CN111465274B - 一种单机柜模块化服务器液冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机柜式服务器液冷系统，包括机柜柜体、液冷模块、液冷服务器、冷却液分配单元、机柜散热风扇。液冷模块根据需要可安装在机柜柜体内的任何位置，液冷模块在机柜柜体内的位置旁安装有机柜散热风扇。冷却液分配单元安装在机柜柜体的后侧，液冷模块通过冷却液分配单元与机柜柜体内若干液冷服务器连接；液冷模块用于降低液冷系统内冷却液的温度并保证冷却液在系统内循环，液冷分配单元用于将液冷模块处理后的冷却液分配给各液冷服务器。所述液冷模块与供液总管、相变元件传热模块、回液总管依次通过带有快速接头的连接软管相接。模块化的设计使整套液冷系统的布置更加灵活，降低了数据中心机房液冷系统的建设与运营成本。

Description

一种单机柜模块化服务器液冷系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种服务器液冷装置，特别是涉及一种单机柜模块化服务器液冷系统及其控制方法。

背景技术

互联网数据中心(Internet Data Center,，IDC)在全球化、信息化发展过程中发挥了重要作用，是电信、互联网、金融等行业的重要基础设施，更是各国推进网络强国战略的重要信息化基础。

目前，全球IDC耗电占全球用电量1.5％，约30个核电站的发电量，电费占数据中心运营成本60％-70％，预计2023年中国数据中心总用电量超2600亿千瓦时。IDC数量突增下高能耗问题爆发，预计2025年全球IDC能耗将占信息通信行业的33％。IDC严重高能耗情况引发节能降耗的强烈需求。

传统服务器主流冷却方式以风冷为主，厂商倾向于把数据中心建设在温度较低，开阔的环境中，这会导致以下局限：其一，我国空气质量不佳，暴露在空气流动中对机柜寿命有一定影响；其二，部分数据中心需要低时延，因而修建在主要服务区域的周围，例如重庆等地的平均温度较高，通过冷机和风冷手段降温耗费大量电力，PUE(Power UsageEffectiveness，电源使用效率)值过高，不具备成本效益。

近年来随着计算需求的逐渐加大，配备发热芯片的大功率服务器已越来越普遍，适配传统服务器机房的风冷散热系统负担加重，在满足数据中心的散热要求下已无法保持较低的PUE。传统风冷技术主要是通过列间空调降低整个数据中心的环境温度，无法直接对发热元件进行散热，效率较低。

液冷技术近年来开始应用于数据中心散热，由于冷却液体比热容较空气高，较容易实现精确对发热元器件散热的特点，采用液冷散热已成为数据中心服务器散热的趋势。

目前液冷技术中浸泡式和直接冷板式已经有商业部署实例，较风冷而言在部署和改造成本较高，后期运维复杂。将液冷技术与高效导热元件结合，应用于整机柜进行一体化生产和安装，提供更容易操作的运维流程，建设投入和投资收益具备竞争力，运维相对简单，有较大的发展空间。

现有技术已有采用间接液冷技术用于数据中心服务器的散热，然而这些技术都要求对现有的数据中心进行大规模改造，其中包含大量冷却管道的铺设工作，这大大提高了数据中心的建设和运营成本。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种单机柜模块化服务器液冷系统，用于解决数据中心服务器的散热问题，它具有模块化，施工安装方便的特点，避免了传统数据中心液冷系统繁杂，施工复杂的问题，同时具有较高的可靠性，能够有效避免传统数据中心制冷系统失效导致大量服务器宕机的问题。本发明采用的技术方案如下：

一种单机柜模块化服务器液冷系统，包括机柜柜体、液冷模块、液冷服务器、冷却液分配单元以及机柜散热风扇；所述液冷模块、所述液冷服务器、所述冷却液分配单元和所述机柜散热风扇均设置于机柜柜体内，所述机柜散热风扇靠近所述液冷模块，所述液冷模块通过冷却液分配单元与所述液冷服务器连接。

所述液冷模块设有模块出液口、模块进液口、供液管路、回液管路、循环泵、水箱、液冷散热器和控制模块；所述液冷散热器包括翅片铜管散热器和轴流风扇；所述供液管路和所述回液管路设置有温度变送器、压力变送器流量计和流量调节阀，所述温度变送器、所述压力变送器、所述流量计和所述流量调节阀与所述控制模块电性连接。

所述液冷服务器内设有相变元件传热模块和发热芯片，所述相变元件传热模块包括有相变元件，所述相变元件设置为热管或均热板，所述相变元件与服务器发热芯片通过硅脂接触。

所述冷却液分配单元包括供液总管、回液总管和连接软管；所述模块出液口与所述供液总管的一端通过所述连接软管相接，所述供液总管的另一端与所述传热模块进液口通过所述连接软管相接；所述传热模块出液口与所述回液总管的一端通过所述连接软管相接，所述回液总管的另一端与所述模块进液口通过所述连接软管相接。

优选的，所述单机柜模块化服务器液冷系统中冷却液为去离子水或纯净水，系统运行时液冷系统冷却液流经相变元件传热模块带走发热芯片处热量。这部分热量由冷却液携带，流经液冷模块内设的散热器后由散热器内空气流带走。冷却液降温后再次流入相变元件传热模块吸收发热芯片产生的热量，完成冷却液的循环。

一种利用上述单机柜模块化服务器液冷系统的控制方法，包括：

S1，正常工况下，通过循环泵做功，冷却液在液冷模块和液冷服务器内设的相变元件传热模块间循环，冷却液吸收相变元件传热模块内的热量并在液冷模块中释放热量。

S2，当回液管路温度变送器测得冷却液温度超过设定值T1后，控制模块调整循环泵和液冷散热器功率并上报警告。

S3，当水箱内冷却液杂质浓度超过设定值K1或压力变送器测量值超过设定值P1后控制模块根据监测值降低循环泵功率并上报警告。

优选地，S1步骤包括：

S11，循环泵将冷却液从水箱中导出依次通过供液管路、模块出液口、供液总管、传热模块进液口进入服务器内设相变元件传热模块内；

S12，相变元件将发热芯片产生的热量传导至冷却液；

S13，吸收热量的冷却液流出相变元件传热模块后，依次通过传热模块出液口、回液总管、模块进液口、模块回液管路后进入液冷模块内的液冷散热器；

S14，液冷散热器将冷却液的热量传导至冷空气流后，冷空气流吸收热量成为热气流，热气流被排出机柜；

S15，降温后的冷却液回流水箱，完成循环。

优选地，当设置在回液管路的温度变送器测得冷却液温度超过设定值T1，S2步骤包括：

S21，控制模块提高散热器处轴流风扇的转速同时加大循环泵功率，以提高冷却液降温速率；

S22，回液管路温度变送器测量值低于T1时，轴流风扇转速与循环泵功率回到默认值；

优选地，当供液管路压力变送器测得管路压力大于设定值P1，或水箱内冷却液浓度达到设定值K1，S3步骤包括：控制模块会降低循环泵功率，并通过警报器上报警告以确保模块的可靠性。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

完全模块化设计，无需定制服务器液冷机柜，仅需在标准机柜内安装液冷模块与冷却液分配单元即可对机柜内液冷服务器进行液冷散热。

采用液冷散热技术，能够对发热芯片进行更高效的散热，有效减小机房PUE值，保证服务器高效运行，实现更节能的数据中心运营模式。

整个液冷系统施工搭建简单，无需机房改造，不占用机房空间，提升机房空间利用率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1单机柜模块化服务器液冷系统结构示意图；

图2为本发明实施例2单机柜模块化服务器液冷系统结构示意图；

图3为本发明实施例3单机柜模块化服务器液冷系统结构示意图；

图4为本发明的液冷模块结构示意图；

图5为本发明的液冷散热器三维结构图；

图6为本发明的控制方法的流程示意图。

图1至图6中包括：1-机柜柜体；2-液冷模块；201-模块出液口；202-模块进液口；203-回液管路；204A-回液管路压力变送器；204B-供液管路压力变送器；205A-回液管路温度变送器；205B-供液管路温度变送器；206-控制模块；207-液冷散热器；208-水箱；209-循环泵；210-排气阀；211-供液管路；212-流量计；213-流量调节阀；20701-轴流风扇；20702-翅片铜管散热器；2070201-散热器出液口；2070202-散热器进液口；3-液冷服务器；301-相变元件传热模块；30101-传热模块进液口；30102-传热模块出液口；302-发热芯片；4-冷却液分配单元；401-回液总管；402-供液总管；403-连接软管；5-机柜散热风扇。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，但实例并不对本说明做任何形式的限定。

实施例1

参见图1，一种单机柜模块化服务器液冷系统，包括机柜柜体1，液冷模块2，液冷服务器3，冷却液分配单元4，机柜散热风扇5；

液冷模块2安装在机柜柜体1内的顶端，冷却液分配单元4安装在机柜柜体1的后侧。一个或多个液冷服务器3安装于机柜柜体1内，位于液冷模块2的下端，机柜散热风扇置于机柜顶端。此设置适用于高度较小的服务器机柜，有利于热气流避开服务器快速排出机柜。

实施例2

参见图2，一种单机柜模块化服务器液冷系统，包括机柜柜体1，液冷模块2，液冷服务器3，冷却液分配单元4，机柜散热风扇5；液冷模块2安装在机柜柜体1内中层，冷却液分配单元4安装在机柜柜体1的后侧，一个或多个液冷服务器3安装于机柜柜体1内，部分位于液冷模块2的上端，部分位于液冷模块2的下端，机柜散热风扇置于机柜侧面。此设置适用于高度较大的服务器机柜，放置中层利于对液冷模块进行维护。

实施例3

参见图3，一种单机柜模块化服务器液冷系统，包括机柜柜体1，液冷模块2，液冷服务器3，冷却液分配单元4，机柜散热风扇5；液冷模块2安装在机柜柜体1内底层，所述冷却液分配单元4安装在机柜柜体1的后侧，一个或多个液冷服务器3安装于机柜柜体1内，位于液冷模块2的上端，机柜散热风扇置于机柜侧面。此设置适用于服务器密度较大的机柜，安装于服务器密度较大的机柜需对液冷模块加装大容量水箱，放置底层有利于提高系统可靠性。

液冷模块2用于降低冷却液的温度并确保冷却液能够在冷却管路中循环，参见图2，液冷模块2内按冷却液循环回路依次设有：模块进液口202、回液管路203、回液管路压力变送器204A、回液管路温度变送器205A、液冷散热器207、水箱208、循环泵209、排气阀210、供液管路211、供液管路温度变送器205B、流量计212、流量调节阀213、供液管路压力变送器204B、模块出液口201；各控制器件与控制模块206电性连接，控制模块206接收传感器信息后控制循环泵209，液冷散热器207和流量调节阀213的工作状态以调节冷却液参数。

液冷散热器207包括轴流风扇20701与翅片铜管散热器20702，轴流风扇20701安装于翅片铜管散热器20702上；翅片铜管散热器20702上设有散热器进液口2070202，散热器出液口2070201。

参见图1，液冷服务器3内设有：相变元件传热模块301，发热芯片302；所述相变元件可以是热管或者均热板，相变元件传热模块301通过相变元件的高导热性将发热芯片302产生的热量快速传导至冷却液。

冷却液分配单元4包括：回液总管401、供液总管402、连接软管403；冷却液分配单元4将液冷模块2降温处理后的冷却液分配至各液冷服务器3内的相变元件传热模块301中；模块出液口201与供液总管402一端通过带有快速接头的连接软管403相接，供液总管402另一端与传热模块进液口30101通过带有快速接头的连接软管403相接；传热模块出液口30102与回液总管401一端通过带有快速接头的连接软管403相接，回液总管401另一端与模块进液口202通过带有快速接头的连接软管403相接。

系统运行时，液冷模块2内的循环泵209将水箱208内冷却液导出，冷却液依次通过供液管路211、模块出液口201、供液总管402、传热模块进液口30101输入液冷服务器3内设的相变元件传热模块301内，与此同时，通过相变原件传热模块301的导热作用将发热芯片302产生的热量快速传导至冷却液吸收。吸收热量的冷却液其后在循环泵209作用下依次通过传热模块出液口30102、回液总管401、模块进液口202、回液管路203、散热器进液口2070202流入液冷散热器207中，液冷散热器207通过轴流风扇20701将冷空气导入吸收冷却液热量，进而导致冷却液温度降低，吸收热量后的热空气流由机柜散热风扇5导出机柜，降温后的冷却液经液冷散热器出液口2070201流回水箱208完成整个冷却液循环。

参见图5，一种利用上述单机柜模块化服务器液冷系统的控制方法，包括：

S1，正常工况下，通过循环泵209做功，冷却液在液冷模块2和液冷服务器3内设的相变元件传热模块301间循环，冷却液吸收相变元件传热模块301内的热量并在液冷模块2中释放热量。

S2，当回液管路温度变送器205A测得回液管路203内冷却液温度超过设定值T1后，控制模块206调整循环泵209和液冷散热器207功率并上报警告。

S3，当水箱208内冷却液杂质浓度超过设定值K1或供液管路压力变送器204B测量值超过设定值P1后控制模块206根据监测值降低循环泵209功率并上报警告。

优选地，S1步骤包括：

S11，循环泵209将冷却液从水箱208中导出依次通过供液管路211、模块出液口201、供液总管402、传热模块进液口30101进入服务器3内的相变元件传热模块301内；

S12，相变元件传热模块301将发热芯片302产生的热量传导至冷却液；

S13，吸收热量的冷却液流出相变元件传热模块301后依次通过传热模块出液口30102、回液总管401、模块进液口202、回液管路203后进入液冷模块2内的液冷散热器207；

S14，液冷散热器207通过轴流风扇20701作用导入冷空气，将冷却液的热量传导至冷空气流后，冷空气流吸收热量成为热气流，热气流被机柜散热风扇5排出机柜1；

S15，降温后的冷却液回流水箱208，完成冷却循环。

优选地，当回液管路温度变送器205A测得冷却液温度超过设定值T1，S2步骤包括：

S21，控制模块206提高液冷散热器207处轴流风扇20701的转速同时加大循环泵209功率，以提高冷却液降温速率；

S22，回液管路温度变送器205A测量值低于T1时，轴流风扇20701转速与循环泵209功率回到默认值；

优选地，当供液管路压力变送器204B测得管路压力大于设定值P1，或水箱内冷却液杂质浓度达到设定值K1，S3步骤包括：控制模块206会降低循环泵209功率，并上报警告以确保系统的可靠性。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，可以根据具体的工况环境适当调节各项参数以达到较佳的实施效果。其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单机柜模块化服务器液冷系统，其特征在于，包括机柜柜体、液冷模块、液冷服务器、冷却液分配单元以及机柜散热风扇；

所述液冷模块、所述液冷服务器、所述冷却液分配单元和所述机柜散热风扇均设置于机柜柜体内，所述机柜散热风扇靠近所述液冷模块，所述液冷模块通过冷却液分配单元与所述液冷服务器连接；

所述液冷服务器内设有相变元件传热模块和发热芯片，所述相变元件传热模块包括有相变元件，所述相变元件设置为热管或均热板，所述相变元件与服务器发热芯片通过硅脂接触；

所述液冷模块设有模块出液口、模块进液口、供液管路、回液管路、循环泵、水箱、液冷散热器和控制模块，所述液冷散热器包括翅片铜管散热器和轴流风扇，所述供液管路和所述回液管路设置有温度变送器、压力变送器流量计和流量调节阀，所述温度变送器、所述压力变送器、所述流量计和所述流量调节阀与所述控制模块电性连接；

所述冷却液分配单元包括供液总管、回液总管和连接软管，所述模块出液口与所述供液总管的一端通过所述连接软管相接，所述供液总管的另一端与所述传热模块进液口通过所述连接软管相接，所述传热模块出液口与所述回液总管的一端通过所述连接软管相接，所述回液总管的另一端与所述模块进液口通过所述连接软管相接。

2.一种基于权利要求1所述的单机柜模块化服务器液冷系统的控制方法，包括：

S1，正常工况下，通过循环泵做功，冷却液在液冷模块和液冷服务器内设的相变元件传热模块间循环，冷却液吸收相变元件传热模块内的热量并在液冷模块中释放热量；

S2，当回液管路温度变送器测得冷却液温度超过设定值T1后，控制模块调整循环泵和液冷散热器功率并上报警告；

S3，当水箱内冷却液杂质浓度超过设定值K1或压力变送器测量值超过设定值P1后控制模块根据监测值降低循环泵功率并上报警告；

其中，S1步骤包括：

S11，循环泵将冷却液从水箱中导出依次通过供液管路、模块出液口、供液总管、传热模块进液口进入服务器内设相变元件传热模块内；

S12，相变元件将发热芯片产生的热量传导至冷却液；

S13，吸收热量的冷却液流出相变元件传热模块后，依次通过传热模块出液口、回液总管、模块进液口、模块回液管路后进入液冷模块内的液冷散热器；

S14，液冷散热器将冷却液的热量传导至冷空气流后，冷空气流吸收热量成为热气流，热气流被排出机柜；

S15，降温后的冷却液回流水箱，完成循环；

当设置在回液管路的温度变送器测得冷却液温度超过设定值T1，S2步骤包括：

S21，控制模块提高散热器处轴流风扇的转速同时加大循环泵功率，以提高冷却液降温速率；

S22，回液管路处温度变送器测量值低于T1时，轴流风扇转速与循环泵功率回到默认值。

3.根据权利要求2所述的单机柜模块化服务器液冷系统的控制方法，其特征在于，当供液管路压力变送器测得管路压力大于设定值P1，或水箱内冷却液浓度达到设定值K1，S3步骤包括：控制模块降低循环泵功率，并通过警报器上报警告以确保模块的可靠性。

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