CN106382694A - 一种基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，包括制冷剂回路、回油回路及冷却水回路。本发明采取制冷剂直接输送至服务器，利用服务器上所设置的蒸发器，由制冷剂直接蒸发冷却服务器，相比常规通过送风冷却的机房空调系统，具有散热功率大、效率高，体积小等优点。相比常规制冷剂蒸发冷却空调系统，本发明的机房空调系统通过设置低压循环桶并通过第一变频磁力泵实现全部液体直接输送至蒸发器，从而具有蒸发器中制冷剂压降小，压缩机回气温度低，换热系统大等优点，并通过设置回油回路创造性的解决了系统的回油问题，使得系统具有综合能效高的特点。

Description

一种基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统

技术领域

本发明涉及一种实现高效节能效益的数据中心机房空调系统，属于制冷、空调系统设计和制造的技术领域。

背景技术

随着我国计算机和通讯行业的蓬勃发展，尤其是“云计算”理念的兴起，大型经营性数据机房快速增长。服务器机房内部通信设备多，发热量大，每平方米发热量达几千瓦甚至十几千瓦。为了维持机房所需的温湿度要求，服务器机房通常要求空调系统进行全年供冷，为此消耗了大量的能源。数据中心高速发展和其高能耗的特点已被社会高度关注，对其进行节能改造或建造低能耗的数据中心对于节能降耗工作具有重大的意义。服务器机房的能耗主要由服务器设备能耗、空调系统能耗和电源系统能耗三部分组成，其中空调系统能耗占机房总能耗的37%，有的甚至接近45%，据统计显示，我国有近33%的机房曾因空调制冷系统问题出现过宕机现象。因此有效的解决服务器散热、提高空调系统能效，同时保证系统的安全运行，对服务器机房的正常运行以及降低能耗有着重大意义。

目前绝大多数服务器机房空调系统都是采取借助冷风的手段，对服务器进行散热，保障服务器的正常运行，而常规通过冷风散热存在散热密度较小，风机能耗较大等问题，因此将制冷剂直接送至服务器，在服务器中通过制冷剂蒸发带走服务器所产生的热量，具有散热功率大、效率高，体积小等优点，但常规的做法是将服务器中设置一小型蒸发器，制冷剂通过节流后进入蒸发器进行蒸发吸热，但因制冷剂经节流阀节流后，变为气液两相，经过较长的输送管道由主机到底服务器的蒸发器时，因管道太长，使得制冷剂的压降较大，蒸发温度降低，压缩机回气过热度增大，机组的效率难以提高，同时进入蒸发器中的制冷剂为气液两相，在蒸发器中蒸发换热时，因为气相的存在，影响了蒸发器的换热系数，使得蒸发器的面积没能充分利用。

因此，如何解决常规利用冷风散热的机房空调系统散热密度小，风机能耗大，普通利用制冷剂蒸发散热的机房空调系统存在的蒸发压降大，回气温度高以及由于以气液两相进入蒸发器导致的蒸发器换热系数较低，蒸发器换热面积得不到充分利用等问题，设计出一种新型高效的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种解决常规利用冷风散热的机房空调系统散热密度小，风机能耗大，普通利用制冷剂蒸发散热的机房空调系统存在的蒸发压降大，回气温度高以及由于以气液两相进入蒸发器导致的蒸发器换热系数较低，蒸发器换热面积得不到充分利用等问题的新型高效的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统。

技术方案：本发明的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，包括制冷剂回路、回油回路和冷却水回路三部分：

所述制冷剂回路包括压缩机，冷凝器，第一过冷器，第二过冷器，节流阀，低压循环桶，第一变频磁力泵，第一调节阀，第二调节阀，第三调节阀，第四调节阀，第一蒸发器，第二蒸发器，第三蒸发器，第四蒸发器，第一电磁阀，第二电磁阀及其相关连接管道，压缩机、低压循环桶、第一过冷器同时也是回油回路的部件，第二过冷器、冷凝器同时也是冷却水回路的部件；

所述制冷剂回路中，压缩机输出端与冷凝器制冷剂输入端连接，冷凝器制冷剂第一输出端与第一过冷器第一输入端连接，冷凝器制冷剂第二输出端通过第一电磁阀与第一变频磁力泵的输入端连接，第一过冷器第一输出端与第二过冷器第一输入端连接，第二过冷器第一输出端经过节流阀与低压循环桶第一输入端连接，低压循环桶第一输出端与压缩机第一输入端连接，低压循环桶第二输出端与第二电磁阀、第一变频磁力泵依次连接，第一变频磁力泵的输出端分成多路，一路通过第一调节阀与第一蒸发器的输入端连接，一路通过第二调节阀与第二蒸发器的输入端连接，一路通过第三调节阀与第三蒸发器的输入端连接，一路通过第四调节阀与第四蒸发器的输入端连接，第一蒸发器的输出端、第二蒸发器的输出端、第三蒸发器的输出端和第四蒸发器的输出端汇合后与低压循环桶第二输入端连接。

回油回路包括低压循环桶、第五调节阀，第二变频磁力泵，第一过冷器，第六调节阀，压缩机及其相关连接管道。回油回路中，低压循环桶第三输出端通过第五调节阀接第二变频磁力泵的输入端，第二变频磁力泵的输出端接第一过冷器第二输入端，第一过冷器第二输出端通过第六调节阀接压缩机第二输入端。在第一过冷器第二输出端与第六调节阀之间的管路上装有第二压力传感器、温度传感器。

冷却水回路部分包括冷凝器、变频冷却水泵、冷却塔、第二过冷器、第七调节阀及相关连接管道，冷却塔输出端经过变频冷却水泵后分为两路，一路与冷凝器冷却水输入端连接，冷凝器冷却水输出端与冷却塔输入端连接；另一路经过第七调节阀与第二过冷器第二输入端连接，第二过冷器第二输出端与冷却塔输入端连接。

进一步的，本发明中，所述低压循环桶上安装有用于测量制冷剂液位、密度、气体压力的密度传感器、液位传感器和第一压力传感器。

进一步的，本发明中，压缩机为具有中间补气功能的螺杆压缩机或涡旋压缩机。

进一步的，本发明中，通过第二变频磁力泵的频率调节实现对低压循环桶中的富油层制冷剂量的控制。

进一步的，本发明中，通过变频冷却水泵的频率调节实现对冷凝器中冷凝负荷变化的适应以及对冷凝温度的控制。

有益效果：本发明相对于常规机房空调系统，具有以下优点：

本发明提出的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，采取制冷剂直接输送至服务器，利用服务器上所设置的蒸发器，由制冷剂直接蒸发冷却服务器，相比常规通过送风冷却的机房空调系统，具有散热功率大、效率高，体积小等优点。相比常规制冷剂蒸发冷却空调系统中因管道太长，使得蒸发器中制冷剂的压降较大，蒸发温度降低，压缩机回气过热度增大，机组的效率较低以及因制冷剂是以气液两相进入蒸发器导致蒸发器换热系数因气相制冷剂存在而下降的不足，本发明的机房空调系统通过设置低压循环桶并通过第一变频磁力泵实现全部液体直接输送至蒸发器，从而具有蒸发器中制冷剂压降小，压缩机回气温度低，换热系统大等优点，并通过设置回油回路创造性的解决了系统的回油问题，使得系统具有综合能效高的特点。

附图说明

图1是本发明空调系统示意图。

图中有：压缩机1，压缩机第一输入端1a，压缩机输出端1b，压缩机第二输入端1c，冷凝器2，冷凝器制冷剂输入端2a，冷凝器制冷剂第一输出端2b，冷凝器制冷剂第二输出端2c，冷凝器冷却水输入端2d，冷凝器冷却水输出端2e，第一过冷器3，第一过冷器第一输入端3a，第一过冷器第一输出端3b，第一过冷器第二输入端3c，第一过冷器第二输出端3d，第二过冷器4，第二过冷器第一输入端4a，第二过冷器第一输出端4b，第二过冷器第二输入端4c，第二过冷器第二输出端4d，节流阀5，低压循环桶6，低压循环桶第一输入端6a，低压循环桶第一输出端6b，低压循环桶第二输入端6c，低压循环桶第二输出端6d，低压循环桶第三输出端6e，第一变频磁力泵7，第一调节阀8，第二调节阀9，第三调节阀10，第四调节阀11，第一蒸发器12、第二蒸发器13，第三蒸发器14，第四蒸发器15，第五调节阀16，第二变频磁力泵17，密度传感器18，液位传感器19，第一压力传感器20，第二压力传感器21，温度传感器22，第六调节阀23，第七调节阀24，变频冷却水泵25，冷却塔26，冷却塔输入端26a，冷却塔输出端26b，第一电磁阀27，第二电磁阀28。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明一种基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统包括制冷剂回路、回油回路和冷却水回路。制冷剂回路连接方法是：压缩机输出端1b与冷凝器制冷剂输入端2a连接，冷凝器制冷剂第一输出端2b与第一过冷器第一输入端3a连接，冷凝器制冷剂第二输出端2c通过第一电磁阀27与第一变频磁力泵7的输入端连接，第一过冷器第一输出端3b与第二过冷器第一输入端4a连接，第二过冷器第一输出端4b经过节流阀5与低压循环桶第一输入端6a连接，低压循环桶第一输出端6b与压缩机第一输入端1a连接，低压循环桶第二输出端6d与第二电磁阀28、第一变频磁力泵7依次连接，第一变频磁力泵7的输出端分成多路，一路通过第一调节阀8与第一蒸发器12的输入端连接，一路通过第二调节阀9与第二蒸发器13的输入端连接，一路通过第三调节阀10与第三蒸发器14的输入端连接，一路通过第四调节阀11与第四蒸发器15的输入端连接，第一蒸发器12的输出端、第二蒸发器13的输出端、第三蒸发器14的输出端和第四蒸发器15的输出端汇合后与低压循环桶第二输入端6c连接。

低压循环桶第三输出端6e通过第五调节阀16接第二变频磁力泵17的输入端，第二变频磁力泵17的输出端接第一过冷器第二输入端3c，第一过冷器第二输出端3d通过第六调节阀23接压缩机第二输入端1c。在第一过冷器第二输出端3d与第六调节阀23之间装有的第二压力传感器21、温度传感器22。

冷却塔输出端26b经过变频冷却水泵25后分为两路，一路与冷凝器冷却水输入端2d连接，冷凝器冷却水输出端2e与冷却塔输入端26a连接；另一路经过第七调节阀24与第二过冷器第二输入端4c连接，第二过冷器第二输出端4d与冷却塔输入端26a连接。

液位传感器19安装在低压循环桶6的侧面，用于测量制冷剂的液位，密度传感器18安装在低压循环桶6的目标液位所处的高度位置，用于测量所在位置液体的密度，第一压力传感器20安装在低压循环桶6的正上部，测量低压循环桶6内的压力。

夏季运行时，制冷剂回路中，高温高压的制冷剂由压缩机1排出，进入冷凝器2中与冷却水换热冷凝，放出热量冷凝成低温高压液体，低温高压制冷剂液体从冷凝器2流出后（此时第一电磁阀27关闭），进入第一过冷器3，制冷剂温度降低实现过冷后，从第一过冷器3流出，进入第二过冷器4（此时第七调节阀24关闭，因冷却水温度较高，无法使制冷剂实现再次过冷，第二过冷器4不工作），制冷剂从第二过冷器4流出经过节流阀5节流后变成气液两相进入低压循环桶6，在低压循环桶6中制冷剂实现气液分离，制冷剂被分成三路：一路是液态制冷剂从低压循环桶第二输出端6d流出，经过第二电磁阀28，在第一变频磁力泵7中被加压，液态制冷剂从第一变频磁力泵7流出后分成四路，分别经过第一调节阀8进入第一蒸发器12；第二调节阀9进入第二蒸发器13；经过第三调节阀10进入第三蒸发器14及经过第四调节阀11进入第四蒸发器15，液态制冷剂分别在第一蒸发器12，第二蒸发器13，第三蒸发器14和第四蒸发器15中蒸发，吸收热量冷却服务器，制冷剂从各自蒸发器流出后汇总，从低压循环桶第二输入端6c进入低压循环桶6；一路是低压循环桶6中的气态制冷剂由低压循环桶第一输出端6b流出从压缩机第一输入端1a进入压缩机1压缩；另外一路（回油回路）是含有量较大的富油制冷剂从低压循环桶第三输出端6e流出，经过第五调节阀16、第二变频磁力泵17后进入第一过冷器3，富油的制冷剂在其中吸热蒸发，制冷剂完成蒸发后与油一道经过第六调节阀23经压缩机第二输入端1c进入压缩机1。冷却水回路中，冷却水从冷却塔输出端26b流出经过变频冷却水泵25后，经冷凝器冷却水输入端2d进入冷凝器2，在其中与制冷剂换热，吸收热量后从冷凝器2流出返回冷却塔26中。

当在冬季运行且室外气温不太低时，机组仍然运行制冷工况。此时，系统的制冷剂回路（第二过冷器4工作除外，此时可实现制冷剂在其中二次过冷）和回油回路与夏季运行保持一致，冷却水回路中，冷却水从冷却塔输出端26b流出后经过变频冷却水泵25，分成两路，一路冷却水经冷凝器冷却水输入端2d进入冷凝器2，在其中与制冷剂换热，吸收热量后从冷凝器2流出返回冷却塔26中；另一路冷却水经过第七调节阀24进入第二过冷器4，冷却水在其中与制冷剂换热，实现制冷剂二次过冷，冷却水吸收热量后从第二过冷器4流出，返回冷却塔26。

当冬季运行且室外气温比较低，系统中冷凝侧压力下降至某一值时，将会出现低压循环桶6的压力高于冷凝器2中的压力，此时运行第三种模式。可关闭第六电动阀24和第二电磁阀28，打开第一电磁阀27，节流阀5全开。此时，制冷剂回路中压缩机1将停止工作，制冷剂液体被第一变频磁力泵7吸入加压后从第一变频磁力泵7流出，流出后分成四路，分别经过第一调节阀8进入第一蒸发器12；第二调节阀9进入第二蒸发器13；经过第三调节阀10进入第三蒸发器14及经过第四调节阀11进入第四蒸发器15，液态制冷剂分别在第一蒸发器12，第二蒸发器13，第三蒸发器14和第四蒸发器15中蒸发，吸收热量冷却服务器，制冷剂从各自蒸发器流出后汇总，从低压循环桶第二输入端6c进入低压循环桶6；因此时各蒸发器中压力大于冷凝器2中的压力，吸热蒸发所产生的制冷剂气体进入低压循环桶6后，从低压循环桶第一输入端6a流出，经过节流阀5、第二过冷器4（因第七调节阀24关闭而不工作）、第一过冷器3（因回油回路停止工作，第一换热器3不进行热交换）后进入冷凝器2，制冷剂气体将在其中与冷却水换热，冷凝成液体，液态制冷剂从冷凝器制冷剂第二输出端2c流出，经过第一电磁阀27被第一变频磁力泵7吸入，如此循环，实现对服务器的冷却。此时机组的回油回路不工作，冷却水回路中运行如夏季模式。此第三种模式运行因不开启压缩机1，系统具有极高的运行能效。

在机组运行第一模式和第二模式时，系统通过控制节流阀5调节由液位传感器19所测得的低压循环桶6中的制冷剂液位，液体制冷剂与油混合后，其密度变小，因此在低压循环桶中上部的液体制冷剂为富油制冷剂，通过密度传感器可监测低压循环桶中上部液体制冷剂的富油层含量，并通过回油回路的工作保证低压循环桶中的润滑油能够回到压缩机中，保证机组的安全可靠运行，同时通过第六调节阀的控制可实现对第一过冷器中富油制冷剂蒸发温度的调节。机组中因为低压循环桶的作用，使得进入各蒸发器中的制冷剂全部为液体，且制冷剂从各蒸发器返回低压循环桶时为气液两相，从而提高了各蒸发器中的蒸发换热系数，同时各蒸发器面积得到充分利用，压缩机的回气过热度较低，使得系统的综合效率得到大大提高。

当机组运行第三模式时，此时机组相当于是运行一个分离式热管模式，压缩机停止运行，机组有极高的运行效率。

在三种运行模式中，第一变频磁力泵可通过频率的调节实现对各蒸发器中制冷剂液体量的控制，第二变频磁力泵可通过频率的调节实现对低压循环桶中的富油层制冷剂量的控制，保证压缩机的润滑。同样变频冷却水泵通过频率的调节实现对冷凝器中冷凝负荷变化的适应以及对冷凝温度的控制。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，其特征在于：该系统包括制冷剂回路、回油回路和冷却水回路；

所述制冷剂回路包括压缩机（1），冷凝器（2），第一过冷器（3），第二过冷器（4），节流阀（5），低压循环桶（6），第一变频磁力泵（7），第一调节阀（8），第二调节阀（9），第三调节阀（10），第四调节阀（11），第一蒸发器（12），第二蒸发器（13），第三蒸发器（14），第四蒸发器（15），第一电磁阀（27），第二电磁阀（28）及其相关连接管道，所述压缩机（1）、低压循环桶（6）、第一过冷器（3）同时也是回油回路的部件，所述第二过冷器（4）、冷凝器（2）同时也是冷却水回路的部件；

所述制冷剂回路中，压缩机输出端（1b）与冷凝器制冷剂输入端（2a）连接，冷凝器制冷剂第一输出端（2b）与第一过冷器第一输入端（3a）连接，冷凝器制冷剂第二输出端（2c）通过第一电磁阀（27）与第一变频磁力泵（7）的输入端连接，第一过冷器第一输出端（3b）与第二过冷器第一输入端（4a）连接，第二过冷器第一输出端（4b）经过节流阀（5）与低压循环桶第一输入端（6a）连接，低压循环桶第一输出端（6b）与压缩机第一输入端（1a）连接，低压循环桶第二输出端（6d）与第二电磁阀（28）、第一变频磁力泵（7）依次连接，第一变频磁力泵（7）的输出端分成多路，一路通过第一调节阀（8）与第一蒸发器（12）的输入端连接，一路通过第二调节阀（9）与第二蒸发器（13）的输入端连接，一路通过第三调节阀（10）与第三蒸发器（14）的输入端连接，一路通过第四调节阀（11）与第四蒸发器（15）的输入端连接，第一蒸发器（12）的输出端、第二蒸发器（13）的输出端、第三蒸发器（14）的输出端和第四蒸发器（15）的输出端汇合后与低压循环桶第二输入端（6c）连接；

所述回油回路包括低压循环桶（6）、第五调节阀（16），第二变频磁力泵（17），第一过冷器（3），第六调节阀（23），压缩机（1）及其相关连接管道；所述回油回路中，低压循环桶第三输出端（6e）通过第五调节阀（16）接第二变频磁力泵（17）的输入端，第二变频磁力泵（17）的输出端接第一过冷器第二输入端（3c），第一过冷器第二输出端（3d）通过第六调节阀（23）接压缩机第二输入端（1c），在第一过冷器第二输出端（3d）与第六调节阀（23）之间的管路上装有第二压力传感器（21）、温度传感器（22）；

所述冷却水回路部分包括冷凝器（2）、变频冷却水泵（25）、冷却塔（26）、第二过冷器（4）、第七调节阀（24）及相关连接管道；所述冷却水回路中，冷却塔输出端（26b）经过变频冷却水泵（25）后分为两路，一路与冷凝器冷却水输入端（2d）连接，冷凝器冷却水输出端（2e）与冷却塔输入端（26a）连接；另一路经过第七调节阀（24）与第二过冷器第二输入端（4c）连接，第二过冷器第二输出端（4d）与冷却塔输入端（26a）连接。

2.根据权利要求1所述的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，其特征在于，所述低压循环桶（6）上安装有用于测量低压循环桶制冷剂液位、密度、低压循环桶气体压力的密度传感器（18）、液位传感器（19）和第一压力传感器（20）。

3.根据权利要求1或2所述的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，其特征在于，所述压缩机（1）为具有中间补气功能的螺杆压缩机或涡旋压缩机。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，其特征在于，通过第二变频磁力泵（17）的频率调节实现对低压循环桶（6）中的富油层制冷剂量的控制。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于机柜直接蒸发冷却的机房空调系统，其特征在于，通过变频冷却水泵（25）的频率调节实现对冷凝器（2）中冷凝负荷变化的适应以及对冷凝温度的控制。