CN111947262A - 基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统，包括壳体内并列设置的直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器，液冷剂蒸发冷凝器通过液冷剂流通管与设置在数据中心的芯片散热系统连接；壳体内、直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器的上方设置有直接—板管式间接蒸发冷却器，直接—板管式间接蒸发冷却器通过循环风管与数据中心送回风系统相连接。本发明的空调系统在对数据中心散热源数据处理芯片浸没于液冷剂中进行源头冷却散热的同时，又经过间接蒸发冷却制冷空调模块进行数据中心内部空气环境进行等湿冷却处理，不仅节能降耗，而且适用性广。
Description
技术领域
本发明属于蒸发冷却空调技术领域，具体涉及一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统。
背景技术
如今，随着5G技术云计算、人工智能、大数据、物联网的深入发展，数据中心作为“新基建”的重要组成部分，当前国家大力倡导推动绿色数据中心创建，引导数据中心走高效、清洁、集约、循环的发展道路，实现数据中心持续健康发展，进而使得数据机房的高效运行显得十分重要。现如今数据机房的能耗越来越高，而在数据中心降低PUE的最有效、最有潜力的就是从其空调系统节能入手，选择合适的空调系统就显得尤为重要。而传统的机械制冷空调冷却技术不但运行耗电量特别大而且不太符合数据中心对节能降耗的要求，噪音较大且保养维护费用较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统，在对数据中心散热源数据处理芯片浸没于液冷剂中进行源头冷却散热的同时，又经过间接蒸发冷却制冷空调模块进行数据中心内部空气环境进行等湿冷却处理，不仅节能降耗，而且适用性广。
本发明所采用的技术方案是，一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统，包括壳体内并列设置的直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器，液冷剂蒸发冷凝器通过液冷剂流通管与设置在数据中心的芯片散热系统连接；壳体内、直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器的上方设置有直接—板管式间接蒸发冷却器，直接—板管式间接蒸发冷却器通过循环风管与数据中心送回风系统相连接。
本发明的特点还在于，
直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器上方和下方分别设置有布水器和循环水箱，布水器通过循环水供水管与循环水箱相连，循环水供水管与循环水箱连接处设置有循环水泵；直接蒸发冷却器包括设置在直接蒸发冷却器一侧壳体上的直接蒸发冷却器进风口，直接蒸发冷却器进风口内侧设置直接蒸发冷却器进风初效过滤器，直接蒸发冷却器进风初效过滤器内侧壳体内设置有直接蒸发冷却填料；液冷剂蒸发冷凝器包括液冷剂蒸发冷凝盘管，液冷剂蒸发冷凝盘管上方设置有蒸发冷凝散热模块离心式排风机。
循环水箱侧壁上设置有循环水液位计、补水口和泄水口。
直接—板管式间接蒸发冷却器包括从下往上依次设置的直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱、直接—板管式间接蒸发冷却器新风进风格栅、直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体、直接—板管式间接蒸发冷却器布水器、直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧轴流排风机，上方壳体对应位置设置有直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧排风口，直接—板管式间接蒸发冷却器布水器通过直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管连接直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱，直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管与直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱连接处设置有直接—板管式间接蒸发冷却器循环水泵，直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体内侧设置有挡水板，挡水板内侧设置有离心式送风机。
直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱侧壁上设置有直接—板管式间接蒸发冷却器蓄水池液位计、直接—板管式间接蒸发冷却器泄水口和直接—板管式间接蒸发冷却器补水口。
芯片散热系统包括放置于液冷剂浸液池内的散热芯片，散热芯片由浸没式液冷剂覆盖，液冷剂浸液池与被冷却液冷剂供入管和吸收芯片散热液冷剂回流管连接。
数据中心送回风系统包括在数据中心房间内、数据中心机柜下方设置的数据中心室内下部高温冷风送风层和数据中心机柜上方设置的数据中心室内上部回风层，数据中心室内下部高温冷风送风层的上侧壁上、对应数据中心机柜的位置开有数据中心下部送风口，数据中心室内上部回风层下侧壁上开有数据中心上部回风口。
循环风管包括与数据中心室内上部回风层相连的数据中心回风管，数据中心回风管内部设置有直接—板管式间接蒸发冷却器一次风侧中效过滤器，数据中心回风管再与壳体上直接—板管式间接蒸发冷却器一侧相连；数据中心室内下部高温冷风送风层与数据中心送风管相连，数据中心送风管通过直接—板管式间接蒸发冷却器一次送风管软连接与壳体上靠近离心式送风机的一侧相连。
液冷剂流通管包括液冷剂回剂管和液冷剂送剂管，液冷剂回剂管和液冷剂送剂管分别与液冷剂蒸发冷凝盘管的两端口相连，液冷剂送剂管与液冷剂蒸发冷凝盘管连接处还设置有液冷剂循环泵。
本发明空调系统的有益效果是：
(1)制冷系统采用蒸发冷凝以及间接、直接蒸发冷却技术，液冷与风冷有机结合的联合降温散热的技术手段，以水以及液冷剂作为制冷剂或载冷剂，将通过蒸发冷凝对液冷剂进行降温散热，同时通过间接蒸发冷却对数据中心回风进行等湿降温处理，不会存在氟利昂泄漏问题或者冷凝结露滴水问题，对数据中心IT设备和环境无危害无污染，安全、绿色、经济、环保。
(2)在数据中心的散热源头即芯片处进行浸液式源头降温散热，高效节能，液冷散热系统由浸液池、液冷剂供回管道、液冷剂循环泵、液冷剂冷凝盘管、循环水布水器、轴流式排风机、循环水泵等组成。空调系统开始运作则液冷剂在蒸发冷凝盘管内开始流动、管外循环水喷淋开始喷淋，在冷凝盘管外不断发生空气与水的直接蒸发冷却降温过程，进而通过管壁吸收管内高温液冷剂的热量，而最终散热冷却液冷剂，液冷剂液循环往复经过数据中心液冷池进而源源不断的对芯片进行高效散热。
(3)进风侧预冷的直接蒸发冷却器由初效过滤器、布水器、循环水泵底部循环水集水箱、直接蒸发冷却填料所组成，当该空调系统运行时，直接蒸发冷却器循环水泵开始运作，布水器开始喷淋循环水在填料上，则从进风口进来的新风流经填料与附在填料表面的水膜发生绝热热湿交换，使得进风得到预冷进而进一步流入蒸发冷凝散热模块，以实现蒸发冷凝模块在高效运作状态下。
(4)机组内直接—板管式间接蒸发冷却器由底部直接蒸发冷却器、板管式间接蒸发冷却器、循环水泵、布水器、二次侧排风机、一次侧离心式送风机、间—直接共用循环水集水箱七部分组成，其中室外新风作为二次空气由底部进入直接蒸发冷却器进行冷却后，再经过板管式间接蒸发冷却器湿通道与喷淋水在湿通道进行绝热热湿交换，进而通过板管换热壁将一次侧空气(即数据中心大环境的回风)进行等湿冷却后，经一次侧离心风机送入数据中心下部高温冷风送风通道中，最终经数据中心下部送风口送入数据中心内，对数据中心内部空气环境进行冷却散热。
(5)将制冷空调机组的进风进行预冷的直接蒸发冷却器、液冷剂的冷凝散热的蒸发冷凝散热模块、直接—板管式间接蒸发冷却器、离心送风机等结合在一个机组内构成一个整体，使得机组集成度高、高效节能、结构紧凑、安装施工方便；适用于一般的大、中、小型数据中心或数据机房或边缘数据中心、(大、中、小)型互联网公司的服务器工作站、企事业单位的一些中、小型数据机房等场所进行散热降温。
附图说明
图1是本发明空调系统的结构示意图；
图2是本发明空调系统中芯片级浸液式冷却散热液冷剂工作示意图。
图中，1.数据中心机柜，2.液冷剂回剂管，3.液冷剂送剂管，4.数据中心室内上部回风层，5.数据中心室内下部高温冷风送风层，6.数据中心回风管，7.数据中心送风管，8.液冷剂蒸发冷凝盘管，9.液冷剂循环泵，10.直接—板管式间接蒸发冷却器新风进风格栅，11.直接—板管式间接蒸发冷却器蓄水池液位计，12.蒸发冷凝散热模块离心式排风机，13.补水口，14.泄水口，15.循环水泵，16.循环水供水管，17.直接蒸发冷却填料，18.循环水箱，19.循环水液位计，20.直接蒸发冷却器进风初效过滤器，21.直接蒸发冷却器进风口，22.布水器，23.直接—板管式间接蒸发冷却器泄水口，24.直接—板管式间接蒸发冷却器补水口，25.直接—板管式间接蒸发冷却器循环水泵，26.直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管，27.直接—板管式间接蒸发冷却器一次风侧中效过滤器，28.直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧轴流排风机，29.直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧排风口，30.直接—板管式间接蒸发冷却器布水器，31.直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体，32.挡水板，33.离心式送风机，34.直接—板管式间接蒸发冷却器一次送风管软连接，35.直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱，36.被冷却液冷剂供入管，37.吸收芯片散热液冷剂回流管，38.浸没式液冷剂，39.散热芯片，40.液冷剂浸液池，41.数据中心上部回风口，42.数据中心下部送风口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统，如图1所示，包括壳体内并列设置的直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器，液冷剂蒸发冷凝器通过液冷剂流通管与设置在数据中心的芯片散热系统连接；壳体内、直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器的上方设置有直接—板管式间接蒸发冷却器，直接—板管式间接蒸发冷却器通过循环风管与数据中心送回风系统相连接。
直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器上方和下方分别设置有布水器22和循环水箱18，布水器22通过循环水供水管16与循环水箱18相连，循环水供水管16与循环水箱18连接处设置有循环水泵15；直接蒸发冷却器包括设置在直接蒸发冷却器一侧壳体上的直接蒸发冷却器进风口21，直接蒸发冷却器进风口21内侧设置直接蒸发冷却器进风初效过滤器20，直接蒸发冷却器进风初效过滤器20内侧壳体内设置有直接蒸发冷却填料17；液冷剂蒸发冷凝器包括液冷剂蒸发冷凝盘管8，液冷剂蒸发冷凝盘管8上方设置有蒸发冷凝散热模块离心式排风机12。循环水箱18侧壁上设置有循环水液位计19、补水口13和泄水口14。此装置中空气进入空调机组首先要通过蒸发冷却器进风口21然后通过直接蒸发冷却器进风初效过滤器20进而进一步进入直接蒸发冷却填料17，而空气在填料表面进而与经循环水泵15、循环水供水管16且经过布水器22而自动喷淋到填料表面的水发生直接蒸发冷却，进而对于进风进行等焓降温过程，以保证进入蒸发冷凝模块的风是有被预冷过的，从而提高了液冷剂蒸发冷凝模块的换热效率，如若喷淋水不足可通过补水口13进行补水，机组停止不用时可将喷淋水经泄水口14排掉。
直接—板管式间接蒸发冷却器包括从下往上依次设置的直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱35、直接—板管式间接蒸发冷却器新风进风格栅10、直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体31、直接—板管式间接蒸发冷却器布水器30、直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧轴流排风机28，直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧轴流排风机28上方壳体对应位置设置有直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧排风口29，直接—板管式间接蒸发冷却器布水器30通过直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管26连接直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱35，直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管26与直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱35连接处设置有直接—板管式间接蒸发冷却器循环水泵25，直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体31内侧设置有挡水板32，挡水板32内侧设置有离心式送风机33。直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱35侧壁上设置有直接—板管式间接蒸发冷却器蓄水池液位计11、直接—板管式间接蒸发冷却器泄水口23和直接—板管式间接蒸发冷却器补水口24。芯片散热系统，如图2所示，包括放置于液冷剂浸液池40内的散热芯片39，散热芯片39由浸没式液冷剂38覆盖，液冷剂浸液池40与被冷却液冷剂供入管36和吸收芯片散热液冷剂回流管37连接。液冷剂流通管包括液冷剂回剂管2和液冷剂送剂管3，液冷剂回剂管2和液冷剂送剂管3分别与液冷剂蒸发冷凝盘管8的两端口相连，液冷剂送剂管3与液冷剂蒸发冷凝盘管8连接处还设置有液冷剂循环泵9。
直接—板管式间接蒸发冷却器、液冷剂流通管及芯片散热系统对芯片进行液冷冷却散热的流程为：吸收了芯片散热量而升温的浸没式液冷剂38经吸收芯片散热液冷剂回流管37到液冷剂回剂管2进入液冷剂蒸发冷凝盘管8，后经从循环水箱18中依次经过循环水供水管16进入循环水泵15而进一步供入布水器22经喷嘴将水喷洒在液冷剂蒸发冷凝盘管外表面，这时水与经过上一部分经过直接蒸发遇冷的空气进一步在管外发生直接蒸发冷却，吸收经盘管壁面所散出的的液冷剂的热量，进而实现对液冷剂的蒸发冷凝散热，而经过管外直接蒸发冷却后升温的空气经过蒸发冷凝散热模块离心式排风机12被排出机组外，而散热冷却后的液冷剂又再经过液冷剂循环泵9加压后又经过液冷剂送剂管3到被冷却液冷剂供入管36、又回到液冷剂浸液池40，如此循环往复的对芯片进行浸液式散热。
数据中心送回风系统包括在数据中心房间内、数据中心机柜1下方设置的数据中心室内下部高温冷风送风层5和数据中心机柜1上方设置的数据中心室内上部回风层4，数据中心室内下部高温冷风送风层5的上侧壁上、对应数据中心机柜1的位置开有数据中心下部送风口42，数据中心室内上部回风层4侧壁上开有数据中心上部回风口41。循环风管包括与数据中心室内上部回风层4相连的数据中心回风管6，数据中心回风管6内部设置有直接—板管式间接蒸发冷却器一次风侧中效过滤器27，数据中心回风管6再与壳体上直接—板管式间接蒸发冷却器一侧相连；数据中心室内下部高温冷风送风层5与数据中心送风管7相连，数据中心送风管7通过直接—板管式间接蒸发冷却器一次送风管软连接34与壳体上靠近离心式送风机33的一侧相连。室外空气作为二次侧空气从直接—板管式间接蒸发冷却器新风进风格栅10进入经过直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体31，首先经过直接蒸发冷却对二次空气进行预冷处理之后二次空气在进入板管式间接蒸发冷却湿通道与经过直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管26和直接—板管式间接蒸发冷却器循环水泵25加压后送入直接—板管式间接蒸发冷却器布水器30的喷淋循环水分别在直接蒸发冷却填料与板管式间接蒸发冷却湿通道(即二次空气侧)依次发生直接直接蒸发冷却过程而为一次侧提供降温动力，而其一次侧空气为来自经过吸收数据中心内部空气热量的热的回风经数据中心上部回风口41再通过数据中心室内上部回风层4经数据中心回风管6再经过直接—板管式间接蒸发冷却器一次风侧中效过滤器27进一步净化后,送入板管式间接蒸发冷却换热芯体中的一次侧发生间接的等湿降温过程被冷却的数据中心室内回风再经过挡水板32后经过离心式送风机33再经过直接—板管式间接蒸发冷却器一次送风管软连接34连接数据中心送风管7再送入数据中心室内上部回风层4最终经过数据中心下部送风口42重新又送回数据中心内部，如此循环往复的对数据中心内环境进行降温冷却。如若喷淋水不足可通过直接—板管式间接蒸发冷却器补水口24进行补水，机组停止不用时可将喷淋水经直接—板管式间接蒸发冷却器泄水口23排掉。
进一步，本发明一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统将将制冷空调机组的进风进行预冷的直接蒸发冷却器、液冷剂的冷凝散热的蒸发冷凝散热模块、直接—板管式间接蒸发冷却器、离心送风机等结合在一个机组内构成一个整体，使得机组集成度高、结构紧凑、便于加工、实用性强；同时机组内直接蒸发冷却器以及间接—直接复合芯体都分使得进风或者二次风得到了适当的遇冷，从而使整个机组的换热工作效率也有相应的提升。
综上所述，本发明提供了一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统，综合利用将将制冷空调机组的进风进行预冷的直接蒸发冷却器、液冷剂的冷凝散热的蒸发冷凝散热模块、直接—板管式间接蒸发冷却器、离心送风机等结合在一个机组内构成一个整体，使得机组集成度高、结构紧凑；同时使得数据中心内部空气在得到了温、湿度的控制与调节的同时也对数据中心散热的最主要的源头芯片(CPU)进行直接接触式浸没液冷降温散热处理，并且在液冷剂蒸发冷凝模块与直接—板管式间接蒸发冷却器都就工作空气进行了预冷进而提高了换热效率，同时机组下部模块同用一个循环水泵同用一根循环水供水管进而更加节能高效、结构更加简便更加以维护管理，从而使整个机组的工作效率也有相应的提升。
Claims (9)
1.一种基于液冷与蒸发冷却技术相结合的数据中心用空调系统，其特征在于，包括壳体内并列设置的直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器，所述的液冷剂蒸发冷凝器通过液冷剂流通管与设置在数据中心的芯片散热系统连接；壳体内、直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器的上方设置有直接—板管式间接蒸发冷却器，所述的直接—板管式间接蒸发冷却器通过循环风管与数据中心送回风系统相连接。
2.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，所述的直接蒸发冷却器和液冷剂蒸发冷凝器上方和下方分别设置有布水器(22)和循环水箱(18)，所述布水器(22)通过循环水供水管(16)与循环水箱(18)相连，所述的循环水供水管(16)与循环水箱(18)连接处设置有循环水泵(15)；所述的直接蒸发冷却器包括设置在直接蒸发冷却器一侧壳体上的直接蒸发冷却器进风口(21)，直接蒸发冷却器进风口(21)内侧设置直接蒸发冷却器进风初效过滤器(20)，所述的直接蒸发冷却器进风初效过滤器(20)内侧壳体内设置有直接蒸发冷却填料(17)；所述的液冷剂蒸发冷凝器包括液冷剂蒸发冷凝盘管(8)，所述的液冷剂蒸发冷凝盘管(8)上方设置有蒸发冷凝散热模块离心式排风机(12)。
3.根据权利要求2所述的空调系统，其特征在于，所述的循环水箱(18)侧壁上设置有循环水液位计(19)、补水口(13)和泄水口(14)。
4.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述的直接—板管式间接蒸发冷却器包括从下往上依次设置的直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱(35)、直接—板管式间接蒸发冷却器新风进风格栅(10)、直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体(31)、直接—板管式间接蒸发冷却器布水器(30)、直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧轴流排风机(28)，所述的直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧轴流排风机(28)上方壳体对应位置设置有直接—板管式间接蒸发冷却器二次侧排风口(29)，所述的直接—板管式间接蒸发冷却器布水器(30)通过直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管(26)连接直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱(35)，所述的直接—板管式间接蒸发冷却器循环水供水管(26)与直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱(35)连接处设置有直接—板管式间接蒸发冷却器循环水泵(25)，所述的直接—板管式间接蒸发冷却器直接加间接复合换热芯体(31)内侧设置有挡水板(32)，所述的挡水板(32)内侧设置有离心式送风机(33)。
5.根据权利要求4所述的空调系统，其特征在于，所述的直接—板管式间接蒸发冷却器循环水蓄水箱(35)侧壁上设置有直接—板管式间接蒸发冷却器蓄水池液位计(11)、直接—板管式间接蒸发冷却器泄水口(23)和直接—板管式间接蒸发冷却器补水口(24)。
6.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述的芯片散热系统包括放置于液冷剂浸液池(40)内的散热芯片(39)，所述的散热芯片(39)由浸没式液冷剂(38)覆盖，所述的液冷剂浸液池(40)与被冷却液冷剂供入管(36)和吸收芯片散热液冷剂回流管(37)连接。
7.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述的数据中心送回风系统包括在数据中心房间内、数据中心机柜(1)下方设置的数据中心室内下部高温冷风送风层(5)和数据中心机柜(1)上方设置的数据中心室内上部回风层(4)，所述的数据中心室内下部高温冷风送风层(5)的上侧壁上、对应数据中心机柜(1)的位置开有数据中心下部送风口(42)，所述数据中心室内上部回风层(4)下侧壁上开有数据中心上部回风口(41)。
8.根据权利要求7所述的空调系统，其特征在于，所述的循环风管包括与所述的数据中心室内上部回风层(4)相连的数据中心回风管(6)，所述的数据中心回风管(6)内部设置有直接—板管式间接蒸发冷却器一次风侧中效过滤器(27)，所述的数据中心回风管(6)再与壳体上直接—板管式间接蒸发冷却器一侧相连；所述的数据中心室内下部高温冷风送风层(5)与数据中心送风管(7)相连，所述的数据中心送风管(7)通过直接—板管式间接蒸发冷却器一次送风管软连接(34)与壳体上靠近离心式送风机(33)的一侧相连。
9.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述的液冷剂流通管包括液冷剂回剂管(2)和液冷剂送剂管(3)，所述的液冷剂回剂管(2)和液冷剂送剂管(3)分别与液冷剂蒸发冷凝盘管(8)的两端口相连，所述的液冷剂送剂管(3)与液冷剂蒸发冷凝盘管(8)连接处还设置有液冷剂循环泵(9)。
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