CN110648984A - 一种高效节能的数据中心水冷系统 - Google Patents

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张旭
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李通
刘凯
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Abstract

一种高效节能的数据中心水冷系统，包括冷水机组和若干个芯片散热单元，所述芯片散热单元包括热沉主体和微通道部，所述热沉主体设有若干个主散热腔、若干条流道、进水口和出水口，所述微通道部设在所述主散热腔中，所述进水口、所述流道、所述主散热腔、所述出水口形成冷却水回路；所述进水口、所述出水口分别通过管路与所述冷水机组连通。本发明基于特别的高效热沉设计，使得冷水机组可以以小流量、大温差、高出水温度的方式运行，有效提高机组自身的能效比，同时降低了系统水路循环的驱动能耗，即在解决高功耗芯片散热的同时，降低冷却系统能耗，提升数据中心PUE。

Description

一种高效节能的数据中心水冷系统
技术领域
本发明涉及技术领域，具体是一种高效节能的数据中心水冷系统。
背景技术
节能减排是我国当前一项重要国策。大数据中心的冷却系统主要负责向其 IT 设备及环境等提供必要的冷却保障。冷却系统能耗约占数据中心总能耗的 30%-45%，是数据中心的耗电大户。随着绿色数据中心概念的不断深入，其冷却系统的节能降耗也受到了前所未有的关注。同时芯片功耗的不断提高和节能环保理念的贯彻，相关厂商也越来越重视冷却系统设计，开发出各种冷却节能方案和经过特殊设计的节能冷水机组等。传统的数据中心冷却系统采用风冷，近年来有向液冷的方向发展的趋势，液冷系统在节能方面相比于传统的风冷有显著的优势。
如申请号为CN201721124497.3的专利文件公开的一种数据中心冷却系统，其中，该系统包括：第二级油冷系统，用于通过载冷油对数据中心冷却系统的服务器设备进行降温；第一级风冷系统，与第二级油冷系统连接，用于对第二级油冷系统的载冷油进行换热。该方案采用载冷油对电子设备进行降温，再通过风冷系统将载冷油的热流带走，这种方案的缺点有1、载冷油冷却能力有限，对于高热流密度的芯片冷却效果不佳；2、第一级风冷系统冷却能效比不高，占地面积大，故如何设计一种水冷系统，特别是针对高功耗芯片，解决散热，兼顾降低能耗是值得研究的一个课题。
发明内容
本发明的技术目的在于提供一种高效节能的数据中心水冷系统，解决现有技术中针对带高功耗芯片的数据中心存在的PUE低、冷却系统能耗高的问题。
本发明的具体技术方案如下：一种高效节能的数据中心水冷系统，包括冷水机组和若干个芯片散热单元，所述芯片散热单元包括热沉主体和微通道部，所述热沉主体设有若干个主散热腔、若干条流道、进水口和出水口，所述微通道部设在所述主散热腔中，所述进水口、所述流道、所述主散热腔、所述出水口形成冷却水回路；所述进水口、所述出水口分别通过管路与所述冷水机组连通。
作为优选，所述微通道部包括设在所述主散热腔中的分隔翅片，所述分隔翅片之间形成与所述流道相通的冷却水通路。
作为优选，相邻所述分隔翅片之间的间隔距离为0.2~0.3mm。
作为优选，所述分隔翅片为铜质片。
作为优选，每个所述主散热腔对应设有一个所述微通道部。
作为优选，所述流道包括进水主路、进水支路、出水主路和出水支路，所述进水主路与所述出水主路一一对应，所述进水支路与所述出水支路一一对应，所述进水支路上设有与所述进水口连通的进水对接道，所述出水支路上设有与所述出水口连通的出水对接道。
作为优选，所述冷水机组与所述芯片散热单元之间的管路上设有流量调节装置。
本发明的技术优点在于所述数据中心水冷系统基于特别的高效热沉设计，使得冷水机组可以以小流量、大温差、高出水温度的方式运行，有效提高机组自身的能效比，同时降低了系统水路循环的驱动能耗，即在解决高功耗芯片散热的同时，降低冷却系统能耗，提升数据中心PUE。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的热沉主体内部的结构示意图；
图3为本发明实施例的微通道部的结构示意图；
图中编号对应的各部分名称分别为：1-热沉主体，11-主散热腔，12-进水口，13-出水口，14-进水主路，15-进水支路，16-出水主路，17-出水支路，17-进水口，2-微通道部，21-分隔翅片，3-芯片，4-封装盖。
具体实施方式
下面将结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步说明：
见图1、图2，一种高效节能的数据中心水冷系统，包括冷水机组和若干个芯片散热单元，两者之间通过常规的总、分形式管路相连接，每个芯片散热单元相当于并联设置在管路间，芯片散热单元包括热沉主体1和微通道部2，热沉主体1上表面固定连接有封装盖4，封装盖4上固定连接有芯片3，热沉主体1设有若干个主散热腔11、若干条流道、进水口12和出水口13，进水口12与出水口13设置在同侧为宜，微通道部2设在主散热腔11中，一般每个主散热腔11对应设有一个微通道部2，进水口12、流道、主散热腔11、出水口13形成冷却水回路，微通道部2同样作为冷却水回路中的一环，其分隔翅片21之间的间隔即是冷却水流经路径；进水口12、出水口13分别通过管路与冷水机组连通。
微通道部2包括设在主散热腔11中的分隔翅片21，分隔翅片21之间形成与流道相通的冷却水通路。相邻分隔翅片21之间的间隔距离为0.2~0.3mm。分隔翅片21为铜质片，有效降低热阻，提升散热能力。主散热腔11在热沉主体1中均匀间隔地排布，也即使得微通道部2在热沉主体1中均匀间隔地排布，决定了芯片单元温度的均匀性。分隔翅片21可以等长并排地组成一个方形轮廓的微通道部2，流道连接在微通道部2的前端和后端；分隔翅片21也可以组成一个非规则形状的微通道部2，比如从前述的方形轮廓上挖去一部分，形成一个“U”形的空段，如图3，该空段左右两侧由横向的间隔排列的分隔翅片21组成，该空段的前端与流道相通，该空段的后端仍为分隔翅片21，该处的分隔翅片21其实起到防止冷却水串流（其两两之间可以不流过水），这样冷却水从该空段进入后，从该空段的左右两侧的分隔翅片21之间流经并流出主散热腔11，该设计的微通道部2在实际应用中不仅结构上容易实现，且散热效果也好。
流道包括进水主路14、进水支路15、出水主路16和出水主路17，进水主路14与出水主路16一一对应，进水支路15与出水支路17一一对应，进水支路14上设有与主散热腔11的进水处连通的进水对接道，出水支路15上设有与主散热腔11的出水处连通的出水对接道。主散热腔11，也可看做是微通道部2，相当于并联设置在进水支路14与出水支路15之间，目的是在芯片散热单元层级，通过均衡流道设计，让单个热沉主体上的多个微通道部2所流经的流量被分配均匀且互不串流，同时利用管路上的流量调节装置，如常见的流量阀来校准每部分的流量。在系统层级，通过常用的同程管路设计和流量调节装置等手段，平衡各末端机柜流量。
基于芯片散热单元的设计，本系统的冷水机组可适配采用小流量、大温差、高出水温度的冷却水标准，有效提高机组自身的能效比，同时降低了系统水路循环的驱动能耗。热沉主体的冷冻水进水温度可从传统的7℃提高到18℃，进出水温升从传统液冷系统的5℃提高到10℃。
提高了冷冻水进水温度后，以我国北方地区为例，全年平均有6个月左右可以实现完全自然冷却，有3个月左右可以实现部分自然冷却，其节能效果非常明显。水冷式自然冷却技术是指，当室外环境温度较高时，采用冷水机组冷却，而当室外环境温度较低时，则可关闭冷水机组，采用板式换热器进行自然换热。该技术可有效减少开启冷水机组的时间，从而大量节省能源消耗。
在夏季气温较高时——约3个月，冷却塔提供约30℃冷却水，冷水机组提供18℃冷冻水，机组工作在冷却水进水温度30℃/出水温度35℃，冷冻水进水28℃/出水18℃的额定工况下，相比于传统数据中心提供7℃冷冻水，冷水机组节能超过50%，PUE约1.2；在春夏气温适中以及冬季气温较低时——约6个月，冷却塔可直接提供18℃冷却水，通过板换与冷冻水交换热量，可直接省去冷水机组能耗，PUE可低至1.05；在春夏气温较高时——约3个月，冷却塔可直接提供约24℃冷却水，通过板换与冷冻水出水先交换热量，再通过冷水机组，可降低冷水机组能耗，PUE约1.15。
综合来看，本例中水冷系统全年综合PUE值：
PUE=(1.2*3+1.05*6+1.15*3)/12≈1.11，从而比传统数据中心节能50%。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (7)

1.一种高效节能的数据中心水冷系统，包括冷水机组和若干个芯片散热单元，其特征在于：所述芯片散热单元包括热沉主体（1）和微通道部（2），所述热沉主体（1）设有若干个主散热腔（11）、若干条流道、进水口（12）和出水口（13），所述微通道部（2）设在所述主散热腔（11）中，所述进水口（12）、所述流道、所述主散热腔（11）、所述出水口（13）形成冷却水回路；所述进水口（12）、所述出水口（13）分别通过管路与所述冷水机组连通。
2.根据权利要求1所述的一种高效节能的数据中心水冷系统，其特征在于：所述微通道部（2）包括设在所述主散热腔（11）中的分隔翅片（21），所述分隔翅片（21）之间形成与所述流道相通的冷却水通路。
3.根据权利要求2所述的一种高效节能的数据中心水冷系统，其特征在于：相邻所述分隔翅片（21）之间的间隔距离为0.2~0.3mm。
4.根据权利要求2所述的一种高效节能的数据中心水冷系统，其特征在于：所述分隔翅片（21）为铜质片。
5.根据权利要求1所述的一种高效节能的数据中心水冷系统，其特征在于：每个所述主散热腔（11）对应设有一个所述微通道部（2）。
6.根据权利要求1所述的一种高效节能的数据中心水冷系统，其特征在于：所述流道包括进水主路（14）、进水支路（15）、出水主路（16）和出水支路（17），所述进水主路（14）与出水主路（16）一一对应，所述进水支路（15）与所述出水支路（17）一一对应，所述进水支路（14）上设有与所述主散热腔（11）的进水处连通的进水对接道，所述出水支路（15）上设有与所述主散热腔（11）的出水处连通的出水对接道。
7.根据权利要求1所述的一种高效节能的数据中心水冷系统，其特征在于：所述冷水机组与所述芯片散热单元之间的管路上设有流量调节装置。
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