一種用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置的製作方法
2023-10-11 14:48:59 1
本實用新型涉及數據中心空調節能系統技術領域，特別是一種用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置。
背景技術：
數據中心是一個聚集了大量伺服器、存儲設備、網絡設備的場所，是實現數據信息集中處理、存儲、傳輸、交換和管理等業務的服務平臺。數據中心的電耗主要由信息設備、空調系統和供配電系統三部分構成，其中空調系統電耗約佔總量的40％。隨著我國信息行業的快速發展，數據中心將呈現爆發增長，其電耗呈幾何級數增長，能源消耗巨大。
隨著信息設備集成度的進一步提高，單臺伺服器運算能力和發熱量大幅增加，同時體積越來越小，造成數據中心單機櫃功率密度迅速增加，傳統架空地板下送風方式已經漸漸無法滿足高功率密度機櫃的冷卻需求。並且，傳統下送風方式由於冷源距離熱源較遠，氣流組織不夠合理，帶來數據中心機櫃冷卻不夠充分以及能耗居高不下的問題。
改善數據中心能耗和末端有效冷卻問題需要改變現有數據中心空調末端的送風形式，使冷源儘量靠近熱源，同時要充分利用免費自然冷源進行冷卻。現有機房精密空調冷凍水供水溫度較低且供回水溫差較小，供回水溫差通常為5℃，主機能效較低且不利於對免費自然冷源的充分利用。
技術實現要素：
本實用新型的目的是克服上述現有技術的不足，提供一種用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置，該裝置循環液體流量低、供/回液溫差大、冷卻效率高，解決了現有技術存在的問題。
本實用新型是通過以下技術方案來實現的：一種用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置包括櫃體，所述櫃體內設置有空氣-液體換熱模塊和氣流分配模塊，所述空氣-液體換熱模塊包括若干個平行排列的空氣-液體換熱器，所述氣流分配模塊包括送風氣流導向葉片、迴風氣流導向葉片和一組風機，所述送風氣流導向葉片、所述風機、所述空氣-液體換熱器和所述迴風氣流導向葉片依次設置於所述櫃體內。
在本實用新型中，用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置與控制系統連接，根據控制系統監測到的信號，使大溫差空調末端裝置根據控制系統實現自動調節。
控制系統通過監測機櫃內伺服器輸入電流和迴風口溫度對風機轉速、送風氣流導向葉片角度、可旋轉空氣-液體換熱器的角度以及空氣-液體換熱模塊內載冷液體流速進行調節。當機櫃伺服器輸入電流增加或迴風口豎向各點空氣溫度提高時，增大風機轉速使得風量增大；且使送風氣流導向葉片旋轉一定角度，使得送風氣流流向與伺服器進風方向的角度更小，以增大伺服器進風風速；此時可旋轉空氣-液體換熱器保持與氣流流向垂直。當機櫃伺服器輸入電流減小且迴風口溫度降低時，降低風機轉速使得風量減小；且使送風氣流導向葉片旋轉一定角度，使得送風氣流流向與伺服器進風方向的角度更小；且調節可旋轉空氣-液體換熱器與氣流流向的夾角小於90°；且降低空氣-液體換熱模塊內載冷液體的流速。
本實用新型通過將用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置與被冷卻機櫃封裝於一個與機房環境隔離的構建物中，該構建物具有保溫隔熱效果，其實現僅對機櫃實施的局部環境冷卻，避免因冷卻整個機房環境造成的能源浪費，同時降低了對機房環境溫度的要求。
用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置布置於機櫃的側面，可以位於兩臺機櫃之間或者位於單臺機櫃一側；大溫差空調末端裝置的高度與機櫃高度相同或相近；大溫差空調末端裝置水平進深大於機櫃水平進深，出風口位置突出於機櫃正面，迴風口位置突出於機櫃背面。
本實用新型中用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置的工作流程是：機櫃背面伺服器排出的熱空氣經過迴風導向葉片改變流向後，反向流入空氣-液體換熱模塊，經過空氣-液體換熱模塊後，熱空氣被冷卻降溫至合適的溫度，再經風機增壓後流向送風氣流導向葉片改變風向，最終反向流入機櫃正面的伺服器進風口，形成水平閉合循環。
所述風機的風量可以根據機櫃實時發熱量實現自動調節，所述送風氣流導向葉片角度可以根據機櫃實時發熱量實現自動調節；所述送風氣流導向葉片和迴風氣流導向葉片均為豎直布置。
優選地，所述若干個空氣-液體換熱器串聯連接或者並聯連接。空氣-液體換熱器串聯連接可以增大液體流動管路內表面面積和液體流動路徑長度實現小流量、大溫差的設計目的。
優選地，所述若干個空氣-液體換熱器中的至少一個設置有旋轉裝置，所述旋轉裝置的旋轉角度不大於90°。若干個空氣-液體換熱器中一個或多個空氣-液體換熱器可以根據機櫃發熱量變化沿其自身豎直中軸線進行旋轉，旋轉角度根據機櫃發熱量大小自動調節，旋轉角度最大能夠達到90°，設置有旋轉裝置的空氣-液體換熱器採用軟連接方式與集液管和回液管連接。
設置有旋轉裝置的空氣-液體換熱器的自動調節方式是通過控制系統監測每臺伺服器輸入電功率和迴風氣流導向葉片處豎向各點空氣溫度來實現；所述風機風量的自動調節方式是通過監測每臺伺服器輸入電功率和迴風氣流導向葉片處豎向各點空氣溫度來實現；所述送風氣流導向葉片角度自動調節方式是通過監測每臺伺服器輸入電功率和迴風氣流導向葉片處豎向各點空氣溫度來實現。
優選地，所述空氣-液體換熱器為平行流微通道換熱器或管翅式換熱器。
優選地，所述空氣-液體換熱器的冷卻介質的溫差為10～15℃，所述冷卻介質為水。冷卻介質的溫差為10～15℃，能夠更加充分利用免費自然冷源，在配套有蓄冷系統的數據中心，大溫差供冷方式還能夠增加蓄冷系統的蓄冷溫差，提高蓄冷系統蓄冷能力，一方面可以實現更佳的移峰填谷效果，另一方面可以蓄存更多的自然冷量用於免費供冷。
優選地，所述風機豎向排列。
優選地，所述空氣-液體換熱器的載冷液體採用雙路供液，兩路分別來自不同冷源的供液管同時連接所述空氣-液體換熱器的進液管，空氣-液體換熱器的出液管同時連接去往不同的冷源的回液管。本實用新型中的雙路供液系統在運行中互為備份，同一時間只有一路液體循環，當正在循環的迴路出現故障時，另一迴路液體將自動開始循環。
本實用新型的有益效果是：
1、本實用新型通過使冷源緊靠機櫃的方式減小氣流輸送距離，降低氣流輸送能耗，且不會出現局部過熱現象；
2、本實用新型通過增大循環液體流動管路內表面面積來增大單個換熱器換熱面積，通過將若干換熱器進行串聯連接，顯著增加循環液體流動路徑長度，通過與空氣充分接觸換熱，實現循環液體小流量、進出口大溫差的運行方式
3、本實用新型通過增大循環液體供/回液溫差，提高循環液體出口溫度，能夠顯著增加免費自然冷源利用率，減少電制冷機組開啟時間，降低數據中心空調系統能耗；
4、本實用新型通過增大循環液體供/回液溫差，對配套有蓄冷系統的數據中心，能夠大幅增加蓄冷系統的蓄冷溫差，提高蓄冷系統蓄冷能力，一方面實現更佳的移峰填谷效果、降低電網負荷，另一方面蓄存更多的自然冷量用於免費供冷；
5、本實用新型採用可調節風量的風機，能夠依據機櫃發熱量進行風量自動調節，對機櫃發熱量的動態變化迅速做出響應，及時將熱量帶走，實現針對機櫃冷卻的動態調節；
6、本實用新型在出風口和迴風口設置氣流導向葉片，有效降低氣流改變流向時的局部阻力損失，出風口氣流導向葉片能夠根據機櫃發熱量自動調節葉片角度，實現對機櫃更有效的冷卻；
7、本實用新型通過與被冷卻機櫃封裝於一個與機房環境隔離的構建物中，該構建物具有保溫隔熱效果，其實現僅對機櫃實施的局部環境冷卻，避免因冷卻整個機房環境造成的能源浪費，同時降低了對機房環境溫度的要求。
附圖說明
圖1為實施例1用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置的結構示意圖；
圖2為圖1的俯視圖；
圖3為圖1的主視圖；
圖4為實施例1用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置三維透視圖；
圖5為實施例1用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置第三空氣-液體換熱器旋轉一定角度後的結構示意圖；
圖6為圖5的俯視圖；
圖7為實施例1用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置多個空氣-液體換熱器採用並聯方式連接示意圖，以及雙路供液示意圖；
圖8為實施例1用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置多個空氣-液體換熱器採用串聯方式連接示意圖；
圖中附圖標記含義：1、櫃體；2、機櫃；3、送風氣流導向葉片；4、風機；5、迴風氣流導向葉片；6、第一空氣-液體換熱器；7、第二空氣-液體換熱器；8、第三空氣-液體換熱器；9、旋轉裝置；10、構建物；11、檢修通道；12、第一供液管；13、第二供液管；14、第一回液管；15、第二回液管。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型的內容做進一步詳細說明。
實施例1
參閱圖1至圖8，圖2和圖5箭頭所示為送風流動的路徑，圖7和圖8箭頭所示為水流方向。將用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置及被冷卻機櫃2封裝於一個與機房環境隔離的構建物10中，以防止構建物10內部空間與外部的機房環境產生熱量傳遞，用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置設置於被冷卻機櫃2一側，或者用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置設置於兩個被冷卻機櫃之間；
用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置和被冷卻機櫃與控制系統連接，根據控制系統監測到的信號，使用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置根據控制系統實現自動調節。
控制系統通過監測機櫃內伺服器輸入電流和迴風口溫度對風機轉速、送風氣流導向葉片角度、可旋轉空氣-液體換熱器的角度以及空氣-液體換熱模塊內載冷液體流速進行調節。當機櫃伺服器輸入電流增加或迴風口豎向各點空氣溫度提高時，增大風機轉速使得風量增大；且使送風氣流導向葉片旋轉一定角度，使得送風氣流流向與伺服器進風方向的角度更小，以增大伺服器進風風速；此時可旋轉空氣-液體換熱器保持與氣流流向垂直。當機櫃伺服器輸入電流減小且迴風口溫度降低時，降低風機轉速使得風量減小；且使送風氣流導向葉片旋轉一定角度，使得送風氣流流向與伺服器進風方向的角度更小；且調節可旋轉空氣-液體換熱器與氣流流向的夾角小於90°；且降低空氣-液體換熱模塊內載冷液體的流速。
構建物上設置有用於設備檢修和維護的檢修通道11。本實施例中，用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置設置於兩個被冷卻機櫃之間，該大溫差空調末端裝置的設置位置可根據具體工況實際確定，其位置的設置的目的是使冷源緊靠機櫃的方式減小氣流輸送距離，降低氣流輸送能耗，且不會出現局部過熱現象。
本實用新型通過將用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置與被冷卻機櫃封裝於一個與機房環境隔離的構建物中，該構建物具有保溫隔熱效果，其實現僅對機櫃實施的局部環境冷卻，避免因冷卻整個機房環境造成的能源浪費，同時降低了對機房環境溫度的要求。
用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置布置於機櫃的側面，可以位於兩臺機櫃之間或者位於單臺機櫃一側；大溫差空調末端裝置的高度與機櫃高度相同或相近；大溫差空調末端裝置水平進深大於機櫃水平進深，出風口位置突出於機櫃正面，迴風口位置突出於機櫃背面。
用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置包括櫃體1，櫃體1內設置有空氣-液體換熱模塊和氣流分配模塊，空氣-液體換熱模塊包括若干個平行排列的空氣-液體換熱器，氣流分配模塊包括送風氣流導向葉片3、迴風氣流導向葉片5和一組豎向排列的風機4，送風氣流導向葉片3、風機4、空氣-液體換熱器和迴風氣流導向葉片5依次設置於所述櫃體內。
空氣-液體換熱器的冷卻介質的溫差為10～15℃，載冷液體為水、丙酮或其他製冷工質，在本實施例中，優選載冷液體為水，可根據實際需要變換載冷液體。冷卻介質的溫差為10～15℃，能夠更加充分利用免費自然冷源，在配套有蓄冷系統的數據中心，大溫差供冷方式還能夠增加蓄冷系統的蓄冷溫差，提高蓄冷系統蓄冷能力，一方面可以實現更佳的移峰填谷效果，另一方面可以蓄存更多的自然冷量用於免費供冷。
空氣-液體換熱器的冷卻介質採用雙路供液，兩路分別來自不同冷源的供液管同時連接空氣-液體換熱模塊的進液管，空氣-液體換熱模塊的出液管同時連接去往不同的冷源的回液管；本實用新型中的雙路供液系統在運行中互為備份，同一時間只有一路液體循環，當正在循環的迴路出現故障時，另一迴路液體將自動開始循環。
空氣-液體換熱器可以為平行流微通道換熱器或管翅式換熱器，在本實施例中，空氣-液體換熱器為平行流微通道換熱器，空氣-液體換熱器有3個，分別是第一空氣-液體換熱器6、第二空氣-液體換熱器7和第三空氣-液體換熱器8。
空氣-液體換熱器的數量其可以根據實際情況的需要來確定，本領域技術人員可以想到的數量範圍其均在本實用新型的保護範圍之內。
本實用新型中用於機櫃冷卻的大溫差空調末端裝置的工作流程是：機櫃背面伺服器排出的熱空氣經過迴風導向葉片改變流向後，反向流入空氣-液體換熱模塊，經過空氣-液體換熱模塊後，熱空氣被冷卻降溫至控制系統中設定的溫度，再經風機增壓後流向送風氣流導向葉片改變風向，最終反向流入機櫃正面的伺服器進風口，形成水平閉合循環。
風機的風量可以根據機櫃實時發熱量實現自動調節，送風氣流導向葉片角度可以根據機櫃實時發熱量實現自動調節；送風氣流導向葉片和迴風氣流導向葉片均為豎直布置。
若干個空氣-液體換熱器串聯連接或者並聯連接。本實施例中，第一空氣-液體換熱器6、第二空氣-液體換熱器7和第三空氣-液體換熱器8串聯連接，該連接方式可以增大液體流動管路內表面面積和液體流動路徑長度實現小流量、大溫差的設計目的如圖8所示，製冷液體經第一供液管12或第二供液管13後，先後依次進入第三空氣-液體換熱器8、第二空氣-液體換熱器7和第一空氣-液體換熱器6，經第一回液管14或者第二回液管15排出。
若干個空氣-液體換熱器可根據實際情況選擇並聯連接，如圖7所示，製冷液體經第一供液管12或第二供液管13後，分別經過第三空氣-液體換熱器8、第二空氣-液體換熱器7和第一空氣-液體換熱器6後，將第三空氣-液體換熱器8、第二空氣-液體換熱器7和第一空氣-液體換熱器6排出的製冷液體混合後經第一回液管14或者第二回液管15排出。
一個或多個空氣-液體換熱器都可以設置旋轉裝置，在本實施例中，第三空氣-液體換熱器8設置有旋轉裝置9，旋轉裝置9的旋轉角度不大於90°。若干個空氣-液體換熱器中一個或多個空氣-液體換熱器可以根據機櫃發熱量變化沿其自身豎直中軸線進行旋轉，旋轉角度根據機櫃發熱量大小自動調節，旋轉角度最大能夠達到90°，設置有旋轉裝置的空氣-液體換熱器採用軟連接方式與集液管和回液管連接。如圖5所示為第三空氣-液體換熱器8旋轉一定角度後的大空調末端裝置結構示意圖。
設置有旋轉裝置的第三空氣-液體換熱器8的自動調節方式是通過控制系統監測每臺伺服器輸入電功率和迴風氣流導向葉片處豎向各點空氣溫度來實現；風機風量的自動調節方式是通過監測每臺伺服器輸入電功率和迴風氣流導向葉片處豎向各點空氣溫度來實現；送風氣流導向葉片角度自動調節方式是通過監測每臺伺服器輸入電功率和迴風氣流導向葉片處豎向各點空氣溫度來實現。
上列詳細說明是針對本實用新型可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本實用新型的專利範圍，凡未脫離本實用新型所為的等效實施或變更，均應包含於本案的專利範圍中。