TWI521140B - 數據機房之無油離心式冷卻系統 - Google Patents

Description

數據機房之無油離心式冷卻系統

一種數據機房之無油離心式冷卻系統，其係為一種用於數據機房的冷卻系統。

隨著科技的進步，各型計算機的應用亦日趨廣泛，如伺服器或數據交換機，但計算機於運作時，計算機會產生一工作高溫，而該工作高溫會使計算機過熱，而產生毀損，為了避免計算機過熱，故會將計算機設置於一數據機房，數據機房之冷卻系統係能夠降低該工作高溫，以使計算機正常運作，所以該冷卻系統具有相當的重要性。

請配合參考圖1所示，一種數據機房之冷卻系統，其具有一冷卻水塔10、一冷卻機11(Chiller)與一機房內空氣熱交換器12。

冷卻水塔10係以管線耦接冷卻機11，冷卻機11係以管線耦接機房內空氣熱交換器12。

如圖一所示，一來自數據機房的空氣13流入機房內空氣熱交換器12，並經熱交換後，而使其形成一冷卻空氣14，以提供給數據機房。

吸收該來自數據機房的空氣13之熱量的機房內空氣熱交換器12之冷卻水，則流至冷卻機11中，並經熱交換後，再次流回機房內空氣熱交換器12，以與來自數據機房的空氣13進行熱交換。

來自冷卻水塔10的水則於冷卻機11中吸收來自機房內空氣熱交換器12之冷卻水的熱量，並回到冷卻水塔10中，而與一外部空氣15進行熱交換後，再流回冷卻機11中。

以上所述，其係為一典型的數據機房之冷卻水循環，但因數據機房中具有各種電子設備，但冷卻水循環有可能發生管路洩漏的問題，若於數據機房產生有管路洩漏，其勢必造成相當的危險與損失。

有鑑於上述之管路洩漏的問題，部分的數據機房係使用二次工作流體的設計，該二次工作流體為非導電流體，若產生有管路洩漏的問題，其不會造成電路短路的問題，但冷卻系統需要時時填充二次工作流體，以及增加二次工作流體泵與一次/二次熱交換器的數量。

為能降低冷卻系統的用電量，採用更有效率的冷卻系統就成為一項重要的課題，舉例若採用冷媒直接循環系統，能夠節省水泵用電，但一次/二次熱交換的溫度差易造成冷卻系統的效率下降，以及成本的增加。

綜合上述，現有的冷卻系統具有下述之缺點：

一、管路洩漏對電子設備產生威脅。

二、冷卻水循環之水泵需要消耗電力。

三、冷卻水循環之冷卻水易與空氣熱交換器之間產生溫度階梯，而使得冷卻系統的效率下降。

四、若使用潤滑油的冷媒冷卻系統，潤滑油可能進入空氣熱交換器，並且無法離開空氣熱交換器，進而造成壓縮機的失油毀損。

五、若無潤滑油的冷媒冷卻系統，其係以蒸發器各別之冷媒膨脹裝置進行蒸發器出口之冷媒過熱控制，然該系統複雜度頗高，一旦控制失敗，容易形成液壓縮之情況。

六、有潤滑油的冷媒冷卻系統或無潤滑油的冷媒冷卻系統，現今皆採用散熱鰭片與水平熱傳式蒸發器，熱傳效率差，並且冷媒經熱交換器之壓力損失大。

於一實施例，本揭露係提供一種數據機房之無油離心式冷卻系統，其具有一液氣分離器；至少一冷凝器，其係耦接該液氣分離器；一冷媒膨脹閥，其係設於該冷凝器與該液氣分離器之間；一驅動控制器，其係電性連接該冷媒膨脹閥；一液位感測器，其係設於一能夠感測液態冷媒液位的位置，該液位感測器係電性連接該驅動控制器；一無油離心式壓縮機，其係分別耦接該冷凝器與該液氣分離器；以及至少一蒸發器，其係直立設於該數據機房中，該蒸發器係耦接該液氣分離器。

以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容，輕易地瞭解本揭露之其他優點與功效。

請配合參考圖2所示，本揭露之數據機房之無油離心式冷卻系統之第一實施例，其能夠應用於一數據機房貨櫃29，該無油離心式冷卻系統包含有一液氣分離器20、至少一冷凝器21、一冷媒膨脹閥22、一驅動控制器23、一液位感測器24、一無油離心式壓縮機25、一蒸發器液態分佈主管26、至少一蒸發器27與一氣態冷媒出口集管28。

液氣分離器20具有一除液網200，液氣分離器20進一步一液氣兩相冷媒進口201、一氣態冷媒進口202、一氣態冷媒出口203與一液態冷媒出口204，除液網200係位於氣態冷媒進口202與氣態冷媒出口203之間。

冷凝器21能夠為一氣冷式、一蒸氣冷卻式或一液體冷卻式，冷凝器21具有一壓縮機排氣管210與一冷凝器出口集管211，壓縮機排氣管210係分別耦接冷凝器21與無油離心式壓縮機25，冷凝器出口集管211係分別耦接冷凝器21與液氣分離器20之冷媒進口201。

請配合參考圖3所示，若冷凝器21A為蒸發冷卻式，冷凝器21A具有一風扇210A、一擋板211A、至少一噴灑頭212A、一熱傳管213A、一集液槽214A與一泵215A，熱傳管213A係分別耦接上述之壓縮機排氣管與冷凝器出口集管，噴灑頭212A係設於熱傳管213A的上方，擋板211A係設於噴灑頭212A的上方，風扇210A係設於擋板211A的上方，集液槽214A係設於熱傳管213A的下方，泵215A係分別耦接噴灑頭212A與集液槽214A。

請再配合參考圖2所示，冷媒膨脹閥22係電性連接驅動控制器23，驅動控制器23能夠控制冷媒膨脹閥22的開度，冷媒膨脹閥22係設於冷凝器出口集管211，冷媒膨脹閥22為一電子式或一孔口板式，冷凝器出口集管211係進一步耦接液氣兩相冷媒進口201。

無油離心式壓縮機25為一單級離心式壓縮機或一多級離心式壓縮機，無油離心式壓縮機25係分別耦接氣態冷媒出口203與冷凝器入口集管210，如圖2所示，無油離心式壓縮機25具有一離心葉輪250、一磁浮軸承251與一變速馬達252，變速馬達252之轉子係耦接離心葉輪250。

液位感測器24係電性連接驅動控制器23，液位感測器24係設於一能夠感測液態冷媒液位的位置，於本實施例中，如圖2所示，該位置為液態分佈主管26，液態分佈主管26係設於數據機房貨櫃29中，液態分佈主管26係耦接冷媒出口204，液態分佈主管26進一步耦接有一閥體260與一液態分佈支管262，閥體260係位於液態分佈主管26與液態分佈支管262之間，如圖4所示。

請配合參考圖2所示，氣態冷媒出口主管28係耦接氣態冷媒進口202，氣態冷媒出口主管28係進一步耦接一閥體280與一氣態冷媒出口集支管281，閥體280係位於氣態冷媒出口支管281與氣態冷媒出口主管28之間。

請配合參考圖4與圖5所示，蒸發器27的第一實施例，蒸發器27係以直立設於數據機房貨櫃29中，蒸發器27具有至少一風扇270、複數個鰭片271與複數個熱傳管272，熱傳管272縱向穿設於鰭片271中，熱傳管272係耦接液態分佈支管262與氣態冷媒出口集支管281，舉例而言，液態分佈支管262係位於鰭片271的底端，氣態冷媒出口支管281位於鰭片271的頂端，風扇270係設於鰭片271的一側，鰭片271亦能夠為平板式或百葉式，其係能夠提升氣體之熱傳效果，如空氣。

請配合參考圖6與圖7所示，蒸發器27A的第二實施例，蒸發器27A的構件係近似於如圖6所述之蒸發器27的第一實施例，故部分元件符號係延用，於本實施例中，熱傳管272A係橫向設於鰭片271A，熱傳管272A係分別耦接液態分佈支管262與氣態冷媒出口支管281，舉例而言，液態分佈支管262係位於鰭片271A的一側，氣態冷媒出口支管281位於鰭片271A的另一側，風扇270A係位於鰭片271A的任一側，液態分佈支管262進一步耦接有一U型的貯液彎管261，貯液彎管261係位於液態分佈支管262與閥體260之間。

如圖8所示，蒸發器27B的第三實施例，蒸發器27B具有複數個熱傳管272B、複數個鰭片271B、至少一風扇270B與一集液盤273B，熱傳管272B係橫向穿設於鰭片271B，風扇270B係設於鰭片271B一側，集液盤273B係設於鰭片271B的底端，熱傳管係分別耦接液態分佈支管262B與氣態冷媒出口支管281B，液態分佈支管262B為一並聯入口集管，氣態冷媒出口支管281B為一並聯出口集管，並聯入口集管與並聯出口集管係將單一管路分為至少二管路，並使多個蒸發器27B相互並聯。

如圖9所示，蒸發器27B的第四實施例，於本實施例中蒸發器27B的元件係大部分延用蒸發器27B的第三實施例，其差異點在於，液態分佈支管262C為一串聯入口支管，氣態出口支管281C為一串聯出口支管，串聯入口集管與串聯出口集管係使多個蒸發器27B相互串接。

請配合參考圖10所示，數據機房之無油離心式冷卻系統之第二實施例，於本實施例中係增加一元件，以及液位感測器24與冷媒膨脹閥22的位置改變，故部份元件符號係沿用數據機房之無油離心式冷卻系統之第一實施例，於本實施例中，該無油離心式冷卻系統進一步具有一儲液器30，儲液器30係耦接冷凝器出口集管211，儲液器30進一步以一出液管31耦接液氣分離器20之冷媒進口201，液位感測器24係設於儲液器30，冷媒膨脹閥22係設於出液管31，如上所述，液位感測器24係電性連接驅動控制器23。

請配合參考圖11所示，數據機房之無油離心式冷卻系統之第三實施例，於本實施例中，冷凝器21B係為一液體冷卻式，舉例而言，該液體能夠為水，故部份元件符號係沿用數據機房之無油離心式冷卻系統之第一實施例，冷凝器21B具有一殼體210B與熱傳管(圖中未示)，殼體210B具有一液體冷卻入口211B與一液體冷卻出口212B，冷凝器21B係分別耦接壓縮機排氣管213B與冷凝器出口集管214B，如上所述，冷媒膨脹閥22係設於冷凝器出口集管214B，液位感測器24係設於殼體210B，並電性連接驅動控制器23。

再配合參考圖2所示，位於液氣分離器20之液態冷媒經由液態分佈主管26與液態分佈支管262流至各蒸發器27。

請再配合參考圖4所示，若蒸發器27的熱傳管272係呈縱向設置，液態分佈支管262係將液態冷媒分佈給各縱向的熱傳管272，風扇270係將熱傳管272之外部空氣吹向鰭片271，故冷媒於熱傳管272中進行沸騰，以吸收該外部空氣的熱量，而形成氣態冷媒，氣態冷媒經由氣態冷媒出口支管281，以回到液氣分離器20，閥體260係控制液態冷媒能否流入液態分佈支管262，若閥體260關閉，則液態冷媒無法流入液態分佈支管262，閥體280係控制氣態冷媒能否流入氣態冷媒出口主管28，若閥體280關閉，則氣態冷媒無法流入氣態冷媒出口主管28。請再配合參考圖6與圖7所示，若蒸發器27A的熱傳管272A係呈橫向設置，液態分佈支管262係將液態冷媒分佈給各橫向的熱傳管272A，冷媒於熱傳管272A中進行沸騰，以吸收該外部空氣的熱量，而形成氣態冷媒，氣態冷媒經由氣態冷媒出口支管281與氣態冷媒出口主管28，以回到液氣分離器20，貯液彎管261係使氣態冷媒於該無油離心式冷卻系統運轉初期，能夠朝向氣態冷媒出口支管281流動。

請再配合參考圖8所示，液態冷媒經由液態分佈支管262B分為兩路，以流入至少二蒸發器27B，集液盤273B係能夠收集鰭片271B或熱傳管272B所產生的凝結水，以避免凝結水累積於鰭片271B，而降低熱交換效果，或者被氣流帶出蒸發器27B進入空調空間，如上述之數據機房貨櫃，而至少二蒸發器27B之氣態冷媒則可由分成二路的氣態冷媒出口支管281B回到液氣分離器。

請再配合參考圖9所示，液態冷媒經由液態分佈支管262C依序流入至少二蒸發器27B，氣態冷媒則可經由氣態冷媒出口支管281C與氣態冷媒出口主管依序回到液氣分離器。

請再配合參考圖2所示，回到液氣分離器20中之氣態冷媒可能具有少量的液態冷媒，而液氣分離器20中之空間與除液網200係使氣態冷媒與液態冷媒相分離，液態冷媒係落回液氣分離器20的底部，而液態冷媒可再進入蒸發器27，氣態冷媒則被無油離心式壓縮機25吸入，並經由壓縮機排氣管210送入冷凝器21中。

如圖2所示，若冷凝器21為氣冷式，則氣態冷媒經由空氣所降溫，以使其成為液態冷媒，液態冷媒經由冷凝器出口集管211回到液氣分離器20中，液位感測器24係感測位於液態分佈主管26中之液態冷媒液位，若液態冷媒液位低於一設定值，驅動控制器23係使冷媒膨脹閥22的開度增大，假若，液態冷媒液位高於設定值，驅動控制器23係使冷媒膨脹閥22的開度縮小。

如圖3所示，若冷凝器21A為蒸發冷卻式，氣態冷媒經由壓縮機排氣管進入熱傳管213A，泵215A將集液槽214A中的冷卻液，如水，輸送給噴灑頭212A，以使噴灑頭212A得以對熱傳管213A噴灑冷卻液，而使氣態冷媒成為液態冷媒，液態冷媒可經由冷凝器出口集管流至液氣分離器20，而噴灑頭212A所噴灑冷卻液則回到集液槽214A，以供再次冷卻使用。

如圖11所示，冷凝器21B係為一液體冷卻式，氣態冷媒由壓縮機排氣管213B進入位於殼體210B中的熱傳管，一冷卻液，如水，係經由進液口211B進入殼體210B，以使位於熱傳管中的氣態冷媒成為液態冷媒，而冷卻液係由出液口212B流出至殼體210B外部，而位於殼體210B的液位感測器24係感測液態冷媒的高度，並將一資訊傳送給驅動控制器23，液態冷媒係由冷凝器出口集管214B流出，若液位感測器24感測位於殼體210B中之液態冷媒液位低於一設定值時，驅動控制器23係使冷媒膨脹閥22的開度縮小，反之，若液位感測器24感測位於殼體210B中之液態冷媒液位高於一設定值時，驅動控制器23係使冷媒膨脹閥22的開度增大。

如圖10所示，若液態冷媒經由冷凝器出口集管211流入儲液器30中，若液位感測器24感測儲液器30之液態冷媒液位低於一設定值時，驅動控制器23係使冷媒膨脹閥22的開度縮小，反之，若液位感測器24感測儲液器30之液態冷媒液位高於一設定值時，驅動控制器23係使冷媒膨脹閥22的開度增大。

如圖2、圖10與圖11所示，若冷媒膨脹閥22的開度失常時，液氣分離器20能夠容納該無油離心式冷卻系統之所有冷媒，故不會產生有液壓縮。

綜合上述，本揭露之數據機房之無油離心式冷卻系統，其係能達到下述：

一、本揭露之無潤滑油之冷媒直接循環系統解決現有的管路洩漏、電力消耗、效率下降與壓縮機的失油毀損。

二、本揭露之液氣分離器解決現有的液壓縮，除可分離蒸發器出口之少量液體，確保不會發生液壓縮，並藉由液位感測器偵測液氣分離器底部之液位，以控制膨脹閥之開度，而簡化供給多個蒸發器的冷媒控制。

三、本揭露之鰭片與直立熱傳管式蒸發器係解決現有的熱傳效率差與壓力損失大，而且冷媒於直立管中能夠進行池沸騰，可大幅熱傳效率，並降低冷媒壓力損失。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本揭露之特點及功效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．冷卻水塔

11．．．冷卻機

12．．．機房內空氣熱交換器

13．．．空氣

14．．．冷卻空氣

15．．．外部空氣

20．．．液氣分離器

200．．．除液網

201．．．冷媒進口

202．．．氣態冷媒進口

203．．．氣態冷媒出口

204．．．冷媒出口

21．．．冷凝器

210．．．壓縮機排氣管

211．．．冷凝器出口集管

22．．．冷媒膨脹閥

23．．．驅動控制器

24．．．液位感測器

25．．．無油離心式壓縮機

250．．．離心葉輪

251．．．變速馬達

252．．．磁浮軸承

26．．．液態分佈主管

260．．．閥體

261．．．貯液彎管

262．．．液態分佈支管

27．．．蒸發器

270．．．風扇

271．．．鰭片

272．．．熱傳管

28．．．氣態冷媒出口主管

280．．．閥體

281．．．氣態冷媒出口支管

29．．．數據機房貨櫃

30．．．儲液器

21A．．．冷凝器

210A．．．風扇

211A．．．擋板

212A．．．噴灑頭

213A．．．熱傳管

214A．．．集液槽

215A．．．泵

21B．．．冷凝器

210B．．．殼體

211B．．．進液口

212B．．．出液口

213A．．．壓縮機排氣管

214B．．．冷凝器出口集管

262B．．．液態分佈支管

262C．．．液態分佈支管

27A．．．蒸發器

270A．．．風扇

271A．．．鰭片

272A．．．熱傳管

27B．．．蒸發器

270B．．．風扇

271B．．．鰭片

272B．．．熱傳管

273B．．．集液盤

281B．．．氣態冷媒出口支管

281C．．．氣態冷媒出口支管

圖1為一實施例所示之數據機房之冷卻系統之示意圖。

圖2為一第一實施例所示之數據機房之無油離心式冷卻系統之示意圖。

圖3為一實施例所示之冷凝器之示意圖。

圖4為一第一實施例所示之蒸發器之示意圖。

圖5為圖六所示之蒸發器之立體示意圖。

圖6為一第二實施例所示之蒸發器之示意圖。

圖7為一實施例所示之貯液彎管之示意圖。

圖8為一第三實施例所示之蒸發器之示意圖。

圖9為一第四實施例所示之蒸發器之示意圖。

圖10為一第二實施例所示之數據機房之無油離心式冷卻系統之示意圖。

圖11為一第三實施例所示之數據機房之無油離心式冷卻系統之示意圖。

20．．．液氣分離器

200．．．除液網

201．．．液氣兩相冷媒進口

202．．．氣態冷媒進口

203．．．氣態冷媒出口

204．．．液態冷媒出口

21．．．冷凝器

210．．．壓縮機排氣管

211．．．冷凝器出口集管

22．．．冷媒膨脹閥

23．．．驅動控制器

24．．．液位感測器

25．．．無油離心式壓縮機

250．．．離心葉輪

251．．．變速馬達

252．．．磁浮軸承

26．．．液態分佈主管

27．．．蒸發器

28．．．氣態冷媒出口主管

29．．．數據機房貨櫃

Claims (18)

1. 一種數據機房之無油離心式冷卻系統，其包含有：一液氣分離器；至少一冷凝器，其係耦接該液氣分離器；一冷媒膨脹閥，其係設於該冷凝器與該液氣分離器之間；一驅動控制器，其係電性連接該冷媒膨脹閥；一液位感測器，其係設於一能夠感測液態冷媒液位的位置，該液位感測器係電性連接該驅動控制器；其特徵在於：一無油離心式壓縮機，其係分別耦接該冷凝器與該液氣分離器；以及至少一蒸發器，其係直立設於該數據機房中，該蒸發器係耦接該液氣分離器；其中，該液氣分離器係一氣態冷媒與一液態冷媒相互分離，該液態冷媒係落回該液氣分離器之底部，而進入該蒸發器；該進入該蒸發器之該液態冷媒係成為一氣態冷媒與一液態冷媒，該氣態冷媒與該液態冷媒係回到該液氣分離器；該氣態冷媒係為該無油離心式壓縮機吸入，並送入該冷凝器中；該氣態冷媒係經過該冷凝器降溫，而成為一液態冷媒，該液態冷媒係回到該液氣分離器中，該液位感測器係感測該液態冷媒液位，若該液態冷媒液位低於一設定值，該驅動控制器係使該冷媒膨脹閥的開度增大；假若，該液態冷媒液位高於該設定值，該驅動控制器係使該冷媒膨脹閥的開度縮小。
2. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其進一步具有一液態分佈主管與一氣態冷媒出口主管，該液態分佈主管係耦接該液氣分離器，該液態分佈主管進一步耦接有一液態分佈支管，該液態分佈支管係耦接該蒸發器，該氣態冷媒出口主管係耦接該液氣分離器，該氣態冷媒出口主管進一步耦接一氣態冷媒出口支管，該氣態冷媒出口主管係耦接該蒸發器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該蒸發器具有複數個鰭片、至少一風扇與複數個熱傳管，該熱傳管係以縱向或橫向穿設於該鰭片，該熱傳管係分別耦接該液態分佈支管與該氣態冷媒出口支管，該風扇係設於該鰭片的一側。
4. 如申請專利範圍第3項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該蒸發器進一步具有一集液盤，該集液盤係設於該鰭片的底端。
5. 如申請專利範圍第2項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該液態分佈支管為一並聯入口集管或一串聯入口集管，該氣態冷媒出口支管為一並聯出口集管或一串聯出口集管。
6. 如申請專利範圍第2項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該液態分佈主管進一步耦接有一貯液彎管。
7. 如申請專利範圍第6項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該貯液彎管為U型。
8. 如申請專利範圍第2項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該液態分佈主管耦接有一閥體，該氣態冷 媒出口管耦接有一閥體。
9. 如申請專利範圍第2項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該液位感測器係設於該液態分佈主管。
10. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該無油離心式壓縮機為一單級離心式壓縮機或一多級離心式壓縮機。
11. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該無油離心式壓縮機具有一離心葉輪、一磁浮軸承與一變速馬達，該變速馬達係耦接該離心葉輪。
12. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其進一步具有一壓縮機排氣管與一冷凝器出口集管，該壓縮機排氣管係分別耦接該無油離心式壓縮機與該冷凝器，該冷凝器出口集管係分別耦接該冷凝器與該液氣分離器。
13. 如申請專利範圍第12項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該冷媒膨脹閥係設於該冷凝器出口集管。
14. 如申請專利範圍第12項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其進一步具有一儲液器與一出液管，該儲液器係耦接該冷凝器出口集管，該出液管係分別耦接該液氣分離器與該儲液器，該冷媒膨脹閥係設於該出液管，該液位感測器係設於該儲液器。
15. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該冷凝器為一蒸發冷卻式或一氣冷式。
16. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式 冷卻系統，其中該冷凝器為一液體冷卻式，該液位感測器係設於該冷凝器。
17. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該冷媒膨脹閥為一電子式或一孔口板式。
18. 如申請專利範圍第1項所述之數據機房之無油離心式冷卻系統，其中該液氣分離器具有一除液網。