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TWI826199B - 冷卻系統及其操作方法 - Google Patents

冷卻系統及其操作方法 Download PDF

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TWI826199B
TWI826199B TW111149148A TW111149148A TWI826199B TW I826199 B TWI826199 B TW I826199B TW 111149148 A TW111149148 A TW 111149148A TW 111149148 A TW111149148 A TW 111149148A TW I826199 B TWI826199 B TW I826199B
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TW
Taiwan
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evaporator
condenser
outlet
inlet
cooling system
Prior art date
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TW111149148A
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Inventor
林建宏
黃進權
足達信博
Original Assignee
技鋼科技股份有限公司
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Priority to US18/177,135 priority patent/US20240215207A1/en
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Abstract

一種冷卻系統，包括一壓縮機、一冷凝器、一蒸發器、 一第一單向閥及一第二單向閥。壓縮機包括一壓縮機入口與一壓縮機出口。冷凝器包括一冷凝器入口與一冷凝器出口，壓縮機出口連通於冷凝器入口。蒸發器包括一蒸發器入口與一蒸發器出口，冷凝器出口連通於蒸發器入口，蒸發器出口連通於壓縮機入口及冷凝器入口。第一單向閥設置於壓縮機出口與冷凝器入口之間的一第一流路。第二單向閥設置於蒸發器出口與冷凝器入口之間的一第二流路。

Description

冷卻系統及其操作方法
本發明是有關於一種冷卻系統，且特別是有關於一種安定性較佳的冷卻系統。
隨著科技進步，電子裝置的功率越來越高，散熱需求也隨之增加。若使用一般冷凍循環系統來散熱，冷凍循環系統容易因為低溫而產生結露等風險，且負載不穩定會讓冷凍循環容易產生過多的液態冷媒，可能會使液態冷媒進入壓縮機而導至壓縮機損毀。
本發明提供一種冷卻系統，其具有較佳的安定性。
本發明的一種冷卻系統，包括一壓縮機、一冷凝器、一蒸發器、一第一單向閥及一第二單向閥。壓縮機包括一壓縮機入口與一壓縮機出口。冷凝器包括一冷凝器入口與一冷凝器出口，壓縮機出口連通於冷凝器入口。蒸發器包括一蒸發器入口與一蒸 發器出口，冷凝器出口連通於蒸發器入口，蒸發器出口連通於壓縮機入口及冷凝器入口。第一單向閥設置於壓縮機出口與冷凝器入口之間的一第一流路。第二單向閥設置於蒸發器出口與冷凝器入口之間的一第二流路。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括一冷媒儲槽及設置於冷媒儲槽內的一液高感測器，冷媒儲槽設置於蒸發器出口與第二流路之間以及蒸發器出口與壓縮機入口之間。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括一冷媒儲槽及設置於冷媒儲槽內的一液高感測器，冷媒儲槽設置於冷凝器內。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括一冷媒儲槽及設置於冷媒儲槽內的一液高感測器，冷媒儲槽設置於冷凝器出口與蒸發器之間。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括一膨脹閥，設置於冷凝器與蒸發器之間，膨脹閥包括一膨脹閥入口與一膨脹閥出口，膨脹閥入口連接於冷凝器出口，膨脹閥出口連接於蒸發器入口。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括一閥件，設置於冷凝器出口與蒸發器入口之間，且並聯於膨脹閥。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括：一浸沒式冷卻槽、連通於浸沒式冷卻槽的兩輸送管路及連通於兩輸送管路的一輸送動力源，兩輸送管路連通於蒸發器。
本發明的一種冷卻系統的操作方法，包括提供上述的冷卻系統；以及可選擇地進行一第一循環或一第二循環，其中當選擇進行第一循環時，壓縮機啟動，冷媒自蒸發器依序經過壓縮機、第一流路、冷凝器而回到蒸發器，當選擇進行第二循環時，壓縮機關閉，冷媒自蒸發器依序經過第二流路、冷凝器而回到蒸發器。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括一冷媒儲槽，在選擇進行第一循環或第二循環之前，冷卻系統的操作方法還包括：量測冷媒儲槽內的一液態冷媒高度；依據液態冷媒高度調整壓縮機的啟動或關閉，其中當液態冷媒高度小於一預設值時，進行第一循環，當液態冷媒高度大於或等於預設值時，進行第二循環。
在本發明的一實施例中，上述的冷媒儲槽設置於蒸發器出口與第二流路之間以及蒸發器出口與壓縮機入口之間。
在本發明的一實施例中，上述的冷媒儲槽設置於冷凝器內。
在本發明的一實施例中，上述的冷媒儲槽設置於冷凝器與蒸發器之間。
在本發明的一實施例中，上述的冷卻系統更包括一膨脹閥及一閥件，膨脹閥設置於冷凝器與蒸發器之間，膨脹閥包括一膨脹閥入口與一膨脹閥出口，膨脹閥入口連接於冷凝器出口，膨脹閥出口連接於蒸發器入口，閥件設置於冷凝器出口與蒸發器入口之間，且並聯於膨脹閥，冷卻系統的操作方法還包括：量測冷 凝器出口的一冷媒溫度；以及依據冷媒溫度調整閥件的開關，其中當冷媒溫度小於一預設值時，開啟閥件，以使離開冷凝器的冷媒經由閥件流至蒸發器，當冷媒溫度大於或等於預設值時，關閉閥件，以使離開冷凝器的冷媒經由膨脹閥流至蒸發器。
基於上述，本發明的冷卻系統的第一單向閥設置於壓縮機出口與冷凝器入口之間的第一流路，且第二單向閥設置於蒸發器出口與冷凝器入口之間的第二流路。冷卻系統可選擇進行第一循環或第二循環。當選擇進行第一循環時，壓縮機啟動，第二單向閥關閉，冷媒自蒸發器依序經過、壓縮機、第一流路、冷凝器而回到蒸發器。當選擇進行第二循環時，壓縮機關閉，第一單向閥關閉，冷媒自蒸發器依序經過第二流路、冷凝器而回到蒸發器。當液態冷媒過多時，採用第二循環，而可避免液態冷媒進入壓縮機而導致壓縮機損毀，而使冷卻系統具有較佳的安定性。
100、100a、100b:冷卻系統
110:壓縮機
112:壓縮機入口
114:壓縮機出口
120:冷凝器
122:冷凝器入口
124:冷凝器出口
125:風扇
130:蒸發器
132:蒸發器入口
134:蒸發器出口
140:第一單向閥
145:第二單向閥
150:冷媒儲槽
152:液高感測器
160:膨脹閥
162:膨脹閥入口
164:膨脹閥出口
170:閥件
180:浸沒式冷卻槽
182、184:輸送管路
186:輸送動力源
圖1是依照本發明的一實施例的一種冷卻系統的示意圖。
圖2是圖1的冷卻系統進行第一循環的示意圖。
圖3是圖1的冷卻系統進行第二循環的示意圖。
圖4是圖1的冷卻系統在循環時流經膨脹閥的示意圖。
圖5是圖1的冷卻系統在循環時流經閥件的示意圖。
圖6是依照本發明的另一實施例的一種冷卻系統的示意圖。
圖7是依照本發明的另一實施例的一種冷卻系統的示意圖。
圖1是依照本發明的一實施例的一種冷卻系統的示意圖。圖2是圖1的冷卻系統進行第一循環的示意圖。請參閱圖1與圖2，本實施例的冷卻系統100可用來對伺服器等電子裝置散熱，但冷卻系統100的應用不以此為限制。本實施例的冷卻系統100可進行第一循環(圖2)或第二循環(圖3)。下面先說明冷卻系統100的元件及第一循環。
本實施例的冷卻系統100包括一壓縮機110、一冷凝器120、一蒸發器130、一第一單向閥140及一第二單向閥145。壓縮機110包括一壓縮機入口112與一壓縮機出口114。冷凝器120包括一冷凝器入口122與一冷凝器出口124，壓縮機出口114連通於冷凝器入口122。第一單向閥140設置於壓縮機出口114與冷凝器入口122之間的一第一流路。第二單向閥145設置於蒸發器出口134與冷凝器入口122之間的一第二流路。如圖2所示，在第一循環中，第一單向閥140開啟，第二單向閥145關閉。
壓縮機110用以把低壓氣態冷媒變成高壓過熱蒸氣之後流到冷凝器120。一風扇125設置在冷凝器120旁，以對冷凝器120散熱。冷凝器120會將高壓過熱蒸氣冷媒的熱能傳遞給周圍介質(水或空氣)帶走。高壓過熱蒸氣冷媒在冷凝器120中重新凝結成高壓常溫的液體冷媒。
此外，蒸發器130包括一蒸發器入口132與一蒸發器出口134。冷凝器出口124連通於蒸發器入口132。更具體地說，本實施例的冷卻系統100更包括一膨脹閥160，設置於冷凝器120與蒸發器130之間。膨脹閥160包括一膨脹閥入口162與一膨脹閥出口164，膨脹閥入口162連接於冷凝器出口124，膨脹閥出口164連接於蒸發器入口132。此外，蒸發器出口134連通於壓縮機入口112及冷凝器入口122。
高壓常溫的液態冷媒在流經膨脹閥160時節流降壓，變為低溫低壓濕蒸氣冷媒(大部分是液態冷媒，小部分是蒸汽冷媒)之後進入蒸發器130，在蒸發器130內汽化吸熱，而達到制冷降溫的目的。也就是說，當選擇進行第一循環時，壓縮機110啟動，第一單向閥140開啟，第二單向閥145關閉，冷媒自蒸發器130依序經過壓縮機110、第一流路、冷凝器120而回到蒸發器130。
此外，冷卻系統100更包括一浸沒式冷卻槽180、連通於浸沒式冷卻槽180的兩輸送管路182、184及連通於兩輸送管路182、184的一輸送動力源186(例如是泵)，兩輸送管路182、184連通於蒸發器130。伺服器等需要散熱的電子裝置可浸沒在浸沒式冷卻槽180內，以使浸沒式冷卻槽180內的液體(例如是冷卻油)對伺服器降溫。冷卻油從被輸送動力源186抽吸而從輸送管路182進入蒸發器130以與冷媒進行熱交換，而使得熱的冷卻油變成冷的冷卻油，再從輸送管路184回到浸沒式冷卻槽180。
此外，冷卻系統100更包括一冷媒儲槽150及設置於冷 媒儲槽150內的一液高感測器152，冷媒儲槽150設置於蒸發器出口134與第二流路(第二單向閥145)之間以及蒸發器出口134與壓縮機入口112之間。液高感測器152可用來感測冷媒儲槽150內的液態冷媒的高度，以選擇冷卻系統100要進行第一循環或第二循環。
也就是說，冷卻系統100是依據液態冷媒的高度來控制壓縮機110、第一單向閥140與第二單向閥145的啟動或關閉。具體地說，當液態冷媒高度小於一預設值時，代表冷卻系統100的循環內的液態冷媒適量，壓縮機110不會吸入液態冷媒。此時，壓縮機110啟動、第一單向閥140開啟與第二單向閥145關閉，以進行第一循環。
當液態冷媒高度大於或等於預設值時，代表冷卻系統100循環內的液態冷媒過多，壓縮機110可能會吸入液態冷媒，產生液體冷媒壓縮，而造成損壞。
為了避免上述情況，本實施例的冷卻系統100還可選擇進行第二循環。圖3是圖1的冷卻系統進行第二循環的示意圖。請參閱圖3，在第二循環中，壓縮機110停止運作，第一單向閥140關閉，第二單向閥145開啟。
在圖3中，在於壓縮機110未運作下，冷卻系統100可以透過蒸發器130與冷凝器120本身的溫差而產生的壓差來達到循環的目的。冷媒自蒸發器130依序經過第二流路、冷凝器120而回到蒸發器130。
具體地說，由於蒸發器出口134處的壓力(高壓氣態冷媒的壓力)比冷凝器入口122處的壓力來得大，壓縮機110未運作時，冷媒會通過第二單向閥145直接流往冷凝器入口122，且第一單向閥140可避免冷媒回流到壓縮機110。在此狀況下，由於壓縮機110不運作，冷媒儲槽150內的液態冷媒不會流向壓縮機110，而不會損壞壓縮機110。
也就是說，當液高感測器152感測到冷媒儲槽150內的液態冷媒的高度太大(代表液態冷媒過多)時，控制器(未繪示)停止壓縮機110運轉，此時由於蒸發器130仍持續吸熱，因此冷媒仍會持續蒸發，並且透過第二單向閥145流向冷凝器120，而使冷卻系統100持續提供應有的散熱能力。等到解熱能力不足後才需要再次啟動壓縮機110來主動輸送冷媒。
圖4是圖1的冷卻系統在循環時流經膨脹閥的示意圖。請參閱圖4，本實施例的冷卻系統100更包括一閥件170，設置於冷凝器出口124與蒸發器入口132之間，且並聯於膨脹閥160。閥件170例如是一電磁閥，但不限於此。
冷卻系統100可依據冷凝器出口124處的冷媒溫度調整閥件170的開關。當冷凝器出口124處的冷媒溫度大於或等於預設值時，代表冷媒溫度太高，閥件170關閉，以使離開冷凝器120的冷媒經由膨脹閥160流至蒸發器130。因此，冷媒可被膨脹閥160降壓降溫，而產生足夠低溫的冷媒進入蒸發器130。
圖5是圖1的冷卻系統在循環時流經閥件的示意圖。請參閱圖5，當冷媒溫度小於一預設值時，代表冷媒溫度已經足夠低，不需要再被膨脹閥160降壓降溫，閥件170開啟，以使離開冷凝器120的冷媒經由閥件170流至蒸發器130。冷媒經過閥件170的過程屬於沒有降溫的輸送過程，可避免壓降而產生低溫冷凝。
圖6是依照本發明的另一實施例的一種冷卻系統的示意圖。請參閱圖6，圖6的冷卻系統100a與圖1的冷卻系統100的主要差異是，在本實施例中，冷媒儲槽150設置於冷凝器120內。圖7是依照本發明的另一實施例的一種冷卻系統的示意圖。請參閱圖7，圖7的冷卻系統100b與圖1的冷卻系統100的主要差異是，在本實施例中，冷媒儲槽150設置於冷凝器出口124與蒸發器130之間。
同樣地，在圖6與圖7中，當液高感測器152感測到冷媒儲槽150內的液態冷媒的高度太小(代表液態冷媒過少)時，壓縮機110運作，第二單向閥145關閉。當液高感測器152感測到冷媒儲槽150內的液態冷媒的高度太大(代表液態冷媒過多)時，控制器(未繪示)停止壓縮機110運轉，第一單向閥140關閉，以使冷卻系統100具有較佳的安定性。
綜上所述，本發明的冷卻系統的第一單向閥設置於壓縮機出口與冷凝器入口之間的第一流路，且第二單向閥設置於蒸發器出口與冷凝器入口之間的第二流路。冷卻系統可選擇進行第一 循環或第二循環。當選擇進行第一循環時，壓縮機啟動，第二單向閥關閉，冷媒自蒸發器依序經過壓縮機、第一流路、冷凝器而回到蒸發器。當選擇進行第二循環時，壓縮機關閉，第一單向閥關閉，冷媒自蒸發器依序經過第二流路、冷凝器而回到蒸發器。當液態冷媒過多時，採用第二循環，而可避免液態冷媒進入壓縮機而導致壓縮機損毀，而使冷卻系統具有較佳的安定性。
100:冷卻系統
110:壓縮機
112:壓縮機入口
114:壓縮機出口
120:冷凝器
122:冷凝器入口
124:冷凝器出口
125:風扇
130:蒸發器
132:蒸發器入口
134:蒸發器出口
140:第一單向閥
145:第二單向閥
150:冷媒儲槽
152:液高感測器
160:膨脹閥
162:膨脹閥入口
164:膨脹閥出口
170:閥件
180:浸沒式冷卻槽
182、184:輸送管路
186:輸送動力源

Claims (13)

  1. 一種冷卻系統，包括：一壓縮機，包括一壓縮機入口與一壓縮機出口；一冷凝器，包括一冷凝器入口與一冷凝器出口，該壓縮機出口連通於該冷凝器入口；一蒸發器，包括一蒸發器入口與一蒸發器出口，該冷凝器出口連通於該蒸發器入口，該蒸發器出口連通於該壓縮機入口及該冷凝器入口；一第一單向閥，設置於該壓縮機出口與該冷凝器入口之間的一第一流路；以及一第二單向閥，設置於該蒸發器出口與該冷凝器入口之間的一第二流路，其中在一第二循環中，該壓縮機關閉，冷媒自該蒸發器依序經過該第二流路、該冷凝器而回到該蒸發器。
  2. 如請求項1所述的冷卻系統，更包括：一冷媒儲槽及設置於該冷媒儲槽內的一液高感測器，該冷媒儲槽設置於該蒸發器出口與該第二流路之間以及該蒸發器出口與該壓縮機入口之間。
  3. 如請求項1所述的冷卻系統，更包括：一冷媒儲槽及設置於該冷媒儲槽內的一液高感測器，該冷媒儲槽設置於該冷凝器內。
  4. 如請求項1所述的冷卻系統，更包括：一冷媒儲槽及設置於該冷媒儲槽內的一液高感測器，該冷媒儲槽設置於該冷凝器出口與該蒸發器之間。
  5. 如請求項1所述的冷卻系統，更包括：一膨脹閥，設置於該冷凝器與該蒸發器之間，該膨脹閥包括一膨脹閥入口與一膨脹閥出口，該膨脹閥入口連接於該冷凝器出口，該膨脹閥出口連接於該蒸發器入口。
  6. 如請求項5所述的冷卻系統，更包括：一閥件，設置於該冷凝器出口與該蒸發器入口之間，且並聯於該膨脹閥。
  7. 如請求項1所述的冷卻系統，更包括：一浸沒式冷卻槽、連通於該浸沒式冷卻槽的兩輸送管路及連通於該兩輸送管路的一輸送動力源，該兩輸送管路連通於該蒸發器。
  8. 一種冷卻系統的操作方法，包括：提供一如請求項1所述的冷卻系統；以及可選擇地進行一第一循環或一第二循環，其中當選擇進行該第一循環時，該壓縮機啟動，冷媒自該蒸發器依序經過該壓縮機、該第一流路、該冷凝器而回到該蒸發器，當選擇進行該第二循環時，該壓縮機關閉，冷媒自該蒸發器依序經過該第二流路、該冷凝器而回到該蒸發器。
  9. 如請求項8所述的冷卻系統的操作方法，其中該冷卻系統更包括一冷媒儲槽，在選擇進行該第一循環或該第二循環之前，該冷卻系統的操作方法還包括： 量測該冷媒儲槽內的一液態冷媒高度；依據該液態冷媒高度調整該壓縮機的啟動或關閉，其中當該液態冷媒高度小於一預設值時，進行該第一循環，當該液態冷媒高度大於或等於該預設值時，進行該第二循環。
  10. 如請求項9所述的冷卻系統的操作方法，其中該冷媒儲槽設置於該蒸發器出口與該第二流路之間以及該蒸發器出口與該壓縮機入口之間。
  11. 如請求項9所述的冷卻系統的操作方法，其中該冷媒儲槽設置於該冷凝器內。
  12. 如請求項9所述的冷卻系統的操作方法，其中該冷媒儲槽設置於該冷凝器與該蒸發器之間。
  13. 如請求項8所述的冷卻系統的操作方法，其中該冷卻系統更包括一膨脹閥及一閥件，該膨脹閥設置於該冷凝器與該蒸發器之間，該膨脹閥包括一膨脹閥入口與一膨脹閥出口，該膨脹閥入口連接於該冷凝器出口，該膨脹閥出口連接於該蒸發器入口，該閥件設置於該冷凝器出口與該蒸發器入口之間，且並聯於該膨脹閥，該冷卻系統的操作方法還包括：量測該冷凝器出口的一冷媒溫度；以及依據該冷媒溫度調整該閥件的開關，其中當該冷媒溫度小於一預設值時，開啟該閥件，以使離開該冷凝器的冷媒經由該閥件流至該蒸發器，當該冷媒溫度大於或等於該預設值時，關閉該閥件，以使離開該冷凝器的冷媒經由該膨脹閥流至該蒸發器。
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