具有带有逆流回路的微通道盘管的冷却系统和方法与流程

1.公开领域

本公开通常涉及用在数据中心环境中的冷却系统，且更具体地，本公开涉及具有热交换器的冷却系统，该热交换器具有配置有逆流回路的微通道盘管。

2.对相关技术的讨论

用于容纳电子设备(比如，数据处理设备、联网设备及电信设备)的设备机柜或机架的应用已有多年的历史。这样的机架用来将设备容纳和布置在大的数据中心，以及小的布线柜和设备房间中。在某些实施方式中，设备机架可以是开放的构型并可以被安置在机架外壳内，尽管当指机架时可以包括外壳。标准机架通常包括前部安装导轨，诸如服务器、CPU和电信设备的电子设备的多个单元在机架内安装并竖直地堆叠在该导轨上。随着互联网的发展，数据中心包含数以百计的这些机架不是罕见的。此外，随着计算机设备的不断减小的尺寸，并且特别地，随着计算机服务器和叶片的不断减小的尺寸，安装在每个机架中的电气设备的数量一直在增加，引发了对充分冷却设备的关注。

由机架安装的设备产生的热量可以对设备组件的性能、可靠性和使用寿命产生不利影响。具体地，容纳在外壳内的机架安装的设备可能容易受到运行期间在外壳范围内产生的热积聚和热点的伤害。由设备的机架产生的热量依赖于由机架中的设备在运行期间汲取的电力的量。此外，电子设备的用户可以随着机架安装的组件的需求的变化和新需求的发展而添加，删除以及重新排列机架安装的组件。

在某些构型中，数据中心已经通过围绕数据中心房间的外围定位的计算机房间空调(“CRAC”)单元来冷却。这样的冷却单元可以配置为吸入来自于该单元的前部的空气并朝着数据中心机房的天花板朝上输出较冷的空气。在其它的实施方案中，该冷却单元从数据中心机房的天花板附近吸入空气，并且在架空地板下方排出更冷的空气，进而将空气递送到设备机架的前部。一般情况下，这样的冷却单元吸入室温空气(从约72华氏摄氏度至95华氏摄氏度)并排出冷空气(从约75华氏摄氏度至55华氏摄氏度)，排出的冷空气吹入数据中心机房中并在设备机架处或设备机架附近与室温空气混合。通过周边的单元，该热和/或冷的通道容器被用于避免热空气和冷空气在数据中心以这样的方式进行混合以增加空气温度的回归(至CRAC)并减少混合损失。机架安装的设备通常是通过如下方式来对自身进行冷却：沿着机架的前侧或空气入口侧抽吸空气、抽吸空气通过其部件并且随后从机架的后侧或者排气口侧排出空气。

一个示例性冷却单元由盒形外壳构成，该盒形外壳在顶部是开启的以接收一定的空气流量且在底部是开启的以将空气流递送至服务器。当使用直接扩展单元时，该外壳通常支撑热交换盘管以冷却进入该冷却单元的空气，支撑风机以移动该空气流，且支撑一个(或多个)压缩机。运行该冷却单元所需的其它设备，例如用于连接热交换盘管的管道、收集冷凝液的盘和其它部件，被支撑在该外壳内。

典型的冷却系统可以包括室内冷却单元和室外单元，该两者都装备有热交换器。通过室内单元，该热负载通过蒸发器或通过冷却水盘管(例如，空气-水或空气-制冷剂热交换器)从空气被吸收，并转移至冷凝器或干式冷却器(例如，制冷剂-空气或水-空气热交换器)中的外部环境。该热交换器可以包括示出在图1A与1B中的微通道盘管。通过现有的微通道盘管技术，流体路径通常是穿过该微通道的单向路径。参考图2A与2B，该构型包括作为歧管的左圆柱体和右圆柱体，具有在歧管之间延伸的微通道盘管，该微通道盘管能够使流体仅在一个方向上流动。

本公开的概述

本公开的一个方面涉及包括定位成联接至流体源的热交换器盘管的冷却单元。在一个实施方案中，热交换器包括配置成面向被抽吸穿过热交换器的空气的至少一个盘管。该至少一个盘管具有第一管道、从第一管道间隔开的第二管道以及置于第一管道与第二管道之间并与第一管道与第二管道流体连通的多个微通道。第一管道、第二管道以及多个微通道中的每个配置成使在内部流体与外部流体之间的逆流配置(countercurrent configuration)成为可能。

该冷却单元的实施方案还可以包括使第一管道和第二管道中的至少一个配置有圆柱形壁，该圆柱形壁具有定位在圆柱形壁内的内分叉壁，以产生形成回路的第一部分的第一流体通路和形成回路的第二部分的第二流体通路。多个微通道中的每个微通道可以包括外壁，该外壁具有定位在外壁内的多个内壁以产生形成回路的第一部分的第一流体通路和形成回路的第二部分的第二流体通路。第一管道和第二管道中的至少一个，以及多个微通道各自可以配置有外壁，该外壁具有定位在圆柱形壁内的内分叉壁，以产生形成回路的第一部分的第一流体通路和形成回路的第二部分的第二流体通路。流体可以穿过第一管道的进口侧进入第一管道，且可以穿过微通道的第一部分流动至第二管道。流体可以穿过微通道的第二部分流动返回至第一管道的出口侧。

本公开的另一个方面涉及包括定位成联接至流体源的热交换器的冷却单元。在一个实施方案中，热交换器包括盘管，该盘管具有在第一方向上转移流体的回路的第一部分和在与第一方向相反的第二方向上转移流体的回路的第二部分。

冷却单元的实施方案还可以包括使热交换器的盘管配置有进口管道、转移管道以及在进口管道和转移管道之间延伸的微通道。进口管道可以包括外圆柱形壁和定位在该圆柱形壁内的中间纵向壁以界定进口管道的进口侧和进口管道的出口侧。流体可以穿过进口管道的进口侧进入进口管道，且可以穿过微通道的第一部分流动至转移管道。流体可以穿过微通道的第二部分流动返回至进口管道以到达进口管道的出口侧。从进口管道的进口侧穿过微通道的第一部分流动至转移管道的流体可以界定回路的第一部分，且从转移管道穿过微通道的第二部分流动至进口管道的出口侧的流体可以界定回路的第二部分。微通道的第一部分可以包括数个内部壁以界定多个进口通道，且微通道的第二部分可以包括数个内部壁以界定多个出口通道。每个微通道还可以包括数个散热片，该数个散热片吸收来自流向热交换器的盘管的暖空气的热，从而蒸发或冷凝流动穿过微通道的液体流体。

本公开的还有的另一个方面涉及冷却方法，包括：将冷却单元定位在数据中心中；将相对暖的空气抽吸至冷却单元中；使暖空气移动经过冷却单元的并联接至流体源的热交换器；和引导在热交换器的微通道盘管内的流体穿过回路的第一部分以在第一方向上转移流体并穿过回路的第二部分以在与第一方向相反的第二方向上转移流体。

该方法的实施方案还可以包括移动流体穿过进口管道的进口侧并穿过数个微通道的第一部分进入至转移管道。该方法还可以包括使流体从转移管道移动穿过数个微通道的第二部分返回至进口管道的出口侧。从进口管道的进口侧穿过数个微通道的第一部分流动至转移管道的流体可以界定回路的第一部分，且从转移管道穿过数个微通道的第二部分流动至进口管道的出口侧的流体可以界定回路的第二部分。数个微通道的第一部分可以包括数个内部壁以界定多个进口通道，且数个微通道的第二部分可以包括数个内部壁以界定多个出口通道。每个微通道还可以包括数个散热片，该数个散热片吸收来自流向微通道盘管的暖空气的热，从而蒸发或冷凝流动穿过数个微通道的流体。该微通道盘管可以包括进口管道、转移管道以及在该进口管道和该转移管道之间延伸的数个微通道。

附图简述

在附图中，用相似的数字来表示在各图中示出的每个相同的或几乎相同的组件。为了清楚起见，并不是每一个组件可以被标记在每个附图中。为了更好地理解本公开，在此参照以参照方式并入本文的附图，其中：

图1A是在现有技术实施方案的冷却单元的外壳内的冷凝器和蒸发器热交换器的示意图；

图1B是示出在图1中的蒸发器盘管的一部分的放大的示意性透视图，示出了现有技术的微通道盘管；

图2A是另一个现有技术实施方案的热交换器的一部分的放大的透视图，示出了与微通道流体配置的歧管；

图2B是示出在图2A中的热交换器的示意图，示出了流动穿过盘管的流体；

图3A是并行流动系统的示意性表示和示出该并行流动系统内的流体流动的温度分布的曲线图；

图3B是逆流流动系统的示意性表示和示出该逆流流动系统内的流体流动的温度分布的曲线图；

图4是具有本公开的实施方案的逆流回路的热交换器的一部分的示意图；

图5是具有逆流回路的热交换器的另一个部分的示意图，示出了在热交换器内的流体流动和热交换器之上的空气流；

图6是具有本公开的另一个实施方案的逆流回路的热交换器的一部分的示意图；

图7是示出本公开的实施方案的热交换器的蒸汽压缩循环的曲线图；

图8是具有本公开的另一个实施方案的逆流回路的热交换器的一部分的示意图；

图9是具有本公开的另一个实施方案的逆流回路的热交换器的一部分的示意图；和

图10是具有本公开的另一个实施方案的逆流回路的热交换器的一部分的示意图。

优选实施方案的详细描述

仅为了说明的目的，且不是限制一般性，现在将参考附图详细地描述本公开。本公开在其应用上不限于在其对在下面的说明中阐述或在附图中所示的组件的构造和布置的细节。本公开可以有其他实施方式并且能够以各种不同的方式进行实践或实施。另外，本文所用的措辞和术语也是出于说明的目的，不应视为具有限制性。本文使用的“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”、“含有(containing)”、“涉及(involving)”和其变体意在涵盖其后所列项和其等价物以及附加项。

数据中心通常是很大的房间，在某些例子中，其被设计成安放在数据中心内成排布置的成百上千的电子设备机架。设备机架的排可以以这样的方式安排，使得存在冷通道和热通道。冷通道提供对外壳的前部处的进入，在该前部，通常可接近电子设备。热通道提供对设备机架的后部的进入。当需求改变时，设备机架的数目可以增加或减少，取决于数据中心的功能要求。本公开的实施方案的冷却单元包括在冷却单元的热交换器的微通道盘管内的逆流配置以提高效率。

在一种实施方式中，每个冷却单元具有壳体，该壳体被配置为支撑壳体内的冷却系统的部件。例如，冷却单元的部件可以包括体现为蒸发器的热交换器，该热交换器被联接至可以被称为流体的液态制冷剂(例如，R-410A或R-134a制冷剂)源。蒸发器连接到该源，使得液态制冷剂(或局部汽化的制冷剂)被递送至蒸发器并且使得汽化的制冷剂返回至该源(如在蒸汽压缩循环中)。有时称为“风机盘管”的其它单元包括热交换器，该热交换器体现为由外部冷冻器、干式冷却器或冷却塔提供的冷却水或乙二醇混合物供应的冷却水盘管。冷却单元还可包括一个或多个风机模块以移动空气穿过热交换器。冷却单元可被布置在一排设备机架中，并且配置成从热通道抽入数据中心内的热空气，例如，以将该空气冷却至略低于环境温度。这种配置消除了将热空气同室温空气混合以得到暖的混合物的低效率。

本公开的实施方案的冷却系统能够根据需要使用一个或多个冷却单元来提供数据中心内的局部冷却。特别地，多个冷却单元可以放置在数据中心内的任何地方，包括散布在一排设备机架中以更有效地冷却数据中心。由电子设备产生的暖空气的循环路径大大减少，因此几乎消除了热空气和冷空气在数据中心内的混合。

在某些实施方案中，冷却单元可以是标准尺寸的十九英寸设备机架的宽度的一半，例如，宽度为十二英寸，并且冷却单元可以是模块化的，使得冷却单元可以被插入至一排设备机架中。冷却系统的模块化性质允许用户优化每个冷却单元的位置。因此，冷却系统可以为了最大的效率和在数据中心内的使用而被采用和重新布置。

在一个实施方案中，冷却单元的热交换器可以体现为微通道盘管，该微通道盘管是具有一对较大的管道或歧管的阶梯型结构。该管道通过在较大的管道之间延伸的较小的微通道被彼此间隔开。在一个示例中，安排是这样的，即液态(或局部汽化的)制冷剂通过在一端连接至进口且另一端连接至液态制冷剂源(例如，冷凝单元)的供应管路进入热交换器。一旦处于冷却单元的热交换器内，液态制冷剂就进入并流动穿过微通道。微通道的外部具有吸收来自于流向冷却单元的暖空气的热的散热片，从而蒸发流动穿过微通道的液态制冷剂。汽化的制冷剂被排出到在一端连接至出口且另一端连接至液态制冷剂源或压缩机吸入部的返回管路中。

微通道盘管的实施方案包括将进口管道和转移管道以及微通道盘管配置成具有在第一方向上转移液态制冷剂的第一通路和在与第一方向相反的第二方向上转移液态制冷剂的第二通路。使液流在热交换器中穿过的益处可以通过下面的考虑解释。流动系统中的热转移由液流之间的温差驱动。该概念从双管道热交换器开始可以被容易地解释。图3A示出并行流动系统内的流体流动的温度分布的示意性表示和曲线图。图3B示出逆流流动系统内的流体流动的温度分布的示意性表示和曲线图。在双管道热交换器的每个节段(z)中，热转移正比于该管道和环形流体之间的温差。该热转移由下面的公式表示。

q＝U*A*(t’–t”) (1)

其中：

q＝交换的热，

U＝热转移系数，

A＝交换面积，

t’＝管道流体温度，以及

t”＝环形流体温度。

通过从热交换器的开始至结束进行积算(integrate)，总的热交换产生-

Q＝U*Ar*LMTD (2)

其中：

U＝热转移系数，

Ar＝交换器的总面积，和

LMTD(对数平均温度差)＝在交换器的每个端部处的热液流和冷液流之间的温度差的对数平均(在恒定的流速和流体热性质下)。

LMTD越大，转移的热越多。对数平均温度差由下面的公式定义-

$LMTD=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_A-{\mathrm{\ΔT}}_B}{in({\mathrm{\ΔT}}_A/{\mathrm{\ΔT}}_B)}---\left(3\right)$

其中：

ΔT_A＝在交换器的一侧处的流体温差，和

ΔT_B＝在交换器的相对侧处的流体温差。

在相同的进口温度，逆流LMTD值总是比并行LMTD值大。逆流LMTD值仅在处于恒定温度的流体演变中的一个(T_in＝T_out)的情况下等于并行LMTD值。

通过本公开的实施方案的微通道盘管热交换器(其中，流动配置不能被同化为理想的逆流配置或并行配置)，热转移可以通过下面的公式计算-

Q＝U*Ar*DT (4)

其中：

DT＝流体之间的平均有效温度差。

DT由下面的公式定义-

DT＝F_t*LMTD_cc (5)

其中：

LMTD_cc＝在逆流流动配置中的对数平均温度差，和

Ft因子(<1)＝考虑的交换器配置距理想的逆流配置的距离。

固定了热转移系数和交换面积，改善交换的热的一种途径是增加LMDT值。改善LMDT值的途径是移动至理想的逆流流动布置。

移动至逆流流动布置在本文中参考下面的附图描述。

参考图4，通常表示为10的例如蒸发器的盘管的一部分包括本公开的实施方案的逆流配置。如所示的，盘管10包括进口管道或歧管12、转移管道或歧管14以及在进口管道和转移管道之间延伸的微通道16。在一个实施方案中，进口管道12包括外部圆柱形壁18和定位在该圆柱形壁内的中间纵向壁或隔膜20。中间壁20对进口管道12进行分叉，使得进口管道的一半界定进口管道的进口侧22且进口管道的另一半界定进口管道的出口侧24，并例如通过压缩机进口，返回至流体源。

该布置使得流体穿过进口管道的进口侧22进入进口管道12，且穿过微通道16的一部分行进至转移管道14。一旦在转移管道14中，流体行进穿过微通道盘管16的另一部分返回至进口管道12进入进口管道的出口侧24。在该实施方案中，从进口管道12的进口侧22穿过微通道16的一部分行进至转移管道14的流体可以被认为是第一通路26。类似地，从转移管道14穿过微通道16的另一部分行进至进口管道12的出口侧24的流体可以被认为是第二通路28。因此，第一通路26用于在第一方向上转移流体。第二通路28同于在与第一方向相反的第二方向上转移流体。

参考图5，具有逆流配置的盘管10的另一部分阐示在盘管内的流体流动和在盘管之上的气流。如示出的，每个微通道16包括数个内部壁以界定穿过微通道的五个进口通道(每个进口通道由30表示)和五个出口通道(每个出口通道由32表示)。每个微通道16还包括数个散热片(每个散热片由34表示)，该数个散热片吸收来自流向盘管10的暖空气的热，从而蒸发流动穿过微通道的流体。因此，在一个实施方案中，流体从进口管道12的进口侧22穿过微通道的五个进口通道30进入每个微通道16，并从转移管道14穿过微通道的五个出口通道32离开微通道。因此，通过进口管道12内的中间壁20，在微通道16内具有双或两个方向的流动是可能的，从而界定第一通路26和第二通路28。

参考图6，通过配置壁的数量和位置，在每个单一的通道中增加流路的数量是可能的。如所示的，通常表示为40的另一个盘管的一部分在每个单一的微通道中包括四个通路。如所示的，盘管40包括进口管道42、转移管道44以及在进口管道和转移管道之间延伸的微通道46。进口管道42包括外部圆柱形壁48和定位在该圆柱形壁内的两个内壁(每个内壁表示为50)。中间壁50分离进口管道42，使得进口管道42被划分为三个流体通道，包括设置在进口管道的一侧上的进口通道52、设置在进口管道的另一侧上的出口通道54以及设置在进口通道和出口通道之间的中间通道56。

转移管道44包括外部圆柱形壁58和定位在该圆柱形壁内的中间纵向壁或隔膜60。中间壁60对转移管道44进行分叉，使得转移管道的一半界定转移管道的第一转移侧62且转移管道的另一半界定转移管道的第二转移侧64。

该布置使得流体穿过进口管道的进口通道52进入进口管道42，且穿过微通道46的一部分行进至转移管道44的第一转移侧62。一旦处于转移管道44的第一转移侧62中，流体行进穿过微通道46的另一部分返回至进口管道42的中间通道56，且穿过微通道46的另一部分返回至转移管道44的第二转移侧64。一旦处于转移管道44的第二转移侧64中，流体行进穿过微通道46的另一部分返回至进口管道42的出口通道54，并返回至例如压缩机吸入部的流体源。

在该实施方案中，从进口管道42的进口通道52穿过微通道46的一部分行进至转移管道44并穿过微通道的其它部分返回至进口管道的中间通道56的流体可以被认为是第一通路66。如示出的，第一通路66具有界定分离的相反的流动方向的两个支路。类似地，从进口管道42的中间通道56穿过微通道46的其它部分行进至转移管道44并穿过微通道的其它部分返回至进口管道的出口通道54的流体可以被认为是第二通路68。在该实施方案中，由于更长的回路，在第一通路66和第二通路68中的流体压降的上升可以通过微通道46的不同的横截面面积和长度被减少。

参考图7，当在冷凝器(根据蒸汽压缩循环的在制冷剂回路中的高压热交换器)中使用具有本公开的实施方案的逆流通路的微通道时，在热交换器的进口处的流体是来自压缩机的过热的蒸汽(点2)。当该过热的蒸汽穿越冷凝器(从点2至点3)时，蒸汽流体被去过热，下降至钟形的右侧上的饱和条件(点2')。下一步，冷凝相位发生直到钟形的另一侧(饱和的流体，点3')，且回路的最后节段被用于次冷却(sub-cool)该流体直到点3。

参考图8，通常表示为80的冷凝器盘管的一部分包括本公开的实施方案的逆流通路。如所示的，冷凝器盘管80包括进口管道82、转移管道84以及一起表示为86在进口管道和转移管道之间延伸的多个微通道。如所示的，冷凝器盘管80在构造上类似于盘管10。在转移管道94中，由于重力，一小部分流体可能淹没盘管80的下部部分，从而减小热转移并导致液体和油的停滞。事实上，在穿过盘管80的第一流路后，转移管道84内的制冷剂处于冷凝相位(在图7的钟形内在点1与点2之间)，其中，存在两个相位(液态和蒸气)的组合。

两个不同的概念可以被应用以解决该问题。参考图9，第一途径是分离在转移管道84上的每个单一的回路以避免在第一流路后制冷剂在微通道86之间混合。参考图10，第二途径是将冷凝器盘管80的下部部分供应给流体。来自转移管道84的上部部分的流体在微通道86的下部部分中的指定的“单通路”微通道(次冷却节段)中被次冷却。需要具有校正孔的分离板88以平衡在上部冷凝节段上的第二流路的压降和在下部次冷却节段上的压降。在冷凝器盘管80的冷凝节段的第一流路之后分离液体改善第二流路中的冷凝相位以及主要由于指定节段的次冷却能力。

在一些实施方案中，热交换器还可以包括进口集管，该进口集管具有设置在热交换器的一侧上的进口。进口集管可以起歧管的作用来混合流体并将流体普遍地分配至设置在热交换器上的微通道中。当制冷剂行进穿过热交换器时，流体变成饱和的气体，且然后在其到达设置在热交换器的另一侧处的出口集管时变成过热气体。出口集管包括出口，该出口连接至返回管路以使过热气体返回至压缩机吸入部。

在该实施方案中，当流体向上行进穿过热交换器朝向出口集管时，进入热交换器的左侧的流体逐渐被加热。蒸发的两相流体行进至热交换器的另一侧，且当流体行进靠近出口集管时被极好地加热。因此，被每个风机行进穿过热交换器的空气的最终温度在冷却单元的整个宽度上是大体一致的。

在某些实施方案中，可以使用控制器来控制冷却系统的运行，并且特别地，在某些实施方案中，控制冷却单元的运行。在一种实施方式中，控制器可以是冷却系统的专用单元。在另一种实施方案中，控制器可以作为集成的数据中心控制和监测系统的一部分来提供。在还有的另一种实施方案中，每个冷却单元可由设置在冷却单元中的控制器独立地可操作，该控制器与其它的冷却单元的控制器通信。不管特定的配置如何，控制器还被设计成控制冷却单元在数据中心内的独立运行。

例如，控制器可被配置为识别特定的冷却单元冷却空气的失效或无力，并增加靠近失效的冷却单元定位的一个冷却单元或多个冷却单元的冷却能力。在另一种实施方式中，一个冷却单元可作为主要的或主单元来运行并且其它的冷却单元作为在主要的单元的控制下运行的从属单元来运行。在这种实施方式中，主要的冷却单元可被数据中心操作者操纵来控制整个冷却系统。例如，控制器可被配置为接收来自于设备机架的信息以便确定由每个设备机架抽取的功率量。有了该知识，控制器可被配置为基于被设备机架抽取的能量来增加冷却系统内的某些冷却单元的冷却能力。

在一个实施方案中，控制器可以仅仅体现为设置在冷却单元内的在控制器区域网络(CAN)总线上彼此通信的控制器单元。在其它的实施方案中，主控制器可以设置成控制控制器单元的运行。环境条件的改变，比如数据中心的温度，引起输入(包括流入和流出冷却单元的流体的温度)的改变。

本公开的实施方案涉及将热交换器配置成产生逆流。此外，当与传统的管散热片盘管相比时，本公开的实施方案的微通道热交换器以紧凑的尺寸实现高的热转移效率。微通道热交换器的优点能够在限制的空间内具有相对大的冷却能力。

由于高的总热转移系数，相比于传统的管散热片盘管，该微通道热交换器能够被制成具有更少的行和更低的散热片密度。横跨热交换器的气流静压差被显著地降低。风机单元能够实现大的气流量和小的静压提升。

风机单元可以被设计成最小化外部风机噪音，并减轻至天花板的气流排放强度。该风机单元可以布置成二乘三列，这优化了风机单元的数量和热交换器的盘管表面上的气流一致性之间的平衡。

因此，已经描述本公开的至少一个实施方案，各种选项、修改以及改进对于本领域的技术人员将是容易想到的。这样的选项、修改以及改进旨在处于本公开的范围和精神内。因此，前述说明仅通过示例给出，并不旨在进行限制。本公开的限制仅在所附的权利要求和其等效形式中限定。