CN103528256A - 用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，该冷却装置包括制冷压缩机（1）、冷凝器（2）、干燥过滤器（3）、制冷剂液体管路电磁阀（4）、膨胀阀（5）、气液分离与再冷器（7）、制冷剂循环泵（8）和三通调节阀（12），所述的气液分离与再冷器（7）既可与制冷压缩机（1）和冷凝器（2）相连通，又可与外界天然冷源相连通。本发明通过采用氟利昂作为液体制冷剂，通过蒸汽压缩制冷循环或自然冷却循环对制冷剂的状态进行变换，提高了制冷装置的工作效率，节能降耗且扩展了自然冷却制冷的运行范围，该复合型蒸发式冷却装置结构简单、使用方便，提高了大型设备的安全性并可节省20%以上的电力消耗。

Description

用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置

技术领域

本发明涉及计算机设备、数据中心以及石油化工和食品制药等工业领域里大型设备的冷却，具体地说是一种采用液体冷却的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置。

背景技术

现代大型的计算机中心和数据中心，由于数据处理过程中电能最终会转化为热能，这部分热能如果不能及时设法将其消除，将会导致计算机设备温度过高，从而造成计算机运行速度降低，故障率增加，甚至发生宕机故障而丢失关键数据。因此，所有的大型计算机中心和数据中心，都需要一种专门的制冷装置用来为计算机设备提供常年24小时不间断的冷却服务，以确保计算机设备可靠的运行。

现有计算机设备的冷却一般分为两种类型：（1）空气冷却型，即制冷装置将空气温度降低，低温的空气被风机输送到发热的计算机设备，带走热量，保持计算机的温度。而吸收了计算机热量温度升高的空气回到制冷装置被再冷却；（2）液体冷却型，即制冷装置将一种液体的温度降低，低温的液体被泵输送到发热的计算机设备，带走热量，保持计算机的温度。而吸收了计算机热量温度升高的液体回到制冷装置被再冷却。由于计算机的处理能力越来越强，处理器的功率越来越大，而电子元器件的体积却越来越小，也就是说，在同样的体积下，计算机的功率密度越来越高。在这种情况下，由于空气的热容量较低，即同样体积流量的空气，其所能携带的热量远低于液体能够携带的热量，并且空气的热传导能力也远低于液体，因此，对于高功率密度的计算机设备，上述第一种空气冷却型的计算机冷却装置，已经不能很好的为计算机设备提供冷却服务，大型的计算机设备越来越多的采用液体冷却型的装置。

在液体冷却型的计算机设备中，通常将集成电路板安装在一个冷却基板的上面，在冷却基板的内部有供冷却液体流动的复杂的微通道。温度较低的冷却液体从冷却基板的入口流入，从出口流出。冷却液体在微通道离流动的过程中，集成电路板上电子器件散发的热量，通过冷却基板的热传导传递给微通道内流动的冷却液体，因此冷却液体将集成电路板散发的热量带出计算机，这部分热量再由计算机外部的制冷设备通过制冷的方式将其消除。每一台大型的计算机设备会由很多的集成电路板组成，因此，在计算机设备里相应的有将冷却液体的分配到每个冷却基板，并将由每个冷却基板流出的冷却液体汇集在一起的装置。

目前大型计算机设备采用液体冷却型的最典型方式是水冷却型的系统，即一种叫做冷水机组的制冷设备，将水的温度降低，成为温度较低的冷冻水，冷冻水通过输送泵输送到计算机设备的冷却基板中，对计算机设备进行冷却。水吸收热量后温度升高回到冷水机组中，再次被冷水机组设备制冷降温，成为温度较低的冷冻水。 使用冷冻水冷却的过程对于计算设备而言，带来以下的不足甚至是潜在危险：（1）水在计算机设备中循环时，始终存在泄漏的可能性，而一旦水发生泄漏，电气短路将会导致灾难性的后果。这是任何一个大型的计算中心或数据中心都无法承受的灾难。而无论采取何种防范措施，这种隐患始终都是存在的。（2）水在制冷装置和计算机设备之间仅仅是一种热量传递的媒介，制冷装置先要通过制冷剂的循环将水的温度降低，再让水循环到计算机设备中吸收热量。因此，在制冷装置中，这样的冷却转换过程存在降低制冷效率的制冷剂和水的二次换热过程，对于提高计算机设备和数据中心的效率来说，不是一个好的途径。

根据热力学定律，热力循环制冷装置总是需要输入一定的能量来才能驱动制冷的过程，例如，蒸汽压缩循环的制冷系统，它包括了制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、热力膨胀阀等。无论是夏季或是冬季，制冷压缩机都需要消耗电能，才能完成对制冷剂进行压缩、冷凝、膨胀和蒸发的过程。在地球的高纬度地区，冬季的环境温度比较低，甚至低于计算机设备的运行温度。在这一类冬季环境温度较低的地区，实际上存在可以充分利用低温环境资源来进行制冷的机会，即本发明所说的自然冷却制冷技术。如果在冬季低温环境下，减少甚至不使用常规的热力循环制冷，将会大大减少全年制冷所需要消耗的电力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种采用氟利昂为液体制冷剂并能利用自然环境的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，包括制冷压缩机、冷凝器、干燥过滤器、制冷剂液体管路电磁阀、膨胀阀、气液分离与再冷器、制冷剂循环泵和三通调节阀，其特征在于所述的气液分离与再冷器上的气体制冷剂出口通过管路与制冷压缩机上的吸气口相连通，制冷压缩机上的排气口通过管路与冷凝器上的制冷剂进口相连通，冷凝器上的制冷剂出口通过管路依次与干燥过滤器、制冷剂液体管路电磁阀、膨胀阀相连通，膨胀阀的出口通过管路与气液分离与再冷器上的气液混合制冷剂进口相连通，气液分离与再冷器上的液体制冷剂出口通过管路与制冷剂循环泵相连通，制冷剂循环泵的出口端通过管路与液体制冷剂集管的入口相连通，液体制冷剂集管的出口与冷却基板的入口相连通，冷却基板的出口与气体制冷剂集管的入口相连通，气体制冷剂集管的出口与气液分离与再冷器上的气体制冷剂进口相连通；所述的冷凝器上的冷却介质进口处设有冷却介质管，冷却介质管上设有三通调节阀和温度检测装置，温度检测装置位于三通调节阀的进入端口处的冷却介质管上，三通调节阀的排出端口通过冷却介质管与气液分离与再冷器上的冷却介质进口相连通，气液分离与再冷器上的冷却介质出口通过冷却介质管与冷凝器上的冷却介质进口相连通且冷凝器上的冷却介质进口通过冷却介质管与三通调节阀的旁通端口相连通。

所述制冷压缩机上的冷却接口通过管路与干燥过滤器的出口端和制冷剂液体管路电磁阀的进口端之间的管路相连通，制冷压缩机的冷却接口处的管路上设有冷却电磁阀。

所述的气液分离与再冷器包括第一端盖、第一管端板、冷凝换热管、壳体、挡液板、第二管端板、第二端盖和再冷换热管，壳体的两端分别设有第一管端板和第二管端板，第一管端板和第二管端板的外侧分别设有用于密封的第一端盖和第二端盖，冷凝换热管和再冷换热管的两端分别设置在第一管端板和第二管端板上且冷凝换热管位于再冷换热管的上方，挡液板位于冷凝换热管的上方。

所述的第一端盖和第二端盖分别与第一管端板和第二管端板构成冷却介质腔，该冷却介质腔皆与冷凝换热管和再冷换热管相连通且第一端盖或第二端盖上设有与冷却介质腔相连通的冷却介质出口和冷却介质进口；所述的气体制冷剂出口、气液混合制冷剂进口、液体制冷剂出口和气体制冷剂进口皆设置在壳体上，且气体制冷剂出口、气液混合制冷剂进口、液体制冷剂出口和气体制冷剂进口皆与壳体和第一管端板、第二管端板构成的密封腔相连通。

所述的冷却介质腔内设有隔板，冷却介质出口和冷却介质进口分别设置在隔板上侧和下侧的第一端盖或第二端盖上。

所述的气液分离与再冷器内设有喷淋器，喷淋器设置在挡液板的上方且喷淋器通过壳体上的喷淋接口与喷淋管相连通，喷淋管的另一端与液体制冷剂出口处的管道相连通且喷淋管上设有喷淋泵和喷淋控制阀，喷淋控制阀位于喷淋泵和喷淋接口之间的喷淋管上。

所述的气液分离与再冷器处设有压力传感器，压力传感器设置在气液分离与再冷器上或连通气液分离与再冷器和制冷压缩机的管道上。

所述的气液分离与再冷器上设有液位传感器。

所述的制冷压缩机采用磁悬浮无油离心式压缩机，且所述的制冷压缩机处设有负载平衡阀，平衡阀分别与制冷压缩机的排气口和吸气口相连通。

所述的液体制冷剂出口与制冷剂循环泵之间的管路上设有液体制冷剂均流管，制冷剂循环泵与液体制冷剂集管之间的管路上设有液体制冷剂分配集管，气体制冷剂集管与气体制冷剂进口之间的管路上设有气体制冷剂回气汇集管；所述冷却介质管的进口处设有冷却介质进入端汇集管，冷凝器上的冷却介质出口处的管路与冷却介质排出端汇集管相连通。

发明相比现有技术有如下优点：

本发明通过将制冷压缩机、冷凝器、干燥过滤器、制冷剂液体管路电磁阀、膨胀阀、气液分离与再冷器、制冷剂循环泵和三通调节阀构成一个复合型蒸发式冷却装置的基础结构，采用氟利昂作为液体制冷剂，液体制冷剂输送到大型设备的冷却基板当中，在冷却基板的微通道里，液体制冷剂吸收大型设备散发的热量，蒸发成为气体状态，气体状态的制冷剂回到制冷装置中，通过蒸汽压缩制冷循环或自然冷却循环，重新成为液体制冷剂，再被输送到大型设备中；由于氟利昂制冷剂是不导电的介质并且在一个大气压下的沸点远低于常温，因此如发生氟利昂的泄漏则氟利昂会迅速蒸发成气体，而不会导致大型设备的电气短路，不会发生灾难性的事故和关键数据的丢失；另外制冷剂既是蒸汽压缩制冷循环的工作介质，同时也是冷却计算机设备的介质，因此整个冷却循环过程中，不需要像冷冻水的冷却方式一样，要在冷却装置和计算机设备之间进行二次换热，从而可以提高制冷装置的工作效率。

本发明的复合型蒸发式冷却装置可利用大自然的天然冷源来进行制冷，从而极大地减少传统热力循环制冷方式所消耗的大量的能量，达到节能降耗的目的；另外该复合型蒸发式冷却装置不仅可以利用空气干球温度变化所具有的自然冷源，还可以利用空气湿球温度变化的自然冷源，大大扩展了自然冷却制冷的运行范围。

本发明的复合型蒸发式冷却装置在上述结构的基础上，通过磁悬浮无油离心式制冷压缩机的应用，相对于传统的冷水机组对计算机设备进行冷却的方式，不仅大大提高了大型计算机中心和数据中心的安全性，而且全年可以节省电力消耗20%以上。

附图说明

附图1为本发明的复合型蒸发式冷却装置基本工作原理图；

附图2为本发明的气液分离和再冷器结构示意图；

附图3为附图2的气液分离和再冷器截面结构示意图；

附图4为本发明的带喷淋冷却功能的复合型蒸发式冷却装置基本工作原理图；

附图5为本发明的带喷淋冷却功能的气液分离和再冷器结构示意图；

附图6为附图5的带喷淋冷却功能的气液分离和再冷器截面结构示意图；

附图7为本发明的复合型蒸发式冷却装置模块单元基本工作原理图；

附图8为本发明的带喷淋冷却功能的复合型蒸发式冷却装置模块单元基本工作原理图；

附图9为本发明的复合型蒸发式冷却装置模块单元的组合结构示意图。

其中：1—制冷压缩机；1-1—排气口；1-2—吸气口；1-3—冷却接口；2—冷凝器；2-1—制冷剂进口；2-2—制冷剂出口；2-3—冷却介质出口；2-4—冷却介质进口；3—干燥过滤器；4—制冷剂液体管路电磁阀；5—膨胀阀；6—压缩机冷却电磁阀；7—气液分离与再冷器；7-1—气体制冷剂出口；7-2—气液混合制冷剂进口；7-3—液体制冷剂出口；7-4—气体制冷剂进口；7-5—冷却介质出口；7-6—冷却介质进口；7-7—冷却介质腔；7-8—隔板；7-9—第一端盖；7-10—第一管端板；7-11—冷凝换热管；7-12—壳体；7-13—挡液板；7-14—第二管端板；7-15—第二端盖；7-16—再冷换热管；7-17—喷淋接口；7-18—喷淋器；8—制冷剂循环泵；9—冷却基板；10—液体制冷剂集管；11—气体制冷剂集管；12—三通调节阀；12-1—进入端口；12-2—排出端口；12-3—旁通端口；13—液位传感器；14—液体制冷剂均流管；15—液体制冷剂分配集管；16—气体制冷剂回气汇集管；17—冷却介质进入端汇集管；18—冷却介质排出端汇集管；19—喷淋泵；20—喷淋控制阀；21—负载平衡阀；22—压力传感器；23—管道连接器；24—温度检测装置；25—冷却介质管；26—电脑控制器；27—通讯线；28—喷淋管。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示：一种用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，包括制冷压缩机1、冷凝器2、干燥过滤器3、制冷剂液体管路电磁阀4、膨胀阀5、气液分离与再冷器7、制冷剂循环泵8和三通调节阀12，其中气液分离与再冷器7包括第一端盖7-9、第一管端板7-10、冷凝换热管7-11、壳体7-12、挡液板7-13、第二管端板7-14、第二端盖7-15和再冷换热管7-16，壳体7-12的两端分别设有第一管端板7-10和第二管端板7-14，第一管端板7-10和第二管端板7-14的外侧分别设有用于密封的第一端盖7-9和第二端盖7-15，冷凝换热管7-11和再冷换热管7-16的两端分别设置在第一管端板7-10和第二管端板7-14上且冷凝换热管7-11位于再冷换热管7-16的上方，挡液板7-13位于冷凝换热管7-11的上方；第一端盖7-9和第二端盖7-15分别与第一管端板7-10和第二管端板7-14构成冷却介质腔7-7，该冷却介质腔7-7皆与冷凝换热管7-11和再冷换热管7-16相连通且第一端盖7-9或第二端盖7-15上设有与冷却介质腔7-7相连通的冷却介质出口7-5和冷却介质进口7-6，另外在冷却介质腔7-7内设有隔板7-8，冷却介质出口7-5和冷却介质进口7-6分别设置在隔板7-8上侧和下侧的第一端盖7-9或第二端盖7-15上；壳体7-12和第一管端板7-10、第二管端板7-14构成密封腔且该密封腔分别与壳体7-12上设置的气体制冷剂出口7-1、气液混合制冷剂进口7-2、液体制冷剂出口7-3和气体制冷剂进口7-4相连通。气液分离与再冷器7上的气体制冷剂出口7-1通过管路与制冷压缩机1上的吸气口1-2相连通，制冷压缩机1上的排气口1-1通过管路与冷凝器2上的制冷剂进口2-1相连通，冷凝器2上的制冷剂出口2-2通过管路依次与干燥过滤器3、制冷剂液体管路电磁阀4、膨胀阀5相连通，膨胀阀5的出口通过管路与气液分离与再冷器7上的气液混合制冷剂进口7-2相连通，气液分离与再冷器7上的液体制冷剂出口7-3通过管路与制冷剂循环泵8相连通，制冷剂循环泵8的出口端通过管路与液体制冷剂集管10的入口相连通，液体制冷剂集管10的出口与冷却基板9的入口相连通，冷却基板9的出口与气体制冷剂集管11的入口相连通，气体制冷剂集管11的出口与气液分离与再冷器7上的气体制冷剂进口7-4相连通；冷凝器2上的冷却介质进口2-4处设有冷却介质管25，冷却介质管25上设有三通调节阀12和温度检测装置24，温度检测装置24位于三通调节阀12的进入端口12-1处的冷却介质管25上，三通调节阀12的排出端口12-2通过冷却介质管25与气液分离与再冷器7上的冷却介质进口7-6相连通，气液分离与再冷器7上的冷却介质出口7-5通过冷却介质管25与冷凝器2上的冷却介质进口2-4相连通且冷凝器2上的冷却介质进口2-4通过冷却介质管25与三通调节阀12的旁通端口12-3相连通。另外制冷压缩机1上的冷却接口1-3通过管路与干燥过滤器3的出口端和制冷剂液体管路电磁阀4的进口端之间的管路相连通，制冷压缩机1的冷却接口1-3处的管路上设有冷却电磁阀6；为了更高效率地获取自然环境所具有的冷量，在气液分离与再冷器7内设有喷淋器7-18，喷淋器7-18设置在挡液板7-13的上方且喷淋器7-18通过壳体7-12上的喷淋接口7-17与喷淋管28相连通，喷淋管28的另一端与液体制冷剂出口7-3处的管道相连通且喷淋管28上设有喷淋泵19和喷淋控制阀20，喷淋控制阀20位于喷淋泵19和喷淋接口7-17之间的喷淋管28上。另外为了有效监控该冷却装置，在气液分离与再冷器7上设有液位传感器13，液位传感器13用于检测气液分离和再冷器7内液体制冷剂的液位高度，根据检测结果，控制膨胀阀5的开度，当液位高度较低时，增大膨胀阀5的开度，让更多的制冷剂进入气液分离和再冷器7内，当液位高度较高时，则减小膨胀阀5的开度，减少制冷剂的进入；在气液分离与再冷器7处还设有压力传感器22，压力传感器22设置在气液分离与再冷器7上或连通气液分离与再冷器7和制冷压缩机1的管道上，压力检测装置22根据压力检测结果，调节制冷压缩机1的输出制冷量，当压力较高时，提高制冷压缩机1的输出制冷量，而当压力降低时，则减小制冷压缩机1的输出制冷量，或者关闭制冷压缩机1的运行。

如图7-9所示，本发明的复合型蒸发式冷却装置的结构形态可以是单机组模式的，也可以是模块化组合方式的，模块化组合方式，是每一个模块单元除了包括了以上所述的各个部件之外，还包括了模块之间用于互相连接的部件，用于互相连接的部件包括液体制冷剂均流管14、液体制冷剂分配集管15、气体制冷剂回气汇集管16、冷却介质进入端汇集管17和冷却介质排出端汇集管18，液体制冷剂均流管14设置在液体制冷剂出口7-3与制冷剂循环泵8之间的管路上、液体制冷剂分配集管15设置在制冷剂循环泵8与液体制冷剂集管10之间的管路上、气体制冷剂回气汇集管16设置在气体制冷剂集管11与气体制冷剂进口7-4之间的管路上、冷却介质进入端汇集管17设置在冷却介质管25的进口处、冷却介质排出端汇集管18设置在冷凝器2上的冷却介质出口2-3处；加入液体制冷剂均流管14、液体制冷剂分配集管15、气体制冷剂回气汇集管16、冷却介质进入端汇集管17和冷却介质排出端汇集管18等连接结构的复合型蒸发式冷却装置构成了一个能够相互组合的复合型蒸发式冷却装置模块单元。该复合型蒸发式冷却装置模块单元既可以独立使用，也可以将一个以上的复合型蒸发式冷却装置模块单元通过管道连接器23互相连接起来，成为一个由复合型蒸发式冷却装置模块单元组成的模块化机组使用，从而成为一个制冷能力更大的、并且是互为备用和可扩展的组合体。这个组合体由电脑控制器26和通讯线路27组成的系统控制，根据计算机设备的负荷变化自动调节，并具有故障时冗余备用能力。复合型蒸发式冷却装置模块单元的基本工作原理图如图7-8所示，图9则为复合型蒸发式冷却装置模块单元的组合结构示意图。

本发明采用的制冷压缩机1采用磁悬浮无油离心式压缩机，由于磁悬浮无油离心式制冷压缩机不需要润滑油润滑，因此，可以将纯净的制冷剂输送到计算机设备中，而不必忧虑润滑油是否会对计算机设备造成污染，以及润滑油是否能够回到压缩机中。此外，磁悬浮无油离心式压缩机具有变速驱动的功能，可以高效率地根据负荷的变化和外界环境条件的变化，改变压缩机的转速。而压缩机转速的改变，意味着压缩机的输出制冷量和运行工况与实际条件的变化保持高度的一致，从而大大提高全年制冷运行的效率。另外在制冷压缩机1处设有负载平衡阀21，平衡阀21分别与制冷压缩机1的排气口1-1和吸气口1-2相连通，当制冷压缩机1的输出负载比较低时，负载平衡阀21打开，制冷压缩机1的部分排气由负载平衡阀21的进口进入，经过负载平衡阀21的调节控制，再由负载平衡阀21的出口流出，进入制冷压缩机1的吸气口1-2。

如图1-3所示，本发明的复合型蒸发式冷却装置使用时，从制冷压缩机1的吸气口1-2进入制冷压缩机1的气体制冷剂，被制冷压缩机1压缩成为温度较高的高压气体制冷剂，高压气体制冷剂由制冷压缩机1的排气口1-1排出，通过冷凝器2的制冷剂进口2-1进入冷凝器2的制冷剂通道中，冷却介质通过冷却介质管25从三通调节阀12的进入端口12-1进入，通过三通调节阀12的分配，由冷凝器2的冷却介质进口2-4进入冷凝器2的冷却介质通道中，在冷凝器2内，高压的制冷剂释放热量后冷凝成为高压的液体制冷剂，高压的液体制冷剂由冷凝器2的制冷剂排出口2-2排出，而冷却介质吸收了制冷剂释放的热量后温度被提高，由冷凝器2的冷却介质出口2-3排出；由冷凝器2排出的高压液体制冷剂从干燥过滤器3的进口进入干燥过滤器3，在干燥过滤器3中干燥过滤以消除微量的水分，再由干燥过滤器3的出口排出，排出的液体制冷剂被分成两部分，一部分经过压缩机冷却电磁阀6，由制冷压缩机1的冷却接口1-3进入到制冷压缩机1中，该部分液体制冷剂吸收制冷压缩机1内部电动机和电气元件工作时产生的热量，蒸发成为气体制冷剂后被制冷压缩机1再次压缩，而干燥过滤器3排出的另外一部分液体制冷剂则通过电磁阀4进入膨胀阀5，并在膨胀阀5内膨胀节流，呈现低温低压的气体和液体混合状态，再从膨胀阀5的出口排出，由膨胀阀5排出的制冷剂通过气液分离和再冷器7上的气液混合制冷剂进口7-2进入到气液分离和再冷器7内；从膨胀阀5进入气液分离和再冷器7内的气液混合状态的制冷剂在气液分离和再冷器7内发生气体和液体的分离，其中液体状态的制冷剂流向气液分离和再冷器7的液腔，而气体状态的制冷剂则流向气液分离和再冷器7的气腔，在气液分离和再冷器7内，液体制冷剂由液体制冷剂出口7-3流出，经制冷剂循环泵8提升液体制冷剂的压力后被输送到大型设备中，首先该液体制冷剂被输送至大型设备的液体制冷剂集管10中，经由液体制冷剂集管10分别到不同的冷却基板9内，在冷却基板9的内部有用于液体制冷剂流动的微通道，冷却基板9上的集成电路板将工作时产生的热量通过冷却基板9的导热，传递给在微通道内流动的液体制冷剂，液体制冷剂吸收热量后蒸发成为气体制冷剂，进入大型设备的气体制冷剂集管11，再由气体集管11的出口流出大型设备；流出计算机设备的气体制冷剂，再由气液分离和再冷器7的气体制冷剂进口7-4，回到上述的复合型蒸发式冷却装置，由气液分离和再冷器7的气体制冷剂进口7-4进入气液分离和再冷器7的气体制冷剂，部分可能没有完全气化蒸发的液体制冷剂被分离出来，进入气液分离和再冷器7的液腔，再次加入输送往计算机设备的循环，而被分离出来的气体制冷剂则和存在于气液分离和再冷器7内的其他气体制冷剂一起，由气体制冷剂出口7-1排出，经过制冷压缩机1的吸气口1-2进入制冷压缩机1内，再次被制冷压缩机1压缩，从而完成一次制冷剂对设备蒸发冷却的循环。在气液分离和再冷器7内的换热过程可总结为：气体制冷剂由气体制冷剂入口7-4、气体和液体混合状态的制冷剂由气液混合制冷剂入口7-2分别进入制冷剂通道，在制冷剂通道内，气体制冷剂和液体制冷剂被分离，气体制冷剂被在冷凝换热管7-11内的温度较低的冷却介质冷却，由气体状态冷凝成为液体状态，冷凝热量则通过冷凝换热管7-11的热传导释放给冷却介质；而从气液混合制冷剂入口7-2进入的气液混合制冷剂中被分离出来的液体制冷剂，以及以上由气体冷凝成为液体的制冷剂，被在液体制冷剂再冷换热管7-16内温度较低的冷却介质冷却，液体制冷剂的温度降低，再由液体制冷剂出口7-3排出。

当温度检测装置24检测到进入三通调节阀12上的进入端口12-1的冷却介质的温度，高于由气液分离和再冷器7的液体制冷剂出口7-3排出的液体制冷剂温度时，三通调节阀12的进入端口12-1和旁通端口12-3之间的通道将导通，而进入端口12-1和排出端口12-2之间的通道将关闭，此时冷却介质将不进入气液分离和再冷器7，而是直接通过冷凝器2上的冷却介质进口2-4进入冷凝器2内，在冷凝器2内吸收热量后由冷凝器2上的冷却介质出口2-3排出冷凝器2；当温度检测装置24检测到进入三通调节阀12上的进入端口12-1的冷却介质的温度，低于由气液分离和再冷器7的液体制冷剂出口7-3排出的液体制冷剂温度时，三通调节阀12的进入端口12-1和旁通端口12-3之间的通道将关闭，而进入端口12-1和排出端口12-2之间的通道将导通，此时，冷却介质首先由气液分离和再冷器7上的冷却介质进口7-6进入再冷换热管7-16和冷凝换热管7-11内，通过热传导吸收制冷剂通道内制冷剂的热量，再从气液分离和再冷器7上的冷却介质出口7-5排出气液分离和再冷器7，接着通过冷凝器2上的冷却介质进口2-4进入冷凝器2内，在冷凝器2内继续吸收热量后，由冷凝器2上的冷却介质出口2-3排出冷凝器2。

为进一步提升该复合型蒸发式冷却装置的性能，在气液分离和再冷器7内设有喷淋器7-18。使用时，当温度检测装置24检测到进入三通调节阀12上的进入端口12-1的冷却介质的温度，低于由气液分离和再冷器7的液体制冷剂出口7-3排出的液体制冷剂温度时，关闭制冷压缩机1的运行，打开喷淋控制阀20并启动喷淋泵19运行，一部分由气液分离和再冷器7中的液体制冷剂出口7-3排出的液体制冷剂，通过喷淋泵19和喷淋控制阀20后从气液分离和再冷器7的喷淋接口7-17进入喷淋器7-18内，气液分离与再冷器7内的过冷状态的液体制冷剂，被喷淋器7-18均匀布洒成为下落的液滴状态，使液体制冷剂与气体状态的制冷剂有更大的接触面积，由于过冷的液体制冷剂温度低于气体制冷剂的饱和温度，因此液体制冷剂在下落的过程中，会吸收一部分与其接触到的气体制冷剂的热量，而将其冷凝成为液体，这样不仅气液分离与再冷器7内的冷凝换热管7-11可以将气体制冷剂冷凝成为液体，喷淋器7-18喷洒的液体制冷剂也加入了对气体制冷剂的冷凝过程，因而提高了可以完全利用自然环境冷量所需要的冷却介质的进入温度。

当该复合型蒸发式冷却装置需要组合使用时，各个复合型蒸发式冷却装置模块单元上的液体制冷剂均流管14、液体制冷剂分配集管15、气体制冷剂回气汇集管16、冷却介质进入端汇集管17和冷却介质排出端汇集管18之间通过管道连接器23相连接即可形成制冷剂和冷却介质流动的通道。例如：第一个模块单元的冷却介质入口端汇集管17上的连接口和第二个模块单元的冷却介质入口端集管17上的连接口通过管道连接器23相连，第二个模块单元的冷却介质入口端集管17上的连接口和第三个模块单元的的冷却介质入口端集管17上的连接口通过管道连接器23相连，其余的模块单元都以相同的方法依次连接，这些依次相连的冷却介质入口端集管17，成为冷却介质进入组合体中复合型蒸发式冷却装置的公共通道；第一个模块单元的冷却介质排出端汇集管18上的连接口和第二个模块单元的冷却介质排出端汇集管18上的连接口通过管道连接器23相连，第二个模块单元的冷却介质排出端汇集管18上的连接口和第三个模块单元的的冷却介质排出端汇集管18上的连接口通过管道连接器23相连，其余的模块单元都以相同的方法依次连接，这些依次相连的冷却介质排出端汇集管18，成为冷却介质离开组合体中复合型蒸发式冷却装置的公共通道；第一个模块单元的液体制冷剂均流管14上的连接口和第二个模块单元的液体制冷剂均流管14上的连接口通过管道连接器23相连，第二个模块单元的液体制冷剂均流管14上的连接口和第三个模块单元的的液体制冷剂均流管14上的连接口通过管道连接器23相连，其余的模块单元都以相同的方法依次连接，这些依次相连的液体制冷剂均流管14，各个复合型蒸发式冷却装置之间平衡制冷剂的通道；第一个模块单元的液体制冷剂分配集管15上的连接口和第二个模块单元的液体制冷剂分配集管15上的连接口通过管道连接器23相连，第二个模块单元的液体制冷剂分配集管15上的连接口和第三个模块单元的的液体制冷剂分配集管15上的连接口通过管道连接器23相连，其余的模块单元都以相同的方法依次连接，这些依次相连的液体制冷剂分配集管15，成为液体制冷剂流出各个复合型蒸发式冷却装置的公共通道；第一个模块单元的气体制冷剂回气汇集管16上的连接口和第二个模块单元的气体制冷剂回气汇集管16上的连接口通过管道连接器23相连，第二个模块单元的气体制冷剂回气汇集管16上的连接口和第三个模块单元的的气体制冷剂回气汇集管16上的连接口通过管道连接器23相连，其余的模块单元都以相同的方法依次连接，这些依次相连的气体制冷剂回气汇集管16，成为气体制冷剂流回各个复合型蒸发式冷却装置的公共通道。在上述的组合体中，每个复合型蒸发式冷却装置内都设有一个电脑控制器26，当多个复合型蒸发式冷却装置模块单元组合在一起时，每一个模块单元上的电脑控制器26通过通讯线27互相连接，组成了一个控制网络，在所有的复合型蒸发式冷却装置模块单元中，任意一个模块单元上的电脑控制器26都可以成为控制网络中的主控制器，主控制器可以根据大型设备的发热量、复合型蒸发式冷却装置模块单元存在故障的情况，让各个复合型蒸发式冷却装置模块单元投入、退出或轮换运行。

本发明的复合型蒸发式冷却装置通过制冷压缩机1吸入气体制冷剂并对其进行压缩，使其成为温度较高的高压气体制冷剂，这部分高压气体制冷剂进入冷凝器2，冷凝成为液体状态的制冷剂，再通过膨胀阀5节流，成为温度较低的气液混合制冷剂进入气液分离和再冷器7中，气液分离和再冷器7对气体制冷剂和液体制冷剂进行分离，其中液体制冷剂通过制冷剂循环泵8输送到待冷却的大型设备中，再由待冷却的大型设备内的分配装置将液体制冷剂分配到每一个结合了集成电路板的冷却基板9中，而进入冷却基板9的液体制冷剂吸收集成电路板散发的热量，蒸发成为气体制冷剂流出冷却基板9，并在汇集后再次回到复合型蒸发式冷却装置的气液分离和再冷器7中；在气液分离和再冷器7内，一部分可能没有完全蒸发完的还是液体状态的制冷剂被分离出来，与气液分离和再冷器7内的其他液体制冷剂汇聚，继续加入供给大型设备冷却的循环，而被分离出来的气体制冷剂，连同气液分离和再冷器7内的其他气体状态的制冷剂一起被制冷压缩机1吸入，开始了下一个循环；在冷凝器2中，通常由别的冷却介质（比如水或空气）来对制冷压缩机1排出的温度较高的高压气体制冷剂进行冷凝，冷却介质携带了由大型设备内传递出来的热量，通过另一个装置排除到其他地方。以水作为冷却介质为例，从冷凝器2出来的冷却介质水，会被输送到冷却塔或类似的设备中，通过冷却塔，将热量发散到大气环境中。 

对于地球的高纬度地区的冬季或春秋过渡季节，由于环境温度比较低，甚至低于输送往待冷却的大型设备的液体制冷剂的温度，在这种情况下，完全可以利用环境自然存在的冷源来对待冷却的大型设备进行冷却。因此，在本发明装置中，一个温度检测装置24用来检测冷却介质的进入温度与输送往待冷却的大型设备内的液体制冷剂之间的温度差，如果冷却介质的进入温度比输送往待冷却的大型设备的液体制冷剂温度低至一定的程度，此时，将会打开三通调节阀12上的进入端口12-1至排出端口12-2的通道，同时关闭进入端口12-1至旁通端口12-3的通道，因此冷却介质先进入气液分离和再冷器7中，对气液分离和再冷器7内的制冷剂进行冷却，在这个过程中，液体状态的制冷剂被过冷，而气体状态的制冷剂则被冷凝成为液体。由于有这一部分来源于自然环境的冷量的加入，因此制冷压缩机1可以降低输出制冷量，当冷却介质的温度足够低时，甚至完全由自然环境冷量来替代压缩机1制冷，从而大大节省制冷的消耗电力。在这一过程中，气液分离与再冷器7不仅具有气液分离的作用，还有利用自然环境冷源，对制冷剂进行自然冷却制冷的作用。喷淋器7-18、喷淋泵19和喷淋控制阀20的使用进一步提高了获取自然环境所具有的冷量的效率。

本发明通过将制冷压缩机1、冷凝器2、干燥过滤器3、制冷剂液体管路电磁阀4、膨胀阀5、气液分离与再冷器7、制冷剂循环泵8和三通调节阀12构成一个复合型蒸发式冷却装置的基础结构，采用氟利昂作为液体制冷剂，液体制冷剂输送到大型设备的冷却基板9当中，在冷却基板9的微通道里，液体制冷剂吸收大型设备散发的热量，蒸发成为气体状态，气体状态的制冷剂回到制冷装置中，通过蒸汽压缩制冷循环或自然冷却循环，重新成为液体制冷剂，再被输送到大型设备中；由于氟利昂制冷剂是不导电的介质并且在一个大气压下的沸点远低于常温，因此如发生氟利昂的泄漏则氟利昂会迅速蒸发成气体，而不会导致大型设备的电气短路，不会发生灾难性的事故和关键数据的丢失；另外制冷剂既是蒸汽压缩制冷循环的工作介质，同时也是冷却计算机设备的介质，因此整个冷却循环过程中，不需要像冷冻水的冷却方式一样，要在冷却装置和计算机设备之间进行二次换热，从而可以提高制冷装置的工作效率。例如如果计算机设备所需要的冷却介质进口温度为10℃，对于采用冷冻水冷却的方式，冷水机组必须提供给计算机设备的冷冻水的出水温度为10℃。而为了获得10℃的冷冻水，在冷水机组中的蒸发器内，蒸汽压缩制冷循环的蒸发温度就要为5℃左右，以保持一定的传热温差，此时制冷系统的效率就是在蒸发温度为5℃时的效率；而对于本发明的复合型蒸发式冷却装置，直接将饱和温度为10℃的制冷剂送入计算机设备的冷却基板9中，在计算机的冷却基板9内吸收热量直接蒸发成为气体，也就是说制冷循环的蒸发温度比采用冷水机组的方式提高了5℃左右，对于蒸汽压缩制冷循环来说，蒸发温度越高，制冷效率也就越高。另外制冷剂携带热量的能力依靠的是制冷剂由液体蒸发成为蒸汽的汽化潜热。以R134A制冷剂为例，每输送1kg的制冷剂，能够带走190kJ的热量，这相当于输送45kg的冷冻水，并让其温度升高5℃时，才能够带走的热量。因此，气化潜热方式可以携带的热能是显热方式可以携带的热能的数十倍，冷却同样的发热量，蒸发冷却方式所需要的制冷剂的流量远远小于冷冻水方式所需要水的流量，从而大大减少泵的输送功率，提高系统的效率。

本发明的复合型蒸发式冷却装置在上述结构的基础上，通过磁悬浮无油离心式制冷压缩机的应用，相对于传统的冷水机组对计算机设备进行冷却的方式，不仅大大提高了大型计算机中心和数据中心的安全性，而且全年可以节省电力消耗20%以上；另外该复合型蒸发式冷却装置可利用大自然的天然冷源来进行制冷，从而极大地减少传统热力循环制冷方式所消耗的大量的能量，达到节能降耗的目的；且该复合型蒸发式冷却装置不仅可以利用空气干球温度变化所具有的自然冷源，还可以利用空气湿球温度变化的自然冷源，大大扩展了自然冷却制冷的运行范围。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，包括制冷压缩机（1）、冷凝器（2）、干燥过滤器（3）、制冷剂液体管路电磁阀（4）、膨胀阀（5）、气液分离与再冷器（7）、制冷剂循环泵（8）和三通调节阀（12），其特征在于所述的气液分离与再冷器（7）上的气体制冷剂出口（7-1）通过管路与制冷压缩机（1）上的吸气口（1-2）相连通，制冷压缩机（1）上的排气口（1-1）通过管路与冷凝器（2）上的制冷剂进口（2-1）相连通，冷凝器（2）上的制冷剂出口（2-2）通过管路依次与干燥过滤器（3）、制冷剂液体管路电磁阀（4）、膨胀阀（5）相连通，膨胀阀（5）的出口通过管路与气液分离与再冷器（7）上的气液混合制冷剂进口（7-2）相连通，气液分离与再冷器（7）上的液体制冷剂出口（7-3）通过管路与制冷剂循环泵（8）相连通，制冷剂循环泵（8）的出口端通过管路与液体制冷剂集管（10）的入口相连通，液体制冷剂集管（10）的出口与冷却基板（9）的入口相连通，冷却基板（9）的出口与气体制冷剂集管（11）的入口相连通，气体制冷剂集管（11）的出口与气液分离与再冷器（7）上的气体制冷剂进口（7-4）相连通；所述的冷凝器（2）上的冷却介质进口（2-4）处设有冷却介质管（25），冷却介质管（25）上设有三通调节阀（12）和温度检测装置（24），温度检测装置（24）位于三通调节阀（12）的进入端口（12-1）处的冷却介质管（25）上，三通调节阀（12）的排出端口（12-2）通过冷却介质管（25）与气液分离与再冷器（7）上的冷却介质进口（7-6）相连通，气液分离与再冷器（7）上的冷却介质出口（7-5）通过冷却介质管（25）与冷凝器（2）上的冷却介质进口（2-4）相连通且冷凝器（2）上的冷却介质进口（2-4）通过冷却介质管（25）与三通调节阀（12）的旁通端口（12-3）相连通。

2.根据权利要求1所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述制冷压缩机（1）上的冷却接口（1-3）通过管路与干燥过滤器（3）的出口端和制冷剂液体管路电磁阀（4）的进口端之间的管路相连通，制冷压缩机（1）的冷却接口（1-3）处的管路上设有冷却电磁阀（6）。

3.根据权利要求1所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的气液分离与再冷器（7）包括第一端盖（7-9）、第一管端板（7-10）、冷凝换热管（7-11）、壳体（7-12）、挡液板（7-13）、第二管端板（7-14）、第二端盖（7-15）和再冷换热管（7-16），壳体（7-12）的两端分别设有第一管端板（7-10）和第二管端板（7-14），第一管端板（7-10）和第二管端板（7-14）的外侧分别设有用于密封的第一端盖（7-9）和第二端盖（7-15），冷凝换热管（7-11）和再冷换热管（7-16）的两端分别设置在第一管端板（7-10）和第二管端板（7-14）上且冷凝换热管（7-11）位于再冷换热管（7-16）的上方，挡液板（7-13）位于冷凝换热管（7-11）的上方。

4.根据权利要求3所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的第一端盖（7-9）和第二端盖（7-15）分别与第一管端板（7-10）和第二管端板（7-14）构成冷却介质腔（7-7），该冷却介质腔（7-7）皆与冷凝换热管（7-11）和再冷换热管（7-16）相连通且第一端盖（7-9）或第二端盖（7-15）上设有与冷却介质腔（7-7）相连通的冷却介质出口（7-5）和冷却介质进口（7-6）；所述的气体制冷剂出口（7-1）、气液混合制冷剂进口（7-2）、液体制冷剂出口（7-3）和气体制冷剂进口（7-4）皆设置在壳体（7-12）上，且气体制冷剂出口（7-1）、气液混合制冷剂进口（7-2）、液体制冷剂出口（7-3）和气体制冷剂进口（7-4）皆与壳体（7-12）和第一管端板（7-10）、第二管端板（7-14）构成的密封腔相连通。

5.根据权利要求4所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的冷却介质腔（7-7）内设有隔板（7-8），冷却介质出口（7-5）和冷却介质进口（7-6）分别设置在隔板（7-8）上侧和下侧的第一端盖（7-9）或第二端盖（7-15）上。

6.根据权利要求3所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的气液分离与再冷器（7）内设有喷淋器（7-18），喷淋器（7-18）设置在挡液板（7-13）的上方且喷淋器（7-18）通过壳体（7-12）上的喷淋接口（7-17）与喷淋管（28）相连通，喷淋管（28）的另一端与液体制冷剂出口（7-3）处的管道相连通且喷淋管（28）上设有喷淋泵（19）和喷淋控制阀（20），喷淋控制阀（20）位于喷淋泵（19）和喷淋接口（7-17）之间的喷淋管（28）上。

7.根据权利要求1或3所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的气液分离与再冷器（7）处设有压力传感器（22），压力传感器（22）设置在气液分离与再冷器（7）上或连通气液分离与再冷器（7）和制冷压缩机（1）的管道上。

8.根据权利要求1或3所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的气液分离与再冷器（7）上设有液位传感器（13）。

9.根据权利要求1所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的制冷压缩机（1）采用磁悬浮无油离心式压缩机，且所述的制冷压缩机（1）处设有负载平衡阀（21），平衡阀（21）分别与制冷压缩机(1)的排气口(1-1)和吸气口(1-2)相连通。

10.根据权利要求1所述的用于大型设备的带有自然冷却功能的复合型蒸发式冷却装置，其特征在于所述的液体制冷剂出口（7-3）与制冷剂循环泵（8）之间的管路上设有液体制冷剂均流管（14），制冷剂循环泵（8）与液体制冷剂集管（10）之间的管路上设有液体制冷剂分配集管（15），气体制冷剂集管（11）与气体制冷剂进口（7-4）之间的管路上设有气体制冷剂回气汇集管（16）；所述冷却介质管（25）的进口处设有冷却介质进入端汇集管（17），冷凝器（2）上的冷却介质出口（2-3）处的管路与冷却介质排出端汇集管（18）相连通。

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