CN114364238B - 平稳切换负压液冷系统和平稳切换负压液冷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平稳切换负压液冷系统，气体回路的抽气管路用于抽出气体形成负压，送气管路用于输送气体形成正压；腔室中的其中一个用于进液、一个用于出液，形成冷却液循环；另一个腔室保持负压，当切换工作状态的瞬间，该保持负压的腔室形成较大的压差，使冷却液快速进入该腔室，在工作状态切换之前已经形成了足够的负压，保证了切换工作状态的瞬间冷却液的流动性，通过腔室的交替循环改变不同的工况，实现不同的工作状态的切换，相对于传统的需要建立负压过程的系统，本发明持续保持负压液冷系统的冷却液流量稳定。本发明还提供一种应用于上述系统的平稳切换负压液冷控制方法，该控制方法能够实现上述的技术效果。

Description

平稳切换负压液冷系统和平稳切换负压液冷控制方法

技术领域

本发明涉及冷却散热领域，更进一步涉及一种平稳切换负压液冷系统。此外，本发明还涉及一种平稳切换负压液冷控制方法。

背景技术

随着芯片功率的不断提高，传统的风冷方式已经难以满足大功率芯片的散热，目前服务器芯片功率最高超过500W，尤其是系统中有多个大功率芯片的情况，液冷散热方式几乎是唯一选择。传统的液冷系统内部为正压，即液冷系统内部流体压力大于大气压，但是正压液冷面临管路老化破裂或者冷板腐蚀后泄露的问题，冷却液会流入液冷系统中，损坏电子元器件，并引发严重的安全事故。负压液冷系统相对于正压液冷系统，其系统内部流体压力低于大气压，所以称为负压液冷系统，其内液体不会流出系统。

负压液冷系统目前采用的方法有单腔室液冷系统、双腔室液冷系统、双腔室切换液冷系统和双腔室+储液罐液冷系统。单腔室液冷系统依靠在一个腔室中抽负压，同时水泵将水从负压腔中抽出，从而维持系统的负压状态；双腔室液冷系统一个腔室维持负压，同时水泵将水抽出，进入另一个高压腔室中，在高压腔室压力作用下，水进入冷板进行换热；双腔室切换液冷系统利用一个低压腔和一个高压腔循环切换，实现负压系统的运行；双腔室+储液罐液冷系统利用一个高压腔和一个低压腔循环切换，同时增加储液罐稳定系统流量，实现负压液冷系统的运行。

现有的负压液冷系统中，在不同腔室切换过程中因负压建立需要一定的时间，会出现流量不稳定的情况，影响系统整体的冷却效果。对于本领域的技术人员来说，如何保持负压液冷系统的冷却液流量稳定，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种平稳切换负压液冷系统，设置至少三个腔室，其中一个在切换的瞬间保持负压，相对于传统的缓慢建立负压的方案有效地保持冷却液流量稳定，具体方案如下：

一种平稳切换负压液冷系统，包括气体回路、液体回路和气液腔室；所述气体回路包括抽气管路、送气管路，所述抽气管路通过真空泵抽气，所述送气管路通过真空泵送气；所述液体回路包括进液管路和出液管路；所述气液腔室包括第一腔室、第二腔室和第三腔室；

所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室三者的顶部分别通过抽气分管连接于所述抽气管路、通过送气分管连接于所述送气管路；所述抽气分管和所述送气分管分别独立设置控制阀；

所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室三者的底部分别通过进液分管连接于所述进液管路，通过出液分管连接于所述出液管路；所述进液分管和所述出液分管分别独立设置控制阀；

所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室三个腔室中存在一个进液腔室、一个出液腔室、一个负压腔室。

可选地，所述进液管路和所述出液管路之间相连的管路设置用于吸热的冷板和用于散热的散热器。

可选地，所述抽气分管、所述送气分管上分别设置气体电磁阀；

所述进液分管、所述出液分管上分别设置液体电磁阀。

可选地，所述气液腔室的各个腔室内分别设置液位传感器和压力传感器。

可选地，所述真空泵的出气端连接泄压管路，所述泄压管路设置气液分离器。

可选地，所述进液管路和所述出液管路之间相连的管路设置气泡传感器。

本发明还提供一种平稳切换负压液冷控制方法，应用于上述任一项所述的平稳切换负压液冷系统，包括：

第一状态下，第二腔室处于液位高点，第一腔室和第三腔室处于液位低点；调节抽气分管、送气分管、进液分管和出液分管设置的控制阀，由真空泵从所述第一腔室和所述第三腔室中抽气保持负压，由真空泵向所述第二腔室送气保持正压；所述第三腔室流入冷却液，所述第一腔室闭合保持负压状态；

所述第三腔室到达液位高点时，切换为第二状态，调节控制阀，所述第三腔室送气保持正压，所述第一腔室和所述第二腔室抽气保持负压；所述第一腔室流入冷却液；

所述第一腔室到达液位高点时，切换为第三状态，调节控制阀，所述第一腔室送气保持正压，所述第二腔室和所述第三腔室抽气保持负压；所述第二腔室流入冷却液；

冷却液在所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室中循环流动。

可选地，控制器根据所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室设置的液位传感器的检测信号切换不同状态。

可选地，控制器获取气泡传感器的检测信号，检测到系统中有持续气泡后停机报警。

可选地，排液模式下，各个所述抽气分管打开，所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室同时吸入冷却液，使所述进液管路和所述出液管路中的冷却液排空。

本发明提供一种平稳切换负压液冷系统，气体回路的抽气管路用于抽出气体形成负压，送气管路用于输送气体形成正压，抽气与送气由真空泵实现；液体回路的进液管路用于向气液腔室中输送冷却液，出液管路用于从气液腔室中抽出冷却液，利用各个控制阀的开闭调节不同的工作状态；腔室中的其中一个用于进液、一个用于出液，形成冷却液循环；另一个腔室保持负压，当切换工作状态的瞬间，该保持负压的腔室形成较大的压差，使冷却液快速进入该腔室，在工作状态切换之前已经形成了足够的负压，保证了切换工作状态的瞬间冷却液的流动性，通过腔室的交替循环改变不同的工况，实现不同的工作状态的切换，相对于传统的需要建立负压过程的系统，本发明持续保持负压液冷系统的冷却液流量稳定。本发明还提供一种应用于上述系统的平稳切换负压液冷控制方法，该控制方法能够实现上述的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明平稳切换负压液冷系统的结构示意图；

图2为其中一个腔室的结构示意图；

图3为第一状态的示意图；

图4为第二状态的示意图；

图5为第三状态的示意图；

图6为排液模式的示意图。

图中包括：

气体回路1、抽气管路11、送气管路12、真空泵13、抽气分管14、送气分管15、泄压管路16、气体电磁阀17、气液分离器18、液体回路2、进液管路21、出液管路22、冷板23、散热器24、进液分管25、出液分管26、液体电磁阀27、气泡传感器28、气液腔室3、第一腔室31、第二腔室32、第三腔室33、液位传感器34、压力传感器35。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种平稳切换负压液冷系统，设置至少三个腔室，其中一个在切换的瞬间保持负压，相对于传统的缓慢建立负压的方案有效地保持冷却液流量稳定。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的平稳切换负压液冷系统和平稳切换负压液冷控制方法进行详细的介绍说明。

图1为本发明平稳切换负压液冷系统的结构示意图；其中包括气体回路1、液体回路2和气液腔室3等结构；气体回路1用于流通气体，气体回路1包括抽气管路11、送气管路12，抽气管路11和送气管路12为主管路；抽气管路11通过真空泵13抽气，气液腔室3内的气体经过抽气管路11排出；送气管路12通过真空泵13送气，送气管路12将气体送入气液腔室3。抽气管路11和送气管路12可以相互连通，共用一个真空泵13；也可以独立设置，分别安装一个真空泵。

液体回路2用于流通冷却液，液体回路2包括进液管路21和出液管路22，进液管路21和出液管路22为液体流通的主管路。

气液腔室3包括第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33，本发明的气液腔室3至少包括三个独立的腔室，每个腔室内部中空，可以容纳气体和液体。

第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33三者的顶部分别通过抽气分管14连接于抽气管路11、通过送气分管15连接于送气管路12；抽气分管14和送气分管15分别独立设置控制阀。

气液腔室3的各个腔室的连接关系相同，图2为其中一个腔室的结构示意图；第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33三者的底部分别通过进液分管25连接于进液管路21，通过出液分管26连接于出液管路22；抽气管路11将气液腔室3中的气体抽出，形成负压环境；送气管路12向气液腔室3中送气保持正压环境，进液分管25和出液分管26分别独立设置控制阀，可以控制气体和液体的流通状态。

工作时，第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33三个腔室中存在一个进液腔室、一个出液腔室、一个负压腔室；也即在一个工作状态下，腔室中至少有一个进液、一个出液、一个保持负压；切换状态时，保持负压的腔室吸入冷却液，在不同状态下，三个腔室的工况交替循环。

本发明的系统中至少需要设置三个腔室，存在三个以上的腔室，各个腔室需要保持三种状态之一，在同一时刻同时存在三种不同状态的腔室，因此可能存在两个以上状态相同的腔室。

腔室中至少一个用于进液、一个用于出液，形成冷却液循环；冷却液的循环动力来自于各个腔室对应的抽气分管14和送气分管15的相互配合，抽气形成负压的腔室进液，送气形成正压的腔室出液，以此驱动液体流动。

另至少有一个腔室保持负压，该腔室的进液分管25和出液分管26上的控制阀均保持关闭，液体无法进出，并持续通过抽气分管14向外抽气形成负压。当切换工作状态的瞬间，该保持负压的腔室形成较大的压差，其进液分管25的控制阀打开，使冷却液快速进入该腔室，由于在工作状态切换之前已经形成了足够的负压，保证了切换工作状态的瞬间冷却液的流动性，始终使冷却液保持较高的流动速度。通过腔室之间的交替循环改变不同的工况，实现不同的工作状态的切换，传统的切换过程中，需要使吸液的腔室逐渐抽真空形成负压，需要建立负压过程的系统，该过程在切换状态的瞬间不能产生足够的动力使冷却液流动，而本发明能够持续保持负压液冷系统的冷却液流量稳定。

在上述方案的基础上，进液管路21和出液管路22之间相连的管路设置用于吸热的冷板23和用于散热的散热器24；冷板接触发热元件，冷却液经过冷板23时吸收热量对发热元件进行冷却，流经散热器24时向外散热热量降温，散热器24通常位于室外，配备风扇加速热量向外散发。

进液管路21和出液管路22之间可固定连接管路，也可以采用拆卸的方式连接管路，这些具体的连接形式都应包含在本发明的保护范围之内。

结合图1所示，抽气分管14、送气分管15上分别设置气体电磁阀17；进液分管25、出液分管26上分别设置液体电磁阀27；气体电磁阀17和液体电磁阀27均为电控阀门，通过控制器实现控制操作，可实现反复循环切换不同的工作状态。

各个腔室的结构相同，在气液腔室3的各个腔室内分别设置液位传感器34和压力传感器35；液位传感器34用于检测腔室内部的液位高度，压力传感器35用于检测腔室内部的气压。液位传感器34的检测信号作为切换工作状态的依据，当液位传感器34检测到液面到液位高点或液位低点时切换。压力传感器35用于检测气压值，使气压始终保持在合理的范围。

真空泵13的出气端连接泄压管路16，泄压管路16设置气液分离器18，通过泄压管路16将管道内部多余的空气排出，气体经过气液分离器18时将携带的液体滤除。

进液管路21和出液管路22之间相连的管路设置气泡传感器28，用于检测液体中所含的气泡，当检测到系统中有持续气泡后，说明管路破裂或者密封不牢固，系统需要进行维护，系统进行泄露警报，并进入排液模式。

本发明还提供一种平稳切换负压液冷控制方法，应用于上述的平稳切换负压液冷系统，该方法包括以下步骤：

结合图3所示，为第一状态的示意图；第三腔室33抽气，进液；第二腔室32进气，出液；第一腔室31抽气，液体不进不出。

第一状态下，第二腔室32处于液位高点，第一腔室31和第三腔室33处于液位低点；调节抽气分管14、送气分管15、进液分管25和出液分管26设置的控制阀，由真空泵13从第一腔室31和第三腔室33中抽气保持负压，由真空泵13向第二腔室32送气保持正压，液体流入；第三腔室33流入冷却液，第一腔室31闭合保持负压状态；形成第一状态的液体流动。

第三腔室33到达液位高点时，切换为第二状态，图4为第二状态的示意图；第三腔室33进气，抽液；第二腔室32抽气，液体不进不出；第一腔室31抽气，进液。调节控制阀，第三腔室33送气保持正压，第一腔室31和第二腔室32抽气保持负压；第一腔室31流入冷却液；形成第二状态的液体流动。

第一腔室31到达液位高点时，切换为第三状态，图5为第三状态的示意图；第三腔室33抽气，液体不进不出；第二腔室32抽气，进液；第一腔室31进气，出液。调节控制阀，第一腔室31送气保持正压，第二腔室32和第三腔室33抽气保持负压；第二腔室32流入冷却液。第三状态结束后，重复第一状态的过程，不断循环往复运行。

冷却液在第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33中循环流动，相应地，第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33交替循环形成负压环境。第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33可以分别是一个独立的腔室，也可以包含两个以上的腔室，即有两个以上的腔室处于同一状态。

控制器根据第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33设置的液位传感器的检测信号切换不同状态，结合上述对三个工作状态的介绍可知，当某个腔室的液位上升到达液位高点时，停止进液，并反向开始排液；当某个腔室的液位下降到达液位低点时，停止排液，保持封闭的负压状态。

控制器获取气泡传感器28的检测信号，检测到系统中有持续气泡后停机报警，此时表示管路破裂或者密封不牢固，系统需要进行维护，系统进行泄露警报，并进入排液模式。

图6为排液模式的示意图；排液模式下，各个抽气分管14的控制阀打开，送气分管15的控制阀保持闭合；第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33同时吸入冷却液，使进液管路21和出液管路22中的冷却液排空，将系统中所有冷却液排进腔室中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种平稳切换负压液冷系统，其特征在于，包括气体回路（1）、液体回路（2）和气液腔室（3）；所述气体回路（1）包括抽气管路（11）、送气管路（12），所述抽气管路（11）通过真空泵（13）抽气，所述送气管路（12）通过真空泵（13）送气；所述液体回路（2）包括进液管路（21）和出液管路（22）；所述气液腔室（3）包括第一腔室（31）、第二腔室（32）和第三腔室（33）；所述气液腔室（3）的各个腔室内分别设置液位传感器（34）和压力传感器（35）；

所述第一腔室（31）、所述第二腔室（32）和所述第三腔室（33）三者的顶部分别通过抽气分管（14）连接于所述抽气管路（11）、通过送气分管（15）连接于所述送气管路（12）；所述抽气分管（14）和所述送气分管（15）分别独立设置控制阀；

所述第一腔室（31）、所述第二腔室（32）和所述第三腔室（33）三者的底部分别通过进液分管（25）连接于所述进液管路（21），通过出液分管（26）连接于所述出液管路（22）；所述进液分管（25）和所述出液分管（26）分别独立设置控制阀；

控制器根据所述液位传感器（34）的检测信号调节控制阀，通过各个腔室的交替循环改变不同的工况，实现不同的工作状态的切换；当某个腔室的液位上升到达液位高点时，停止进液，并反向开始排液；当某个腔室的液位下降到达液位低点时，停止排液，保持封闭的负压状态；以保证所述第一腔室（31）、所述第二腔室（32）和所述第三腔室（33）三个腔室中存在一个进液腔室、一个出液腔室、一个负压腔室。

2.根据权利要求1所述的平稳切换负压液冷系统，其特征在于，所述进液管路（21）和所述出液管路（22）之间相连的管路设置用于吸热的冷板（23）和用于散热的散热器（24）。

3.根据权利要求2所述的平稳切换负压液冷系统，其特征在于，所述抽气分管（14）、所述送气分管（15）上分别设置气体电磁阀（17）；

所述进液分管（25）、所述出液分管（26）上分别设置液体电磁阀（27）。

4.根据权利要求3所述的平稳切换负压液冷系统，其特征在于，所述真空泵（13）的出气端连接泄压管路（16），所述泄压管路（16）设置气液分离器（18）。

5.根据权利要求3所述的平稳切换负压液冷系统，其特征在于，所述进液管路（21）和所述出液管路（22）之间相连的管路设置气泡传感器（28）。

6.一种平稳切换负压液冷控制方法，应用于权利要求1至5任一项所述的平稳切换负压液冷系统，其特征在于，包括：

第一状态下，第二腔室（32）处于液位高点，第一腔室（31）和第三腔室（33）处于液位低点；调节抽气分管（14）、送气分管（15）、进液分管（25）和出液分管（26）设置的控制阀，由真空泵（13）从所述第一腔室（31）和所述第三腔室（33）中抽气保持负压，由真空泵（13）向所述第二腔室（32）送气保持正压；所述第三腔室（33）流入冷却液，所述第一腔室（31）闭合保持负压状态；

所述第三腔室（33）到达液位高点时，切换为第二状态，调节控制阀，所述第三腔室（33）送气保持正压，所述第一腔室（31）和所述第二腔室（32）抽气保持负压；所述第一腔室（31）流入冷却液；

所述第一腔室（31）到达液位高点时，切换为第三状态，调节控制阀，所述第一腔室（31）送气保持正压，所述第二腔室（32）和所述第三腔室（33）抽气保持负压；所述第二腔室（32）流入冷却液；

冷却液在所述第一腔室（31）、所述第二腔室（32）和所述第三腔室（33）中循环流动。

7.根据权利要求6所述的平稳切换负压液冷控制方法，其特征在于，控制器根据所述第一腔室（31）、所述第二腔室（32）和所述第三腔室（33）设置的液位传感器的检测信号切换不同状态。

8.根据权利要求6所述的平稳切换负压液冷控制方法，其特征在于，控制器获取气泡传感器（28）的检测信号，检测到系统中有持续气泡后停机报警。

9.根据权利要求8所述的平稳切换负压液冷控制方法，其特征在于，排液模式下，各个所述抽气分管（14）打开，所述第一腔室（31）、所述第二腔室（32）和所述第三腔室（33）同时吸入冷却液，使所述进液管路（21）和所述出液管路（22）中的冷却液排空。

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