两相冷板液冷系统及控制方法与流程

本发明涉及计算机设备冷却，具体而言，涉及一种两相冷板液冷系统及控制方法。

背景技术：

1、为满足不断增长的算力需求，单机柜功率密度越来越高。未来五年内，60kw机柜将会成为主流，而当单机柜功率密度达到20kw时风冷系统就已接近其经济有效的制冷极限。

2、在此背景下，低pue（电力使用效率）、高解热密度的液冷数据中心散热技术应运而生。两相冷板式液冷利用工质的气化相变潜热快速带走热量，无疑具有很高的冷却效率，同时相变潜热远大于显热，循环工质流量更小，循环泵的功耗更低，必然有更低的pue值。两相冷板液冷系统是用工质在循环流动过程中的沸腾吸热和凝结放热过程，进行热量收集、输送的系统。工质在循环泵的驱动下流入蒸发器，在进入蒸发器后工质吸收热量由单相液态变成气液两相状态，两相流体经过冷凝器释放热量后由气液两相变回为液态，再进入循环泵，形成吸热、输送和放热的整个循环。

3、但两相流态系统压力不稳定，同时泵入口要求过冷度3~5℃，过低容易发生气化，影响泵的寿命和可靠性，并且散热效率急剧下降，特别是串联多个发热部件时，冷媒流动的前程由于过冷度的原因，导致换热能力较弱，对流换热系数比相变沸腾换热系数低一至两个数量级，中程部分进入两相换热后，随着压力的降低，沸点也逐渐降低，导致串联后程部分的部件温度低于串联前程部分，同时由于后程部分压力较低，两相流比体积急剧增加，容易出现系统内部压力震荡，进而导致循环停滞，严重时诱发循环倒流等问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种两相冷板液冷系统及控制方法，以解决现有技术中的两相冷板液冷串联冷却多个部件时，串联后程部分的部件温度低于串联前程部分温度的问题，还可以解决由此引发的系统内部压力震荡、循环停滞及循环倒流的问题。

2、为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种两相冷板液冷系统，包括冷凝器和冷却支路，冷却支路包括冷却管和沿冷媒流动方向串联在冷却管上的第一蒸发器、气液整流器和第二蒸发器，冷凝器的出口、冷却管、冷凝器的入口依次连接；第一蒸发器、第二蒸发器分别用于对不同的部件冷却；其中，气液整流器根据第二蒸发器冷却的部件的传热需求，调整要进入第二蒸发器的冷媒的干度。

3、进一步地，第一蒸发器和第二蒸发器之间设置有干度计，干度计用于检测进入第二蒸发器之前的冷媒的干度，气液整流器根据干度计的检测结果调整要进入第二蒸发器的冷媒的干度。

4、进一步地，第二蒸发器冷却的部件的传热需求根据自身的功耗、第二蒸发器中冷媒的质量流速、冷媒的气化潜热得出，第二蒸发器满足其冷却的部件传热需求的预期干度为x，在干度计的检测结果低于预期干度的情况下，气液整流器通过调整增大其内的冷媒的干度，在干度计的检测结果高于预期干度的情况下，气液整流器通过调整降低其内的冷媒的干度。

5、进一步地，x=a*q^b*v^c*h^d；其中，q为第二蒸发器冷却的部件的功耗，单位为w；v为第二蒸发器中冷媒的质量流速，单位为m/s；h为冷媒的气化潜热，单位为kj/kg；b、c、d为指数，a为修正系数；b的范围为0.3~0.6，c的范围为0.1~0.36，d的范围为0.01~0.1。

6、进一步地，两相冷板液冷系统还包括储液器，气液整流器包括整流箱，整流箱具有补液口和补气口，补液口通过管路和储液器连接，以向整流箱内补充液态冷媒，补气口通过管路和冷凝器连接，以向整流箱内补充气态冷媒。

7、进一步地，气液整流器还包括喷嘴，喷嘴位于整流箱内且和补液口连接，补液口通过补液管路和储液器连接，补液管路上设置有第一液泵，补气口通过补气管路和冷凝器连接，补气管路上设置有第一气泵。

8、进一步地，整流箱具有两相气液进口和两相气液出口，两相气液进口和第一蒸发器的出口连接，两相气液出口和第二蒸发器的入口连接；气液整流器还包括设置在整流箱内的气液混合器，气液混合器用于对将进入两相气液出口的冷媒进行气液混合。

9、或者，两相冷板液冷系统还包括储液器，气液整流器包括整流箱，整流箱具有补液口和排液口，补液口通过管路和储液器连接，以向整流箱内补充液态冷媒，排液口通过管路和储液器连接，以排出整流箱内的一部分液态冷媒。

10、进一步地，气液整流器还包括喷嘴，喷嘴位于整流箱内且和补液口连接，补液口通过补液管路和储液器连接，补液管路上设置有第一液泵，排液口通过排液管路和储液器连接，排液管路上设置有第二液泵；或，补液口和排液口为同一个口，且通过双向管路和储液器连接，双向管路上设置有双向液泵，双向液泵可改变液态冷媒的流向，或双向管路上设置有换向阀和单向液泵，换向阀可改变液态冷媒的流向。

11、进一步地，整流箱具有两相气液进口和两相气液出口，两相气液进口和第一蒸发器的出口连接，两相气液出口和第二蒸发器的入口连接；气液整流器还包括设置在整流箱内的气液分离器和气液混合器，气液分离器对从两相气液进口输入的冷媒进行气液分离，且气液分离器可选择地工作或不工作，气液混合器用于对将进入两相气液出口的冷媒进行气液混合。

12、或者，两相冷板液冷系统还包括储液器，气液整流器包括整流箱，整流箱具有排气口和补气口，排气口通过管路和冷凝器连接，以排出整流箱内的一部分气态冷媒，补气口通过管路和冷凝器连接，以向整流箱内补充气态冷媒。

13、进一步地，补气口通过补气管路和冷凝器连接，补气管路上设置有第一气泵，排气口通过排气管路和冷凝器连接，排气管路上设置有第二气泵；或，补气口和排气口为同一个口，且通过双向管路和冷凝器连接，双向管路上设置有双向气泵，双向气泵可改变气态冷媒的流向，或双向管路上设置有换向阀和单向气泵，换向阀可改变气态冷媒的流向。

14、进一步地，整流箱具有两相气液进口和两相气液出口，两相气液进口和第一蒸发器的出口连接，两相气液出口和第二蒸发器的入口连接；气液整流器还包括设置在整流箱内的气液分离器和气液混合器，气液分离器对从两相气液进口输入的冷媒进行气液分离，且气液分离器可选择地工作或不工作，气液混合器用于对将进入两相气液出口的冷媒进行气液混合。

15、进一步地，两相冷板液冷系统还包括储液器，气液整流器包括整流箱和气液分离器，整流箱与储液器和/或冷凝器连接，整流箱具有两相气液进口，两相气液进口和第一蒸发器的出口连接，气液分离器对从两相气液进口输入的冷媒进行气液分离，气液分离器可选择地工作或不工作。

16、进一步地，气液分离器可移动地设置，气液分离器移动到朝向两相气液进口的情况下，气液分离器工作，气液分离器移动到避让两相气液进口的情况下，气液分离器不工作。

17、进一步地，气液分离器为折板分离器，折板分离器可摆动地设置，折板分离器通过摆动切换位置，以朝向或避让两相气液进口。

18、进一步地，两相冷板液冷系统还包括储液器，气液整流器包括整流箱和气液混合器，整流箱与储液器和/或冷凝器连接，整流箱具有两相气液出口，两相气液出口和第二蒸发器的出口连接，气液混合器用于对将进入两相气液出口的冷媒进行气液混合。

19、进一步地，气液混合器朝向两相气液出口，气液混合器包括多个并排设置的波浪形百叶，或气液混合器包括孔板，孔板上的多个孔为圆形或多边形。

20、进一步地，两相冷板液冷系统还包括储液器、循环泵、预热器和多个调节阀，冷凝器的出口、循环泵、预热器、调节阀、冷却管的入口依次连接，气液整流器与储液器之间的管路上设置有调节阀，和/或气液整流器与冷凝器之间的管路上设置有调节阀。

21、进一步地，冷却支路为多个，多个冷却支路并联设置。

22、进一步地，冷却支路还包括前蒸发器，前蒸发器连接于冷却管，且前蒸发器位于冷凝器的出口和第一蒸发器之间，前蒸发器用于对低功耗的部件冷却，第一蒸发器、第二蒸发器分别用于对不同的高功耗部件冷却。

23、进一步地，两相冷板液冷系统用于以下计算机设备中的至少之一：

24、gpu服务器，前蒸发器用于冷却sw芯片，第一蒸发器、第二蒸发器用于冷却gpu；

25、通用服务器，前蒸发器用于冷却vr芯片，第一蒸发器、第二蒸发器用于冷却cpu；

26、存储服务器，前蒸发器用于冷却vr芯片，第一蒸发器、第二蒸发器用于冷却硬盘；

27、交换机，前蒸发器用于冷却光模块组件，第一蒸发器、第二蒸发器用于冷却sw芯片。

28、根据本发明的另一方面，提供了一种控制方法，控制方法用于上述的两相冷板液冷系统，控制方法包括：将两相冷板液冷系统的第一蒸发器、第二蒸发器分别对不同的部件冷却；根据第二蒸发器冷却的部件的传热需求，对位于第一蒸发器和第二蒸发器之间的气液整流器进行以下至少之一的调整操作：补充液态冷媒、补充气态冷媒、排出一部分液态冷媒或排出一部分气态冷媒，以调整要进入第二蒸发器的冷媒的干度。

29、进一步地，控制方法还包括：检测第一蒸发器输出的冷媒的干度e，或检测气液整流器输出的冷媒的干度e；第二蒸发器冷却的部件的传热需求根据自身的功耗、第二蒸发器中冷媒的质量流速、冷媒的气化潜热得出；第二蒸发器满足其冷却的部件传热需求的预期干度为x，将e与x进行对比，在e＜x的情况下，通过调整操作增大冷媒的干度，在e＞x的情况下，通过调整操作降低冷媒的干度。

30、进一步地，调整操作为：在e＜x的情况下，向气液整流器补充气态冷媒，且在e＞x的情况下，向气液整流器补充液态冷媒；或，在e＜x的情况下，排出气液整流器中的一部分液态冷媒，且在e＞x的情况下，向气液整流器补充液态冷媒；或，在e＜x的情况下，向气液整流器补充气态冷媒，且在e＞x的情况下，排出气液整流器中的一部分气态冷媒。

31、进一步地，x=a*q^b*v^c*h^d；其中，q为第二蒸发器冷却的部件的功耗，单位为w；v为冷媒的质量流速，单位为m/s；h为冷媒的气化潜热，单位为kj/kg；b、c、d为指数，a为修正系数；b的范围为0.3~0.6，c的范围为0.1~0.36，d的范围为0.01~0.1。

32、进一步地，气液整流器包括整流箱和位于其内的气液分离器，整流箱的入口连接第一蒸发器，控制方法还包括：在排出气液整流器中的一部分液态冷媒或一部分气态冷媒的情况下，通过气液分离器对从整流箱的入口输入的冷媒进行气液分离；在不排出气液整流器中的液态冷媒或气态冷媒的情况下，气液分离器不进行气液分离。

33、进一步地，第一蒸发器之前串联有前蒸发器，控制方法还包括：将前蒸发器对低功耗的部件冷却，将第一蒸发器、第二蒸发器分别对不同的高功耗部件冷却。

34、在该方案中，对于通过两相冷板液冷系统串联冷却的部件，在第一蒸发器对前一个部件冷却后，根据第二蒸发器冷却的部件的传热需求，使气液整流器与储液器和/或冷凝器之间进行冷媒流动，可以调整从第一蒸发器输出的冷媒的干度，避免冷媒干度过低或过高，这样可使得进入第二蒸发器的冷媒满足其冷却的部件的传热需求，即进入第二蒸发器的冷媒具有合适沸点及换热能力，从而可将对应的部件冷却到合适的温度，避免了前后部件温差大。本方案利用干度和沸腾传热系数的变化关系（干度越大沸腾传热系数越小），控制进入第二蒸发器的冷媒的干度，从而控制第二蒸发器冷却的部件的温度。通过该方案，解决了串联后程部分的部件温度低于串联前程部分温度的问题，提高了串联冷却的多个部件的均温性，进而解决了系统内部压力震荡、循环停滞及循环倒流的问题，大幅改善串联热源的均温性和串并系统的可靠性。这为两相冷板液冷技术在数据中心领域的规模化应用创造了技术可行条件，打开商业化应用的大门。