CN217608190U - 一种低碳节能型双系统热管一体化机柜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种低碳节能型双系统热管一体化机柜。包括：柜体单元、位于柜体单元内的复合空调单元、无源应急供冷单元和设备安装区域。复合空调单元包括热管模块和压缩模块两套独立的制冷系统，热管模块为优先制冷系统，压缩模块为补充制冷系统。热空气从设备安装区域进入热管蒸发器一次降温，若一次降温后的空气未满足设定出风温度，则进入压缩蒸发器二次降温。复合空调单元分三种运行模式：1)热管运行模式；2)混合运行模式；3)压缩机运行模式。当复合空调单元因断电停机后，无源应急供冷单元释放低温气体，保证机柜内工作温度。

Description

一种低碳节能型双系统热管一体化机柜

技术领域

本实用新型涉及一种一体化机柜，特别是一种低碳节能型双系统热管一体化机柜。

背景技术

当前，“碳达峰、碳中和”已纳入生态文明建设整体布局。随着我国云计算、大数据、人工智能、互联网、5G的迅猛发展，数据正呈现数倍增长。作为数据承载体的数据中心与日俱增，建设体量和建设规模不断扩大，数据中心将面临日益增长的资源和电力需求。因此，低碳节能是数据中心行业健康发展的必由之路。

目前，主流的一体化机柜大多采用通风换热门板或内置分体空调的供冷方式。在夏季高温时，通风换热门板所引入的高温空气无法对机柜内设备进行有效降温，柜内温度无法维持，服务器存在宕机安全隐患。一体化机柜内服务器需要全年不间断运行以向用户提供服务，同时需要空调设备实时供冷维持其可靠运行，因此内置分体空调的压缩机全年耗电量巨大，与我国“双碳”布局相违背。

针对上述一体化机柜的制冷方式，其安全性和节能性都存在一定缺陷。因此，有必要设计一种安全可靠、低碳节能的双系统无动力热管一体化机柜。

实用新型内容

发明目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种低碳节能型双系统热管一体化机柜。

为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，包括：柜体单元(1)、空调外机(13)和冷媒循环管路；柜体单元(1)中设置空调内机(3)；

其中，空调外机(13)通过冷媒循环管路与柜体单元(1)中的空调内机(3)连接；空调内机(3)、空调外机(13)和连接内外机的冷媒循环管路组成复合空调单元(23)。

所述空调内机(3)包括：压缩蒸发器(6)、热管蒸发器(7)、内机风机(4)、送风口(5)和回风口(8)；

其中，压缩蒸发器(6)和热管蒸发器(7)用于热交换；内机风机(4)、送风口(5)和回风口(8)用于建立柜体单元(1)内部的气流通道。

所述空调外机(13)包括：压缩机(14)、压缩冷凝器(16)、膨胀阀(15)、热管冷凝器(17)和外机风机(18)；

其中，压缩冷凝器(16)和热管冷凝器(17)用于热交换；外机风机(18)用于给压缩冷凝器(16)和热管冷凝器(17)散热。

所述冷媒循环管路包括压缩冷媒气管(21)、压缩冷媒液管(22)、热管冷媒气管(19)和热管冷媒液管(20)；

其中，压缩冷媒气管(21)和热管冷媒气管(19)用于传送气态冷媒；压缩冷媒液管(22)和热管冷媒液管(20)用于传送液态冷媒。

所述复合空调单元(23)由热管模块系统和压缩模块系统两套独立的制冷系统组成，用于不同的室外环境温度；所述热管模块系统为优先制冷系统，所述压缩模块系统为补充制冷系统；所述热管模块系统单独运行无法满足机柜供冷需求时，启动压缩模块系统进行补冷。根据室外干球温度变化，全年分为三种运行模式：

运行模式一，热管运行模式：当室外干球温度较低时，开启热管模块系统，关闭压缩模块系统；此阶段为低温超节能运行，此时空调系统仅有内、外机风机的能耗。

运行模式二，混合运行模式：当室外干球温度升高时，需要启动压缩模块和热管模块进行配合，通过压缩机低频运转，来补偿因室外干球温度过高，导致热管模块无法完全降低热空气温度的问题；此阶段为中温节能运行，此时空调系统仍处于热管工作为主，压缩制冷为辅的模式，压缩机低频工作，耗电少。

运行模式三，压缩机运行模式：当室外干球温度过高时，热管模块系统失效，完全采用压缩模块系统进行制冷；此阶段为高温制冷运行，该阶段全年时长占比少。

所述复合空调单元(23)的热管模块系统中：

所述热管蒸发器(7)通过热管冷媒气管(19)和热管冷媒液管(20)与热管冷凝器(17)相联通，从热管蒸发器(7)流出气态冷媒通过热管冷媒气管(19)传输至热管冷凝器(17)，换热降温后变成液态冷媒，通过热管冷媒液管(20)回流至热管蒸发器(7)，在蒸发器内与热空气(9)换热后变成气态冷媒流出。

所述热管模块系统依靠自身内部冷媒的相变实现传热，运行时冷媒的回流依靠重力，无动力元件。

所述复合空调单元(23)的压缩模块系统中：

所述压缩蒸发器(6)通过压缩冷媒气管(21)和压缩冷媒液管(22)与压缩冷凝器(16)相联通，从压缩蒸发器(6)流出气态冷媒通过压缩冷媒气管(21)传输至压缩冷凝器(16)，换热降温后变成液态冷媒，通过压缩冷媒液管(22)回流至压缩蒸发器(6)，在蒸发器内与热空气(9)换热后变成气态冷媒流出。

所述压缩蒸发器(6)和热管蒸发器(7)均单独满足空调内机(3)额定制冷量；所述压缩冷凝器(16)和热管冷凝器(17)均单独满足空调外机(13)散热量。

空调内机(3)安装于柜体单元(1)下部，内机风机(4)通过送风口(5)从机柜下部将冷空气(11)输送至设备安装区域(2)，冷空气(11)与设备换热后变成热空气(9)，热空气(9)经回风口(8)回到空调内机(3)；冷空气(11)在机柜前部形成冷通道(12)，热空气(9)在机柜后部形成热通道(10)；

柜体单元(1)内由下至上依次设置空调内机(3)、无源应急供冷单元(24)、电池单元(25)、UPS单元(26)、配电单元(27)、服务器单元(28)和智能监控单元(29)；

所述复合空调单元(23)提供冷量，维持整个机柜的循环冷却散热工作；

所述无源应急供冷单元(24)为停电时释放低温气体用于机柜应急供冷；所述无源应急供冷单元包括高强度空气压缩包、涡旋管气流冷却喷嘴、电磁阀和过滤网。当突发断电情况发生时，电磁阀开启，激活高强度空气压缩包并从涡旋管气流冷却喷嘴释放低温气体，维持柜内温度。所述无源应急供冷单元无需配电，运行过程无任何耗电，可实现“零碳”工作。

所述UPS单元(26)为不间断电源，对整个机柜提供停电时的电力保障；

所述电池单元(25)为后备蓄电，在机柜停电时放电，配合UPS单元(26)提供不间断电力保障；

所述配电单元(27)对机柜内各电器元件提供电力分配保障。

所述智能监控单元(29)用于实时监控机柜内温湿度和漏水情况，对配电系统和制冷系统进行调控；智能监控单元(29)还包括烟雾探测和消防联动。

有益效果：

(1)本实用新型的空调系统采用热管模块和压缩模块双系统供冷，安全可靠。

(2)本实用新型的内部气流组织为前送风、后回风，冷空气在机柜前部形成冷通道，热空气在机柜后部形成热通道，冷、热通道相对隔绝，冷、热空气不会掺混，可避免冷空气损失。

(3)本实用新型的蒸发器、内机风机、送风口、回风口等空调元件与机柜一体化集成装配，空调贴近热源，冷空气输送距离短，制冷效率高。

(4)本实用新型的热管模块系统为无动力循环，依靠自身内部冷媒的相变来实现传热，热管运行时冷媒的回流依靠重力，无需其它动力耗能元件。

(5)本实用新型的空调系统根据室外干球温度变化，分为热管运行模式、混合运行模式、压缩机运行模式；热管模块系统为优先制冷系统，压缩模块系统为补充制冷系统，充分利用室外自然冷空气能源，低碳节能。

(6)本实用新型的无源应急供冷单元无需电力驱动，耗能低。仅通过电磁阀激活，使用气体为冷却源，零碳环保。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的机柜内部示意图。

其中，1、柜体单元，2、设备安装区域，3、空调内机，4、内机风机，5、送风口，6、压缩蒸发器，7、热管蒸发器，8、回风口，9、热空气，10、热通道，11、冷空气，12、冷通道，13、空调外机，14、压缩机，15、膨胀阀、16、压缩冷凝器，17、热管冷凝器，18、室外风机，19、热管冷媒气管，20、热管冷媒液管，21、压缩冷媒气管，22、压缩冷媒液管。23、复合空调单元，24、无源应急供冷单元，25、电池单元，26、UPS单元，27、配电单元，28、服务器单元，29、智能监控单元。

具体实施方式

本实用新型可现实不同环境温度下的多模式制冷，充分利用室外自然冷空气能源，实现低碳节能。包括：复合空调单元、无源应急供冷单元、电池单元、UPS单元、配电单元、服务器单元和智能监控单元，从下到上依次放置在柜体单元中。其中复合空调单元为机柜内服务器和辅助设备提供冷量，维持柜内温度；无源应急供冷单元能够释放低温气体用于停电时的应急供冷。

所述复合空调单元包括空调内机、空调外机、连接内外机的冷媒循环管路：空调内机包括压缩蒸发器、热管蒸发器、内机风机、送风口、回风口；空调外机包括压缩机、压缩冷凝器、膨胀阀、热管冷凝器、外机风机。冷媒循环管路包括压缩冷媒气管、压缩冷媒液管、热管冷媒气管、热管冷媒液管。

所述空调内机安装于机柜下部，所述内机风机通过送风口从机柜下部将冷空气输送至设备安装区域，冷空气与设备安装区域的服务器及配电单元、电池单元、UPS单元等辅助设备换热后变成热空气，热空气经回风口回到空调内机，并与蒸发器换热后变成冷空气，由内机风机再次输送至设备安装区域，形成气流循环。

所述气流循环为前送风、后回风，冷空气在机柜前部形成冷通道，热空气在机柜后部形成热通道，冷、热通道相对隔绝，冷、热空气不会掺混，可避免冷空气损失，从而提高制冷效率。

所述复合空调单元分为热管模块系统和压缩模块系统：热管模块系统包括热管蒸发器、热管冷凝器、热管冷媒气管、热管冷媒液管；压缩模块系统包括压缩机、压缩冷凝器、膨胀阀、压缩蒸发器、压缩冷媒气管、压缩冷媒液管；所述热管模块系统和压缩模块系统共用内机风机、送风口、回风口、外机风机。

所述压缩蒸发器和热管蒸发器均能够单独满足空调内机额定制冷量；所述压缩冷凝器和热管冷凝器均能够单独满足空调外机散热量。

所述热管模块系统运行供冷时，从热管蒸发器流出气态冷媒通过热管冷媒气管传输至热管冷凝器，换热降温后变成液态冷媒，通过热管冷媒液管回流至热管蒸发器，在蒸发器内与热空气换热后变成气态冷媒流出，如此循环。所述热管模块系统依靠自身内部冷媒的相变来实现传热，热管运行时冷媒的回流依靠重力，无须其它动力元件。

所述热管模块系统单独运行无法满足机柜供冷需求时，启动压缩模块系统进行补冷。压缩机、压缩冷凝器、膨胀阀、压缩蒸发器运行，低压气态冷媒从压缩蒸发器流入压缩机后变成高压气态冷媒，传输至压缩冷凝器换热后变成液态冷媒，液态冷媒经膨胀阀节流，进一步降低压力和温度，低温低压的液态冷媒在压缩蒸发器与热空气换热后后变成气态冷媒流出，如此循环。所述热空气经过热管蒸发器换热，第一次降温后未达设定出风温度，经过压缩蒸发器二次降温形成所述冷空气输送至设备安装区域进行冷却。

所述热管模块系统为优先制冷系统，所述压缩模块系统为补充制冷系统。根据室外干球温度变化，全年分为三种运行模式：

(1)运行模式一，热管运行模式：当室外干球温度较低时，开启热管模块系统，关闭压缩模块系统；此阶段为低温超节能运行，此时空调系统仅有内、外机风机的能耗。

(2)运行模式二，混合运行模式：当室外干球温度升高时，需要启动压缩模块和热管模块进行配合，通过压缩机低频运转，来补偿因室外干球温度过高，导致热管模块无法完全降低热空气温度的问题；此阶段为中温节能运行，此时空调系统仍处于热管工作为主，压缩制冷为辅的模式，压缩机低频工作，耗电少。

(3))运行模式三，压缩机运行模式：当室外干球温度过高时，热管模块系统失效，完全采用压缩模块系统进行制冷；此阶段为高温制冷运行，该阶段全年时长占比少。

所述无源应急供冷单元包括高强度空气压缩包、涡旋管气流冷却喷嘴、电磁阀和过滤网。当突发断电情况发生时，电磁阀开启，激活高强度空气压缩包并从涡旋管气流冷却喷嘴释放低温气体，维持柜内温度。所述无源应急供冷单元无需配电，运行过程无任何耗电，可实现“零碳”工作。

实施例

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，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型的组件可以以各种不同的配置来集成设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型选定的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

作为示例，如图2所示，一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，包括：

柜体单元1内由下至上依次设置复合空调单元23、无源应急供冷单元24、电池单元25、UPS单元26、配电单元27、服务器单元28和智能监控单元29。由复合空调单元23提供冷量，维持设备安装区域2内电池单元25、UPS单元26、配电单元27、服务器单元28等设备的工作温度。柜体单元1内部密封，使复合空调单元23输出的冷空气11仅在机柜内部循环。当复合空调单元23因断电停机后，无源应急供冷单元24释放低温气体，保证机柜内温度在一定时间内处于正常的工作温度范围。

如图1所示，复合空调单元23包括空调内机3、空调外机13、连接内外机的冷媒循环管路：空调内机3包括压缩蒸发器6、热管蒸发器7、内机风机4、送风口5、回风口8；空调外机13包括压缩机14、压缩冷凝器16、膨胀阀15、热管冷凝器17、外机风机18。冷媒循环管路包括压缩冷媒气管21、压缩冷媒液管22、热管冷媒气管19、热管冷媒液管20。

双系统构成：复合空调单元23分为热管模块系统和压缩模块系统。热管模块系统包括热管蒸发器7、热管冷凝器17、热管冷媒气管19、热管冷媒液管20；压缩模块系统包括压缩机14、压缩冷凝器16、膨胀阀15、压缩蒸发器6、压缩冷媒气管21、压缩冷媒液管22；热管模块系统和压缩模块系统共用内机风机4、送风口5、回风口8、外机风机18。压缩蒸发器6和热管蒸发器7均能够单独满足空调内机3额定制冷量；所述压缩冷凝器16和热管冷凝器17均能够单独满足空调外机13散热量。

气流组织：空调内机3安装于柜体单元1下部，内机风机4通过送风口5从机柜下部将冷空气11输送至设备安装区域2，冷空气11与设备安装区域2的服务器单元28及配电单元27、电池单元25、UPS单元26等辅助设备换热后变成热空气9，热空气9经回风口8回到空调内机3，并与热管蒸发器7和/或压缩蒸发器6换热后变成冷空气11，由内机风机4再次输送至设备安装区域2，形成气流循环。气流循环为前送风、后回风，冷空气11在机柜前部形成冷通道12，热空气9在机柜后部形成热通道10，冷通道12和热通道10相对隔绝，冷空气11和热空气9不会掺混，可避免冷空气11损失。

运行模式及其工作原理：

根据室外干球温度变化，复合空调单元23全年分为三种运行模式：

(1)运行模式一，热管运行模式：当室外干球温度较低时(≤12℃)，开启热管模块系统，关闭压缩模块系统。热管模块系统运行供冷，从热管蒸发器7流出气态冷媒通过热管冷媒气管19传输至热管冷凝器17，换热降温后变成液态冷媒，通过热管冷媒液管20回流至热管蒸发器7，在蒸发器内与热空气9换热后变成气态冷媒流出，如此循环。热管模块系统依靠自身内部冷媒的相变来实现传热，热管运行时冷媒的回流依靠重力，无须其它动力元件。热空气9经过热管蒸发器7换热，一次降温后即形成冷空气11输送至设备安装区域2进行冷却。

2)运行模式二，混合运行模式：当室外干球温度升高时(12～22℃)，需要启动压缩模块和热管模块进行配合，通过压缩机14低频运转，来补偿因室外干球温度过高，导致热管模块无法完全降低热空气9温度的问题。压缩模块系统供冷通过压缩机14、压缩冷凝器16、膨胀阀15、压缩蒸发器6运行，低压气态冷媒从压缩蒸发器6流入压缩机14后变成高压气态冷媒，传输至压缩冷凝器16换热后变成液态冷媒，液态冷媒经膨胀阀15节流，进一步降低压力和温度，低温低压的液态冷媒在压缩蒸发器6与热空气9换热后后变成气态冷媒流出，如此循环。热空气9经过热管蒸发器7换热，第一次降温后未达设定出风温度，经过压缩蒸发器6二次降温形成设定冷空气11输送至设备安装区域2进行冷却。

(3)运行模式三，压缩机运行模式：当室外干球温度过高时(>22℃)，热管模块系统失效，完全采用压缩模块系统进行制冷。压缩模块系统供冷通过压缩机14全速运转，运行循环流程同运行模式二的压缩模块系统。热空气9经过压缩蒸发器6换热，一次降温后即形成冷空气11输送至设备安装区域2进行冷却。

本实用新型提供了一种低碳节能型双系统热管一体化机柜的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。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)

1.一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，包括：柜体单元(1)、空调外机(13)和冷媒循环管路；柜体单元(1)中设置空调内机(3)；

其中，空调外机(13)通过冷媒循环管路与柜体单元(1)中的空调内机(3)连接；空调内机(3)、空调外机(13)和连接内外机的冷媒循环管路组成复合空调单元(23)。

2.根据权利要求1所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述空调内机(3)包括：压缩蒸发器(6)、热管蒸发器(7)、内机风机(4)、送风口(5)和回风口(8)；

其中，压缩蒸发器(6)和热管蒸发器(7)用于热交换；内机风机(4)、送风口(5)和回风口(8)用于建立柜体单元(1)内部的气流通道。

3.根据权利要求2所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述空调外机(13)包括：压缩机(14)、压缩冷凝器(16)、膨胀阀(15)、热管冷凝器(17)和外机风机(18)；

其中，压缩冷凝器(16)和热管冷凝器(17)用于热交换；外机风机(18)用于给压缩冷凝器(16)和热管冷凝器(17)散热。

4.根据权利要求3所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述冷媒循环管路包括压缩冷媒气管(21)、压缩冷媒液管(22)、热管冷媒气管(19)和热管冷媒液管(20)；

其中，压缩冷媒气管(21)和热管冷媒气管(19)用于传送气态冷媒；压缩冷媒液管(22)和热管冷媒液管(20)用于传送液态冷媒。

5.根据权利要求4所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述复合空调单元(23)由热管模块系统和压缩模块系统两套独立的制冷系统组成，用于不同的室外环境温度；所述热管模块系统为优先制冷系统，所述压缩模块系统为补充制冷系统；所述热管模块系统单独运行无法满足机柜供冷需求时，启动压缩模块系统进行补冷。

6.根据权利要求5所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述复合空调单元(23)的热管模块系统中：

所述热管蒸发器(7)通过热管冷媒气管(19)和热管冷媒液管(20)与热管冷凝器(17)相联通，从热管蒸发器(7)流出气态冷媒通过热管冷媒气管(19)传输至热管冷凝器(17)，换热降温后变成液态冷媒，通过热管冷媒液管(20)回流至热管蒸发器(7)，在蒸发器内与热空气(9)换热后变成气态冷媒流出。

7.根据权利要求6所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述热管模块系统依靠自身内部冷媒的相变实现传热，运行时冷媒的回流依靠重力，无动力元件。

8.根据权利要求7所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述复合空调单元(23)的压缩模块系统中：

所述压缩蒸发器(6)通过压缩冷媒气管(21)和压缩冷媒液管(22)与压缩冷凝器(16)相联通，从压缩蒸发器(6)流出气态冷媒通过压缩冷媒气管(21)传输至压缩冷凝器(16)，换热降温后变成液态冷媒，通过压缩冷媒液管(22)回流至压缩蒸发器(6)，在蒸发器内与热空气(9)换热后变成气态冷媒流出。

9.根据权利要求8所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，所述压缩蒸发器(6)和热管蒸发器(7)均单独满足空调内机(3)额定制冷量；所述压缩冷凝器(16)和热管冷凝器(17)均单独满足空调外机(13)散热量。

10.根据权利要求9所述的一种低碳节能型双系统热管一体化机柜，其特征在于，空调内机(3)安装于柜体单元(1)下部，内机风机(4)通过送风口(5)从机柜下部将冷空气(11)输送至设备安装区域(2)，冷空气(11)与设备换热后变成热空气(9)，热空气(9)经回风口(8)回到空调内机(3)；冷空气(11)在机柜前部形成冷通道(12)，热空气(9)在机柜后部形成热通道(10)；

柜体单元(1)内由下至上依次设置空调内机(3)、无源应急供冷单元(24)、电池单元(25)、UPS单元(26)、配电单元(27)、服务器单元(28)和智能监控单元(29)；

所述复合空调单元(23)提供冷量，维持整个机柜的循环冷却散热工作；

所述无源应急供冷单元(24)为停电时释放低温气体用于机柜应急供冷；

所述UPS单元(26)为不间断电源，对整个机柜提供停电时的电力保障；

所述电池单元(25)为后备蓄电，在机柜停电时放电，配合UPS单元(26)提供不间断电力保障；

所述配电单元(27)对机柜内各电器元件提供电力分配保障；

所述智能监控单元(29)用于实时监控机柜内温湿度和漏水情况，对配电系统和制冷系统进行调控；智能监控单元(29)还包括烟雾探测和消防联动。

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