CN202392893U - 空调末端装置、空调设备及数据中心 - Google Patents

空调末端装置、空调设备及数据中心 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开空调末端装置、空调设备及数据中心。其中，空调末端装置包括换热器、速度可调的风机、从吸风口连通到排风口的空气通道及经过换热器流动的制冷剂。换热器及风机安装在空气通道内，风机驱使空气通道内的空气从吸风口向排风口流动。制冷剂通过换热器与空气通道内的空气热接触。换热器具有输入接头及输出接头，制冷剂从输入接头进入，从输出接头流出。并且，输入接头内的制冷剂为液相流体，输出接头内的制冷剂为气液两相流体或气相流体。从而，能够通过简单的制冷剂循环及风量控制实现为变化的高热密度的电子类负载提供现场冷却，而无需复杂的制冷剂流量控制。

Description

空调末端装置、空调设备及数据中心
技术领域
本实用新型涉及空调技术领域，尤其涉及空调末端装置、具有该空调末端装置的空调设备以及具有该空调设备的数据中心。
背景技术
数据中心包含计算机、服务器等大量具有高热密度电子类负载的数据设备，此类负载产生的显热高于一般的舒适性环境，且需要全年365天、每天24小时的不间断制冷。电子元件的发热和敏感度要求机房内的温度、湿度、空气流动和空气洁净度必须维持在严格的范围内，要求维持高度稳定的工作环境。随着现代科技的不断发展，数据中心的规模逐渐扩大，负载热密度也越来越高，从而给机房热处理带来了更多的问题，也对空调系统的可靠、高效、节能运行提出了更高的要求。
传统的水力风机盘管装置（FCU，Fan Coil Unit）在管道中使用水作为流体工质，并且，通过风机转速和水阀开度来改变其容量，然而，由于安全问题，传统的水力风机盘管装置不适宜用于无水进入的数据中心。
另外，对于可变制冷剂流量（VRF，Variable Refrigerant Flow/Volume）空调系统，需要通过风机转速和制冷剂膨胀阀来实现制冷剂流量控制，使得制冷剂分布到VRF空调系统内部的单元，以完成制冷循环。然而，这种制冷剂流量控制非常复杂。
因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的技术问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的主要技术问题是实现无需复杂的制冷剂流量控制的可为变化的发热负载提供冷却。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下技术方案。
本实用新型的一方面提供空调末端装置，其包括换热器、速度可调的风机、从吸风口连通到排风口的空气通道及经过所述换热器流动的制冷剂，其中，所述换热器及所述风机安装在所述空气通道内，所述风机驱使空气通道内的空气从所述吸风口向所述排风口流动，所述制冷剂通过所述换热器与所述空气通道内的空气热接触，所述换热器具有输入接头及输出接头，所述制冷剂从所述输入接头进入，从所述输出接头流出，并且所述输入接头内的制冷剂为液相流体，所述输出接头内的制冷剂为气液两相流体或气相流体。
在上述的空调末端装置中，可选地，空调末端装置还包括监测所述空气通道内的温度的温度传感器及控制器，所述控制器与所述温度传感器及所述风机相关联，并设置成所述风机的转速根据所述温度传感器检测到的温度而变化。
在上述的空调末端装置中，可选地，所述温度传感器包括第一温度传感器及第二温度传感器，所述第一温度传感器位于所述吸风口与所述换热器之间，所述第二温度传感器位于所述换热器与所述排风口之间。
在上述的空调末端装置中，可选地，所述风机为变频轴流风机，所述控制器设置成根据所述第一温度传感器与所述第二温度传感器分别检测到的温度之差自动调整所述风机的转速。
本实用新型的另一方面提供空调设备，其包括上述的空调末端装置、冷凝器、泵及连通所述空调末端装置、所述冷凝器及所述泵的循环管路，所述泵驱动制冷剂通过所述循环管路在所述空调末端装置及冷凝器之间循环流动。
本实用新型的又一方面提供数据中心，其包括多个数据设备机架及上述的空调设备，每个所述机架具有相对的第一侧及第二侧，每个所述机架上方设置一个所述的空调末端装置，所述吸风口位于所述第一侧的上方，所述排风口位于所述第二侧的上方。
根据本实用新型，由于在空气通道内设置换热器及速度可调的风机，并且，换热器设置成使得制冷剂能够以液相流体进入换热器，并在与空气通道内的空气进行热交换后能够以气液两相流体或气相流体流出换热器，制冷剂相变的过程吸收大量的热，从而，通过简单的制冷剂循环为高热密度的负载提供现场冷却，并且，其结构简单而且不需要复杂的制冷剂流量控制。另外，由于本实用新型的空调末端装置的结构和控制简单，从而能够高效地运行并且具有高度的可靠性。
另一方面，空调末端装置可以基于温度传感器检测到的不同的空气温度，来自动改变风机的转速，并且，仅通过简单地改变风机的转速即可调整空调末端装置的制冷能力，从而，实现空调末端装置的自适应容量控制，而不需复杂的制冷剂流量控制。
又一方面，空调末端装置可以根据第一温度传感器和第二温度传感器分别检测到的进风温度和出风温度的温度差，来获知负载需求的变化，从而来自动调整风机的速度，改变风机的风量，准确地自动调节制冷容量。
通过以下参考附图的详细说明，本实用新型的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本实用新型的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
参照以下具体实施方式的详细说明，并与所附图纸一并阅读，将更加充分地理解本实用新型，附图中同样的参照字符始终指代视图中同样的零件。其中：
图1为一种具体实施方式的空调末端装置的结构示意图；以及 
图2为一种具体实施方式的数据中心的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
图1揭示了一种具体实施方式的空调末端装置的结构示意图。如图1所示，一种具体实施方式的空调末端装置100包括从吸风口11连通到排风口21的空气通道101，在空气通道101内安装换热器12及速度可调的风机22，风机22驱使空气通道101内的空气从吸风口11向排风口21流动，制冷剂通过换热器12循环流动，换热器12设置成使制冷剂与通过空气通道101内的空气热接触，因而制冷剂与通过空气通道101流动的空气进行热交换。换热器12具有输入接头121及输出接头122，制冷剂从输入接头121进入，从输出接头122流出，并且输入接头121内的制冷剂为液相流体，输出接头122内的制冷剂为气液两相流体或气相流体。根据本实用新型的空调末端装置100通过在空气通道101内设置速度可调的风机22及换热器12，并且，换热器12设置成使得制冷剂能够以液相流体进入换热器12，并在与空气通道101内的空气进行热交换后能够以气液两相流体或气相流出换热器12，制冷剂相变的过程吸收大量的热，从而，通过简单的制冷剂循环实现了为高热密度的电子类负载提供现场冷却，能够有效地管理数据中心内的高能量密度，并且，其结构简单而不需要复杂的制冷剂流量控制。另外，由于空调末端装置100的结构和控制简单，从而能够高效地运行并且具有高度的可靠性。
在一种具体实施方式中，空调末端装置100包括延伸于空气通道101的整个流通截面之间的风机板220，风机板220上设置风机孔（图中未显示），风机22安装在风机孔内。在一种具体实施方式中，换热器12是具有输入接头121及输出接头122的盘管换热器12，换热器12的制冷剂从输入接头121进入，循环通过换热器12之后从输出接头122流出。可选地，换热器12为铜管铝翅结构，管内为相变制冷剂，管外为空气流。制冷剂进入换热器12的输入接头121时为液相，在管内循环通过铜管与空气进行热交换后到达换热器12的输出接头122时为气液两相。在可选的具体实施方式中，制冷剂进入换热器12的输入接头121时为液相，到达换热器12的输出接头122时为气相流体，气相的制冷剂可能有一定的过热度，但空调的功能仍能实现。
换热器12内使用无油的制冷剂，无油的制冷剂在换热器12中循环流动并与通过空气通道101的空气热交换。由于在换热器12内使用无油的制冷剂，从而能够可靠地维持数据中心内部的清洁环境。例如，在一种具体的实施方式中，采用二氧化碳作为制冷剂，制冷剂的压力范围为39到72巴，制冷剂的工作温度范围为5到30摄氏度。在可选的具体实施方式中，在空调末端装置100中制冷剂的流量为0.1至1立方米/小时。
空调末端装置100包括监测空气通道101内的空气温度的温度传感器14、24及控制器3，其中，控制器3的所有控制功能均可以采用一个单片机来实现。控制器3与温度传感器14、24及风机22相关联，并设置成风机22的转速根据温度传感器14、24检测到的温度而变化。空调末端装置100可以基于温度传感器14、24检测到的不同的空气温度，来自动改变风机22的转速，并且，仅通过简单地改变风机22的转速即可调整空调末端装置100的制冷能力，从而，实现空调末端装置100的自适应容量控制，而不需复杂的制冷剂流量控制。
温度传感器14、24包括第一温度传感器14及第二温度传感器24。在一种具体实施方式中，第一温度传感器14位于吸风口11与换热器12之间，其用于感测空气通道101内的进风温度。在一种可选的具体实施方式中，吸风口11与换热器12之间还设置空气过滤器15，第一温度传感器14位于空气过滤器15与换热器12之间，即空气过滤器15位于吸风口11上方，换热器12位于空气过滤器15的下游方向，第一温度传感器14则置于空气过滤器15和换热器12二者之间。第二温度传感器24位于排风口21与换热器12之间，其用于感测空气通道101内的出风温度。在一种具体的实施方式中，第二温度传感器24设置在排风口21与风机22之间，即，第二温度传感器24置于风机22的下游、排风口21的上游。
在一种具体实施方式中，风机22为变频轴流风机22，控制器3设置成根据第一温度传感器14与第二温度传感器24分别检测到的温度之差自动调整风机22的转速。控制器3的两个输入端分别与第一温度传感器14和第二温度传感器24连接，其输出端则连接变频轴流风机22的变频器。例如，控制器3接受来自第一温度传感器14和第二温度传感器24的温度信号，自动计算出空气通道101内的进风温度和出风温度的温度差，并与温差设定值加以比较，根据相应的控制逻辑输出风机22的频率信号，从而调整风机22的速度，改变风机22的风量，准确地自动调节制冷容量。
换热器12设置成其制冷能力增加多倍时不需要调节其中的制冷剂的流量。空调末端装置100能够用足够量的制冷剂来填充换热器，从而在空调末端装置100的制冷容量增加多倍时，也可以确保制冷剂能够以气液两相流体或气相流体的形式流出换热器12，提供充足的制冷能力，而无需复杂的制冷剂流量控制，具有简单的制冷循环。在一种具体实施方式中，换热器12上游不必设置节流装置，所述的节流装置包括毛细管或膨胀阀等。
当数据中心的其他空调末端装置发生故障不能提供有效制冷时，空调末端装置100的吸风口11处的空气温度将升高，当第一温度传感器14测得的空气通道101内的进风温度与第二温度传感器24测得的空气通道101内的出风温度的温度差超过温差设定值时，控制器3将自动调高风机22频率，增大循环风量。与此同时，冷源设备的运行控制会相应做出调整，如增加与制冷剂换热的冷冻水流量，甚至降低冷冻水供水温度设定以满足更大的散热需求。空调末端装置100为一种制冷容量可自动调节的空调末端装置100，其可以根据第一温度传感器14与第二温度传感器24的温差信号来自动调整风机22的转速，通过调整风机22的转速进而来自动调整空调末端装置100的制冷容量。
空调末端装置100结构简单紧凑，有较大制冷能力且容量可调，既能处理高热负荷密度，有效冷却高热密度的电子类负载，满足数据中心的机房环境控制需求，又能根据机房热负荷的变化自动调节制冷能力，保证IT设备的正常运行，提高了空调系统的可靠性。同时，可以在数据中心的其他空调末端装置出现故障时自动增加制冷容量，减少了空调系统部件的冗余，降低了成本。
空调末端装置100具有适用性好、设备利用率高、节能效果显著、技术经济性能较好等优点，商品化发展和应用前景非常好。
如图2所示，一种空调设备包括上述的空调末端装置100、冷凝器200、泵300及连通空调末端装置100、冷凝器200及泵300的循环管路400，泵300驱动制冷剂通过循环管路400在空调末端装置100及冷凝器200之间循环流动。
在一种可选的具体实施方式中，空调设备包括两个以上的空调末端装置100。在图2所示的数据中心中，空调设备示例性地包括三个空调末端装置100，然而，空调设备所包含的空调末端装置100的数量并不限于三个，空调设备所包含的空调末端装置100的数量可以根据数据中心中的电子类负载所产生的热负荷大小来合理选择。
与传统的空调装置不同，在根据本实用新型的具体实施方式的空调设备采用适合的配置以使得液相的制冷剂在换热器12中进行相变放热变成气液两相或气相流体离开换热器12，冷凝器200与空调末端装置100的换热器12之间的循环管路400上没有设置节流装置。在一种具体实施方式中，冷凝器200为水冷冷凝器200。
进一步地，如图2所示，图2揭示了一种具体实施方式的数据中心1000的结构示意图。一种具体实施方式的数据中心1000包括多个数据设备机架500及上述的空调设备。每个数据设备机架500具有相对的第一侧501及第二侧502，每个机架500上方设置一个上述的空调末端装置100，吸风口11位于数据设备机架500的第一侧501的上方，排风口21位于数据设备机架500的第二侧502的上方。
同样地，在图2所示的数据中心1000中，仅示意性地示出了三个数据设备机架500以及设置于数据设备机架500上方的三个空调末端装置100，然而，数据中心1000所包含的数据设备机架500及设置于数据设备机架500上方的相应空调末端装置100的数量可以根据数据中心1000的实际应用状况而合理选择。
数据中心1000将空调末端装置100的吸风口11位于数据设备机架500的第一侧501的上方，排风口21位于数据设备机架500相对的第二侧502的上方。在一种具体实施方式中，相邻两排数据设备机架500的第一侧501面对面而在两者之间形成第一通道，相邻两排数据设备机架500的第二侧502面对面而在两者之间形成第二通道。因此，相邻的两个空调末端装置100的吸风口11相互靠近并位于数据设备机架500间的第一通道上方，而相邻的两个空调末端装置100的排风口21则相互靠近并位于数据设备机架500间的第二通道上方。显然，第一通道为回流空调末端装置100的热空气，温度比较热，因此是“热通道”；第二通道为从空调末端装置100排出的冷空气，温度比较冷，因此是“冷通道”。这些“热通道”和“冷通道”形成气幕，防止了数据设备机架500之间的热干扰，从而实现有效可靠的空气循环，提高空调末端装置100的制冷能力。
在制冷工况下，数据中心1000机房的空气循环过程如下：数据设备机架500间“热通道”内的热空气由吸风口11进入空调末端装置100的风道，依次流经空调末端装置100中的空气过滤器15、换热器12、风机22，然后由排风口21排入“冷通道”，最后流过数据设备机架500，吸收电子类负载例如数据设备产生的热量后返回“热通道”，由此完成一次循环。
数据中心1000内的其他空调末端装置100发生故障不能提供有效制冷时，此时，“热通道”内的空气温度将升高，当第一温度传感器14测得的进风温度与第二温度传感器24测得的出风温度的温度差超过温差设定值时，控制器3将自动调高风机22频率，增大循环风量，自动增加制冷容量，从而保证了数据中心1000内数据设备的正常运行，同时可以减少空调末端装置100的冗余设计，降低了数据中心1000的整体成本。
以上具体实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (12)

1. 空调末端装置，其包括换热器、速度可调的风机、从吸风口连通到排风口的空气通道及经过所述换热器流动的制冷剂，其特征在于，所述换热器及所述风机安装在所述空气通道内，所述风机驱使空气通道内的空气从所述吸风口向所述排风口流动，所述制冷剂通过所述换热器与所述空气通道内的空气热接触，所述换热器具有输入接头及输出接头，所述制冷剂从所述输入接头进入，从所述输出接头流出，并且所述输入接头内的制冷剂为液相流体，所述输出接头内的制冷剂为气液两相流体或气相流体。
2. 根据权利要求1所述的空调末端装置，其还包括监测所述空气通道内的温度的温度传感器及控制器，所述控制器与所述温度传感器及所述风机相关联，并设置成所述风机的转速根据所述温度传感器检测到的温度而变化。
3. 根据权利要求2所述的空调末端装置，其中，所述温度传感器包括第一温度传感器及第二温度传感器，所述第一温度传感器位于所述吸风口与所述换热器之间，所述第二温度传感器位于所述换热器与所述排风口之间。
4. 根据权利要求3所述的空调末端装置，其中，所述吸风口与所述换热器之间还设置空气过滤器，所述第一温度传感器位于所述空气过滤器与所述换热器之间。
5. 根据权利要求3所述的空调末端装置，其中，所述风机为变频轴流风机，所述控制器设置成根据所述第一温度传感器与所述第二温度传感器分别检测到的温度之差自动调整所述风机的转速。
6. 根据权利要求1所述的空调末端装置，其中，所述换热器上游不设置节流装置。
7. 根据权利要求1所述的空调末端装置，其中，所述换热器是盘管换热器。
8. 空调设备，其特征在于，其包括根据权利要求1－7中任一项所述的空调末端装置、冷凝器、泵及连通所述空调末端装置、所述冷凝器及所述泵的循环管路，所述泵驱动制冷剂通过所述循环管路在所述空调末端装置及冷凝器之间循环流动。
9. 根据权利要求8所述的空调设备，其中，所述冷凝器为水冷冷凝器。
10. 根据权利要求8所述的空调设备，其包括两个以上的空调末端装置。
11. 数据中心，其包括多个数据设备机架及根据权利要求8-10中任一项所述的空调设备，每个所述机架具有相对的第一侧及第二侧，每个所述机架上方设置一个所述的空调末端装置，所述吸风口位于所述第一侧的上方，所述排风口位于所述第二侧的上方。
12. 根据权利要求11所述的数据中心，其中，相邻的两个所述数据设备机架的第一侧面对面而在两者之间形成第一通道，相邻的两个所述数据设备机架的第二侧面对面而在两者之间形成第二通道，相邻的两个空调末端装置的吸风口相互靠近并位于数据设备机架间的第一通道上方，而相邻的两个空调末端装置的排风口则相互靠近并位于数据设备机架间的第二通道上方。
CN2011204511510U 2011-11-15 2011-11-15 空调末端装置、空调设备及数据中心 Expired - Lifetime CN202392893U (zh)

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