CN108012513B - 一种无需行间空调的数据中心及其散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无需行间空调的数据中心及其散热系统，涉及数据中心散热领域，其包括：至少一个液冷机柜列，所述液冷机柜列中无行间空调；至少一套液冷管路，每个液冷机柜均与液冷管路连接；架空地板，其布置在液冷管路上方；机房换热器，一端连接在所述的液冷管路的末端，一端连接外部散热装置。液冷管路与液冷机柜连接在一起；管路末端连接有机房换热器，而机房换热器与外部散热装置连接；服务器的热量分别通过第一液冷换热装置传递、气冷换热装置传至第二液冷换热装置然后到液冷管路中最后通过机房换热器和外部散热装置。本发明能够缩短数据中心建设的周期，降低数据中心能耗，实现智能调控，提高数据中心的安全可靠性。

Description

一种无需行间空调的数据中心及其散热系统

技术领域

本发明涉及数据中心，尤其涉及一种无需行间空调的数据中心及其散热系统。

背景技术

随着半导体集成度越来越高，芯片性能越来越强，散热成为电子设备新的瓶颈。特别是对于数据中心尤为严重，所谓数据中心是指存放计算机设备、服务器设备、网络设备、存储设备等设备的场所，它的功能是实现信息的集中处理、存储、传输、交换、管理。能耗巨大，而目前的数据中心的能耗中有近一半的能耗在于散热，因此，实现节能降耗是数据中心面临的难题之一。

此外，传统的数据中心多采用精密空调冷却的方式，一方面，该散热方式会使得数据中心散热存在着“热岛”现象，即数据中心中大部分机柜内的上、中、下部位进风温度不一致，服务器存在着宕机的危险；另一方面，该散热方式能耗巨大，制冷所需的能耗大约占数据中心耗电的50％。而制冷中绝大部分是行间空调的消耗，因此，去除行间空调对于数据中心节能具有重大作用。

目前，液冷由于其散热效率高、液体的比热容大、能耗低的特点，已经成为各大服务器厂家研究的方向，但是由于服务器本身结构的原因，除浸没式冷却以外，其他的液冷都是将液冷和风冷结合起来。还无法完全消除行间空调，同时液冷技术还不成熟。在整体液冷方案中，目前有如下问题。

一、液冷机柜还没有一个能够匹配多种液冷方式的机柜。

二、除了服务器的主要发热部分(显卡和CPU)采用液冷，其他部分仍然采用风冷(一些液冷方案中仍然需要,冷源是行间空调)。

三、没有一个完整的无需行间空调的数据中心的方案。

四、缺乏能够智能管控数据中心散热状态的系统。

专利106852085A提出的一种双级串联式液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，包括液冷模块、风冷装置、中间换热器和自然散热装置，所述中间换热器一侧为吸热侧，另一侧为制冷侧，其中吸热侧的进口连通液冷模块的出口联通风冷装置的进口，制冷侧与自然散热装置联通形成循环回路。该专利中对于液冷机柜未有设计，并且对于机房整体布局也未有提及。

专利206461891U中提出一种数据中心液气双通道精准高效致冷系统，包括数据中心微模块机房、液冷通道致冷系统和气冷通道致冷系统，所述数据中心微模块机房内设有若干液冷服务器机柜和设置于液冷服务器机柜内的若干服务器，所述服务器设有高热流密度芯片和若干低热流密度元件，通过液冷通道致冷系统对服务器的高热流密度芯片进行液冷散热，通过气冷通道致冷系统进行辅助散热，对低热流密度元件气冷散热，所述气冷通道致冷系统包括冷冻水分配单元和列间空调。该专利中仍然采用行间空调进行部分制冷，同时没有能够智能调控整体散热量的智能控制系统。

专利201620366044.0提出一种带有液冷系统的服务器机柜，该机柜包括机柜本体、液冷分配单元及热管导热单元，所述液冷分配单元包括进液管、出液管、供液管及回液管，所述热管导热单元，所述热管导热单元包括液冷模块、热管、吸热模块，供液管的一端与所述进液管连接，所述供液管的另一端与所述液冷模块的进液口连接，出液管的一端与所述处液管连接，所述出液管的另一端与所述液冷模块的处液口连接，热管一端与所述液冷模块连接，热管的另一端与吸热模块连接，所述吸热模块与机柜本体的服务器热源接触。该发明仅仅设置了一定的液冷通道，但是对于风冷系统没有专门的通道，还是需要机房的空调系统，耗能相对较多，另外该机柜也没有独立的管理系统，无法实现对机柜的各项参数进行调节，再次，该机柜仅能针对一些特别的液冷散热才能使用，局限性比较大。

专利201410357779.2提出这一种液冷散热的服务器机柜，包括外壳，服务器板卡，散热板，散热管，散热管道，换热器，微型液泵，每个服务器板卡都对应安装一个散热板，散热管安装在散热板上，通过散热管道连接液泵和换热器，散热管道和散热管内流动换热液体，该机柜也是仅针对使用类似水冷板的机柜，而无法针对使用外循环分块风冷的方式，同时对于单机柜也没有智能控制系统。

专利201510144755.3提出门式换热装置和液冷装置结合的服务器，该发明包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置于机柜柜体内的多个液冷服务器，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有门式换热装置进行辅助散热。该发明中没有明确的空气通道，及智能控制系统，同时无法针对绝大部分液冷散热方案进行统一处理。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种无需行间空调的数据中心及其散热系统。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无需行间空调的数据中心，包括：

至少一个液冷机柜列，所述液冷机柜列包括若干液冷机柜，液冷机柜内部有若干服务器，每台服务器内设置第一液冷换热装置，液冷机柜内部设置有第二液冷换热装置，液冷机柜内部还设置有气冷换热装置；

至少一套液冷管路，液冷管路中至少有一水泵，液冷管路包括供液管路和回液管路，供液管路和回液管路均连接第二液冷换热装置；

液冷管路末端连接机房换热器，机房换热器与外部散热装置连接；

外部散热装置，用于将机房内的热量换热到机房外部，进行散热。

进一步，液冷机柜包括第一层机柜和第二层机柜，第二层机柜位于第一层机柜内，第二液冷换热装置和气冷换热装置位于第一层机柜和第二层机柜之间，服务器位于第二层机柜内。

进一步，液冷机柜内部有气冷通道。

进一步，气冷通道是由第二层机柜的后部、内部、前部、顶部组成。

进一步，气冷通道是由第二层机柜的后部、内部、前部、和两侧组成，顶部密封。

进一步，液冷管路上方布置有架空地板，第一液冷换热装置和气冷换热装置均连接第二液冷换热装置，外部散热装置还包括蓄水装置。

一种无需行间空调的数据中心的散热系统，当液冷机柜内的服务器工作时，高发热元件部分的热量通过第一液冷换热装置传递到液冷机柜内的液体介质中，其余发热部分的热量通过气冷换热装置传递到液冷机柜内的液体介质中，然后液冷机柜内的液体介质中的热量通过第二液冷换热装置传递到液冷管路中的液体介质中，在液体驱动装置的作用下，液冷管路中的热量通过机房换热器将热量传递到外部散热装置中，然后进行散热，智能控制系统调控整个机房的制冷量，和每个机柜内部的制冷量。

进一步，智能系统包括机房级智能控制系统和机柜级智能控制系统，机柜级智能控制系统的控制过程如下：

a、读取各个服务器机柜的负载、服务器的芯片的温度及负载、内存温度及负载、硬盘温度及负载、液冷管路的供液温度、液冷管路的供液流量；

b、以服务器机柜的负载、芯片的负载、内存负载、硬盘负载为输入，以机柜的负载、芯片负载、内存负载、硬盘负载对于服务器各部分温度的影响来设置权重，然后以液冷机柜内的所需的冷量为中间神经元，最后以液冷机柜内风扇转速、水泵转速作为输出神经元；

c、当某个液冷机柜的负载出现变化时，相应的各个负载变化后，经过权重进入中间神经元，最后传递出相对应的优化后的风扇转速、水泵转速。

进一步，机房级智能系统的控制过程如下：

a、读取各个服务器机柜的负载；

b、通过PID控制外部散热装置和机房换热装置，来调整整个液冷管路的供冷量，让整个管路的供冷量处于一个动态平衡的水平，即在所需冷量的水平上。

进一步，CPU、显卡的热量采用第一液冷换热装置带入液体介质中，服务器其他部分的热量采用气冷换热装置带入液体介质中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种无需行间空调的数据中心及其散热系统，同时提出一种液冷机柜，使得该数据中心能够快速布置，周期短，同时该系统具有智能控制系统，能够通过神经网络智能管控数据中心的制冷量，优化散热相关参数，降低数据中心PUE，大幅度降低数据中心的成本，提高数据中心的安全性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1是本发明一种无需行间空调的数据中心及其散热系统的整体示意图；

图2是本发明一种无需行间空调的数据中心及其散热系统的管路液体分配的示意图；

图3是本发明一种无需行间空调的数据中心及其散热系统的风墙示意图；

图4是本发明一种无需行间空调的数据中心及其散热系统的液冷服务器的示意图；

图5是本发明一种无需行间空调的数据中心及其散热系统的俯视图；

图6是气冷装置的空气流动原理示意图

图7是本发明一种无需行间空调的数据中心及其散热系统的智能控制系统的原理示意图；

图8是实施例2本发明一种无需行间空调的数据中心及其散热系统的气冷装置部分的示意图；

图9是实施例2采用双通道气冷和液冷通道并联的服务器机柜的气冷通道流通示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种无需行间空调的数据中心及其散热系统，包括第一层机柜1、服务器2、风机3、气冷换热装置4、风扇墙5、第二层机柜6、主供液管路7、主回液管路8、排气阀9、水泵10、液体泄漏警报装置11、机柜级智能控制系统12、第一挡板13、第二挡板14、供液止水阀15、回液止水阀16、供液排水阀17、回液排水阀18，接头19，一体式后门20，第二液冷换热装置21。

实施例1：

如图1所示，本发明所述一种无需行间空调的数据中心，主要是由液冷机柜、液冷管路、架空地板22、机房换热器23和外部散热装置24组成。每一个液冷机柜列中至少包含两个液冷机柜，同时在液冷机柜列中无行间空调，同时每个机柜均连接到液冷管路中，液冷管路主要是用来进行供回液，而液冷管路的末端是机房换热器23，通过机房换热实现两个功能，一是将液冷机柜内的热量与外部散热装置24进行交换，实现热量交换；二是实现将机房的液体与外部液体循环的隔离，实现机房内部液冷管路形成闭式循环系统，能够提高液冷管路的使用寿命，提高液冷系统的安全性。

架空地板22位于液冷管路的上方，形成走廊，方便观察两侧机柜的情况，同时能够遮挡下方管路。

如图2所示，为该数据中心的液冷机柜，其主要是由液冷装置、气冷装置、第一层机柜1、服务器2、第二层机柜6、液体泄漏报警装置11、第二液冷换热器和机柜级智能控制系统12组成；

液冷装置，包括主供液管路7、主供液管路延伸段71、主回液管路8、主回液管路延伸段81；主供液管路7连接供液软管，供液软管的另一端通过供液接头连接服务器，主回液管路8连接回液软管，回液软管的另一端通过回液接头连接服务器；主供液管路延伸段71和主回液管路延伸段81上均设置有监控装置和阀门；主供液管路延伸段71还设置有驱动装置，驱动装置采用水泵10。

如图2所示，主供液管路7及主回液管路8的下端延伸段上，分别安装的有供液监控装置72和回液监控装置82，该装置能够监测进入机柜的液体的物性参数，比如液体的流速、压力、温度、电导率等。

此外，主供液管路延伸段71及主回液管路延伸段81上分别设置有供液排水阀17和回液排水阀18，当管路中需要进行排除液体时，可以通过开启供液排水阀17和回液排水阀18将液冷装置中的液体释放出来。

此外，主供液管路延伸段71及主回液管路延伸段81上设置有供液止水阀15和回液止水阀16，能够防止机柜内的液体出现回流。

此外，该机柜在实际使用时，主供液管路延伸段71的设置有水泵10，当主供液管路延伸段71和主回液管路延伸段81的供液外部接头74和回液外部接头84与外部制冷系统连接后，水泵10启动，驱动液体在主供液管路7及主回液管路8中流动。

此外，如图4所示，服务器2内部有第一液冷换热装置201，第一液冷换热装置201紧贴在服务器2中的发热芯片上，第一液冷换热装置201中有液体通道。同时该装置201带有接头19，通过接头19与主供液管路7及主回液管路8中的相对应的快速接头对接。对接之后液体从主供液管路7流入，然后经过第一液冷换热装置201，最后流至主回液管路8中。

此外，主供液管路7及主回液管路8上端设置有排气阀9，可以通过调节排气阀9来消除管路中的气体，避免管路中气体降低机柜散热效果。

第二液冷换热装置21位于第一层机柜的下方，其通过内部隔离的系统实现将机柜内部的液体与外部的液体隔离，同时实现将机柜内的整体热量传递到外部的液冷管路中。

如图6气冷装置，包括风机3、气冷换热装置4及与气冷换热装置4相连的供液管路401和回液管路402，供液管路401和回液管路分别连接主供液管路7和主回液管路8，风机3位于气冷换热装置4的一侧，第二层机柜6的柜壁设置风扇墙5。

如图3所示，风扇墙5是有多个风扇54固定在一起，形成多个风扇54阵列排布，风扇54的在机柜高度方向的排布对应服务器2的排布，这样，风扇墙5工作时，能够准确的将风吹入到第二层机柜6中对应的服务器群中，起到引流和散热的作用。

如图5和6所示，此外，通过第一挡板13、第二挡板14将第一层机柜1与第二层机柜6的侧边封闭，这样可以形成一个气冷通道，该通道以第二层机柜前方区域111、第二层机柜左侧方区域112、第二层机柜后方113和服务器2内部组成，图2中，实体箭头为热空气，空心箭头为冷空气。当热空气通过风机3的驱动，从气冷通道111流经气冷换热装置4，温度冷却至需要温度，进入气冷通道113中，然后通过风扇墙5的作用，冷空气进入第二层机柜6内的服务器群中，带走服务器群中的部分需要风冷冷却的芯片的热量，之后经过第二层机柜6的前门排出，然后再次经过气冷通道111，如此往复循环。

如图2所示，气冷换热装置4的位置可以放置在热空气通道路径上的任意合适的位置，优选地为上侧。

如图6所示，气冷换热装置4，气冷换热装置4通过与管路401串联在主供液管路7及管路402与主回液管路8相连，同时管路401及管路402与气冷换热装置4连接在一起。当液体进入气冷换热装置4时，同时风机启动，将机柜内的热空气通过气冷换热装置4冷却成为冷空气。

此外，在气冷换热装置4热空气进入一端，即实心箭头一端设置有温度测量装置41，在气冷换热装置4冷空气出口，即空心箭头一端设置有上部温度测量装置51、中部温度测量装置52、下部温度测量装置53，该温度测量装置测量空气的温度，并且将测量的值反馈的机柜级智能控制系统12。

液体泄漏警报装置11，当管路中有液体泄漏时，会触发报警装置，机柜会出现声音报警，同时在机柜上的机柜级智能控制系统12上会提示告警。

如图2所示，第一层机柜1，其上面板102上开设有走线孔121，机柜内的走线可以通过机柜上侧引出，同时第一层机柜正门103为透明材质的门，这样进行排气时，可以透过第一层机柜1的前面观测排气情况。

一种无需行间空调的数据中心的散热系统，整个散热系统的回路如图7所示，图中空心箭头为热量传递方向，实心箭头为冷量传递方向。服务器2产生热量较大的器件，比如CPU、GPU这些，通过第一液冷换热装置将热量传递至第二液冷换热装置21中，而服务器2其余部分的热量，则通过气冷换热装置将热量通过空气传递至第二液冷换热装置21，同时，第二液冷换热装置21将冷量分别传递至第一液冷换热装置和气冷换热装置中，实现机柜内部散热循环的第一层循环；第二层散热循环是通过液冷管路分别与每一个连接的液冷机柜，液冷管路有供回系统组成一个循环，供液部分，将冷量分别供应至每一个液冷机柜，然后通过回液部分将热量传至机房散热装置，同时机房散热装置与外部散热装置24连接，将机房的内部的热量传递至外部散热装置24中，外部散热装置24通过周围环境将热量移除，实现机房的散热。

整个散热系统中无行间空调的存在，也就不需要冷冻水机组，可以节约很大一部分耗能，能够大幅度的降低机房的PUE。

同时，机房布置有智能控制系统，该系统主要是通过神经网络的方式来处理数据，然后最优化的分配各个控制参数，实现最大程度的节能和数据中心安全可靠的运行。该系统由机柜级智能控制系统和机房级智能控制系统组成。

每个液冷机柜系统内部有个机柜级智能控制系统，该系统工作原理如下：a、读取每个服务器2的负载、服务器2的芯片的温度及负载、内存温度及负载、硬盘温度及负载、液冷管路的供液温度、液冷管路的供液流量；

b、以服务器机柜的负载、芯片的负载、内存负载、硬盘负载为输入，以机柜的负载、芯片负载、内存负载、硬盘负载对于服务器2各部分温度的影响来设置权重，然后以液冷机柜内的所需的冷量为中间神经元，最后以液冷机柜内风扇转速、水泵转速作为输出神经元。

c、当某个液冷机柜的负载出现变化时，相应的各个负载变化后，经过权重进入中间神经元，最后传递出相对应的优化后的风扇转速、水泵转速。

同时机房级智能控制系统会智能调整整个机房的制冷量。其控制过程如下：a、读取各个服务器机柜的负载；

b、通过PID控制外部散热装置24和机房换热装置，来调整整个液冷管路的供冷量，让整个管路的供冷量处于一个动态平衡的水平，即在所需冷量的水平上。两种控制系统结合起来，一是在服务器2和机柜级的散热上实现精准冷量分配和最优化，同时在大系统上能够调控整个系统的能耗，最大程度的控制制冷量的能耗。

采用该系统的数据中心，可以脱离传统数据中心对行间空调的依赖，通过智能控制系统和液冷机柜，能够脱离对机房大环境，粗放式的冷却散热方式，极大的节约机房能耗，同时通过液冷机柜的模块化布置，能够有效地减少数据中心建设周期，此外，采用液冷系统散热，提供数据中心的可靠性。

实施例2：

本实施例中与实施例1中不同之处在于，液冷机柜内的气冷通道不同，如图8及图9所示，气冷通道的热空气通道位置不是在第二层机柜6的上部，而是在第二层机柜6的侧边，第一挡板13及第二挡板14与第二层机柜6顶部或稍微低一点的地方密封，使得空气无法进入第一挡板13及第二挡板14的上方区域。热空气通道分为左热空气通道112a和右热空气通道112b，热空气通道112a和112b中分别装设有风机3和气冷换热装置4。当冷却空气从第二层机柜6中吸收热量后，在风机3的驱动下，热空气分别进入左热空气通道112a和右热空气通道112b中，在气冷换热装置4的冷却下，成为冷空气，然后经过与实施例1中相同的风扇墙5，最后进入服务器群中。如此往复循环，实现散热。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，当液冷机柜内的服务器工作时，高发热元件部分的热量通过第一液冷换热装置传递到液冷机柜内的液体介质中，其余发热部分的热量通过气冷换热装置传递到液冷机柜内的液体介质中，然后液冷机柜内的液体介质中的热量通过第二液冷换热装置传递到液冷管路中的液体介质中，在液体驱动装置的作用下，液冷管路中的热量通过机房换热器将热量传递到外部散热装置中，然后进行散热，智能控制系统调控整个机房的制冷量，和每个机柜内部的制冷量；

智能系统包括机房级智能控制系统和机柜级智能控制系统，机柜级智能控制系统的控制过程如下：

a、读取各个服务器机柜的负载、服务器的芯片的温度及负载、内存温度及负载、硬盘温度及负载、液冷管路的供液温度、液冷管路的供液流量；

b、以服务器机柜的负载、芯片的负载、内存负载、硬盘负载为输入，以机柜的负载、芯片负载、内存负载、硬盘负载对于服务器各部分温度的影响来设置权重，然后以液冷机柜内的所需的冷量为中间神经元，最后以液冷机柜内风扇转速、水泵转速作为输出神经元；

c、当某个液冷机柜的负载出现变化时，相应的各个负载变化后，经过权重进入中间神经元，最后传递出相对应的优化后的风扇转速、水泵转速。

2.根据权利要求1所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，机房级智能系统的控制过程如下：

a、读取各个服务器机柜的负载；

b、通过PID控制外部散热装置和机房换热装置，来调整整个液冷管路的供冷量，让整个管路的供冷量处于一个动态平衡的水平，即在所需冷量的水平上。

3.根据权利要求1所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，CPU、显卡的热量采用第一液冷换热装置带入液体介质中，服务器其他部分的热量采用气冷换热装置带入液体介质中。

4.根据权利要求1所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，应用所述散热系统的数据中心包括：

至少一个液冷机柜列，所述液冷机柜列包括若干液冷机柜，液冷机柜内部有若干服务器，每台服务器内设置第一液冷换热装置，液冷机柜内部设置有第二液冷换热装置，液冷机柜内部还设置有气冷换热装置；

至少一套液冷管路，液冷管路中至少有一水泵，液冷管路包括供液管路和回液管路，供液管路和回液管路均连接第二液冷换热装置；

液冷管路末端连接机房换热器，机房换热器与外部散热装置连接；

外部散热装置，用于将机房内的热量换热到机房外部，进行散热。

5.根据权利要求4所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，液冷机柜包括第一层机柜和第二层机柜，第二层机柜位于第一层机柜内，第二液冷换热装置和气冷换热装置位于第一层机柜和第二层机柜之间，服务器位于第二层机柜内。

6.根据权利要求5所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，液冷机柜内部有气冷通道。

7.根据权利要求6所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，气冷通道是由第二层机柜的后部、内部、前部、顶部组成。

8.根据权利要求6所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，气冷通道是由第二层机柜的后部、内部、前部、和两侧组成，顶部密封。

9.根据权利要求4所述一种无需行间空调的数据中心的散热系统，其特征在于，液冷管路上方布置有架空地板，第一液冷换热装置和气冷换热装置均连接第二液冷换热装置，外部散热装置还包括蓄水装置。