CN107562155A

CN107562155A - 一种液冷服务器及其流量测量方法

Info

Publication number: CN107562155A
Application number: CN201710801441.5A
Authority: CN
Inventors: 刚宪秀
Original assignee: Zhengzhou Yunhai Information Technology Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Yunhai Information Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明公开了一种液冷服务器及其流量测量方法，包括通过管道顺序连接的储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器，所述液冷板连接发热元件，冷却器还管道连接外部冷源，在储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器之间的管道内填充有冷却液，在液冷板处还配置有流量调节机构，该流量调节机构通过获取流入液冷板的冷却液的温度及压差，来对进入液冷板的流量进行调节。本发明的一种液冷服务器及其流量测量方法与现有技术相比，适用于所有的液冷服务器，只需增加三个传感器设备采集数据即可测量计算出液冷服务器流量，大大提高产品的竞争力，实用性强，适用范围广泛，易于推广。

Description

一种液冷服务器及其流量测量方法

技术领域

本发明涉及计算机服务器技术领域，具体地说是一种液冷服务器及其流量测量方法。

背景技术

液体冷却是数据中心行业节能冷却技术的趋势，采用液体冷却的服务器冷却效果远远大于传统的风冷散热器模式。液冷服务器即将液体注入服务器，通过冷热交换带走服务器内发热元件产生的热量，这部分热量往往占据了服务器发热量的70％以上，因此通过液体冷却技术可以比传统风冷模式节能至少30％以上。

液体服务器的流量监控是一大问题。流量测量一般有以下几种方法：采用现有的、成熟的流量计产品；采用自主设计的流量计；采用间接方法，通过测量与流量相关的其他物理量来得到流量数据。

采用液冷技术的服务器尺寸通常有2U、4U的普通服务器以及1U半宽或4U的刀片服务器，服务器本身功率密度较高、内部空间狭小，不容易布置液冷装置，尺寸和空间的限制导致了服务器内极难安装电磁流量计等流量监测设备。现有的流量计可以实现机柜级的流量监控，安装在机柜内或者机柜外的液冷系统管道上即可，但该种方法难以精确测量流过每台液冷服务器的流量，而每台服务器的实时液体流量又关系到服务器散热效果，因此实时监测每台服务器液体流量是一大难题。

系统空间或尺寸较大的液冷系统，一般采用现成的流量计产品测量流量即可，比如液冷服务器机柜级的流量往往利用流量计便可以测量得到。但目前市面上所有的流量计的尺寸对于服务器而言，仍然尺寸过大，而且液冷服务器内的管道直径较小，也不适合安装流量计，所以精确到每个液冷服务器的流量测量是个难题。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种液冷服务器及其流量测量方法。

一种液冷服务器，包括通过管道顺序连接的储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器，所述液冷板连接发热元件，冷却器还管道连接外部冷源，在储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器之间的管道内填充有冷却液，在液冷板处还配置有流量调节机构，该流量调节机构通过获取流入液冷板的冷却液的温度及压差，来对进入液冷板的流量进行调节。

所述冷却液为不导电的去离子水、乙二醇水溶液或油。

所述外部冷源是指冷空气或冷却塔内的水。

所述流量调节机构通过温度传感器和压力传感器获取流入液冷板的冷却液的温度及压力差，其中温度传感器设有一个并配置在液体循环泵与液冷板之间；压力传感器设有两个并分别配置在液体循环泵与液冷板之间、液冷板与冷却器之间；所述温度传感器、压力传感器均连接到数据采集器，该数据采集器采集由温度传感器、压力传感器获取的温度、压力数据。

所述液冷服务器内配置有若干发热元件，每个发热元件处均连接一条散热支路，每条散热支路上均配置有流量调节机构，即每个发热元件均连接一液冷板，在该液冷板与液体循环泵之间连接有温度传感器和压力传感器，在液冷板与冷却器之间连接有另一压力传感器。

一种液冷服务器的流量测量方法，基于上述液冷服务器，其过程为：

首先在上述液冷服务器的液体循环泵与液冷板之间外接流量计；

通过控制储液器，调整温度，在不同温度下，测量压力传感器和温度传感器的压力值和温度值；

通过流量计，获取不同温度下对应的流量值；

最后获取温度、压力差及流量之间的关系，从而在无流量计的情况下，根据获取的温度、压力差获知流量数据。

所述温度传感器配置在液体循环泵与液冷板之间，即液冷板的进口处，通过该温度传感器返回的温度检测T数据，来对储液器进行控制，使液冷板进口处冷却液温度T保持恒定。

所述储液器内配置有加热器，该加热器还连接控制器，所述控制器根据数据采集器实时采集的温度传感器的温度，来控制加热器实现温度恒定，所述控制器还控制连接到液体循环泵、冷却器。

在液体循环泵与液冷板之间配置有与流量计配合使用的流量调节阀，该流量调节阀连接上述控制器且流量调节阀用于调节系统流量，具体通过控制器控制流量调节阀实现对系统流量的调节，然后通过流量计获取流量数据G，并由数据采集器采集。

所述压力传感器设有两个并分别配置在液体循环泵与液冷板之间、液冷板与冷却器之间，即液冷板的进口处和出口处，通过数据采集器获取压力传感器的压力值并得出在温度T下的压力差Δp，根据数据得到公式Δp＝f(T,G)，从而可得到温度、压力差及流量之间的关系。

本发明的一种液冷服务器及其流量测量方法和现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种液冷服务器及其流量测量方法，适用于所有的液冷服务器，只需增加三个传感器设备采集数据即可测量计算出液冷服务器流量，大大提高产品的竞争力；提供了液冷服务器冷却液流量测量方法，并能精确到每台液冷服务器的流量；该液冷服务器内无需设置流量计，仅通过温度和压力传感器和实验测定数据得到的公式就可以计算液冷服务器液冷管路的流量，占用极小的空间，不会与服务器元件产生干涉；测量数据精确，可以实现实时的数据测量和传输，方便液冷服务器液冷系统的监控与控制，实用性强，适用范围广泛，易于推广。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

附图1为现有技术中液冷服务器架构图。

附图2为本发明流量测量实验台示意图。

附图3为本发明实施方式中某温度下压力差与流量的关系曲线图。

附图4为本发明中液冷服务器架构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图4所示，一种液冷服务器，包括通过管道顺序连接的储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器，所述液冷板连接发热元件，冷却器还管道连接外部冷源，在储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器之间的管道内填充有冷却液，在液冷板处还配置有流量调节机构，该流量调节机构通过获取流入液冷板的冷却液的温度及压差，来对进入液冷板的流量进行调节。

所述冷却液为不导电的去离子水、乙二醇水溶液或油。

所述外部冷源是指冷空气或冷却塔内的水。

一种液冷服务器的流量测量方法，如附图2-4所示，基于上述液冷服务器，利用实验测试得出液冷服务器流量与压力的关系曲线，再根据该曲线，通过实际运行中液冷系统压力的监测结果得出服务器的实时流量，不用安装流量计、不占用服务器内的空间、结果精确、可实现实时监测。

本发明针对液冷服务器内空间有限，不能安装电磁流量计等流量监测设备的问题，设计了一种液冷服务器流量测量方法，通过利用已有的液冷系统和尺寸远小于流量计的压力传感器与温度传感器，完成流量的测量。

一般的，液冷服务器的系统架构如图1所示。液冷服务器包括服务器(虚线框表示一个机柜，虚线框中的每个支路表示一台服务器里的液体冷却液走向)、液体循环泵、液冷板、储液器、冷却器、管道及外部冷源。

液冷系统内充注有不导电的去离子水或其他不导电的冷却液，在液体循环泵的动力作用下，以一定的压力、温度和流量流入液冷板内，与发热元件之间对流换热，温度上升带走发热元件产生的热量，使得发热元件温度降低到正常工作所需的温度范围。

温度上升后的液体继续流入冷却器中，与外部冷源如空气或冷却塔内的水进行换热，将热量传递到外界。冷却器出口的冷却液进入储液器，然后进入液体循环泵，从而完成一次循环循环。

下面解释本发明流量测量方法的原理：

根据流体力学的理论，粘性不可压缩流体在管道内的能量损失由两部分组成：

h_f＝∑h_l+∑h_m。

h_f——粘性不可压缩流体在管道内的能量损失；

h_l——由流体与管壁之间的摩擦阻力引起的沿程阻力损失；

h_m——因流道形状改变、流速变化、流动方向变化等引起的局部阻力损失。

(一)沿程阻力损失h_l计算公式如下：

λ——为沿程阻力系数，是雷诺数Re和管道相对粗糙度的函数；

l——管道长度；

d——管道的当量直径；

U——流体平均流速；

g——重力加速度。

液冷板中流体处于不同的形态时，其沿程阻力系数λ的影响因素也不同：

若流体处于层流起始段，沿程阻力系数与其他因素无关；

若流体处于充分发展段的湍流光滑区，由以下的卡门-普朗特阻力系数公式可知λ与Re有关：

若流体处于充分发展段的湍流粗糙区，则采用下列卡门-普朗特阻力系数公式：

若流体处于层流和湍流的过渡区，则λ与雷诺数Re和管道的相对粗糙度都有关系，通常采用克罗布鲁克公式如下：

(二)局部阻力损失计算公式：

Y——局部阻力系数。局部阻力系数与管道的结构有关，在液冷服务器系统结构已定的情况下，局部阻力系数是确定的。

通过上述对管道阻力损失的分析可知，在液冷板的管道内，当冷却液处于充分发展的湍流状态时，沿程阻力系数与雷诺数Re无关，及管道阻力损失与Re无关；当冷却液处于层流或过渡区时，Re对阻力损失的影响比较大。

另外，冷却液温度的变化对于冷却液的物理性质产生影响，进而影响Re。通过经验和实验测定，当温度变化范围在5℃之内时，对Re的影响不超过2％，大部分时候可以忽略不计，下面的测量为了保证结果的准确，将温度的影响考虑在内并进行了对比。

综合上述分析，可以得知，液冷服务器管路中，液冷板进出口的压力差与流速U及冷却液温度相关，而在管径已定的情况下，流速U又与流量相关，故液冷板进出口压力差与流量和温度相关。在无法直接测量流量的情况下，可以通过测量在冷却液一定温度的前提下液冷板进出口压差来得到流量数据。

下面为本发明中液冷服务器流量测量方法的具体实施过程：

通过流量计，获取不同温度下对应的流量值；

最后获取温度、压力差及流量之间的关系曲线。

实际应用中，可以在无外接流量计的上述液冷服务器中，实时获取压力差与温度，根据关系曲线，实现在无流量计的情况下对流量进行控制调整。

获取温度、压力差及流量之间的关系曲线的过程可以在实验室中通过试验台进行，在冷却液已选定、系统结构包括液冷板的材质、结构形式以及管道的材质、管径、壁厚等已经确定的前提下，循环过程带走的发热元件的热量取决于冷却液的流量，在服务器内没有空间安装流量计的情况下，可以通过以下方式来实现流量的监测。

搭建如图2所示的实验台，在液冷服务器系统基础上增加流量计、流量调节阀、控制器、数据采集器、压力传感器、温度传感器，液冷板及内部管道结构型式不变。

以可以与服务器芯片实现同等功率的加热器1代替芯片进行发热，并且可以调节实际的发热功率，模拟芯片在不同工作强度下的功率。

以散热器模拟冷却器的降温作用，采用大功率散热器使可以实现实际的降温效果。

在液冷板的进口处设置温度传感器，通过温度传感器返回的温度检测T数据调节加热器的控制器2，使得液冷板进口冷却液温度T保持恒定。

在液冷板的进出口设置压力传感器1和压力传感器2，测量液冷板进出口压力，得出进出口的压力差。

在循环泵的出口设置流量调节阀和流量计，通过流量调节阀调节系统流量，利用流量计读出流量数据G。

各个传感器数据经过采集后统一处理和分析。

在上述实验台搭建好之后，便可以进行数据的采集工作：

启动实验台，通过调节加热器2的功率大小，使温度传感器传回的温度数据T₁保持恒定。

调节流量调节阀的开度，读取压力传感器1和压力传感器2的数据p₁和p₁′并相减，得到在该流量下的液冷板进出口压力差Δp₁。

拟合压力差Δp₁与流量G₁在该温度下的曲线关系如图3(示意图，不代表实际数据)所示，得到二者在该温度T₁下的函数关系Δp₁＝f₁(T₁,G₁)。

调节加热器1的功率，改变液冷板进口温度T′变化，重复(1)至(3)，得出该温度下压力差与流量的曲线关系Δp′＝f′(T′,G′)。

实际上，液冷服务器液冷板进口冷却液的温度变化不大，而且温度对雷诺数的影响较小，所以也可忽略温度的影响，只通过液冷板进出口压力差的变化来测定流量即可。

得到各个温度下，流量与液冷板进出口压力差之间的关系式后，便可以应用到图4所示的液冷服务器流量测量系统中，该系统中无流量计，只通过体积很小的温度传感器和压力传感器便可得出实时的进出口压力差Δp和液冷板进口冷却液温度T，根据实验数据得到的公式Δp＝f(T,G)便可得到每个液冷服务器支路上的冷却液流量。

通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种液冷服务器，其特征在于，包括通过管道顺序连接的储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器，所述液冷板连接发热元件，冷却器还管道连接外部冷源，在储液器、液体循环泵、液冷板、冷却器之间的管道内填充有冷却液，在液冷板处还配置有流量调节机构，该流量调节机构通过获取流入液冷板的冷却液的温度及压差，来对进入液冷板的流量进行调节。

2.根据权利要求1所述的一种液冷服务器，其特征在于，所述冷却液为不导电的去离子水、乙二醇水溶液或油。

3.根据权利要求1所述的一种液冷服务器，其特征在于，所述外部冷源是指冷空气或冷却塔内的水。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种液冷服务器，其特征在于，所述流量调节机构通过温度传感器和压力传感器获取流入液冷板的冷却液的温度及压力差，其中温度传感器设有一个并配置在液体循环泵与液冷板之间；压力传感器设有两个并分别配置在液体循环泵与液冷板之间、液冷板与冷却器之间；所述温度传感器、压力传感器均连接到数据采集器，该数据采集器采集由温度传感器、压力传感器获取的温度、压力数据。

5.根据权利要求4所述的一种液冷服务器，其特征在于，所述液冷服务器内配置有若干发热元件，每个发热元件处均连接一条散热支路，每条散热支路上均配置有流量调节机构，即每个发热元件均连接一液冷板，在该液冷板与液体循环泵之间连接有温度传感器和压力传感器，在液冷板与冷却器之间连接有另一压力传感器。

6.一种液冷服务器的流量测量方法，其特征在于，基于权利要求1-5所述的液冷服务器，其过程为：

通过流量计，获取不同温度下对应的流量值；

7.根据权利要求6所述的一种液冷服务器的流量测量方法，其特征在于，所述温度传感器配置在液体循环泵与液冷板之间，即液冷板的进口处，通过该温度传感器返回的温度检测T数据，来对储液器进行控制，使液冷板进口处冷却液温度T保持恒定。

8.根据权利要求6或7所述的一种液冷服务器的流量测量方法，其特征在于，所述储液器内配置有加热器，该加热器还连接控制器，所述控制器根据数据采集器实时采集的温度传感器的温度，来控制加热器实现温度恒定，所述控制器还控制连接到液体循环泵、冷却器。

9.根据权利要求8所述的一种液冷服务器的流量测量方法，其特征在于，在液体循环泵与液冷板之间配置有与流量计配合使用的流量调节阀，该流量调节阀连接上述控制器且流量调节阀用于调节系统流量，具体通过控制器控制流量调节阀实现对系统流量的调节，然后通过流量计获取流量数据G，并由数据采集器采集。

10.根据权利要求9所述的一种液冷服务器的流量测量方法，其特征在于，所述压力传感器设有两个并分别配置在液体循环泵与液冷板之间、液冷板与冷却器之间，即液冷板的进口处和出口处，通过数据采集器获取压力传感器的压力值并得出在温度T下的压力差Δp，根据数据得到公式Δp＝f(T,G)，从而可得到温度、压力差及流量之间的关系。