TW201413184A - 空調系統 - Google Patents

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TW201413184A
TW201413184A TW101135313A TW101135313A TW201413184A TW 201413184 A TW201413184 A TW 201413184A TW 101135313 A TW101135313 A TW 101135313A TW 101135313 A TW101135313 A TW 101135313A TW 201413184 A TW201413184 A TW 201413184A
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Chun-Hung Pan
Shue-Liang Lin
Ming-Chang Wu
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F1/00—Room units for air-conditioning, e.g. separate or self-contained units or units receiving primary air from a central station
    • F24F1/0007—Indoor units, e.g. fan coil units
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本發明揭露一種空調系統，其包含有一機櫃、一第一熱交換器、一風扇以及一第二熱交換器。該機櫃係用來承載一主機。該第一熱交換器設置於該機櫃內。該第一熱交換器自該機櫃外部引入一氣體，並對該氣體進行熱交換處理，以使經熱處理後之該氣體流向該主機。該風扇用來排出流經該主機之該氣體。該第二熱交換器設置於該風扇上且位於該機櫃內。該第二熱交換器對該風扇所排出之該氣體進行熱交換處理，並利用該風扇之風力將該氣體排至該機櫃外部。

Description

空調系統
本發明係提供一種空調系統，尤指一種可有效節省能源消耗的空調系統。
隨著電腦及網路的發達，目前一般的企業或機構皆需配備電腦伺服器，而大型的網路服務業者更有大量的需求。以目前市面上常見的伺服器種類來說，機架式伺服器(rack server)之體積精簡，且最易於主機房集中管理。而機架式伺服器由於需上下多層相疊，且兩側又與其他伺服器相鄰，加上伺服器需長期連續運轉，因此散熱問題係非常重要，甚至將影響硬體運作的穩定度及使用壽命。一般來說，機架式伺服器都會裝配在機櫃內並且放置在機房中，機房或是機櫃內部都設有兩組以上的風扇來分別導入經過蒸發端熱交換器處理過的冷空氣及排出伺服器的廢熱，以達到散熱之目的。另外，由於近來貨櫃型機房可以實現更高密度的伺服器堆疊，因此散熱的需求更加重要。以下列舉數個常見的空調系統並分別說明。
請參閱第1圖，第1圖為先前技術之一空調系統10之示意圖。空調系統10包含有一機櫃12、一蒸發端熱交換器14、一抽風扇16以及一電腦主機18。電腦主機18置放於機櫃12內，蒸發端熱交換器14與抽風扇16則分別設置在機 櫃12外面。空調系統10係為一冷卻用空調系統。電腦主機18於運轉時會在機櫃12內部產生大量熱能，抽風扇16可進行抽氣以將電腦主機18所產生之熱空氣排出機櫃12，且蒸發端熱交換器14可將冷空氣輸入機櫃12，藉此降低機櫃12內溫度，改善電腦主機18的運轉效率。
請參閱第2圖，第2圖為另一先前技術之一空調系統20之示意圖。空調系統20包含有一機櫃22、一蒸發端熱交換器24、一進氣扇26以及一電腦主機28。機櫃22內設置有兩套隔間，電腦主機28安裝於其中一隔間，蒸發端熱交換器24與進氣扇26則設置在另一隔間。機櫃22在相對蒸發端熱交換器24之一端設置有複數個透氣孔(未示於圖中)，當電腦主機28在機櫃22內部產生大量熱能時，進氣扇26係將蒸發端熱交換器24所產生之冷空氣吹入(排入)機櫃22以降低電腦主機28的溫度，而機櫃22內的熱空氣另經由透氣孔排出機櫃22，達到冷卻主機之目的。
請參閱第3圖與第4圖，第3圖與第4圖分別為另一先前技術之一空調系統30於不同操作狀態之示意圖。空調系統30包含有一第一蒸發/冷凝端32、一第一風扇34、一第二蒸發/冷凝端36、一第二風扇38、一膨脹閥40以及一壓縮機42。其中膨脹閥40、壓縮機42與其對應管路系統即為冷媒壓縮循環系統。第一蒸發/冷凝端32與第一風扇34設置在室內，第二蒸發/冷凝端36與第二風扇38設置在室外。如第3圖所示，當空調系統30欲進行降溫時，膨脹閥40將低壓低 溫之流體送入第一蒸發/冷凝端32以吸收熱量，以使第一風扇34可將冷空氣送出空調系統30之機殼(未示於圖中)而進入室內，壓縮機42將來自第一蒸發/冷凝端32的流體以高溫高壓型態送至第二蒸發/冷凝端36，再利用第二風扇38將熱空氣排出室外，達到降溫的目的。
如第4圖所示，當空調系統30欲進行升溫時，壓縮機42將來自第二蒸發/冷凝端36的流體以高壓高溫型態送至第一蒸發/冷凝端32釋放熱量，接著第一風扇34可將熱空氣送入室內以產生暖氣的效果，而膨脹閥40再將低壓低溫流體送至第二蒸發/冷凝端36以吸收熱量。因此，空調系統30之壓縮機42係以封閉循環方式將流體於第一蒸發/冷凝端32與第二蒸發/冷凝端36之間傳遞，並利用各蒸發/冷凝端的功能切換模式以根據使用需求提供冷氣或釋放暖氣。
如前所述，空調系統10與空調系統20係利用一組熱交換器(有蒸發器14及24，但無冷凝器)降低氣體溫度，在使用風扇以抽氣或排氣的方式將冷空氣送入機櫃12及22內部，以達到冷卻電腦主機18與28的目的。空調系統10與空調系統20不具有冷凝功能，且無法調節濕度，不適用於高濕度地區。此外，空調系統30為常見的習知空調技術。空調系統30的兩組熱交換器(蒸發/冷凝端)分別設置於室內及室外，並且各配置有一個風扇，以閉環冷卻/加熱方式對流體進行熱量交換，藉此達到升溫或降溫之目的。
請參閱第5圖，第5圖為先前技術中應用空調系統30 的示意圖。電腦主機44與第一熱交換器32(蒸發/冷凝端)設置於機櫃46內，第二熱交換器36(蒸發/冷凝端)則設置於機櫃46外。第一熱交換器32所產生之冷暖風可經由第一風扇34於機櫃46內形成一內循環，藉此調節電腦主機44的操作溫度。第二熱交換器36另使用第二風扇38釋放熱量至外界空氣，且外界空氣不會與機櫃46內的空氣進行熱交換。由上述說明得知，空調系統30需使用兩個風扇才可完整呈現熱能循環交換以調節室內溫度的功能，不但增加了產品體積、設備成本及運轉成本(耗電量大)，風扇本身亦有使用年限的限制，故如何設計出一種可廣泛適用於熱帶地區與寒帶地區，並可有效降低設備成本及運作能源耗損的空調系統，以在綠化環保及節能省電方面更強化產品的市場競爭力。
本發明係提供一種可有效節省能源消耗的空調系統，以解決上述之問題。
本發明之申請專利範圍係揭露一種空調系統，用來冷卻一主機。該空調系統包含有一機櫃、一第一熱交換器、一風扇以及一第二熱交換器。該機櫃係用來承載該主機。該第一熱交換器設置於該機櫃內，用來自該機櫃外部引入氣體，並對該氣體進行熱交換處理，以使經熱處理後之該氣體流向該主機。該風扇用來排出流經該主機之該氣體。該第二熱交換器設置於該機櫃內且相鄰該風扇，用來對該風扇所排出之該氣體進行熱交換處理，並利用該風扇之風力將該氣體排至該 機櫃外部。
本發明之申請專利範圍另揭露該空調系統另包含有一擋板機構，該風扇設置於該擋板機構與該第二熱交換器之間。該擋板機構用來調控該氣體流向該第二熱交換器的流量。
本發明之申請專利範圍另揭露該氣體係經由該擋板機構之限制而部分流向該第一熱交換器。
本發明之申請專利範圍另揭露該第一熱交換器引入該機櫃外部之該氣體與經由該擋板機構之限制而流向該第一熱交換器之該氣體，以進行熱交換處理。
本發明之申請專利範圍另揭露該空調系統另包含有一感測器，電連接於該擋板機構。該感測器係用來偵測該機櫃內部之該氣體的溫度，以控制通過該擋板機構的氣體流量。
本發明之申請專利範圍另揭露該空調系統另包含有一冷媒壓縮循環系統，連通於該第一熱交換器與該第二熱交換器之間。
本發明之申請專利範圍另揭露該冷媒壓縮循環系統係用來冷卻該氣體之溫度或是提高該氣體之溫度。
本發明之申請專利範圍另揭露該第一熱交換器利用自然對流方式自該機櫃外部引入該氣體。
本發明之申請專利範圍另揭露該風扇將流經該主機之該氣體經由該第二熱交換器排放到該機櫃外，該第一熱交換器冷卻及除濕一外部氣體，並送往該主機進行降溫。
本發明之申請專利範圍另揭露該風扇將該氣體排往該第二熱交換器以加熱，且另將加熱後之該氣體經由該第一熱交換器送往該主機進行升溫。
本發明之申請專利範圍另揭露該機櫃包含有一主腔室以及一第一通氣部。該主機設置於該主腔室內。該第一通氣部連通於該主腔室。該第一熱交換器、該風扇與該第二熱交換器設置於該第一通氣部內。
本發明之申請專利範圍另揭露該第一通氣部包含有一第一區段以及一第二區段，該第一區段位於該主腔室的側邊，且該第二區段連接該主腔室之上端。
本發明之申請專利範圍另揭露該氣體經由該擋板機構之限制，係自該第二區段部分流到該第一區段，而流向該第一熱交換器。
本發明之申請專利範圍另揭露該空調系統另包含有一第一閥門，電連接該感測器，且設置於該第一區段與該第二區段之間。
本發明之申請專利範圍另揭露該空調系統另包含有一第二閥門，電連接該感測器，且設置於該主腔室與該第一通氣部之間。
本發明之申請專利範圍另揭露該第一熱交換器設置於該第一區段，該風扇與該第二熱交換器設置於該第二區段。
本發明之申請專利範圍另揭露該機櫃另包含有一第二通氣部，設置於該主腔室之底端。
本發明之空調系統不在蒸發端(第一熱交換器)設置風扇，僅於冷凝端(第二熱交換器)配置風扇，且兩個熱交換器皆可設置於室內空間(機櫃內部)，並藉由機櫃內的氣體流道、擋板機構與閥門設計來有效引導氣體流動，使得空調系統只需要一個風扇來做熱交換的功能，便能提高空調系統之效能，得到極佳的控制溫度與調整濕度的效果。再者，本發明另利用冷媒壓縮循環系統來冷卻空氣或是產生暖氣，使得應用本發明之空調系統的雲端伺服器機櫃或是貨櫃型機房可廣泛地適用於環境溫差大的地區，如寒帶地區或熱帶地區。相較先前技術之室內機與室外機的設計，本發明之空調系統的兩個熱交換器皆可設置在室內，並利用一個風扇來執行引入外部氣體與機櫃內部氣體循環的操作，可有效減少能源消耗，助於電源使用效率值的降低，達到省電節能環保之目的。
請參閱第6圖，第6圖為本發明實施例之一空調系統50之示意圖。空調系統50包含有一機櫃52，用來承載空調系統50的各項元件。機櫃52可包含一主腔室54、一第一通氣部56以及一第二通氣部58。第一通氣部56連通於主腔室54，第二通氣部58設置於主腔室54之底端，且第一通氣部56可再細分為一第一區段561與一第二區段563。第一區段561位於主腔室54之側邊，第二區段563位於主腔室54之上端。空調系統50另包含有一第一熱交換器60、一風扇62 以及一第二熱交換器64。第一熱交換器60設置於第一通氣部56之第一區段561。風扇62相鄰第二熱交換器64，且風扇62與第二熱交換器64設置於第一通氣部56之第二區段563。
空調系統50係用來調控一主機66的操作環境溫度，以確保主機66無論在寒帶地區或熱帶地區皆可維持正常穩定的運轉效率。主機66設置於機櫃52之主腔室54內部，而第一熱交換器60與第二熱交換器64亦相同地設置於機櫃52的相異空間內。因此，本發明不需限制熱交換器60、64的擺放位置，例如可任意設置於機櫃52內或機櫃52外。空調系統50可較佳地應用在雲端伺服器貨櫃，故當二組熱交換器60、64皆設置於機櫃52內部，則空調系統50與主機66可形成一封閉式模組化架構，可便於使用者搬運、推疊，以符合市場對雲端伺服器貨櫃的趨勢及需求。
如第6圖所示，第一熱交換器60係自機櫃52外部引入氣體(外部氣體)，並對氣體進行熱交換處理，以使經熱處理後的氣體可流入主腔室54，對主機66進行保溫或冷卻。接著設置相鄰於第二熱交換器64的風扇62係將流經主機66的氣體自主腔室54內抽出，並選擇性全部排向或部分排向第二熱交換器64。第二熱交換器64再對風扇62排出的氣體進行熱交換處理，並順勢透過風扇62之風力而將氣體排出機櫃52外，據此完成本發明之空調系統50的熱交換循環。
空調系統50另可包含有一擋板機構68以及一感測器 70。風扇62可設置於擋板機構68與第二熱交換器64之間，用來調控風扇62將氣體排往第二熱交換器64的流量。感測器70可電連接於擋板機構68，感測器70可偵測機櫃52內部的氣體溫度，以驅動擋板機構68完全開啟、部分開啟或完全關閉，以控制通過擋板機構68的氣體流量。例如當擋板機構68完全開啟時，氣體可全數通過擋板機構68；擋板機構68部分開啟時，通過擋板機構68的氣體流量則相應於擋板機構68開闔幅度的限制；而當擋板機構68完全關閉，氣體則被止擋而不通過擋板機構68。此外，空調系統50另可包含有一第一閥門72與一第二閥門74，分別電連接至感測器70(其連接方式未示於圖中)。第一閥門72設置於第一通氣部56內，用來調控第一區段561與第二區段563之間的氣體流量。第二閥門74設置於主腔室54與第一通氣部56之間，用來調控主腔室54與第一區段561之間的氣體流量。
空調系統50另可包含有一冷媒壓縮循環系統76，雙向連通於第一熱交換器60與第二熱交換器64之間。空調系統50使用冷媒壓縮循環系統76在第一熱交換器60及第二熱交換器64之間造成壓力的轉變，以泵使冷凍劑流動。冷凍劑會被泵入較冷的熱交換器(蒸發器)，而低壓低溫的環境可使冷凍劑揮發成蒸氣以吸取熱量，接著流入另一熱交換器(冷凝器)，使得冷凍劑的蒸氣被壓縮而凝結成液體，並釋放出先前在蒸發器所吸收的熱量，完成一冷凍循環。若將冷媒壓縮循環系統76反向運轉，便可以相反於前述的流程完成一 暖化循環。
請參閱第7圖，第7圖為本發明實施例之空調系統50啟用降溫功能的氣體流向示意圖。首先，第一熱交換器60自機櫃52外部引入氣體，機櫃52之進氣口通常位於天花板的高度，如設置在第二區段563上。氣體以自然對流方式進入機櫃52後自第二區段563流向第一區段561，並經由第一熱交換器60(蒸發器)降溫，以使降溫後的氣體可送入主腔室54對主機66進行冷卻。接著，風扇62可將主腔室54的氣體抽出，排往第二熱交換器64(冷凝器)進行放熱，以完成空調系統50之熱交換循環。值得一提的是，當啟用降溫功能時，擋板機構68可較佳地完全開啟其排氣通道，使得風扇62可經由第二熱交換器64將氣體全數排出機櫃52。其中，氣體的流動方向係為第7圖所示之箭頭指向。
請參閱第8圖，第8圖為本發明實施例之空調系統50啟用升溫功能的氣體流向示意圖。第一熱交換器60同樣地可自機櫃52的外部引入氣體至第一通氣部56之第一區段561。第一熱交換器60可經由冷媒壓縮循環系統76加壓變成高壓端，將兩熱交換器60、62的高低壓顛倒逆轉。因此氣體可透過第一熱交換器60(冷凝器)運轉加熱，還可透過冷媒壓縮循環系統76從環境中取熱，而使氣體有效地快速升溫。升溫後的氣體自第一通氣部56流入主腔室54，可對主機66產生暖氣效果。風扇62則持續運轉以將氣體自主腔室54抽出，此時擋板機構68可較佳地部分開啟排氣通道，自 主腔室54排放的氣體可經由風扇62之驅動，除了部分排出機櫃52外，另有部分氣體可經由第二區段563回流至第一區段561，提供予第一熱交換器60再次進行熱交換處理。
此外，第二通氣部58設置於主腔室54的底端，且擋板機構68另可選擇地設置在主腔室54與第二通氣部58之間。當空調系統50啟用升溫功能時，主腔室54的暖氣體可部分通過擋板機構68向下流動至第二通氣部58，並順勢流向第一通氣部56之第一區段561，以提供第一熱交換器60再次進行熱交換處理。其中，第二通氣部58可為一選擇性配置，端視設計需求而定，故於此不再詳述。其中，氣體之流動方向係為第8圖所示的箭頭指向。
綜上所述，本發明之空調系統不在蒸發端(第一熱交換器)設置風扇，僅於冷凝端(第二熱交換器)配置風扇，且兩個熱交換器皆可設置於室內空間(機櫃內部)，並藉由機櫃內的氣體流道、擋板機構與閥門之設計來有效引導氣體流動，使得空調系統只需要一個風扇來做熱交換的功能，便能得到極佳的控制溫度與調整濕度的效果。再者，本發明另利用冷媒壓縮循環系統來冷卻空氣或產生暖氣，使得應用本發明之空調系統的雲端伺服器機櫃與貨櫃型機房可廣泛地適用於環境溫差大的地區，如寒帶地區或熱帶地區。相較先前技術之室內機與室外機的設計，本發明之空調系統的兩個熱交換器皆可設置在室內，並利用一個風扇來執行引入外部氣體與機櫃內部氣體循環的操作，可有效減少能源消耗，助於機房電 源使用效率值(Power Usage Effectiveness,PUE)的降低，達到省電節能環保之目的。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧空調系統
12‧‧‧機櫃
14‧‧‧蒸發端熱交換器
16‧‧‧抽風扇
18‧‧‧電腦主機
20‧‧‧空調系統
22‧‧‧機櫃
24‧‧‧蒸發端熱交換器
26‧‧‧進氣扇
28‧‧‧電腦主機
30‧‧‧空調系統
32‧‧‧第一蒸發/冷凝端
34‧‧‧第一風扇
36‧‧‧第二蒸發/冷凝 端
38‧‧‧第二風扇
40‧‧‧膨脹閥
42‧‧‧壓縮機
44‧‧‧電腦主機
46‧‧‧機櫃
50‧‧‧空調系統
52‧‧‧機櫃
54‧‧‧主腔室
56‧‧‧第一通氣部
561‧‧‧第一區段
563‧‧‧第二區段
58‧‧‧第二通氣部
60‧‧‧第一熱交換器
62‧‧‧風扇
64‧‧‧第二熱交換器
66‧‧‧主機
68‧‧‧擋板機構
70‧‧‧感測器
72‧‧‧第一閥門
74‧‧‧第二閥門
76‧‧‧冷媒壓縮循環系統
第1圖為先前技術之空調系統之示意圖。
第2圖為另一先前技術之空調系統之示意圖。
第3圖與第4圖分別為另一先前技術之空調系統於不同操作狀態之示意圖。
第5圖為先前技術中應用空調系統的示意圖。
第6圖為本發明實施例之空調系統之示意圖。
第7圖為本發明實施例之空調系統啟用降溫功能的示意圖。
第8圖為本發明實施例之空調系統啟用升溫功能的示意圖。
50‧‧‧空調系統
52‧‧‧機櫃
54‧‧‧主腔室
56‧‧‧第一通氣部
561‧‧‧第一區段
563‧‧‧第二區段
58‧‧‧第二通氣部
60‧‧‧第一熱交換器
62‧‧‧風扇
64‧‧‧第二熱交換器
66‧‧‧主機
68‧‧‧擋板機構
70‧‧‧感測器
72‧‧‧第一閥門
74‧‧‧第二閥門
76‧‧‧冷媒壓縮循環系統

Claims (18)

  1. 一種空調系統，用來冷卻一主機，該空調系統包含有：一機櫃，該機櫃係用來承載該主機；一第一熱交換器，設置於該機櫃內，該第一熱交換器自該機櫃外部引入氣體，並對該氣體進行熱交換處理，以使經熱處理後之該氣體流向該主機；一風扇，用來排出流經該主機之該氣體；以及一第二熱交換器，設置於該機櫃內且相鄰該風扇，該第二熱交換器對該風扇所排出之該氣體進行熱交換處理，並利用該風扇之風力將該氣體排至該機櫃外部。
  2. 如請求項1所述之空調系統，其另包含有：一擋板機構，該風扇設置於該擋板機構與該第二熱交換器之間，該擋板機構用來調控該氣體流向該第二熱交換器的流量。
  3. 如請求項2所述之空調系統，其中該氣體係經由該擋板機構之限制而部分流向該第一熱交換器。
  4. 如請求項3所述之空調系統，其中該第一熱交換器引入該機櫃外部之該氣體與經由該擋板機構之限制而流向該第一熱交換器之該氣體，以進行熱交換處理。
  5. 如請求項2所述之空調系統，其另包含有：一感測器，電連接於該擋板機構，該感測器係用來偵測該機櫃內部之該氣體的溫度，以控制通過該擋板機 構的氣體流量。
  6. 如請求項1所述之空調系統，其另包含有：一冷媒壓縮循環系統，連通於該第一熱交換器與該第二熱交換器之間。
  7. 如請求項6所述之空調系統，其中該冷媒壓縮循環系統係用來冷卻該氣體之溫度或是提高該氣體之溫度。
  8. 如請求項1所述之空調系統，其中該第一熱交換器利用自然對流方式自該機櫃外部引入該氣體。
  9. 如請求項1所述之空調系統，其中該風扇將流經該主機之該氣體經由該第二熱交換器排放到該機櫃外，該第一熱交換器冷卻及除濕一外部氣體，並送往該主機進行降溫。
  10. 如請求項2所述之空調系統，其中該風扇將該氣體排往該第二熱交換器以加熱，且另將加熱後之該氣體經由該第一熱交換器送往該主機進行升溫。
  11. 如請求項1或2所述之空調系統，其中該機櫃包含有：一主腔室，該主機設置於該主腔室內；以及一第一通氣部，連通於該主腔室，該第一熱交換器、該風扇與該第二熱交換器設置於該第一通氣部內。
  12. 如請求項11所述之空調系統，其中該第一通氣部包含有一第一區段以及一第二區段，該第一區段位於該主腔室的側邊，且該第二區段連接該主腔室之上端。
  13. 如請求項12所述之空調系統，其中該氣體經由該擋板 機構之限制，係自該第二區段部分流到該第一區段，而流向該第一熱交換器。
  14. 如請求項12所述之空調系統，其另包含有：一第一閥門，電連接該感測器，且設置於該第一區段與該第二區段之間。
  15. 如請求項14所述之空調系統，其另包含有：一第二閥門，電連接該感測器，且設置於該主腔室與該第一通氣部之間。
  16. 如請求項12所述之空調系統，其中該第一熱交換器設置於該第一區段，該風扇與該第二熱交換器設置於該第二區段。
  17. 如請求項11所述之空調系統，其中該機櫃另包含有：一第二通氣部，設置於該主腔室之底端。
  18. 如請求項1所述之空調系統，其中該空調系統另包含有一擋板機構、一感測器以及一冷媒壓縮循環系統，該風扇設置於該擋板機構與該第二熱交換器之間，該感測器電連接該擋板機構，且該冷媒壓縮循環系統連通於該第一熱交換器與該第二熱交換器之間，該機櫃包含有一主腔室、一第一通氣部以及一第二通氣部，該主機設置於該主腔室內，該第一熱交換器、該風扇與該第二熱交換器設置於該第一通氣部內，且該第二通氣部設置於該主腔室之底端，該第一通氣部包含有一第一區段以及一第二區段，該第一區段位於該主腔室的側邊，且該第二區 段連接該主腔室之上端，該空調系統另包含有一第一閥門以及一第二閥門，分別電連接該感測器，該第一閥門設置於該第一區段與該第二區段之間，且該第二閥門設置於該主腔室與該第一通氣部之間。
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