TWI606219B - 用於電腦室空氣調節之系統與方法 - Google Patents

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史內德電子Ｉｔ公司
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Description

用於電腦室空氣調節之系統與方法
本發明係尤其但非唯一地關於提供使用致冷節熱器來增加電腦室空氣調節單元之效率的系統與方法。
由電子設備產生之熱可能對設備之效能、可靠性及使用壽命有不利影響，所以熱控制對可靠操作而言可為至關重要的。熱控制可為至關重要的一環境為電子設備之含有載架(rack)的資料中心，諸如伺服器及CPU。資料中心可含有數百個此等載架。為解決由電子設備(諸如現代資料中心之載架安裝電子設備)產生之熱的問題，已使用空氣冷卻裝置向電子設備提供冷空氣之流動。在資料中心環境中，此等冷卻裝置可稱為電腦室空氣調節機(「CRAC」)單元。此等CRAC單元吸入來自資料中心之熱空氣且將較冷之空氣輸出至資料中心。當冷空氣抽入載架中及設備上時，典型載架中之電子設備得以冷卻。由此方法使空氣受熱並排出載架。
資料中心或電腦室中之空氣調節單元為能量消耗之主要來源。增加CRAC單元效率之嘗試已集中於使用外部水或空氣以用於冷卻。以水為基礎之冷卻通常涉及高架上或地板下之水流。以空氣為基礎之冷卻將外部空氣帶入資料中心中。
本案提供使用致冷節熱器來增加CRAC單元之效率的系統與方法。根據一態樣，提供用於增加CRAC單元之效率而不使用外部水之系統與方法。在另一態樣中，提供用於增加CRAC單元之效率而不使用外部空氣之系統與方法。
根據一態樣，一種冷卻系統包括：冷凝器，其經配置以將致冷劑冷凝成液體；第一冷卻迴路以及第二冷卻迴路。該第一冷卻迴路包括：直接膨脹閥，其耦接至該冷凝器；第一蒸發器盤管，其耦接至該直接膨脹閥；以及壓縮機，其耦接至該第一蒸發器盤管，且該第一冷卻迴路經配置以至少接收液體致冷劑之第一部分且輸出第一致冷劑蒸汽，且該壓縮機經配置以接收該第一致冷劑蒸汽且將壓縮機致冷劑輸出輸出至該冷凝器。該第二冷卻迴路包括：液泵，其耦接至該冷凝器；節熱閥，其耦接至該液泵；以及第二蒸發器盤管，其耦接至該節熱閥，且該第二冷卻迴路經配置以至少接收該液體致冷劑之第二部分且將第二蒸汽致冷劑輸出至該冷凝器。
根據一實施例，該冷卻系統包括節流閥，其耦接至該壓縮機且經配置以調節該壓縮機致冷劑輸出之壓力。根據另一實施例，該第二冷卻迴路之節熱閥經配置以將該液體致冷劑之經選擇部分自該第一冷卻迴路轉向至該第二冷卻迴路。根據另一實施例，該直接膨脹閥經配置以調節該液體致冷劑之第一部分。
在一實施例中，該液泵經配置以將該液體致冷劑自該冷凝器泵送至該第一蒸發器盤管及該第二蒸發器盤管。在另一實施例中，該第二致冷劑為飽和蒸汽與過熱蒸汽中之至少一者。在另一實施例中，該冷卻系 統包括緩衝器，該緩衝器耦接至該第一冷卻迴路及該第二冷卻迴路，經配置以將該壓縮機致冷劑輸出與該第二致冷劑合併，且將合併致冷劑蒸汽輸出至該冷凝器。
根據另一態樣，一種冷卻方法包括：將液體致冷劑之第一部分提供至第一冷卻迴路，其中該第一冷卻迴路包括直接膨脹閥、第一蒸發器盤管及壓縮機；將液體致冷劑之第二部分提供至第二冷卻迴路，其中該第二冷卻迴路包括液泵、節熱閥及第二蒸發器盤管；在直接膨脹閥處調節提供至該第一蒸發器盤管之液體致冷劑的第一部分；將第一蒸汽致冷劑自該第一蒸發器盤管輸出至該壓縮機；在該壓縮機處壓縮該第一蒸汽致冷劑且將第三蒸汽致冷劑輸出至冷凝器；在節熱閥處調節提供至該第二蒸發器盤管之液體致冷劑的第二部分；以及將第二蒸汽致冷劑自該第二蒸發器盤管輸出至該冷凝器。
根據一實施例，該方法亦包括在緩衝器處將該第二致冷劑與該第三蒸汽致冷劑合併。根據另一實施例，該方法包括在節流閥處調節該第三蒸汽致冷劑。根據另一實施例，調節包括調節該第三蒸汽致冷劑之壓力與溫度中之至少一者。在另一實施例中，該方法包括在該節熱閥處調節提供至該第二蒸發器盤管之該液體致冷劑的第二部分之體積。在另一實施例中，該方法包括在該直接膨脹閥處調節提供至該第一蒸發器盤管之該液體致冷劑的第一部分之體積。
根據另一實施例，一種冷卻系統包括：冷凝器；第一冷卻迴路；第二冷卻迴路，其經配置以至少接收液體致冷劑之第二部分；以及機構，其用於調節液體致冷劑之第二部分。該冷凝器經配置以將致冷劑冷凝 成液體。該第一冷卻迴路包括：直接膨脹閥，其耦接至該冷凝器；第一蒸發器盤管，其耦接至該直接膨脹閥；以及壓縮機，其耦接至該第一蒸發器盤管。該第一冷卻迴路經配置以至少接收該液體致冷劑之第一部分且輸出第一致冷劑蒸汽，且該壓縮機經配置以接收該第一致冷劑蒸汽且將壓縮機致冷劑輸出輸出至該冷凝器。該第二冷卻迴路包括第二蒸發器盤管，該第二蒸發器盤管耦接至該冷凝器。該第二冷卻迴路經配置以至少接收該液體致冷劑之第二部分且將第二致冷劑蒸汽輸出至該冷凝器。
根據一實施例，用於調節該液體致冷劑之第二部分的該機構為節熱閥。根據另一實施例，用於調節該液體致冷劑之第二部分的該機構調節該液體致冷劑之第二部分的體積。根據另一實施例，用於調節該液體致冷劑之第二部分的該機構經配置以將該液體致冷劑之經選擇部分自該第一冷卻迴路轉向至該第二冷卻迴路。
在一實施例中，該冷卻系統包括節流閥，該節流閥耦接至該壓縮機且該節流閥經配置以調節該壓縮機致冷劑輸出之壓力。在另一實施例中，該第二致冷劑蒸汽為飽和蒸汽與過熱蒸汽中之至少一者。在另一實施例中，該冷卻系統包括緩衝器，該緩衝器耦接至該第一冷卻迴路及該第二冷卻迴路，且經配置以將該壓縮機致冷劑輸出與該第二致冷劑蒸汽合併且將合併致冷劑蒸汽輸出至該冷凝器。
100‧‧‧分散式電腦系統
102‧‧‧電腦系統
104‧‧‧電腦系統
106‧‧‧電腦系統
108‧‧‧網路
110‧‧‧處理器
112‧‧‧記憶體
114‧‧‧匯流排
116‧‧‧介面
118‧‧‧儲存系統
200‧‧‧分散式系統
202‧‧‧使用者
204‧‧‧介面
206‧‧‧資料中心設計及管理系統
208‧‧‧網路
210‧‧‧資料設計資料庫
300‧‧‧電腦室空氣調節機(CRAC)單元
302‧‧‧戶外冷凝器總成
304‧‧‧戶內CRAC單元
306‧‧‧冷凝器
308‧‧‧接收器
310‧‧‧壓縮機
312‧‧‧第一蒸發器盤管
314a‧‧‧風扇
314b‧‧‧風扇
316‧‧‧直接膨脹閥
318‧‧‧過濾器
320‧‧‧直接膨脹閥線路
352‧‧‧第二蒸發器盤管
356‧‧‧節熱閥
358‧‧‧液泵
360‧‧‧緩衝器
370‧‧‧節熱器線路
402‧‧‧節流閥
404a‧‧‧節流閥402之緩衝器側
404b‧‧‧節流閥402之壓縮機側
500‧‧‧方法
502‧‧‧方塊
504‧‧‧方塊
506‧‧‧方塊
508‧‧‧方塊
510‧‧‧方塊
512‧‧‧方塊
隨附圖式並非意欲按比例繪製。在圖式中，各種圖中示出之各個相同或幾乎相同之構件係由相同數字表示。為達清楚之目的，每個圖式中並未 標記出每個構件。圖式中：圖1為電腦系統之一實例之方塊圖，根據本發明之各種態樣可藉由該電腦系統實施；圖2為分散式系統之一實例的示意圖，該分散式系統包括資料中心管理系統；圖3為根據本發明之態樣之電腦室空氣調節機單元的示意圖；圖4為根據本發明之態樣之電腦室空氣調節機單元的示意圖；圖5為根據本發明之態樣之電腦室空氣調節機單元的示意圖；及圖6為根據本發明之態樣之電腦室空氣調節機單元的示意圖；以及圖7為一種使用致冷節熱器進行電腦室空氣調節之方法的流程圖。
根據本發明之至少某些實施例係關於使用致冷節熱器來增加CRAC單元之效率的系統及方法。此等系統及方法可增加CRAC單元之效率而不使用外部水或空氣。在各種實例中，電腦室空氣調節之系統及方法可包括壓縮機之直接膨脹、節熱迴路之使用，以及節流閥之使用。根據一態樣，CRAC單元可以若干模式中之一來運作，且在具體時間之最有效率模式可取決於周圍空氣之溫度。
本文揭露之本發明之態樣及實施例的應用並不限制於其於以下描述中闡述或圖式中所示之構件構造及佈置的細節。此等態樣能夠設想其他實施例且能夠以各種方式實踐或執行。本文提供之特定實施形式之實例僅出於說明之目的且不意欲成為限制。詳言之，結合任何一或多個實施例來論述之動作、元件及特徵不意欲將其相似之作用於任何其他實施例 中加以排除。
例如，根據本發明之一實施例，電腦系統經配置以執行本文所述之功能中之任一者，該等功能包括但不限於，以經選擇模式操作CRAC單元，以及選擇用於操作CRAC單元之最有效率模式。此外，實施例中之電腦系統可用於自動量測資料中心中之環境參數，且控制諸如冷凍器或冷卻器之設備以最佳化效能。此外，本文所述之系統可經配置以包括或排除本文論述之功能中之任一者。因此，實施例不限於一特定功能或一組功能。此外，本文使用之措辭及術語係出於描述之目的且不應視為限制。本文中「包括」、「包含」、「具有」、「含有」、「涉及」及其變化形式之使用意欲涵蓋其後所列之項及其等價物以及額外之項。
電腦系統
本文根據本發明實施例描述之各種態樣及功能可實施為一或多種電腦系統上之硬體或軟體。當前使用之電腦系統存在許多實例。此等實例尤其包括：網路應用、個人電腦、工作站、主機、網路客戶端、伺服器、媒體伺服器、應用伺服器、資料庫伺服器及網站伺服器。電腦系統之其他實例可包括行動式計算裝置，諸如蜂巢式電話及個人數位助理，以及網路設備，諸如負載平衡器、路由器及轉換器。此外，根據本發明實施例之態樣可位於單一電腦系統上或可分佈於連接至一或多個通訊網路之複數個電腦系統中。
例如，各種態樣及功能可分佈於一或多個電腦系統中，該等電腦系統經配置以向一或多個客戶端電腦提供服務，或作為分散式系統之部分執行總體任務。此外，各態樣可於包括構件之客戶端-伺服器或多層系 統上執行，該等構件分佈於執行各種功能之一或多個伺服器系統中。因此，實施例不限於在任何具體系統或系統群組上執行。此外，態樣可於軟體，硬體或韌體或其任何組合中實施。因此，根據本發明實施例之態樣可於使用各種硬體及軟體組態之方法、動作、系統、系統元件及構件內實施，且該等實施例不限於任何具體分散式架構、網路或通訊協定。
圖1示出分散式電腦系統100之方塊圖，其中可實踐根據本發明實施例之各種態樣及功能。分散式電腦系統100可包括一或多個電腦系統。例如，如所示，分散式電腦系統100包括電腦系統102、104及106。如所示，電腦系統102、104及106由通訊網路108互連且可經由通訊網路108交換資料。網路108可包括任何通訊網路，電腦系統可經由該通訊網路交換資料。為使用網路108交換資料，電腦系統102、104及106及網路108可使用各種方法、協定及標準，尤其包括：訊標環、乙太網路、無線乙太網路、藍芽®、TCP/IP、UDP、Http、FTP、SNMP、SMS、MMS、SS7、Json、Soap及Corba。為確保資料傳送安全，電腦系統102、104及106可使用各種安全措施，包括TLS、SSL或VPN及其他安全技術，經由網路108發送資料。雖然分散式電腦系統100示出三個網路電腦系統，但分散式電腦系統100可包括任何數量之電腦系統及計算裝置，其使用任何媒體及通訊協定網路化。
根據本發明實施例之各種態樣及功能可實施為專用硬體或軟體，該等硬體或軟體在包括圖1所示之電腦系統102之一或多個電腦系統中執行。如所描繪，電腦系統102包括處理器110、記憶體112、匯流排114、介面116及儲存系統118。處理器110可執行產生經調處資料之一系列指令。 處理器110可為市售的處理器，諸如Intel Pentium®、Motorola PowerPC®、SGI MIPS®、Sun UltraSPARC®或Hewlett-Packard PA-RISC®處理器，但該處理器亦可為任何類型之處理器、多處理器、微處理器或控制器，因為許多其他處理器及控制器皆可用。處理器110藉由匯流排114連接至其他系統元件，包括一或多個記憶體112。
記憶體112可用於在電腦系統102之操作期間儲存程式及資料。因此，記憶體112可為相對高效能、揮發性隨機存取記憶體，諸如動態隨機存取記憶體(DRAM)或靜態記憶體(SRAM)。然而，記憶體112可包括用於儲存資料之任何裝置，諸如磁碟機或其他非揮發性、非暫態儲存裝置。根據本發明之各種實施例可將記憶體112組織成特殊化及(在一些狀況下)獨特之結構以執行本文揭露之態樣及功能。
電腦系統102之構件可由諸如匯流排114之互連元件耦接。匯流排114可包括一或多個實體匯流排，例如，在整合於同一機器內之構件之間的匯流排，但亦可包括系統元件之間的任何通訊耦接，該等通訊耦接包括專用或標準計算匯流排技術，諸如IDE、SCSI、PCI及InfiniBand。因此，匯流排114允許在電腦系統102之系統構件之間交換通訊，例如，資料及指令。
電腦系統102亦包括一或多個介面裝置116，諸如輸入裝置、輸出裝置及組合輸入/輸出裝置。介面裝置可接收輸入或提供輸出。更具體言之，輸出裝置可顯現資訊以用於外部呈現。輸入裝置可接收來自外部來源之資訊。介面裝置之實例包括鍵盤、滑鼠裝置、軌跡球、麥克風、觸控螢幕、列印裝置、顯示螢幕、揚聲器及網路介面卡。介面裝置允許電 腦系統102與外部實體，諸如使用者及其他系統交換資訊及通訊。
儲存系統118可包括電腦可讀及可寫、非揮發性、非暫態儲存媒體，該儲存媒體中儲存定義由處理器執行之程式的指令。儲存系統118亦可包括記錄於媒體上或媒體中之資訊，且此資訊可由程式處理。更特定而言，資訊可儲存於一或多個資料結構中，該等資料結構經特定配置以保存儲存空間或增加資料交換效能。指令可持續地儲存為經編碼訊號且指令可使處理器執行本文所述之功能中之任一者。媒體可尤其例如為光碟、磁碟或快閃記憶體。操作中，處理器或一些其他控制器可使資料自非揮發性記錄媒體讀入另一記憶體，諸如記憶體112中，從而允許比儲存系統118中包括之儲存媒體更快地由處理器存取資訊。記憶體可位於儲存系統118或記憶體112中，然而，處理器110可調處記憶體112內之資料，接著可在處理完成之後將資料複製至與儲存系統118關聯之媒體。各種構件可管理媒體與積體電路記憶體元件之間的資料移動，且本發明描述之實施例不限於此。此外，實施例不限於具體儲存系統或資料儲存系統。
雖然電腦系統102以舉例方式示出為一種類型之電腦系統，可於該電腦系統上實踐根據本發明實施例之各種態樣及功能，但本發明揭露之實施例之任何態樣不限於在如圖1所示的電腦系統上實施。根據本發明揭露之實施例之各種態樣及功能可於具有與圖1所示之架構或構件不同的架構或構件之一或多個電腦上實踐。例如，電腦系統102可包括特殊程式化、特殊用途硬體，諸如(例如)，經特製以執行本文揭露之具體操作之特定應用積體電路(ASIC)。同時，另一實施例則可使用運作MAC OS® System X的、具有Motorola PowerPC®處理器之若干通用計算裝置及運作專屬 硬體與作業系統之若干專用計算裝置執行相同功能。
電腦系統102可為包括作業系統之電腦系統，該作業系統管理電腦系統102中包括之硬體元件之至少一部分。通常，諸如處理器110之處理器或控制器執行作業系統，該作業系統可例如為基於Windows®之作業系統，諸如可購自Microsoft® Corporation之Windows NT®、Windows 2000®(Windows ME®)、Windows XP®或Windows Vista®作業系統；可購自Apple® Computer之MAC OS® System X作業系統；許多基於Linux®作業系統發行版中之一者，例如，可購自Red Hat Inc®之Enterprise Linux®作業系統、可購自Sun Microsystems®之Solaris®作業系統，或者可購自各種來源之UNIX®作業系統。可使用許多其他作業系統且實施例不限於任何具體實施形式。
處理器及作業系統共同定義電腦平台，可以高階程式化語言為該平台編寫應用程式。此等組成應用程式(component application)可為可執行的、中階的，例如，C-、位元組碼或解譯碼，該等程式碼使用通訊協定(例如，TCP/IP)在通訊網路(例如，網際網路)之通訊。相似地，使用物件導向程式化語言，諸如.Net、SmallTalk、Java、C++、Ada或C#(C-Sharp)可實施根據本發明揭露之實施例之態樣。亦可使用其他物件導向程式化語言。或者，可使用函式語言、腳本處理語言或邏輯程式化語言。
此外，根據本發明揭露之實施例之各種態樣及功能可於非程式化環境，例如於以HTML、XML或其他格式建立之文件中實施，當在瀏覽器程式之視窗中查看時，該等文件呈現圖形使用者介面之態樣或執行其他功能。此外，根據本發明之各種實施例可實施為程式化元件或非程式化元件，或者其任何組合。例如，網頁可使用HTML實施，而自網頁內呼叫 之資料物件可以C++編寫。因此，本發明揭露之實施例不限於特定程式化語言且亦可能使用任何適合之程式化語言。
實施例內包括之電腦系統可執行在本發明揭露之實施例的範疇之外的額外功能。例如，系統之態樣可使用現有商業產品，諸如(例如)，資料庫管理系統，諸如可購自Seattle WA之Microsoft®之SQL伺服器、可購自Redwood Shores,CA之Oracle之Oracle®資料庫、及來自Oracle之子公司的MySQL AB之MySQL，或者整合軟體，諸如可購自Armonk,NY之IBM®之Web Sphere®中間軟體。然而，運作例如SQL伺服器之電腦系統可能既支援根據本發明揭露之實施例之態樣亦支援雜項應用程式之資料庫。
示範性系統架構
圖2呈現上下文圖解，該圖解包括分散式系統200之實體元件及邏輯元件。如所示，分散式系統200係特定地根據本發明揭露之實施例來配置。關於圖2所述之系統結構及內容僅處於示範性目的且不意欲將實施例限制於圖2所示之特定結構。如對熟習該項技術者而言顯而易見的，在不脫離本發明揭露之實施例的範疇狀況下，可構造許多不同的系統結構。選擇圖2中呈現之具體佈置以便於明確說明。
可使用任何技術使資訊在圖2所描繪之元件、構件與子系統之間流動。此等技術例如包括經TCP/IP於網路之上傳遞資訊、在記憶體中各模組之間傳遞資訊及藉由寫入檔案、資料庫或一些其他非揮發性儲存裝置來傳遞資訊。在不脫離本發明揭露之實施例的範疇狀況下，可使用其他技術及協定。
參看圖2，系統200包括使用者202、介面204、資料中心設 計及管理系統206、通訊網路208及資料中心資料庫210。系統200可允許使用者202，諸如資料中心建築師或者其他資料中心人員與介面204互動以產生或修改一或多個資料中心組態之模型。根據一實施例，介面204可包括：如標題為「Methods and Systems for Managing Facility Power and Cooling」之專利合作條約申請案第PCT/US08/63675號中所揭露之地板編輯器及載架編輯器之各態樣，該申請案於2008年5月15日申請並讓與本申請案之受讓人American Power Conversion Corporation。專利合作條約申請案第PCT/US08/63675號以引用方式全文納入本文且後文稱為PCT/US08/63675。在其他實施例中，介面204可由專用設施實施，該等專用設施允許使用者202以拖放方式設計包括資料中心或其任何子集之實體佈局表示的模型。此佈局可包括資料中心結構構件以及資料中心設備之表示。以下進一步論述介面204之特徵，如可見於根據本發明之各種實施例中之特徵。在至少一實施例中，關於資料中心之資訊經由介面輸入系統200中，且向使用者提供對資料中心之評估及推薦。此外，在至少一實施例中，可執行最佳化程序以最佳化資料中心之冷卻效能及能量使用。
如圖2所示，資料中心設計及管理系統206向使用者202呈現資料設計介面204。根據一實施例，資料中心設計及管理系統206可包括如PCT/US08/63675中所揭露之資料中心設計及管理系統。在此實施例中，設計介面204可併入PCT/US08/63675中所包括之輸入模組、顯示模組及建立器模組之功能且可使用資料庫模組儲存及擷取資料。
如所示，資料中心設計及管理系統206可經由網路208與資料中心資料庫210交換資訊。此資訊可包括支援資料中心設計及管理系統 206之特徵及功能所需要的任何資訊。例如，在一實施例中，資料中心資料庫210可包括儲存於PCTAJS08/63675中所述之資料中心設備資料庫中的資料之至少某個部分。在另一實施例中，此資訊可包括支援介面204所需要的任何資訊，諸如(在各資料中尤其為)一或多個資料中心模型組態之實體佈局、模型組態中包括之冷卻提供者之製造及分配特性、模型組態中的冷卻消耗者之消耗特性，及欲包括於一叢集中之設備載架及冷卻提供者之清單。
在一實施例中，資料中心資料庫210可儲存冷卻提供者之類型、由每一類型的冷卻提供者提供之冷空氣的量及由冷卻提供者提供之冷空氣的溫度。因此，例如，資料中心資料庫210包括具體類型的CRAC單元之記錄，該CRAC單元經定級以在華氏68度之溫度下以5,600立方呎/分(cfm)之速率遞送氣流。此外，資料中心資料庫210可儲存一或多個冷卻量度，諸如CRAC單元之入口溫度及出口溫度及一或多個設備載架之入口溫度及排出溫度。可週期性地量測溫度及將溫度輸入系統中，或者在其他實施例中，可使用耦接至系統200之裝置持續地監視溫度。
資料中心資料庫210可採取能將資訊儲存於電腦可讀媒體上之任何邏輯構造形式，該電腦可讀媒體包括(在各結構中尤其為)平坦檔案、索引檔案、階層式資料庫、關連式資料庫或物件導向資料庫。資料可使用唯一鍵與外來鍵關係及索引來模型化。唯一鍵與外來鍵關係及索引可建立於各種欄位與表之間，以確保資料完整性及資料交換效能。
圖2所示之電腦系統包括資料中心設計及管理系統206、網路208及資料中心設備資料庫210，其各自可包括一或多個電腦系統。如以 上關於圖1所論述，電腦系統可具有一或多個處理器或控制器、記憶體及介面裝置。圖2中所描繪的系統200之具體組態係僅處於說明目的且本發明之實施例可於其他情形中實踐。因此，本發明之實施例不限於特定數量之使用者或系統。
電腦室空氣調節機實例
圖3為電腦室空氣調節機單元300的示意圖，該電腦室空氣調節機單元包括戶外冷凝器總成302及戶內CRAC單元304，其中戶內CRAC單元與戶外冷凝器總成流體連通。戶外冷凝器總成302包括冷凝器306及接收器308，該接收器具有致冷劑之供應。戶內CRAC單元304包括：液泵358；初級致冷劑迴路及致冷劑次級迴路，該等迴路皆與液泵流體連通；及壓縮機310，其與初級迴路流體連通。在一實施例中，初級迴路包括直接膨脹閥線路320，該線路自液泵358通向直接膨脹閥316，該直接膨脹閥又控制壓力降低之致冷劑向第一蒸發器盤管312之遞送。次級迴路包括節熱器線路370，該線路自液泵358通向節熱閥356，該節熱閥又控制液體致冷劑向第二蒸發器盤管352之遞送。戶內CRAC單元進一步包括風扇314a、314b，提供該等風扇以移動各別初級迴路及次級迴路之第一蒸發器盤管312及第二蒸發器盤管352上之空氣。過濾器318安置於液泵358與初級迴路及次級迴路之間，以在致冷劑進入初級迴路及次級迴路之前將其過濾。於壓縮機310之下游提供節流閥402以控制來自壓縮機之致冷劑的壓力。進一步提供緩衝器360以在由初級迴路及次級迴路遞送之致冷劑返回戶外冷凝器總成302之前將其混合。
當冷凝溫度高於房間空氣返回溫度時，CRAC單元300以圖 3所示之第一模式操作。在第一模式中，CRAC單元300之冷卻能力受包括直接膨脹閥316、第一蒸發器盤管312及壓縮機310之初級迴路控制。在關於CRAC單元之各種模式的圖3至圖6中，致冷劑經由CRAC單元300之流動係由粗線示出，如下所述。
根據一實施例，在如圖3所示的第一模式中，戶外冷凝器總成302之冷凝器306接收致冷劑且將其轉化成液體形式。液泵358驅動液體致冷劑自冷凝器306至直接膨脹閥線路320之移動。在此實施例中，節熱閥356處於關閉位置。直接膨脹閥316減少及膨脹致冷劑，且調節致冷劑流動至第一蒸發器盤管312之量。致冷劑在第一蒸發器盤管312處轉化為蒸汽，且蒸汽致冷劑自第一蒸發器盤管312流動至壓縮機310。壓縮機310減小蒸汽致冷劑之體積，進而增加其壓力與溫度。蒸汽致冷劑自壓縮機310流回冷凝器306。根據一實例，在第一模式中不使用節流閥402及緩衝器360，且致冷劑直接流過節流閥及緩衝器。冷凝器306將致冷劑轉化回液體形式。液體致冷劑自冷凝器306流回直接膨脹閥316且循環再次開始。與冷凝器306並聯連接之接收器308累積致冷劑。在資料中心內，風扇314a、314b抽吸空氣使其穿過第一蒸發器盤管312以便冷卻空氣溫度。
圖4為以第二模式之電腦室空氣調節機單元300操作的示意圖。根據一實施例，當冷凝溫度下降至房間空氣返回溫度以下時，CRAC單元300以第二模式操作。在第二模式中，致冷劑流過兩個平行蒸發器盤管線路一直接膨脹閥線路320及節熱器線路370，該等線路通向初級迴路及次級迴路。初級迴路之直接膨脹閥線路320如以上關於圖3中之第一模式所述起作用。然而，致冷劑中的一些轉向至次級迴路之節熱器線路370。根據一 特徵，次級迴路之節熱器線路370比初級迴路之直接膨脹閥線路310提供更經濟的(更高能效的)冷卻環境。此外，使用次級迴路之節熱器線路370減小致冷劑流過初級迴路之直接膨脹閥316、第一蒸發器盤管312及壓縮機310的量，進而減小CRAC單元300之能量使用。
如圖4所示，冷凝器306接收氣化致冷劑且將其轉化成液體致冷劑。液體致冷劑流動至液泵358，從而促進致冷劑自冷凝器流動至過濾器318。自過濾器318起之致冷劑線路分成兩個平行線路。直接膨脹閥線路320如以上關於圖3中之第一模式所述起作用。其他線路為節熱器線路370，該線路以節熱閥356開始，該節熱閥允許經選擇量之致冷劑穿過節熱器線路370。致冷劑作為液體自節熱閥356流動至第二蒸發器盤管352。受熱的完全氣化致冷劑自第二蒸發器盤管352直接流動至緩衝器360，在該緩衝器中，受熱的完全氣化致冷劑與來自初級迴路之氣化致冷劑混合。雖然在一實施例中，來自第二蒸發器盤管352之致冷劑輸出為飽和純蒸汽，但在其他實施例中，來自第二蒸發器盤管352之致冷劑輸出為過熱若干度之蒸汽。
根據一實施例，初級迴路之直接膨脹閥線路320將致冷劑蒸汽自壓縮機310輸出至緩衝器360。在緩衝器360中，來自壓縮機310之致冷劑蒸汽與來自節熱器線路370之受熱的氣化致冷劑合併。根據一實施例，在第二模式中不使用節流閥402且來自壓縮機310之輸出直接流動至緩衝器360。緩衝器360使來自初級迴路之致冷劑蒸汽之壓力與來自次級迴路之受熱的致冷劑之壓力等化，該受熱的致冷劑流回冷凝器306。在資料中心內，風扇314a、314b抽吸空氣使其穿過第二蒸發器盤管352，接著穿過第一蒸發器盤管312，以便冷卻資料中心中之空氣溫度。
圖5為展示以第三模式操作之CRAC單元300的示意圖。根據一實施例，當冷凝溫度下降至(或低於)壓縮機310之最低冷凝溫度時，CRAC單元300以第三模式操作。第三模式包括使用節流閥402以防止壓縮機310之故障，該故障可於冷凝溫度下降至壓縮機310之最低冷凝溫度以下時發生。詳言之，當冷凝溫度下降至壓縮機310之最低冷凝溫度以下時，壓縮機310之輸出端壓力可降低至最低功能級以下，進而導致壓縮機310之潛在故障及/或災難性事故。因此，當冷凝溫度到達壓縮機310之最低冷凝溫度時，節流閥402開始調節壓縮機310之輸出端之壓力，以確保壓力仍然足夠高以保持壓縮機310之恰當功能。保持充分高的壓力將確保溫度保持於最低冷凝溫度或以上。根據一實例，節流閥402之緩衝器側404b上之壓力可低於節流閥402之壓縮機側404a上之壓力。
在一實施例中，節流閥402可替換為汽渦輪膨脹機。根據一特徵，汽渦輪膨脹機可由於壓力改變而補償一些功。根據一實施例，壓縮機310之最低冷凝溫度可為預定的且可由壓縮機310之製造商指定。
根據一實施例，當冷凝溫度下降且壓縮機310之運作速度降低至最低時，使用第四操作模式。當壓縮機310之運作速度處於最低允許速度(如由製造商預定之速度)時，壓縮機310保持以最低速度運作。在第四模式中，CRAC單元300之冷卻能力則藉由限制致冷劑流過次級迴路之節熱器線路370來控制。例如，當壓縮機310以最低速度運作時，為降低CRAC單元300之冷卻能力，較少的致冷劑流過節熱器線路370。
圖6為以第五模式操作之CRAC單元300的示意圖。在第五模式中，藉由關閉直接膨脹閥316來切斷直接膨脹閥線路320。根據一實施 例，當僅使用節熱器線路370而使冷凝溫度降低至足以冷卻資料中心時，CRAC單元300以第五模式操作。節熱器線路370如以上關於圖4至圖5所述來操作。在一實施例中，當周圍溫度下降至足以使冷凝器306之風扇停轉，同時冷凝器306保持其排熱能力時，CRAC單元300以第六模式操作。
如上所述，CRAC單元300以六個不同的操作模式起作用。在給定進入冷凝器306(安裝在CRAC單元300中)的周圍空氣之溫度情況下，CRAC單元300以最具能效之模式之操作。以此方式，CRAC單元300使效率最大化。在一實例中，當資料中心中之空氣溫度為熱的，且冷凝溫度高於房間空氣返回溫度時，則CRAC單元300以關於圖3所述之第一模式操作。在第一模式中，不使用次級迴路之節熱線路。在第二模式中，冷凝溫度下降至房間溫度以下，且次級迴路之節熱器線路370係與初級迴路之直接膨脹閥線路310並聯使用。在第三模式中，周圍空氣溫度進一步降低且冷凝溫度降低至最低冷凝溫度，且使用節流閥402以將壓縮機輸出壓力維持於最低水平。在第四模式中，周圍空氣溫度再進一步降低，且壓縮機以最低允許速度運作，且藉由限制致冷劑流過節熱器線路370來控制CRAC單元之冷卻能力。在第五模式中，周圍空氣溫度及冷凝溫度降低至足以切斷直接膨脹閥線路320且僅使用節熱器線路線路370運作CRAC單元。在第六模式中，周圍空氣溫度降低至足以僅使用節熱器線路線路370來運作CRAC單元且亦使冷凝器風扇停轉。
圖7為一種使用致冷節熱器進行電腦室空氣調節之方法500的流程圖。在方塊502，將液體致冷劑之第一部分提供至第一冷卻迴路。第一冷卻迴路包括直接膨脹閥、第一蒸發器盤管及壓縮機。在方塊504，將液 體致冷劑之第二部分提供至第二冷卻迴路。第二冷卻迴路包括節熱閥及第二蒸發器盤管。在方塊506，直接膨脹閥調節提供至第一蒸發器盤管之液體致冷劑的第一部分。例如，直接膨脹閥可調節液體致冷劑之第一部分的體積，且直接膨脹閥可減少及膨脹液體致冷劑之第一部分。在方塊508，第一蒸發器盤管將第一蒸汽致冷劑輸出至壓縮機。壓縮機冷凝第一蒸汽致冷劑之體積且將第三蒸汽致冷劑輸出至冷凝器。
在方塊510，節熱閥調節提供至第二蒸發器盤管之液體致冷劑的第二部分。例如，節熱閥可調節液體致冷劑之第二部分的體積。在方塊512，第二蒸發器盤管將第二蒸汽致冷劑輸出至冷凝器。在一實施例中，緩衝器將第三蒸汽致冷劑與第二蒸汽致冷劑合併，且將該合併物輸出至冷凝器。
如關於圖3至圖7所述，CRAC單元可以若干不同的模式起作用。模擬以各種模式來運作CRAC單元，且結果在以下表1中列出。表中之模式包括：僅直接膨脹閥線路(僅DX，第一模式)；直接膨脹閥線路與節熱線路(DX+ECO，第二模式)；直接膨脹閥線路與帶節流閥之節熱線路(DX+帶節流閥之ECO，第三模式)；直接膨脹閥線路與帶節流閥之節熱線路且壓縮機以30Hz之最低速度操作(DX+帶節流閥之ECO且最低30Hz，第四模式)；僅節熱線路(僅ECO，第五模式)；以及僅節熱線路，其中冷凝器風扇停轉(僅ECO，其中冷凝器風扇停轉，第六模式)。
表中之列示出下述模擬量測值：以華氏度計之環境空氣乾球溫度、以華氏度計之冷凝溫度、以千瓦(kW)計之節熱致冷劑盤管功率、以千瓦計之直接膨脹閥致冷劑盤管功率、冷卻迴路之性能係數(COP)、以 赫茲計之壓縮機頻率、節流閥之定位，無論模擬中冷凝器風扇是否轉動且無論模擬中液泵是否運作。
已描述至少一實施例之若干態樣，要瞭解，熟習該項技術者將思及各種變更、修改及改良。此等變更、修改及改良意欲成為本揭露內容之部分且意欲屬於本揭露內容之範疇內。因此，前述描述及圖式僅以舉例說明，且本揭露內容之範疇應由附加的申請專利範圍及其等效物之恰當構成內容所決定。
300‧‧‧電腦室空氣調節機(CRAC)單元
302‧‧‧戶外冷凝器總成
304‧‧‧戶內CRAC單元
306‧‧‧冷凝器
308‧‧‧接收器
310‧‧‧壓縮機
312‧‧‧第一蒸發器盤管
314a‧‧‧風扇
314b‧‧‧風扇
316‧‧‧直接膨脹閥
318‧‧‧過濾器
320‧‧‧直接膨脹閥線路
352‧‧‧第二蒸發器盤管
356‧‧‧節熱閥
358‧‧‧液泵
360‧‧‧緩衝器
370‧‧‧節熱器線路
402‧‧‧節流閥
404a‧‧‧節流閥402之緩衝器側
404b‧‧‧節流閥402之壓縮機側

Claims (20)

  1. 一種冷卻系統，其包括：一冷凝器，其經配置以將致冷劑冷凝成一液體致冷劑；一液泵，其耦接至該冷凝器；一第一冷卻迴路，其包括：一直接膨脹閥，其耦接至該液泵；一第一蒸發器盤管，其耦接至該直接膨脹閥；及一壓縮機，其耦接至該第一蒸發器盤管，其中該第一冷卻迴路經配置以接收至少該液體致冷劑之一第一部分且輸出第一蒸汽致冷劑，且該壓縮機經配置以接收該第一蒸汽致冷劑且輸出一壓縮機致冷劑輸出至該冷凝器；以及一第二冷卻迴路，其包括：一節熱閥，其耦接至該液泵；及第二蒸發器盤管，其耦接至該節熱閥，其中該第二冷卻迴路經配置以接收至少該液體致冷劑之一第二部分且將一第二蒸汽致冷劑輸出至該冷凝器，以旁通該壓縮機。
  2. 如申請專利範圍第1項之冷卻系統，其進一步包括一節流閥，該節流閥耦接至該壓縮機且經配置以調節該壓縮機致冷劑輸出之一壓力。
  3. 如申請專利範圍第1項之冷卻系統，其中該第二冷卻迴路之該節熱閥經配置以將該液體致冷劑之一經選擇部分自該第一冷卻迴路轉向至該第二冷卻迴路。
  4. 如申請專利範圍第1項之冷卻系統，其中該直接膨脹閥經配置以調節該液體致冷劑之該第一部分。
  5. 如申請專利範圍第1項之冷卻系統，其中該液泵經配置以將該液體致冷劑自該冷凝器泵送至該第一蒸發器盤管及該第二蒸發器盤管，且其中該 第二冷卻迴路之該第二蒸發器盤管經配置以經由該節熱閥接收至少該液體致冷劑之該第二部分，並自經由該節熱閥所接收之該液體致冷劑之該第二部分產生該第二蒸汽致冷劑，且將該第二蒸汽致冷劑輸出至該冷凝器，以旁通該壓縮機。
  6. 如申請專利範圍第1項之冷卻系統，其中該第二蒸汽致冷劑為一飽和蒸汽與一過熱蒸汽中之至少一者。
  7. 如申請專利範圍第1項之冷卻系統，其進一步包括：一緩衝器，其耦接至該第一冷卻迴路及該第二冷卻迴路，該緩衝器經配置以將該壓縮機致冷劑輸出與該第二蒸汽致冷劑合併且將經合併致冷劑蒸汽輸出至該冷凝器。
  8. 一種冷卻方法，其包括：將一液體致冷劑之一第一部分經由一液泵提供至一第一冷卻迴路，其中該第一冷卻迴路包括一直接膨脹閥、一第一蒸發器盤管及一壓縮機；將該液體致冷劑之一第二部分經由該液泵提供至一第二冷卻迴路，其中該第二冷卻迴路包括一節熱閥及一第二蒸發器盤管；在該直接膨脹閥處，調節提供至該第一蒸發器盤管的該液體致冷劑之該第一部分；將一第一蒸汽致冷劑自該第一蒸發器盤管輸出至該壓縮機；在該壓縮機處壓縮該第一蒸汽致冷劑及將一第三蒸汽致冷劑輸出至一冷凝器；在該節熱閥處，調節提供至該第二蒸發器盤管的該液體致冷劑之該第二部分；以及 將一第二蒸汽致冷劑自該第二蒸發器盤管輸出至該冷凝器，以旁通該壓縮機。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包括在一緩衝器處將該第二蒸汽致冷劑與該第三蒸汽致冷劑合併。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包括在一節流閥處調節該第三蒸汽致冷劑。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中調節包括調節該第三蒸汽致冷劑之一壓力及一溫度中之至少一者。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中經由該液泵提供至該第一冷卻迴路之該液體致冷劑的該第一部分係進一步經由該節熱閥所提供，且另包括經由該第二蒸發器盤管而自該液體致冷劑的該第二部分產生該第二蒸汽致冷劑的步驟，其中該液體致冷劑的該第二部分係經由該液泵及該節熱閥所提供。
  13. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包括：在該節熱閥處調節提供至該第二蒸發器盤管的該液體致冷劑之該第二部分的體積；及在該直接膨脹閥處調節提供至該第一蒸發器盤管的該液體致冷劑之該第一部分的體積。
  14. 一種冷卻系統，其包括：一冷凝器，其經配置以將致冷劑冷凝成一液體；一第一冷卻迴路，其包括：一直接膨脹閥，其耦接至該冷凝器；一第一蒸發器盤管，其耦接至該直接膨脹閥；及一壓縮機，其耦接至該第一蒸 發器盤管，其中該第一冷卻迴路經配置以接收至少該液體致冷劑之一第一部分且輸出第一蒸汽致冷劑，且該壓縮機經配置以接收該第一蒸汽致冷劑且輸出一壓縮機致冷劑輸出至該冷凝器；一第二冷卻迴路，其包括：一第二蒸發器盤管，其耦接至該冷凝器，其中該第二蒸發器盤管經配置以接收至少該液體致冷劑之一第二部分，並自該液體致冷劑之該第二部分產生一第二蒸汽致冷劑，且將該第二蒸汽致冷劑輸出至該冷凝器，以旁通該壓縮機；以及機構，其用於調節藉由該第二蒸發器盤管所接收之該液體致冷劑之該第二部分。
  15. 如申請專利範圍第14項之冷卻系統，其中用於調節該液體致冷劑之該第二部分的該機構為一節熱閥。
  16. 如申請專利範圍第14項之冷卻系統，其中用於調節該液體致冷劑之該第二部分的該機構調節該液體致冷劑之該第二部分的體積。
  17. 如申請專利範圍第14項之冷卻系統，其中用於調節該液體致冷劑之該第二部分的該機構經配置以將該液體致冷劑之一經選擇部分自該第一冷卻迴路轉向至該第二冷卻迴路。
  18. 如申請專利範圍第14項之冷卻系統，其進一步包括一節流閥，該節流閥耦接至該壓縮機且經配置以調節該壓縮機致冷劑輸出之一壓力。
  19. 如申請專利範圍第14項之冷卻系統，其中該第二蒸氣致冷劑為一飽和蒸汽與一過熱蒸汽中之至少一者。
  20. 如申請專利範圍第14項之冷卻系統，其進一步包括：一緩衝器，其耦接至該第一冷卻迴路及該第二冷卻迴路，該緩衝器經配置以將該壓縮機 致冷劑輸出與該第二蒸氣致冷劑合併且將經合併蒸汽致冷劑輸出至該冷凝器。
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