CN117979625A - 一种数据中心多相流双冷却段热管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心多相流双冷却段热管系统，包括多相流热管系统、风冷氟空调系统、V型换热器以及设备群控系统。所述多相流热管系统包括室内蒸发段、绝热传输段、室外冷却段；室内蒸发段包括微通道换热器、风机组、控制单元；室外冷却段包括一级冷却段和二级冷却段。所述风冷氟空调系统包括压缩机、四通电磁阀、冷凝器、壳管式换热器、膨胀阀。所述V型换热器包括设备主体、顶部风机，设备主体内安装一级冷却段和风冷氟空调系统冷凝器。所述设备群控系统包括嵌入式主机、智能网关以及综合管理平台。通过多相流热管系统的双冷却段设计，减少了换热级数、降低冷量损失，换热效率大幅提升；数据中心初期上架率较低时，可有效降低建设投资。

Description

一种数据中心多相流双冷却段热管系统

技术领域

本发明涉及数据中心多相流热管应用领域，具体为一种数据中心双冷却段多相流热管系统。

背景技术

数据中心行业虽直接碳排放水平较低，但随着数字经济的快速发展，数据中心的能耗增长迅速。预计2030年数据中心耗电量占全社会用电量的比重将升至3.7％，将成为未来为数不多能源消耗占社会总用电量比例持续增长的行业，数据中心能效提升已成为行业共识。

数据中心耗电量主要由IT系统、冷源系统、供配电系统以及其他辅助系统耗电量组成，其中冷源系统耗电量占总耗电量的20％-25％，降低冷源系统能耗是提升数据中心能效的关键。航天领域的多相流高效传热技术逐渐被引入数据中心冷源系统以提升系统热效率，并与热管、背板空调等技术结合，形成了多相流热管背板空调。

传统的热管背板空调使用氢氟烃类化学制冷剂，通过两相变将数据中心产生的热量向外传导。数据中心风冷空调应用中，热管制冷剂与空调可以共用，可纳入同一个制冷剂循环系统，在室外环境温度足够低的情况下，可通过氟泵实现室内外热交换，无需开启机械压缩制冷。但多相流热管在制冷剂(工质)选择以及内部结构上都与传统空调系统有很大差异，无法共用制冷剂循环系统。数据中心水冷空调应用中，热管循环系统作为空调冷冻水循环系统的一部分，通过壳管式换热器实现热交换，在室外环境温度足够低的情况下，可先通过壳管式换热器将热量交换至冷冻水循环系统，再通过板式换热器将热量交换至室外。但这种方式需经过多级换热过程且存在水泵等耗能设备。以上两种技术方案都存在换热效率低、自然冷应用效果差的问题，同时目前的数据中心建设正在向一体化全链路融合演进，现有方案都不具备快速部署、弹性扩容的能力。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种数据中心双冷却段多相流热管系统。针对多相流热管技术独有的运行工质及内部结构，让其形成一个独立的自循环系统；通过双冷却段设计减少换热级数、延长自然冷应用时间；通过模块化设计提升系统弹性扩容的能力。

(二)技术方案

为实现上述减少多相流热管换热级数、延长自然冷应用时间、提升系统弹性扩容的能力的目的，本发明提供如下技术方案：一种数据中心双冷却段多相流热管系统，包括多相流热管系统、风冷氟空调系统、V型换热器以及设备群控系统。

本发明中，所述多相流热管系统包括室内蒸发段、绝热传输段、室外冷却段。所述室内蒸发段包括微通道换热器、风机组、控制单元，所述控制单元包括控制模块、温度传感器，温度传感器部署在风机组出风口，用于测定风机组出风温度，控制模块根据温度传感器数据控制风机组运行；所述室外冷却段包括一级冷却段和二级冷却段，所述一级冷却段采用微通道换热器，安装在V型换热器内，所述二级冷却段与风冷氟空调系统壳管式换热器连接；所述绝热传输段用于连接室内蒸发段和室外冷却段，包括传输支管、传输干管，传输支管用于连接多个室内蒸发段微通道换热器，传输干管用于汇聚传输支管内工质，绝热段采用热绝缘材料覆盖；所述室外冷却段安装时与室内蒸发段预留1.5米高度差以保证多相流热管内部工质基于重力自循环。

本发明中，所述风冷氟空调系统包括压缩机、四通电磁阀、冷凝器、壳管式换热器、膨胀阀。所述压缩机用于机械补冷，当无法利用自然冷源时，由压缩机机械制冷并通过壳管式换热器与多相流热管系统进行热交换；所述冷凝器采用铜管铝翅片与多相流热管系统一级冷却段共同安装在V型换热器内。

本发明中，所述V型换热器包括设备主体、顶部风机。所述设备主体内安装多相流热管系统一级冷却段和风冷氟空调系统冷凝器，采用V字型布局，设备主体进风口安装度传感器，用于测定室外干(湿)球温度；所述顶部风机可使用轴流式或离心式变频风机。

本发明中，所述设备群控系统包括嵌入式主机、智能网关以及综合管理平台，所述嵌入式主机与智能网关连接，并安装综合管理平台；所述智能网关与V型换热器主体进风口温度传感器、风冷氟空调系统压缩机、V型换热器顶部风机以及多相流热管系统室内蒸发段控制单元连接，连接通过有线传输或配置无线模组(WIFI等)通过无线传输；所述综合管理平台根据温度传感器数据控制风冷氟空调系统压缩机、V型换热器顶部风机和多相流热管系统微通道换热器风机组运行。

本发明中，所述风冷氟空调系统、V型换热器、多相流热管系统室外冷却段采用模块化设计共同组成室外单元，所述多相流热管系统室内蒸发段为室内单元，所述室外单元和室内单元通过多相流热管系统绝热传输段连接。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种数据中心双冷却段多相流热管系统，具备以下有益效果：

(1)该数据中心双冷却段多相流热管系统，多相流热管系统室外冷却段采用双冷却段设计，系统内部最多经过两级换热过程，冷量损失大大减少。

(2)该数据中心双冷却段多相流热管系统，室外单元采用模块化设计，可实现快速部署、弹性扩容。数据中心初期上架率较低时，可有效降低建设投资。

附图说明

图1为本发明的系统逻辑图；

图2为本发明V型换热器设备结构图；

图3为本发明联控系统连接图；

图4为本发明的系统安装示意图；

图5为本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种数据中心双冷却段多相流热管系统，包括多相流热管系统、风冷氟空调系统、V型换热器以及联控系统。

所述多相流热管系统，包括室内蒸发段、绝热传输段、室外冷却段。室内蒸发段包括微通道换热器、风机组、控制单元，控制单元包括控制模块、温度传感器，温度传感器部署在风机组出风口，用于测定风机组出风温度，控制模块根据温度传感器数据控制风机组运行；室外冷却段包括一级冷却段和二级冷却段，一级冷却段采用微通道换热器并安装在V型换热器内，二级冷却段与风冷氟空调系统壳管式换热器连接；绝热传输段包括传输支管、传输干管，外表面采用热绝缘材料覆盖；室外冷却段与室内蒸发段通过绝热传输段连接，预留1.5米高度差以保证多相流热管内部工质基于重力自循环。

所述风冷氟空调系统包括压缩机、冷凝器、壳管式换热器、膨胀阀。当多相流热管系统无法利用自然冷源时，由压缩机机械补冷并通过壳管式换热器进行热交换；冷凝器采用铜管铝翅片与多相流热管系统一级冷却段共同安装在V型换热器内。

所述V型换热器包括设备主体、顶部风机。设备主体内多相流热管系统一级冷却段微通道换热器和风冷氟空调系统铜管铝翅片冷凝器共同部署并采用V字型布局，设备主体进风口安装度传感器，用于测定室外干(湿)球温度。

所述设备群控系统包括嵌入式主机、智能网关以及综合管理平台。嵌入式主机与智能网关连接，并安装综合管理平台；智能网关通过有线或无线传输的方式与V型换热器主体进风口温度传感器、风冷氟空调系统压缩机、V型换热器顶部风机以及多相流热管系统室内蒸发段控制单元连接；综合管理平台根据温度传感器数据控制风冷氟空调系统压缩机、V型换热器顶部风机和多相流热管系统微通道换热器风机组运行。

发明的关键在于双冷却段设计，当室外干(湿)球温度小于设定值且多相流热管系统室内蒸发段风机出口温度保持相对稳定时，仅启用第一冷却段，机房内的热负荷可通过多相流热管系统带走，无需使用机械补冷。当室外干(湿)球温度大于设定值或室内蒸发段风机出口温度持续上升时，开启风冷氟空调系统压缩机，同时启用第一冷却段和第二冷却段，系统内部最多经过两级换热过程。

除了通过减少换热过程降低冷量损失外，系统部署和扩容也非常灵活，风冷氟空调系统、V型换热器、多相流热管系统室外冷却段通过模块化设计共同组成室外单元。建设初期可根据数据中心上架率选择室外单元数量，并为后期扩容预留空间。

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。

实施例

图1所示的实施例中，一种数据中心双冷却段多相流热管系统由多相流热管系统1、风冷氟空调系统2、V型换热器3以及联控系统组成。

多相流热管系统包括室内蒸发段、绝热传输段、室外冷却段，其中室内蒸发段由微通道换热器1.1、风机组1.2、控制单元1.3组成，控制单元采集风机组出口温度传感器1.4数据，并控制风机组转速；室外冷却段由一级冷却段1.5和二级冷却段1.6组成，一级冷却段采用微通道换热器，安装在V型换热器内，二级冷却段与风冷氟空调系统壳管式换热器连接；绝热传输段由传输支管1.7、传输干管1.8组成，传输支管用于连接多个室内蒸发段微通道换热器，传输干管用于汇聚传输支管内工质，传输干管采用热绝缘材料覆盖。

风冷氟空调系统包括压缩机2.1、四通电磁阀2.2、冷凝器2.3、壳管式换热器2.4、膨胀阀2.5。压缩机用于机械补冷，当无法利用自然冷源时，由压缩机机械制冷并通过壳管式换热器与多相流热管系统进行热交换；冷凝器采用铜管铝翅片与多相流热管系统一级冷却段共同安装在V型换热器内。

V型换热器包括设备主体3.1、顶部风机3.2。设备主体内安装多相流热管系统一级冷却段和风冷氟空调系统冷凝器，采用V字型布局；顶部风机使用轴流式或离心式变频风机。

当室外干(湿)球温度小于设定值且多相流热管系统室内蒸发段风机出口温度保持相对稳定时，仅启用第一冷却段，机房内的热负荷可通过多相流热管系统带走，无需使用机械补冷，此时耗能部件仅为V型换热器顶部风机、室内蒸发段风机组。当室外干(湿)球温度大于设定值或室内蒸发段风机出口温度持续上升时，开启风冷氟空调系统压缩机，同时启用第一冷却段和第二冷却段，此时耗能部件为压缩机、V型换热器顶部风机、室内蒸发段风机组。系统通过减少换热过程降低冷量损失。

图2所示的V型换热器设备主体中，多相流热管系统一级冷却段采用微通道换热器4安装在风冷氟空调系统冷凝器5下方，安装时需保持一定的间隔并测定风阻防止影响换热效果；V型换热器进风口安装温度传感器6用于测定室外干(湿)球温度。

图3所示的设备群控系统包括嵌入式主机7、智能网关8以及综合管理平台9。嵌入式主机与智能网关连接；智能网关与V型换热器主体进风口温度传感器、风冷氟空调系统压缩机、V型换热器顶部风机以及多相流热管系统室内蒸发段控制单元连接，采用有线或无线传输(WIFI、4/5G等)；综合管理平台安装在嵌入式主机中，根据温度传感器数据控制风冷氟空调系统压缩机、V型换热器顶部风机和多相流热管系统微通道换热器风机组运行。综合管理平台还可以提供设备运行状态统计、分析和查询等功能，对故障设备进行报警，提高信息化、自动化水平。

图4所示的系统安装示意图中，风冷氟空调系统、V型换热器、多相流热管系统室外冷却段采用模块化设计共同组成室外单元10，可实现快速部署、弹性扩容。多相流热管系统室外冷却段安装时与室内蒸发段预留1.5米高度差、传输干管坡度≥8％，以保证多相流热管内部工质基于重力自循环。

图5所示的系统工作流程图中，具体工作流程如下：

步骤101：系统启动。

步骤102：嵌入式处理器读取V型换热器进风口处温度，当室外干(湿)球温度≥T0时，此时室外环境温度较高，依靠多相流热管系统自然冷却无法带走热量，执行步骤108；否则执行步骤103。

需要补充的是，当V型换热器单纯依靠风冷时，T0值为室外干球温度，当V型换热器引入蒸发冷却时，T0值为室外湿球温度，T0值应当根据室内热负荷确定。

步骤103：嵌入式处理器读取室内蒸发段风机组出风口温度，当出风口温度≥T1时，执行步骤104；否则执行步骤109。

需要补充的是，T1值根据数据中心等级确定，一般设置为25℃。

步骤104：嵌入式处理器提高室内蒸发段风机组转速，提升室内蒸发段效率。

步骤105：一段时间后，再次读取室内蒸发段风机组出风口温度，当出风口温度≥T1时，执行步骤106，否则执行步骤109。

步骤106：嵌入式处理器提高V型换热器顶部风机转速，提升一级冷却段效率。

步骤107：一段时间后，再次读取室内蒸发段风机组出风口温度，当出风口温度≥T1时，执行步骤108，否则执行步骤109。

步骤108：嵌入式处理器启动压缩机补冷，同时启用第一冷却段和第二冷却段。此时耗能部件为压缩机、V型换热器顶部风机、室内蒸发段风机组。

步骤109：多相流热管系统基于重力自动运行，启用第一冷却段。此时耗能部件为V型换热器顶部风机、室内蒸发段风机组。

本发明提供了一种数据中心多相流双冷却段热管系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，包括多相流热管系统、风冷氟空调系统、V型换热器以及设备群控系统。

2.根据权利要求1所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，所述多相流热管系统包括室内蒸发段、绝热传输段、室外冷却段三部分，采用特殊工质和结构设计，相较于两相变系统传热效率更高。

3.根据权利要求1所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，所述风冷氟空调系统包括压缩机、四通电磁阀、冷凝器、壳管式换热器、膨胀阀，通过壳管式换热器与多相流热管系统连接。

4.根据权利要求1所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，所述V型换热器包括设备主体、顶部风机。

5.根据权利要求1所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，所述设备群控系统包括嵌入式主机、智能网关以及综合管理平台，嵌入式主机与智能网关连接，并安装综合管理平台。

6.根据权利要求1所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，所述风冷氟空调系统、V型换热器、多相流热管系统室外冷却段采用模块化设计，共同组成室外单元，可实现快速部署、弹性扩容。

7.根据权利要求2所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，所述多相流热管系统采用双冷却段设计，当室外干(湿)球温度小于设定值且室内蒸发段风机出口温度保持相对稳定时，仅启用第一冷却段，无需使用机械补冷；当室外干(湿)球温度大于设定值或室内蒸发段风机出口温度持续上升时，采用机械补冷，同时启用第一冷却段和第二冷却段，系统内部最多经过两级换热过程，冷量损失大大减少。

8.根据权利要求3所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，所述压缩机用于机械补冷，当无法完全利用自然冷源时，通过压缩机机械制冷通过壳管式换热器与多相流热管系统第二冷却段进行热交换。

9.根据权利要求4所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，设备主体内同时安装多相流热管系统第一冷却段微通道换热器和风冷氟空调系统铜管铝翅片冷凝器，采用V字型布局。

10.根据权利要求5所述的一种数据中心多相流双冷却段热管系统，其特征在于，综合管理平台根据温度传感器数据控制风冷氟空调系统压缩机、V型换热器顶部风机和多相流热管系统微通道换热器风机组运行。