CN1890515A - 用于高密度热负荷的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有挥发性工作流体的用于将热负荷的热量传递给环境的冷却系统(10)。该冷却系统包括第一冷却循环(12)和与该第一冷却循环热连接的第二冷却循环(14)。所述第一冷却循环不是蒸气压缩循环，并包括泵(20)、空气－流体热交换器(30)以及流体－流体热交换器(40)。第二冷却循环可包括用于将热量从流体－流体热交换器传递给环境的冷水系统。或者，第二冷却循环可包括用于将热量从流体－流体热交换器传递给环境的蒸气压缩系统。

Description

用于高密度热负荷的冷却系统
技术领域
本发明一般地涉及冷却系统，更具体地，涉及一种用于高密度热负荷的冷却系统。
背景技术
处于关键位置例如计算机室或通信室的电子设备需要精确、可靠地控制室内温度、湿度和气流。过热或过潮都会损害或削弱计算机系统以及其它元件的操作。为此，操作精确冷却系统以在这些位置进行冷却。但是，当使用直接蒸发(DX)冷却系统冷却这种高密度热负荷时会产生问题。现有的用于高密度负荷的DX系统监控空气温度和其它变量，以响应于负荷改变而控制系统的冷却能力。因此，现有DX系统需要相当复杂的控制、温度传感器以及其它控制元件。因此，需要一种可对密度变化的热负荷敏感并且需要较少地控制阀以及其它系统元件的冷却系统。此外，传统的计算机室空调系统需要过大的地板面积以便管理高密度热负荷。本公开旨在克服或至少减小上文提到的一个或多个问题的影响。
发明内容
本发明公开了一种用于将热负荷的热量传递到环境的冷却系统。该冷却系统具有工作流体，该工作流体在示例性实施例中为挥发性工作流体。该冷却系统包括相互热连接的第一冷却循环和第二冷却循环。第一冷却循环包括泵、第一热交换器以及第二热交换器。
第一热交换器通过管道与泵流体连通，并与热负荷热连通，该热负荷可以是计算机室、电子器件封装件或其它空间。第一热交换器可以是例如空气-流体热交换器。另外，可在泵和第一热交换器之间安置流量调节器。
第二热交换器包括相互热连通的第一流体通路和第二流体通路。第二热交换器可以是例如流体-流体热交换器。该冷却系统的用于工作流体的第一流体通路使第一热交换器与泵连接。第二流体通路形成第二冷却循环的一部分。
在所公开的冷却系统的一个实施例中，第二冷却循环包括与环境热连通的冷水系统。在所公开的冷却系统的另一个实施例中，第二冷却循环包括与环境热连通的制冷系统。该制冷系统可包括压缩机、冷凝器和膨胀设备。压缩机与第二热交换器的第二流体通路的一端流体连通。冷凝器与环境流体连通，该冷凝器可以是空气-流体热交换器。冷凝器具有连接到压缩机的入口，并具有通过第二热交换器连接到第二流体通路的另一端的出口。膨胀设备设置在冷凝器的出口和第二流体通路的另一端之间。
前文的概要并不是意图总结本公开的每个潜在的实施例或每个方面。
附图说明
参照下文结合附图对特定实施例的详细说明最好地理解本发明的主题的前述概要、优选实施例以及其它方面，在附图中：
图1示意性地示出根据本公开的某些教导的冷却系统的一个实施例；
图2示意性地示出根据本公开的某些教导的冷却系统的另一个实施例；
图3示出所公开的冷却系统的循环图；
图4示出典型的蒸气压缩制冷系统的循环图。
尽管所公开的冷却系统存在许多变型和可选择的形式，但是该系统的特定实施例已作为示例在附图内示出并在文中被详细说明。附图以及书面说明并不意图以任何方式限制发明概念的范围。相反，附图以及书面说明将通过参照特定实施例向本领域内的普通技术人员说明发明概念。
具体实施方式
参照图1和图2，所公开的冷却系统10包括与第二循环14热连通的第一冷却循环12。所公开的冷却系统10还包括控制系统100。第一循环12和第二循环14都包含独立的工作流体。第一循环内的工作流体是任何适于用作传统制冷剂的挥发性流体，包括但不局限于氯氟烃(CFC)、氢氟烃(HFC)或氢氯氟烃(HCFC)。使用挥发性流体可避免使用位于敏感设备上方的水，而在用于冷却计算机室的传统系统内有时会使用水。第一循环12包括泵20、一个或多个第一热交换器(蒸发器)30、第二热交换器40和使第一循环12的各个元件互连的管道。第一循环12并不是蒸气压缩制冷系统。相反，第一循环12使用泵20而不是压缩机来使挥发性工作流体循环以除去热负荷的热量。泵20优选地能够将挥发性工作流体泵送到整个第一冷却循环12内，并且优选地被控制系统100控制。
第一热交换器30是空气-流体热交换器，当第一工作流体通过第一热交换器30内的第一流体通路时，该热交换器将热量从热负荷(未示出)转移到第一工作流体。例如，空气-流体热交换器30可包括多个设置成允许热空气从其间通过的用于工作流体的管。应理解，现有技术内已知的许多空气-流体热交换器都可用于所公开的冷却系统10。可在管道22和蒸发器30的入口之间连接流量调节器32，以调节流入蒸发器30的工作液体的流量。流量调节器32可以是用来调节冷却系统10内的流量的电磁阀或其他类型的装置。流量调节器32优选地维持在与系统的工作压力范围内的入口压力无关的恒定的输出流量。在图1和图2的实施例中，第一循环12包括连接到管道22的多个蒸发器30和流量调节器32。但是，所公开的系统可具有一个或多个连接到管道22的蒸发器30和流量调节器32。
第二热交换器40是将第一工作流体的热量传递给第二循环14的流体-流体热交换器。应理解，现有技术内已知的许多流体-流体热交换器可用于所公开的冷却系统10。例如，流体-流体热交换器40可包括多个用于一种流体的管，所述管安置在容纳第二流体的室或壳体内。同轴(“套管式”)交换器也适用。在一些实施例中，优选地使用板式热交换器。第一循环12还包括通过旁通管路52连接到第二热交换器40的出口管道46的接收器50。接收器50可存储并积聚第一循环12内的工作流体，以应对温度和热负荷改变。
在一个实施例中，空气-流体热交换器30可用于冷却存放计算机设备的房间。例如，风扇34可通过热交换器30从房间(热负荷)抽出空气，在该热交换器内第一工作流体吸收空气的热量。在另一个实施例中，通过将空气-流体热交换器30安装在发热的电子设备(热负荷)之上或附近，可使用热交换器30直接除去该电子设备的热量。例如，电子设备通常被容纳在封装件(未示出)内。热交换器30可安装在该封装件上，并且风扇34可通过热交换器30从该封装件抽出空气。可选择地，第一交换器30可与热源(例如冷却板)直接热接触。本领域内的技术人员应理解，所公开的冷却系统10的元件的传热速率、尺寸以及其它设计变量依赖于所公开的冷却系统10的大小、将被管理的热负荷的量以及具体实施的其它细节。
在图1所示的所公开的冷却系统10的实施例中，第二循环14包括连接到第一循环12的流体-流体热交换器40的冷水循环60。具体地，第二热交换器40具有相互热连通的第一部分或流体通路42和第二部分或流体通路44。用于挥发性工作流体的第一流体通路42连接在第一热交换器30和泵之间。第二流体通路44连接到冷水循环60。冷水循环60可类似于本领域内已知的那些。冷水系统60包括第二工作流体，该第二工作流体吸收通过流体-流体热交换器40的第一工作流体的热量。第二工作流体通过本领域内已知的用于传统的冷水循环的技术而冷却。通常，第二工作流体可以是挥发性的或非挥发性的。例如，在图1的实施例中，第二工作流体可以是水、乙二醇或它们的混合物。因此，图1内的第一循环12的实施例可构造成独立的单元，该独立的单元容纳泵20、空气-流体热交换器30和流体-流体热交换器40，并且可连接到例如在容纳将被冷却的设备的建筑物内可得到的现有的冷水供应。
在图2所示的所公开的冷却系统10的实施例中，第一循环12与以上所述基本相同。但是，第二循环14包括蒸气压缩制冷系统70，该系统连接到第一循环12的热交换器40的第二部分或流体通路44。图2内的制冷系统70直接连接到流体-流体热交换器40或者是该热交换器的“另一半”，而不是如图1内的实施例使用冷水除去来自第一循环12的热量。蒸气压缩制冷系统70可与本领域内已知的那些基本相同。示例性蒸气压缩制冷系统70包括压缩机74、冷凝器76和膨胀设备78。管道72使这些元件相互连接并连接到热交换器40的第二流体通路44。
蒸气压缩制冷系统70通过使用第二工作流体吸收来自第二热交换器40的热量并将此热量排放到环境(未示出)中而除去来自流过该热交换器40的第一工作流体的热量。第二工作流体可以是挥发性的或非挥发性的。例如，在图2的实施例中，第二工作流体可以是任何传统的化学制冷剂，包括但不局限于氯氟烃(CFC)、氢氟烃(HFC)或氢氯氟烃(HCFC)。膨胀设备78可以是在从中通过的工作流体内产生压降的阀、节流孔或本领域内的技术人员已知的其它装置。压缩机74可以是适用于提供制冷服务的本领域内已知的任何类型的压缩机，如往复式压缩机、涡卷式(scroll)压缩机等。在图2所示的实施例中，冷却系统10为独立的。例如，蒸气压缩制冷系统70可以是还容纳泵20和流体-流体热交换器30的单个单元的一部分。
在所公开系统的操作期间，泵20使工作流体经由管道22移动到空气-流体热交换器30内。泵送增加了工作流体的压力，而工作流体的焓基本保持不变。(见图3内的循环图的线段80)。泵送的工作流体然后进入第一循环12的空气-流体热交换器或蒸发器30。风扇34可通过热交换器30从热负荷抽出空气。当来自热负荷(未示出)的热空气进入空气-流体热交换器30时，挥发性工作流体吸收热量。当流体通过热交换器变热时，一部分挥发性工作流体将蒸发。(见图3内的循环图的线段82)。在满负荷的系统10内，离开第一热交换器30的流体将是饱和蒸气。蒸气从热交换器30通过管道36流到流体-流体热交换器40。在管道或回流管36内，工作流体处于蒸气状态，并且流体的压力降低而焓基本保持不变。(见图3内的循环图的线段84)。在流体-流体热交换器40内，第一流体通路42内的蒸气通过向第二流体通路44内的第二循环12的较冷的第二流体传热而冷凝。(见图3内的循环图的线段86)。冷凝的工作流体经由管道44离开热交换器40并进入泵20，由此可重复第一循环12。
第二冷却循环14与第一循环12联合操作以通过将热量从第一工作流体吸收到第二工作流体内并将热量排放到环境(未示出)内而除去来自第一循环12的热量。如上所述，第二循环14可包括如图1所示的冷水系统60，或如图2所示的蒸气压缩制冷系统70。例如，在图1内的冷水系统60的操作期间，第二工作流体可流过热交换器40的第二流体通路44，并且可在水塔(未示出)内被冷却。例如，在图2内的制冷系统70的操作期间，第二工作流体通过流体-流体热交换器40的第二部分44，并吸收来自第一循环12内的挥发性流体的热量。工作流体在该过程内蒸发。(见图4内的典型蒸气压缩制冷循环的线段92)。蒸气行进到压缩机74，在该压缩机内工作流体被压缩。(见图4内的制冷循环的线段90)。蒸发器74可以是往复式、螺旋式或本领域内已知的其它类型的压缩机。在压缩之后，工作流体通过排出管路行进到冷凝器76，在该冷凝器工作流体的热量消散到外部散热器例如室外环境。(见图4内的制冷循环的线段96)。在离开冷凝器76时，制冷剂通过液体管路流到膨胀设备75。当制冷剂通过膨胀设备75时，第二工作流体产生压降。(见图4内的制冷循环的线段94)。在离开膨胀设备75时，工作流体流过流体-流体热交换器40的第二流体通路，该热交换器用作制冷循环70的蒸发器。
传统的用于计算机室等的冷却系统占用宝贵的地板面积。但是，本发明的冷却系统10可冷却高密度热负荷而不会消耗宝贵的地板面积。此外，与传统类型的用于高密度负荷例如计算机室的冷却方案相比，由于与泵送非挥发性流体例如水相比泵送挥发性流体需要较少的能量，所以冷却系统10节约能源。另外，泵送挥发性流体可减小所需的泵的尺寸以及使系统元件互连的管道的总尺寸和成本。
所公开的系统10有利地使用挥发性流体的相变以增加空间或房间的每平方英尺的冷却能力。另外，所公开的系统10还使得安装在计算设备上方的冷却设备内不需要水，水会存在万一泄漏时损害计算设备的危险。此外，由于该系统设计成仅除去显热(sensible heat)，所以不需要除去冷凝物。如本领域内已知，将空气冷却到低温会增加相对湿度，这意味着可能出现冷凝。例如，如果蒸发器安装在电子器件封装件上，可能会在该封装件内出现冷凝，这会给电子设备带来很大危险。在本系统内，设备周围的环境的温度保持高于露点以确保不会发生冷凝。由于所公开的冷却系统没有执行潜在的冷却，所以该系统的全部冷却能力均可用于冷却计算设备。
所公开的冷却系统10可处理变化的热负荷而不需要传统的直接蒸发系统所需的复杂控制。由于泵20向系统提供恒定的挥发性流体流，所以该系统是自动调节的。流量调节器32操作以限制到每个热交换器30的最大流量。此操作平衡了到每个热交换器30的流量从而使每个热交换器得到基本相同的流体流量。如果某个热交换器处于“高”负荷，则挥发性流体将以比处于较低负荷的热交换器高的速率闪蒸(flash off)。如果没有流量调节器32，则由于“较低”负荷的热交换器是较冷的位置并具有较低的流体压降，所以更多的流体将流到该热交换器。此行为将使处于高负荷的热交换器“挨饿”，并且该热交换器将不能适当地冷却负荷。
用于维持所有显冷却的关键系统控制参数是将被控制的空间内的露点。所公开的冷却系统10控制冷水或蒸气压缩系统，以使流到上述热交换器30的流体将总是高于将被控制的空间内的露点。保持高于露点可确保不会发生潜在的冷却。
前文的对优选的以及其它实施例的说明并不是限制或约束申请人的发明概念的范围或适用性。申请人要求用所附权利要求提供的所有专利权来替换公开文中包含的发明概念。因此，所附权利要求将最大程度地包括位于所附权利要求或其等同物的范围内的所有变型和改变。

Claims (9)

1.一种用于将热负荷的热量传递给热交换系统的冷却系统，该冷却系统包括：
挥发性工作流体；
泵；
与所述泵流体连通并与所述热负荷热连通的第一热交换器；以及
第二热交换器，该第二热交换器具有与所述第一热交换器和泵流体连通的第一流体通路以及连接到所述热交换系统的第二流体通路，所述第一流体通路和所述第二流体通路相互热连通。
2.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于，所述第一热交换器包括空气-流体热交换器。
3.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于，所述第一热交换器与热源直接热接触。
4.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于，所述第二热交换器包括流体-流体热交换器。
5.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于，该冷却系统还包括位于所述泵与所述第一热交换器之间的流量调节器。
6.一种用于将热负荷的热量传递给环境的冷却系统，该冷却系统包括包含挥发性工作流体的第一冷却循环和与所述第一冷却循环热连接的第二冷却循环，
其中，所述第一冷却循环包括泵、第一热交换器以及第二热交换器，所述第一热交换器与所述泵流体连通并与所述热负荷热连通，所述第二热交换器具有使所述第一热交换器连接到所述泵的用于所述工作流体的第一流体通路和连接到所述第二冷却循环的第二流体通路，所述第一流体通路和所述第二流体通路相互热连通；
所述第二冷却循环包括与环境热连通的制冷系统。
7.根据权利要求6的冷却系统，其特征在于，所述制冷系统包括：
连接到所述第二流体通路的一端的压缩机；
与环境热连通的冷凝器，该冷凝器具有连接到所述压缩机的入口和连接到所述第二流体通路的另一端的出口；以及
设置在所述冷凝器的出口与所述第二流体通路的所述另一端之间的膨胀设备。
8.一种用于将热负荷的热量传递给环境的冷却系统，该冷却系统包括：
包含挥发性工作流体的第一冷却循环；和
与该第一冷却循环热连接的第二冷却循环；
其中，所述第一冷却循环包括：
泵；
与所述泵流体连通并与所述热负荷热连通的第一热交换器；以及
第二热交换器，该第二热交换器具有与所述第一热交换器和所述泵连通的用于工作流体的第一流体通路，和包括所述第二冷却循环的一部分的第二流体通路，所述第一流体通路和所述第二流体通路相互热连通，
所述第二冷却循环包括与环境热连通的冷水系统。
9.一种用于将热负荷的热量传递给环境的冷却系统，该冷却系统包括：
用于泵送挥发性工作流体使其通过该系统的泵；
连接到所述泵并具有与所述热负荷热连通的流体通路的第一热交换器；以及
具有相互热连通的第一流体通路和第二流体通路的第二热交换器，其中，所述第一流体通路提供从所述第一热交换器到所述泵的流体连通，所述第二流体通路适于使所述第一热交换器连接到与环境热连通的另一冷却系统。
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