用并且可以用在其它合适的空气冷却应用中。例如服务器的电子部件可以安装在机架102上,并且在数据中心100中,这些机架102可以布置成行以在其间形成通道104、106。一个通道104是冷通道,另一个通道106是热通道。来自冷却系统的冷的供应空气112被引导到冷通道104中。然后,供应空气112从冷通道104通过机架并进入热通道106。当空气通过机架102时,它从电子部件抽吸热量,从而冷却电子部件并导致热空气进入热通道106。然后,该空气作为热的返回空气114被引导回冷却系统110。供气风扇116用于从数据中心100抽取返回空气114,使返回空气114通过其中返回空气被冷却的冷却系统110,然后将现已冷却的返回空气114作为供应空气112返回到数据中心100。

冷却系统110使用至少一个气流冷却组件来冷却返回空气114。在以下实施例中描述的气流冷却组件也可以称为气流冷却组件回路或回路。图3和图4示出了根据本发明的第一实施例的气流冷却组件200。气流冷却组件200具有两种模式:被动模式和主动模式。被动模式也可以称为经济模式。图3是处于被动模式的气流冷却组件200的示意图,而图4是处于主动模式的示意性气流冷却组件200。气流冷却组件200将热虹吸管的效率与当可用的环境自由冷却散热器未处于用于提供足够的散热的足够低的温度时提供主动冷却的能力相结合。这是通过在回路200中纳入两个单独的冷凝器214、216来实现的,其中一个冷凝器(冷凝器214)用于被动模式,而另一个冷凝器(冷凝器216)用于主动模式。

气流冷却组件200使主冷却介质202循环通过主冷却剂回路210。主冷却介质202通过自然循环和重力来循环通过主冷却剂回路210,而不需要泵和压缩机。主冷却介质202可以是任何合适的制冷剂,其相态从液体改变为气体。如下面将进一步讨论的,主冷却剂回路210不需要任何移动部件。结果,与直接膨胀(DX)冷却系统相比,适合作为主冷却介质202的可用制冷剂范围大大扩展,并且例如,合适的制冷剂包括例如水的天然制冷剂。

主冷却剂回路210包括蒸发器212,并且主冷却介质202包含在蒸发器212内。在该实施例中,蒸发器212是盘管,并且优选地是单通满液盘管。可以使用任何合适的盘管,其包括例如微通道式盘管(例如下面进一步描述的那些)或者翅片管式盘管。在被动模式和主动模式中,返回空气114通过供气风扇116被引导到蒸发器212的外表面上。当热的返回空气114经过蒸发器212的外表面时,热的返回空气使蒸发器212中的主冷却介质202蒸发。主冷却介质202从液相204到气相(或汽相)206的相变冷却了返回空气114,从而允许其作为冷的供应空气112返回到数据中心100。然后蒸汽206通过蒸汽管222上升到两个冷凝器214、216中的一个。

在被动模式中,如图3所示,蒸汽206行进到主冷却剂回路210中的被动冷凝器214。与蒸发器212一样,该实施例的被动冷凝器214是盘管,优选地是单通盘管,并且可以使用任何合适的盘管,其包括例如微通道式盘管(例如下面进一步描述的那些)或者管式盘管(有翅片和无翅片的)。通过换气风扇120将换气空气118抽吸穿过被动冷凝器214的外表面(参见图1和图2)。在该实施例中,换气空气118是从冷却系统110周围的室外环境被抽吸的环境空气。当换气空气118经过被动冷凝器214时,包含在被动冷凝器214中的主冷却介质202的热量被释放到换气空气118,从而将蒸汽206冷凝成液体204。然后,重力使得现在处于液相204的主冷却介质202沿着液体制冷剂管线224向下流动并返回蒸发器212。换气空气118通过换气风扇120排出到外部。

当环境空气条件不足以将返回空气114冷却到用于供应空气112的期望条件(例如,温度)时,气流冷却组件200可以以图4所示的主动模式操作。在主动模式中,主冷却介质202的蒸汽206在主动冷凝器216中冷凝。在该实施例中,主动冷凝器216在本文中也可以称为热交换器(HX)。在主动冷凝器216中,热量从主冷却介质202转移到二次冷却系统230的二次冷却介质208。二次冷却介质208可以是任何合适的制冷剂介质,其包括例如直接膨胀冷却系统中使用的冷却(或冷凝)的水或在蒸汽变化制冷剂。主动冷凝器216可以是任何合适的热交换器,其包括例如板式热交换器、同轴热交换器或壳管式热交换器。当主冷却介质202的热量被排放到二次冷却介质208时,主冷却介质202从蒸汽206冷凝成液体204。与被动冷凝器214一样,重力然后使得现在处于液相204的主冷却介质202沿着液体制冷剂管线224向下流动并返回到蒸发器212。

在该实施例中,二次冷却系统230是使用共同制冷循环的直接膨胀(DX)冷却系统230,并且二次冷却介质208是在此类系统中使用的任何合适的制冷剂。直接膨胀冷却系统230包括压缩机232,以在制冷剂208在冷凝器234中冷却之前增加制冷剂的压力和温度。在该实施例中,直接膨胀冷却系统230的冷凝器234也可以通过换气空气118冷却(参见图1和图2)。然后制冷剂208在返回到主动冷凝器216之前通过膨胀阀236,从而降低其压力和温度。

即使在主动模式中,气流冷却组件200也在主冷却剂回路210中没有泵、油或压缩机的情况下操作。气流冷却组件200甚至在没有用于在模式之间切换的阀的情况下操作。相反,主冷却介质202的蒸汽206自然地行进到两个冷凝器214、216的较冷的冷凝器处以冷凝。因此,通过激活二次冷却系统230以冷却主动冷凝器216,气流冷却组件200自动地从被动模式切换到主动模式(假设主动冷凝器216中的温度低于被动冷凝器214中的温度),以及通过去激活二次冷却系统230,回路200搜索返回到被动模式。如下所述,控制器240可以用于激活和去激活二次冷却系统230。由于缺少移动部件而产生的气流冷却组件200的另一个优点是不需要油,从而允许主冷却介质202以通常夹带并保持油在主回路210内循环所需的制冷剂速度之外的速度流动。

尽管气流冷却组件200的冷凝器214、216在图3和图4中平行示出,但是冷凝器214、216也可以串联布置,使得主动或被动冷凝器214、216中的一个冷凝器的出口在另一个冷凝器214、216的入口的上游并进给入另一个冷凝器的入口。主冷却剂回路210还可以包括在每个冷凝器214、216后方的捕集器218和/或止回阀220。捕集器218和止回阀220防止主冷却介质202通过当前未在给定模式下操作的冷凝器214、216的反向流动。

排气管线226可以位于每个冷凝器214、216的捕集器218后方并连接到相应冷凝器214、216的入口。这些排气管线226允许夹带在主冷却介质202的液体204中的任何气体逸出到回路的蒸汽侧,从而通过重力帮助液体流动到蒸发器212。

在主冷却介质202在蒸发器212中蒸发期间形成的气泡可以在其在蒸发器212的通道中上升时夹带液体。夹带液体的返回管线228可以位于蒸发器212的出口处并且连接到蒸发器212的入口集管,从而允许该夹带液体返回到蒸发器入口集管而不必与蒸发器212中的沸腾流动路径相反地流动。

因为该实施例的气流冷却组件200在自然循环中在重力的帮助下操作,所以蒸发器212放置在比冷凝器214、216低的高度处,以允许重力帮助将冷凝的主冷却介质202(液体204)返回到蒸发器212。理想的是在蒸发器212的整个长度上保持主冷却介质202处于液相204。因此优选地,冷凝器214、216在蒸发器上方的高度足够高,以相对于处于液相204的主冷却介质202提供足够的压位差从而克服蒸发器212的压降。尽管蒸发器212可以与位于同一水平面内的蒸发器212的液体集管和蒸汽集管同高(level),但是蒸发器212也可以优选地相对于水平面以角度α倾斜,其中蒸发器212的蒸汽集管高于液体集管以便于蒸汽排出。被动冷凝器214也可以优选地相对于水平面以角度β倾斜,其中被动冷凝器214的液体集管低于蒸汽集管以便于冷凝物经由重力流动。被动冷凝器的倾斜角度(角度β)优选地足以提供无阻碍的排放路径并消除被动冷凝器214中的主冷却介质202的回流。

如上所述,蒸发器212和被动冷凝器214可以是微通道式盘管。图5A示出了可以用作本实施例的蒸发器212和被动冷凝器214的微通道式盘管300。使用微通道式盘管300具有许多优点,其包括例如微通道式盘管300的高内表面积有助于热传递。另外,与例如翅片管式盘管相比,微通道式盘管300大大减小了主冷却剂回路210中所需的主冷却介质202的体积。主冷却介质202体积的这种减少有益于许多原因,其包括减小的成本,以及当使用某些制冷剂时,减少了潜在的温室气体排放源。微通道式盘管300具有液体侧302和蒸汽侧304。如图5A所示,当微通道式盘管300用作蒸发器214时,主冷却介质202的流动是从液体侧302到蒸汽侧304(从左到右),并且当微通道式盘管300用作被动冷凝器214时,流动方向相反(从右到左)。

微通道式盘管300具有液体集管310和蒸汽集管320,其通过多个微通道挤压件330连接。图5B中示出了沿图5A中的线5B-5B截取的微通道挤压件的横截面。微通道挤压件330具有外表面332并包括多个微通道334、336。气流沿方向A被引导到微通道挤压件330的外表面332上,如图5B所示(沿图5A中的纸面的内外方向)。主冷却介质202流过微通道334、336。多个微通道挤压件330中的每一个被机械地钎焊到定位在微通道挤压件330之间的铝翅片340以促进热传递。

液体集管310包括液体连接件312,其将液体集管310连接到液体制冷剂管线224。同样,蒸汽集管320也包括至少一个蒸汽连接件322,其将蒸汽集管320连接到蒸汽管222。在使用微通道式盘管作为蒸发器212的情况下,具有多个蒸汽连接件322可能是有益的。在该实施例中,示出了三个蒸汽连接件322。使用多个蒸汽连接件322降低了蒸汽集管320中的蒸汽的背压并促进了主冷却剂回路210中的自然循环流动。当多个蒸汽连接件322用于蒸发器212时,可以将对应数量的蒸汽连接件322用于被动和主动冷凝器214、216,从而产生连接蒸汽连接件322的多个蒸汽管222。蒸汽管222和蒸汽连接件322的另一个考虑是使用大直径管,从而降低蒸汽的背压并促进主冷却剂回路210中的自然循环流动。例如,当R410a用作主冷却介质202时,蒸汽管222可以尺寸设计成允许处于气相206的主冷却介质202的速度优选地小于1000fpm,并且更优选地小于600fpm。这些集管设计特征不限于微通道式盘管,还可以应用于包括翅片管式盘管的其它蒸发器和冷凝器。

如上所述,本发明的冷却系统110可以包括多个气流冷却组件回路200。例如,图1和图2中所示的冷却系统110具有四个气流冷却组件回路200。在下面对多个回路的讨论中,使用与上面参考图3和4讨论的相同的附图标记,并且将字母附加到附图标记以指定不同的回路。例如,字母“a”附加到第一气流冷却组件回路200a的部件,以及字母“b”附加到第二气流冷却组件回路200b的部件等。

一对蒸发器212a、212b相对于返回空气114气流与另一对蒸发器212c、212d并联布置。每对蒸发器内的蒸发器212a、212b、212c、212d串联布置。在第一对蒸发器中,返回空气114在被引导穿过该对蒸发器的第二蒸发器212b之前先被引导穿过该对蒸发器的第一蒸发器212a。同样,在第二对蒸发器中,返回空气114在被引导穿过该对蒸发器的第二蒸发器212d之前先被引导穿过该对蒸发器的第一蒸发器212c。相应的被动冷凝器214a、214b、214c、214d类似地成对布置(第一对冷凝器214a、214b和第二对冷凝器214c、214d),其中第一对冷凝器与第二对冷凝器并联,并且成对布置的被动冷凝器中的每个冷凝器串联布置。在第一对冷凝器中,换气空气118在被引导穿过该对冷凝器的第二冷凝器214b之前先被引导穿过该对冷凝器的第一冷凝器214a,以及在第二对冷凝器中,在被引导穿过该对冷凝器的第二冷凝器214d之前先被引导穿过该对冷凝器的第一冷凝器214c。

在图1和图2所示的冷却系统110的一种构造中,冷却系统110可以被封闭,其覆盖区域为32英尺长(图1)和122英寸宽(图2),其总高度(不包括换气风扇120)为152英寸。在本示例中,有88平方英尺的盘管区域(蒸发器212)可用于冷却过程。在标称500fpm通过蒸发器212的情况下,44,000scfm的设计流量和348kW是可能的,产生107kW/m的周长瓦特容量。蒸发器212的盘管长度可以容易地延伸,以进一步增加气流并因此增加冷却系统110的容量而不增加其宽度,从而使得更大的周长瓦特容量成为可能。

可以使用用于多个气流冷却组件回路200的任何数量的合适构造。例如,图6是具有多个气流冷却组件回路200的冷却系统110的另一种布置的示意图。在图6所示的构造中,冷却系统110具有四个气流冷却组件回路200。每个回路200的蒸发器212e、212f、212g、212h相对于返回空气114串联布置,但是如上所述,蒸发器212e、212f、212g、212h也可以并联布置。返回空气首先被引导到第一回路的蒸发器212e上,然后以顺序依次被引导到第二回路的蒸发器212f、第三回路的蒸发器212g和第四回路的蒸发器212h上。在图6所示的构造中,所有四个被动冷凝器214e、214f、214g、214h相对于换气空气118并联布置,但是如上所述,被动冷凝器214e、214f、214g、214h也可以串联布置。用于二次冷却系统230(在本实施例中是直接膨胀冷却系统)的每个冷凝器234e、234f、234g、234h相对于换气空气118与相应回路的被动冷凝器214e、214f、214g、214h串联布置。

通常,每个气流冷却组件回路200的内部温度将是等温的,但是四个气流冷却组件回路200中的每一个将在不同的温度和压力下操作。第一回路中的主冷却介质202的温度将是最热的,因为进入第一回路的蒸发器212e的空气将是最热的(返回空气114的初始温度)。由于前一回路产生的冷却,进入蒸发器212f、212g、212h的空气随后变得比前一回路中的空气更冷。当环境空气温度低于气流冷却组件回路200中的每一个气流冷却组件回路的温度时,主冷却介质中的能量可以在被动模式下从返回空气114转移到换气空气118,其中所有四个回路在被动模式下操作,如图6所示。

每个回路可以选择性地以被动或主动模式操作。图7示出了冷却系统110,其中第四回路在主动模式下操作,而其它三个回路在被动模式下操作,以及图8示出了在主动模式下操作的所有四个回路。控制器240可以用于操作冷却系统110。在本实施例中,控制器240是基于微处理器的控制器,其包括用于执行下面进一步讨论的各种功能的处理器242和用于存储各种数据的存储器244。控制器240还可以称为CPU。在一个实施例中,冷却系统110的控制可以通过存储在存储器244中并由处理器242执行的一系列指令来实现。

控制器240通信地联接到温度传感器(“TS”)122。在本实施例中,温度传感器122用于监测供应空气112的温度,从而允许温度传感器122传递(以及允许控制器240接收)供应空气112的温度。回路传感器250还可以用于测量每个气流冷却组件回路200的各种参数。例如,回路传感器250可以分别使用温度传感器(“TS”)252和压力传感器(“PS”)254测量每个回路中的主冷却介质202的温度和压力。优选地,温度传感器252和压力传感器254位于液体制冷剂管线224中,以监测处于液相204的主冷却介质202的温度和压力。

控制器240还可以通信地联接到冷却系统110的其它部件并且也用于控制这些部件。例如,供气风扇116和换气空气风扇120可以通信地联接到控制器240,并且因此控制器240可以用于分别将返回空气114和换气空气118引导到蒸发器212e、212f、212g、212h和冷凝器214e、214f、214g、214h上,并且增大或减小气流。控制器240还可以通信地联接到每个回路的二次冷却系统230e、230f、230g、230h,并且用于打开或关闭(激活或去激活)二次冷却系统230e、230f、230g、230h。

图9是示出如何控制图6和图7中所示的冷却系统110的一个示例的流程图。在步骤S405中,控制器240将返回空气114引导到蒸发器212e、212f、212g、212h上方。供应气体温度传感器122用于测量供应气体112的温度,并且控制器240在步骤S410中接收供应气体112的温度。然后,控制器240在步骤S415中将供应空气112的测量温度与设定点进行比较。可以使用任何合适的方法或装置将设定点提供给控制器240。例如,控制器240可以通信地联接到用户界面,通过所述用户界面用户可以提供供应空气112的期望温度,并且控制器240可以接收供应空气112的期望温度以用作设定点。如果供应空气112的温度等于设定点(或在设定点的合适操作范围内),则控制系统240返回到步骤S405以继续监测供应空气112的温度。

如果供应空气112的温度太冷(低于设定点或操作范围的温度),则控制器240在步骤S420中检查是否有任何回路200在主动模式下操作。当控制器激活或去激活针对某一回路的二次冷却系统230时,控制器240可以将例如该回路的模式存储在存储器244中。然后,控制器240可以查询存储器244以确定任何回路的模式。控制器240可以在存储器244中存储其它合适的参数,例如换气空气118的流速(例如,换气风扇120运行的速度和数量),控制器240同样可以以类似的方式检查和改变这些参数。如果控制器240确定(在步骤S420中)没有回路200处于主动模式,则控制器240在返回到步骤S405以继续监测供应空气112的温度之前在步骤S425中减小换气空气118的气流。如果在步骤S425(或本文所讨论的任何其它步骤)中对冷却系统110进行任何改变,则控制器240可以延迟监测供应空气112的温度以允许改变来影响供应空气112的温度。

如果控制器240在步骤S420中确定至少一个回路200处于主动模式,则控制器240在步骤S430中去激活回路200中的一个回路中的二次冷却系统230。例如,如图7所示,第四回路在主动模式下运行。如果在该构造中供应空气的温度太冷,则控制器240将去激活第四回路的二次冷却系统230h,从而将第四回路返回到被动模式,如图6所示。优选地,控制器240将去激活在主动模式下操作的回路的二次冷却系统230,其中其蒸发器212相对于返回空气114位于最上游。然后控制器240返回到步骤S405,以继续监测供应空气112的温度。

如果供应空气112的温度过高(高于设定点或操作范围的温度),则控制器240首先在步骤S435中检查是否可以增加换气空气118的气流。如果可以增加换气空气118的气流(换气空气118的气流未处于其最大值),则控制器240在返回步骤S405之前在步骤S440中增加换气空气118的气流。控制器240可以通过任何合适的方式增加换气空气118的气流,其包括例如通过提高换气空气风扇120的速度。如果不能增加换气空气118的气流(换气空气118的气流处于其最大值),则控制器240在步骤S445检查所有回路200是否处于主动模式。如果所有回路200都处于主动模式,如图8所示,则冷却系统110以其最大冷却能力运行,并且控制器240返回到步骤S405。如果至少一个回路处于被动模式,则控制器240将在步骤S450中激活用于回路200中的一个回路的二次冷却系统230。例如,如果所有回路都在被动模式下操作,如图6所示,则控制器240将激活回路200中的一个回路的二次冷却系统230,例如第四回路的二次冷却系统230h。优选地,控制器240将激活在被动模式下操作的回路的二次冷却系统230,其中其蒸发器212相对于返回空气114位于最下游。然后控制器240返回到步骤S405,以继续监测供应空气112的温度。

对于数据中心冷却系统,通常希望在节能模式(在本实施例中为被动模式)中具有65%或更高的效率。在被动模式中,制冷剂在主冷却剂回路210内的所有位置处实际上处于相同的压力,并且内部温度是等温的。基于能量平衡要求,如果被动冷凝器214和蒸发器212热传递约束是相同的(等量空气流过冷凝器214和蒸发器212的外表面以及冷凝器214和蒸发器212的外表面的表面特性),则制冷剂将处于与蒸发器212和被动冷凝器入口214的平均值相等的温度,并且在非理想的情况中,单个回路200的净效率将小于50%。然而,在冷凝器214和蒸发器212的外表面上的气流不平衡的情况下,在蒸发器尺寸上测量的热交换效率大于50%是可实现的。

使用其中空气逆流到主冷却剂回路210中的流动的多个回路200,每个回路的效率将具有附加效果,并且可以实现大于单回路效率的效率。例如,如果使用各自效率为50%的两个回路200,其中换气空气118连续地流过第一回路,然后流过第二回路,以及返回空气114沿相反方向流动(流过第二回路,然后流过第一回路),则可以实现大于70%的效率。然而,如果单个回路200的效率降至39%,则可以将三个回路200而不是两个回路定位在逆流中以实现大于70%的净效率。上述计算使用以10,000cfm输送的温度为70°F的换气空气118和以5,000cfm输送的温度为100°F的返回空气114。

构造以下示例(实例1至6)以评估单个回路200的效率。这些评估的结果列于下表1中。以下实例使用不平衡气流,其中基于蒸发器212上的返回空气114的标称500fpm的面速度来选择换气风扇120以提供至少2:1的换气空气118与返回空气114的气流比。然而,在以下实验实例中,实现了接近2.2:1的流量比,其中经过蒸发器212的总气流为5,000scfm,以及经过被动冷凝器214的总气流为11,000scfm。被动冷凝器214上的面速度为500fpm。

第一实例(实例1)使用翅片管(“FT”)盘管用于蒸发器212和被动冷凝器214。用于蒸发器212的盘管是满液的双排单通盘管,以及用于被动冷凝器214的盘管是三排单通盘管。两个盘管在典型的管布置中使用半英寸管并且每英寸具有10个翅片。每个盘管长5英尺。蒸发器212和被动冷凝器214都相对于水平面以15度角安装,以便经由重力促进蒸汽排出和冷凝物流动。被动冷凝器214安装成其下端比蒸发器212的上部排放口高2英尺。盘管之间的蒸汽管线和液体管线尺寸过大,使用1 1/8英寸的管用于液体制冷剂管线224和2 1/8英寸的管用于蒸汽管线222,以便不抑制制冷剂流动并影响所得性能。R410a用作制冷剂。

第二实例(实例2)与第一实例相同,但是使用满液微通道式盘管(MC)作为蒸发器212代替翅片管式盘管。使用微通道式盘管显著地减少了所需的制冷剂充注量,因为与半英寸管式盘管相比,微通道式盘管的内部容积大大减少(超过47%)。每个微通道挤压件330具有38mm的宽度,并具有28个微通道334、336。26个内部微通道334中的每一个的宽度为0.92mm,并且外部2个微通道336(参见图5B)以0.55mm的半径形成圆形,并且总宽度为0.94mm。微通道挤出件330的总高度为1.8mm,外壁厚度t为0.35mm。分隔微通道334的内壁厚度为0.40mm。使用67个微通道挤压件330,并且每个微通道挤压件的长度为1.57m。使用外径为22.2mm的单个液体连接件312,并且使用外径为25mm的单个蒸汽连接件322。

第三实例(实例3)与第二实例相同,但是使用微通道式盘管(MC)作为被动冷凝器214代替翅片管式盘管。用于被动冷凝器214的微通道式盘管类似于用于蒸发器212的微通道式盘管(在上面的实例2中描述)被设计,但是被动冷凝器214使用100个微通道挤压件330,每个微通道挤压件的长度为1.57m。

第四实例(实例4)与第三实例相同,但是使用三个而不是一个蒸汽管222和蒸汽连接件322(MC Mod)。在蒸发器212和被动冷凝器214之间的温差更大的情况下(分别为实例5和实例6),还评估了实例3和实例4中的回路200的构造。相对于实例3和实例4,通过将返回空气114的温度增加20°F至25°F,增加了实例5和实例6中的蒸发器212和被动冷凝器214之间的温差。下面的表1示出了每种实例的结果,并且表中“Evap”指蒸发器212,而“Cond”指被动冷凝器214。

表1

在上面的表1中可以看出,通过比较实例1和实例2,在蒸发器212中使用微通道式盘管而不是翅片管式盘管对性能产生最显著的差异,将热交换效率从34%提高至57%。将被动冷凝器214改变为微通道式盘管对正常条件下的性能结果几乎没有影响(将实例2与实例3进行比较)。将蒸发器212和被动冷凝器214修改为具有额外的蒸汽连接件322导致在正常条件下获得3%的效率增益(将实例3与实例4进行比较)。当蒸发器212和被动冷凝器214之间的温差增加时,效率下降(分别比较实例3和实例5、实例4和实例6),但是具有多个蒸汽连接件322导致更小的效率下降,并且总功率传送大大增加至近50kW。

使用R410a的性质和已知的热传递速率,可以基于蒸汽和液体的比热来计算主冷却介质202的质量流量。在微通道蒸发器212的情况下,热通量的限制在20kW的范围内。使用R410a的液体和蒸汽之间的焓差,计算得出387kg/hr的质量流量和5.88m3/hr的流量。代入单个7/8英寸管的内径,气体速度为4.2m/s。将两个额外的蒸汽连接件增加到盘管增加了50kW的容量,并且实现了3.1m/s的速度。因此,出于实际目的,当使用R410a时,管道连接件优选地尺寸设计成针对约4m/s下的最大速度。针对50kW的热交换速率,微通道挤出件330内的蒸汽流速为2.1m/s。其它制冷剂的尺寸根据其密度和粘度而变化,但是可以通过实验确定。

在实例1至实例6的每一种实例中,板式热交换器用作主动冷凝器216。主动冷凝器216与被动冷凝器214并联布置,并且冷冻水用作二次冷却介质208。在主动模式中,效率数据和最大功率数据紧密地模拟空气对空气数据,以在向用于蒸汽输送的微通道添加额外的集管连接件之后证实微通道蒸发器212对翅片管式蒸发器212的优越性以及总性能的增加。

在图10和图11中示出了气流冷却组件回路500的第二优选实施例。在该实施例中,蒸发器512和被动冷凝器514结合在整体式热交换器510中,该热交换器作为热管进行操作。蒸发器512是整体式热交换器510的下部部分,并且还可以称为蒸发器部分512。同样,被动冷凝器514是整体式热交换器510的上部部分,并且也可以称为冷凝器部分516。与第一实施例一样,可以使用任何合适的热交换器,包括翅片管式盘管或微通道式盘管。在该实施例中,整体式热交换器510示出为翅片管式盘管,其中管516连接两个固定的集管,顶部集管522和底部集管524。如下所述,重力也在冷却过程中起作用,因此,管516优选地直立定向,并且更优选地,竖向定向。

在图10中示出了在被动模式下操作的气流冷却组件500。热的返回空气114被引导到整体式热交换器510的蒸发器部分512上。包含在管516内的主冷却介质202从液相204改变为气相206,从而从返回空气114吸取热量,并因此冷却返回空气114。当主冷却介质202蒸发时,蒸汽206在管516中上升到热交换器的冷凝器部分514。在被动模式中,换气空气118被引导到冷凝器部分516上。热量从主冷却介质202被排出到换气空气118,使得主冷却介质从气相206冷凝到液相204。然后,主冷却介质202的液体204在重力的帮助下沿管516的侧面向下芯吸(wicked)返回到蒸发器部分512。

在图11中示出了在主动模式下操作的气流冷却组件500。与第一实施例的气流冷却组件200一样,气流冷却组件500的蒸发器512也连接到第二冷凝器,主动热交换器冷凝器216。蒸汽管526将整体式热交换器510的顶部集管522与主动冷凝器216连接。主冷却介质202的蒸汽206通过蒸汽管526行进到主动冷凝器216。如在第一实施例中那样,热量在主动冷凝器处从主冷却介质202排放到二次冷却系统230的二次冷却介质208,使得主冷却介质202的相态从蒸汽206改变为液体204。然后,冷凝的液体204在重力的帮助下通过液体制冷剂管线528行进到底部集管524,从而建立再循环的制冷剂流。

同样,类似于第一实施例,该实施例的气流冷却组件500在不需要泵、油、压缩机或甚至用于在模式之间切换的阀的情况下操作。相反,通过激活二次冷却系统230以冷却主动冷凝器216,主冷却介质202的蒸汽206自然地行进到更冷的主动冷凝器216以冷凝,并且气流冷却组件500自动地从被动模式切换到主动模式。另外,可以通信地联接到温度传感器122、252的控制器240可以用于控制本实施例的气流冷却组件500。

如上所述,代替用于整体式热交换器510的翅片管式盘管,可以使用微通道式盘管。然而,在仅取决于热管操作的被动模式中,可用的总热通量可以被限制,因为冷凝液体和蒸发气体在微通道挤出件的小通道中彼此相对流动。图12和图13示出了第二实施例的另一种构造,其包括第二被动冷凝器530(第三冷凝器)。在本实施例中,第三冷凝器530是微通道式盘管,其相对于换气空气118与整体式热交换器510的冷凝器部分514串联定位。优选地,第三冷凝器530定位在整体式热交换器的冷凝器部分514的上游侧。第三冷凝器530具有蒸汽集管532和液体集管534。第三冷凝器的蒸汽集管530通过蒸汽管526连接到整体式热交换器510的顶部集管522。

在被动模式(如图12所示)中,主冷却介质202的蒸汽206将流过蒸汽管526并进入第三热交换器,在所述第三热交换器处将发生主冷却介质202的大部分冷凝。与第一实施例的被动冷凝器214一样,换气空气118被驱动通过第三冷凝器530的外表面,并且包含在第三冷凝器530中的主冷却介质202的热量被释放到换气空气118,从而将蒸汽206冷凝到液体204。然后,主冷却介质202的液体204在重力的帮助下通过液体制冷剂管线528作为再循环的制冷剂流行进到底部集管524。

在主动模式(如图13所示)中,蒸汽206自然地流动到更冷的主动冷凝器216以进行冷凝(如上所述),并且在主动模式中,主冷却介质202通过第三冷凝器530的流量最小(如果有的话)。与第一实施例一样,在液体制冷剂管线528中包括蒸汽捕集器(未示出)和/或止回阀220以避免主冷却介质202通过当前未在给定模式下运行的冷凝器216、530的反向流动可能是有益的。

第二被动冷凝器530也可以在没有主动冷凝器216的构造中使用,如图14所示。该构造仅具有被动模式,但蒸发器512仍然连接到两个冷凝器,整体式热交换器510的冷凝部分514和第二被动冷凝器530。

与第一实施例的气流冷却组件200一样,冷却系统110可以包括第二实施例的多个气流冷却组件500。例如,冷却系统110可以包括两个回路500a、500b,如图15所示。第一回路500a类似于图14中所示的构造,但没有主动冷凝器216,并且第二回路500b类似于图10和图11中所示的构造,但具有用于整体式热交换器510b的微通道式盘管。在该构造中,两个蒸发器512a、512b相对于返回空气114串联布置。第二回路500b的整体式热交换器510b(具有主动冷凝器216)位于第一回路500a的整体式热交换器510a的上游。

图16和图17中示出了另一个冷却系统110,其具有两个气流冷却组件回路600,第一气流冷却组件回路600a和第二气流冷却组件回路600b,但是可以使用任何数量的回路,包括单个回路。与上面的讨论一样,字母附加到附图标记以指定其中部件所在的回路。在该冷却系统110中,返回空气114被引导穿过两个冷却盘管612a、612b,所述两个冷却盘管相对于返回空气114串联布置,尽管冷却盘管612a、612b也可以并联布置。当返回空气114流动穿过冷却盘管612时,热量从返回空气转移到包含在主冷却剂回路610内的主冷却介质602,从而加热主冷却介质602。可以使用任何合适的主冷却介质602,包括例如水或水和乙二醇的混合物。

由主冷却介质602吸收的热量随后在处于节能模式的第二盘管614处或处于主动模式的热交换器616处被排出。主冷却介质602通过泵618循环通过主冷却剂回路610并循环到第二盘管614或热交换器616。分流阀620根据模式选择性地将泵送的主冷却介质602引导至第二盘管614或热交换器616。

图16示出了处于节能模式的冷却系统110。与上述实施例中讨论的被动模式一样,当环境空气温度在其已经从返回空气114吸收热量之后(例如,在主冷却剂回路610中位于冷却盘管612后方的点处测量)低于主冷却介质602的温度时,使用节能模式。与上面讨论的实施例一样,可以施加预定的温差以确定何时使用节能模式或主动模式。在节能模式中,分流阀620将主冷却介质602从冷却盘管612引导至第二盘管614以冷却主冷却介质602。通过换气风扇120将换气空气118引导穿过第二盘管614的外表面。然后,主冷却介质602中的热量从主冷却介质602排出并被换气空气118吸收。然后,主冷却介质602返回到冷却盘管612。冷却盘管612和第二盘管614可以是任何合适的盘管,包括例如翅片管式盘管或微通道式盘管。膨胀箱622可以位于泵618的上游并且位于冷却盘管612后方。

图17示出了处于主动模式的冷却系统110。与上面讨论的主动模式一样,当环境温度在其已经从返回空气114吸收热量之后高于主冷却介质602的温度或在预定温差内时,使用本实施例的主动模式。在主动模式中,分流阀620将主冷却介质602从冷却盘管612引导至热交换器616以冷却主冷却介质602。然后,主冷却介质602中的热量从主冷却介质602排出,并被二次冷却系统230的二次冷却介质208吸收。如上述实施例中所讨论的,二次冷却系统230可以是包括直接膨胀冷却系统的任何合适的冷却系统。然后,主冷却介质602返回到冷却盘管612。

尽管已经在某些特定示例性实施例中描述了本发明,但是根据本公开,许多其它修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此,应该理解,本发明可以不同于特定描述的方式实施。因此,本发明的示例性实施例应该在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的,并且本发明的范围由本申请可支持的任何权利要求及其等同物确定,而不是前面的描述来确定。

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