用于冷却机柜的冷却装置和方法与流程

本发明涉及冷却技术，尤其涉及一种用于冷却装有电子设备的机柜的冷却装置和一种用于冷却装有电子设备的机柜的方法。

背景技术：

1、包括冷却回路的冷却装置通常用于供暖、通风和空调设备(air conditioningdevice，hvac)等，以降低诸如服务器等电子设备之类的机柜外壳内的温度。

2、为了对装有电子设备的机柜的内部空气进行节能冷却，可以使用集成热对流循环和空调(integrated loop thermosiphon and air conditioner，i-lts-ac)冷却装置，该装置有两种可能的运行模式：一种是空调模式(ac模式)，即通过压缩机的运行，按照蒸汽压缩制冷循环实现制冷剂的强制循环；另一种是热对流循环模式(lts模式)，即在重力作用下实现制冷剂的自然循环。与lts模式相比，ac模式具有更大的制冷量，因此适用于环境温度高和机柜内部的发热量大的时期。同时，ac模式在驱动压缩机时消耗更多能量。lts模式通常只会消耗风扇的能量。但与ac模式相比，lts模式的制冷量较低，因此只适用于环境温度低和机柜内部的发热量小的时期。因此，当机柜内的发热量增加或环境温度升高导致lts模式无法满足机柜冷却要求时，通常会运行ac模式。

3、为了节能，在ac模式下调节压缩率，压缩率通常与压缩机的转速相对应。通常情况下，压缩机的最大转速r_max与最大发热量和最高环境温度的条件相对应，由于制冷剂的最大流速和压缩机出口上的最大压力，因此能耗也最大。当环境温度和/或机柜中的发热量降低时，可以选择较小的压缩机转速，制冷剂流速降低和压缩机出口上的压力降低，能耗也随之降低。通过这样调节压缩机的转速，可以以尽可能小的能耗运行lts模式。然而，由于各种技术限制，压缩机的最小转速r_min不能等于零(通常r_min/r_max的比率在40％至60％的范围内)。这表示，如果环境温度或热功率大幅降低，则压缩机的转速不能降至r_min以下。因此，如果压缩机在ac模式下已经以最小值r_min运行，但lts模式的冷却性能仍然不足以维持机柜内部的预期空气温度，则ac模式必须以恒定的最小转速r_min运行。压缩机的性能过高导致机柜内部的温度明显降低到所需水平以下。因此，蒸发器内部的压力会降低，这表示压缩机的入口和出口之间的压力差也会增加，从而导致能耗增加，能源利用效率降低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于冷却机柜的改进型集成热对流循环和空调冷却装置和方法。

2、上述和其他目的通过独立权利要求的主题来实现。其他实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

3、通常，本文中公开的实施例解决了以集成热对流循环和空调冷却装置的压缩机的恒定最小转速运行该冷却装置的ac模式时的高成本和温度波动的双重挑战。

4、更具体地，根据第一方面，提供了一种通过沿冷却回路循环制冷剂来冷却机柜的冷却装置。

5、所述冷却装置包括配置为冷凝所述制冷剂的冷凝器和配置为蒸发所述制冷剂的蒸发器。可以理解的是，在所述冷却回路的不同位置上，所述制冷剂可以是制冷剂液体和/或制冷剂蒸汽。所述冷凝器通过包括膨胀阀的第一管线连接到所述蒸发器，所述膨胀阀配置为通过包括旁通阀的旁通管线以可调第一流速在所述第一管线中调节所述制冷剂在所述冷凝器和所述蒸发器之间的流动，所述旁通阀配置为通过包括压缩机的压缩管线以可调旁通流速在所述旁通管线中调节所述制冷剂在所述冷凝器和所述蒸发器之间的流动，所述压缩机配置为以所述压缩机的可调压缩率压缩从所述蒸发器流向所述冷凝器的蒸汽制冷剂。所述可调压缩率可以由所述压缩机的可调转速限定。

6、所述冷却装置还包括控制单元，所述控制单元配置为在热对流循环(loopthermosiphon，lts)模式、转换空调(air conditioner，ac)模式和主ac模式下操作所述冷却装置。在所述转换ac模式下，所述控制单元配置为调节所述可调第一流速和所述可调旁通流速，并且在所述可调压缩率恒定的情况下操作所述压缩机。通过调节所述可调第一流速和所述可调旁通流速，并且在所述可调压缩率恒定的情况下操作所述压缩机，制冷剂根据蒸汽压缩制冷循环在所述蒸发器和所述冷凝器之间循环，蒸汽制冷剂通过所述旁通阀旁通。

7、通过根据第一方面所述的冷却装置，可以实现制冷量的调节，而不需要提供额外的阀，因此也不需要额外的成本，因为已经存在的阀可用于在转换ac模式下实现蒸汽旁通，在lts模式下实现蒸汽或液体传输，在主ac模式下避免蒸汽旁通。

8、在一种可能的实现方式中，在所述转换ac模式下，所述控制单元配置为根据目标参数调节所述可调第一流速和所述可调旁通流速，所述目标参数是所述冷却回路内的制冷剂的压力、所述机柜内的温度和/或所述冷却装置的外壳内的温度。

9、在另一种可能的实现方式中，所述压缩机的所述压缩率是所述压缩机的最小压缩率。

10、在又一种可能的实现方式中，所述压缩机的所述压缩率由所述压缩机的转速限定。

11、在又一种可能的实现方式中，在所述lts模式下，所述控制单元配置为打开所述膨胀阀和所述旁通阀，并且停用所述压缩机。通过完全打开所述膨胀阀和所述旁通阀并且停用所述压缩机，所述制冷剂由于重力在所述蒸发器和所述冷凝器之间循环。

12、在又一种可能的实现方式中，在所述lts模式下，所述制冷剂蒸汽通过所述旁通管线从所述蒸发器流向所述冷凝器，所述制冷剂液体通过所述第一管线从所述冷凝器流向所述蒸发器。

13、在又一种可能的实现方式中，在所述lts模式下，所述制冷剂蒸汽通过所述第一管线从所述蒸发器流向所述冷凝器，所述制冷剂液体通过所述旁通管线从所述冷凝器流向所述蒸发器。

14、在又一种可能的实现方式中，在所述主ac模式下，所述控制单元配置为调节所述膨胀阀并完全关闭所述旁通阀，并且以可调压缩率操作所述压缩机。通过调节所述膨胀阀，完全关闭所述旁通阀并且以可调压缩率(例如，可调转速)操作所述压缩机，制冷剂根据蒸汽压缩制冷循环在所述蒸发器和所述冷凝器之间循环，而蒸汽制冷剂不通过所述旁通阀旁通。

15、在又一种可能的实现方式中，所述冷却装置包括将所述冷凝器连接到所述蒸发器的第二管线，所述第二管线包括第二阀。所述第二阀可以配置为以第二可调节流速在所述第二管线中调节制冷剂流动。

16、在又一种可能的实现方式中，在所述lts模式下，所述控制单元配置为打开所述第二阀和所述旁通阀，并且停用所述压缩机。通过完全打开所述第二阀和所述旁通阀并且停用所述压缩机，所述制冷剂由于重力在所述蒸发器和所述冷凝器之间循环。

17、在又一种可能的实现方式中，在所述lts模式下，所述制冷剂蒸汽通过所述旁通管线从所述蒸发器流向所述冷凝器，所述制冷剂液体通过所述第二管线从所述冷凝器流向所述蒸发器。

18、在又一种可能的实现方式中，在所述lts模式下，所述制冷剂蒸汽通过所述第二管线从所述蒸发器流向所述冷凝器，所述制冷剂液体通过所述旁通管线从所述冷凝器流向所述蒸发器。

19、在又一种可能的实现方式中，在所述主ac模式和所述转换ac模式下，所述控制单元配置为关闭所述第二阀。

20、在又一种可能的实现方式中，所述冷却装置还包括至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器配置为感测所述机柜内的温度和/或所述冷却装置的外壳内的温度中的至少一个。

21、在又一种可能的实现方式中，所述冷却装置还包括至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器配置为感测所述冷却回路内的所述制冷剂的至少一个压力。

22、在又一种可能的实现方式中，所述旁通阀是多路阀。

23、在又一种可能的实现方式中，所述第二阀是膨胀阀和/或多路阀。

24、在又一种可能的实现方式中，所述冷却装置包括第一风扇，所述第一风扇配置为向所述冷凝器供应空气，所述控制单元配置为调节所述第一风扇的转速。所述第一风扇向所述冷凝器供应的所述空气用于冷却所述冷凝器。

25、在又一种可能的实现方式中，所述冷却装置包括第二风扇，所述第二风扇配置为向所述蒸发器供应空气，所述控制单元配置为调节所述第二风扇的转速。

26、在又一种可能的实现方式中，所述控制单元用于根据目标参数调节所述第一风扇和/或所述第二风扇的转速；在所述转换ac模式下，所述控制单元配置为根据所述第一风扇和/或所述第二风扇的所述转速调节所述旁通阀的开口比。

27、在又一种可能的实现方式中，所述目标参数是所述冷却回路内的制冷剂的压力、所述机柜内的温度和/或所述冷却装置的外壳内的温度。

28、在又一种可能的实现方式中，在所述转换ac模式下，所述控制单元配置为根据所述旁通阀的所述开口比调节所述第一风扇和/或所述第二风扇的所述转速。

29、在又一种可能的实现方式中，所述冷却装置还包括液体泵；在所述lts模式下，所述液体泵配置为在所述冷凝器和所述蒸发器之间循环所述制冷剂。

30、在又一种可能的实现方式中，所述冷凝器还包括油分离器，所述油分离器配置为将油从所述蒸汽制冷剂中分离出来，并且将所述油输送到所述旁通管线。这样使得所述冷却装置兼具油分离功能和制冷剂蒸汽旁通功能。

31、根据第二方面，提供了一种通过沿冷却装置的冷却回路循环制冷剂来冷却机柜的方法。所述冷却装置包括配置为冷凝所述制冷剂的冷凝器和配置为蒸发所述制冷剂的蒸发器。所述冷凝器通过包括膨胀阀的第一管线连接到所述蒸发器，所述膨胀阀配置为通过包括旁通阀的旁通管线以可调第一流速在所述第一管线中调节所述制冷剂在所述冷凝器和所述蒸发器之间的流动，所述旁通阀配置为通过包括压缩机的压缩管线以可调旁通流速在所述旁通管线中调节所述制冷剂在所述冷凝器和所述蒸发器之间的流动，所述压缩机配置为以可调压缩率压缩从所述蒸发器流向所述冷凝器的蒸汽制冷剂。所述方法包括以下步骤：在热对流循环(loop thermosiphon，lts)模式、转换空调(air conditioner，ac)模式和主ac模式下操作所述冷却装置。

32、在所述转换ac模式下，所述方法还包括：调节所述可调第一流速和所述可调旁通流速；在所述可调压缩率恒定的情况下操作所述压缩机。通过调节所述可调第一流速和所述可调旁通流速，并且在所述可调压缩率恒定的情况下操作所述压缩机，制冷剂根据蒸汽压缩制冷循环在所述蒸发器和所述冷凝器之间循环，蒸汽制冷剂通过所述旁通阀旁通。

33、在一种可能的实现方式中，在所述lts模式下，所述方法还包括：打开所述膨胀阀和所述旁通阀，并且停用所述压缩机。在这种情况下，所述制冷剂由于重力在所述蒸发器和所述冷凝器之间循环。

34、在另一种可能的实现方式中，在所述主ac模式下，所述方法还包括：调节所述膨胀阀，完全关闭所述旁通阀，并且以可调压缩率操作所述压缩机。在这种情况下，制冷剂根据蒸汽压缩制冷循环在所述蒸发器和所述冷凝器之间循环，而蒸汽制冷剂不通过旁通阀旁通。

35、根据第二方面所述的方法可以由根据第一方面所述的冷却装置执行。因此，根据第二方面所述的方法的其他特征直接通过根据第一方面及其上述和下述不同实现方式和实施例所述的冷却装置的功能来实现。

36、一个或多个实施例的详细内容在附图和下面的描述中阐述。其他特征、目的和优点在说明书、附图和权利要求书中是显而易见的。