CN216673696U - 一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统，包括工质泵驱动部分、背板蒸发散热部分和气液分离换热部分，工质泵驱动部分包括储液罐、工质泵；背板蒸发散热部分为背板蒸发器；气液分离换热部分包括气液分离器、压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分；所述工质泵可与单向阀并联布置，所述压缩机可与单向阀并联布置。本发明运行可靠性高，成本低；可通过气液分离部分实现气液分离，并通过工质液位高度的自适应从而实现散热工质干度波动状态下气液的稳定分离；实现对气相工质的精确冷凝。

Description

一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统

技术领域

本发明涉及空调技术领域，具体涉及一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统。

背景技术

近几年随着5G、物联网、人工智能、自动驾驶等计算科学技术不断进步和迭代，我国数据中心的规模、数量、技术和产业等方面保持高速增长。同时数据中心的迅速发展和其数量规模的不断壮大也带来了巨大的能源消耗。数据中心中传统散热设备的能耗是除IT设备能耗外耗能占比最大的能耗因素。充分利用自然冷源是目前降低数据中心散热能耗最有效的手段之一，得到了大量学者和技术人员的关注。其中散热效果好，结构简单的热管散热系统是研究重点之一，其中热管散热系统包括重力式分离热管、液泵驱动分离热管、气泵驱动分离热管、毛细热管等形式。但热管散热系统在夏季高温环境下无法工作，热管散热系统必须与空调散热系统结合运行。

发明专利ZL201610425330.4提出了一种复合型机房空调系统及其控制方法。该系统的制冷单元和热管单元在低压储液器处耦合，根据室外环境温度控制阀门切换，分别运行制冷循环、复合循环和热管循环。与本方案相比，该方案有以下缺点和不足：1、该方案采用电动三通阀切换运行模式，系统复杂，且电动阀门长期运行有泄露的隐患。2、该方案制冷单元和热管单元无法互为冗余：当热管单元的泵出现故障时，即使压缩机可以正常工作，整个散热系统也无法工作。3、该方案并未提出背板蒸发器出口如何实现气液分离、分别对气路和液路散热，散热效率较低。

发明专利ZL201910498291.4提出了一种带自然冷却型空调系统及其控制系统。该方案包括室内、室外模块。与本方案相比，该方案有以下缺点和不足：1、系统运行模式通过压缩机的旁通阀进行切换，系统复杂，且电动阀门长期运行有泄露的隐患，可靠性较低。2、该方案并未提出背板蒸发器出口如何实现气液分离、分别对气路和液路散热，散热效率较低。

发明专利ZL201910497418.0公开了一种数据中心用复合型空调系统及其控制方法。与本方案相比，该方案有以下缺点和不足：1、该方案采用阀门切换系统运行模式，系统部件多且切换复杂，电动阀门长期运行有泄露的隐患，可靠性较低。2、该方案制冷单元和热管单元无法互为冗余：当工质泵出现故障时，即使压缩机可以正常工作，整个散热系统也无法工作。3、该方案中的工质泵的回路无法参与冷凝散热，有单独的热管冷凝回路，使得系统构造和管路复杂，长期的运行可靠性无法保证。

发明专利ZL201610174000.2涉及一种热管复合型空调系统及其控制方法。与本方案相比，该方案有以下缺点和不足：该方案的形式和蒸气压缩循环一样，且只能采用的气泵热管模式，而气泵热管散热效率远低于液泵热管的散热效率。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统。

根据本申请实施例提供的技术方案，一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统，设置工质泵驱动部分、背板蒸发散热部分和气液分离换热部分，其中工质泵驱动部分包括一个储液罐、一个或多个工质泵和一个单向阀，单向阀和工质泵并联。

气液分离换热部分：包括一个气液分离器、压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分，气液分离器可将待散热的气液两相工质分离成单气和单液相并分别流入压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分。压缩机驱动气相散热子部分对气相工质进行冷凝散热，液相散热子部分对液相工质进行冷凝散热。

压缩机驱动气相散热子部分包括一个或多个压缩机、一个气相冷凝器、一个电子膨胀阀和一个单向阀，单向阀和压缩机并联；液相散热子部分包括一个调节阀和一个液相冷却器。液相冷却器可视散热条件不安装。

液态工质泵驱动部分、背板蒸发散热部分和气液分离换热部分串联；压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分并联。使得系统可工作于液泵热管模式，气泵热管模式、混合模式和蒸气压缩制冷模式。其中液泵热管模式、气泵热管模式和蒸气压缩制冷模式互为冗余。

综上所述，本申请的有益效果：

1、本系统的运行可靠性高，成本低：系统中的动力部件压缩机可作为工质泵备份，当工质泵损坏时，系统可工作于高散热效率的气泵热管散热模式或蒸气压缩制冷模式，减少了多个工质泵的冗余成本；系统的模式切换只需通过工质泵和压缩机的启停完成，无需使用各种手动和电动阀门，减少了系统的运动部件和控制部件，提高系统可靠性，降低了电动阀门和控制部件的成本。

2、系统可通过气液分离部分实现气液分离，并通过工质液位高度的自适应从而实现波动状态下气液的稳定分离，

3、实现对气相工质的精确冷凝，可降低冷却部分管路阻力80%，提高冷却部分的效率30%。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体装置连接结构图；

图2为本发明不使用液相冷却器的装置连接结构图；

图3为本发明多个制冷背板协同工作的装置连接结构图。

图中标号：1-储液罐；2-工质泵；3-单向阀；4-背板蒸发器；5-气液分离器；6-压缩机；7-单向阀；8-气相冷凝器；9-电子膨胀阀；10-阀门；11-单向阀；12-液相冷却器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，工质泵2可采用1个或多个，工质泵2可与单向阀3并联布置。其中工质泵2的入口与单向阀的入口相连，工质泵2的出口与单向阀3的出口相连。当工质泵停机或故障时，工质可自动由单向阀3旁通再流入背板蒸发器5中。

所述压缩机6可采用1个或多个，压缩机6可与单向阀7并联布置。其中压缩机6进气口与单向阀7入口相连，压缩机6排气口与单相阀7出口相连。当压缩机停机时，气相工质可自动由单向阀7旁通再流入气相冷凝器8中。

液相冷却器12与单向阀11间可加装阀门10。阀门10可采用手阀、电子膨胀阀、电动阀等形式，阀门10用于设定液相管路的初始压降。系统初始调试时可通过阀门10和电子膨胀阀9分别调节气相和液相的压降，使气液分离器5满足初始状态下的气液分离。

如图2所示，因为气液分离器5液相出口为纯液相工质，可不安装液相冷却器12，气液分离器5液相出口与单相阀11入口直接连接。

气液分离器5采用长径比大于1的瘦高的形式，在运行工况变化时，利用工质在气液分离器中液位高度变化的自适应能力来自动实现气液分离和压降匹配。

制冷单元——气相冷凝器8和所述液相冷却器12，可根据需求配置油分离器、视液镜、干燥过滤器等制冷系统中常用的辅助部件；油分离器安装在压缩机6排气口与气相冷凝器8之间。视液镜安装在节流装置出口与制冷背板蒸发器4入口之间、干燥过滤器安装在气相冷凝器8出口与节流装置入口之间。视液镜可分别安装在工质气液两相气相区和液相区、干燥过滤器可安装工质泵2的出口。

所述气相冷凝器8可采用板式换热器、板翅式换热器、管壳式换热器等常见冷凝器。所述液相冷却器12可采用板式换热器、板翅式换热器、管壳式换热器等常见冷却器。给气相冷凝器8和液相冷却器冷端的冷却介质可为空气、冷却水、防冻液、工质、冷冻油等常见冷却介质。

所述背板蒸发器4可采用一个或多个用于给一个或多个机柜散热，当采用多个背板蒸发器时，每个背板蒸发器入口处配备分液装置。背板蒸发器4可采用平行流换热器，翅片管换热器等常见蒸发器。

为防止工质液泵出现气蚀现象，需增加液泵入口处液体的过冷度，可采取并不限于以下几种方式之一：1.依据工质液泵的气蚀特性，储液罐位置高于工质液泵；2.在储液罐出口和工质液泵间加装过冷器；3.单相阀11出口直接连接到储液罐1出口与工质泵2入口间，增加泵入口的工质的过冷度。

本发明依据当前冷却介质的温度以及系统运行状态来控制系统的运行模式。系统运行模式可分为液泵驱动散热模式、压缩机驱动散热模式、混合散热模式以及蒸气压缩制冷模式。当冷却介质的温度高于气相和液相工质温度的时候，只开启压缩机，此时系统运行于蒸气压缩制冷模式。当冷却介质温度略低于气相和液相工质温度的时候，系统同时开启压缩机和工质泵，此时系统运行于混合模式。当冷却介质温度远低于气相和液相工质温度时，此时只开启工质泵，此时系统运行于液泵热管散热模式。进一步的，当工质泵故障，且冷却介质温度远低于气相和液相工质温度时，只开启压缩机，且电子膨胀阀全开，此时系统运行于气泵散热模式。当工质泵故障，且冷却介质温度略低于气相和液相工质温度时，只开启压缩机，此时系统运行于蒸气压缩制冷模式。

经过气液分离器5分离的气相工质和液相工质分别流经气相散热子部分和液相散热子部分，保证经气相冷凝器8、液相冷却器12散热后的工质处于过冷状态混合后，具有一定要求的过冷度，且储液罐1的安装高度要高于工质泵2，以便进一步提高液体工质过冷度。

在工质泵2损坏或工质泵2无法满足散热需求的工况下，工质泵2不工作，可实现仅通过压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分可单独循环工作。

工质泵2与压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分可单独循环工作可并行运行，互为备份，提高系统可靠性。

储液罐罐体采用立式或卧式单层或双层结构，并极据用户要求保温材料充填。内胆抛光至Ra0.45μm，外部采用镜面板或磨砂板保温。顶部开设进水口、回流口、消毒口、清洗口、人孔并安装0.45μm空气呼吸器。

本专利所描述的工质泵指的是制冷剂泵或者叫氟利昂泵、冷媒泵都可以（制冷剂属于一种工质）。功能是泵送液相的制冷剂。水泵输送的工质是水，制冷剂泵输送的工质是制冷剂。

单向阀是流体只能沿进水口流动，出水口介质却无法回流，俗称单向阀。单向阀又称止回阀或逆止阀。用于液压系统中防止油流反向流动,或者用于气动系统中防止压缩空气逆向流动。单向阀有直通式和直角式两种。直通式单向阀用螺纹连接安装在管路上。

本专利描述的背板蒸发器是一个风冷蒸发器，属于一种换热器。热空气与液相制冷剂换热，热空气放热降温，液相制冷剂吸热蒸发变成气相。因为制冷剂有蒸发过程（一种相变过程），所以叫蒸发器。安装位置位于机柜的背面，所以叫背板蒸发器。

气液分离器采用离心分离、丝网过滤的原理，实现除液的一种分离装置。它主要由筒体、旋风分离器、高效破沫网、排污阀等主要部件组成。

本专利中使用的压缩机，是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械，是制冷系统的心脏。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力。从而实现压缩→冷凝（放热）→膨胀→蒸发 ( 吸热 ) 的制冷循环。压缩机分为活塞压缩机，螺杆压缩机，离心压缩机，直线压缩机等。

气体冷凝器即为气体冷却，换热过程依靠显热完成，此时高压换热器称为气体冷却器。换热过程依靠显热完成，此时高压换热器称为气体冷却器。这也是研究中最热门的循环方式。这样既避免了亚临界循环条件下热源温度过高而致使系统性能下降，又由于流体在超临界条件下的特殊物理性质使它在流动和换热方面具有极大的优势。

电子膨胀阀利用被调节参数产生的电信号，控制施加于膨胀阀上的电压或电流，进而达到调节供液量的目的。无级变容量制冷系统制冷供液量调节范围宽，要求调节反应快，传统的节流装置（如热力膨胀阀）难以良好胜任，而电子膨胀阀可以很好地满足要求。

冷凝器，为制冷系统的机件，属于换热器的一种，能把气体或蒸气转变成液体，将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的空气中。冷凝器工作过程是个放热的过程，所以冷凝器温度都是较高的。发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝。在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的制冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置也称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。

本专利中描述的液相冷却器是液态过冷装置，即在制冷机系统的冷凝器后加设一个过冷器，将节流机构前的制冷剂液体冷却到比冷凝温度更低的温度，称为液体过冷。在过冷器中，制冷剂液体的温降称为过冷度，其数值随冷凝温度及冷却介质的温度而定。

冷凝器和冷却器都是换热器。都是给制冷剂降温用的，但降温对象和物理过程不同。

气相冷凝器中有相变过程（气相制冷剂放热冷凝成液相制冷剂）

液相冷却器中无相变过程（液相制冷剂放热还是液相）。

气相和液相分开冷却比气液两相混合在一起冷却效率更高。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理等方案的说明。同时，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统，其特征是：包括工质泵驱动部分、背板蒸发散热部分和气液分离换热部分，

工质泵驱动部分包括储液罐(1)、工质泵(2)；

背板蒸发散热部分为背板蒸发器(4)；

气液分离换热部分包括气液分离器(5)、压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分；

压缩机驱动气相散热子部分包括压缩机(6)、气相冷凝器(8)和电子膨胀阀(9)，液相散热子部分包括单向阀(11)和液相冷却器(12)；

所述储液罐(1)出口与所述工质泵(2)入口相连，所述工质泵(2)出口与所述背板蒸发器(4)入口相连，所述背板蒸发器(4)出口与所述气液分离器(5)入口相连；

所述气液分离器(5)有一个液相出口和一个气相出口，其中所述气液分离器(5)的液相出口与所述液相冷却器(12)入口相连，所述液相冷却器(12)的出口与所述单向阀(11)入口相连；所述气液分离器(5)的气相出口与所述压缩机(6)吸气口相连，所述压缩机(6)排气口与所述气相冷凝器(8)入口相连，所述气相冷凝器(8)出口与所述电子膨胀阀(9)入口相连，所述电子膨胀阀(9)出口与所述单向阀(11)的出口相连并一同与所述储液罐(1)的入口相连；

所述工质泵(2)可与单向阀并联布置，所述压缩机(6)可与单向阀并联布置。

2.根据权利要求1所述的一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统，其特征是：所述气液分离器(5)采用长径比大于1的设计。

3.根据权利要求1所述的一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统，其特征是：工质泵驱动部分、背板蒸发散热部分和气液分离换热部分串联；压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分并联。

4.根据权利要求1所述的一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统，其特征是：所述储液罐(1)高于所述工质泵(2)安装。

5.根据权利要求1所述的一种数据中心用泵驱两相回路空调背板散热系统，其特征是：压缩机驱动气相散热子部分和液相散热子部分可单独循环工作。

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