一种相变冷却塔及制冷方法与流程

本发明涉及数据中心的制冷技术领域，尤其涉及一种相变冷却塔及制冷方法。

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。

行业内在寻找如何最大限度的利用室外空气“免费冷源”的方法。当前，最为普遍和成熟的方案是，由设置在数据中心的室内的换热器与设置在数据中心的室外的相变换热冷却塔组成制冷系统，其中，设置在数据中心的室内的换热器与相变换热冷却塔通过载冷剂输配管道连接。由导水管路从蓄水盘中取水，在水泵的压力作用下，喷淋至相变冷却塔的换热器上表面，利用水蒸气的蒸发潜热给相变冷却塔的换热器散热。但是，由于喷淋水与空气先进行了换热，空气过早的接近饱和状态，当上升至相变冷却塔的换热器的时候，已经丧失了蒸发潜热能力了；同时，喷淋水喷淋后回落至蓄水盘，在水流路循环当中，不断吸收相变冷却塔的换热器中的热量，温度不断上升，造成冷却效果降低。

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及制冷方法，可以充分利用室外冷源；并且所述相变制冷塔采用模块化设计，加快了部署速度。

本发明实施例的一方面，提供一种相变冷却塔，所述冷却塔相变冷却单元和冷水单元；所述相变冷却单元由上至下依次包括第一风扇、第一喷淋器、第一换热器、第一蓄水盘、第一水泵、储液罐、液体泵；所述冷水单元由上至下依次包括第二风扇、第二喷淋器、第二换热器、第二蓄水盘、第二水泵；其中，

所述储液罐中预储备有用于制冷的载冷剂；所述液体泵用于将储液罐中的液体状的载冷剂压入载冷剂输配管道中；所述载冷剂输配管道将液体状的所述载冷剂传输至末端系统的换热器上，液体状的所述载冷剂在所述末端系统的换热器上吸收热量变为气体状的载冷剂，从而对所述末端系统所在的数据中心的室内进行制冷；所述载冷剂输配管道还用于将气体状的所述载冷剂传输至所述第一换热器中，由所述第一换热器对气体状的所述载冷剂散热，再冷凝为液体；并将冷凝后的液体状的所述载冷剂传输至所述储液罐中；

所述第一水泵将所述第二蓄水盘中的水通过所述第一喷淋器喷淋至所述第一换热器的上表面，在所述第一风扇的作用下使部分水发生蒸发而带走热量，未蒸发的部分水下落至所述第一蓄水盘；

所述第二水泵将所述第一蓄水盘中的水通过所述第二喷淋器喷淋至所述第二换热器，在所述第二风扇的作用下使部分水发生蒸发而带走热量，未蒸发的部分水下落至所述第二蓄水盘。

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，在所述相变冷却单元中的所述载冷剂输配管道中，设置有空气泵，用以提高气体状的所述载冷剂的冷凝压力。

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，所述液体泵采用真空充注技术将所述储液罐中的所述载冷剂压入所述载冷剂输配管道中。

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，所述相变冷却单元的进风口设置在第一换热器的侧下方，为第一换热器提供室外空气。

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，所述相变冷却塔部署在集装箱箱体中。

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，所述相变冷却单元和所述冷水单元部署在同一个集装箱箱体中，或，部署在不同的集装箱箱体中。

本发明实施例的另一方面，提供一种相变冷却塔的制冷方法，所述方法包括：

载冷剂输配管道从储液罐中获取液体状的载冷剂；

所述载冷剂输配管道将液体状的所述载冷剂传输至末端系统的换热器上，以由液体状的所述载冷剂在所述末端系统的换热器上吸收热量变为气体状的载冷剂，从而对所述末端系统所在的数据中心的室内进行制冷；

所述载冷剂输配管道将气体状的所述载冷剂传输至第一换热器中，由所述第一换热器对气体状的所述载冷剂散热，再冷凝为液体；并将冷凝后的液体状的所述载冷剂传输至所述储液罐中；

其中，所述第一换热器对气体状的所述载冷剂散热包括，第一水泵将第二蓄水盘中的水通过第一喷淋器喷淋至所述第一换热器的上表面，在所述第一风扇的作用下使所述第一换热器中的部分水发生蒸发而带走热量，未蒸发的部分水下落至第一蓄水盘。

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，第二水泵将所述第一蓄水盘中的水通过第二喷淋器喷淋至第二换热器，在第二风扇的作用下使所述第二换热器中的部分水发生蒸发而带走热量，未蒸发的部分水下落至所述第二蓄水盘。

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：相比现有冷却塔，可以使用室外的更干工况的空气和冷水单元提供的更冷的冷水，同步去冷却第一换热器内部的气体状的载冷剂，对室外空气温度的宽容度更高，相比现有冷却塔，其工作温度可提高4-5摄氏度。将冷却塔部署在集装箱中，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安装问题，进而保证施工速度。

【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相变冷却塔的结构图；

图2是本发明实施例所提供的冷却方法的流程图。

附图标记：

【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相变制冷塔冷却塔，请参考图1，其为本发明实施例所提供的相变冷却塔实施例的结构图，如图1所示，所述冷却塔包括左侧的相变冷却单元1和右侧的冷水单元2，所述相变冷却单元1用于使用室外空气和冷水单元2提供的冷水，同步去冷却换热盘管内部的制冷工质；所述冷水单元2用于向相变冷却单元1提供冷水。

所述相变冷却单元1由上至下依次包括：第一风扇3、第一喷淋器4、第一换热器5、第一蓄水盘6、第一水泵7、储液罐8、液体泵9。

储液罐8中预储备有用于制冷的载冷剂。液体泵9用于将储液罐8中的液体状的载冷剂压入载冷剂输配管道10中。

本实施例的载冷剂输配管道10可以包括液管段和气管段，其中，液管段的载冷剂输配管道10负责输配从储液罐8到末端系统的换热器的液体状的载冷剂，液体状的载冷剂在末端系统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；气管段的载冷剂输配管道10负责输配从末端系统的换热器到第一换热器5的气体状的载冷剂，由第一换热器5对气体状的载冷剂散热，再冷凝为液体，并且，第一换热器5将冷凝后的液体状的载冷剂传输至储液罐8中，然后液体泵9再将储液罐8中的载冷剂压入液管段的载冷剂输配管道10中，从而实现了制冷循环。

通过相变冷却塔中的第一换热器5实现了相变冷却塔与外界空气的冷量交换。通过末端系统的换热器实现了相变冷却塔与数据中心室内空气的冷量交换。

所述末端系统为设置于数据中心室内的换热器，例如设置在数据中心的室内的机柜的背板上的换热器，或设置在数据中心的室内的空调中的换热器。

进一步可选的，本实施例中，液体泵9利用真空充注技术将储液罐8中的载冷剂压入载冷剂输配管路中，从而可以实现低压差输配，工作压力大大降低，泄露风险及泄漏率也大大降低，可以实现全寿命周期内无需补充载冷剂。

进一步可选的，在载冷剂输配管路的之路上设置一空气泵10，用以提高冷凝压力。

本实施例的相变冷却单元1实现制冷的过程为：首先，液体泵9利用真空充注技术将储液罐8中的液体状的载冷剂压入液管段的载冷剂输配管道中，液管段的载冷剂输配管道将承载的液体状的载冷剂输配至末端系统的换热器上。液体状的载冷剂在末端系统的换热器上遇到高温送风的服务器，吸收热量变为气体状的载冷剂，从而对数据中心的室内进行降温、制冷。然后气管段的载冷剂输配管道将气体状的载冷剂输配至第一换热器5，第一换热器5在第一风扇3和第一喷淋器4的作用下，快速将气体状的载冷剂中的热量传递到空气中，并将冷凝后的液体状的载冷剂传输至储液罐8中。后续液体泵9可以再将储液罐8中的载冷剂压入液管段的载冷剂输配管道中，从而实现了制冷循环。

所述冷水单元2中由上至下依次包括第二风扇11、第二喷淋器12、第二换热器13、第二蓄水盘14、第二水泵15。

优选地，在所述冷水单元2的工作过程中，由第二水泵15从相变冷却单元的第一蓄水盘6中取水，并在第二水泵15的压力作用下，喷淋至第二换热器，所述第二换热器由填料组成，增大了空气与水的接触面积，室外空气在第二风扇11的作用下使第二换热器中的部分水发生蒸发而带走热量，降低了未蒸发的部分水的温度。未蒸发的部分水下落至第二蓄水盘14。通过冷水单元2的冷却，使第二蓄水盘14中的循环水的温度达到最低。以便在相变冷却单元1的工作过程中，提高制冷能力。

优选地，在所述相变冷却单元1的工作过程中，由第一水泵7从冷水单元2的第二蓄水盘14中取水，并在第一水泵7的压力作用下，喷淋至第一换热器5的上表面，室外空气在第一风扇3的作用下使第一换热器5上表面的部分水发生蒸发而带走热量。空气温度较低时，本身也可以和第一换热器5进行热交换而带走部分热量，从而使第一换热器5内部的气体状的载冷剂得到冷却。未蒸发的部分水下落至第一蓄水盘6。这其中的传热包括两个过程，首先是空气与循环水的直接热湿交换，然后是循环水蒸发过程中与载冷剂通过第一换热器5进行间接式热交换。

优选地，在极端高湿球温度天气时，还可以开启气体泵10，对载冷剂输配管道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。

优选地，所述冷却塔的进风口设置在相变冷却单元1的第一换热器5的侧下方，为第一换热器5提供室外空气。由于进风口与第一换热器5的距离较短，减少了室外空气与喷淋水的接触时长，减少了其提前被湿润的可能。

本发明实施例所提供的冷却塔，相比现有冷却塔，可以使用室外的更干工况的空气和冷水单元提供的更冷的冷水，同步去冷却第一换热器内部的气体状的载冷剂，对室外空气温度的宽容度更高，相比现有冷却塔，其工作温度可提高4-5摄氏度，意味着，额外可以增加几百，甚至几千小时的免费冷却时间。

优选地，所述相变冷却塔可以部署在冷源集装箱中，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；所述相变冷却塔通过所述接口单元与管路系统相连接，进一步与末端系统相连通，为末端系统所在的数据中心的室内提供制冷。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。

优选地，所述相变冷却单元1与冷水单元2可以分别部署在不同的冷源集装相中，并通过导水管相连通，所述冷水单元2通过第二水泵15从相变冷却单元1的第一蓄水盘6中取水，所述相变冷却单元1通过第一水泵7从冷水单元2的第二蓄水盘14中取水，实现了相变冷却单元和冷水单元之间的水循环。

所述末端系统可部署在it集装箱中，例如，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，通过所述管路系统与相变冷却塔相连接。

优选地，制冷系统可包括多个冷却塔，所述多个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。

具体地，将多个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。

具体地，将多个冷却塔部署在一个冷源集装箱中，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，确定所述冷却塔中相变冷却单元1和冷水单元2中组件的部署位置和/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，对于将多个冷却塔分别部署在对应个冷源集装箱中的模式，可以关闭/增加一组冷源集装箱；对于将多个冷却塔部署在一个冷源集装箱中的模式，可以关闭/启动冷源集装箱中的一台冷却塔。

由于将冷却塔部署在集装箱中，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安装问题，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2为本发明的相变制冷塔的制冷方法的流程图。本实施例的制冷方法为上述图1所示的相变制冷塔进行制冷的方法。如图2所示，本实施例的相变制冷塔的制冷方法，具体可以包括如下步骤：

步骤s11、载冷剂输配管道从储液罐中获取液体状的载冷剂；

步骤s12、所述载冷剂输配管道将液体状的所述载冷剂传输至末端系统的换热器上，以由液体状的所述载冷剂在所述末端系统的换热器上吸收热量变为气体状的载冷剂，从而对所述末端系统所在的数据中心的室内进行制冷；

步骤s13、所述载冷剂输配管道将气体状的所述载冷剂传输至第一换热器中，由所述第一换热器对气体状的所述载冷剂散热，再冷凝为液体；并将冷凝后的液体状的所述载冷剂传输至所述储液罐中；

其中，所述第一换热器对气体状的所述载冷剂散热包括，第一水泵将第二蓄水盘中的水通过第一喷淋器喷淋至所述第一换热器的上表面，在所述第一风扇的作用下使所述第一换热器中的部分水发生蒸发而带走热量，未蒸发的部分水下落至第一蓄水盘；

优选地，所述第二蓄水盘中的水是通过以下步骤得到的：

第二水泵将所述第一蓄水盘中的水通过第二喷淋器喷淋至第二换热器，在第二风扇的作用下使所述第二换热器中的部分水发生蒸发而带走热量，未蒸发的部分水下落至所述第二蓄水盘。

本实施例的相变冷却塔的制冷方法，实现制冷的原理与上述相变制冷塔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。

本发明实施例所提供的冷却方法，相比现有冷却方法，可以使用室外的更干工况的空气和冷水单元提供的更冷的冷水，同步去冷却第一换热器内部的气体状的载冷剂，对室外空气温度的宽容度更高，相比现有冷却方法，其工作温度可提高4-5摄氏度，意味着，额外可以增加几百，甚至几千小时的免费冷却时间。

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。