一种用于数据中心的换热装置及方法与流程

1.本发明涉及机房制冷技术领域，尤其涉及一种用于数据中心的换热装置及方法。


背景技术：

2.现有的数据中心机房普遍存在换热效率低、气流组织差、易出现局部热点等问题，其原因在于数据中心机房采用空冷散热的方式，受限于空气自身的物性极限，导致其对流换热系数存在无法逾越的上限值，故而换热效率低下。供冷系统为了解决机房局部热点的问题，只能加大供冷设备的运行负载，非常不利用节能。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种用于数据中心的换热装置及方法，主要解决现有数据中心采用空冷散热换热效率地下导致出现局部热点的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明第一方面公开了一种用于数据中心的换热装置，包括密封壳体，以及堆叠在所述密封壳体内部的列间空调，所述列间空调的左右两侧分别堆叠有服务器，所述密封壳体的外部设置有第一储气罐、第二储气罐和抽气泵，所述第一储气罐和所述第二储气罐的阀座分别通过第一进气管和第二进气管进入所述密封壳体的内部，所述第一储气罐内储存有氦气，所述第二储气罐内储存有二氧化碳、氧气或氮气中的其中一种辅助气体，所述抽气泵通过抽气管进入所述密封壳体的内部。
5.在一些实施方式中，所述第一进气管和所述第二进气管上分别设置有第一阀门和第二阀门。
6.在一些实施方式中，所述抽气管上设置有第三阀门。
7.在一些实施方式中，所述密封壳体的内部还安装有氦气浓度传感器和辅助气体浓度传感器，所述辅助气体浓度传感器用于检测所述第二储气罐内储存的辅助气体的浓度。
8.在一些实施方式中，所述服务器的其中一侧紧挨所述列间空调的其中一侧，所述服务器的另一侧紧挨所述密封壳体的内壁。
9.在一些实施方式中，所述第一进气管和所述第二进气管设置在所述密封壳体的顶部区域，所述抽气管设置在所述密封壳体的底部区域。
10.在一些实施方式中，还包括气体混合容器，所述第一进气管和所述第二进气管与所述气体混合容器的进气口连接，所述气体混合容器的出气口通过管道进入所述密封壳体的内部。
11.本发明第二方面公开了一种控制方法，用于上述的换热装置，包括抽气模式、充气模式和运行模式；
12.所述抽气模式包括：关闭所述第一阀门和所述第二阀门，开启所述第三阀门和所述抽气泵，所述抽气泵运行预设时间t以后关闭；
13.所述充气模式包括：关闭所述第三阀门和所述抽气泵，实时检测所述氦气浓度传感器和所述辅助气体浓度传感器分别获取的实时氦气浓度m和实时辅助气体浓度n，根据预
设的目标混合浓度配比调节所述第一阀门和所述第二阀门的流量，所述目标混合浓度配比包括目标氦气浓度a和目标辅助气体浓度b，并直到所述实时氦气浓度m和所述实时辅助气体浓度n分别达到所述目标氦气浓度a和所述目标辅助气体浓度b，关闭所述第一阀门和所述第二阀门；
14.所述运行模式包括：启动所述列间空调，当所述实时氦气浓度m小于所述目标氦气浓度a时启动所述第一阀门，直到所述实时氦气浓度m达到所述目标氦气浓度a关闭所述第一阀门，当所述实时辅助气体浓度n小于所述目标辅助气体浓度b时启动所述第二阀门，直到所述实时辅助气体浓度n达到所述目标辅助气体浓度b关闭所述第二阀门。
15.在一些实施方式中，所述预设时间t根据所述抽气泵的流量和所述密封壳体的体积共同确定，所述预设时间t为0～0.5小时。
16.在一些实施方式中，所述目标混合浓度配比为1～9。
17.本发明的有益效果为：在密封壳体的外部设置有第一储气罐和第二储气罐，通过往密封壳体内注入氦气和辅助气体，并利用列间空调对密封壳体内的气体进行内循环，混合后的气体能够成倍提高的换热装置的对流换热系数，换热效率明显高于现有的空气散热，从而减少局部热点的出现，间接减轻了供冷系统的运行负担。
附图说明
18.图1为本发明实施例一公开的用于数据中心的换热装置的结构示意图；
19.其中：1-密封壳体，2-列间空调，3-服务器，4-第一储气罐，5-第二储气罐，6-抽气泵，7-第一进气管，8-第二进气管，9-抽气管，10-氦气浓度传感器，11-辅助气体浓度传感器，701-第一阀门，801-第二阀门，901-第三阀门。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
21.实施例一
22.本实施例提出了一种用于数据中心的换热装置，如图1所示，包括密封壳体1，以及堆叠在密封壳体1内部的列间空调2，列间空调2的左右两侧分别堆叠有服务器3，密封壳体1的外部设置有第一储气罐4、第二储气罐5和抽气泵6，第一储气罐4和第二储气罐5的阀座分别通过第一进气管7和第二进气管8进入密封壳体1的内部，所述第一储气罐内储存有氦气，所述第二储气罐内储存有二氧化碳、氧气或氮气中的其中一种辅助气体，抽气泵6通过抽气管9进入密封壳体1的内部。
23.本实施例中，在密封壳体1的外部设置有第一储气罐4和第二储气罐5，通过往密封壳体1内注入氦气和辅助气体，并利用列间空调2对密封壳体1内的气体进行内循环，混合后的气体能够成倍提高的换热装置的对流换热系数，换热效率明显高于现有的空气散热，从而减少局部热点的出现。
24.更优的，上述的第一进气管7和第二进气管8上分别设置有第一阀门701和第二阀
门801，通过第一阀门701和第二阀门801分别控制氦气和辅助气体进入密封壳体1的流量。
25.更优的，抽气管9上设置有第三阀门901，利用第三阀门901控制抽气管9的通断，避免抽气泵6被动泄露密封壳体1内部的混合气体。
26.更优的，密封壳体1的内部还安装有氦气浓度传感器10和辅助气体浓度传感器11，辅助气体浓度传感器11用于检测第二储气罐内储存的辅助气体的浓度，即，辅助气体浓度传感器11可以是检测二氧化碳、氧气或氮气的专用传感器，能够实时检测密封壳体1内氦气和辅助气体的浓度，用于动态反馈控制第一阀门701和第二阀门801重新启动，往密封壳体1补充氦气或辅助气体。
27.上述的列间空调2至少存在一台，服务器3至少存在两台，为进一步加强换热效果，服务器3的其中一侧紧挨列间空调2的其中一侧，服务器3的另一侧紧挨密封壳体1的内壁，在该方案中，服务器3至少有一侧与列间空调2的侧面接触，最大限度靠近热源直接散热。
28.由于按照预设浓度配比充入的混合气体的摩尔密度小于空气的摩尔密度，第一进气管7和第二进气管8需设置在密封壳体1的顶部区域，抽气管9则设置在密封壳体1的底部区域，第一进气管7和第二进气管8安装位置应与抽气管9的安装位置相对远离。
29.实施例二
30.在实施例一的基础上，本实施例还包括气体混合容器(图中未示)，第一进气管7和第二进气管8与气体混合容器的进气口连接，气体混合容器的出气口通过管道进入密封壳体1的内部。在本实施例中，两个单独的第一进气管7和第二进气管8先在一个气体混合容器内部实现目标比例混合以后，混合气体再一起被送到密封空间内部。
31.进一步的，气体混合容器的出气口处安装有一阀门，用于控制混合气体进入密封壳体1。
32.实施例三
33.一种控制方法，用于实施例一或二的换热装置，包括抽气模式、充气模式和运行模式；
34.抽气模式包括：关闭第一阀门701和第二阀门801，开启第三阀门901和抽气泵6，抽气泵6运行预设时间t以后关闭，经过抽气后后密封壳体1内部为真空状态，避免密封壳体1内原有的空气与后来充气的氦气和辅助气体进行混合。预设时间t根据抽气泵9的流量和密封壳体1的体积共同确定，预设时间t为0～0.5小时。
35.充气模式包括：关闭第三阀门901和抽气泵6，实时检测氦气浓度传感器10和辅助气体浓度传感器11分别获取的实时氦气浓度m和实时辅助气体浓度n，根据预设的目标混合浓度配比调节第一阀门701和第二阀门801的流量，目标混合浓度配比包括目标氦气浓度a和目标辅助气体浓度b，并直到实时氦气浓度m和实时辅助气体浓度n分别达到目标氦气浓度a和目标辅助气体浓度b，关闭第一阀门701和第二阀门801。
36.运行模式包括：启动列间空调2，当实时氦气浓度m小于目标氦气浓度a时启动第一阀门701，直到实时氦气浓度m达到目标氦气浓度a关闭第一阀门701，当实时辅助气体浓度n小于目标辅助气体浓度b时启动第二阀门801，直到实时辅助气体浓度n达到目标辅助气体浓度b关闭第二阀门801。
37.进一步的，上述的目标混合浓度配比为1～9。
38.氦气是一种化学性质不活泼的惰性气体，一般状态下很难和其他物质发生反应，
安全性高，无毒无污染，且对人体无害，通常情况下无需特别回收处理，氦气会升高空，穿过大气层，逸散到太空。数据表明，氦气与二氧化碳、氧气、氮气或空气形成的混合气体，可以攻克单一气体的物性极限，成倍提高单一气体的对流换热系数，间接减轻了供冷系统的运行负担。
39.以下给出了常压状态下，不同体积比的氦气和二氧化碳混合气体相比较同等状态下的空气对流换热系数的提高倍数，如表1所示，目标混合浓度配比区间为1～9，优选4，即8：2的浓度配比。
40.表1不同体积比的氦气和二氧化碳相对于空气的换热效率提高倍数
41.混合气体体积比提高倍数氦气：二氧化碳＝10:01.8589氦气：二氧化碳＝9:12.4397氦气：二氧化碳＝8:22.6182氦气：二氧化碳＝7:32.6082氦气：二氧化碳＝6:42.4887氦气：二氧化碳＝5:52.2989氦气：二氧化碳＝4:62.0610氦气：二氧化碳＝3:71.7888氦气：二氧化碳＝2:81.4912氦气：二氧化碳＝1:91.1738
42.本发明提供的一种用于数据中心的换热装置及方法，密封壳体1内部的换热工质采用常压下氦气与二氧化碳体积比4:1的混合气体，在密封壳体1内部列间空调2的风扇带动下，实现机柜内部密闭空间常压对流换热，混合气体对流换热系数可以达到相同条件下空气对流换热系数的2.6倍，显著提高数据中心机房空冷换热的效率，解决空冷机房服务器热量转移慢的瓶颈问题，突破空冷机房的末端换热上限，促进数据中心节能技术上升至新高度。
43.再有，如表2所示，氦气和氧气之间的目标混合浓度配比为4，即8：2的浓度配比。如表3所示，氦气和氧气之间的目标混合浓度配比同样为4，即8：2的浓度配比。
44.表2不同体积比的氦气和氧气相对于空气的换热效率提高倍数
45.[0046][0047]
表3不同体积比的氦气和氮气相对于空气的换热效率提高倍数
[0048]
混合气体体积比提高倍数氦气：氮气＝10:01.8589氦气：氮气＝9:12.1698氦气：氮气＝8:22.2612氦气：氮气＝7:32.2377氦气：氮气＝6:42.1451氦气：氮气＝5:52.0075氦气：氮气＝4:61.8388氦气：氮气＝3:71.6478氦气：氮气＝2:81.4399氦气：氮气＝1:91.2182
[0049]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。