PCM冷却设备，冷却系统和控制该系统的方法和单元.pdf

本发明公开了一种PCM冷却设备，包括冷却槽；填充有PCM材料的管子；入口单元，配置为在第一工作模式下引入来自自然冷却设备的工作流体，在第二工作模式下引入来自有待冷却系统的工作流体；分布装置，用于分布从入口单元引入的工作流体，使其与所述管子相接触；出口单元，配置为在第一工作模式下将与所述管子接触后的工作流体引出至自然冷却设备，在第二工作模式下将与所述管子接触后的工作流体引出至有待冷却系统。还提供了一种冷却系统，包含上述PCM冷却设备和自然冷却设备。还提供了控制上述冷却系统的控制方法和控制单元。通过组合使用PCM冷却设备和自然冷却设备，可以降低冷却系统的能耗。

权利要求书1.  一种PCM冷却设备，该设备包括： 冷却槽； 填充有PCM材料的管子，设置在所述冷却槽中； 入口单元，配置为在第一工作模式下引入来自自然冷却设备的工作流体， 在第二工作模式下引入来自有待冷却系统的工作流体； 分布装置，用于分布从入口单元引入的工作流体，使其与所述管子相接触； 出口单元，配置为在第一工作模式下将与所述管子接触后的工作流体引出 至自然冷却设备，在第二工作模式下将与所述管子接触后的工作流体引出至有 待冷却系统。 2.  根据权利要求1的设备，还包括，设置于冷却槽壁上的空气入口，用 于在第一工作模式下将外部空气引入冷却槽。 3.  根据权利要求1或2的设备，其中所述冷却槽的相对侧壁上形成有孔， 用于支撑所述管子；在所述冷却槽的形成有孔的侧壁外面设置保护盖，以覆盖 延伸出冷却槽的管子的端部。 4.  根据权利要求1或2的设备，其中所述分布装置包括以下中的至少一 个： 多个喷嘴，用以将工作流体喷洒到所述管子的表面； 填充有工作流体的细微流体管道，所述细微流体管道缠绕在所述管子表面。 5.  根据权利要求1或2的设备，还包括支撑肋，用以支撑所述管子，在 所述支撑肋中形成有通孔。 6.  根据权利要求1或2的设备，其中所述入口单元包括第一流体入口和 第二流体入口，其中第一流体入口连接到自然冷却设备，并设置为在第一工作 模式下开启，在第二工作模式下关闭；第二流体入口连接到有待冷却系统，并 设置为在第一工作模式下关闭，在第二工作模式下开启。 7.  一种冷却系统，包括： 自然冷却设备，用以在预定温度条件下提供冷却的工作流体； 根据权利要求1-5中任一项的PCM冷却设备； 多个工作流体通路，包括将所述自然冷却设备和所述PCM冷却设备并行 连接到有待冷却系统的工作流体通路，将所述自然冷却设备的流体出口连接到 所述PCM冷却设备的入口单元的工作流体通路，以及将所述自然冷却设备的 流体入口连接到所述PCM冷却设备的出口单元的工作流体通路，以及 通路控制部件，用以控制所述多个工作流体通路的接通和阻断。 8.  根据权利要求7的系统，还包括压缩式冷却设备，所述多个工作流体 通路还包括将所述压缩式冷却设备与所述PCM冷却设备和所述自然冷却设备 相并行地连接到有待冷却系统的工作流体通路。 9.  一种用于控制如权利要求7所述的冷却系统的方法，包括： 获取与所述冷却系统相关的温度参数和阈值参数，其中所述温度参数包括 外界温度AT和PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp，阈值参数包括，表征 所述PCM冷却设备中的PCM材料凝固为固态所需的外界温度的第一温度阈值 T1，表征自然冷却设备正常工作所需的外界温度的第二温度阈值T2，表明所述 PCM材料处于固态的凝固状态温度阈值Ts1和表明所述PCM材料处于液态的 熔化状态温度阈值Ts2； 将所述温度参数和阈值参数进行比对以确定冷却系统适用的控制条件； 在外界温度AT低于上述第一温度阈值T1的情况下，接通自然冷却设备和 有待冷却系统之间的工作流体通路，接通自然冷却设备和PCM冷却设备之间 的工作流体通路，并将所述PCM冷却设备设定为第一工作模式； 在外界温度AT高于上述第二温度阈值T2，且所述PCM材料的温度Tp低 于上述熔化状态温度阈值Ts2的情况下，接通所述PCM冷却设备和有待冷却系 统之间的工作流体通路，阻断与自然冷却设备相关的工作流体通路，并将所述 PCM冷却设备设定为第二工作模式。 10.  根据权利要求9的方法，其中在所述PCM冷却设备被设定到第一工 作模式期间，监测所述PCM材料的温度Tp的变化，在该温度Tp低于凝固状 态温度阈值Ts1的情况下，停止PCM冷却设备的操作。 11.  根据权利要求9的方法，还包括：在外界温度AT高于上述第一温度 阈值T1且低于第二温度阈值T2的情况下，接通自然冷却设备和有待冷却系统 之间的工作流体通路，阻断与所述PCM冷却设备相关的工作流体通路。 12.  根据权利要求9的方法，其中所述冷却系统还包括与所述PCM冷却 设备和所述自然冷却设备相并行地连接到有待冷却系统的压缩式冷却设备，所 述方法还包括：在外界温度AT高于上述第二温度阈值T2，且所述PCM材料 的温度Tp高于上述熔化状态温度阈值Ts2的情况下，接通压缩式冷却设备和有 待冷却系统之间的工作流体通路，阻断与PCM冷却设备和自然冷却设备相关 的工作流体通路。 13.  根据权利要求9至11中任一项的方法，其中所述温度参数包括有待冷 却系统的实际温度Tin，所述阈值参数包括所述有待冷却系统的设定冷却温度 Tset，所述方法还包括，在Tin低于Tset的情况下，降低接通到有待冷却系统 的冷却设备的冷却效率；在Tin高于Tset的情况下，增加接通到有待冷却系统 的冷却设备的冷却效率。 14.  根据权利要求13的方法，其中所述冷却系统还包括与所述PCM冷却 设备和所述自然冷却设备相并行地连接到有待冷却系统的压缩式冷却设备，所 述方法还包括：在接通到有待冷却系统的冷却设备的冷却效率已经调节至最大， 而Tin仍高于Tset的情况下，接通所述压缩式冷却设备和有待冷却冷却系统之 间的工作流体通路。 15.  一种用于控制如权利要求7所述的冷却系统的控制单元，包括： 参数获取模块，配置为获取与所述冷却系统相关的温度参数和阈值参数， 其中所述温度参数包括外界温度AT和PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp， 阈值参数包括，表征所述PCM冷却设备中的PCM材料凝固为固态所需的外界 温度的第一温度阈值T1，表征自然冷却设备正常工作所需的外界温度的第二温 度阈值T2，表明所述PCM材料处于固态的凝固状态稳定阈值Ts1和表明所述 PCM材料处于液态的熔化状态温度阈值Ts2； 参数比对模块，配置为将所述温度参数和阈值参数进行比对以确定冷却系 统适用的控制条件； 第一控制模块，配置为在外界温度AT低于上述第一温度阈值T1的情况下， 接通自然冷却设备和有待冷却系统之间的工作流体通路，接通自然冷却设备和 PCM冷却设备之间的工作流体通路，并将所述PCM冷却设备设定为第一工作 模式；以及 第二控制模块，配置为在外界温度AT高于上述第二温度阈值T2，且所述 PCM材料的温度Tp低于上述熔化状态温度阈值Ts2的情况下，接通所述PCM 冷却设备和有待冷却系统之间的工作流体通路，阻断与自然冷却设备相关的工 作流体通路，并将所述PCM冷却设备设定为第二工作模式。

说明书PCM冷却设备,冷却系统和控制该系统的方法和单元
技术领域
本发明涉及冷却设备，更具体而言，涉及PCM冷却设备，包含PCM冷却 设备的冷却系统和控制该冷却系统的方法。
背景技术
随着IT技术的高速发展，构建了各种大规模的数据中心来满足数据存储和 处理的需要。在提供更高的存储容量、更快的处理速度的同时，数据中心也消 耗了越来越多的能量。例如，在2006年，美国的数据中心所使用的电量占其全 国发电量的1.5%。在数据中心消耗的能量中，冷却系统的消耗占据了很大的比 例，有时甚至高达50%以上。根据近年来的统计，随着数据中心的规模扩展， 其能量消耗每5年就增加1倍，这不仅增加了操作成本，更恶化了服务器的工 作状况，带来了热点和设备故障等问题。
数据中心的冷却系统可以使用在空气调节系统HVAC领域中提出的多种类 型的冷却设备。最为典型和传统的是使用压缩机和冷凝器的压缩式冷却设备， 例如空调。传统压缩式冷却设备的能耗相对较高。在外界温度条件适当的情况 下，还可以使用自然冷却（free cooling）设备对数据中心进行制冷。自然冷却 设备使用一定温度条件下的室外空气进行制冷，是传统压缩式冷却设备的很好 的补充。自然冷却设备的使用可以降低数据中心冷却系统的能耗。自然冷却设 备的冷却过程可以分为两种类型，即直接冷却和非直接冷却。直接冷却过程将 外界低温空气直接引入数据中心以冷却IT设备，具有较高的冷却效率。不过同 时，在这个过程中，也有可能将受到污染的外界空气引入数据中心，从而对IT 设备造成损害。非直接冷却过程并不将室外空气直接引入数据中心，而是使用 空气-空气或者空气-水的热交换器来冷却IT设备。由于热交换器中存在温度差， 非直接冷却过程的冷却效率低于直接冷却，但是更为安全。
可以理解，自然冷却设备的能耗非常低，但是，由于外界条件的限制，在 多数地区，它的使用率并不高。因此，即使有自然冷却设备作为补充，现有的 数据中心冷却系统的能耗仍然比较高。希望提出一种改进的方案，更好地利用 自然冷却过程的冷却能力，从而降低冷却系统的能耗。
发明内容
考虑到现有技术中的不足，本发明提出一种方案，通过结合使用PCM冷 却设备和自然冷却设备来降低冷却系统的能耗。
根据本发明第一方面，提供一种PCM冷却设备，包括：冷却槽；填充有 PCM材料的管子，设置在所述冷却槽中；入口单元，配置为在第一工作模式下 引入来自自然冷却设备的工作流体，在第二工作模式下引入来自有待冷却系统 的工作流体；分布装置，用于分布从入口单元引入的工作流体，使其与所述管 子相接触；出口单元，配置为在第一工作模式下将与所述管子接触后的工作流 体引出至自然冷却设备，在第二工作模式下将与所述管子接触后的工作流体引 出至有待冷却系统。
根据本发明第二方面，提供了一种冷却系统，包括：自然冷却设备，用以 在预定温度条件下提供冷却的工作流体；根据上述第一方面的PCM冷却设备； 多个工作流体通路，包括将所述自然冷却设备和所述PCM冷却设备并行连接 到有待冷却系统的工作流体通路，将所述自然冷却设备的流体出口连接到所述 PCM冷却设备的入口单元的工作流体通路，以及将所述自然冷却设备的流体入 口连接到所述PCM冷却设备的出口单元的工作流体通路，以及通路控制部件， 用以控制所述多个工作流体通路的接通和阻断。
根据本发明第三方面，提供一种控制方法，用于控制根据第二方面提供的 冷却系统，该方法包括：获取与所述冷却系统相关的温度参数和阈值参数，其 中所述温度参数包括外界温度AT和PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp， 阈值参数包括，表征所述PCM冷却设备中的PCM材料凝固为固态所需的外界 温度的第一温度阈值T1，表征自然冷却设备正常工作所需的外界温度的第二温 度阈值T2，表面所述PCM材料处于固态的凝固状态稳定阈值Ts1和表明所述 PCM材料处于液态的熔化状态温度阈值Ts2；将所述温度参数和阈值参数进行 比对以确定冷却系统适用的控制条件；在外界温度AT低于上述第一温度阈值 T1的情况下，接通自然冷却设备和有待冷却系统之间的工作流体通路，接通自 然冷却设备和PCM冷却设备之间的工作流体通路，并将所述PCM冷却设备设 定为第一工作模式；在外界温度AT高于上述第二温度阈值T2，且所述PCM 材料的温度Tp低于上述熔化状态温度阈值Ts2的情况下，接通所述PCM冷却 设备和有待冷却系统之间的工作流体通路，阻断与自然冷却设备相关的工作流 体通路，并将所述PCM冷却设备设定为第二工作模式。
根据本发明第四方面，提供一种控制单元，用于控制根据第二方面提供的 冷却系统，该控制单元包括：参数获取模块，配置为获取与所述冷却系统相关 的温度参数和阈值参数，其中所述温度参数包括外界温度AT和PCM冷却设备 中的PCM材料的温度Tp，阈值参数包括，表征所述PCM冷却设备中的PCM 材料凝固为固态所需的外界温度的第一温度阈值T1，表征自然冷却设备正常工 作所需的外界温度的第二温度阈值T2，表明所述PCM材料处于固态的凝固状 态稳定阈值Ts1和表明所述PCM材料处于液态的熔化状态温度阈值Ts2；参数 比对模块，配置为将所述温度参数和阈值参数进行比对以确定冷却系统适用的 控制条件；第一控制模块，配置为在外界温度AT低于上述第一温度阈值T1的 情况下，接通自然冷却设备和有待冷却系统之间的工作流体通路，接通自然冷 却设备和PCM冷却设备之间的工作流体通路，并将所述PCM冷却设备设定为 第一工作模式；第二控制模块，配置为在外界温度AT高于上述第二温度阈值 T2，且所述PCM材料的温度Tp低于上述熔化状态温度阈值Ts2的情况下，接 通所述PCM冷却设备和有待冷却系统之间的工作流体通路，阻断与自然冷却 设备相关的工作流体通路，并将所述PCM冷却设备设定为第二工作模式。
利用本发明实施例的方案，组合使用PCM冷却设备和自然冷却设备，从 而更好地利用自然冷却过程的冷却能力，降低冷却系统的能耗。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以 及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中， 相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出根据一个实施例的PCM冷却设备的示意图；
图2示出一些备选无机化合物的特性；
图3示出根据一个实施例的冷却槽的内部结构的示意图；
图4示出PCM冷却设备在第一工作模式下工作的示意图；
图5示出PCM冷却设备在第二工作模式下工作的示意图；
图6示出根据一个实施例的冷却系统的示意图；
图7示出根据一个实施例的控制冷却系统的方法的流程图；
图8示出根据另一实施例的控制冷却系统的方法的流程图；以及
图9示出根据一个实施例的控制单元500的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了 本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被 这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透 彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明的多个实施例中，提供一种相变材料PCM冷却设备，该PCM冷 却设备可通过流体通路连接到自然冷却设备和有待冷却系统之一。这使得PCM 冷却设备有可能在外界条件适当的情况下利用自然冷却设备来存储“冷能量”， 而在需要的时候向有待冷却系统提供所存储的冷能量来实施冷却。因此，利用 PCM冷却设备作为存储冷能量的中间媒介，更好地利用了自然冷却设备的冷却 能力，实现了能耗的降低。相应地，还提供了包含上述PCM冷却设备和自然 冷却设备的冷却系统，以及控制该冷却系统的方法，以使得PCM冷却设备在 不同工作模式之间切换，从而有效地存储和释放冷能量。
图1示出根据一个实施例的PCM冷却设备的示意图。如图1所示，PCM 冷却设备总体上示出为100，并可以通过工作流体通路连接到自然冷却设备200 或有待冷却系统400。自然冷却设备200可以是进行非直接冷却的自然冷却设 备。有待冷却系统400可以是数据中心，或任何其他可以利用工作流体进行冷 却的系统。典型地，上述工作流体是水。但是，也可能采用其他适当的流体作 为工作流体。PCM冷却设备100可以包括冷却槽10，其中设置有填充有PCM 相变材料的管子11和用于将工作流体分布到管子11的分布装置13。PCM冷却 设备100还包括入口单元12和出口单元14，入口单元12在第一工作模式下引 入来自自然冷却设备的工作流体，在第二工作模式下引入来自有待冷却系统的 工作流体；出口单元14在第一工作模式下将与所述管子11接触后的工作流体 引出至自然冷却设备，在第二工作模式下将与所述管子11接触后的工作流体引 出至有待冷却系统。通过在第一工作模式和第二工作模式之间切换，使得不同 工作流体与管子11接触，从而实现管子11中的PCM材料对冷能量的存储和释 放。下面逐一描述上述各个部件的特点和实施方式。
在本发明的实施例中，管子11用于容纳和填充PCM相变材料。如本领域 技术人员所知，PCM相变材料是具有高相变潜热的材料。具体而言，在PCM 材料从固态相变为液态，即熔化过程中，它会吸收大量热能；而在从液态相变 为固态，即凝固过程中，它会释放大量热能。尽管大量材料都会发生相变并存 在相变潜热，但是实践中，许多材料由于熔点不在操作范围或者潜热不够大而 难以用作热存储介质。因此，需要根据实际应用的要求来选择PCM材料用于 热能的存储和释放。
在用于冷却设备的应用环境下，要求PCM材料具有以下特性。首先，要 求PCM材料具有适当的热学特性，包括适当的相变温度、高相变潜热以及良 好的热传导性。具体地，PCM材料需要具有与冷却设备的工作温度相适应的相 变温度，例如熔点。并且，希望相变潜热尽可能高，以缩减热存储所需材料的 量。另外，良好的热传导性也有助于提高能量存储和释放的效率。
此外，要求PCM相变材料具有适当的物理特性，包括有利的相平衡、较 高的密度、较小的体积改变以及较低的蒸汽压。有利的相平衡是指在熔化和凝 固过程中材料具有较高的相稳定性，这有助于对热存储进行预测和设定。较高 的密度允许使用更小体积的容器来填充PCM材料。相变过程中较小的体积改 变和操作温度下较小的蒸汽压有助于减少材料的密封容纳问题。
进一步地，希望PCM相变材料具有适当的动力学特性，包括不会出现过 冷现象，具有足够的结晶率等。过冷现象是PCM发展中一项棘手的问题。仅 仅几度的过冷就会明显干扰热量提取，而5-10℃的过冷则会完全阻止热存储和 提取的进行。因此，希望PCM材料不会出现过冷现象。足够的结晶率有利于 热能量的存储和释放。
此外，希望PCM相变材料具有适当的化学特性，包括长时间的化学稳定 性、与设备其他构成材料的兼容性、无毒、不易燃。当然，从经济的角度，还 希望PCM材料便宜可用，来源丰富。
通过研究各种材料的特性，发现无机化合物的单位潜热存储能力 （250-400kg/dm3）几乎是有机化合物（128-200kg/dm3）的两倍，因而更适合 作为用于冷却设备的PCM材料。图2示出一些备选无机化合物的特性，包括 熔点、潜热、热传导性、密度。可以综合考虑以上提出的对PCM材料的要求， 从图2所示的化合物中选择一种或多种材料用于PCM冷却设备。
在选择了适当的PCM材料的基础上，可以将PCM材料填充到图1所示的 管子11中作为能量存储单元。为了避免妨碍PCM材料进行热交换，采用热传 导率高的材料形成管子11。另外，希望管子11具有较高的刚性来支撑PCM材 料。为了满足热传导性和刚性的要求，需要适当地选择管子的材料，并适当地 设置其尺寸。在一个实施例中，采用金属材料制成管子11。更具体地，在一个 例子中，利用铜形成管子11。在一个例子中，将管子11的厚度设置为1.5-2.5mm， 以兼顾热传导性和刚性的要求。另外，适当地设置管子的直径。可以理解，如 果管子直径太小，则难以填充PCM材料；如果管子直径太大，热传导性能会 受到影响。为此，在一个例子中，将管子的直径设置为20-50mm。此外，考虑 到相变过程中PCM材料的体积变化，以及管子11本身在不同温度下的变形， 仅仅用PCM材料填充管子11的一部分体积，例如70-80%的体积。在填充PCM 材料之后，例如采用焊接的方式将管子的两端密封。
在不同实施例中，管子11可以体现为不同数目、不同形状的管子。例如， 管子11可以由单根管子构成，也可以包括多根管子。图3示出根据一个实施例 的冷却槽的内部结构的示意图。在图3示出的例子中，管子11为平行设置的多 根直线形管子。但是可以理解，管子也可以采用弯曲的形状，例如螺旋形，蜿 蜒S形等等。在采用多根管子的情况下，每根管子的形状、尺寸可以相同也可 以不同。
在一个实施例中，在管子11上设置若干温度传感器Sp以提供温度反馈。 在一个例子中，上述温度传感器Sp被附着到管子11的表面，测量管子11的表 面温度近似作为其中PCM材料的温度。在另一例子中，上述温度传感器可以 伸入管子11内部与PCM材料接触，从而直接测量PCM材料的温度。温度传 感器的数目和位置可以根据需要来设定。
在一个例子中，如图3所示，可以在管子的一端设置一紧急阀103，用于 在维护期间释放管子中的气体。
可以采用多种方式支撑管子11。在一个实施例中，利用冷却槽10的侧壁 来支撑管子11。具体地，在一个例子中，例如通过焊接、粘合等连接方式，直 接将管子11的端部固定到冷却槽10的侧壁上。在另一例子中，在冷却槽11的 侧壁上形成支撑部，例如托架，以支撑管子端部。在图3的例子中，在冷却槽 10的相对侧壁上形成孔，用于支撑管子11。如此，管子的两端会延伸并暴露到 冷却槽10之外。为此，在冷却槽10的形成有孔的侧壁外面，用保护盖101来 覆盖延伸出冷却槽的管子的端部，以避免管子以及工作流体暴露于外部空气。 可以在保护盖101和冷却槽侧壁之间使用密封环，以更好地隔绝外界空气。这 样，在某个管子出现问题或者需要更换的时候，仅需要打开保护盖101，就可 以对管子进行维护操作。
在一个实施例中，形成支撑肋来支撑管子11。例如，如图3所示，在冷却 槽10底部形成支撑肋102，从而从下方支撑管子11。支撑肋102可以由金属板 或金属柱形成，并通过焊接、螺栓等方式固定到冷却槽10底部，从而为管子 11提供足够的支撑力。
此外，还可以通过其他方式来支撑管子11。在一个实施例中，可以组合使 用多种支撑方式，例如在利用冷却槽侧壁支撑管子11的基础上，同时使用支撑 肋提供进一步的支撑，从而增加支撑强度，防止管子11变形。
在一个实施例中，在冷却槽的壁上设置空气入口16，用以在第一工作模式 下将外部空气引入冷却槽。在一个实施例中，还在PCM冷却设备中设置风扇 15，用以在第一工作模式下促进空气入口16引入外部空气。在图3的实施例中， 风扇15设置在冷却槽10的顶部，空气入口16设置在冷却槽10底部。这样， 在风扇15开启的情况下，外界空气从底部的空气入口16进入冷却槽10，与管 子11接触后经由风扇15从顶部排出，从而在整个冷却槽10中形成空气流动。 在冷却槽10中设置有例如金属板形式的支撑肋的情况下，在支撑肋中设置通 孔，便于空气在冷却槽10内部的流动。一般地，风扇15和空气入口16仅在第 一工作模式下开启。如稍后将详细描述的，第一工作模式适用于外界温度较低 的情况。在这样的情况下，通过开启空气入口16，优选地还有风扇15，可以直 接引入外界冷空气与管子11进行热交换，从而为PCM材料提供附加的冷能量。
另一方面，为了使得管子11中的PCM材料能够进行能量的存储和释放， 管子11还需要与工作流体进行有效的热交换。为此，在冷却槽10中还设置有 分布装置13，用于分布从入口单元12引入的工作流体，使其与管子11相接触。 在一个实施例中，分布装置13包括填充工作流体的若干细微的流体管道，这些 流体管道与管子11直接接触，例如缠绕在管子11表面，使得工作流体与管子 11中的PCM材料进行热交换。在图3所示的实施例中，分布装置13包括喷嘴， 将工作流体直接喷洒到管子11表面以使其进行热接触。在其他实施例中，分布 装置13也可以体现为其他多种形式，只要能够将工作流体分布到管子11上进 行热接触即可。
在一个实施例中，为了促进工作流体与管子11的热交换，在管子11之间 设置散热片104，以增大热接触面积。
通过以上布置，管子11可以与工作流体进行充分的热交换。通过切换不同 的工作流体，上述热交换过程可以在吸热和放热之间转换，从而实现PCM材 料对能量的存储和释放。对于图1所示的PCM冷却设备100而言，在不同的 温度条件下，可以从自然冷却设备200和有待冷却的系统400中选择一个，将 其对应的工作流体引入到冷却槽中与PCM进行热接触。在一个实施例中，上 述工作流体的选择和切换至少部分地通过入口单元12和出口单元14来实现。
具体而言，入口单元12在第一工作模式下引入来自自然冷却设备的工作流 体，在第二工作模式下引入来自有待冷却系统的工作流体。为了引入不同工作 流体，在一个实施例中，入口单元12包括第一流体入口和第二流体入口，这两 个流体入口分别连接到自然冷却设备200和有待冷却系统400；并且，第一流 体入口被设置为在第一工作模式下开启，在第二工作模式下关闭，而第二流体 入口被设置为在第一工作模式下关闭，在第二工作模式下开启。由此，在第一 工作模式下，与第一流体入口对应的工作流体通路被接通，来自自然冷却设备 200的工作流体经第一流体入口被引入冷却槽；在第二工作模式下，与第二流 体入口对应的工作流体通路被接通，来自有待冷却系统400的工作流体经第二 流体入口被引入冷却槽。在一个实施例中，可通过入口控制部件控制各个流体 入口的开启和闭合。上述入口控制部件包括各种机械的或自动的控制部件，例 如机械阀门、电控阀门等。
在工作流体经由入口单元12引入到冷却槽之后，如上所述，通过分布装置 13分布该工作流体，使其与管子11中的PCM材料进行热交换。经过热交换的 工作流体进而通过出口单元14被引出冷却槽。具体地，出口单元14在第一工 作模式下将与管子接触后的工作流体引出至自然冷却设备200，在第二工作模 式下将与管子接触后的工作流体引出至有待冷却系统400。可以看到，出口单 元14的工作方式与入口单元12相对应，因此，可以采取与入口单元12相对应 的结构和部件来实施出口单元14。
通过入口单元12和出口单元14的选择和控制，冷却设备100可以在第一 工作模式和第二工作模式之间切换，从而实现能量的存储和释放。图4示出PCM 冷却设备在第一工作模式下工作的示意图。可以理解，第一工作模式对应于存 储冷能量的过程，并适用于以下情况：冷却设备100中的PCM材料处于高温 液态，需要获取冷能量；而自然冷却设备200处于较低外界温度下，因而可以 正常工作以提供冷却的低温工作流体。此时，如图4所示，在该第一工作模式 下，自然冷却设备200被接通到冷却设备100。具体地，自然冷却设备200所 提供的低温工作流体被入口单元12引入到冷却槽，并通过分布单元13与管子 11中的高温液态PCM材料进行热交换。通过该热交换，PCM材料释放热量， 或吸收冷能量，从而温度降低，并逐渐从液态凝固为固态。另一方面，工作流 体吸收热量温度升高。升温后的工作流体经由出口单元14被返回自然冷却设备 200，在其中被再一次地冷却和降温。在这个过程中，冷却设备100通过PCM 材料吸收并存储来自自然冷却设备的冷能量。在冷却设备100中设置有空气入 口以及优选地还有风扇的情况下，在该第一工作模式下开启空气入口和风扇， 以引入外界低温空气。一方面，外界空气的引入和流动使得管子11与低温工作 流体更充分地进行热交换；另一方面，如前所述，空气本身的低温可以提供额 外的冷能量，帮助PCM材料的降温。在图4中，空心箭头表示空气流动方向， 实心箭头表示工作流体方向。在低温工作流体和低温流动空气的共同作用下， PCM材料可以被冷却到接近湿球温度。例如，在外界干球温度为20℃的情况 下，湿球温度为15.2℃。因此，PCM材料可以得到更有效的降温。
图5示出冷却设备在第二工作模式下工作的示意图。可以理解，第二工作 模式对应于释放冷能量的过程，该过程适用于以下情况：冷却设备100中的PCM 材料处于低温固态，已经存储有冷能量，因此可以用于冷却其他系统。此时， 如图5所示，在该第二工作模式下，将有待冷却系统400接通到冷却设备100。 具体地，有待冷却系统400中的有待冷却的高温工作流体被入口单元12引入到 冷却槽，并通过分布单元13与管子11中的低温固态PCM材料进行热交换。通 过该热交换，PCM材料吸收热量，或释放冷能量，从而温度升高，并逐渐从固 态熔化为液态。另一方面，工作流体释放热量，温度得到降低。于是，降温后 的工作流体经由出口单元14被返回到有待冷却系统400，从而对有待冷却系统 400实施冷却和降温。在这个过程中，冷却设备100通过PCM材料释放了所存 储的冷能量，该冷能量经由工作流体被用于冷却有待冷却系统400。第二工作 模式通常适用于外界空气温度较高因而自然冷却系统无法使用的情况，因此， 在该工作模式下，关闭风扇和空气入口，以使得PCM材料存储的冷能量集中 地用于冷却工作流体。
如上所述描述了PCM冷却设备100的结构及其工作过程，该PCM冷却设 备100从自然冷却设备200获取并存储冷能量，并在需要时将冷能量释放给有 待冷却系统400。因此，该PCM冷却设备100可以与自然冷却设备200结合使 用作为冷却系统，共同用于冷却有待冷却系统400。
相应地，根据本发明一个实施例，提供一种结合了PCM冷却设备和自然 冷却设备的冷却系统。图6示出根据一个实施例的冷却系统的示意图。如图6 所示，冷却系统总体示出为600，包括PCM冷却设备100和自然冷却设备200， 其中PCM冷却设备100具有以上参照图1-图5所描述的结构、材料和工作过 程，自然冷却设备200是在适当温度条件下提供冷却的工作流体的非直接冷却 设备。系统600还包括在PCM冷却设备100、自然冷却设备200和有待冷却系 统400之间进行流体连接的多个工作流体通路。上述工作流体通路包括将自然 冷却设备200和PCM冷却设备100并行连接到有待冷却系统400的工作流体 通路。具体地，PCM冷却设备100的入口单元12和自然冷却设备200的流体 入口201分别通过工作流体通路610和620连接到有待冷却系统400的流体出 口401，并且，PCM冷却设备100的出口单元14和自然冷却设备200的流体 出口202分别通过工作流体通路611和621连接到有待冷却系统400的流体入 口402。此外，工作流体通路还包括，将自然冷却设备200的流体出口连接到 PCM冷却设备100的入口单元12的工作流体通路，以及将自然冷却设备200 的流体入口连接到PCM冷却设备100的出口单元14的工作流体通路。具体地， 自然冷却设备200的流体出口202通过工作流体通路621连接到PCM冷却设 备100的入口单元12，其流体入口201通过工作流体通路622连接到PCM冷 却设备的出口单元14。也就是说，PCM冷却设备100和自然冷却设备200除 了并行地连接到有待冷却系统400，彼此之间还首尾相接地“串联”在一起。
对于上述多个工作流体通路，系统600中还设置有通路控制部件，用以控 制所述多个工作流体通路的接通和阻断。在一个实施例中，通路控制部件包括 设置于各个工作流体通路中的多个阀门。例如，如图6所示，通路控制部件包 括阀门110，220，221，222，分别提供在工作流体通路610，620，621，622 中，用于控制对应流体通路的接通和阻断。在一个实施例中，通路控制部件还 包括在工作流体通路中提供的流量控制装置。例如在图6中设置有流量控制装 置120和220，它们分别控制流经PCM冷却设备100和自然冷却设备200的工 作流体的流量。流量控制装置120和220例如可以是水泵、流量控制阀等。在 一个实施例中，通路控制部件可以是机械部件，在手动操作下工作于不同工作 模式（例如接通、阻断、调整流量）。在另一实施例中，通路控制部件是自动控 制部件，例如电磁阀，它连接到一控制单元，响应于来自控制单元的信号，选 择接通或阻断对应的工作流体通路。
在一个实施例中，冷却系统600还包括传统压缩式冷却设备300，它与PCM 冷却设备100和自然冷却设备200相并行地连接到有待冷却系统400。具体地， 压缩式冷却设备300的流体入口301通过工作流体通路630连接到有待冷却系 统400的流体出口401，压缩式冷却设备300的流体出口302通过工作流体通 路631连接到有待冷却系统400的流体入口402。类似地，在与压缩式冷却设 备300相关的流体通路中可以设置阀门310和流量控制装置320。该传统压缩 式冷却设备300可以在PCM冷却设备100和自然冷却设备200均不足以对有 待冷却系统400进行所需强度的冷却时提供附加的冷却能力作为补充。
在一个实施例中，冷却系统600中的通路控制部件，包括各个阀门、流量 控制装置，均连接到控制单元500，受其控制。相应地，控制单元500用于控 制冷却系统600中各个冷却设备的工作。下面描述控制单元500对冷却系统600 的控制方法。图7示出根据一个实施例的控制冷却系统的方法的流程图。如图 7所示，首先在步骤70，获取与冷却系统相关的温度参数和阈值参数。
上述温度参数包括外界温度AT和PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp。 外界温度AT可通过置于外界空气中的温度计来测量。在一个实施例中，采用 外界湿球温度Tw作为上述外界温度AT。PCM材料的温度Tp可通过设置到 PCM冷却设备中的温度传感器来测量，例如图3所示的设置到管子11上的温 度传感器Sp。
上述阈值参数包括第一温度阈值T1，第二温度阈值T2和材料状态温度阈 值Ts。第一温度阈值T1是指PCM冷却设备100中的PCM材料凝固为固态所 需的外界温度的阈值。也就是说，如果外界温度AT低于该阈值T1，则PCM 冷却设备100可以从外界存储冷能量，使得PCM材料凝固到固态。第一温度 阈值T1取决于所采用的PCM材料和PCM冷却设备的效率。该阈值可以通过 对已经构建的PCM冷却设备100进行测试性测量而预先确定。一般地，第一 温度阈值T1低于PCM材料的熔点Tm，因而也可以表示为T1=Tm-ΔT1。Δ T1越小，PCM冷却设备100的效率越高。
第二温度阈值T2是指自然冷却设备200正常工作所需的外界温度的阈值。 也就是说，如果外界温度AT低于该阈值T2，则自然冷却设备可以用于冷却有 待冷却系统400。第二温度阈值T2取决于有待冷却系统400的设定冷却温度 Tset、自然冷却设备200的冷却效率等因素。该阈值T2可以通过对自然冷却设 备200进行测试性测量而预先确定。一般地，第二温度阈值T2低于上述设定 温度Tset，因而也可以表示为T2=Tset-ΔT2。ΔT2越小，自然冷却设备200的 效率越高。并且，一般地，第二温度阈值T2高于第一温度阈值T1。
材料状态温度阈值Ts是衡量PCM材料状态的温度阈值，包括凝固状态温 度阈值Ts1和熔化状态温度阈值Ts2。如果PCM材料的温度Tp低于该凝固状 态温度阈值Ts1，则表明，PCM材料已经完全凝固为固态；如果PCM材料的 温度Tp高于上述熔化状态温度阈值Ts2，则表明PCM材料已经完全熔化为液 态；如果温度Tp介于Ts1和Ts2之间，则表明PCM材料部分处于液态，部分 处于固态。凝固状态温度阈值Ts1和熔化状态温度阈值Ts2由PCM材料本身决 定，可以通过对PCM材料熔化和凝固过程的温度测量来预先确定。一般地， Ts1<Tm<Ts2，其中Tm为PCM材料的熔点。
在获取到以上的温度参数和阈值参数的基础上，在步骤71，将温度参数和 阈值参数进行比对以确定控制条件。在步骤73，在外界温度AT低于上述第一 温度阈值T1的情况下，接通自然冷却设备200和有待冷却系统400之间的工 作流体通路，并接通自然冷却设备200和PCM冷却设备100之间的工作流体 通路，将PCM冷却设备100设定为第一工作模式。步骤73可以通过接通图6 中的阀门210，221和222，阻断阀门110，并设置PCM冷却设备的入口单元来 实现。在一个实施例中，将PCM冷却设备100设定到第一工作模式还包括， 开启PCM冷却设备100中的风扇和空气入口。通过执行步骤73，自然冷却设 备200通过流体通路620获取到有待冷却系统400所输出的有待冷却工作流体， 利用外界低温对工作流体进行冷却降温之后，通过流体通路621将冷却的低温 工作流体返回到有待冷却系统400。同时，自然冷却设备200所输出的低温工 作流体还通过流体通路621馈送到PCM冷却设备100。PCM冷却设备100工 作于第一工作模式，不仅从外界低温空气直接获得冷能量，还从自然冷却设备 获得低温工作流体用于存储冷能量，然后将输出的工作流体返回到自然冷却设 备200。在步骤73中，自然冷却设备200不仅用于冷却有待冷却系统400，同 时还用于向PCM冷却设备提供冷能量。
在一个实施例中，在执行步骤73过程中，监测PCM冷却设备中的PCM 材料的温度Tp的变化。在该温度Tp低于凝固状态温度阈值Ts1的情况下，停 止PCM冷却设备100存储冷能量的操作。这可以包括，阻断接通自然冷却设 备200和PCM冷却设备100之间的工作流体通路，关闭PCM冷却设备100中 的风扇和空气入口。
另一方面，在步骤74，在外界温度AT高于上述第二温度阈值T2，且PCM 冷却设备中的PCM材料的温度Tp低于上述熔化状态温度阈值Ts2的情况下， 接通PCM冷却设备100和有待冷却系统400之间的工作流体通路，阻断与自 然冷却设备200相关的工作流体通路，将PCM冷却设备100设定为第二工作 模式。可以理解，由于外界温度AT高于第二温度阈值T2（因而也高于第一温 度阈值T1），因此自然冷却设备200既不能用于冷却有待冷却的系统，也不能 用于为PCM冷却设备提供冷能量。因此，将与自然冷却设备200相关的工作 流体通路均阻断。另一方面由于Tp低于熔化状态温度阈值Ts2，这表明PCM 冷却设备100中的PCM材料至少部分地处于固态，存储有冷能量。因此，利 用PCM冷却设备100来冷却有待冷却系统400。步骤74可以通过接通图6中 的阀门110，阻断阀门210，221和222，并设置PCM冷却设备的入口单元来实 现。此时，PCM冷却设备100通过流体通路610获取到有待冷却系统400所输 出的有待冷却工作流体，利用PCM材料存储的冷能量对工作流体进行冷却降 温之后，通过流体通路611将冷却的低温工作流体返回到有待冷却系统400。
图8示出根据另一实施例的控制冷却系统的方法的流程图。图8所示的方 法除了包括图7所示的步骤73和74之外，更详细地示出了步骤71中对各个参 数的比对；并且图8所示的方法还包括在其他条件下的执行步骤。具体地，根 据图8实施例的控制方法还包括步骤72，在外界温度AT高于上述第一温度阈 值T1且低于第二温度阈值T2的情况下，接通自然冷却设备200和有待冷却系 统400之间的工作流体通路，阻断与PCM冷却设备100相关的工作流体通路。 可以理解，由于外界温度AT低于第二温度阈值T2并高于上述第一温度阈值 T1，因此自然冷却设备200可以用于冷却有待冷却的系统，但是不能用于为 PCM冷却设备提供冷能量。因此，接通自然冷却设备200和有待冷却系统400 之间的工作流体通路，并阻断与PCM冷却设备100相关的工作流体通路。步 骤72可以通过接通图6中的阀门210，阻断阀门110，221和222来实现。此 时，自然冷却设备200通过流体通路620和621与有待冷却系统400构成工作 流体环路，对其进行自然冷却。
在一个实施例中，冷却系统600包括有压缩式冷却设备300。相应地，根 据一个实施例的控制方法还包括步骤75，在外界温度AT高于上述第二温度阈 值T2，且PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp高于上述熔化状态温度阈值 Ts2的情况下，接通压缩式冷却设备300和有待冷却系统400之间的工作流体 通路，阻断与PCM冷却设备100和自然冷却设备200相关的工作流体通路。 可以理解，由于外界温度AT>T2>T1，因此自然冷却设备200既不能用于冷却 有待冷却的系统，也不能用于为PCM冷却设备提供冷能量。另一方面，PCM 冷却设备中的PCM材料的温度Tp高于熔化状态温度阈值Ts2，这表明PCM材 料全都熔化为液态，不再具备冷却能力。因此，这样的情况下只能采用传统压 缩式冷却设备300来冷却有待冷却系统400。
在一个实施例中，在步骤70中获取有待冷却系统400的实际温度Tin，该 实际温度可以是流体入口处的流体温度或系统400内的温度。Tin可以通过读 取流体入口处或系统内设置的温度传感器的感测值而获得。在执行步骤 72,73,74之一的过程中，可以比较Tin与有待冷却系统400的设定冷却温度Tset， 以此确定当前冷却效率是否足够，并相应地调节冷却效率。在一个实施例中， 在Tin低于Tset的情况下，降低接通到有待冷却系统400的冷却设备的冷却效 率；在Tin高于Tset的情况下，增加接通到有待冷却系统400的冷却设备的冷 却效率。上述冷却效率的降低和增加可以通过分别降低和增加接通到有待冷却 系统的工作流体通路中的工作流体的流量来实现。更具体地，可以通过图6所 示的流量控制装置120和220调节工作流体的流量。在一个实施例中，在执行 步骤72,73,74之一的过程中，如果工作流体的流量已经调节至最大，但是实际 温度Tin仍然高于设定冷却温度Tset，这表明，当前采用的冷却设备的冷却效 率不足以将有待冷却系统400冷却到设定温度。此时，进一步接通压缩式冷却 设备300和有待冷却冷却系统400之间的工作流体通路，使得压缩式冷却设备 300进一步提供辅助的冷能量。
可以理解，以上控制冷却系统600的方法可以通过控制单元500来执行。 图9示出根据一个实施例的控制单元500的结构框图。如图9所示，控制单元 500包括参数获取模块50，参数比对模块51，第一控制模块53和第二控制模 块54。参数获取模块50配置为获取与冷却系统相关的温度参数和阈值参数， 其中温度参数包括外界温度AT和PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp，阈 值参数包括，表征PCM冷却设备100中的PCM材料凝固为固态所需的外界温 度的第一温度阈值T1，表征自然冷却设备200正常工作所需的外界温度的第二 温度阈值T2，和衡量PCM材料状态的材料状态温度阈值Ts，所述材料温度阈 值Ts又包括，表明PCM材料处于固态的凝固状态温度阈值Ts1和表明PCM材 料处于液态的熔化状态温度阈值Ts2。参数比对模块51配置为，将温度参数和 阈值参数进行比对以确定冷却系统适用的控制条件。
第一控制模块53配置为，在外界温度AT低于上述第一温度阈值T1的情 况下，接通自然冷却设备200和有待冷却系统400之间的工作流体通路，并接 通自然冷却设备200和PCM冷却设备100之间的工作流体通路，将PCM冷却 设备100设定为第一工作模式。
第二控制模块54配置为，在外界温度AT高于上述第二温度阈值T2，且 PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp低于上述熔化状态温度阈值Ts2的情况 下，接通PCM冷却设备100和有待冷却系统400之间的工作流体通路，阻断 与自然冷却设备200相关的工作流体通路，将PCM冷却设备100设定为第二 工作模式。
在一个实施例中，控制单元500还包括第三控制模块（未示出），配置为， 在外界温度AT高于上述第一温度阈值T1且低于第二温度阈值T2的情况下， 接通自然冷却设备200和有待冷却系统400之间的工作流体通路，阻断与PCM 冷却设备100相关的工作流体通路。
在一个实施例中，冷却系统600包括有压缩式冷却设备300。相应地，控 制单元500还包括第四控制模块，配置为，在外界温度AT高于上述第二温度 阈值T2，且PCM冷却设备中的PCM材料的温度Tp高于上述熔化状态温度阈 值Ts2的情况下，接通压缩式冷却设备300和有待冷却系统400之间的工作流 体通路，阻断与PCM冷却设备100和自然冷却设备200相关的工作流体通路。 此外，控制单元500还可以包括进一步的控制模块，用以执行结合图7和图8 所描述的各种操作。这些模块在此不再进行详细描述。
可以理解，以上控制单元500可以通过多种方式实施。在一个实施例中， 控制单元500通过硬件电路实现。例如，参数获取模块50可以实现为接口电路， 直接连接到各个温度传感器，获取其读数。参数比对模块51可以包括若干比较 器，用于比较温度参数和对应的阈值，并给出结果信号。各个控制模块根据参 数比对模块51的结果信号，向冷却系统中的通路控制部件，例如阀门、流量控 制装置等发出控制信号，以控制各个工作流体通路的接通或阻断。在一个实施 例中，控制单元500通过软件形式实现。例如，可以利用计算机程序形成软件 模块，来执行控制单元500中各个模块的功能。在另一实施例中，控制单元500 可以实现为硬件和软件结合的形式，例如可编程电路等。
利用以上的控制方法和控制装置，冷却系统600中的PCM冷却设备和自 然冷却设备被结合使用，从而在外界温度适当的情况下存储冷能量。这样的方 式能够显著地节省能量消耗。假定有待冷却系统是面积为100m2具有80kW热 负载的数据中心。假定PCM冷却设备具有10m3的PCM材料KF·4H2O，该 PCM材料的单位相变潜热为231kJ/kg，密度为1450kg/m3。那么这些PCM材 料的相变潜热为231*1450*10=3349500kJ。在这些PCM材料熔化为液态之前， 利用这些材料来冷却80kW的IT设备需要3349500kJ/80kW=11.3小时。因此， 完全有可能在夜间利用外界低温来存储冷能量，在白天释放这些冷能量来冷却 数据中心。并且，这样的操作适用于许多地区。以巴黎为例，从十月到第二年 五月，多数时间外界空气温度小于18℃。一般地，数据中心的冷却设定温度 Tset=18℃，因此，在这样的外界温度下，可以仅仅使用自然冷却设备进行冷却。 从六月到九月，白天外界温度将会大于18℃，但是夜间的温度仍然低于18℃， 这使得有可能在夜间利用PCM冷却设备来存储冷能量，用于白天的使用。可 以理解，在自然冷却设备可用的情况下，其能耗仅仅包括风扇的能耗。在夜间 同时开启自然冷却设备和PCM冷却设备的情况下，总能耗包括自然冷却设备 的风扇的能耗和PCM冷却设备用于存储冷能量的能耗。在白天采用PCM冷却 设备进行冷却的情况下，能耗包括PCM冷却设备的操作能耗。这些能耗均小 于传统压缩式冷却设备的能耗。以80kW的热负载为例，如果一天之中外界温 度在15-25℃之间，采用压缩式冷却设备进行冷却的能耗在20-25kw之间。采 用自然冷却设备和PCM冷却设备相结合的方式，估计能耗在10-13kw之间。 相比于传统冷却方式，能耗得到显著降低。
可以理解，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、 方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程 图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、 程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指 令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不 同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地 执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意 的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合， 可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专 用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的， 并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的 情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。 本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场 中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露 的各实施例。