CN110996618A - 一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法及装置，包括内部风冷吸热组件、外部水冷散热组件、进液管和排汽管；内部风冷吸热组件通过排汽管和进液管与外部水冷散热组件连接，内部风冷吸热组件的液态工质吸收数据中心、机房内的热气后蒸发为汽态工质，汽态工质通过排汽管进入外部水冷散热组件；进入外部水冷散热组件的汽态工质在外部水冷散热组件内冷凝成液态工质，在重力作用下经进液管进入内部风冷吸热组件内，继续与数据中心、机房内的热气流进行换热。本发明的相变冷却装置的外部水冷散热组件和内部风冷吸热组件可采用多组组合的形式。本发明对冷源质量的要求低，循环无能量损耗，将更能体现节能减排的优势。
Description
技术领域
本发涉及一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法及装置。
背景技术
我国在成为通信大国的同时能耗问题也日益突出，现通信行业能耗占整个工业能耗的20%～30%，且由于通信技术、通信业务量的发展，能耗呈每年递增的趋势。
数据中心产业的发展呈现出向规模化、集中化、绿色化、布局合理化发展的趋势。国家对数据中心的要求：到2020年，信息通信网络全面应用节能减排技术，高能耗老旧通信设备基本淘汰；电信基础设施共建共享全面推进，通信能耗基本可比国际先进水平，实现单位电信业务总量综合能耗较2015年底下降10%。新建大型、超大型数据中心的能耗效率（PUE）值达到1.4以下。
现阶段的数据中心、机房的温控技术主要通过空调来进行冷却，空调结构复杂，成本和使用能耗较大，特别是能耗，空调的能耗通常是设备输入功率的二分之一，能耗占比较大，且基站交流停电时空调不工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法，无需动力，达到系统冷却的目的。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法，一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法，其特征在于：对数据中心、机房内部空气进行强制循环，循环过程中，高温空气与低温的液态工质进行热交换，高温空气将自身热量传递给液态工质，高温空气冷却降温，液态工质吸收高温空气的热量，部分液态工质汽化，转换成汽态工质，汽态工质与外部的冷却水进行热交换，汽态工质将热量传递给外部冷却水后冷凝成液态工质，液态工质回到数据中心、机房内与内部高温空气进行热交换。
本发明还提供一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，包括内部风冷吸热组件、外部水冷散热组件、进液管和排汽管；所述内部风冷吸热组件、进液管、外部水冷散热组件和排汽管依次连接构成一个循环回路；所述的内部风冷吸热组件通过排汽管与所述的外部水冷散热组件连接，内部风冷吸热组件的液态工质吸收数据中心、机房内的热气进行热换热，吸收热量后蒸发为汽态工质，汽态工质通过排汽管进入外部水冷散热组件；所述的外部水冷散热组件通过进液管与内部风冷吸热组件连接；进入外部水冷散热组件的汽态工质在外部水冷散热组件内冷凝成液态工质，通过进液管进入内部风冷吸热组件内，继续与数据中心、机房内的热气流进行换热。
进一步地，所述的内部风冷吸热组件通过内部支撑架安装在数据中心、机房内；所述的外部水冷散热组件通过外部支撑架安装在数据中心、机房内部。
进一步地，所述的内部风冷吸热组件包括蒸发器、风扇、风罩；所述的蒸发器的进风口设置有用于将数据中心、机房内的热气流引入蒸发器内的风扇；所述的蒸发器的进风口侧设置有风罩；所述的风扇设置在风罩的端部。
进一步地，所述的外部水冷散热组件包括冷凝器和水泵；所述的水泵驱动冷却水进入所述的冷凝器内与汽态工质进行热交换。
进一步地，所述的外部水冷散热组件包括多个并联设置的冷凝器。
进一步地，数据中心内设置有地下通道，内部风冷吸热组件的风机将冷量通过地下通道输送至数据中心下部进入数据中心，通过数据中心的风道冷却数据中心内部。
进一步地，数据中心内部配置背板，背板上设置内部风冷吸热组件，采用工质管网直接将热量传递至外部水冷散热组件。
进一步地，数据中心的顶部设置内部风冷吸热组件，风机对内部空气进行强制循环；循环的空气在蒸发器内流通，通过间壁传热给工质，工质吸收热量后，部分工质汽化，沿管路流至外部冷却器。
进一步地，数据中心或者移动机房的一侧设置内部风冷吸热组件，风机对内部空气进行强制循环；循环的空气在蒸发器内流通，通过间壁传热给工质，工质吸收热量后，部分工质汽化，沿管路流至外部冷却器。
进一步地，所述的蒸发器和所述的冷凝器可采用任意角度放置。
进一步地，以上的安装形式均可通过自由组合达到使用要求,同时蒸发器可采用管翅式或板翅式或其他多种换热器形式，冷凝器可采用管壳式或板式或其其他多种结构形式。
进一步地，所述的相变冷却装置还包括温度检测装置、控制器和备用系统；当温度检测装置检测到数据中心、机房内温度超过预设值，控制器控制备用系统启动。
本发明的有益效果：
1）本发明利用外界的环境冷源对数据中心、机房进行冷却，对冷源质量的要求低，循环无能量损耗，将更能体现节能减排的优势。
2）本发明内部冷却器的热流体通过间壁传热，将热量传至工质，工质吸收热量后部分工质变为汽体，工质蒸汽由于压差沿管路流至冷凝端，与外部冷却器外侧的冷流体进行换热，换热冷凝的工质变为液态，由于重力沿管路回流至蒸发端，如此将热量源源不断的由热流体传递至冷流体，无需动力，达到系统冷却的目的。
附图说明
图1为房冷却装置原理图。
图2为房间级冷却示意图。
图3为房间级冷却原理图。
图4为行间冷却集中风冷图。
图5为行间冷却集中风冷原理图。
图6为机柜级冷却背板方案示意图。
图7为机柜级冷却背板方案原理图。
图8为数据中心顶置式相变装置示意图。
图9本发明的第一种安装方式示意图。
图10本发明的第二种安装方式示意图。
图11本发明的第三种安装方式示意图。
具体实施方式
现有数据中心和机房所有热量均需通过空调进行冷却，本发明采用水冷型相变冷却装置进行冷却降温。
如图1所示，为本发明一种移动机房的水冷型相变冷却装置，包括内部风冷吸热组件1、外部水冷散热组件2、进液管3和排汽管4；所述内部风冷吸热组件1、进液管3、外部水冷散热组件2和排汽管3依次连接构成一个循环回路。内部风冷吸热组件1通过排汽管4与外部水冷散热组件2连接，内部风冷吸热组件1的液态工质吸收柜体内的热气进行热换热，吸收热量后蒸发为汽态工质，汽态工质通过排汽管4进入外部水冷散热组件。外部水冷散热组件2通过进液管3与内部风冷吸热组件1连接；进入外部水冷散热组件的汽态工质在外部水冷散热组件内冷凝成液态工质，通过进液管3进入内部风冷吸热组件内，继续与柜体内的热气流进行换热。
本发明的内部风冷吸热组件1采用风冷技术进行冷却，内部风冷吸热组件1包括蒸发器11、风扇12、风罩13；蒸发器11的进风口设置有用于将移动机房内的热气流引入蒸发器内的风扇12；所述的蒸发器11的进风口侧设置有风罩13；所述的风扇12设置在风罩13的端部。
本发明的数据中心的冷却系统分为芯片级冷却、机柜级冷却、行间级冷却、房间级冷却。现在热管技术在小范围内有应用的案例，即芯片级冷却已有相变冷却技术，在此不再赘述。针对其它三级冷却提出方案如下：
1）房间级冷却方案
房间级冷却装置一般位于机房或数据中心的一侧，距离IT设备较远，送风距离较长，因此会有一定的能量损耗，工况的设定点也比行级的低。一般设定的回风温度为24℃，应用于低密区的冷却。
本发明的相变冷却方案如图2和3所示，相变冷却装置与移动机房的原理相似。
房间级冷却方案适用于热流密度较小的机房或数据中心，也可作为行间级冷却的补充。
2）行间级冷却方案
行级空调的回风温度现无统一的标准，一般取值为35℃至38℃。这样的温度对于冷却来说，自然冷却将能满足全年任何工况的冷却需求。
行间相变冷却技术的应用形式参见图4和5，采用常见的下通风结构形式，风机将冷量通过地下通道输送至数据中心和机房下部进入数据中心和机房，通过数据中心和机房的风道起到冷却数据中心和机房内部的目的。
此方案属于采用封闭热通道的形式，对数据中心和机房外部环境基本无影响，避免冷量的浪费。
3）机柜级冷却方案
本发明对机柜级的冷却提出以下方案，如图6和7所示，采用数据中心和机房内部背板的方案，采用工质管网，直接将热量传递至外部水冷却器，距离热源更近，节能更明显。
对于无冷却背板的数据中心和机房，也可采用如图8所示的方案进行冷却，在数据中心的顶部设置内部风冷吸热组件，风机对内部空气进行强制循环；循环的空气在蒸发器内流通，通过间壁传热给工质，工质吸收热量后，部分工质汽化，沿管路流至外部冷却器。
针对数据中心，本发明采用如下方案：
a.对于配电间等热流密度小的数据中心，采用水冷房间级相变冷却装置，配风冷相变冷却装置作为备用；
b.对于低功率的数据中心，采用行间级相变冷却装置，配房间级风冷相变冷却装置作为备用；
c.对于高功率的数据中心，采用机柜级冷却，同时配风冷机柜级冷却作为备用。
本发明的外部水冷散热组件2采用水冷技术，利用自然环境下的河水进行冷却，如图9所示，外部水冷散热组件2包括冷凝器、水泵、回水管路和进水管路。冷凝器与通过进水管路和水泵连接。冷凝器还通过回水管路将进行热交换后的河水回流至河流中。
本发明对于应用于数据中心的冷却，具有如下优越性：
1）安全性
在热流密度越来越大，风冷已不能满足冷却要求的前提下，相变冷却工质可选用常压气态物质，工质进入数据中心，即使出现泄漏也呈气态泄漏，具有极高的安全性。
2）可靠性
方案中相变冷却部分均采用重力回流，无驱动设备，系统简单可靠，使用维护便捷，甚至可免维护，可靠性高。
系统通过集中冷却，使得水的温升较少，在现有的使用条件下，能有效防止结垢现象。
3）环境舒适性
上述方案绝大部分采用封闭热通道的形式，热通道外部为冷环境温度，对于数据中心操作、维护人员来说舒适性好。
4）寿命长
由于系统简单，无转动负荷件，相变冷却装置的使用寿命一般能达到10年以上，甚至可达到20年以上。
5）节能效果
相变冷却技术能使得冷却器更接近热源，且由于相变内部采用无能动的方式进行热量传递，无疑是绿色节能颠覆性的技术方案。
本发明的内部风冷吸热组件通过内部支撑架安装在数据中心、机房内；所述的外部水冷散热组件通过外部支撑架安装在数据中心、机房内部。
本发明的相变冷却装置的蒸发器可采用管翅式或板翅式或其他多种换热器形式，冷凝器可采用管壳式或板式或其它多种结构形式。
蒸发器（内部冷却器）和冷凝器（外部冷却器）可任意角度安装。
如图9所示为第一种安装方式：此方式中，冷凝器纵向设置，由外向内进行装配，待内部蒸发器到位后装配风罩及风扇（引风机）。引风机的前部引风，将对墙的风转90°方向，需要开孔的尺寸为蒸发器的宽度和厚度尺寸。
如图10所示为第二种安装方式：此方式中，冷凝器横向设置，由内向外进行装配，待外部冷却器到位后进行紧固作业，需开孔尺寸为外部冷却器的直径尺寸。
如图11所示为第三种安装方式：此方式中，冷凝器纵向设置，由内向外进行装配，待外部冷却器到位后进行紧固作业，需开孔尺寸为外部冷却器的直径及长度尺寸。
各种安装形式均可通过自由组合达到使用要求,同时蒸发器可采用管翅式或板翅式或其他多种换热器形式，冷凝器可采用管壳式或板式或其其他多种结构形式。
第二种安装方式采用的是圆形开孔，现工程建筑中圆形开孔工具较齐全，且能实现无尘作业，本发明优选的采用第二种安装方式。
本发明的相变冷却装置还包括温度检测装置、控制器和备用系统；当温度检测装置检测到数据中心、机房内温度超过预设值，控制器控制备用系统启动。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。
Claims (12)
1.一种数据中心、机房的水冷型相变冷却方法，其特征在于：对数据中心、机房内部空气进行强制循环，循环过程中，高温空气与低温的液态工质进行热交换，高温空气将自身热量传递给液态工质，高温空气冷却降温，液态工质吸收高温空气的热量，部分液态工质汽化，转换成汽态工质，汽态工质与外部的冷却水进行热交换，汽态工质将热量传递给外部冷却水后冷凝成液态工质，液态工质回到数据中心、机房内与内部高温空气进行热交换。
2.一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：包括内部风冷吸热组件、外部水冷散热组件、进液管和排汽管；所述内部风冷吸热组件、进液管、外部水冷散热组件和排汽管依次连接构成一个循环回路；所述的内部风冷吸热组件通过排汽管与所述的外部水冷散热组件连接，内部风冷吸热组件的液态工质吸收数据中心、机房内的热气进行热换热，吸收热量后蒸发为汽态工质，汽态工质通过排汽管进入外部水冷散热组件；所述的外部水冷散热组件通过进液管与内部风冷吸热组件连接；进入外部水冷散热组件的汽态工质在外部水冷散热组件内冷凝成液态工质，通过进液管进入内部风冷吸热组件内，继续与数据中心、机房内的热气流进行换热。
3.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：所述的内部风冷吸热组件包括蒸发器、风扇、风罩；所述的蒸发器的进风口设置有用于将数据中心、机房内的热气流引入蒸发器内的风扇；所述的蒸发器的进风口侧设置有风罩；所述的风扇设置在风罩的端部。
4.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：所述的外部水冷散热组件包括冷凝器和水泵；所述的水泵驱动冷却水进入所述的冷凝器内与汽态工质进行热交换。
5.根据权利要求4所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：所述的外部水冷散热组件包括多个并联设置的冷凝器。
6.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：数据中心内设置有地下通道，内部风冷吸热组件的风机将冷量通过地下通道输送至数据中心下部进入数据中心，通过数据中心的风道冷却数据中心内部。
7.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：数据中心内部配置背板，背板上设置内部风冷吸热组件，采用工质管网直接将热量传递至外部水冷散热组件。
8.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：数据中心的顶部设置内部风冷吸热组件，风机对内部空气进行强制循环；循环的空气进入蒸发器内，与蒸发器内的工质进行热交换，工质吸收热量后，部分工质汽化，沿管路流至外部冷却器。
9.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：数据中心或者移动机房的一侧设置内部风冷吸热组件，风机对内部空气进行强制循环；循环的空气进入蒸发器内，与蒸发器内的工质进行热交换，工质吸收热量后，部分工质汽化，沿管路流至外部冷却器。
10.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：所述的内部风冷吸热组件和所述的外部水冷散热组件可采用任意角度放置。
11.根据权利要求10所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：以上的安装形式均可通过自由组合达到使用要求,同时蒸发器可采用管翅式或板翅式或其他多种换热器形式，冷凝器可采用管壳式或板式或其它多种结构形式。
12.根据权利要求2所述的一种数据中心、机房的水冷型相变冷却装置，其特征在于：所述的相变冷却装置还包括温度检测装置、控制器和备用系统；当温度检测装置检测到数据中心、机房内温度超过预设值，控制器控制备用系统启动。
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