WO2018195884A1 - 一种分离空气和制冷剂蒸汽的气汽分离装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种分离空气和制冷剂蒸汽的气汽分离装置（8），包括：气汽分离箱（81）、分离膜（82）、混合气体输入通路、制冷剂蒸汽输出通路以及控制部；混合气体入口通路上设置有压缩机（83）和第一控制阀（84），制冷剂蒸汽出口通路上设置有第二控制阀（85）。该气汽分离装置（8）能够可靠有效地分离空气和制冷剂蒸汽，结构简单、操作方便、分离效果好。

Description

一种分离空气和制冷剂蒸汽的气汽分离装置及方法 技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体来说，涉及一种用于浸没式液冷服务器、分离空气和制冷剂蒸汽的气汽分离装置及方法。

背景技术

目前所使用的计算机大都依靠冷空气给机器降温，但在数据中心，仅靠风冷已经不足以满足高热流密度服务器的散热要求。传统的风冷模式均采用间接接触冷却的方式进行，其传热过程复杂，存在接触热阻及对流换热热阻，热阻总和大，换热效率较低，换热过程中高低温热源间温差较大，需要较低的室外低温热源引导换热过程进行。

液冷即利用工作流体作为中间热量传输的媒介，将热量由热区传递到远处再进行冷却。由于液体比空气的比热大很多，散热速度也远远大于空气，因此制冷效率远高于风冷散热。水冷或液冷有两大好处：一是它把冷却剂直接导向热源，而不是像风冷那样间接制冷；二是和风冷相比，每单位体积所传输的热量即散热效率高达3500倍。

液冷散热系统最大的特点有两个：均衡CPU的热量和低噪声工作。由于液体的比热容超大，因此能够吸收大量的热量而保持温度不会明显的变化，液冷系统中CPU的温度能够得到好的控制，突发的操作都不会引起CPU内部温度瞬间大幅度的变化。由于换热器的表面积很大，所以只需要低转速的风扇对其进行散热就能起到不错的效果，因此液冷大多搭配转速较低的风扇。此外，泵的工作噪声一般也不会很明显，这样整体的散热系统与风冷系统相比就非常安静。

蒸发冷却从热学原理上，是利用制冷剂沸腾时的汽化潜热带走热量。由于 液体的汽化潜热比比热要大很多，因此，在液冷技术中，蒸发冷却的冷却效果更为显著。

在有相变发生的浸没式液冷系统中，由于系统管路中原有的空气无法完全排出以及液冷系统在日常的维修、零配件的更换过程中都会带入一部分的空气，这部分空气会和制冷剂蒸汽混合在一起，由于空气无法被冷凝，从而会影响液冷系统的冷却效率，因此，在浸没式液冷系统中，必须将空气和制冷剂蒸汽进行分离，将空气排出液冷系统。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出一种分离空气和制冷剂蒸汽的气汽分离装置及方法，能够可靠有效地分离液冷系统中混合在一起的空气和制冷剂蒸汽。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种分离空气和制冷剂蒸汽的气汽分离装置，所述气汽分离装置包括：气汽分离箱、分离膜、混合气体输入通路、制冷剂蒸汽输出通路以及控制部；所述混合气体入口通路上设置有压缩机和第一控制阀，所述制冷剂蒸汽出口通路上设置有第二控制阀。

优选地，所述气汽分离箱包括一个密闭腔体，所述密闭腔体的一个侧壁为所述分离膜。

优选地，所述分离膜与所述密闭腔体的其余侧壁密封连接。

优选地，所述分离膜为微孔单向过滤膜，其根据分子粒径大小的差别，只能单方向通过空气、而阻止制冷剂蒸汽通过。

优选地，所述气汽分离箱上还设有泄压阀。

优选地，所述混合气体输入通路在所述气汽分离箱的密闭腔体处设置有喷嘴。

优选地，所述喷嘴选用镀铬的铜合金。

优选地，还包括用于检测所述密闭腔体内制冷剂蒸汽的浓度检测装置。

此外，本发明还提供了一种使用前述气汽分离装置的气汽分离方法，当需要对空气—制冷剂蒸汽的混合气体进行分离时，控制部发出指令使得混合气体入口通路上的第一控制阀打开、制冷剂蒸汽出口通路上的第二控制阀关闭，同时压缩机启动；经过一定时间T1后，所述控制部发出指令，所述压缩机停止，所述第一控制阀关闭，停止向所述密闭腔体输送所述混合气体；检测装置持续监测所述密闭腔体内所述制冷剂蒸汽的浓度，当所述检测装置检测到制冷剂蒸汽的浓度为设定值以上，说明所述密闭腔体内仅剩存制冷剂蒸汽，此时，控制部发出指令打开所述第二控制阀，制冷剂蒸汽通过制冷剂蒸汽出口通路被排出所述密闭腔体。

优选地，所述制冷剂蒸汽通过所述制冷剂蒸汽出口通路被排出所述密闭腔体后，经冷凝器冷凝后回收再利用。

本发明所述的气汽分离装置及方法，结构简单、操作方便，能够可靠有效地分离空气和制冷剂蒸汽，分离效果好；在不影响液冷系统正常冷却工作的情况下，自动分离空气和制冷剂蒸汽，不仅可以将液冷系统管路中原有的空气排出，还可以将由于维修更换元器件时所带入到液冷系统管路中的空气排出，回收制冷剂，极大的提高了液冷系统的冷却效果。

附图说明

图1显示了本发明第一实施例浸没式液冷制冷剂气汽分离系统的工作循环示意图。

图2显示了本发明第一实施例浸没式液冷制冷剂气汽分离装置的功能结构示意图。

附图标记的说明：1—制冷剂储液罐、2—浸没式刀箱、3—第一冷凝器、4—第二冷凝器、5—干燥过滤器、7—第一泄压阀、8—气汽分离装置、81—气汽分离箱、82—气汽分离膜、83—压缩机、84—第一控制阀、85—第二控制阀、 9—第一通断阀、10—第二通断阀、11—第三通断阀、13—冷凝盘管、14—制冷剂输送泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

根据本发明的实施例，浸没式液冷系统，将服务器主板直接浸没在充满制冷剂的密闭腔体中，采用相变换热技术解决高密度服务器散热问题。具体为采用箱体式结构的刀片服务器，所述刀片服务器为在标准高度的机架式机箱(刀箱)内可插装多个卡式的服务器单元，是一种实现高可用性和高密度的低成本服务器平台。刀箱内装有服务器主板，所有主板均浸没在制冷剂中，液面上方留有一定的空间，作为气相区。

如图1所示，一种浸没式液冷系统，所述浸没式液冷系统包括：制冷剂储液罐1、浸没式刀箱2、第一冷凝器3、气汽分离器8和第二冷凝器4。所述制冷剂储液罐1和所述浸没式刀箱2之间依次连接有制冷剂输送泵14和干燥过滤器5；所述浸没式刀箱2与所述第一冷凝器3相连；所述第一冷凝器3和所述制冷剂储液罐1均与所述气汽分离器8联通，所述气汽分离器8与所述第二冷凝器4相连。

所述浸没式刀箱2内插装多个卡式的服务器主板单元，所有服务器主板单元均浸没在制冷剂中，所述制冷剂为蒸发冷却介质，优选为符合环保要求的氟碳类化合物，该介质具有高绝缘性能，即使漏出，也不会引起像水冷那样的短路电气事故，其沸点温度可以根据芯片最佳工作温度来选取，一般选取沸点在30-65度。所述浸没式刀箱2内所述制冷剂液面的上方留有一定的空间，作为气相区。由于采用浸没式冷却，所述服务器主板单元的发热元件工作时所散发的热量被传递给所述浸没式刀箱2内的液体制冷剂，所述液体制冷剂吸热升 温，当温度达到对应的饱和温度时就会沸腾汽化，吸收大量的热，从而冷却发热元件。产生的制冷剂蒸汽在浮力的作用上升扩散至所述浸没式刀箱2的制冷剂液面上方的气相区，所述制冷剂蒸汽通过出气管路被抽入到所述第一冷凝器3中。

所述第一冷凝器3是水冷冷凝器，即二次冷却介质为水。所述第一冷凝器3包括密封的壳体、壳体内的冷凝盘管13和第一泄压阀7，所述冷凝盘管13内流动有冷却水；所述壳体内充满了由所述浸没式刀箱2通过出气管路输送过来的制冷剂蒸汽。由于系统中原有空气通常无法完全排出，因此，所述第一冷凝器3顶端为空气和制冷剂蒸汽的混合气体。在所述第一冷凝器3的顶端设置有开口，所述空气和制冷剂蒸汽的混合气体经所述开口由传输管路送入所述气汽分离器8中。

所述制冷剂储液罐1包括第一出口、第二出口、第一入口和第二入口，处于液态的制冷液存储在所述制冷剂储液罐1内。同样，由于系统中原有空气通常无法完全排出，所述制冷剂储液罐1上部空间同为空气和制冷剂蒸汽的混合气体。所述制冷剂储液罐1通过所述制冷剂输送泵14将液态的制冷液经所述第一出口向所述浸没式刀箱2输送。所述第一入口和第二出口设置在所述制冷剂储液罐1的上部，其中所述第一入口接收由所述第一冷凝器3冷凝的制冷剂液体，所述第二出口将所述制冷剂储液罐1上部空间的混合气体送入所述气汽分离器8中。经所述气汽分离器8分离后的制冷剂蒸汽被所述第二冷凝器4冷凝后由所述第二入口送回所述制冷剂储液罐1。

如图1中所示，在所述制冷剂储液罐1通向所述浸没式刀箱2的液态制冷液传输路径上依次设置有制冷剂输送泵14和干燥过滤器5。在所述第二冷凝器4通向所述制冷剂储液罐1的制冷剂回流传输路径上设置有第一通断阀9。所述第一冷凝器3的密封壳体上设置有第一泄压阀7，在所述第一冷凝器3的壳体内的压力超过某设定值时，自动进行泄压，保证安全。

所述浸没式液冷系统的冷却循环过程如下：

如图1所示，存储在制冷剂储液罐1中的液态制冷剂经制冷剂输送泵14的加压、干燥过滤器5的干燥过滤后，送入机柜内的竖直分液器，竖直分液器将制冷剂平均分配(本实施例中分为四组)，通过进液管送入机柜内处于不同垂直高度的浸没式刀箱2内。浸没式刀箱2内的刀片服务器在运行时，CPU以及各个电子元器件会产生大量的热量，从而使得液态制冷剂沸腾发生相变，由液态变为气态。制冷剂蒸汽会逐渐汇集在浸没式刀箱2箱体上部的气相区，通过出气管被抽出后送入第一冷凝器3中，制冷剂蒸汽包围在第一冷凝器3中的冷凝盘管13周围，由于所述冷凝盘管13内冷却水的存在，制冷剂蒸汽在冷凝器3中冷凝成为液态制冷剂，通过管路回流到制冷剂储液罐1中，从而完成整个冷却循环过程。

如图2所示，所述气汽分离装置8的具体结构包括：气汽分离箱81、分离膜82、混合气体输入通路A、制冷剂蒸汽输出通路B以及控制部；所述混合气体入口通路A上设置有压缩机83和第一控制阀84，所述制冷剂蒸汽出口通路B上设置有第二控制阀85。

所述气汽分离箱81包括一个密闭腔体，所述密闭腔体的一个侧壁为所述分离膜82，所述分离膜82与所述密闭腔体的其余侧壁密封连接，所述分离膜82为微孔单向过滤膜结构，其根据分子粒径大小的差别，只能单方向通过空气、而阻止制冷剂蒸汽通过。所述分离膜82可以考虑的是根据制冷剂蒸汽和空气的分子粒径范围选用相应的分子筛。此外，所述气汽分离箱81上还设有泄压阀，在所述密闭腔体内的压力超过设定值时，进行泄压，以保证设备的安全。

所述混合气体输入通路A在所述气汽分离箱81的密闭腔体处设置有喷嘴，以提高混合气体进入所述密闭腔体的喷射速度，所述喷嘴选用镀铬的铜合金。

此外，所述气汽分离箱81上还设有泄压阀，在气汽分离器内的压力超过 某设定值时，进行泄压

所述气汽分离装置8的工作过程如下：

当需要对空气—制冷剂蒸汽的混合气体进行分离时，控制部发出指令使得混合气体入口通路A上的第一控制阀84打开、制冷剂蒸汽出口通路B上的第二控制阀85关闭，同时压缩机83启动，将混合气体以一定压力P从喷嘴处高速喷射入所述密闭腔体，所述混合气体在所述密闭腔体内高速流动，所述混合气体中空气的分子粒径小于所述分离膜82中的孔径，从而通过所述分离膜82，被排出到所述密闭腔体外部，所述混合气体中制冷剂蒸汽的分子粒径大于所述分离膜82的孔径，从而被阻止通过所述分离膜82，被留置在所述密闭腔体内；经过一定时间T1后，所述控制部发出指令，压缩机83停止，第一控制阀84关闭，停止向所述密闭腔体输送所述混合气体；此后，检测装置持续监测所述密闭腔体内所述制冷剂蒸汽的浓度，当经过持续时间T2后，所述检测装置检测到制冷剂蒸汽的浓度为99.9％以上，说明空气已经完全通过所述分离膜82排出到所述密闭腔体外部，所述密闭腔体内仅剩存制冷剂蒸汽，所述混合气体中的空气和制冷剂蒸汽得到成功分离，此时，控制部发出指令打开第二控制阀85，制冷剂蒸汽通过制冷剂蒸汽出口通路B被排出所述密闭腔体，经第二冷凝器4冷凝后回收再利用，当所述制冷剂蒸汽完全被排出所述密闭腔体后，所述控制部重新发出指令使得混合气体入口通路A上的第一控制阀84打开、制冷剂蒸汽出口通路B上的第二控制阀85关闭，同时压缩机83启动，进入下一个工作循环。

上述实施例中采用的是让空气排出、制冷剂蒸汽留在密闭腔体内的技术手段对空气—制冷剂蒸汽的混合气体进行分离，当然也可以选用制冷剂蒸汽能够通过的分离膜82，从而通过使空气留在密闭腔体内、制冷剂蒸汽被排出的方式对混合气体进行分离，同样能达到分离的效果，在此不再详述。

本发明所述的气汽分离装置及方法，结构简单、操作方便，能够可靠有效地分离空气和制冷剂蒸汽，分离效果好。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但都应落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1. 一种分离空气和制冷剂蒸汽的气汽分离装置，其特征在于，所述气汽分离装置包括：气汽分离箱、分离膜、混合气体输入通路、制冷剂蒸汽输出通路以及控制部；所述混合气体入口通路上设置有压缩机和第一控制阀，所述制冷剂蒸汽出口通路上设置有第二控制阀。
2. 根据权利要求1所述的气汽分离装置，其特征在于，

   所述气汽分离箱包括一个密闭腔体，所述密闭腔体的一个侧壁为所述分离膜。
3. 根据权利要求2所述的气汽分离装置，其特征在于，

   所述分离膜与所述密闭腔体的其余侧壁密封连接。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的气汽分离装置，其特征在于，

   所述分离膜为微孔单向过滤膜，其根据分子粒径大小的差别，只能单方向通过空气、而阻止制冷剂蒸汽通过。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的气汽分离装置，其特征在于，

   所述气汽分离箱上还设有泄压阀。
6. 根据权利要求1-5任一项所述的气汽分离装置，其特征在于，

   所述混合气体输入通路在所述气汽分离箱的密闭腔体处设置有喷嘴，所述喷嘴选用镀铬的铜合金。
7. 根据权利要求1-6任一项所述的气汽分离装置，其特征在于，

   所述分离膜选用分子筛。
8. 根据权利要求2-7任一项所述的气汽分离装置，其特征在于，

   还包括用于检测所述密闭腔体内制冷剂蒸汽的浓度检测装置。
9. 一种使用如权利要求1-8所述气汽分离装置的气汽分离方法，其特征在于，

   当需要对空气—制冷剂蒸汽的混合气体进行分离时，控制部发出指令使得 混合气体入口通路上的第一控制阀打开、制冷剂蒸汽出口通路上的第二控制阀关闭，同时压缩机启动；

   经过设定时间后，所述控制部发出指令，所述压缩机停止，所述第一控制阀关闭，停止向所述密闭腔体输送所述混合气体；

   检测装置持续监测所述密闭腔体内所述制冷剂蒸汽的浓度，当所述检测装置检测到制冷剂蒸汽的浓度为设定值以上，说明所述密闭腔体内仅剩存制冷剂蒸汽，此时，控制部发出指令打开所述第二控制阀，制冷剂蒸汽通过制冷剂蒸汽出口通路被排出所述密闭腔体。
10. 一种根据权利要求9所述的气汽分离方法，其特征在于，

    所述制冷剂蒸汽通过所述制冷剂蒸汽出口通路被排出所述密闭腔体后，经冷凝器冷凝后回收再利用。

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