一种相变冷却塔、数据中心的制冷系统及制冷方法与流程

本发明涉及数据中心的制冷技术领域，尤其涉及相变冷却塔、数据中心的制冷系统及制冷方法。

背景技术：

随着云计算、大数据、物联网及人工智能的兴起，大型数据中心的需求与日俱增；各国及各大公司对环境和能耗也越来越重视。数据中心作为耗能大户，且作为未来前沿技术的主要载体，其基础设施侧的主要要求在节能、快速灵活部署及成本优化上，制冷系统作为主要的耗能大户是优化的重点。同时，服务器及芯片技术的发展，以gpu、fpga及asic等异构计算及高性能cpu的发展，都使计算密度越来越高，如何在解决高密度能耗冷却的同时，提高部署速度，同时得到较低的能耗，并保持高可靠性，至关重要。

现有的解决方案中，主要有三大思路。一是it侧的模块化方案，采用it侧的模块化部署结合近端制冷(行级空调、背板空调、顶置空调等)及冷冻站(冷水机组、管路阀件及泵系统、冷却塔等)；二是风侧自然冷却方案，采用风侧自然冷却(直接新风、间接新风)结合建筑结构的定制化设计并辅助以大型风管系统；三是液冷方案，采用液冷技术(冷板式液冷、浸没式液冷等)结合服务器本身的定制化高密度设计。

但是，这几种方案都没有很好的兼顾高密度、可靠性、低成本及快速部署四大问题：

it侧的模块化方案，虽然部分实现了高密度且成本较低，但是由于存在非常复杂的冷冻站系统，部署非常不灵活，且初期投入很大，后期运维也相当复杂且运行效率与实际设计相去甚远，而且水进入机房也对可靠提出极大挑战；

风侧自然冷方案，虽然较好解决了快速部署及可靠性的问题，在节能方面也有其优势，但是其对于建筑结构及环境的依赖很大，应用范围有限，且风侧冷却换热效率低，无法应对高功率密度；

液冷方案，是最节能的方案且通过服务器定制化可以实现灵活部署，但其可靠性风险较大，且投资成本很高，应用范围有限，仅适合超高功率密度的应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种相变冷却塔、数据中心的制冷系统及制冷方法，可以兼顾高密度、可靠性、低成本及快速部署。

本发明实施例的一方面，提供一种相变冷却塔，所述相变冷却塔由上至下依次包括：风扇、相变冷凝器、第一氟泵、氟-氟换热器、蓄水盘、第二氟泵、第一载冷剂输配管道；其中，

所述第一载冷剂输配管道用于将气体状的第一载冷剂传输至所述相变冷凝器；

所述相变冷凝器用于对气体状的所述第一载冷剂散热，再冷凝为液体；

所述第一氟泵用于将冷凝后的液体状的所述第一载冷剂通过所述第一载冷剂输配管道传输至所述氟-氟换热器；

所述氟-氟换热器用于通过液体状的所述第一载冷剂吸收管路系统承载的第二载冷剂的热量，并将液体状的所述第一载冷剂转换为气体，再由第一载冷剂输配管道将气体状的所述第一载冷剂传输至所述相变冷凝器；

所述相变冷凝器之上的所述风扇，用于对所述相变冷凝器散热，使得所述相变冷凝器上的热量传递至空气中，实现散热；

其中所述第一载冷剂采用相变换热工质。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述冷却塔中还设置有喷淋器、导水管路、蓄水盘以及设置在导水管路中的水泵，所述导水管路与所述蓄水盘连接，将所述蓄水盘中的水在所述水泵的压力作用下，通过喷淋器喷淋至所述相变冷凝器的上表面，对所述相变冷凝器散热。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述蓄水盘设置在所述冷却塔的底部。

本发明实施例的另一方面，提供一种数据中心的制冷系统，所述系统包括：

设置在数据中心的室外的相变冷却塔，设置在数据中心的室内的末端系统；

所述相变冷却塔与所述末端系统之间通过管路系统连通；所述管路系统将承载的液体状的第二载冷剂输配至末端系统，所述第二载冷剂在末端系统吸收热量从液体变为气体，从而对数据中心的室内进行制冷；所述管路系统还用于将气体状的第二载冷剂输配至所述相变冷却塔中的氟-氟换热器，由所述氟-氟换热器吸收所述第二载冷剂的热量，并将所述第二载冷剂再冷却为液体；其中，所述管路系统承载的第二载冷剂采用相变换热工质。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述相变冷却塔与所述末端系统一一对应；或，多个所述相变冷却塔通过所述管路系统组成环网，对应一个或多个所述末端系统。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述相变冷却塔、所述管路系统和所述末端系统分别部署在集装箱箱体中。

本发明的另一方面，提供一种数据中心的制冷系统的制冷方法，所述方法包括：

管路系统从冷却塔的氟-氟换热器中获取液体状的第二载冷剂；

所述管路系统将承载的液体状的所述第二载冷剂输配至末端系统，以由液体状的所述第二载冷剂在所述末端系统吸收热量从液体变为气体，从而对数据中心的室内进行制冷；

所述管路系统将气体状的第二所述载冷剂输配至所述相变冷却塔中的氟-氟换热器；

所述相变冷却塔的氟-氟换热器吸收气体状的所述第二载冷剂的热量，并将所述第二载冷剂再冷却为液体。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述相变冷却塔中的氟-氟换热器吸收所述第二载冷剂的热量，并将所述第二载冷剂再冷却为液体，具体还包括：

第一氟泵将液体状的第一载冷剂从相变冷凝器通过所述第一载冷剂输配管道传输至所述氟-氟换热器，吸收管路系统承载的所述第二载冷剂的热量，并将液体状的所述第一载冷剂转换为气体；

第一载冷剂输配管道将气体状的所述第一载冷剂传输至相变冷凝器；

所述相变冷凝器对气体状的所述第一载冷剂散热，再冷凝为液体；其中，

所述相变冷凝器之上的所述风扇，对所述相变冷凝器散热，使得所述相变冷凝器上的热量传递至空气中，实现散热，并将气体状的第一载冷剂冷凝为液体。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下有益效果：实现了冷却塔的载冷剂输配管道与末端系统的载冷剂输配管道的隔离，冷却塔与末端互不影响；缩短了传统相变冷却塔的载冷剂输配管道至末端系统的循环长度，减少了接口数量，降低了泄露风险；由于将相变冷却塔、管路系统、末端系统部署在集装箱中，作为整体进行交付，能够实现与现场条件的匹配，进而保证施工速度，可以很方便地在原有部署的基础上通过调整对应集装箱的数量来适应需求的变化。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统实施例的结构图；

图2是本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统的部署示意图；

图3是本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统的部署示意图；

图4是本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统的集装箱部署示意图；

图5是本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统的制冷方法的流程图。

附图标记：

相变冷却塔1、风扇2、喷淋器3、相变冷凝器4、第一氟泵5、气泵6、氟-氟换热器7、蓄水盘8、第二氟泵9、第一载冷剂输配管道10、导水管路11、水泵12、管路系统13、末端系统14。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

本发明实施例给出一种数据中心的制冷系统，请参考图1，其为本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统实施例的结构图，如图1所示，本实施例的数据中心的制冷系统，可以包括：相变冷却塔1、管路系统13和末端系统14，所述相变冷却塔部署在数据中心的室外，通过管路系统与部署在数据中心的室内的末端系统相连通。

优选地，管路系统可以采用普通的铜管/钢管焊接，也可以采用更为快速免焊接的冷压技术或者轴向密封技术，例如洛克环或者快速接口等方案。

所述相变冷却塔中，由上至下依次包括：风扇2、喷淋器3、相变冷凝器4、第一氟泵5、气泵6、氟-氟换热器7、蓄水盘8、第二氟泵9、第一载冷剂输配管道10、导水管路11、水泵12。

本实施例的第一载冷剂输配管道10可以包括液管段和气管段，其中，第一载冷剂输配管道10的气管段用于将气体状的第一载冷剂传输至相变冷凝器4，由相变冷凝器3对气体状的第一载冷剂散热，再冷凝为液体，由第一氟泵5将冷凝后的液体状的第一载冷剂压入第一载冷剂输配管道10的液管段中，第一载冷剂输配管道10的液管段将冷凝后的液体状的第一载冷剂输配至氟-氟换热器7，吸收管路系统中气体状第二载冷剂的热量，并将液体状的第一载冷剂转换为气体，再由第一载冷剂输配管道10的气管段将气体状的第一载冷剂传输至相变冷凝器4，从而实现了冷却塔内的制冷循环。

具体地，相变冷凝器4之上的风扇2在转动时，可以带动空气流通，利用相变冷凝器4上的热量快速传递至空气中，实现快速散热。

具体地，导水管路11与蓄水盘8连接，将蓄水盘8中的水在水泵12的压力作用下，通过喷淋器3喷淋至相变冷凝器4的上表面。通过蒸发吸热，进一步将相变冷凝器4上的热量传递至水中，实现快速散热。

所述管路系统连接末端系统的空调与相变冷却塔中的氟-氟换热器7，本实施例中，所述管路系统可以包括液管段和气管段，所述管路系统的液管段利用第二氟泵9将承载的液体状的载冷剂输配至末端系统的空调中，液体状的载冷剂在空调的换热器中遇到高温送风的服务器，吸收热量从液体变为气体，从而对数据中心的室内进行降温、制冷。然后所述管路系统的气管段将气体状的载冷剂输配至冷却塔中的氟-氟换热器7，将气体状的载冷剂中的热量传递到第一载冷剂输配管道10中的液体状的载冷剂中，气体状的载冷剂冷凝为液体状的载冷剂，被第二氟泵9将承载的液体状的载冷剂输配至末端系统的空调中，从而实现了相变冷却塔与末端系统之间的制冷循环。

本实施例的数据中心的制冷系统实现制冷的过程为，通过相变冷却塔中的氟-氟换热器7实现了相变冷却塔的第一载冷剂输配管道10与管路系统的冷量交换。通过相变冷却塔中的相变冷凝器4实现了第一载冷剂输配管道10与外界空气的冷量交换。通过末端系统的空调实现了管路系统与数据中心室内空气的冷量交换。

在实际应用中，在干球温度较高时，可以开启相变冷却塔中的水泵12，由导水管路11从蓄水盘8中取水，并在水泵12的压力作用下，通过喷淋器3喷淋至相变冷凝器4的上表面，利用水的蒸发吸热给相变冷凝器4散热。

优选地，在极端高湿球温度天气时，还可以开启相变冷却塔中的气泵6，对第一载冷剂输配管道10中输配的气体状的载冷剂加压，以提高冷凝压力，继续获得液冷，降低气体状的载冷剂的冷凝时间，提高冷凝效果。

在本实施例的相变冷却塔中，通过氟-氟换热器7实现了冷却塔的载冷剂输配管道与末端系统的载冷剂输配管道的隔离，冷却塔与末端互不影响；缩短了传统相变冷却塔的载冷剂输配管道至末端系统的循环长度，减少了接口数量，降低了泄露风险；气泵6可以采用普通压缩机，无需采用技术不成熟的无油压缩机，避免了管道长度过长，回油困难的问题。

参考图2，其为本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统的部署示意图。如图2所示，所述制冷系统以采用3台相变冷却塔和3个末端系统，所述末端系统包括it及散热模块为例，每台相变冷塔对应一套管路及末端系统，组成3套独立的子制冷系统，分别进行制冷。系统简单，部署快速，成本较低。

参考图3，其为本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统的部署示意图。如图3所示，所述制冷系统以采用3台相变冷却塔和3个末端系统，所述末端系统包括it及散热模块为例，多台相变冷塔通过管路系统组成环网，对末端系统包括的一个或多个it及散热模块进行供冷。可靠性高，维护方便。实际应用当中，相变冷却塔的数量可以根据实际需求来设置，能够实现对模块系统进行制冷即可。

参考图4，其为本发明实施例所提供的数据中心的制冷系统的集装箱部署示意图。

优选地，所述冷源集装箱包括集装箱箱体，集成在所述箱体内的相变冷却塔，集成在所述箱体内的配电柜和/或控制柜，以及位于所述箱体外侧的接口单元。其中，所述接口单元包括载冷剂接口、供电接口、监控/通讯接口；所述冷却塔通过所述接口单元与所述管路系统相连接，所述配电柜和/或控制柜通过所述接口单元与供电、监控/通讯系统相连接。优选地，所述冷源集装箱也可以通过无线连接方式与其他设备之间进行信息交互。

所述it集装箱包括多个it及散热模块，以及位于所述箱体外侧的接口单元。其中，所述接口单元包括载冷剂接口、供电接口、监控/通讯接口；所述散热模块为空调，通过所述接口单元与所述管路系统相连接。

优选地，制冷系统可包括多个相变冷却塔，所述多个相变冷却塔可分别部署在对应个冷源集装箱中，也可部署在同一个冷源集装箱中；末端系统可包括多个it及散热模块，所述多个it及散热模块部署在对应个it集装箱中。

例如，如图2所示的制冷系统被部署在集装箱中，具体的，将多个相变冷却塔分别部署在对应个冷源集装箱中，将末端系统包括的多个it及散热模块分别部署在对应个it集装箱中。冷源集装箱与it集装箱一一对应，通过管路系统相连。

例如，如图3所示的制冷系统被部署在集装箱中，具体地，将多个相变冷却塔部署在冷源集装箱中，将管路系统部署在管路集装箱中，将末端系统包括的多个it及散热模块分别部署在对应个it集装箱中。

优选地，可基于标准集装箱的尺寸，确定所述相变冷却塔中风扇2、喷淋器3、相变冷凝器4、第一氟泵5、气泵6、氟-氟换热器7、蓄水盘8、第二氟泵9、第一载冷剂输配管道10、导水管路11、水泵12的部署位置和/或尺寸。

需要说明的是，当数据中心的散热需求发生变化时，可以在原有部署的基础上通过调整冷源集装箱的数量来适应散热需求的变化。当数据中心的it及业务的实际需求发生变化时，可以在原有部署的基础上通过调整it集装箱的数量来适应业务需求的变化。例如，对应图2，可以关闭/增加一组冷源集装箱及对应的it集装箱；对应图3，也可以关闭/启动冷源集装箱中的一台相变冷却塔及一个it集装箱。

由于将相变冷却塔、管路系统、末端系统部署在集装箱中，作为整体进行交付，能够实现与现场条件的匹配，有效避免设备尺寸与安装空间不匹配等淡妆问题，进而保证施工速度，可以很方便地在原有部署的基础上通过调整对应集装箱的数量来适应需求的变化。

图5为本发明的数据中心的制冷系统的制冷方法的流程图。本实施例的制冷方法为对上述图1-图4所示的制冷系统进行制冷的方法。如图5所示，本实施例的数据中心的制冷系统的制冷方法，实现了冷却塔与末端系统之间的制冷循环，具体可以包括如下步骤：

步骤s11、管路系统从冷却塔的氟-氟换热器7中获取液体状的第二载冷剂；

步骤s12、所述管路系统将承载的液体状的第二载冷剂输配至末端系统，以由所述液体状的第二载冷剂在末端系统吸收热量从液体变为气体，从而对数据中心的室内进行制冷；

步骤s13、所述管路系统将气体状的第二载冷剂输配至所述冷却塔中的氟-氟换热器7；

步骤s14、所述冷却塔中的氟-氟换热器7吸收所述第二载冷剂的热量，并将所述第二载冷剂再冷却为液体。

优选地，冷却塔内的制冷循环如下：

第一氟泵5将液体状的第一载冷剂从相变冷凝器4通过所述第一载冷剂输配管道10传输至所述氟-氟换热器7，吸收管路系统承载的第二载冷剂的热量，并将所述液体状的第一载冷剂转换为气体；

第一载冷剂输配管道10将气体状的第一载冷剂传输至相变冷凝器4；

相变冷凝器4之上的所述风扇2，对所述相变冷凝器4散热，使得所述相变冷凝器4上的热量传递至空气中，实现散热，并将气体状的第一载冷剂冷凝为液体。

本实施例的数据中心的制冷系统的制冷方法，实现制冷的原理与上述制冷系统实现制冷的原理相同，详细可以参考上述相关系统实施例的记载，在此不再赘述。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。