CN109041508A - 一种新型主被动结合式热力冷却设备 - Google Patents

Abstract

本发明结合压缩机主动制冷和热管被动冷却的方式，并采用一体式的布局，组成一种新型主被动结合式热力循环设备。该设备包括内循环风扇、隔离板、主动蒸发器、压缩机、排水管、热管蒸发段、热管、节流元件、主动冷凝器、热管冷凝段、外循环风扇和壳体。当大气温度高于目标设备的设定控制温度时，此时设备和通常的空调系统一样工作，当大气温度低于目标设备的设定控制温度时，压缩机主动制冷冷却系统不工作，依靠被动冷却系统中的热管配合内、外循环风扇将目标设备处的热量泵送到大气中，这样可以减少压缩机的启动次数和连续运行时间，减少主动制冷却系统的故障率和节省大量电能。

Description

一种新型主被动结合式热力冷却设备

技术领域

本发明涉及一种新型主被动结合式热循环设备，具体为一种结合主动和被动两种热转移方式的冷却设备，包括热管被动式冷却方式和压缩机制冷主动冷却方式。

背景技术

热管是传热技术中的一项高科技成果,热管传热技术有极高的导热率(是良导热金属如银的100至1000倍)和热效率,其反应灵敏、工作范围广、结构简单、工作可靠、成本低廉,已逐步推广于机械工程,电子电力,医疗及家用电器等各个领域，尤其在工业换热和节能等方面获得了广泛应用,并在冶金、化工、电子、建材、动力等行业有很多成功的实例。在电子行业,近年来热管技术己在电器设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得了很多应用成果。电子技术的发展又对热管技术提出了许多更高的要求,微型热管、小型热管、回路热管、毛细泵回路热针、振荡热管等新型、高效、紧凑热管散热器一也迅速被开发。在建材行业,80年代国内己有许多单位应用热管技术回收陶瓷、水泥生产中排放的余热取得良好的节能效果。90年代高温热管技术的工业开发获得成功,这些都为今后的推广应用和开展新的开发研究打下了很好的基石。

伴随着我国信息化产业及数字化建设的快速发展,数据中心的建设速度大大加快,其数量迅速增加,越来越成为能耗大户。为了响应国家节能减排发展绿色经济的号召,数据中心的节能减排越来越受到重视。数据中心内各类数据存储、交换和处理设备具有发热量大,且发热量持续稳定的特点,一般通信机房空调热负荷达到300瓦/平方。为了维持数据中心内设备正常运行所需要的温湿度环境,数据中心空调系统必须全年全时的为数据中心提供所需的冷量。因此,数据中心空调系统的能耗在数据中心总能耗中占有相当一部分比例。据统计,数据中心空调系统消耗的电能可以占到数据中心总耗电量的40%至60%。目前,我国电信业每年耗电量为200多亿度,其中基站空调年耗电量就高达70亿度。因此,数据中心空调系统的节能是数据中心节能减排的关键点。在冬季及过渡季节，如果能合理使用自然冷源为机房降温，则原空调系统压缩机的运行时间将会缩短，节约大量的电能。如直接釆用新风系统,不能保证机房内空气的洁净度及湿度,无法杜绝室外的灰尘、水分等进入数据中心。伴随着我国电力以及铁路电气化、智能化的快速发展，对控制系统的稳定性、可靠性提出了很高的要求，同时随着节能环保措施的深入，电力系统、铁路系统的节能减排指标要求越来越高，电力电气设备、铁路电气设备的稳定运行要求和节能减排要求越来越高。电气化一个最重要的设备之一是户外电气控制柜，由于在户外太阳下暴晒，由于至于户外有绝缘防水防虫等要求，因此电气控制柜往往被设计成与外部空气隔绝，其冷却主要依靠机柜空调。由于电气控制柜处于阳光下，即使室外空气温度较低，由于太阳辐射和内部元器件发热，机柜内温度迅速升高，此时智能通过机柜空调给机柜降温，因此空调长期处于工作状态，故障率高，能耗高。

本发明针对上述数据中心和电气控制柜的工作特征，提出一个结合热管散热和压缩机制冷散热的新型热力冷却设备，最大化利用外部自然冷源,实现数据中心和电气控制柜的高效节能冷却。

发明内容

本发明是对现有数据中心和电气控制柜压缩机冷却系统的改进，结合压缩机主动制冷主动和热管被动冷却的方式，将两种冷却方式结合到一种冷却设备中，并采用一体式的布局，组成一种新型主被动结合式热力循环设备。设备中压缩机主动制冷系统包括压缩机、节流元件、主动冷凝器、主动蒸发器、内循环风扇和外循环风扇，热管有热管冷凝段、热管蒸发段组成，热管冷凝段与主动冷凝器共用外循环风扇，热管蒸发段和主动蒸发器共用内循环风扇，所有的部件都紧凑的安装在壳体内，隔离板将壳体隔离成两个区域，内循环风扇、热管蒸发段和主动蒸发器在壳体内区域，其功能是利用内循环风扇，将被冷却区域的热空气循环经过热管蒸发段和主动蒸发器，降低温度后送回被冷却区域。压缩机、外循环风扇、热管冷凝段、主动冷凝器在壳体的外区域，其功能是将热管蒸发段和主动蒸发器泵出来的热量散布到大气中，隔离板的作用是将内外冷热气体隔离。节流元件和热管均穿过隔离板，穿孔处均需要密封。

本发明的优点在于：（1）采用主动和被动冷却结合的方式对目标设备进行冷却，当大气空气温度低于目标设备的设定控制温度，这时候压缩机主动制冷冷却系统不工作，依靠被动冷却系统中的热管配合内、外循环风扇将目标设备处的热量泵送到大气中，这样可以减少压缩机的启动次数和连续运行时间，减少主动制冷系统的故障率和节省大量电能，根据实际运行情况最高可以节约80%的电能；（2）主动冷凝器和热管冷凝段成紧密并排布置，两者共用一个外循环风扇，减小体积也节省了部件费用；（3）主动蒸发器和热管蒸发段成精密并排布置，减小体积也节省了部件费用；（4）内、外循环风扇采用离心式风机，结构紧凑送风距离远，有利于对目标设备的冷却；（5）热管采用重力和结合毛细作用相互辅助的方式，具有良好的导热单向性，当主动压缩机制冷系统不工作、热管工作时，毛细作用有助于提高热管的工作效率，此时毛细作用和重力均对热管的泵热起到促进作用；当主动压缩机制冷系统工作时，此时需要热管停止工作，避免主动压缩机制冷系统产生的冷量被热管泵送到大气中。由于重力方向的原因，热管此时正好处于停止工作状态，毛细作用虽然处于泵热状态，但是由于输送距离长，而且需要克服逆重力，且在热管绝热段无毛细结构，因此无法实现泵热，因此压缩机主动制冷系统产生的冷量全部用于冷却目标设备。

附图说明

图1.a 是本发明一种新型主被动结合式热力冷却设备的正面视图

图1.b 是本发明一种新型主被动结合式热力冷却设备的反面视图

图1.c 是本发明一种新型主被动结合式热力冷却设备的45度等轴视图

图2是本发明一种新型主被动结合式热力冷却设备的侧面剖视图

图3是本发明一种新型主被动结合式热力冷却设备中热管的横截面剖视图

图中符号说明：

1：内循环风扇 2：隔离板 3：主动蒸发器 4：压缩机 5：排水管 6：热管蒸发段 7：热管8：节流元件 9：主动冷凝器 10：热管冷凝段 11：外循环风扇 12：壳体

具体实施方式

如图1和2所示，本发明涉及的一种新型主被动结合式热循环设备主要包括内循环风扇1、隔离板2、主动蒸发器3、压缩机4、排水管5、热管蒸发段6、热管7、节流元件8、主动冷凝器9、热管冷凝段10、外循环风扇11、和壳体12。该设备中，所有的部件全部置于壳体12内，隔离板2将壳体12隔离成内、外两个区域，内区域主要有主动蒸发器3、热管蒸发段6和内循环风扇1组成，外区域主要有压缩机4、外循环风扇11、主动冷凝器9和热管冷凝段10组成。排水管5的主要作用就是将压缩机制冷系统工作时产生的冷凝水排到壳体12外，节流元件8的主要作用是连接主动冷凝器9和主动蒸发器3，将高压常温的制冷剂节流到低压低温的状态。

该设备主要用于冷却一定空间或区域内的目标设备，如电信机房或者电气控制柜等，由于目标设备具有很高的可靠性要求，往往采用封闭的方式，防止外部灰尘或者其他物体进入目标设备，因此无法采用送新风的方式来冷却目标设备。该设备主被动工作方式的切换主要依据目标设备的控制温度和大气温度，当目标设备的控制低温低于大气温度时，此时智能采用压缩机主动制冷冷却方式，当目标设备的控制温度高于大气温度时，可以采用热管将热量泵送到大气中，不需要启动压缩机制冷系统。

壳体内区域的内循环风扇1，通常采用离心式等大扬程风扇，工作时将目标设备区域内的热空气从正面吸入，然后经过风机从四周侧面流出，由于壳体12的四周是密封的，由于风压和阻力的原因，气流只能经过主动热管蒸发段6和隔离板2之间的间隙，在经过热管蒸发段6和主动蒸发器3，经过热交换降低温度后，回到目标设备的区域，从而达到冷却目标设备的目的。壳体外区域的外循环风扇11通常采用和内循环风扇1类似的大扬程风扇，吸入大气中常温的空气，一部分气体用来冷却压缩机4，一部分气体由于风压和阻力的原因，进入热管冷凝段10和隔离板2之间的间隙，在经过热管冷凝段10和主动冷凝器9离开壳体12，进入大气中，同时带走热量。

压缩机4通常采用活塞式压缩机、涡旋式或其他型式的压缩机，功率根据制冷量的要求进行选择和匹配。隔离板2是简单的金属或者非金属薄板，表面铺有隔热棉。主动式蒸发器3可以是翅片式换热器，也可以采用平行流换热器，材质可以是铜、铝或者不锈钢。热管7主要是铜管、铝管、不锈钢管或者钛合金，管材壁厚无关，内壁可以采用多种结构，如图3所示，可以是光管无肋片、三角形内肋、或矩形内肋结构，具体形状没有限制，只要肋片的结构尺寸满足毛细作用的要求，肋片沿管长方向可以是直线也可以是螺旋线，也可以在光滑的内壁上附金属丝网或者烧结金属粉末，来达到毛细作用的要求。热管7内根据工况，可以充一定量工质，包括但不局限于水、氟利昂、丙酮、乙烯、酒精、醚、纳米流体等单一工质或者混合物。热管蒸发段6是在热管7的外表面上加装翅片，形成局部的翅片管换热器。热管冷凝段10与热管蒸发段6采用同样的结构，但是根据热负荷，翅片的总数目或者面积有所调整。节流元件8采用毛细管，也可以采用电子膨胀阀或者热力膨胀阀。主动冷凝器9可以采用翅片管式换热器或者平行流换热器。壳体12采用铁板喷塑的方法加工或者直接采用不锈钢板。排水管5是一根简单的金属管，带弯管自密封，将一定量的冷凝水贮留在弯管内，防止内循环风扇1吸入被并冷却的气流从排水管5泄漏。

为了控制体积同时减少部件的数目，主动蒸发器3和热管蒸发段6并排紧密布置，他们与壳体12和隔离板2固定，并在接缝处加密封海绵，防止漏风。同样，主动冷凝器9和主动冷凝段10也紧密并排布置，并与壳体12和隔离板2固定，并在接缝处加密封海绵，防止漏风。热管7的上端是热管冷凝段10，下端是热管蒸发段3，中间是绝热段，这样布置的目的是当热管工作时，借助重力提高热管的工作性能。热管7穿过隔离板2，穿孔处需要密封，防止内、外区域串风。热管7工作时，内区域的热风通过热管蒸发段6上的翅片、管壁和内毛细结构，将热量转移给热管内的工质，工质受热后气化后上升经过绝热段到达热管冷凝段10，通过内毛细结构、管壁和翅片将热量交给外区域的空气再散发到大气中，工质从气态变为液态，沿毛细结构或者内壁面回流到热管蒸发段6。当主动压缩制冷系统工作时，此时系统热管7停止工作，由于此时热管蒸发段6温度低，热管冷凝段10温度高，此时处于逆重力状态，通常情况下由于热管比较长，内壁毛细结构的毛细作用力无法克服逆重力，从而停止工作。为了彻底让热管在主动压缩机制冷系统工作时失效，在热管蒸发段6和热管冷凝段10之间的部分，不设置毛细结构，内壁完全光滑。

Claims (5)

1.一种新型主被动结合式热循环设备主要包括内循环风扇1、隔离板2、主动蒸发器3、压缩机4、排水管5、热管蒸发段6、热管7、节流元件8、主动冷凝器9、热管冷凝段10、外循环风扇11、和壳体12。

2.一种新型主被动结合式热循环设备，其特征在于：热管7主要是铜管、铝管、不锈钢管或者钛合金，管上段外壁有翅片，形成热管冷凝段10，管下段外壁有翅片，形成热管蒸发段6。

3.一种新型主被动结合式热循环设备，其特征在于：热管7在热管冷凝段10和热管蒸发段6之间的绝热段不设置毛细结构。

4.根据权利要求1所述的一种新型斯特林循环热力膨胀机构，其特征在于：主动蒸发器3和热管蒸发段6并排紧密布置，并共用内循环风扇1。

5.根据权利要求1所述的一种新型主被动结合式热循环设备，其特征在于：主动冷凝器9和热管冷凝段10也紧密并排布置，并共用外循环风扇11。