一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的冷却系统和方法

技术领域

本发明属于数据中心电子器件的散热技术领域，具体涉及一种液化天然气(LNG)气化冷能直接用于数据中心的电子器件冷却的冷却系统和方法。

背景技术

随着数字经济的快速发展，需要大量的数据中心建设，需要匹配巨大的制冷系统，满足服务器散热的需求。数据中心的能耗包括IT设备的能耗，还包括空调制冷系统、电源系统和照明系统等辅助设施的能耗。其中，空调系统能耗占数据中心总能耗的比例约为40％。在节能减排的压力下，需要降低数据中心冷却能耗行。目前的数据中心主要使用空调系统制冷和直接液冷的方式。专利公布号为CN106659082B公开了一种具有泵式自然冷却系统的数据中心；专利公开号CN106604618A公开了一种数据中心的液冷、风冷复合冷却装置；专利授权公告号CN106255387B公开了采用两路冷媒循环，风冷冷凝器的方法；专利公开号CN206439960U使用外循环冷却水系统进行冷却。这些方法的不足之处在于：空调系统制冷需要额外耗能；风冷系统、水冷却系统效率低、装置占地大，并且外界气候条件变化对散热系统的影响大。

另外，近几年来，在环保政策不断加码的驱动下，我国天然气消费需求高速增长，LNG进口量逐年攀升。LNG是低温(-162℃)下的液态天然气，在进入管道输送、用作燃料或化工原料之前均需气化后使用。LNG气化时理论上会释放830kJ/kg的冷能。进口LNG接收站通常直接使用海水冷却，并将冷却后海水排放到海水中，随着接收站规模的不断扩大，大量的冷能对附近海域的生态环境构成影响。将这部分冷能用于数据中心冷却，则既可以减轻LNG冷能对海域生态环境的影响，又可降低数据中心空调系统的能耗，具有节能、节水、减少碳排放、综合利用能源资源的意义。

专利授权公告号CN105258258B描述了数据中心空调系统应用LNG冷能的方法，以实现数据中心空调系统的低能耗。专利授权公告号CN104197576B、公开号CN205669675U、公开号CN107503812A均简要描述了综合利用LNG再气化的冷能于数据中心的系统，但没有可实施的技术方法。

综上所述，现有的LNG冷量利用于数据中心的不足之处：将LNG冷量作用于数据中心的空调系统，属于间接冷却IT芯片、设备，并且空气导热系数低，冷却效率低，降低了冷量的利用效率。

发明内容

本发明目的之一在于解决现有技术的不足，提供一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的系统。

本发明目的之二在于解决现有技术的不足，提供一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的系统。

一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的冷却系统，所述冷却系统包括换热器、循环管路、制冷剂液体缓存罐、制冷剂气体缓存罐、循环泵、冷却模块和制冷剂流体，LNG输入和天然气输出管、循环管路的进出管与换热器连通，循环管路上还依次串联制冷剂液体缓存罐、循环泵、冷却模块和制冷剂气体缓存罐，制冷剂流体在循环管路内流动。

本发明还提供了另外一种冷却系统，所述冷却系统包括第二换热器、循环管路、第二制冷剂缓存罐A、第二制冷剂缓存罐B、循环泵、冷却模块和第二制冷剂流体，LNG输入和天然气输出管、循环管路的进出管与第一换热器连通，循环管路上依次串联第二制冷剂缓存罐A、循环泵、第一换热器和第二制冷剂缓存罐B，第一换热器置于冷却模块内，第二制冷剂流体在循环管路内流动，冷却模块内设有第一制冷剂流体。

一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的方法，基于第一种方案的冷却系统，包括如下步骤：

步骤一、将液化天然气(LNG)和制冷剂流体分别通入换热器内，LNG气化成天然气，吸收热量，制冷剂流体由气态转变为液态，相变吸热；

步骤二、循环泵将液化后的制冷剂流体泵送到数据中心的冷却模块中；

步骤三、冷却模块中的电子器件浸没于液体制冷剂流体中，发热的电子器件使液体制冷剂沸腾气化；

步骤四、气化后的制冷剂流体通过循环管路重新进入换热器内。

进一步的，步骤一中的制冷剂流体的沸点为10到70℃。

进一步的，步骤一中的制冷剂流体为二氯三氟乙烷、二氯一氟乙烷、三氯一氟甲烷的一种或其混合物，优选二氯三氟乙烷。

进一步的，冷却模块腔内的压力为常压。

一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的冷却方法，基于第二种方案的冷却系统，所述方法包括如下步骤：

步骤一、将液化天然气和第二制冷剂流体分别通入第二换热器内，LNG气化成天然气，吸收热量，第二制冷剂流体由气态转变为液态，相变吸热；

步骤二、循环泵将液化后的第二制冷剂流体泵送到数据中心的冷却模块中的第一换热器内；

步骤三、电子器件浸没于冷却模块中的第一液体制冷剂流体中，电子器件的发热使第一液体制冷剂沸腾气化；

步骤四、冷却模块中的第一制冷剂流体气化后在顶部的第一换热器外冷凝回到底部第一制冷剂液体中；第一换热器中的第二制冷剂流体通过循环管路重新进入第二换热器内，往复循环。

进一步的，所述的第一制冷剂，为二氯三氟乙烷、二氯一氟乙烷、三氯一氟甲烷的一种或其混合物，优选二氯三氟乙烷。

进一步的，所述的第二制冷剂，为二氯三氟乙烷、二氯一氟乙烷、三氯一氟甲烷、冷冻盐水、乙醇水溶液、丙二醇水溶液、甘油水溶液、乙二醇水溶液的一种或其混合物，优选二氯三氟乙烷。

本发明的有益效果是：

1.将间接冷却改成直接冷却，并且利用制冷剂的相变传热，提高传热效率，高效利用LNG冷量；

2.减少冷却剂循环为一个循环，简化系统结构，减少循环次数也能减少冷量损失。

附图说明

图1是一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的系统的流程示意图；

图中符号说明，101、液化天然气入口管路，102、换热器，103、天然气出口管路，104、循环管路，105、循环泵，106、冷却模块腔体，107、冷却模块，109、制冷剂气体，110、电子器件，111、制冷剂液体，112、制冷剂液体缓存罐，113、制冷剂气体缓存罐。

图2是一种利用LNG冷量的全浸没液冷数据中心的双循环的冷却系统流程示意图。

图中符号说明，201、液化天然气入口管路，202、第一换热器，203、天然气出口管路，204、循环管路，205、循环泵，206、冷却模块腔体，207、冷却模块，208、冷凝的第一制冷剂液滴，209、第一制冷剂气体，210、电子器件，211、第一制冷剂液体，212、第二制冷剂缓存罐A，213、第二制冷剂缓存罐B，214、第二制冷剂液体，215、第二制冷剂气体/液体，216、第二换热器。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

如图1所示，该冷却系统采用单循环的冷却系统，即使用一种制冷剂循环的系统，装置结构为，101液化天然气入口管路和103天然气出口管路连接到102换热器。104循环管路串联105循环泵、112制冷剂液体缓存罐、113制冷剂气体缓存罐、107冷却模块和102换热器，110电子器件位于107冷却模块内，并完全浸没于111制冷剂液体中。

运行过程为，LNG通过101液化天然气入口管路输入到102换热器内气化，由103天然气出口管路得到天然气，温度由-162℃增加到15℃。释放的冷量将104循环管路内来自113制冷剂气体缓存罐的109制冷剂气体冷却为111制冷剂液体，111制冷剂液体经过112制冷剂液体缓存罐和105循环泵进入107冷却模块内，106冷却模块腔体为常压，发热的110电子器件使111制冷剂液体沸腾气化为109制冷剂气体，109制冷剂气体重新通过104循环管路依次进入113制冷剂气体缓存罐和102换热器，如此反复。

本实施例中制冷剂使用二氯三氟乙烷，沸点为28℃，106冷却模块腔体内制冷剂保持沸腾，相变吸热，将110电子器件的温度保持在28℃。

该数据中心的PUE(电力使用效率,即数据中心总能耗与IT设备能耗之比。PUE值越接近于1,表示效率越高。)为1.008。

实施例2～4

参照实施例1，更换制冷剂品种，其他条件不变，数据中心的PUE结果见表1。

表1实施例2～4结果

实施例5

如图2所示，该冷却系统采用双循环的冷却系统，即使用两种制冷剂循环的系统，但这两种制冷剂也可以选用同一种制冷剂。装置结构为，201液化天然气入口管路和203天然气出口管路连接到202第一换热器。204循环管路串联205循环泵、212第二制冷剂缓存罐A、213第二制冷剂缓存罐B、207冷却模块、216第二换热器和202第一换热器，210电子器件位于207冷却模块内，并完全浸没于211第一制冷剂液体中。

运行过程为，LNG通过201液化天然气入口管路输入到202第一换热器内气化，由203天然气出口管路得到天然气，温度由-162℃增加到15℃。释放的冷量将204循环管路内来自213第二制冷剂缓存罐B的215第二制冷剂气体冷却为214第二制冷剂液体，214第二制冷剂液体经过212第二制冷剂缓存罐A和205循环泵进入207冷却模块内的216第二换热管，在此处，214第二制冷剂液体吸收热量相变为气体，或者依旧是液体。215第二制冷剂气体/液体通过104循环管路依次进入213第二制冷剂气体缓存罐B和202第一换热器，如此反复。

206冷却模块腔体为常压，207冷却模块内，发热的210电子器件使211第一制冷剂液体沸腾气化为209第一制冷剂气体，209第一制冷剂气体接触216第二制冷剂的216第二换热器，相变放热，重新成为208冷凝的第一制冷剂液滴，落回到底部207冷却模块内，如此反复。

本实施例中第一制冷剂使用二氯一氟乙烷，沸点为32℃，206冷却模块腔体内第一制冷剂保持沸腾，相变吸热，将210电子器件的温度保持在32℃。第一制冷剂位40％乙二醇水溶液。

该数据中心的PUE为1.02。

实施例6～9

参照实施例5，更换制冷剂品种，其他条件不变，数据中心的PUE结果见表2。

表2实施例6～9结果

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。