CN117177545B - 一种机房空调 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机房空调，包括机箱散热器和室外机。机箱散热器包括板式散热单元、蒸发罐式散热单元和膨胀阀，室外机包括压缩机单元和冷凝器单元，冷凝器单元包括冷凝器和冷凝器风扇。冷凝器风扇形成的气流经过冷凝器，并且冷凝器风扇的转速能够调整。冷凝器、板式散热单元、膨胀阀、蒸发罐式散热单元和压缩机单元依次连接，压缩机单元的输出端再连接冷凝器的输入端。本发明针对不同温度需求的电气元件，通过调整室外机冷凝器风扇的转速和机箱散热器膨胀阀的开度，调节制冷剂的压力和饱和温度，最终调节不同散热器的制冷能力，为不同工作温度要求的机房组件提供个性化的散热方案。

Description

一种机房空调

技术领域

本发明涉及一种机房空调，属于空气调节技术领域。

背景技术

目前，机箱、电气柜中的高功率芯片越来越多，散热问题日益严重。电气设备运行产生的高温会影响芯片和电子元器件的使用寿命，传统解决方案是在机房、电气柜室、控制间内安装空调，对电子设备和室内环境一同降温。

在申请号为202210562125.8的中国专利申请中，公开了一种两相流双循环多模式数据中心机柜散热系统。该散热系统包括：数据中心机柜、服务器直冷板、散热背板、蒸发器电磁阀、蒸发器电子膨胀阀、直冷板电磁阀、直冷板电子膨胀阀、直冷板总电磁阀、压缩机循环电磁阀、变频制冷剂泵、储液器、冷凝器、变频压缩机和制冷剂泵循环电磁阀。该散热系统具有压缩机循环和制冷剂泵循环两种可以自由切换的制冷循环方式，并且可以根据机柜散热需求、载荷大小灵活控制，选择是否打开冷板散热和蒸发器风扇散热，极大地提高了制冷量利用效率，避免了因数据中心载荷不同而造成的资源浪费。

类似地，现有技术均是通过空调系统对机房环境、机箱环境进行降温，间接降低高发热芯片的温度。室内空间大，保温性差，降温能耗高，并且不是所有发热元件都有低温要求。因此，对比给整个环境进行降温的现有技术，仅对部分高精度、高频率的芯片降温可节约能耗。实践证明，现有技术不能按发热元件发热量的大小，为不同发热量的元件提供不同的制冷量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种机房空调。

为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：

根据本发明实施例，提供一种机房空调，包括机箱散热器和室外机；其中，

所述机箱散热器包括板式散热单元、蒸发罐式散热单元和膨胀阀；

所述室外机包括压缩机单元和冷凝器单元，均设置于机箱外；所述冷凝器单元包括冷凝器和冷凝器风扇；所述冷凝器风扇形成的气流经过所述冷凝器；

所述冷凝器的输出端连接所述板式散热单元的输入端，所述板式散热单元的输出端连接所述膨胀阀的输入端，所述膨胀阀的输出端连接所述蒸发罐式散热单元的输入端；

所述蒸发罐式散热单元的输出端连接所述压缩机单元的输入端，所述压缩机单元的输出端连接所述冷凝器的输入端；其中，

所述板式散热单元中的制冷剂处于高压高饱和温度状态，所述冷凝器单元通过调整所述冷凝器风扇的转速改变所述冷凝器的散热量，以此改变经过所述冷凝器的制冷剂温度，伴随制冷剂温度降低，制冷剂压力随之降低，通过调整压力来调整板式换热器的制冷剂饱和温度，从而控制所述板式换热器的制冷温度；

所述蒸发罐式散热单元中的制冷剂处于蒸发后的低压低饱和温度状态，通过调整所述膨胀阀的开度调整输入蒸发罐式散热器的制冷剂压力，以此调整所述蒸发罐式散热器的制冷剂饱和温度，从而控制所述蒸发罐式散热器的制冷温度。

其中较优地，所述压缩机单元包括蒸发罐、气液分离器、压缩机、吸气温度传感器、吸气压力传感器、排气温度传感器和排气压力传感器；其中，

所述蒸发罐的吸气输入端连接所述压缩机单元的输入端，吸气输出端连接气液分离器的输入端，排气输入端连接压缩机的输出端，排气输出端连接所述压缩机单元的输出端；

所述气液分离器的输入端连接所述蒸发罐的吸气输出端，输出端连接所述压缩机的输入端；

所述压缩机的输入端连接所述气液分离器的输出端，输出端连接所述蒸发罐的排气输入端；

所述蒸发罐的吸气输出端和所述气液分离器的输入端的连接管路上，设置所述吸气温度传感器和所述吸气压力传感器；所述压缩机的输出端和所述蒸发罐的排气输入端的连接管路上，设置所述排气温度传感器和所述排气压力传感器。

其中较优地，增压后的制冷剂由所述蒸发罐的排气输入端输入，作为工质对由吸气输入端输入所述蒸发罐的制冷剂进行加热，让气液分离器中的液态制冷剂蒸发，以防止压缩机液击损坏。

其中较优地，输入所述压缩机的制冷剂的过热度由所述吸气温度传感器和所述吸气压力传感器测量，所述过热度由所述膨胀阀的开度进行控制。

其中较优地，所述板式散热单元的制冷温度由所述排气压力传感器测量，所述制冷温度由所述冷凝器风扇的转速进行控制。

其中较优地，所述板式散热单元包括一个或多个板式散热器，所述板式散热器相互间为串联和/或并联连接。

其中较优地，所述蒸发罐式散热单元包括一个或多个蒸发罐式散热器，所述蒸发罐式散热器相互间为并联连接。

其中较优地，所述机箱散热器还包括环温通风散热单元；其中，所述环温通风散热单元包括一个或多个通风风扇，用于将机箱外的空气引入机箱内，并将机箱内的空气输出到机箱外。

其中较优地，所述机箱散热器还包括蒸发器单元；其中，所述蒸发器单元包括蒸发器和蒸发器风扇；所述蒸发器风扇形成的气流经过所述蒸发器，并且所述蒸发器风扇的转速能够调整；

所述蒸发器的输入端连接所述蒸发罐式散热单元的输出端，输出端连接所述压缩机单元的输入端。

与现有技术相比较，本发明针对不同温度需求的电气元件，通过调整室外机冷凝器风扇的转速和机箱散热器膨胀阀的开度，调节制冷剂的压力和饱和温度，最终调节不同散热器的制冷能力，为不同工作温度要求的机房组件提供个性化的散热方案。

附图说明

图1为本发明第一实施例中，机房空调的系统示意图；

图2为本发明第二实施例中，机房空调的系统示意图；

图3为本发明第二实施例中，机箱散热器的结构示意图；

图4为图3中机箱散热器结构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明实施例中的技术构思是利用制冷剂在不同压力下有不同的饱和温度的特点，以及液态制冷剂焓值大的特点，使不同类型的制冷剂散热器工作在不同的恒定温度。具体地说，本发明实施例中利用串联板式散热单元和蒸发罐式散热单元，为不同发热量的元件提供不同的冷量。其中，板式散热器为制冷温度在28～51℃（温度范围可另行设定）的恒温散热器，原理为制冷剂流经板式散热器内的管路或孔道，吸收基板传递的热能，适用于工作温度为75℃及以下的元件制冷；蒸发罐式散热器为制冷温度在－2～10℃（温度范围可另行设定）的恒温散热器，原理为制冷剂注入蒸发罐式散热器后蒸发相变，吸收基板传递的热能，适用于工作温度为35℃及以下的元件制冷。对于机箱内的其他元件，采用通风散热方式制冷。

第一实施例

如图1所示，本发明实施例提供的一种机房空调，包括机箱散热器1和室外机2。其中，机箱散热器1包括板式散热单元11、蒸发罐式散热单元12、环温通风散热单元13和膨胀阀15，均设置在机箱内或机箱侧板、顶板、底板上。室外机2包括压缩机单元21和冷凝器单元22，均设置在机房室外。机箱散热器1与室外机2之间，由管路连通。

板式散热单元11，包括一个或多个板式散热器111，各板式散热器111的基板与发热元件接触。

蒸发罐式散热单元12，包括一个或多个蒸发罐式散热器121，各蒸发罐式散热器121的基板与发热元件接触。

环温通风散热单元13，包括多个通风风扇131，各通风风扇131安装于机箱内或机箱侧板、顶板、底板上。

压缩机单元21，包括蒸发罐211、气液分离器212、压缩机213、排气温度传感器214、排气压力传感器215、吸气温度传感器216和吸气压力传感器217。其中，蒸发罐211包括吸气输入端211a、吸气输出端211b、排气输入端211c和排气输出端211d。

冷凝器单元22，包括冷凝器221和冷凝器风扇222。

冷凝器221的制冷剂输出端，连接板式散热器111的制冷剂输入端。多个板式散热器111串联和/或并联连接。板式散热器111的制冷剂输出端，连接膨胀阀15的输入端。

膨胀阀15的输出端，连接蒸发罐式散热器121的制冷剂输入端。多个蒸发罐式散热器121并联连接。蒸发罐式散热器121的制冷剂输出端，连接蒸发罐211的吸气输入端211a。

蒸发罐211的吸气输出端211b，连接气液分离器212的输入端，该连接管路为吸气管路201。在吸气管路201上，设置有吸气温度传感器216和吸气压力传感器217。气液分离器212的输出端，连接压缩机213的输入端。压缩机213的输出端，连接蒸发罐211的排气输入端211c，该连接管路为排气管路202。在排气管路202上，设置有排气温度传感器214、排气压力传感器215。

蒸发罐211的排气输出端211d，连接冷凝器221的制冷剂输入端。冷凝器风扇222的风路经过冷凝器221。

本发明实施例提供的机房空调的管路中，充有制冷剂。冷凝器风扇222辅助冷凝器221对制冷剂进行冷凝降温。制冷剂经冷凝器221冷凝后，以液态形式输入板式散热器111中进行热交换，对与板式散热器111接触的元件制冷。板式散热器111的制冷温度恒定在28～51℃区间，可以设定更精确的温度区间，例如某温度值ta±1℃。

需要说明的是，这里的制冷剂处于高压高饱和温度状态，高压压力可控制在1.8～3.2MPa，饱和温度在28～51℃。针对高压高饱和温度状态的制冷剂，主要是通过冷凝器风扇的转速和压力传感器的反馈值来控制压力。具体地说，冷凝器单元22通过调整冷凝器风扇222的转速来改变冷凝器221的散热量，以此改变经过冷凝器221的制冷剂温度，伴随制冷剂温度降低，制冷剂压力随之降低，通过调整压力（例如控制在1.8～3.2MPa区间，由排气压力传感器215测量）来调整板式换热器111的制冷剂饱和温度，从而控制板式换热器111的制冷温度。

在本发明的一个实施例中，因为排气管路202、冷凝器221和板式换热器111是连续导通的，所以其中的制冷剂压力是相同的，因此各板式换热器111的制冷温度也是相同的。

接下来，板式散热器111输出的制冷剂，经膨胀阀15降低压力，即降低了制冷剂的饱和温度。降低了饱和温度的制冷剂输入蒸发罐式散热器121中，通过蒸发相变进行吸热（汽化热），对与蒸发罐式散热器121接触的元件制冷。蒸发罐式散热器121的制冷温度恒定在-2～10℃区间，可以设定更精确的温度区间，例如某温度值tb±1℃。

需要说明的是，这里的制冷剂是蒸发后的低压低饱和温度状态的制冷剂。针对低压低饱和温度状态的制冷剂，主要的控制部件是电子膨胀阀，低压数据来源是低压压力传感器。具体地说，膨胀阀15降低输出的制冷剂压力。伴随压力降低，制冷剂的饱和温度随之降低。本实施例通过调整膨胀阀15的开度来调整输入蒸发罐式散热器121的制冷剂压力（例如控制在0.65～1.1MPa区间，由吸气压力传感器217测量），以此调整蒸发罐式散热器121的制冷剂饱和温度，从而控制蒸发罐式散热器121的制冷温度。

在本发明的一个实施例中，因为蒸发罐式散热器121、蒸发罐211和吸气管路201是连续导通的，所以其中的制冷剂压力是相同的。

制冷剂从蒸发罐式散热器121中排出，经过汇总，由排气输入端211c输入蒸发罐211。制冷剂经蒸发罐211加热升温，转变为气态。制冷剂从蒸发罐211的吸气输出端211b排出，由吸气温度传感器216测量温度，由吸气压力传感器217测量压力。

制冷剂输入气液分离器212，分离制冷剂中的液态组分和气态组分。

气态制冷剂输入压缩机213中进行压缩增压，例如制冷剂压力由0.65～1.1MPa区间升高到1.8～3.2MPa区间，制冷剂的温度随之上升。增压后的制冷剂由压缩机213的输出端排出，由排气温度传感器214测量温度，由排气压力传感器215测量压力。

液态制冷剂或润滑油随气体吸入压缩机气缸时损坏吸气阀片的现象，以及进入气缸后没有在排气过程迅速排出，在活塞接近上止点时，被压缩而产生的瞬间高液压的现象通常被称为液击。液击可以在很短时间内造成压缩受力件（如阀片、活塞、连杆、曲轴、活塞销等）的损坏，是空调压缩机的致命杀手。在本发明的应用场景中，因为机房内的温度不稳定，可能会出现需求忽然降低，造成大量液态制冷剂回到气液分离器，有可能导致液击现象的发生。

为了有效防止液击现象，在本发明的一个实施例中，增压后的制冷剂由蒸发罐211的排气输入端211c输入，作为工质对由吸气输入端211a输入蒸发罐211的制冷剂进行加热，由排气输入端211c输入的制冷剂的温度随之降低。这里通过高压高温状态的制冷剂，让气液分离器中的液态制冷剂蒸发，可以有效防止液态制冷剂回到压缩机，造成压缩机被液击损坏。

接下来，制冷剂由蒸发罐211的排气输出端211d排出，输入冷凝器221中冷凝降温为液态，继续输入板式散热器111中，如此循环。

在本发明的一个实施例中，多个通风风扇131在机箱中形成风路，将外空气引入机箱内，辅助其他发热元件进行风冷散热，并将机箱内的空气输出到机箱外。需要说明的是，这部分是选装件，是给整个电控箱内空气降温的方式。如果电控箱内没有特别需要降温的部品可以不使用。

因为压缩机213吸入的制冷剂需要有足够的过热度，所以在制冷剂输入压缩机213之前配置蒸发罐211，利用压缩机213输出的增压后的制冷剂的温度，使由机箱散热器1回到室外机2的制冷剂进一步蒸发。保证压缩机213吸入的制冷剂有足够的过热度的另一个手段，是通过PID控制器控制膨胀阀15的开度，来控制制冷剂的流量：①当过热度高于需要，膨胀阀15开大，增加制冷剂的流量；②当过热度低于需要，膨胀阀15关小，减小制冷剂的流量。

在本发明的一个实施例中，制冷剂的过热度设定区间为3～7K。其中，t1为吸气温度传感器216测量到的温度值，P1为吸气压力传感器217测量到压力值，t2为制冷剂在压力P1下的饱和温度值。则t1－t2的差值即为制冷剂的过热度。

从上述说明可以看出，本发明实施例中利用高压饱和温度状态的制冷剂、低压饱和温度状态的制冷剂以及风冷散热的灵活组合，可以形成三种温度阶梯，满足不同机房部件的降温需求。

第二实施例

如图2所示的一种机房空调，与第一实施例不同的是，机箱散热器1还包括蒸发器单元14，不包括环温通风散热单元13。其中，蒸发器单元14包括蒸发器141和蒸发器风扇142。

蒸发罐式散热器121的制冷剂输出端，经过并联汇总，连接蒸发器141的输入端。蒸发器141的输出端，连接蒸发罐211的吸气输入端211a。

在第二实施例中，室外机2、板式散热单元11、膨胀阀15和蒸发罐式散热单元12之间的连接关系与第一实施例相同，在此不再赘述。

制冷剂从蒸发罐式散热器121中排出，经过汇总输入蒸发器141中，对流经蒸发器141的机箱空气进行降温。蒸发器风扇142使机箱内空气流经蒸发器141，机箱内空气经蒸发器141制冷降温后，对机箱内其他元件进行风冷散热。制冷剂从蒸发器141排出，由蒸发罐211的吸气输入端211a输入蒸发罐211。

本实施例利用蒸发罐式散热单元12输出的制冷剂中的冷量，对机箱内空气进行降温，由降温后的机箱内空气冷却其他未与板式散热器111和蒸发罐式散热器121接触的发热元件。本实施例中，其他实施效果与第一实施例相同，不再赘述。

因为不是机箱内的所有发热元件都有工作温度的要求，而是仅部分高精度、高频率芯片有工作温度区间的要求，所以对不同工作温度要求的元件制定不同的散热方案。本发明实施例中，对工作温度为35℃及以下的元件采用蒸发罐式散热器121制冷，对工作温度为75℃及以下的元件采用板式散热器111制冷，对不要求工作温度的元件采用风冷制冷，通过调整室外机2的冷凝器风扇222的转速和机箱散热器1的膨胀阀15的开度，来调节制冷剂的压力和饱和温度，最终调节各个板式散热器111和蒸发罐式散热器121的制冷能力，并由排气温度传感器214、排气压力传感器215、吸气温度传感器216和吸气压力传感器217进行监控测量。

综上所述，本发明实施例提供的机房空调，利用制冷剂在不同压力下有不同的饱和温度的特点，以及液态制冷剂焓值大的特点，使不同类型的制冷剂散热器，工作在不同的恒定温度，为不同发热量的机箱内元件提供定制的制冷量。本发明实施例提供的技术方案，比现有技术中机房空调冷却机箱外空气，再由机箱外空气冷却机箱内元件的方案节约能耗，同时能更好地满足高精度、高频率芯片对工作环境温度的要求。

需要说明的是，上述多个实施例只是举例，各个实施例的技术方案之间可以进行组合，均在本发明的保护范围内。

需要理解的是，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

上面对本发明提供的机房空调进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种机房空调，其特征在于包括机箱散热器和室外机；其中，

所述机箱散热器包括板式散热单元、蒸发罐式散热单元和膨胀阀；

所述室外机包括压缩机单元和冷凝器单元，均设置于机箱外；

所述压缩机单元包括蒸发罐、气液分离器、压缩机、吸气温度传感器、吸气压力传感器、排气温度传感器和排气压力传感器；其中，

所述蒸发罐的吸气输入端连接所述压缩机单元的输入端，吸气输出端连接气液分离器的输入端，排气输入端连接压缩机的输出端，排气输出端连接所述压缩机单元的输出端；

所述气液分离器的输入端连接所述蒸发罐的吸气输出端，输出端连接所述压缩机的输入端；

所述压缩机的输入端连接所述气液分离器的输出端，输出端连接所述蒸发罐的排气输入端；

所述蒸发罐的吸气输出端和所述气液分离器的输入端的连接管路上，设置所述吸气温度传感器和所述吸气压力传感器；所述压缩机的输出端和所述蒸发罐的排气输入端的连接管路上，设置所述排气温度传感器和所述排气压力传感器；

所述冷凝器单元包括冷凝器和冷凝器风扇；所述冷凝器风扇形成的气流经过所述冷凝器；

所述冷凝器的输出端连接所述板式散热单元的输入端，所述板式散热单元的输出端连接所述膨胀阀的输入端，所述膨胀阀的输出端连接所述蒸发罐式散热单元的输入端；

所述蒸发罐式散热单元的输出端连接所述压缩机单元的输入端，所述压缩机单元的输出端连接所述冷凝器的输入端；其中，

所述板式散热单元中的制冷剂处于高压高饱和温度状态，所述冷凝器单元通过调整所述冷凝器风扇的转速改变所述冷凝器的散热量，以此改变经过所述冷凝器的制冷剂温度，伴随制冷剂温度降低，制冷剂压力随之降低，通过调整压力来调整板式换热器的制冷剂饱和温度，从而控制所述板式换热器的制冷温度；所述高压高饱和温度状态为制冷剂进入所述膨胀阀前的状态，压力为1.8～3.2MPa，饱和温度为28～51℃；

所述蒸发罐式散热单元中的制冷剂处于蒸发后的低压低饱和温度状态，通过调整所述膨胀阀的开度调整输入蒸发罐式散热器的制冷剂压力，以此调整所述蒸发罐式散热器的制冷剂饱和温度，从而控制所述蒸发罐式散热器的制冷温度；所述低压低饱和温度状态为制冷剂离开所述膨胀阀后的状态，压力为0.65～1.1MPa，饱和温度为-2～10℃。

2.如权利要求1所述的机房空调，其特征在于：

增压后的制冷剂由所述蒸发罐的排气输入端输入，作为工质对由吸气输入端输入所述蒸发罐的制冷剂进行加热，让气液分离器中的液态制冷剂蒸发，以防止压缩机液击损坏。

3.如权利要求1所述的机房空调，其特征在于：

输入所述压缩机的制冷剂的过热度由所述吸气温度传感器和所述吸气压力传感器测量，所述过热度由所述膨胀阀的开度进行控制。

4.如权利要求2所述的机房空调，其特征在于：

所述板式散热单元的制冷温度由所述排气压力传感器测量，所述制冷温度由所述冷凝器风扇的转速进行控制。

5.如权利要求1所述的机房空调，其特征在于：

所述板式散热单元包括一个或多个板式散热器，所述板式散热器相互间为串联和/或并联连接。

6.如权利要求1所述的机房空调，其特征在于：

所述蒸发罐式散热单元包括一个或多个蒸发罐式散热器，所述蒸发罐式散热器相互间为并联连接。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的机房空调，其特征在于所述机箱散热器还包括环温通风散热单元；其中，

所述环温通风散热单元包括一个或多个通风风扇，用于将机箱外的空气引入机箱内，并将机箱内的空气输出到机箱外。

8.如权利要求1～6中任意一项所述的机房空调，其特征在于所述机箱散热器还包括蒸发器单元；其中，

所述蒸发器单元包括蒸发器和蒸发器风扇；所述蒸发器风扇形成的气流经过所述蒸发器，并且所述蒸发器风扇的转速能够调整；所述蒸发器的输入端连接所述蒸发罐式散热单元的输出端，输出端连接所述压缩机单元的输入端。