CN113849054A - 一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冷却装置技术领域，公开一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，包括内置有冷却液的冷却箱体，在冷却箱体内密封转动设有转轴，转轴上端固定有可供冷却液蒸汽进入的冷却气室，转轴的转动受控于第一驱动机构，在冷却气室上设有冷却扰动机构，冷却扰动机构包括铰接设于冷却气室侧壁上且可上下翻转的散热板，散热板与冷却气室之间设有两端与两者密封连接的弹性收缩件，并在散热板内设置有通过弹性收缩件与冷却气室连通的冷却流道，散热板的上下翻转受控于第二驱动机构，在散热板靠近冷却箱体的侧面上设有随着冷却气室的转动对冷却箱体侧壁空气进行扰动的扇叶，该浸没式液冷散热系统能够显著降低能耗以及设备成本，且更为安全环保。
Description
技术领域
本发明涉及冷却装置技术领域，具体为一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统。
背景技术
随着大数据技术的广泛应用，数据中心内部计算设备的能耗不断升高。研究表明，随着数据中心温度的升高，数据计算设备的故障率随之升高，因此，必须保证数据计算设备处于正常的工作温度中。
浸没式冷却成为新的冷却方式，现有的浸没式冷却装置一般包括有一个冷却箱，内置有冷却液，数据计算设备浸没于冷却液中，冷却液的沸点较低(如美德FMD-50,一旦超过50℃就立即达到沸腾)，一旦冷却液沸腾，就能随蒸汽带走大量热量。公告号为CN111669952A的中国专利公开一种数据中心浸没式散热装置，包括液冷机柜、冷却液和若干振荡热管，冷却液填充在液冷机柜中，振荡热管的振荡热管的蒸发去伸入液冷机柜中，振荡热管的冷凝却位于液冷机柜的外侧，振荡热管的管束中灌注有机溶剂介质。
上述方案的实施需要冷却机柜外部的空气温度＜有机溶剂介质沸点＜冷却液沸点，才能够进行冷却液的冷却，而冷却机柜本身就处于散热状态，其附近空气温度必然较高，已知冷却液沸点的温度一般为50℃，冷却机柜附近的温度在无外部冷却装置冷却下，必然不会低于35℃-40℃，这在夏季尤为明显，导致散热效果不理想甚至无法进行散热，这就导致一方面需要选用适当的有机溶剂，另一方面该有机溶剂的有效冷却需要外部动力的配合，例如配置空调将室温控制在20℃以下或将振荡热管的蒸发区浸没到外接冷却设备中进行冷却，故而，仍然需要通过消耗外部大量的能耗才可能控制冷却机柜内部冷却液压力和温度的平衡，且达到上述目的需要设置大量的振荡热管，且振荡热管需要密封有机介质，造价必然昂贵，能耗也巨大，而有机介质一般均含有毒性，一旦泄露，会污染环境，故存在严重的安全隐患。
发明内容
针对上述的浸没式散热装置造价高且存在安全隐患的问题，本发明的目的在于提供一种造价合理且安全性高的应用于数据中心的浸没式液冷散热系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，包括内置有冷却液的冷却箱体，在冷却箱体内密封转动设置有一转轴，转轴上端固定有可相对冷却箱体转动且可供冷却箱体内的冷却液蒸汽进入的冷却气室，转轴的转动受控于第一驱动机构，在冷却气室上设置有冷却扰动机构，冷却扰动机构包括铰接设置于冷却气室侧壁上且可上下翻转的散热板，散热板与冷却气室之间设置有两端与两者密封连接的弹性收缩件，并在散热板内设置有通过弹性收缩件与冷却气室连通的冷却流道，散热板的上下翻转受控于第二驱动机构，在散热板靠近冷却箱体的侧面上设置有随着冷却气室的转动对冷却箱体侧壁空气进行扰动的扇叶。
根据上述方案：通过第一驱动机构驱使冷却气室相对冷却箱体转动配合，在冷却气室外壁上设置冷却扰动机构，该冷却扰动机构包括散热板，散热板内部设置的冷却流道由于直接与空气接触且距离冷却箱体较远，其本身温度会低于冷却气室温度，蒸汽进入冷却气室后会向温度低的方向流动，当其流至冷却流道内后会加速冷凝并呈冷却液蓄积在冷却流道内，而冷却气室的转动同步带动散热板转动，从而扰动冷却板附近的空气，加速空气对流来加速散热板的散热，进一步加速蒸汽的冷凝，而扇叶的设置通过扰动散热板与冷却气室夹角处的空气，进一步加速冷却箱体外部以及散热板下方空气的对流，加速对散热板和冷却箱体的散热，从而加速冷却液的冷却以及蒸气的冷凝速度，随着第二驱动机构的设置，驱使散热板同步进行上下翻转运动，该设置不仅增加了空气扰动的体积，还能够在上升后将蓄积在冷却流道内的冷却液倒入至冷却气室，能够加速冷却气室内蒸汽的冷凝，过多的冷却液会直接经冷却气室落入到冷却箱体内，通过上述多重冷却效果的提升，能够显著提高散热系统的散热性能，且结构制造难度适当，造价合理，无安全隐患问题，也无需利用水资源，十分环保。
进一步的，在散热板的外壁上向外延伸设置有若干散热翅片。
根据上述方案：散热翅片能够快速将冷却流道内蒸汽的热量传导至空气中，来提高蒸汽的冷凝速度。
进一步的，所述冷却流道沿冷却气室侧壁的长度方向间隔设置有若干条。
进一步的，第一驱动机构包括固定于冷却箱体底部的电机，转轴的下端密封延伸至冷却箱体底部外与电机配合，在转轴与电机之间设置有省力齿轮组。
根据上述方案：通过省力齿轮组，能够降低电机的输出功率，达到省力效果，节省能耗，降低电机过载的风险。
进一步的，第二驱动机构包括一气缸，转轴内部中空，气缸固定于转轴内部，在气缸的活塞杆端部与散热板之间设置有随着活塞杆的伸缩驱使散热板上下翻转的牵拉机构。
根据上述方案：将气缸设置于转轴内部，就能够实现散热板沿转轴周向转动的同时能够上下翻转。
进一步的，所述牵拉机构包括设置于转轴和/或冷却气室上端以及散热板上端之间的省力滑轮组以及两端分别与省力滑轮组以及气缸的活塞杆端部固定连接的拉绳。
根据上述方案：通过省力齿轮组和拉绳，在活塞杆的伸缩杆的伸缩过程中，拉绳进行牵拉或释放，来实现散热板的上下翻转切换，且省力滑轮组能够达到省力的效果。
进一步的，在冷却箱体上设置有至少一根开口向下设置的冷凝管，冷凝管的下端位于冷却箱体内且其上端延伸至冷却气室外部。
根据上述方案：冷凝管上端延伸至冷却气室外温度低于其位于冷却箱体的一端，故，冷却箱体内的蒸汽会沿着冷凝管向上移动并在逐步降低的温度中加速冷凝下落，加速冷却液的冷却。
进一步的，冷凝管与冷却气室密封转动配合，在冷却气室外于冷凝管的外环壁上向外延伸设置有散热叶，冷凝管的转动受控于一联动机构的配合，该联动机构的配合受控于转轴的转动。
根据上述方案：当冷凝管与冷却气室转动配合后，散热叶的设置能够快速扰动冷却气室上端的空气，加速冷却气室上端空气的冷却，从而提高冷却气室内蒸汽的热交换效率，加速蒸汽的冷凝速度。
进一步的，联动机构包括于冷却箱体内壁以转轴为中心固定设置的内齿环以及在冷却箱体内于冷凝管上固定设置的与内齿环啮合的第一配合齿轮。
根据上述方案：联动机构的设置借助转轴的转动可实现多组冷凝管的同步转动，无需增设驱动机构，结构巧妙。
进一步的，扇叶固定于散热板靠近冷却箱体外壁的端面上，扇叶沿散热板的旋转面径向分布，扇叶与散热板之间存在小于90°的倾斜夹角。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、通过第一驱动机构驱使冷却气室相对冷却箱体转动配合，在冷却气室外壁上设置冷却扰动机构，该冷却扰动机构包括散热板，散热板内部设置的冷却流道由于直接与空气接触且距离冷却箱体较远，其本身温度会低于冷却气室温度，蒸汽进入冷却气室后会向温度低的方向流动，当其流至冷却流道内后会加速冷凝并呈冷却液蓄积在冷却流道内，而冷却气室的转动同步带动散热板转动，从而扰动冷却板附近的空气，加速空气对流来加速散热板的散热，进一步加速蒸汽的冷凝，而扇叶的设置通过扰动散热板与冷却气室夹角处的空气，进一步加速冷却箱体外部以及散热板下方空气的对流，加速对散热板和冷却箱体的散热，从而加速冷却液的冷却以及蒸气的冷凝速度，随着第二驱动机构的设置，驱使散热板同步进行上下翻转运动，该设置不仅增加了空气扰动的体积，还能够在上升后将蓄积在冷却流道内的冷却液倒入至冷却气室，能够加速冷却气室内蒸汽的冷凝，过多的冷却液会直接经冷却气室落入到冷却箱体内，通过上述多重冷却效果的提升，能够显著提高散热系统的散热性能，且结构制造难度适当，造价合理，无安全隐患问题，也无需利用水资源，十分环保。
2、增设冷凝管，且冷凝管转动设置在冷却气室上，在联动机构作用下，随着转动的转动而转动，而其上的散热叶在冷凝管的转动中加速空气的对流从而加速冷却箱体外壁以及冷凝管附近空气的对流速度，从而提高冷却气室内以及冷凝管内蒸汽的冷凝速度，从而提高整个散热系统的散热性能。
结合以上所述，本申请的浸没式液冷散热系统显著提高了散热性能，能耗低、造价合理且安全环保。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本实施例的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统的轴测图；
图2是本实施例的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统的主视图；
图3是图2的A-A的剖视图；
图4是图3的A的放大图；
图5是图2的B-B的剖视图；
图6是图5的B的放大图；
图7是图5的C的放大图；
图8是图5的C-C的剖视图；
图9是图5的D-D的剖视图；
图10是图5的E-E的剖视图；
图11是图10的F-F的剖视图；
图12是本实施例的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统的俯视图。
图中：1、冷却箱体；2、冷却气室；201、过气槽；202、进出口；3、散热板；301、冷却流道；4、散热翅片；5、扇叶；6、配合座；7、冷凝管；8、散热叶；9、转轴；10、波纹管；11、气缸；12、拉绳；13、动滑轮；14、定滑轮；15、内齿环；16、第一配合齿轮；17、电机；18、驱动齿轮；19、输出齿轮；20、第一减速齿轮；21、第二减速齿轮；22、第二配合齿轮；23、第三配合齿轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，参照图1-图12所示，包括内置有冷却液的冷却箱体1，在冷却箱体1内密封转动设置有一转轴9，先参照图1-图4所示，转轴9上端固定有可相对冷却箱体1转动且可供冷却箱体1内的冷却液蒸汽进入的冷却气室2，冷却气室2下端呈圆柱状向下隆起并插入至冷却气室2内，转轴9位于冷却气室2下端中心处，冷却气室2与冷却箱体1之间通过平面轴承流畅转动配合并在两者插接配合处设置有密封圈进行密封，在冷却气室2下端设置有与冷却箱体1连通的可供冷却液蒸汽向上进入冷却气室2或供冷却液下落至冷却箱体1内的进出口202。
转轴9的转动受控于第一驱动机构，第一驱动机构包括固定于冷却箱体1底部的电机17，参照图5、图9-图11所示，转轴9的下端密封延伸至冷却箱体1底部外与电机17配合，转轴9与冷却箱体1之间通过轴承流畅转动配合并通过密封圈实现密封，在转轴9与电机17之间设置有省力齿轮组，省力齿轮组可采用现有的减速齿轮组，本实施例中的省力齿轮组包括固定于转轴9上的输出齿轮19以及固定于电机轴上的驱动齿轮18，在冷却箱体1下端转动设置有大于驱动齿轮18且与驱动齿轮18啮合的第一减速齿轮20，第一减速齿轮20上同轴固定有小于第一减速齿轮20的第二配合齿轮22，在冷却箱体1下还转动设置有大于第二配合齿轮22的第二减速齿轮21，在第二减速齿轮21上同心固定有小于输出齿轮19的第三配合齿轮23，通过第一减速齿轮20、第二减速齿轮21以及输出齿轮19的三重减速后，能够有效降低电机17的输出功率，达到省力作用，避免电机17出现过载现象。
在冷却气室2上设置有冷却扰动机构，参照图6-图8所示，冷却扰动机构包括铰接设置于冷却气室2侧壁上且可上下翻转的散热板3，本实施例散热板3设置有四块分别位于冷却气室2的四个侧面上，散热板3的上下翻转受控于第二驱动机构，第二驱动机构包括一气缸11，转轴9内部中空，气缸11固定于转轴9内部，在气缸11的活塞杆端部与散热板3之间设置有随着气缸11活塞杆的伸缩来驱使散热板3上下翻转的牵拉机构，牵引机构包括设置于转轴9和/或冷却气室2上端以及散热板3上端之间的省力滑轮组以及两端分别与省力滑轮组以及气缸的活塞杆端部固定连接的拉绳12，拉绳12为钢绳或麻绳，本实施例中，省力滑轮组包括转动设置于转轴9上端面的定滑轮14以及转动设置于散热板3上端面的动滑轮13，散热板3上固定有一配合座6，动滑轮13转动设置于配合座6，拉绳12的一端固定在定滑轮14上，另一端依次绕动滑轮13与定滑轮14后与气缸11的活塞杆端部固定连接，这样就能够节省一半的力，在散热板3靠近冷却箱体1的侧面上设置有随着冷却气室2的转动对冷却箱体1侧壁空气进行扰动的扇叶5，扇叶5固定于散热板3靠近冷却箱体1外壁的端面上，扇叶5沿散热板3的旋转面径向分布，扇叶5与散热板3之间存在小于90°的倾斜夹角，这样设置后，随着转轴9的转动，扇叶5能够绕转轴9周转，从而扰动冷却箱体1四周的空气，加速空气对流，从而加速冷却箱体1的冷却，同时空气对流的加速也能够加速散热板3的散热。
当气缸11的活塞杆伸出时，散热板3在重力作用下向下翻转，本实施例中活塞杆伸出至最大值时，散热板3上的扇叶5与冷却箱体1之间存在至少1cm的间距，优选3cm～5cm，从而避免扇叶5与冷却箱体1发生碰撞；当气缸11的活塞杆收缩时，散热板3在拉力作用下向上翻转，当活塞杆回缩至最大值时，散热板3与冷却气室2持平或高于散热板3，这样设置的原因在于，在本方案的散热板3内设置有与冷却气室2连通的冷却流道301，当散热板3上翻后可将冷凝的冷却液倒回至冷却气室2内，最终回落至冷却箱体1内；此外，散热板3的上下翻转，能够纵向扰动空气，从而能够增加扰动的体积和扰动的效率。
冷却流道301的具体设置方式参照图1-图4所示：沿着冷却气室2侧壁的长度方向间隔设置有若干条，在散热板3与冷却气室2之间设置有两端与两者密封连接的弹性收缩件，弹性收缩件由波纹管10或橡胶管制成，本申请中，弹性收缩件由波纹管10制成，在冷却气室2侧壁开设有与冷却流道301对接的过气槽201，当冷却箱体1内的冷却液汽化后，蒸汽进入到冷却气室2内，由于散热板3的温度低于冷却气室2，蒸汽会沿着过气槽201经波纹管10后进入到冷却流道301内，并逐步冷凝成冷却液蓄积在冷却流道301内，当散热板3上翻至高于冷却箱体1或与冷却箱体1持平时，冷却液自动回流至冷却箱体1内，为了进一步加速蒸汽的冷凝，在散热板3的外壁向外延伸设置有若干散热翅片4，本实施例中，散热翅片4沿冷却流道301的排布方向间隔设置有若干片，通过散热翅片4加速热量的散发。
为了进一步增加散热效果，在冷却箱体1上设置有至少一根开口向下设置的冷凝管7，参照图10和图12所示，本实施例中，冷凝管7设置有4根，冷凝管7的下端位于冷却箱体1内且其上端延伸至冷却气室2外部，冷凝管7的下端温度高于上端温度，会驱使蒸汽向上流动，蒸汽在上升过程中遇冷冷凝成冷却液回落到冷却箱体1内，本实施例中，冷凝管7与冷却气室2密封转动配合，并在冷却气室2外于冷凝管7的外环壁上向外延伸设置有散热叶8，当冷凝管7转动时，散热叶8能够扰动冷却气室2外壁上的空气，加速空气对流，从而加速冷却箱体1以及冷凝管7的冷却，从而进一步加速热量的散发，加速冷却液蒸汽的冷凝，从而加速冷却液的降温，为了节约成本，冷凝管7的转动受控于一联动机构的配合，该联动机构的配合则受控于第一驱动机构，也就是转轴9的转动。
联动机构参照图5和图8所示，包括于冷却箱体1内壁以转轴9为中心固定设置的内齿环15以及在冷却箱体1内于冷凝管7上固定设置的与内齿环15啮合的第一配合齿轮16，四根冷凝管7上的第一配合齿轮16同时与内齿环15啮合，当转轴9转动时，驱使冷凝管7绕转轴9公转，从而驱使第一配合齿轮16沿内齿环15轴向啮合运动，随着第一配合齿轮16的运动驱使冷凝管7实现自转，从而驱使散热叶8转动进行空气的扰动。
在冷却箱体1内设置压力传感器，压力传感器设置于冷却箱体1的顶部或冷却气室内，在冷却箱体1外设置控制器，控制器选用PLC，电机17采用伺服电机17，电机17、压力传感器与气缸11均与控制器连接，当压力传感器感应到压力为常压(数据中心停止运作时)时，控制器控制电机17停止转动，随着数据中心的运行，冷却液温度不断升高，部分冷却液蒸发为蒸汽，这都导致冷却箱体内的压力不断增加，当压力传感器感应到压力为启动值(预设值)时，控制控制电机17启动进行缓慢转动，当压力传感器感应到压力达到预设的较高值时，控制器控制电机17加速转动，而当压力传感器感应到压力为启动值时，控制器控制气缸11定时间断式(间隔T秒甚至T分钟)进行伸缩运动，当压力传感器感应到压力达到较高值时，控制器控制气缸11连续伸缩运动，这样设置后散热板3快速上下翻转加扇叶的周向转动，最大程度扰动空气来进行散热，散热效果最佳。上述的PLC控制电机实现变速以及气缸实现尖间断式或连续式伸缩的技术为现有技术，在此不再赘述，用户可根据设定多个压力区间值来增加电机17转速的不同变化以及气缸11间隔时间的不同变化。
使用时，数据中心工作导致冷却液温度升高，部分冷却液蒸发带走大量热量来降低数据中心的温度，冷却液蒸汽上升后进入到冷却气室2和冷凝管7内，当压力传感器感应到压力达到启动值后，电机17转动，驱使转轴9转动，此时，冷却气室2转动，扇叶5绕冷却箱体1公转扰动冷却箱体1周围的空气，来加速对冷却箱体1以及散热板3的散热，而蒸汽经冷却气室2后会流至散热板3内的冷却流道301内进行冷凝，随着转轴9的转动，冷凝管7在联动机构配合下转动运动，驱使其上的散热叶8转动加速附近空气的对流，从而加速冷却箱体1与冷凝管7的散热，从而加速冷凝管7以及冷却气室2内的蒸汽的冷凝，当压力传感器感应到压力升高到一个预设值后，电机17加速，气缸11的伸缩间隔缩短，驱使扇叶5的公转速度、散热叶8的自转速度等均提高，散热板3的上下翻转频率增加，冷却气室2的转速提高，通过上述各项参数的增加，来多重加速冷却液的散热，从而实现对数据中心的有效降温，综上所述，本方案的浸没式液冷散热系统结构巧妙，能够显著降低能耗以及设备成本，且更为安全环保。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。
Claims (10)
1.一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，包括内置有冷却液的冷却箱体(1)，其特征在于：在冷却箱体(1)内密封转动设置有一转轴(9)，转轴(9)上端固定有可相对冷却箱体(1)转动且可供冷却箱体(1)内的冷却液蒸汽进入的冷却气室(2)，转轴(9)的转动受控于第一驱动机构，在冷却气室(2)上设置有冷却扰动机构，冷却扰动机构包括铰接设置于冷却气室(2)侧壁上且可上下翻转的散热板(3)，散热板(3)与冷却气室(2)之间设置有两端与两者密封连接的弹性收缩件，并在散热板(3)内设置有通过弹性收缩件与冷却气室(2)连通的冷却流道(301)，散热板(3)的上下翻转受控于第二驱动机构，在散热板(3)靠近冷却箱体(1)的侧面上设置有随着冷却气室(2)的转动对冷却箱体(1)侧壁空气进行扰动的扇叶(5)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：在散热板(3)的外壁上向外延伸设置有若干散热翅片(4)。
3.根据权利要求1所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：所述冷却流道(301)沿冷却气室(2)侧壁的长度方向间隔设置有若干条。
4.根据权利要求1所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：第一驱动机构包括固定于冷却箱体(1)底部的电机(17)，转轴(9)的下端密封延伸至冷却箱体(1)底部外与电机(17)配合，在转轴(9)与电机(17)之间设置有省力齿轮组。
5.根据权利要求1所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：第二驱动机构包括一气缸(11)，转轴(9)内部中空，气缸(11)固定于转轴(9)内部，在气缸(11)的活塞杆端部与散热板(3)之间设置有随着活塞杆的伸缩驱使散热板(3)上下翻转的牵拉机构。
6.根据权利要求5所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：所述牵拉机构包括设置于转轴(9)和/或冷却气室(2)上端以及散热板(3)上端之间的省力滑轮组以及两端分别与省力滑轮组以及气缸(11)的活塞杆端部固定连接的拉绳(12)。
7.根据权利要求1所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：在冷却箱体(1)上设置有至少一根开口向下设置的冷凝管(7)，冷凝管(7)的下端位于冷却箱体(1)内且其上端延伸至冷却气室(2)外部。
8.根据权利要求1所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：冷凝管(7)与冷却气室(2)密封转动配合，在冷却气室(2)外于冷凝管(7)的外环壁上向外延伸设置有散热叶(8)，冷凝管(7)的转动受控于一联动机构的配合，该联动机构的配合受控于转轴(9)的转动。
9.根据权利要求8所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：联动机构包括于冷却箱体(1)内壁以转轴(9)为中心固定设置的内齿环(15)以及在冷却箱体(1)内于冷凝管(7)上固定设置的与内齿环(15)啮合的第一配合齿轮(16)。
10.根据权利要求1所述的一种应用于数据中心的浸没式液冷散热系统，其特征在于：扇叶(5)固定于散热板(3)靠近冷却箱体(1)外壁的端面上，扇叶(5)沿散热板(3)的旋转面径向分布，扇叶(5)与散热板(3)之间存在小于90°的倾斜夹角。
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