CN110425913A - 一种数据中心套管换热结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蒸发器的结构设计领域，提供了一种数据中心套管换热结构及其控制方法，包括套管换热器，套管换热器包括内管、外管和至少一个第一隔层；外管由内管和第一隔层分隔成两个传热腔；内管中填充有第一工质，传热腔中填充有第二工质；密封旋转轴和旋转控制装置，密封旋转轴设置在套管换热器的两端，旋转控制装置用于控制套管换热器和密封旋转轴绕轴向旋转；控制系统设置在套管换热器的一侧，通过控制旋转控制装置使套管换热器旋转预设角度。本发明提供的数据中心套管换热结构，基于本套管换热器内结构的特殊设计，在重力的作用下通过调整套管换热器沿轴旋转的角度实现换热量的无极调节，消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。

Description

一种数据中心套管换热结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及蒸发器的结构设计领域，特别涉及一种数据中心套管换热结构及其控制方法。

背景技术

数据中心向着大规模、集成化、能耗高的方向疾速开展，高性能设备构成数据中心内部的发热量急剧添加，而机柜内部是数据中心最大的发热区域，背板空调作为机柜级冷却方式，因其蒸发器更加靠近热源，已被广泛应用于数据中心冷却中。

但是在实际应用中，由于机柜内上下、左右的热负载在空间和时间不均匀，会造成冷却后机柜出风温度不均匀等问题，已远远超出了风机精细控制局部换热量的范围，最终可能造成整个数据中心局部热点、空调系统的过量冷却、耗能等问题。所以目前急需要一种可以配合变频风机调节的自动调节局部换热量的背板空调蒸发器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本申请提出一种数据中心套管换热结构及其控制方法，旨在解决因热负载不均造成数据中心机柜出口温度不均的问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供一种数据中心套管换热结构，包括：

套管换热器，所述套管换热器包括：内管、外管和至少一个第一隔层；所述外管由所述内管和所述第一隔层分隔成两个传热腔；所述内管中填充有第一工质，所述传热腔中填充有第二工质；

密封旋转轴和旋转控制装置，所述密封旋转轴设置在所述套管换热器的两端，所述旋转控制装置用于控制所述套管换热器和所述密封旋转轴绕轴向旋转；

控制系统，所述控制系统设置在所述套管换热器的一侧，用于获取温度，通过控制旋转控制装置使套管换热器旋转预设角度。

进一步地，还包括：散热系统；所述散热系统包括：风机和风机控制支路；所述风机通过所述风机控制支路与所述控制系统电连接。

进一步地，所述控制系统包括：温度传感器、温度反馈支路、轴旋转控制支路和控制中心；所述控制中心通过所述温度反馈支路与所述旋转控制装置电连接，所述控制中心通过所述轴旋转控制支路与所述旋转控制装置电连接。

进一步地，所述套管换热器还包括：第二隔层；所述第二隔层与所述内管相切，沿所述外管的一侧延伸至所述外管的另一侧，在所述外管内形成绝热腔。

进一步地，所述外管对应所述绝热腔的外侧设有吸热涂层。

进一步地，所述套管换热器的数量为多个，多个所述套管换热器沿横向依次串接构成换热器列管。

进一步地，还包括：集液管；所述集液管设置在所述换热器列管的两端；所述换热器列管的数量为多个，多个所述换热器列管沿纵向依次并排设置，且所述换热器列管由所述集液管连通。

进一步地，所述内管与所述外管平行设置，且所述内管偏心设置在所述外管中。

为解决上述问题，本发明提供一种数据中心套管换热结构的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：判断数据中心套管换热结构是否温度异常；

步骤S2：若温度传感器检测到局部温度过高，控制中心通过轴旋转控制支路控制套管换热器向增强制冷效率的方向进行旋转；若温度传感器检测到局部温度过低，控制中心通过轴旋转控制支路控制套管换热器向降低制冷效率的方向进行旋转。

进一步地，所述步骤步骤S2还包括：

若温度传感器检测到局部温度过高，控制中心通过风机控制支路增大风机转速；若温度传感器检测到局部温度过低，控制中心通过风机控制支路减小风机转速。

(三)有益效果

本发明提供一种数据中心套管换热结构及其控制方法，该数据中心套管换热结构通过设置套管换热器，配合密封旋转轴、密封旋转轴、旋转控制装置和控制系统，使得该结构能够在重力的作用下通过调整套管换热器沿轴旋转的角度实现换热量的无极调节，消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。此外，该数据中心套管换热结构还可配合风机适时调节，进一步消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的数据中心套管换热结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的套管换热器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的套管换热器沿轴旋转内部液位变化示意图；

其中，1、控制中心；2、风机；3、风机控制支路；4、温度传感器；5、温度反馈支路；6、密封旋转轴；7、轴旋转控制支路；8、集液管；9、外管；9a、外管内壁；9b、外管外壁；10、绝热腔；11、第一传热腔；12、最高液位线；13、第二工质；14、第二隔层；15、内管；15a、内管内壁；15b、内管外壁；16、第二传热腔；17、第一工质；18、第一隔层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种数据中心套管换热结构，如图1和图2所示，该数据中心套管换热结构包括：套管换热器、密封旋转轴6、旋转控制装置和控制系统。套管换热器包括：内管15、外管9和至少一个第一隔层18。外管9由内管15和第一隔层18分隔成两个传热腔，同时第一隔层18可起到支撑和稳固内管15的作用。两个传热腔分别为第一传热腔11和第二传热腔16，分别均匀设置在外管9的两侧。内管15中填充有第一工质17，传热腔中填充有第二工质13，即第一传热腔11和第二传热腔16均设有第二工质13。密封旋转轴6设置在套管换热器的两端，旋转控制装置用于控制套管换热器和密封旋转轴6绕轴向旋转，密封旋转轴6优选选为动密封旋转轴装置，让套管换热器可绕轴向360°自由旋转。控制系统设置在套管换热器的一侧，用于获取温度，控制套管换热器旋转预设角度。

如图3所示，通过沿轴心旋转，顺时针或逆时针的方式，改变传热腔工质与内管15和外管9的管壁接触面积。第一工质17通过与内管15接触换热，再与第一传热腔11和第二传热腔16进行换热，第二工质13从外管外壁9b接触吸热蒸发，在内管外壁15b凝结放热，液相工质在重力的作用下回流到原蒸发液相区继续吸热蒸发。通过在轴心旋转套管换热器整体来改变热管腔工质与内管15和外管9的接触面积，从而来改变套管换热器的换热量，其中可根据换热量需求自动调整旋转角度。

具体地，工作过程中，外管外壁9b及可能设计的外接拓展表面结构，首先传热给第二工质13，如图3的A位置所示，此时第一传热腔11和第二传热腔16内工质不受外力做水平方向流动，且热管腔为重力式热管功能区运行，第二工质13吸热蒸发，然后在内管外壁15b的冷壁面上凝结放热，且液相工质最后在重力的作用下再回流到原蒸发液相区，通过内管内壁15a最后将热量传到第一工质17，实现冷却套管换热器外流体的目的，实现持续制冷。控制系统检测机柜出口空气温度变化情况，并以此为依据计算给出控制信号传递给旋转控制装置。若温度传感器检测到局部温度过高，控制系统通过控制套管换热器旋转控制装置使向增强制冷效率的方向进行旋转；若温度传感器检测到局部温度过低，控制系统通过控制套管换热器旋转控制装置使向降低制冷效率的方向进行旋转。旋转到图3的A位置制冷效果最好，旋转到E位置制冷效果最差，A到E位置旋转制冷效果逐渐削弱，E到A位置制冷效果逐渐增强，最终实现制冷量的无极调节。

其中，外管内壁9a可选用光滑、内螺纹或其它各种以增强换热为目的的管内壁面结构，外管外壁9b根据不同的使用情况，既设置保温层，也可选用光滑、外螺纹、肋片、翅片或其他各种以增强换热为目的的管外表面拓展结构。

本发明实施例提供一种数据中心套管换热结构，该数据中心套管换热结构通过设置套管换热器，配合密封旋转轴、密封旋转轴、旋转控制装置和控制系统，使得该结构能够在重力的作用下通过调整套管换热器沿轴旋转的角度实现换热量的无极调节，消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。此外，该数据中心套管换热结构还可配合风机适时调节，进一步消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。

为提高套管换热器的工作效率，基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1和图2所示，套管换热器还包括：第二隔层14。第二隔层14与内管15相切，沿外管9的一侧延伸至外管9的另一侧，使得第二隔层14在外管9内形成绝热腔10。

其中，绝热腔10可采用真空绝热腔。真空绝热腔优选为设置为真空区域，起到真空绝热的作用，另外传热系数极低的填充材料可作为绝热腔10的材料。

本实施例中，第一隔层18和第二隔层14均为物理密封隔层，优选为各种绝热或导热系数低的材料。第二隔层14与外管外壁9b相切并将传热腔和绝热腔10隔开，基于本身结构设计和隔层两边的压差又能起到稳固内管位置和减震的作用。第一隔层18将传热腔一分为二，保证了其在旋转套管调节时，传热腔可以均等分液，另一方面又可起到支撑和稳固内管的作用。

其中，内管15和外管9可选为铜、铝、不锈钢等常用的各种尺寸的传热管材。内管15与外管9平行设置，内管15偏心设置在外管9中，即为非同轴心设计，目的为了使传热腔换热面积最大化。

本实施例中，密封旋转轴6控制套管换热器绕轴向旋转至内管15在上的第一位置时，第二工质13与内管15不接触；密封旋转轴6控制套管换热器绕轴向旋转至内管15在下的第二位置时，第二工质13与外管9不接触。为防止在制冷模式时因外管内第二工质13充液率过高，会导致工质接触内管外壁15b面，或在除霜模式外管内第二工质13接触外管内壁9a面，最后导致其在两个模式下的传热和绝热效果都较差，第二工质13的液位不能超过最高液位线12。

进一步地，外管9对应绝热腔10的外侧还可设置吸热涂层。优选为对光照射吸收比高的涂层材料，推荐选低温条件下稳定、无毒害且不产生毒性挥发性物质的可与金属材料有效结合的涂层材料。

该数据中心套管换热结构还可采用多管串联设计、排管设计以及多层排管设计。如图3所示，套管换热器可设置多个，多个套管换热器沿横向依次串接构成换热器列管，也可称之为单排排管蒸发器。集液管8设置换热器列管的两端。

为提升套管换热器的工作效率，换热器列管的数量也可设置多个，多个换热器列管沿纵向依次并排设置，各列可进行不同的排列组合，由集液管8连通，在两端的集液管8处相通均液，以使工质在整个结构中流通，增加工作效率。集液管8优选为均匀分液集液管，目的是为了实现各列管束内液体分液均匀，换热均匀。

此外，为配合整个结构的运行，如图1和图2所示，该数据中心套管换热结构还包括：散热系统。散热系统包括：风机2和风机控制支路3。风机2通过风机控制支路3与控制系统电连接。

本实施例中，控制系统包括：温度传感器4、温度反馈支路5、轴旋转控制支路7和控制中心1。控制中心1通过温度反馈支路5与旋转控制装置电连接，控制中心1通过轴旋转控制支路7与旋转控制装置电连接。

工作过程中，温度传感器4检测机柜出口空气温度变化情况，并以此为依据通过温度反馈支路5将温度信号实时反馈给控制中心1，通过流程计算给出控制信号，其中首先调整局部温度过高的区域附近的套管换热器的角度，通过轴旋转控制支路7传递信号旋转控制装置。若温度传感器4检测到局部温度过高，控制中心1通过轴旋转控制支路7控制对应的套管换热器向增强制冷效率的方向进行旋转。若温度传感器4检测到局部温度过低，控制中心1通过轴旋转控制支路7控制对应的套管换热器向降低制冷效率的方向进行旋转。进一步地，需要配合微调附近风机2的转速，若温度传感器4检测到局部温度过高，控制中心1可通过风机控制支路3增大对应风机2转速。若温度传感器4检测到局部温度过低，控制中心1通过风机控制支路3减小对应风机2转速。

本发明实施例提供一种数据中心套管换热结构，该数据中心套管换热结构通过设置套管换热器，配合密封旋转轴、密封旋转轴、旋转控制装置和控制系统，使得该结构能够在重力的作用下通过调整套管换热器沿轴旋转的角度实现换热量的无极调节，消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。此外，该数据中心套管换热结构还可配合风机适时调节，进一步消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。

本发明实施例提供一种数据中心套管换热结构的控制方法，如图1和图2所示，该数据中心套管换热结构包括：套管换热器、密封旋转轴6、旋转控制装置和控制系统。套管换热器包括：内管15、外管9和至少一个第一隔层18。外管9由内管15和第一隔层18分隔成两个传热腔，同时第一隔层18可起到支撑和稳固内管15的作用。两个传热腔分别为第一传热腔11和第二传热腔16，分别均匀设置在外管9的两侧。内管15中填充有第一工质17，传热腔中填充有第二工质13，即第一传热腔11和第二传热腔16均设有第二工质13。密封旋转轴6设置在套管换热器的两端，旋转控制装置用于控制套管换热器和密封旋转轴6绕轴向旋转，密封旋转轴6优选选为动密封旋转轴装置，让套管换热器可绕轴向360°自由旋转。控制系统设置在套管换热器的一侧，用于获取温度，控制套管换热器旋转预设角度。更加具体的结构请参阅图1至图3相关的文字描述，在此不再赘述。

该控制方法包括如下步骤：

步骤S1：判断数据中心套管换热结构是否温度异常。

步骤S2：若温度传感器检测到局部温度过高，控制中心通过轴旋转控制支路控制套管换热器向增强制冷效率的方向进行旋转；若温度传感器检测到局部温度过低，控制中心通过轴旋转控制支路控制套管换热器向降低制冷效率的方向进行旋转。

其中，步骤步骤S2还包括：若温度传感器检测到局部温度过高，控制中心通过风机控制支路增大风机转速；若温度传感器检测到局部温度过低，控制中心通过风机控制支路减小风机转速。

具体地，工作过程中，温度传感器4检测机柜出口空气温度变化情况，并以此为依据通过温度反馈支路5将温度信号实时反馈给控制中心1，通过流程计算给出控制信号，其中首先调整局部温度过高的区域附近的套管换热器的角度，通过轴旋转控制支路7传递信号旋转控制装置。若温度传感器4检测到局部温度过高，控制中心1通过轴旋转控制支路7控制对应的套管换热器向增强制冷效率的方向进行旋转。若温度传感器4检测到局部温度过低，控制中心1通过轴旋转控制支路7控制对应的套管换热器向降低制冷效率的方向进行旋转。进一步地，需要配合微调附近风机的转速，若温度传感器4检测到局部温度过高，控制中心1可通过风机控制支路3增大对应风机转速。若温度传感器4检测到局部温度过低，控制中心1通过风机控制支路3减小对应风机转速。

本发明实施例提供一种数据中心套管换热结构的控制方法，通过该控制方法能，在重力的作用下通过调整蒸发器的管段沿轴旋转的角度实现换热量的无极调节，根据机柜出口空气温度的空间分布情况，配合风机适时调节，消除因热负载不均造成机柜出口温度不均的问题。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种数据中心套管换热结构，其特征在于，包括：

套管换热器，所述套管换热器包括：内管、外管和至少一个第一隔层；所述外管由所述内管和所述第一隔层分隔成两个传热腔；所述内管中填充有第一工质，所述传热腔中填充有第二工质；

密封旋转轴和旋转控制装置，所述密封旋转轴设置在所述套管换热器的两端，所述旋转控制装置用于控制所述套管换热器和所述密封旋转轴绕轴向旋转；

控制系统，所述控制系统设置在所述套管换热器的一侧，用于获取温度，通过控制所述旋转控制装置使所述套管换热器旋转预设角度。

2.根据权利要求1所述的数据中心套管换热结构，其特征在于，还包括：散热系统；所述散热系统包括：风机和风机控制支路；所述风机通过所述风机控制支路与所述控制系统电连接。

3.根据权利要求2所述的数据中心套管换热结构，其特征在于，所述控制系统包括：温度传感器、温度反馈支路、轴旋转控制支路和控制中心；所述控制中心通过所述温度反馈支路与所述旋转控制装置电连接，所述控制中心通过所述轴旋转控制支路与所述旋转控制装置电连接。

4.根据权利要求1所述的数据中心套管换热结构，其特征在于，所述套管换热器还包括：第二隔层；所述第二隔层与所述内管相切，沿所述外管的一侧延伸至所述外管的另一侧，在所述外管内形成绝热腔。

5.根据权利要求4所述的数据中心套管换热结构，其特征在于，所述外管对应所述绝热腔的外侧设有吸热涂层。

6.根据权利要求3所述的数据中心套管换热结构，其特征在于，所述套管换热器的数量为多个，多个所述套管换热器沿横向依次串接构成换热器列管。

7.根据权利要求6所述的数据中心套管换热结构，其特征在于，还包括：集液管；所述集液管设置在所述换热器列管的两端；所述换热器列管的数量为多个，多个所述换热器列管沿纵向依次并排设置，且所述换热器列管由所述集液管连通。

8.根据权利要求7所述的数据中心套管换热结构，其特征在于，所述内管与所述外管平行设置，且所述内管偏心设置在所述外管中。

9.一种数据中心套管换热结构的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制如权利要求6-8中任一项所述的数据中心套管换热结构包括如下步骤：

步骤S1：判断数据中心套管换热结构是否温度异常；

步骤S2：若温度传感器检测到局部温度过高，控制中心通过轴旋转控制支路控制套管换热器向增强制冷效率的方向进行旋转；若温度传感器检测到局部温度过低，控制中心通过轴旋转控制支路控制套管换热器向降低制冷效率的方向进行旋转。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述步骤步骤S2还包括：

若温度传感器检测到局部温度过高，控制中心通过风机控制支路增大风机转速；若温度传感器检测到局部温度过低，控制中心通过风机控制支路减小风机转速。