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TW202411592A - 使用中空纖維之圓柱形及鑽石形蒸發冷卻器 - Google Patents

使用中空纖維之圓柱形及鑽石形蒸發冷卻器 Download PDF

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TW202411592A
TW202411592A TW111134183A TW111134183A TW202411592A TW 202411592 A TW202411592 A TW 202411592A TW 111134183 A TW111134183 A TW 111134183A TW 111134183 A TW111134183 A TW 111134183A TW 202411592 A TW202411592 A TW 202411592A
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water
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TW111134183A
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尼拉傑 西奈 博克
葛斯 維克多 安提拉
布蓮達 Ｂ 巴卓
史帝夫 狄恩 所羅門森
約翰 派翠克 貝松德
喬瑟夫 奧斯汀 鄧巴
艾巴赫 瑞葛胡那斯 喬許
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美商3M新設資產公司
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Abstract

一種用於蒸發冷卻之單元包括第一加蓋框架及與該第一框架相對之第二開放框架。柱係位於該第一框架與該第二框架之間且耦接至該第一框架及該第二框架。多孔中空纖維膜在該第一框架與該第二框架之間延伸且耦接至該第一框架及該第二框架的該等柱周圍，以形成內部容積。該第一框架及該第二框架經組態用於使水經由該膜而在其之間流動。該膜經組態以在該第一框架與該第二框架之間傳輸該水，且提供自該內部容積通過該膜之空氣流以用於蒸發冷卻。該冷卻單元可具有圓角方形或鑽石形橫截面形狀。

Description

使用中空纖維之圓柱形及鑽石形蒸發冷卻器
蒸發係成本及能量效率高之冷卻方式，且係用於調節資料中心、食品處理廠或辦公室建築物中之溫度。目前，使用纖維素墊來大規模地執行蒸發冷卻，諸如在資料中心中。熱乾燥空氣係藉由蒸發在纖維素墊上流動之水來冷卻，以在輸出上產生冷、濕空氣。此類型的冷卻需要大量水，且必須將介質維持在乾狀態或濕狀態中，以防止由於積垢或結晶鹽沉積之降解。排出至資料中心中之空氣的濕度位準可使用隔柵或擋板來控制，該等隔柵或擋板將輸入空氣導引僅通過介質之一部分或完全地圍繞介質在旁路導管中。因此，存在對於一種經改良蒸發冷卻系統的需求。
一種用於蒸發冷卻之單元包括第一加蓋框架及與該第一框架相對之第二開放框架。複數個機械支撐件係位於該第一框架與該第二框架之間且耦接至該第一框架及該第二框架。多孔中空纖維膜在該第一框架與該第二框架之間延伸且耦接至該第一框架及該第 二框架的該等支撐件周圍，以形成內部容積。該第一框架及該第二框架經組態用於使液體經由該膜而在其之間流動。該膜經組態以在該第一框架與該第二框架之間傳輸該液體，且提供通過該膜之空氣流以用於蒸發冷卻。
在一實施例中，該單元具有圓角方形橫截面形狀。在另一實施例中，該單元具有鑽石形橫截面形狀。
10:蒸發冷卻單元
12:前開放框架
14:機械支撐件
15:穿孔
16:多孔中空纖維膜
18:交叉支撐
20:加蓋後框架
22:流動
24:空氣流
30:水槽
32:進水線
34:泵
36:濾水器
38:入口
40:出口
42:返水線
50:鑽石形蒸發冷卻單元
52:加蓋框架
54:開放框架
55:凹槽
56:機械支撐件
58,60:埠
62:多孔中空纖維膜
64:流動
66:單元
68:柱
70:單元
72:柱
74:單元
76:柱
80:框架
82,84,86:線
90:蒸發冷卻單元
92:前框架
94:通道
96:流分離元件
98:水入口
100:水出口
102:後框架
104:連續通道
106:多孔中空纖維膜
108:水流入
110:水流出
〔圖1A〕係圓角方形蒸發冷卻單元之前截面視圖。
〔圖1B〕係圓角方形蒸發冷卻單元之側截面視圖。
〔圖2〕係用於蒸發冷卻單元之水再循環系統的圖示。
〔圖3A〕至〔圖3D〕係基於模型化資料之隔離圓柱形蒸發冷卻器的壓降及冷卻有效性之圖表。
〔圖4A〕至〔圖4B〕係方形面板之直排(in-line)及交錯式配置的圖示。
〔圖4C〕係三角形面板排列成六角形柵格的配置之圖示。
〔圖4D〕係繪示在面板之陣列中的流動溝流效應之圖示。
〔圖4E〕係用以減輕流動溝流之環形平截頭設計的圖示。
〔圖4F〕係串聯配置之面板的圖示。
〔圖5A〕至〔圖5D〕係基於模型化資料之圓柱形蒸發冷卻器的直排配置之壓降及冷卻有效性的圖表。
〔圖6A〕係鑽石形蒸發冷卻單元之前截面視圖。
〔圖6B〕係鑽石形蒸發冷卻單元之側截面視圖。
〔圖6C〕係鑽石形蒸發冷卻單元之透視圖。
〔圖7〕係繪示通過多個堆疊鑽石形蒸發冷卻單元之空氣流的圖示。
〔圖8A〕係具有分叉水流之蒸發冷卻單元的前視圖。
〔圖8B〕係具有分叉水流之蒸發冷卻單元的側視圖。
〔圖8C〕係具有分叉水流之蒸發冷卻單元的後視圖。
〔圖9〕係來自圖8A至圖8C中之實施例的模型化之水壓的圖表。
〔圖10A〕係實例之空氣導管的設計之側截面視圖。
〔圖10B〕係實例之空氣導管的設計之透視圖。
實施例包括使用具有具有多孔壁之中空纖維的膜之蒸發冷卻器，其提供增強的蒸發冷卻及減少的壓降。此構造包括針織纖維之陣列，其捲繞成環形圓柱、圓角方形或其他形狀且密封在兩端處，以允許液體水之流通過纖維。此環形圓柱之一端係開放以利空氣之通過，且另一端係加蓋，其迫使空氣流經纖維陣列以冷卻進入空氣。此構造可提供相較於摺疊式設計之簡易可製造性。此構造亦藉由系統性地增加面板之長度而提供面板效能之改善。此外，在圓柱周圍添加纖維陣列中之摺疊亦可由於表面積之增加而改良效能。具有非多孔壁之 具有中空纖維的此構造亦可工作為熱交換器。當空氣非常潮濕時，使用具多孔壁纖維亦可工作為熱交換器。
圓角方形冷卻器
圖1A及圖1B係蒸發冷卻單元10板構造之前截面視圖及側截面視圖，其包括使用圓角方形的針織纖維陣列，當作實例。單元10之透視圖係繪示在圖2中。如圖1A及圖1B中所示，此面板構造亦可用於任何其他橫截面形狀。單元10包括前開放框架12、機械支撐件(諸如柱)14、多孔中空纖維膜16及加蓋後框架20。框架12係開放式，由於框架12具有開口以允許空氣之通過或流動至單元10中。框架20係加蓋使得框架20至少部分地，且較佳的是完全地，阻擋在單元10中之空氣的通過或流動。作為一可選的替代方案，單元10可包括包覆在膜16內部之另一組機械支撐件周圍並與其間隔開的另一膜。單元10可係可攜式單元或非可攜式的。
諸如水之液體流動(22)在前框架12與後框架20之間。來自前框架12之空氣束或空氣流(24)係由後框架20迫使通過膜16之纖維以冷卻空氣。替代地，空氣可自外部單元10以其他方向流動至內部容積。單元10較佳地不具有核心，使得內部容積在框架之間敞開，以利通過內部容積之更有效的空氣流。空氣可透過膜16之纖維而引發成徑向流。框架12可以水平方向安裝在空氣導管中，且具有用於附接至空氣導管之機械結構，其具有風扇以透過膜16而自外部拉引空氣。
柱14在框架12與20之間延伸且耦接至該等框架，直接地或透過其他機械結構。柱14可具有諸如穿孔15之可選的穿孔。僅顯示單一穿孔15以供說明性目的；柱具有多個穿孔，而同時仍維持柱之機械穩定性。穿孔可提供通過柱之空氣流。柱14可彼此連接以提供更多支撐。例如，柱14可包括位於框架12與20之間的可選交叉支撐18，諸如在框架之間的中點或其他位置處。在柱14之間的交叉支撐18、或其他機械連接可使空氣流轉向通過單元10之內部容積。隔離柱之一可選擇性地使用作為管道，用以促進單元之服務及安裝。
柱14可具有圓形橫截面形狀，如所示；或其他形狀，諸如以下的替代方案及選項。柱可係圓隅角矩形條，例如0.75吋X 0.25吋，其中各隅角具有0.125吋之半徑且設定在相對於方形之周緣的45°角度。柱可係摺疊柱，其中1.5吋X 0.125吋之材料件被摺疊，使得橫截面變為0.75吋X 0.25吋。柱可係隅角柱，其係0.5吋X 0.5吋X 0.125吋角度鐵「L」形件。舉例而言，柱中之一或多者可係中空管道，用以促進在一個端(框架)上之所有水連接。
柱14較佳地由ABS塑膠所構成。替代地，柱可由不鏽鋼、鋁或玻璃纖維所形成。框架12及20較佳地由ABS塑膠所構成。替代地，框架可由PVC、苯乙烯、聚碳酸酯或金屬所形成。單元10之材料可可選地具有阻燃劑(Flame Retardant,FR)等級。
膜16(例如，針織纖維墊)在四個柱14(例如，包覆在其周圍)周圍延伸以形成內部容積，且可機械地定位在柱14與框架之間，如圖1A中所繪示，或在內框架總成與外框架總成之間。膜16 較佳地在柱14周圍形成連續環路，如圖1A中所示，用以產生內部容積；替代地，膜16可在柱周圍形成不連續環路。膜16中之中空纖維係密封在框架之兩個端處。舉例而言，膜16之纖維可以環氧樹脂固持在框架中，其具有中空纖維之開口端以接收水或其他液體。作為另一實例，膜16中之纖維的端可由黏著劑固持，該黏著劑可接著經切割以打開纖維之端，且端板可固定在纖維之開口端上方。替代地，單元10可具有框架構造，其中框架支撐中空纖維之開口端，其接著附接至系統中之空氣處置器單元，該系統具有用於使水循環通過中空纖維膜之水通道。
膜16可包括多個層，例如包覆在柱14周圍之27-33層。替代地，可增加膜16之長度(Lf)以減少層數。膜係疏水性的(至少在內部上)。空氣自面板前方流動且通過纖維，其中蒸發冷卻空氣。通過纖維之空氣流速度係由於增強的表面積而降低。以下係中空纖維膜之例示性參數：0.01至0.2微米(且較佳的是0.03至0.04微米)之孔隙大小；25%至80%之孔隙度；15至75微米(且較佳的是25至50微米)之壁厚度(單一層)；以及每吋20至60個纖維(且較佳的是每吋35至53個纖維)之針織密度。中空纖維膜之實例係揭示在美國專利第9,541,302號中。中空纖維膜之實例亦包括在以下產品中：來自3M公司之LIQUI-CEL MM Series Membrane Contactor(產品ID B5005009013)及來自3M公司之LIQUI-CEL SP Series Membrane Contactor Cartridge(產品ID B5005009016)。
圖2係用於蒸發冷卻單元10之水再循環系統的圖示。水槽30將進水線32上的水提供至泵34，其將水循環通過濾水器36而至框架12中之入口38。框架20上之出口40將水提供至返水線42而回至水槽30。替代地，水可在框架20接收水的其他方向上流動。可選地，一個框架可包括入口及出口兩者。水可具有特定類型的品質。水再循環系統可可選地包括用以控制水環路內之礦物質積累的陽極/陰極特徵。
針對圖1A及圖1B中所示之構造，進入空氣之速度U係藉由面積之增強而大幅降低，且跨越纖維之局部空氣速度係約由以下所給出
Figure 111134183-A0202-12-0007-1
 其中A係該構造之面板前面積，P係纖維墊之近似周長而L f 係經暴露纖維之長度。本文所描述之面板的前面積係W 2，W係如圖1B中所示之邊長。局部速度U l 可藉由增加L f 而系統性地降低。其他設計變數(諸如開放區域柱大小)之效應可獲自數值模擬或實驗。速度降低因子λ係定義為通過該纖維堆疊之平均局部速度與在面板之前面上進入的空氣速度之比，並藉由以下來數學地給出：
Figure 111134183-A0202-12-0007-2
 λ之值係設計之特性特徵，且針對給定構造而固定。通過纖維之局部速度係約由U l =λU所給出。面板(中空纖維膜)之有效性應增加，且壓降隨著減少λ之值而減少。冷卻有效性
Figure 111134183-A0202-12-0008-36
係由以下給出：
Figure 111134183-A0202-12-0008-3
 其中T in 係入口空氣溫度，T out 係出口空氣溫度且T wb 係在入口空氣溫度及相對濕度下之濕球溫度。
Figure 111134183-A0202-12-0008-37
之值量化來自冷卻裝置之最大可用蒸發冷卻的分數。通過面板之空氣流亦可在相反於圖1B中所示一者的方向。
對空氣側壓降之R roll,in 的效應係使用運算流體動力學(CFD)計算而獲得，且其對冷卻有效性之效應係獲自數值模擬工具。在針對R roll,in 及L f 之不同值的U=3.5m/s處之本文中所描述的面板構造之壓降係展示在圖3A中。針對此設計，面板之寬度W係固定至12"及R c =0.5"。由於
Figure 111134183-A0202-12-0008-4
之降低，壓降係隨著增加給定L f 的R roll,in 來降低。類似地，針對給定R roll,in ，壓降係藉由增加模組之長度L f 而降低。隨R roll,in 及L f 而變動之單一面板的冷卻有效性亦展示在圖3B中。有效性隨著減少的R roll,in 及增加的L f 而增加，由於λ之相關聯減少或跨越纖維之局部空氣速度U l 的等效減少。
壓降係展示隨圖3C中之面速度U而變動。壓降係U之二次函數，如針對由一組圓柱所形成的多孔介質所預期。因此，在兩種設計之間的壓降之差異在較高的速度下更明顯。有效性亦針對圖3D中之兩種設計而展示，其隨著增加速度而減少。斜率(d
Figure 111134183-A0202-12-0008-38
/dU)針對具有 較長L f 係更和緩的，因為該設計具有較低的λ(或流過纖維之較低空氣速度)。可以基於冷卻需求、壓降限制及面板的可用空間來選擇適當的纖維長度。
在某些情境中，可一起使用多個面板來處置較大的冷卻負載。不同的面板配置係展示在圖4A至圖4F中。圖4A至圖4B係方形面板之直排及交錯式配置的圖示。圖4C係三角形面板排列成六角形柵格的配置之圖示。圖4D係繪示在面板之陣列中的空氣流溝流效應之圖示。圖4E係用以減輕流動溝流之環形平截頭設計的圖示。圖4F係串聯配置之面板的圖示。圖4A至圖4F中所示之模組化配置可提供導致省水的操作。
在方形面板構造中，面板效能係使用圖4A中所示之直排面板配置而展示在面板集合中。此一面板配置可用於大型蒸發冷卻器中或用於空氣處置器單元中，其通常具有具矩形橫截面之導管。面板集合之流體流略微地改變自如圖4D中所示之經隔離面板構造。流體行經在面板集之出口側上的相鄰面板之間的環形區。此流動溝流效應具有在經隔離板構造中不存在的額外壓降。面板亦可串聯配置以獲得在出口空氣中之較高的蒸發冷卻。
隨著R roll,in 而變動之面板集合的壓降係展示在圖5A中(o符號)，針對相對於圖3A至圖3D所討論的相同面板設計。
在圖5A至圖5D中，方形符號係無溝流之情況，而圓圈係具有溝流效應之情況。圖5A亦具有經隔離面板(x符號)之對應的壓降值。方形符號係經隔離面板結果。相較於經隔離的面板結果， 流動溝流係負責更大的壓降數。壓降隨著針對此設計之R roll,in 的小值增加R roll,in 直至R roll,in ~4.2"而降低，如自經隔離面板結果所預期。然而，壓降隨著進一步增加R roll,in (由於流動溝流效應)而開始增加。隨R roll,in 之壓降改變係小的，接近約R roll,in ~4.2"之此最佳值，其中溝流效應小且λ亦足夠小。最佳4.2"值係僅針對本文中所描述之構造，其中W=12"。模擬結果展示：有效性不會顯著受到溝流效應影響，且應保持相當於經隔離面板值。此有效性亦應實際上維持，因為蒸發程序係發生在個別纖維壁附近之局部程序。局部流體流應影響整體蒸發效率。由於在流動溝流區中之擾動而導致回流至纖維陣列中的可能性通常係小的。
圖5A及圖5B各別地展示隨在U=3.5m/s處之R roll,inner 而變動的圓柱形蒸發冷卻器之直排配置的壓降及冷卻有效性(填滿的o符號)，以及隨具有R roll,in =4.2"之U而變動的圓柱形蒸發冷卻器之直排配置的壓降及冷卻有效性(o符號)。亦展示經隔離面板之壓降及有效性的對應值(x符號)。在所有設計中R c =0.5"。
圖5C及圖5D亦各別地展示隨U而變動之壓降及有效性(o符號)。經隔離面板之壓降亦展示在圖5C中以用於比較。相較於經隔離面板，流動溝流效應導致較高數目的直排面板配置。有效性之稍微降低係歸因於流動場之小改變，其將發生在纖維之末端附近。流動溝流效應可透過如圖4E中所示之環形平截頭類型構造來減輕，其中通道之平均間隙增加。替代地，結構(例如，圓錐體)可位於內部容 積內，諸如抵靠加蓋端，其中該圓錐體延伸至內部容積中，用以破壞或以其他方式改變空氣流。
鑽石形冷卻器
圖6A、圖6B及圖6C各別係包括針織纖維陣列之鑽石形蒸發冷卻單元50的前截面、側截面、及透視圖。如圖6A至圖6C中所示，單元50包括開放框架54、機械支撐件(諸如柱)56、多孔中空纖維膜62及加蓋框架52。作為一可選的替代方案，單元50可包括包覆在膜62內部之另一組機械支撐件周圍並與其間隔開的另一膜。單元50可係可攜式單元或非可攜式的。框架可具有凹槽，諸如圖6C中所示之凹槽55，用於固持膜62之邊緣。圖6C展示無膜62以供說明性目的。
如圖6A中所示，單元50具有鑽石形或菱形狀橫截面形狀。此例示性鑽石形狀具有實質上彼此平行的第一對的邊及實質上彼此平行的第二對的邊。第一對的邊係實質上與第二對的邊非平行。具體而言，橫截面形狀包括介於20°或30°或更大且小於90°的兩個邊之間的銳角(例如，在柱56處之角度)。相對的銳角通常相同，但可不同且仍在20°至多但小於90°之所述範圍內。該等邊可具有相等長度，如圖6A中所表示，或該等邊之一或多者可具有不相等長度。若該等邊之至少一些具有不同長度，則相對的銳角可不同。
單元50可具有埠58及60，用於通過膜62之水或其他液體的再循環。例如，在圖2之水再循環系統中，埠58可耦接至進水 線32，而埠60可耦接至返水線42，用於通過膜62之水或其他液體的循環。替代地，框架中之一者可具有用於通過膜及相對框架之水或其他液體的循環之兩個埠。
以下係單元50之例示性尺寸：19 5/8吋的介於框架之間的長度；17吋的介於相對柱之間的寬度；及6.25吋的介於相對柱之間的高度。
諸如水之液體流動(64)在框架54與框架52之間。空氣束或空氣流經迫使通過膜62，如下文所描述，以冷卻空氣。單元50較佳地不具有核心，使得由膜62所形成的內部容積在框架之間敞開，以利通過內部容積之更有效的空氣流。
柱56在框架54與52之間延伸且耦接至該等框架，直接地或透過其他機械結構。柱56可具有諸如圖1A中所示的穿孔15之可選的穿孔。穿孔可提供通過柱之空氣流。柱56可彼此連接，以提供更多支撐，例如使用諸如圖1A中所示之可選的交叉支撐18之交叉支撐。隔離柱之一可選擇性地使用作為管道，用以促進單元之服務及安裝。柱56可具有例示性形狀及尺寸，如以上相關於圖1A及圖1B中所示之實施例所描述。柱56及框架54和52可由例示性材料所構成，如以上相關於圖1A及圖1B中所示之實施例所描述。
膜62(例如，針織纖維墊)在四個柱56(例如，包覆在其周圍)周圍延伸以形成內部容積，且可機械地定位在柱56與框架之間，如圖6A中所繪示，或在內框架總成與外框架總成之間。膜62較佳地在柱56周圍形成連續環路，如圖6A中所示，用以產生內部容 積；替代地，膜62可在柱周圍形成不連續環路。膜62中之中空纖維係密封在框架之兩個端處，在凹槽55中或者以其他方式。舉例而言，膜62之纖維可以環氧樹脂固持在框架中，其具有中空纖維之開口端以接收水或其他液體。作為另一實例，膜62中之纖維的端可由黏著劑固持，該黏著劑可接著經切割以打開纖維之端，且端板可固定在纖維之開口端上方。替代地，單元50可具有框架構造，其中框架支撐中空纖維之開口端，其接著附接至系統中之空氣處置器單元，該系統具有用於使水循環通過中空纖維膜之水通道。
膜62可包括多個層，例如包覆在柱56周圍之27-33層。替代地，可增加膜62之長度以減少層數。膜係疏水性的(至少在內部上)。空氣流經纖維，其中蒸發冷卻空氣。通過纖維之空氣流速度係由於增強的表面積而降低。以下係中空纖維膜之例示性參數：0.01至0.2微米(且較佳的是0.03至0.04微米)之孔隙大小；25%至80%之孔隙度；15至75微米(且較佳的是25至50微米)之壁厚度(單一層)；以及每吋20至60個纖維(且較佳的是每吋35至53個纖維)之針織密度。中空纖維膜之實例係揭示在美國專利第9,541,302號中。中空纖維膜之實例亦包括在以下產品中：來自3M公司之LIQUI-CEL MM Series Membrane Contactor(產品ID B5005009013)及來自3M公司之LIQUI-CEL SP Series Membrane Contactor Cartridge(產品ID B5005009016)。
圖7係繪示通過多個堆疊鑽石形蒸發冷卻單元之空氣流的圖示。此實例包括三個鑽石形冷卻單元：具有柱68之單元66；具 有柱72之單元70；及具有柱76之單元74。冷卻單元66、70及74可固持在框架80內。介於單元66與70之間(及介於單元70與74之間)的兩個柱可彼此耦接，如所示。單元66中的該等柱中之一者及單元74中之一者可耦接至框架80，如所示。冷卻單元66、70及74可如以上相關於冷卻單元50所描述來建構。空氣流係由：線82繪示通過單元66之空氣流、線84繪示通過單元70之空氣流及線86繪示通過單元74之空氣流。如所示，空氣從冷卻單元之外部流經膜及內部容積，且接著回到冷卻單元外部。
多個經堆疊鑽石形蒸發冷卻單元可可選地具有在出口空氣側處之「無效空間」區中的填充物材料。此填充物材料將協助防止漩渦在流動場中發展，且允許更多潮濕空氣達到資料伺服器，例如，改善此交叉流設計之效率。填充物材料可位於柱68與框架80之間、於柱76與框架80之間、於一起耦接在單元66與70之間的柱之間以及於一起耦接在單元70與74之間的柱之間。
分叉水流
圖8A、圖8B及圖8C各別係具有分叉水流之蒸發冷卻單元90的前視圖、側視圖及後視圖。單元90包括前框架92，其具有通道94及流分離元件96，其將通道94劃分成兩個通道且防止在兩個通道之間的水之流動。單元90之後框架102包括連續通道104。通道94及104可藉由機械加工框架來形成以產生凹槽，且流分離元件96可藉由不機械加工隅角來形成，使得框架之彼等部分阻斷水流。具有 中空纖維之多孔中空纖維膜106係位於前框架92與後框架102之間。在使用中，前框架92包括水入口98，以供水流入(108)通過膜106中之中空纖維而至後框架102。水在壓力下經迫使通過後框架102中之通道104，以供水流出(110)至前框架92中之水出口100。
在此實施例中，水入口及水出口係因此位於框架92中之單元90的相同側上。此特徵使水通道分叉並將水向下傳送該單元之兩個連續面，並往回通過其他兩個連續面。在單元90中，水流至頂部兩個表面中之右側，且返回至底部兩個表面中之左側。替代地，單元90可包括在框架92及102兩者上之水入口及出口，以使水流分叉在兩端上。此特徵可提供針對終端使用客戶之優點，包括在操作期間之組裝的簡易及較低的空氣壓降。再者，在此實施例中，不需要使用管道作為柱中之一者，以在單元的端(框架)之間傳輸水。
單元90可具有如圖1A及圖1B中所示之單元10的類似組態、特徵及材料，除了該分叉水流特徵外。具體而言，框架92可係開放框架，且框架102可係加蓋框架。替代地，框架102可包括入口、出口及流分離元件，其中框架92具有連續通道。框架92可耦接至具有機械支撐件(諸如柱)、具有包覆在柱周圍之膜106的框架102。膜106可固持在具有黏著劑之框架中，其中在膜106中之纖維的開放端係與在框架中之通道流體通連。膜106可具有如以上針對單元10所描述之特性。在使用中，入口98可耦接至進水線32(參見圖2)，且出口100可耦接至返水線42。
分叉水流特徵亦可併入圖6A至圖6C中所示之鑽石形蒸發冷卻單元50中。
模型化已展示此分叉水流設計在操作期間不會負面地影響冷卻效率或空氣壓降。模型化中之僅有明顯改變在於：通過纖維的水壓應高於如圖1A及圖1B中所示之設計的四倍，以每分鐘流率的相同加侖。此改變係由於水行進了如許多纖維開口行進一半的兩倍般遠。圖9係來自此實施例之模型化的水壓之圖表。
實例
這些實例僅用於闡釋之目的，並非意圖限制隨附申請專利範圍之範疇。
Figure 111134183-A0202-12-0016-5
Figure 111134183-A0202-12-0016-6
Figure 111134183-A0202-12-0017-7
實例
蒸發冷卻單元之構造
圖1A及1B展示蒸發冷卻單元。此係藉由將4個柱(15.5吋長，¾吋直徑-來自International Plastics之ABS)組裝成底部及頂端端框架(7.5吋內開口-ABS)。18.5吋寬的針織HFPM陣列係捲繞在支撐柱周圍，且利用黏著劑珠而固持定位在頂部及底部邊緣處。蒸發冷卻單元係以33圈的針織HFPM來建置。接下來，將外框架(ABS)附接在頂部及底部框架周圍且以黏著劑密封定位。在黏著劑凝固之後，將端蓋附接至內/外框架總成之各端，以形成與HFPM通連之¼吋水通道。加蓋柱(1/4吋NPT)係形成在端蓋之頂部及底部上以促進水流至及自蒸發冷卻單元。1/8吋鋁蓋係附接至蒸發冷卻單元之下游側框架以閉合單元之此端。
測試
設備
為了表徵蒸發冷卻單元之效能，組裝由具有封閉體之空氣導管、封閉環路水再循環系統及測量設備所組成的空氣處置單元。
空氣導管、封閉體、及安裝底板
針對空氣導管之設計係各別地展示在圖10A及圖10B中，以側截面及透視圖。用於安裝蒸發冷卻單元之具有底板的塑膠玻璃封閉體經建置以附接至空氣導管之入口側。蒸發冷卻單元係附接有對準至底板之切口孔的開口側，以允許氣流至單位中。
空氣循環/加熱設備及空氣測量裝置
為了致能空氣移動，將兩個鼓風機附接至空氣導管之端的出口側。為提供經加熱空氣，將熱空氣槍插入至空氣導管之入口側中。該槍在高設定上操作。將空氣溫度及濕度感測器安裝在空氣導管之入口及出口處。亦安裝空氣壓力計以測量跨蒸發冷卻單元之壓降。
封閉環路水再循環系統-圖2
安裝水再循環系統以使水循環通過蒸發冷卻單元。使用具有支架(30)之10加侖塑膠水槽來固持水。在槽下方之重力給水係以塑膠管路加工以將水遞送至水泵(34)。該泵將水傳送通過入口水流計、濾水器(36)、水壓計，且最終至蒸發冷卻單元(10)之水入口中。水行進通過HFPM而至蒸發冷卻單元之出口側。將塑膠管路附接並連接至出口水壓計、出口水流計，且最終連接至水槽之側。此形成一封閉 系統以使水再循環通過該系統。使用具有K型熱電偶之水溫感測器以監測槽中之水溫度。
測試條件及結果
使水以1加侖/分鐘再循環通過33層蒸發冷卻單元。入口水壓係8.5psi而出口水壓係3psi。槽中之水溫度係74.9度F。將鼓風機導通至設定6。測量空氣速度並計算出715ft3/min之體積流。測量出水之0.78吋的空氣壓力。測量出入口及出口空氣溫度及%相對濕度值，如表3中所示。濕球溫度經測定為68度F。冷卻有效性係根據式3來計算，以百分比表示。
Figure 111134183-A0202-12-0019-8
10:蒸發冷卻單元
12:前開放框架
16:多孔中空纖維膜
20:加蓋後框架
22:流動
24:空氣流

Claims (43)

  1. 一種用於蒸發冷卻之單元，其包含：
    第一加蓋框架；
    與該第一框架相對之第二開放框架；
    複數個機械支撐件，其等介於該第一框架與該第二框架之間且耦接至該第一框架及該第二框架；及
    多孔中空纖維膜，其在該第一框架與該第二框架之間的該等機械支撐件周圍延伸以形成內部容積，且耦接至該第一框架及該第二框架，
    其中該第一框架及該第二框架經組態用於使液體經由該膜而在該第一框架與該第二框架之間流動，且該膜經組態以在該第一框架與該第二框架之間傳輸該液體並提供通過該膜之空氣流以用於蒸發冷卻。
  2. 如請求項1之單元，其中該複數個機械支撐件包含柱。
  3. 如請求項2之單元，其中該複數個柱形成具有圓角之方形形狀。
  4. 如請求項2之單元，其中該複數個柱形成多邊形形狀。
  5. 如請求項2之單元，其中該等柱之一或多者經穿孔。
  6. 如請求項2之單元，其中該等柱由塑膠材料構成。
  7. 如請求項2之單元，其中該等柱之一者包含用於傳輸該液體之管道。
  8. 如請求項1之單元，其中該膜在該等柱周圍形成連續環路。
  9. 如請求項1之單元，其中該膜具有複數個層。
  10. 如請求項1之單元，其中該液體係水。
  11. 如請求項1之單元，其中該第二框架經組態用於附接至空氣導管。
  12. 如請求項1之單元，其進一步包含耦接至該第一框架及該第二框架之泵，用於使該液體循環通過該膜。
  13. 如請求項12之單元，其進一步包含耦接至該泵之過濾器。
  14. 如請求項1之單元，其中該單元經組態以使空氣自該內部容積循環通過該膜。
  15. 如請求項1之單元，其進一步包含介於該等機械支撐件之間並耦接至該等機械支撐件的交叉支撐。
  16. 如請求項1之單元，其中該內部容積在該第一框架與該第二框架之間敞開。
  17. 如請求項1之單元，其中該第一框架及該第二框架由塑膠材料構成。
  18. 如請求項1之單元，其中該膜中之纖維的端係藉由黏著劑來固持，其中該等端係開放的。
  19. 如請求項1之單元，其中該第二框架包括入口，且該第一框架包括出口。
  20. 如請求項1之單元，其中該第一框架或該第二框架包括入口、出口、用於該入口之第一通道、用於該出口之第二通道、及介於該第一通道與該第二通道之間的流分離元件。
  21. 如請求項20之單元，其中該第一框架或該第二框架包括連續通道。
  22. 如請求項1之單元，其中該膜具有0.01至0.2微米之孔隙大小。
  23. 如請求項1之單元，其中該膜具有25%至80%之孔隙度。
  24. 如請求項1之單元，其中該膜具有15至75微米之壁厚度。
  25. 如請求項1之單元，其中該膜具有每吋35至53個纖維之針織密度。
  26. 一種用於蒸發冷卻之單元，其包含：
    第一框架；
    與該第一框架相對之第二框架；
    複數個機械支撐件，其等介於該第一框架與該第二框架之間且耦接至該第一框架及該第二框架；及
    多孔中空纖維膜，其在該第一框架與該第二框架之間的該等機械支撐件周圍延伸以形成內部容積，且耦接至該第一框架及該第二框架，
    其中該第一框架及該第二框架經組態用於使液體經由該膜而在該第一框架與該第二框架之間流動，且該膜經組態以在該第一框架與該第二框架之間傳輸該液體並提供通過該膜之空氣流以用於蒸發冷卻，
    其中具有該等機械支撐件之該第一框架及該第二框架形成該單元之鑽石形橫截面形狀。
  27. 如請求項26之單元，其中該複數個機械支撐件包含柱。
  28. 如請求項27之單元，其中該等柱之一或多者經穿孔。
  29. 如請求項27之單元，其中該等柱由塑膠材料構成。
  30. 如請求項27之單元，其中該等柱之一者包含用於傳輸該液體之管道。
  31. 如請求項26之單元，其中該膜在該等柱周圍形成連續環路。
  32. 如請求項26之單元，其中該膜具有複數個層。
  33. 如請求項26之單元，其中該液體係水。
  34. 如請求項26之單元，其進一步包含用於自泵接收該液體之第一埠及用於送回該液體之第二埠。
  35. 如請求項26之單元，其中該單元經組態以使空氣自該單元之外部循環通過該膜及該內部容積，且接著回到該單元外部。
  36. 如請求項26之單元，其中該第一框架及該第二框架由塑膠材料構成。
  37. 如請求項26之單元，其中該膜中之纖維的端係藉由黏著劑來固持，其中該等端係開放的。
  38. 如請求項26之單元，其中該膜具有0.01至0.2微米之孔隙大小。
  39. 如請求項26之單元，其中該膜具有25%至80%之孔隙度。
  40. 如請求項26之單元，其中該膜具有15至75微米之壁厚度。
  41. 如請求項26之單元，其中該膜具有每吋35至53個纖維之針織密度。
  42. 如請求項26之單元，其中該鑽石形橫截面形狀具有相等長度之複數個邊。
  43. 如請求項26之單元，其中該鑽石形橫截面形狀具有複數個邊，且該等邊之至少兩個具有不同長度。
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