CN106659082A - 泵式自然冷却系统及具有泵式自然冷却系统的数据中心 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵式自然冷却系统及具有泵式自然冷却系统的数据中心，属于数据中心制冷领域，要解决的技术问题为如何利用自热冷源为数据中心降温；其结构包括空调、热交换器、干冷器、制冷剂、冷却液和控制器，热交换器的出液口Ⅱ、蒸发器、热交换器的进液口Ⅱ通过管道依次连通组成泵式制冷回路，热交换器的出液口Ⅰ、干冷器的入口、干冷器的出口和热交换器的进液口Ⅰ通过管道依次连通组成干冷器制冷回路。具有泵式自然冷却系统的数据中心，包括集装箱以及泵式自然冷却系统，集装箱的内部分隔为制冷腔室和数据腔室，服务器机柜、配电柜、不间断电源柜、网络电源柜和空调均位于热通道和冷通道之间。本发明可利用自热冷源冷却服务器。

Description

泵式自然冷却系统及具有泵式自然冷却系统的数据中心

技术领域

本发明涉及数据中心制冷领域，具体地说是一种泵式自然冷却系统及具有泵式自然冷却系统的数据中心。

背景技术

随着电子信息行业的飞速发展，数据中心的发展也进入到一个新的阶段。集装箱数据中心是一个可作为数据中心构建的标准模块，将计算，存储，网络资源等IT设施都设计到一个集装箱中。目前数据中心在加强基础管理的同时，为维持恒定的室内温度需要全年为之降温，由此带来的巨额的耗电量及电费。据统计,在数据中心机房中制冷空调设备的耗能约占总体耗能的40％，数据中心绿色节能已经成为一种趋势。

我国华北、西北及东北等地区，室外气温低于0℃的天数占全年的百分比相当可观，利用这一自然冷源成为节能的首要措施。如何利用自热冷源为数据中心降温，是需有解决的技术问题。

发明内容

本发明的技术任务是提供一种泵式自然冷却系统及具有泵式自然冷却系统的数据中心，来解决如何利用自热冷源为数据中心降温的问题。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：

泵式自然冷却系统，包括空调、热交换器、干冷器、制冷剂、冷却液和控制器，制冷剂为低沸点的制冷剂，空调包括蒸发器和设置在蒸发器处的风扇，热交换器包括进液口Ⅰ、出液口Ⅰ、进液口Ⅱ和出液口Ⅱ，热交换器的出液口Ⅱ、蒸发器、热交换器的进液口Ⅱ通过管道依次连通组成泵式制冷回路，热交换器的出液口Ⅰ、干冷器的入口、干冷器的出口和热交换器的进液口Ⅰ通过管道依次连通组成干冷器制冷回路，制冷剂流动在泵式制冷回路内，冷却液流动在干冷器制冷回路内；热交换器和蒸发器之间连通有制冷剂循环泵，热交换器和干冷器之间连通有冷却液循环泵；蒸发器、风扇、热交换器、干冷器、制冷剂循环泵和冷却液循环泵均与控制器连接。该泵式自然冷却系统可用于集装箱数据中心，空调放置在服务器设备放置区间内，干冷器和热交换器位于在服务器放置区间外，蒸发器内制冷剂吸收服务器设备放置区间内热空气的热量为服务器散热，制冷剂吸热后升温并流动到热交换器内，在热交换器内制冷剂和冷却液进行热交换，降温后的制冷剂循环入空调内为服务器内降温，进行热交换后的冷却液进入到干冷器内，在干冷器内冷却液和外部冷空气进行热交换，冷却液降温后回流到热交换器内为制冷剂降温，从而可通过自然冷却的方式为服务器设备制冷。

优选地，热交换器的出液口Ⅱ和蒸发器之间还连通有储液器，储液器用于存放冷却液，冷却液循环泵连通在储液器和蒸发器之间。

进一步地，冷却液循环泵共两个，两个冷却液循环泵并连在储液器和蒸发器之间。两个冷却液循环泵可互为备用的冷却液循环泵，一个冷却液循环泵出现故障时，可更换另一个冷却液循环泵。

进一步地，冷却液循环泵的出口和蒸发器之间设置有单向阀。单向阀限制冷却液流向蒸发器，防止蒸发器内吸热后的冷却液未降温逆流回储液器或热交换器。

进一步地，风扇与控制器之间连接有变频器。通过变频器可改变风扇的送风量和风速。

进一步地，蒸发器的进液口上依次连通有节流阀和电磁阀，节流阀和电磁阀均位于蒸发器和冷却液循环泵之间，节流阀和电磁阀均与控制器连接。

进一步地，蒸发器与热交换器的进液口Ⅱ之间的管道为铜管。

具有泵式自然冷却系统的数据中心，包括集装箱以及位于集装箱内的服务器机柜、配电柜、不间断电源柜以及网络柜，还包括如上述任一项所述的泵式自然冷却系统，集装箱的内部通过腔室隔板分隔为左右排布的制冷腔室和数据腔室，集装箱的顶壁以及集装箱的侧壁上组成数据腔室的端部上开设有通风孔；热交换器、干冷器、制冷剂循环泵和冷却液循环泵均位于制冷腔室内，服务器机柜、配电柜、不间断电源柜、网络柜以及空调均位于数据腔室内，且所述空调为列间空调；数据腔室内设置有热通道和冷通道，热通道和冷通道均为主要由集装箱的顶壁、集装箱的底壁、集装箱的侧壁、腔室隔板以及密封隔板组成的相互隔离的风通道，服务器机柜、配电柜、不间断电源柜、网络电源柜和空调均位于热通道和冷通道之间。数据腔室内，蒸发器内制冷剂吸收热量为服务器散热，升温后的制冷剂流动到热交换器内，在热交换器内制冷剂与冷却液进行热交换，降温后的制冷剂循环到蒸发器内继续为设备散热；外部的冷空气经通风孔进入到设备腔室内，升温后的冷却液进入到干冷器内，在干冷器内升温后的冷却液与冷空气进行热交换，降温后的冷却液循环到热交换器内继续为制冷剂降温。

进一步地，储液器和单向阀均位于设备腔室内。

进一步地，服务器机柜和空调均有多个，服务器机柜和空调相间放置。

本发明的泵式自然冷却系统及具有泵式自然冷却系统的数据中心具有以下优点：

1、本发明使用时将干冷器和热交换器设置在服务器设备放置区间外部，将蒸发器设置在服务器设备放置区间内，制冷剂为低沸点的制冷剂，制冷剂流过蒸发器与服务器设备放置区间内热空气进行热交换，制冷剂吸热且少部分制冷剂吸热气化，带气泡的制冷剂循环到热交换器内，在热交换器内与冷却液热交换，制冷剂放热后变为冷的制冷剂，冷的制冷剂循环到蒸发器内继续为服务器设备散热，在不与外冷空气直接接触的情况下可利用外部冷空气冷却室服务器设备放置区间内热空气，实现了利用自然冷源为数据中心制冷的效果，节省了能源，降低了耗能；

2、本发明干冷器、冷却液循环泵和热交换器均设置在服务器放置区间外，减少了外部环境对数据中心的影响，且无需重新设计空调室外机的安装环境；

3、本发明集装箱内热通道和冷通道隔离，实现了列间空调近端冷却，提高了对冷空气的利用效率，降低了集装箱内制冷的功耗，降低了PUE（英文全称为：Power UsageEffectiveness ，中文翻译为：评价数据中心能源效率的指标，计算方式为：数据中心总设备能耗/IT设备能耗）。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1为实施例1泵式自然冷却系统的结构示意图；

附图2为实施例1泵式自然冷却系统的的控制原理框图；

附图3为实施例2泵式自然冷却系统的结构示意图；

附图4为实施例3具有泵式自然冷却系统的数据中心的结构示意图；

图中：1、干冷器，2、冷却液循环泵，3、热交换器，4、制冷剂循环泵，5、单向阀，6、蒸发器，7、风扇，8、节流阀，9、电磁阀，10、控制器，11、变频器，12、储液器，13、集装箱，14、热通道，15、冷通道，16、服务器机柜，17、空调，18、不间断电源柜，19、配电柜，20、网络柜；

图中，实心箭头表示冷却液及制冷剂的流动方向，空心箭头表示空气的流动方向。

具体实施方式

参照说明书附图和具体实施例对本发明的泵式自然冷却系统及具有泵式自然冷却系统的数据中心作以下详细地说明。

实施例：

附附图1和附图2所示，本发明的泵式自然冷却系统，包括空调17、热交换器3、干冷器1、制冷剂、冷却液和控制器10，空调17包括蒸发器5和设置在蒸发器5处的风扇6，热交换器3包括进液口Ⅰ、出液口Ⅰ、进液口Ⅱ和出液口Ⅱ，热交换器3的出液口Ⅱ、蒸发器5、热交换器3的进液口Ⅱ通过管道依次连通组成泵式制冷回路，热交换器3的出液口Ⅰ、干冷器1的入口、干冷器1的出口和热交换器3的进液口Ⅰ通过管道依次连通组成干冷器制冷回路，制冷剂流动在泵式制冷回路内，冷却液流动在干冷器制冷回路内；热交换器3和蒸发器5之间连通有制冷剂循环泵4，热交换器3和干冷器1之间连通有冷却液循环泵2；蒸发器5、风扇6、热交换器3、干冷器1、制冷剂循环泵4和冷却液循环泵2均与控制器10连接。

其中，冷却液循环泵2共两个，两个冷却液循环泵2并连在储液器12和蒸发器5之间，每个冷却液循环泵2和蒸发器5之间均连通有一个单向阀5，单向阀5使得制冷剂单向流动至蒸发器5，防止蒸发器5内升温后的制冷剂未降温回流到热交换器3内。

风扇6与控制器10之间连接有变频器11，可根据需求控制风扇6的风速和风量。

蒸发器5的进液口上依次连通有节流阀8和电磁阀9，节流阀8和电磁阀9均位于蒸发器5和冷却液循环泵2之间，节流阀8和电磁阀9均与控制器10连接，便于控制制冷剂的流量和流速。

蒸发器5与热交换器3的进液口Ⅱ之间的管道为铜管。

低沸点的制冷剂为液体氟。在实际应用中，制冷剂可选用三氟乙烷水合物、一氟二氯乙烷水合物、Na2HPO4·10H2O、LiNO3·3H2O、 K2HPO4·6H2O 中的一种或几种混合。

本发明的泵式自然冷却系统可用于为集装箱数据中心散热，使用方法为：空调17位于放置服务器设备的区间内，干冷器1位于放置设备的区间外部，液体氟在泵式制冷回路内流动，液体氟流经蒸发器5时，与空调17所在空间内的热空气进行热交换，为空调17所在环境散热，升温后的液体氟产生一定氟气，氟气随着液体氟流动到热交换器3内，在热交换器3内液体氟与冷却液进行热交换，降温后的液体氟回流到蒸发器5内。同时，冷却液在干冷器制冷回路内流动，在热交换器3内升温后的冷却液流动到干冷器1内，在干冷器1内冷却液与外部冷空气进行热交换降温，降温后的冷却液回流到热交换器3内为液体氟降温。

实施例2：

如附图3所示，本实施例为在实施例1基础上的进一步改进，本实施例与实施例1的区别为：热交换器3的出液口Ⅱ和蒸发器5之间还连通有储液器12，储液器12用于存放冷却液，冷却液循环泵2连通在储液器12和蒸发器5之间；当集装箱13内设备发热量较小时，多余的制冷剂被储存于储液器12内，以维持泵式制冷回路的平衡。

本实施例泵式自然冷却系统的使用方法与实施例1一致。

实施例3：

如附图4所示，具有泵式自然冷却系统的数据中心，包括集装箱13以及位于集装箱13内的服务器机柜16、配电柜19、不间断电源柜18以及网络柜20，还包括实施例2中的泵式自然冷却系统，集装箱13的内部通过腔室隔板分隔为左右排布的制冷腔室和数据腔室，集装箱13的顶壁以及集装箱13的侧壁上组成数据腔室的端部上开设有通风孔，外部的冷空气通过通风孔进入到制冷腔室内；热交换器3、干冷器1、制冷剂循环泵4、冷却液循环泵2、储液器12和单向阀5均位于制冷腔室内，服务器机柜16、配电柜19、不间断电源柜18、网络柜20以及空调17均位于数据腔室内，且所述空调17为列间空调17；数据腔室内设置有热通道14和冷通道15，热通道14和冷通道15均为主要由集装箱13的顶壁、集装箱13的底壁、集装箱13的侧壁、腔室隔板以及密封隔板组成的相互隔离的风通道，服务器机柜16、配电柜19、不间断电源柜18、网络电源柜和空调17均位于热通道14和冷通道15之间。

其中，四个服务器机柜16依次紧密排列，两个空调17排布在服务器机柜16之间，且空调17与服务器机柜16相间排布。

本发明具有泵式自然冷却系统的数据中心的工作方法为：数据腔室内，蒸发器5内制冷剂吸收数据腔室内热空气为服务器等设备降温，升温后的液体氟以及部分气化的气体氟流动到热交换器3内，热交换器3内液体氟与冷却液进行热交换，降温后的液体氟循环至蒸发器5内继续为服务器等设备降温；同时升温后的冷却液流动到干冷器1内，在干冷器1内冷却液与设备腔室内的冷空气进行热交换，降温后的冷却液循环至热交换器3内继续为制冷剂降温，从而实现了制冷剂的自热冷却。

通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述公开的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.泵式自然冷却系统，其特征在于包括空调、热交换器、干冷器、制冷剂、冷却液和控制器，制冷剂为低沸点的制冷剂，空调包括蒸发器和设置在蒸发器处的风扇，热交换器包括进液口Ⅰ、出液口Ⅰ、进液口Ⅱ和出液口Ⅱ，热交换器的出液口Ⅱ、蒸发器、热交换器的进液口Ⅱ通过管道依次连通组成泵式制冷回路，热交换器的出液口Ⅰ、干冷器的入口、干冷器的出口和热交换器的进液口Ⅰ通过管道依次连通组成干冷器制冷回路，制冷剂流动在泵式制冷回路内，冷却液流动在干冷器制冷回路内；

热交换器和蒸发器之间连通有制冷剂循环泵，热交换器和干冷器之间连通有冷却液循环泵；

蒸发器、风扇、热交换器、干冷器、制冷剂循环泵和冷却液循环泵均与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的泵式自然冷却系统，其特征在于热交换器的出液口Ⅱ和蒸发器之间还连通有储液器，储液器用于存放冷却液，冷却液循环泵连通在储液器和蒸发器之间。

3.根据根据权利要求2所述的泵式自然冷却系统，其特征在于冷却液循环泵共两个，两个冷却液循环泵并连在储液器和蒸发器之间。

4.根据权利要求1或2所述的泵式自然冷却系统，其特征在于冷却液循环泵的出口和蒸发器之间设置有单向阀。

5.根据权利要求1所述的泵式自然冷却系统，其特征在于风扇与控制器之间连接有变频器。

6.根据权利要求1或2所述的泵式自然冷却系统，其特征在于蒸发器的进液口上依次连通有节流阀和电磁阀，节流阀和电磁阀均位于蒸发器和冷却液循环泵之间，节流阀和电磁阀均与控制器连接。

7.根据权利要求1所述的泵式自然冷却系统，其特征在于蒸发器与热交换器的进液口Ⅱ之间的管道为铜管。

8.具有泵式自然冷却系统的数据中心，包括集装箱以及位于集装箱内的服务器机柜、配电柜、不间断电源柜以及网络柜，其特征在于还包括如权利要求1-7任一项所述的泵式自然冷却系统，集装箱的内部通过腔室隔板分隔为左右排布的制冷腔室和数据腔室，集装箱的顶壁以及集装箱的侧壁上组成数据腔室的端部上开设有通风孔；热交换器、干冷器、制冷剂循环泵和冷却液循环泵均位于制冷腔室内，服务器机柜、配电柜、不间断电源柜、网络柜以及空调均位于数据腔室内，且所述空调为列间空调；

数据腔室内设置有热通道和冷通道，热通道和冷通道均为主要由集装箱的顶壁、集装箱的底壁、集装箱的侧壁、腔室隔板以及密封隔板组成的相互隔离的风通道，服务器机柜、配电柜、不间断电源柜、网络电源柜和空调均位于热通道和冷通道之间。

9.根据权利要求8所述的具有泵式自然冷却系统的数据中心，其特征在于储液器和单向阀均位于设备腔室内。

10.根据权利要求8所述的具有泵式自然冷却系统的数据中心，其特征在于服务器机柜和空调均有多个，服务器机柜和空调相间放置。