CN104864624A - 两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统，包括依次串联的泵/压缩机一体动力核心、过滤器、流量计、第一四通换向阀、蒸发器、冷凝器、第二四通换向阀、气液分离器及分离支路含有两个单向阀和一个电子膨胀阀以及一个流量调节阀。被冷却电子设备贴在蒸发器换热冷板上，电子设备表面的最高温度信号控制两个四通换向阀的换向动作。常规工况下，系统以两相冷却方式在蒸发器内以沸腾换热方式冷却电子设备，具有节能的特性。当环境温度变化或热负荷增大时，电子设备表面温度超过设定值时，控制设备采取动作信号，以气体压缩制冷的方式降低电子设备的温度，克服两相冷却在高环境温度工况下的不足，保证电子设备的正常运行。

Description

两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统

技术领域

本发明涉及一种可对大功率电子设备冷却降温的装备，特别涉及一种自适应环境温度和热负荷变化的两相冷却/气体压缩一体化、可较大程度节约能源的冷却系统。

背景技术

伴随着IT的蓬勃发展，数据中心的能量消耗越来越庞大。据不完全统计，2011年数据中心消耗电能为1000亿kWh，并且呈10-20％的增长速度逐年递增。按目前增长速度，至2030年，数据中心将消耗全部的电能。而在这所有的能耗中，有45％用于芯片等电子设备冷却的非IT科技的能量消耗，这无疑是一种巨大的能源浪费。

目前数据中心电子设备的冷却主要采用风冷方式，通过制冷设施降低室内空气，采用强制对流的方式降低电子设备的温度。常常有40％或者更多的气流通过服务器机壳或支架等设施流通，这种能量的损耗是非常大的。而且，风冷本身其换热系数较低，冷却极限有限，面对较大负荷的热源，往往需要较大的功率以提供足够的空气流速，弥补其换热性能较差的缺点。

除了普遍使用的风冷技术，电子设备的冷却方式还有两相冷却和气体压缩制冷两种方式。两相冷却和气体压缩制冷都是采取工质流经冷板，而换热冷板与电子设备之间接触导热的方式对电子设备进行冷却。两相冷却系统是采用工质泵输送液相工质至换热冷板，液相工质在换热冷板内吸收电子设备的能量发生沸腾换热，两相状态的工质自换热冷板出口流出进入冷凝器冷凝。气体压缩制冷的原理类似与空调制冷，蒸发器即为紧贴电子设备的换热冷板，低温的液相工质在换热冷板内蒸发，从而冷却电子设备。研究表明，达到相同冷却效果的条件下，两相冷却的能耗是风冷的6％，气体压缩制冷能耗是风冷的37％。两相冷却因其自身的安全性，高效性及自适应工况性能可以成为数据中心等电子设备冷却的主要冷却方式。

然而，两相冷却系统其冷凝温差一般较小，尤其是当环境温度较高，如在夏季，对冷凝器的要求将会比较苛刻，且是否具有足够的冷凝能力都将成为比较大的问题。另一方面，环境温度的增高，循环工质温度相应的增高，冷却极限下降的同时，换热性能也会变差，即使换热系数保持不变，由Q＝hΔt可知，电子设备能够保持的温度也将会上升，很难保证在高环境温度下是否具有足够大的冷却效能。其次，电子设备的热源负荷一般也不是一尘不变的，当负荷超过设计负荷，冷凝器冷凝能力不足时，循环工质的温度也会逐渐升高，从而使得电子设备的温度可能超过额定温度，从而降低了电子设备的性能。这些缺点都制约着两相冷却系统的实际运用。

从气体压缩制冷系统考虑，在负荷较小，或环境温度较低的情况下，使用该方式不仅仅是对能源的极大浪费，而且负荷较小时，降低的蒸发温度往往可能使得电子设备的温度降低的更多，可能使得电子设备的温度过低而降低运行特性。一般地，电子设备需要在一个稳定的温度下运行，才能达到最佳的工作特性。为此，研究切实可行的电子设备冷却系统，不仅可以使得电子设备在稳定的工况下高效运行；而且在能源紧缺的大环境下，节能势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低能耗的同时，可自适应环境温度与热负荷变化的电子设备冷却系统。

为了达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统，包括作为液体泵及气体压缩机的一体化机，其进口连接第一四通换向阀的1号口；出口通过流量计与第二四通换向阀的4号口相连，该一体化机的进口与出口之间跨接有流量调节阀；所述第一四通换向阀的2号口与气液分离器的气相通道相连；4号口与气液分离器的液相通道相连，第二四通换向阀的1号口连接蒸发器的一端；3号口连接冷凝器的一端；2号口与第一四通换向阀的3号口相连；所述蒸发器另一端与冷凝器另一端之间分两路相接，其中一支路串接有第一单向阀，另一支路串接有第二单向阀和电子膨胀阀，两单向阀的流通方向相反；所述蒸发器上设有连接控制设备的温度传感器。

上述方案中，所述一体化机的出口与流量计连接之间，设有过滤器。

所述一体化机为滚动转子式，吸气口和排气口由中间滑片分割，中间滑片的运动由弹簧和固定挡板约束，吸气口为开口形式，排气口设有排气阀片。

所述的温度传感器安置在蒸发器所贴电子设备上，并根据电子设备形状及大小决定温度传感器数量。

与现有技术相比，本发明的优点是：

对电子设备的主要冷却方式采用两相冷却，可以极大的降低能耗。两相冷却和气体压缩制冷一体机的设计，克服了在高环境温度或高热负荷下或冷凝器冷凝效果不足条件下，导致循环工质温度升高，冷却性能变差，甚至损坏电子设备的问题。两相冷却依靠液相工质在蒸发器内的沸腾换热吸收电子设备的热量，从而达到冷却降温的目的。电子设备的表面温度不仅跟换热系数有关，还跟循环工质温度有直接关系。在夏季或是其他高温天气，环境温度的升高，使得循环工质温度升高，两相冷却效果变差；同时冷凝效果变差，若此时冷凝不足，循环工质温度将进一步升高，从而可能达不到预期冷却效果，甚至损坏电子设备。本发明可以根据电子设备表面的温度采集信号，及时的转换冷却方式，从而保证电子设备表面的温度在安全范围内。

采用两相冷却和气体压缩制冷一体机的设计方式，使得管路得以简化，减少了管路和配件的使用。可以将系统其他部件全部安置在一个特定的位置，仅仅依靠两根因此的管路接入贴有电子设备的换热冷板即可完成对任意位置的电子设备冷却降温，操作简单，不影响电子设备的空间安放。相比风冷和单一的气体压缩制冷方式，在满足冷却效果的前提下，可明显降低能耗，

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明结构图。

图2为图1中一体化机的具体结构示意图。

图1～图2中：101、风扇；102、冷凝器；103、第一单向阀；104、第二单向阀；105、电子膨胀阀；106、蒸发器；107、第二四通换向阀；108、流量计；109、过滤器；110、流量调节阀；111、一体化机(抽送液体是可看作泵使用，输送气体时为压缩机)；112、第一四通换向阀；113、气液分离器。114、弹簧；115、排气阀片；116、排气口；117、缸体；118、偏心转子；119、中间滑片；120、吸气口；121、固定挡板。

具体实施方式

参见图1，一种两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统，其动力核心一体化机111进口(吸气/液口)经四通换向阀112分别接气液分离器113的气相通道和液相通道；压缩机出口(排气/液口)接过滤器109，过滤器主要用于保护流量计108及蒸发器106、电子膨胀阀105等部件，防止杂质损坏流量计或造成流量计测试不准以及堵塞电子膨胀阀、或损坏特制的贴有电子设备的换热冷板。过滤器出口接流量计，主要测量系统流量，并给出流量信号给予控制设备调节流量调节阀110开度，以适应在满足冷却条件下尽可能降低系统功耗。流量计出口接四通换向阀107，其两个出口分别接在蒸发器106一端和冷凝器102一端，以此保证冷凝器和蒸发器的角色在两类冷却方式下保持不变。蒸发器另一端、冷凝器另一端之间分两路相接，其中一支路串接有单向阀103，其在两相冷却方式下呈流通状态；另一支路串接有流通方向相反的单向阀104，在气体压缩制冷状态下呈流通状态，该单向阀104所在支路接有电子膨胀阀105，实现气体压缩制冷方式下的节流功能。此外，蒸发器上接有温度传感器，可实时测量电子设备表面的温度，并将温度信号传递给控制设备，为了保证电子设备的安全运行，电子设备表面的传感器数目采取以电子设备形状为基准，安置多个温度传感器的方式，测量温度分别为T₁、T₂、T₃···，令电子设备的安全温度为T_s。

在常规工况下，系统处于两相冷却方式稳定运行，动力核心一体化机充当液体泵的角色，工质由气液分离器113出液口流出，按图1中空心箭头方向，自四通换向阀112的4号端口流经1号端口进入液体泵，由液体泵出口流经过滤器、流量计进入四通换向阀107的4号端口，此时四通换向阀处的4-1通道和3-2通道流通状态，液相工质经四通换向阀107流入蒸发器，蒸发器是贴有电子设备的换热冷板，液相工质在换热冷板内吸收电子设备的热流发生沸腾换热，部分液相转变为气相，带走大量热量，维持电子设备表面的温度平衡，工质呈两相状态流出蒸发器，此时单向阀103处于流通状态，两相状态的工质流经单向阀进入冷凝器，在风冷(风扇101)的条件下冷凝为液相，并流入四通换向阀107的3号端口，经3-2通道流入四通换向阀112的3号端口，再经四通换向阀112的3-2通道流入气液分离器，完成一个循环。实际上，换热冷板是可以采取多支路并联的方式同时对多组电子设备冷却降温的，当因工作需要某些支路关闭或新开启时，所需要的总系统流量发生改变，可以通调节跨接在压缩机进、出口之间的流量调节阀110的开度来降低或增大系统流量，以满足总的冷却效果。

当环境温度、热负荷等系统工况发生改变，电子设备表面温度升高，若

Max{T₁、T₂、T₃···}>＝k_sT_s        (1)

其中k_s为安全系数，一般情况下选择0.95即可，主要是由于在冷却方式转化的时间间隙内，系统内的流量、压力等信号尚处于不稳定状态。若达到电子设备表面温度的安全值才采取动作信号，很可能会因为系统的不稳定因素导致电子设备性能变差，甚至烧毁电子设备。

当判断信号满足式(1)时，控制设备采取动作信号，四通换向阀112和四通换向阀107换向，4-1通道和3-2通道均关闭，同时开启2-1通道和4-3通道，动力核心一体化机111此时充当压缩机的角色，气相工质从气液分离器气相端口流出，按图1中实心箭头方向，经四通换向阀112的2-1通道流入压缩机，在压缩机内完成压缩过程，气相工质压缩腔内压缩，达到排气压力时，顶开排气阀，高温高压的气相工质从压缩机排气口排出，流经过滤器和流量计进入换向阀107，经4-3通道进入冷凝器，冷凝之后的液体从冷凝器出口流出，由于此时流向与两相冷却时管路内流向相反，故单向阀103处于关闭状态，高压的液相工质流经单向阀104进入电子膨胀阀105，完成节流过程，降温降压为低温液相，进入蒸发器后液相蒸发，吸收此时电子设备传递给换热冷板的高负荷，因此时负荷较高，所以不存在冻坏电子设备的情况，蒸发完成的气相工质经四通换向阀107的1-2通道流入四通换向阀112，经3-4通道流入气液分离器，由于气液分离器的存在，即使电子设备的负荷不足以将电子膨胀阀的液相完全蒸发，也能保证压缩机进口吸入工质为气相状态，保证气体压缩制冷方式的有效进行。

此外，需要指出的是，系统自停机状态在常规工况下开启时，需首先接通四通换向阀112的2-1和3-4通道，以及四通换向阀107的4-1和2-3通道。主要目的在于，开启两相冷却工况，但由于压缩机动力核心自停机至开启的短暂过程内，电机初始所产生的扭矩较小，直接用以输送液相工质将产生较大的阻力，导致电机负荷过大，产生巨大的振动，有损系统配件。开启5秒之后，将四通换向阀112的通道转置，接通四通换向112的4-1和2-3通道，其他保持不变，系统即可稳定运行。

参考图2，本发明系统中的动力核心一体化机(泵/压缩机)为滚动转子式，缸体117被偏心转子118和中间滑片119分割成吸气/液腔和排气/液腔，且中间滑片119将缸体开口区域分割为吸气口120和排气口116，消除了余隙容积，保证输送液相的稳定运行；弹簧114保证了中间滑片始终与偏心转子接触，固定挡板121约束滑片的行程方向；且吸气(液)口为开口形式，气相或液相工质在偏心转子运行驱动下可直接进入吸气/液腔，机构设有排气阀片115，阀片的设计压力等于排气压力。

当吸入工质为气相时，由于排气阀关闭，存在有封闭容积，气相在该封闭容积中被压缩，当气压至排气阀排气压力时，顶开排气阀释放压缩气体，完成气体压缩过程；当吸入工质为液相时，电机扭矩通过液相将力传递至排气阀，使排气阀片常开，故没有封闭压缩，液相工质直接通过排气阀与出口管路连通，完成液相工质的输送。总的来说，该动力核心装置可根据吸入腔吸入工质状态，自适应充当输送泵还是压缩机角色，从而满足在两相冷却/气体压缩冷却一体化系统中的使用条件。

气液分离器主要将系统内工质气相和液相分离，以满足两相冷却条件下，动力核心吸入工质为液相，压缩制冷条件下，吸入工质为气相。气液分离器同时也是两相冷却系统和气体压缩制冷冷却系统自适应转化的关键部件之一。

四通换向阀电磁控制设备直接受被冷却对象温度信号控制，在满足一定条件下实现换向功能。四通换向阀112主要实现动力核心吸入工质气相和液相的相互转化，确保动力核心采用1个吸入管道，简化管路设计。四通换向阀107主要实现两类冷却方式转换的工质流向，确保换热器的功能不变，即在两种冷却方式内，冷凝器均为冷凝器，蒸发器均为蒸发器。这主要是由于贴有电子设备的换热冷板需充当蒸发器角色，从而实现电子设备的冷却降温。

流量调节阀110在两相冷却方式下使用，主要用于在末端流动阻力或系统运行工况发生改变时，实现自适应调节液相工质的流量，以在满足冷却效果前提下降低系统能耗。

Claims (4)

1.一种两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统，其特征在于，包括作为液体泵及气体压缩机的一体化机，其进口连接第一四通换向阀的1号口；出口通过流量计与第二四通换向阀的4号口相连，该一体化机的进口与出口之间跨接有流量调节阀；所述第一四通换向阀的2号口与气液分离器的气相通道相连；4号口与气液分离器的液相通道相连，第二四通换向阀的1号口连接蒸发器的一端；3号口连接冷凝器的一端；2号口与第一四通换向阀的3号口相连；所述蒸发器另一端与冷凝器另一端之间分两路相接，其中一支路串接有第一单向阀，另一支路串接有第二单向阀和电子膨胀阀，两单向阀的流通方向相反；所述蒸发器上设有连接控制设备的温度传感器。

2.如权利要求1所述的两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统，其特征在于，所述一体化机的出口与流量计连接之间，设有过滤器。

3.如权利要求1所述的两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统，其特征在于，所述一体化机为滚动转子式，吸气口和排气口由中间滑片分割，中间滑片的运动由弹簧和固定挡板约束，吸气口为开口形式，排气口设有排气阀片。

4.如权利要求1所述的两相制冷及气体压缩一体化的电子设备冷却系统，其特征在于，所述的温度传感器安置在蒸发器所贴电子设备上，并根据电子设备形状及大小决定温度传感器数量。