CN102804944A

CN102804944A - 后门换热器和冷却单元

Info

Publication number: CN102804944A
Application number: CN2010800247108A
Authority: CN
Inventors: 杰夫·缪尔; 戴恩·迪代米奥蒂斯
Original assignee: Eaton Williams Group Ltd
Current assignee: Eaton Williams Group Ltd
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2012-11-28
Also published as: JP2012523114A; US8875527B2; EP2415334A1; WO2010112873A1; US20130284405A1; EP2415334B1; US20110036107A1; US8479528B2; EP2925107A1; GB0905870D0; HK1215777A1

Abstract

一种双相冷却剂后门换热器。还有使用双相冷却剂所经过的换热器来冷却经过发热设备的空气的方法。还有冷却单元，包括第一通道，在该单元被使用时，冷却剂流体经过第一通道；和第二通道，在该单元被使用时，冷却剂流体经过第二通道；第一通道的一部分和第二通道的一部分彼此热耦合，以便构成该单元的换热器。在该单元被使用时，经过第二通道的冷却剂流体流到待冷却的空间中的至少一个换热器。在该单元被使用时，第二通道中的冷却剂流体至少部分为气态。该单元的换热器由冷凝器构成。该单元还包括连接成监控第二通道中的压力的至少一个压力传感器和连接成能够调整第一通道中的冷却剂流体的参数的参数调整器。在该单元被使用时，至少一个换热器中的冷却剂流体处于双相状态。该单元还包括处理器，处理器连接成接收来自至少一个压力传感器的信号并向参数调整器发出信号以调整第一通道中的冷却剂流体的参数。在该单元被使用时，这改变了第二通道中的压力，由此控制至少一个换热器中的冷却剂的温度。还有冷却空间的方法，包括在该单元被使用时，使冷却剂流体经过第一通道，并使冷却剂经过第二通道，第一通道的一部分和第二通道的一部分彼此热耦合，以便构成换热器。经过第二通道的冷却剂流体流到待冷却的空间中的至少一个换热器。第二通道中的冷却剂流体至少部分为气态，并且由第一通道的一部分和第二通道的一部分构成的换热器形成冷凝器，至少一个换热器中的冷却剂流体处于双相状态。改变第一通道中的冷却剂流体的参数，以改变第二通道中的冷却剂流体的压力，由此控制至少一个换热器中的冷却剂的温度。

Description

后门换热器和冷却单元

背景技术

数据中心通过周边冷却器冷却，其中，气液换热器位于房间的外周，空气从数据中心的内部被泵出，然后向下通过紧贴在数据中心的地板之下的气液换热器，接着从该处向上通过地板材料的通风孔进入刀片式机架列之间的过道。这些过道中的冷空气以对流的方式经过刀片之间，随后穿出到机架列的另一侧，进入暖过道。暖过道中的暖空气经过与机架上方的空气对流，沿天花板，然后再次向下通过周边冷却器的气液换热器。为了使刀片高效操作，该循环持续进行，从而使中心的温度保持在可接受的低水平。

随着刀片的操作能力增加，数据中心内的空气的冷却量也期望、甚至必须有所增加。简单地增加周边冷却器的冷却能力并非必须的选择，因为这样会受到冷却量的限制。该问题通过在机架的后面(在该处空气流出机架)附接气水换热器而得以解决。这种换热器称作后门换热器。其采用水作为冷却介质，因为与其他冷却剂相比，水具有较高的比热。被供应到后门换热器的水的温度大约处于被视为标准室温的温度，或者稍低一点，通常处于18℃至22℃的范围。这仍然是有效的，因为离开刀片的气温更高，大概处于从35℃至45℃的范围。

所用的水太靠近电子设备可能产生短路的风险并损害到设备。但由于没有其它具有充足比热的安全的冷却介质，所以造成了问题。

发明内容

本发明旨在提供一种改善方法。

因此，本发明的第一方案涉及一种双相冷却剂的后门换热器。

由于这种换热器中的有效冷却剂是双相的，也就是说部分气态和部分液态，冷却剂的液态与气态之间转变的潜热被用来补偿冷却剂在其液态下的较低比热。

优选地，双相后门换热器具有多个冷却剂引导环，每个冷却剂引导环的一端连接到公共入口或上游集管，另一端连接到公共出口或下游集管。这在门的整个范围提供全面的冷却。

优选地，集管是细长圆柱形，出口集管的直径大于入口集管的直径，以容纳在环与公共入口集管之间的连接处生成双相冷却剂。更优选地，出口集管的内径与入口集管的内径的比率在1.1到1.5的范围中，例如约1.3，如果冷却剂是R134a制冷剂(1，1，1，2-四氟乙烷)，该值尤为合适。

优选地，在环的连接到入口集管的的端部设有相应的孔口。这可用来确保环中的冷却剂是双相的。

有利地，环大体水平延伸。这样与刀片的水平取向相匹配。

集管优选大体竖向延伸，并且如果门的一侧铰接到大体竖向的铰链，则集管优选在门的铰链侧，以减少门被打开或关闭时它的移动量。这样有利于集管连接到冷却剂回路。

有利地，集管的各个端部设有相应的快速接头(quick releaseconnectors)，例如卡口接头(bayonet connectors)。

本发明扩展到借助于双相冷却剂所经过的换热器来冷却离开刀片式机架的空气的方法。

有利地，冷却剂的沸点接近正常室温，例如在15℃到25℃的范围中。这样有利于形成双相。例如，冷却剂可包括R134a制冷剂(1，1，1，2-四氟乙烷)。

优选地，这一方法使用根据本发明所述的并如一个或多个前述段落中提出的换热器。

本发明的第二方案涉及冷却单元，该冷却单元包括第一通道，在所述单元被使用时，冷却剂流体经过所述第一通道；和第二通道，在所述单元被使用时，冷却剂流体经过所述第二通道；所述第一通道的一部分和所述第二通道的一部分彼此热耦合，以便构成所述单元的换热器，在所述单元被使用时，经过所述第二通道的冷却剂流体流到待冷却的空间中的至少一个换热器，其中，在所述单元被使用时，所述第二通道中的冷却剂流体至少部分为气态，所述单元的换热器由冷凝器构成，而且其中，所述单元还包括连接成监控所述第二通道中的压力的至少一个压力传感器和连接成能够调整所述第一通道中的冷却剂流体的参数的参数调整器，在所述单元被使用时，所述至少一个换热器中的冷却剂流体处于双相状态，所述单元还包括处理器，所述处理器连接成接收来自所述至少一个压力传感器的信号，并向所述参数调整器发出信号以调整所述第一通道中的冷却剂流体的参数，以便在所述单元被使用时，改变所述第二通道中的压力，由此控制所述至少一个换热器中的冷却剂的温度。

所述至少一个换热器的下游集管中的压力与该端极为相关。该单元可还包括在该单元被使用时位于待冷却的空间中的一个或多个温度湿度传感器，所述一个或多个温度湿度传感器连接到所述处理器，并且其中处理器以这样的方式向参数调整器发出信号，该方式为使至少一个换热器中的冷却剂流体的温度保持在如一个或多个温度湿度传感器所指示的被冷却的空间中的空气的露点(dew point)之上。

参数可以是通过所述第二通道的冷却剂的流量，参数调整器是变量控制阀或变量泵。

该单元还可包括连接在所述第二通道中以从该通道中的冷却剂的液体分离气体的分离器。

分离器可连接成将冷却剂的气态部分输送到冷凝器，将冷却剂的液态部分输送到所述第二通道的绕过冷凝器的部分。

该单元还可包括储存器，所述储存器连接到所述第二通道以保持所述第二通道中的冷却剂液体的储量。

储存器可连接到所述第二通道的绕过冷凝器的那部分。

本发明扩展到冷却装置，所述冷却装置包括前述段落中提出的这种冷却单元，冷却单元连接到这种所述至少一个换热器，使得所述第二通道的冷却剂经过所述至少一个换热器。

所述至少一个换热器可以是根据本发明的第一方案的双相后门换热器。

本发明的第二方案扩展到冷却空间的方法，包括在该单元被使用时，使冷却剂流体经过第一通道，并使冷却剂经过第二通道，所述第一通道的一部分和所述第二通道的一部分彼此热耦合，以便构成换热器，经过所述第二通道的冷却剂流体流到待冷却的空间中的至少一个换热器，其中，所述第二通道中的冷却剂流体至少部分为气态，并且由所述第一通道的一部分和所述第二通道的一部分构成的所述换热器形成冷凝器，所述至少一个换热器中的冷却剂流体处于双相状态，并且其中，改变所述第一通道中的冷却剂流体的参数，以改变所述第二通道中的冷却剂流体的压力，由此控制所述至少一个换热器中的冷却剂的温度。

所述第二通道中的冷却剂可包括R134a制冷剂(1，1，1，2-四氟乙烷)。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述根据本发明制作的后门换热器和冷却单元的示例，其中：

图1示出的是从包括有后门换热器的数据中心的一侧及上侧观察的立体图，每一个后门换热器均实施的是本发明；

图2示出的是图1所示的后门换热器之一的后视图；

图3示出的是从图2所示的后门换热器的上方观察的俯视图；

图4示出的是图2和图3所示的后门换热器的侧视图；

图5示出的是从图2和图3所示的后门换热器的另一侧观察的视图；

图6示出的是图5所示的门的相同侧在拆除门的一部分以露出换热器其它部分的状态下的视图；

图7示出的是图1至图6所示的后门换热器的一部分的轴向剖视图；

图8是实施本发明的第二方案的装置的电路和流体回路图；

图9示出的是穿过图8所示的装置的分离器的示意性轴向剖视图；

图10示出的是穿过使用中的图8所示装置的盘管(coil)的剖视图；以及

图11示出的是解释性的曲线图。

具体实施方式

图1示出的是设有连接成向周边冷却器120供应冷却水的制冷单元110的数据中心100。数据中心100设有几排刀片式机架140，刀片式机架140设有各自的后门换热器142。来自制冷器110的冷水通过供给管路143泵送到周边冷却器120，热水从周边冷却器120通过另一管路144返回制冷器110。

周边冷却器120和刀片式机架140及其后门换热器142都安置在升高地板145上。刀片式机架140布置成排146。在多排146之间的一个或多个过道150的升高地板145上设有通气孔148，相邻的过道152则没有通气孔，使得有通气孔的过道和没有通气孔的过道相互交替。当数据中心100被使用时，暖过道152的暖空气上升，并带动来自相邻冷过道150的冷空气通过机架140。这样形成通过机架140的连续冷空气流。暖空气向数据中心的天花板上升，并向外流向周边冷却器120，在该处暖空气被冷却并因而下降离开紧贴升高地板145下方的周边冷却器120。随着冷空气上升通过通气孔148而使该对流继续，从而使空气冷却循环持续进行。

后门换热器142为流经数据中心100的空气提供额外冷却，流经后门换热器的冷却介质由冷却单元153提供。

在图2至图6中更详细地示出每个后门换热器142的结构。从这些图将看到后门换热器142包括支承金属管道162的框架160。该管道包括多个水平延伸的环或盘管164。每个盘管包括位于框架160的一侧的、通向环或盘管的笔直水平段的入口166，所述笔直水平段延伸到框架160的相对侧，在该相对侧以180°的弯道168倾斜着弯曲。从这里，其笔直且水平地往回延伸到门的第一侧，在该第一侧经过另一个倾斜的180°弯道170而进入环或盘管的另一笔直水平段，从而到达门的另一侧，在该另一侧其延伸到第三个倾斜的180°弯道172而进入盘管的第四个笔直水平段，从而到达门的第一侧(其中定位入口166)，到达出口174。

每个入口166都与大体沿竖向排列的圆柱形入口集管176流体连通。

每个环或盘管的出口174都连接到一般沿竖向排列的圆柱形出口集管178。

出口集管的内径与入口集管的内径之比是大约1.3。在所示的换热器中，出口集管的内径是35mm，入口集管的内径是28mm，给出的比率为1.25。

从入口集管176到盘管入口166的连接是经由各自的喷嘴180。每个喷嘴180包括孔口182，该孔口182的直径适合于接收液态冷却剂并将其变成液/气双相冷却剂。相比之下，每个盘管出口174与出口集管178之间的连接没有这样的喷嘴180，使得盘管的总宽度对于向出口集管178输送流体而言是可用的，适合于处于气态或蒸发的双相状态的冷却剂。按这种方式，图2至图7所示的后门换热器被构建成双相冷却剂的后门换热器。

门借助铰链(未图示)连接到关联的刀片式机架140，该铰链位于门的与入口集管176及出口集管178相同的一侧。这使得后门换热器能够被打开，以提供接近刀片式机架后部的路径。当后门换热器142如图1所示那样进行安装时，入口集管176和出口集管178借助柔性管(未图示)连接到制冷剂单元，该单元将冷却的液态冷却剂泵送到入口集管176，并从出口集管178接收气态和/或蒸汽的冷却剂。入口集管176和出口集管178位于后门换热器142的铰接侧缩短了后门换热器被打开或关闭时，柔性管(未图示)与那些集管的连接行程。

对读者而言，对所示的后门换热器可进行各种变型和改型而不会使产生的结构脱离本发明的范围。例如，每个环或盘管可包括更多或更少的水平段。每个水平盘管段可设有一个或多个自身可水平取向的鳍片。

在图8所示的装置中，图1至图6中所示的双相后门换热器142也标示为142。另外，包括图8所示装置的其它部分的冷却单元由附图标记153总体标示。后者包括在装置被使用时冷却水经过的第一通道200。变量控制阀202连接在通道200中，以使通过其中的冷却水的流动能够改变。通道200的一部分由冷凝器204的一部分构成。该冷凝器的与其首述部分热连通的另一部分是制冷剂R134a(1，1，1，2-四氟乙烷)流经的第二通道206。

紧接着从冷凝器204沿下游方向的通道206，设有并联连接到该通道的冷却剂储存器208。从通道206到储存器208的输入设有控制阀210。

沿通道206进一步向下游行进，设有泵212，该泵设置成泵送所述第二通道206周围的冷却剂。

在通道206的进一步下游处，设有与通道206的部分216并联连接的过滤器214，该部分216与过滤器214并联并绕过后者。从过滤器214的下游处，设有通道206的输入线路218及其输出线路220。

每个双相后门换热器142具有连接到输入线路218的输入和连接到输出线路220的输出，使得通道206中的冷却剂经由它们各自的集管经过后门换热器142的盘管164。从其输出线路220沿通道206继续向下游，通道连接到分离器222，该分离器具有连接到冷凝器204的第一分支线路223以及与冷凝器204并联且绕过冷凝器204的第二分支线路224。

泵速控制器226电连接成控制泵212。冷却单元153还设有一个或多个温度湿度传感器，所述温度湿度传感器位于数据中心内，以便对数据中心100中的空气的温度和湿度进行测量。

单元153还设有控制及显示器230。该控制及显示器230连接成接收信号，这些信号来自连接成对通向换热器142的入口中的冷却剂流体的压力进行测量的相应压力计232、来自连接成对换热器142的出口中的冷却剂的压力进行测量的相应压力计234、来自定位成对通向换热器142的入口中的冷却剂的温度进行测量的相应的温度计或温度传感器236、来自对换热器142的出口中的冷却剂的温度进行测量的相应的温度计或温度传感器238、以及还来自一个或多个温度湿度传感器228。

控制及显示器230还连接成控制变量阀240，该变量阀连接成控制通过第二通道206的部分216的冷却剂的流动。控制及显示器230还连接成控制变量控制阀210、泵212和变量控制阀202。

图9示出分离器的进一步细节。因此，其包括大体竖立的圆筒形腔室250，该圆筒形腔室的内横截面积基本上大于通道220、223和224的内横截面积。通道224从圆筒形腔室250的下端向下延伸，通道206的部分220进入圆筒形腔室250的上半部，通道206的部分223在通道206的部分220进入圆筒形腔室250的位置以上处构成离开圆筒形腔室250的出口。

控制单元153的操作如下。

随着冷却水流经第一通道200，液态冷却剂通过通道206流向使流体沿通道206进一步推进的泵212，通过过滤器214或沿过滤器的旁路216到达入口线路218。从这里，冷却剂流入后门换热器142的盘管164。其喷嘴180以及第二通道206中的冷却剂的压力例如造成穿过喷嘴180的压降，从而导致后门换热器142的盘管164内的冷却剂处于双相状态，部分液体和部分气体。

图10示出的是穿过盘管164的剖视图，其示出接触盘管164的内表面的冷却剂为液态260，盘管164的中心区域为气态262。该双相冷却剂在约5.2巴+10％的压力下返回出口线路220。后者使处于双相状态的冷却剂流到分离器222。这里，冷却剂中较重的液态部分落到圆筒形腔室250的下半部，冷却剂中较轻的气态部分上升到圆筒形腔室250的最上部。冷却剂的气态部分在返回泵212之前，沿冷凝器204的通道206的部分223行进，在该处其被冷凝成液态形式，使得其经过冷凝器204的出口，在该处其加入冷凝剂的液态部分，这些液态部分通过通道206的部分224而落下。这样，循环得以持续。

控制及显示器230控制速度控制器226，速度控制器226进而控制泵212在泵速的预定范围内操作。同时，如果压力传感器242向控制及显示器230发出在预定值以下(例如会在泵212内产生气穴的风险)的信号，则控制及显示器230被编程为向速度控制器226发出信号来降低泵212的速度。

如果一个或多个温度湿度传感器228和温度传感器236、238所发出的信号指示盘管164内的冷却剂的温度不可接受地接近数据中心100中的空气的露点，则控制及显示器向所述第一通道200中的阀202发出信号，以减小通过阀202的可用横截面积，以便减小冷却水200通过冷凝器204的流速，从而增加所述第二通道206中的冷却剂流体的压力和温度。

图11示出图8的装置的各种变型与图1所示的数据中心之间的关系图。在该曲线图中，水平轴表示摄氏温度，竖向轴表示压力KPa。因此，中心100内的露点由图11中的竖线D_T表示。曲线C_C示出了所述第二通道中的冷却剂的饱和曲线，虚线曲线C_S示出了内置有安全储备系数以降低冷凝的可能性的相同曲线。曲线C_u表示在泵212的紧接上游处(即，在泵的抽吸侧)的冷却剂温度的作用下的系统压力的变型，C_d是用于其下游或较高压力侧的相同曲线。

因此能够看到，泵202的工作区域必须保持在方形270的右上部内。

Claims

1.一种双相冷却剂的后门换热器。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器具有多个冷却剂引导环，每个冷却剂引导环的一端连接到公共入口或上游集管，另一端连接到公共出口或下游集管。

3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述集管是细长圆柱形，所述出口集管的直径大于所述入口集管的直径，以容纳在所述环与公共入口集管之间的连接处生成的双相冷却剂。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述出口集管的内径与所述入口集管的内径的比率在1.1到1.5的范围中。

5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述比率约为1.3。

6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述换热器在使用时，处于双相状态的R134a制冷剂(1，1，1，2-四氟乙烷)流经所述换热器。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的换热器，其特征在于，在所述环的连接到所述入口集管的端部设有相应的孔口。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的换热器，其特征在于，所述环大体水平延伸。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的换热器，其特征在于，所述集管大体竖向延伸。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的换热器，其特征在于，所述换热器适合在一侧铰接到大体竖向的铰链。

11.根据权利要求10所述的换热器，其特征在于，所述集管在所述门的铰链侧，以减少所述门被打开和关闭时所述集管的移动量。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的换热器，其特征在于，所述集管的各个端部设有相应的快速接头。

13.根据权利要求12所述的换热器，其特征在于，所述快速接头包括卡口接头。

14.一种使用双相冷却剂流经的换热器来冷却经过发热设备的空气的方法。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述冷却剂的沸点处于15℃至25℃的范围中。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包括R134a制冷剂(1，1，1，2-四氟乙烷)。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1至13中任一项所述的换热器。

18.一种冷却单元，其包括第一通道，在所述单元被使用时，冷却剂流体经过所述第一通道；和第二通道，在所述单元被使用时，冷却剂流体经过所述第二通道；所述第一通道的一部分和所述第二通道的一部分彼此热耦合，以便构成所述单元的换热器，在所述单元被使用时经过所述第二通道的冷却剂流体流到待冷却的空间中的至少一个换热器，其中，在所述单元被使用时，所述第二通道中的冷却剂流体至少部分为气态，所述单元的换热器由冷凝器构成，而且其中，所述单元还包括连接成监控所述第二通道中的压力的至少一个压力传感器和连接成能够调整所述第一通道中的冷却剂流体的参数的参数调整器，在所述单元被使用时，所述至少一个换热器中的冷却剂流体处于双相状态，所述单元还包括处理器，所述处理器连接成接收来自所述至少一个压力传感器的信号并向所述参数调整器发出信号以调整所述第一通道中的冷却剂流体的参数，以便在所述单元被使用时，改变所述第二通道中的压力，由此控制所述至少一个换热器中的冷却剂的温度。

19.根据权利要求18所述的冷却单元，其特征在于，所述单元还包括在所述单元被使用时位于待冷却的空间中的一个或多个温度湿度传感器，所述一个或多个温度湿度传感器连接到所述处理器，而且，所述处理器以这样的方式向所述参数调整器发出信号，该方式为使所述至少一个换热器中的冷却剂流体的温度保持在如所述一个或多个温度湿度传感器所指示的被冷却的所述空间中的空气的露点之上。

20.根据权利要求18或19所述的冷却单元，其特征在于，所述参数是通过所述第二通道的冷却剂的流量，所述参数调整器是变量控制阀或变量泵。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的冷却单元，其特征在于，所述单元还包括连接在所述第二通道中以从所述通道中的冷却剂的液体分离气体的分离器。

22.根据权利要求21所述的冷却单元，其特征在于，所述分离器连接成将冷却剂的气态部分输送到所述冷凝器，以及将冷却剂的液态部分输送到所述第二通道的绕过所述冷凝器的部分。

23.根据权利要求18至22所述的冷却单元，其特征在于，所述单元还包括储存器，所述储存器连接到所述第二通道以保持所述第二通道中的冷却剂的液体的储量。

24.根据权利要求23所述冷却单元，其特征在于，所述储存器连接到所述第二通道的绕过所述冷凝器的那部分。

25.冷却装置，包括如权利要求18至24中任一项所述的冷却单元，所述冷却单元连接到这种所述至少一个换热器，使得所述第二通道的冷却剂经过所述至少一个换热器。

26.根据权利要求25所述的冷却装置，其特征在于，所述至少一个换热器是如权利要求1至17中任一项所述的双相后门换热器。

27.一种冷却空间的方法，包括在单元被使用时，使冷却剂流体经过第一通道，并使冷却剂经过第二通道，所述第一通道的一部分和所述第二通道的一部分彼此热耦合，以便构成换热器，经过所述第二通道的冷却剂流体流到待冷却的空间中的至少一个换热器，其特征在于，所述第二通道中的冷却剂流体至少部分为气态，并且由所述第一通道的一部分和所述第二通道的一部分构成的所述换热器形成冷凝器，所述至少一个换热器中的冷却剂流体处于双相状态，并且，改变所述第一通道中的冷却剂流体的参数，以改变所述第二通道中的冷却剂流体的压力，由此控制所述至少一个换热器中的冷却剂的温度。

28.根据权利要求27所述的冷却空间的方法，其特征在于，所述第二通道中的冷却剂包括R134a制冷剂(1，1，1，2-四氟乙烷)。

29.根据权利要求27或28所述的冷却空间的方法，其特征在于，使用如权利要求18至26中任一项所述的冷却单元或装置来执行所述方法。