一种以二氧化碳为工质的机柜冷却系统及方法
技术领域
本发明属于制冷冷却技术领域，涉及机柜冷却，特别涉及一种以二氧化碳为工质的机柜冷却系统及方法。
背景技术
随着国家大数据战略、互联网+战略实施，国家信息化水平不断提高，图像识别、大数据展示等新业务新应用带来数据业务的快速增长。而数据中心作为必要的基础设施逐渐向大规模、高密度方向发展，这带来了两个问题：
一是伴随着计算机和服务器性能的提高，设备功率也越来越大，从而导致计算机和通信设备在工作的过程中会产生更多的热量。若设备散热较差,则可能导致系统无法稳定运行，甚至可能导致系统崩溃。机房属于动态密集型热源，大规模高密度的布置会进一步增大散热压力，因此，要求制冷系统能够及时有效地将产生的热量散发出去，且尽可能地高效制冷，减小能量消耗。
二是由于机柜布置密集，机柜的防火工作尤为重要，一旦发生火灾，不仅会导致硬件损坏，还会导致系统的瘫痪，数据的丢失等严重后果，因此机房也需要高效且损失小的灭火方式。
传统的数据机房冷却通常采用机房级的冷却，有研究者采用热管换热机组，将整个机房的温度和湿度以及洁净度保持恒定。这种冷却形式需要消耗大量的能量使机房整体冷却效率较低，且容易出现局部热岛现象，从而引发事故。
对此，有研究者改变了机房空调送风方式，但未从根本上解决问题。目前也有许多数据机房对机柜直接冷却，有专利使用货柜式数据中心或在终端设置多个制冷单元分别制冷实现了制冷量的调节，提高了制冷效率，提高了数据中心运行的安全性，有效减少了制冷能耗。但以上的机柜级制冷形式，采用的制冷剂通常为R134a、R22、R410a或R407c等，这些制冷剂多数具有毒性，一旦泄露会造成人员伤亡，和臭氧层的破坏，加剧温室效应。还有一些机柜级冷却将水作为循环工质，而水一旦泄露，会造成机房短路，造成巨大破坏。
此外，数据机房的灭火方式也至关重要，随着数据中心向高密度、高运算速度的方向发展，机柜的布置越来越密集，给灭火工作带来困难。
一是电子设备对灭火剂的要求较高。若采用水作为灭火剂，会导致电子设备短路而损坏。通常选用磷酸铵盐干粉灭火器、碳酸氢钠干粉灭火器或二氧化碳灭火器对数据机房灭火，而干粉器灭火后残留的粉末状覆盖物会对电子元器件则有一定的腐蚀作用和粉尘污染，而且也还很难清洁。若采用气体灭火系统对数据机房灭火，气体灭火系统主要使用的灭火剂为二氟-氯-溴甲烷、三氟溴甲烷或者1,2-二溴四氟乙烷，此类物质常温下为绝缘性气体，当暴露于火焰高温受热时，灭火剂会发生裂解反应生成高反应活性的自由基，这些自由基会打断燃烧链式反应进而达到灭火的目的。然而此类化合物会严重破坏臭氧层，被逐步禁用。
二是数据中心内处理器布置密集，给灭火设备的布置和灭火人员的行动带来了空间上的限制。若采用灭火器由人员手动操作灭火，由于机柜密集布置灭火人员无法接近起火点，甚至密集布置的机柜会给灭火人员的生命安全带来威胁。若采用水雾灭火系统或气体灭火系统，则需要在数据中心内额外布置灭火装置、灭火剂管道等设备，占用大量空间且整体成本很高。
三是数据中心内所布置的处理器价格较高，一旦起火需要迅速针对起火点灭火，保证灭火迅速、精准，将损失降到最小。若人工灭火，从发现火情到开始灭火，会耗费十几到几十分钟的时间，增加损失，且人工灭火难以找到并针对起火点精准灭火。若采用水雾灭火，水雾在空气中扩散速度较慢，难以进入机柜而导致对其内部设备的保护性欠佳，且无法实现单个机柜实现针对性灭火。采用七氟丙烷、五氟乙烷或混合气体能够及时有效地灭火，但需要额外铺设灭火剂管道等设备，使用时需要密封整个空间无法实现单个机柜实现针对性灭火。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种以二氧化碳为工质的机柜冷却系统及方法，具备制冷灭火功能，能够实现机柜的高效、安全冷却。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种以二氧化碳为工质的机柜冷却系统，其特征在于：包括CO2制冷机组、CO2供给管路、机柜、CO2回流管路及CO2存储罐，所述机柜包括柜体及设置在柜体上的CO2进口、CO2出口、CO2换热管路及风扇，所述CO2制冷机组通过CO2供给管路连接至所述柜体的CO2进口，所述CO2进口连接至所述CO2换热管路一端，所述CO2换热管路另一端连接至所述CO2出口，所述柜体的CO2出口通过CO2回流管路连接至所述CO2存储罐，所述CO2存储罐通过CO2回流管路连接至所述CO2制冷机组。
而且，所述CO2存储罐上设置有阀门。
而且，所述机柜的柜体上设置有CO2喷嘴，所述CO2喷嘴连接至所述CO2供给管路。
而且，所述风扇的风量大小可调节，所述CO2喷嘴的开闭可调节。
一种以二氧化碳为工质的机柜冷却方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、CO2供给：CO2制冷机组调节CO2供给管路的压力为8～12MPa，温度为2～7℃，使其成为超临界CO2，并将该超临界CO2通过CO2供给管输入到机柜内；
S2、冷却换热：CO2供给管路内的超临界CO2通过CO2进口进入机柜内的CO2换热管路，风扇开启，机柜内的空气流经CO2换热管路外部被冷却，并将机柜内产生的热量带走，同时通过调节风扇的风量改变系统的制冷量；
S3、CO2回流：与空气换热升温后的CO2经CO2出口进入CO2回流管路，同时CO2存储罐向CO2回流管路内充注CO2确保CO2回流管路内CO2压力为8～12MPa，CO2回流管路内的CO2最终进入CO2制冷机组；同时，CO2制冷机组能够根据需要灵活调节CO2的流量，改变工质的冷却能力。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明以二氧化碳为工质的机柜冷却系统，二氧化碳在自然界天然存在，臭氧破坏潜能值和全球变暖潜能值几乎为零，且单位体积制冷量大，布置在机柜内部可以减小制冷部分所需体积。
2、本发明以二氧化碳为工质的机柜冷却系统，相较于额外布置灭火管路的数据中心，采用二氧化碳作为制冷工质同时用于进行灭火，不需要额外铺设灭火剂管道，即可以节省消防投资，又可用于减小二者占用的体积，减小机柜所占用的空间，有助于建设更加密集和高效的机房。将机柜制冷与灭火相结合，即避免了人工操作灭火器的危险和低效，又规避气体灭火的高投资，既实现高效运行又减小投资。
3、本发明以二氧化碳为工质的机柜冷却方法，采用制冷管路内的二氧化碳进行灭火，在发生火灾时，无需人员进入火场，保证了灭火人员的生命安全，二氧化碳管路在机柜内部释放二氧化碳进行灭火，可直接在起火点进行灭火，可实现单机柜精准灭火。
4、本发明设计科学合理，具备制冷灭火功能，能够实现机柜的高效、安全冷却，保证机柜的使用安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明机柜的结构示意图；
图3为本发明机柜的左视图；
图4为本发明机柜的右视图；
图5为图4的A-A向剖视图。
附图标记说明
1-CO2制冷机组、2-CO2供给管路、3-机柜、4-CO2回流管路、5-阀门、6-CO2存储罐、7-CO2进口、8-CO2出口、9-柜体、10-CO2工质换热管路、11-风扇、12-CO2喷嘴。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种以二氧化碳为工质的机柜冷却系统，其创新之处在于：包括CO2制冷机组1、CO2供给管路2、机柜3、CO2回流管路4及CO2存储罐6，机柜包括柜体9及设置在柜体上的CO2进口7、CO2出口8、CO2换热管路10及风扇11，CO2制冷机组通过CO2供给管路连接至柜体的CO2进口，CO2进口连接至CO2换热管路一端，CO2换热管路另一端连接至CO2出口，柜体的CO2出口通过CO2回流管路连接至CO2存储罐，CO2存储罐通过CO2回流管路连接至CO2制冷机组，二氧化碳在自然界天然存在，臭氧破坏潜能值和全球变暖潜能值几乎为零，且单位体积制冷量大，布置在机柜内部可以减小制冷部分所需体积。
CO2存储罐上设置有阀门5，可通过阀门实时控制CO2存储罐向CO2回流管路中补充CO2的供给量，保证制冷效果。
机柜的柜体上设置有CO2喷嘴12，CO2喷嘴连接至CO2供给管路，能够在机柜起火时将CO2喷向机柜内部，起到降温和隔绝氧气的作用。
风扇的风量大小可调节，CO2喷嘴的开闭可调节，可以实时调节控制系统的制冷量，保证机柜的高效制冷，确保机柜的运行安全性能。
一种以二氧化碳为工质的机柜冷却方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、CO2供给：CO2制冷机组调节CO2供给管路的压力为8～12MPa，温度为2～7℃，使其成为超临界CO2，并将该超临界CO2通过CO2供给管输入到机柜内；
S2、冷却换热：CO2供给管路内的超临界CO2通过CO2进口进入机柜内的CO2换热管路，风扇开启，机柜内的空气流经CO2换热管路外部被冷却，并将机柜内产生的热量带走，同时通过调节风扇的风量改变系统的制冷量；
S3、CO2回流：与空气换热升温后的CO2经CO2出口进入CO2回流管路，同时CO2存储罐向CO2回流管路内充注CO2确保CO2回流管路内CO2压力为8～12MPa，CO2回流管路内的CO2最终进入CO2制冷机组；同时，CO2制冷机组能够根据需要灵活调节CO2的流量，改变工质的冷却能力。
本发明的工作原理为：
CO2制冷机组保持通往CO2供给管路的CO2工质的压力在8～12MPa范围内，温度在2～7℃范围内，确保其处于超临界状态；
CO2供给管路内的超临界CO2通过CO2进口进入机柜内的CO2换热管路，当风扇开启时空气流经CO2换热管路外部被冷却，之后将机柜内产生的热量带走，通过调节风扇的风量可改变系统的制冷量；
与空气换热升温后的CO2经CO2出口进入CO2回流管路，当CO2回流管路内CO2工质压力低于8～12MPa时阀门开启，由CO2存储罐向CO2回流管路内充注CO2确保压力在8～12MPa范围内；CO2回流管路内的工质最终进入CO2制冷机组1；此外，CO2制冷机组1能够根据需要灵活调节工质的流量，改变工质的冷却能力；
机柜内设置有CO2喷嘴，能够在机柜起火时将CO2喷向机柜内部，起到降温和隔绝氧气的作用，将高压的超临界二氧化碳释放到常压的空气中，二氧化碳会进入两相区呈现低温气液两相状态，低温的液态二氧化碳喷射到机柜上能够强力冷却机柜，且不会对机柜造成化学性伤害。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
