CN113115574B - 一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统，包括相变传热模块和外部循环换热系统；所述相变传热模块，安装在服务器内，用于收集服务器内部处理器产生的热量并将收集的热量传导至机柜外部的导热板上；所述外部循环换热系统，并联多个机柜，用于将导热板上的热量带走并排入大气环境中。本发明采用相变传热模组和液冷系统分离式设计的方式，使得服务器在安装和维护过程中不需要进行带压连接液冷管路，减少了冷却液泄漏的风险，极大的提升了服务器液冷系统的维护便利性，推动了服务器液冷技术的绿色发展。

Description

一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及数据中心散热冷却技术领域，尤其涉及一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统及其控制方法。
背景技术
随着通信行业和电子信息技术的发展，数据中心逐渐向高算力集群化方向发展，随之而来的是数据中心高能耗和散热困难的问题，2011年以来我国数据中心耗电量连续八年以超12％的增长速度进行增长，预计2023年数据中心总用电量超过2600亿度电。
随着计算机算力的不断增强和更新换代，服务器所使用的CPU和GPU的功率不断增加，随之而来的是与其功率近乎等量的发热量。数据中心集群化使得服务器排列密度不断增加，因此数据中心散热成为困扰数据中心发展的一大问题，而液冷技术由于其极高的冷却效率在近年来得到快速发展；目前数据中心液冷技术主要包括浸没式液冷、直接冷板式液冷和间接冷板式液冷等几种，浸没式液冷由于使用特殊冷却液并且需要定制机箱，因而成本高且维护困难，而直接冷板式液冷和间接冷板式液冷技术虽然成本较低，但由于其安装和维护时需要连接液冷管路，即使采用具有一定安全性的自封式接头，在维护过程中也会有少量冷却液泄漏或因元器件老化造成冷却液大量泄漏，而一旦泄露会造成电子元件和数据的损失。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统及其控制方法，该系统与方法既保持了间接冷板式液冷系统的冷却效率又避免了服务器在安装和维护过程中需要带压连接液冷管路，减小了液冷散热系统泄漏的风险，极大的增加了数据中心液冷系统维护的便利性。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统，包括：相变传热模块和外部循环换热系统；
所述相变传热模块，安装在服务器内，用于收集服务器内部处理器产生的热量并将收集的热量传导至机柜外部的导热板上；
所述外部循环换热系统，并联多个机柜，用于将导热板上的热量带走并排入大气环境中。
一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1通过控制单元控制循环泵做功，冷却液通过循环泵后通过进液主管进入各个机柜，然后依次通过干流温度传感器、进液支管、直流流量传感器、微通道液冷换热板、支流温度传感器、回液支管、干流流量传感器、回液总管、外部冷却装置并最终流回循环泵，完成循环；
步骤S2定义T1为设置的进出液冷元件冷却液最大温差，T2为90％T1；
步骤S3定义T3为CPU热墙的70％，当服务器CPU温度大于T3时服务器输出控制信号，控制单元接收到外部控制信号，控制单元增大水泵功率，并在无外部控制信号时减小水泵功率至正常值。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
采用相变传热模组和液冷系统分离式设计的方式，使得服务器在安装和维护过程中不需要进行带压连接液冷管路，减少了冷却液泄漏的风险，极大的提升了服务器液冷系统的维护便利性，推动了服务器液冷技术的绿色发展。
附图说明
图1a和1b是本发明实施例数据中心相变传热模组分离式液冷系统原理图；
图2是本发明适用于双CPU服务器的相变传热模块结构图；
图3是本发明数据中心相变传热模组分离式液冷系统控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1a和1b所示，为数据中心相变传热模组分离式液冷系统原理图，包括相变传热模块1和外部循环换热系统2；所述相变传热模块1，安装在服务器3内，用于收集服务器内部处理器产生的热量并将收集的热量传导至机柜外部的导热板上；所述外部循环换热系统，并联多个机柜4，用于将导热板上的热量带走排入大气环境中并实时监测系统的运行情况。
外部循环换热系统2并联并支持多台机柜4，机柜4中包含多台安装有相变传热模块1的服务器3。
如图2所示，相变传热模块1包括：热沉101、热管102、导热板103，三者通过回流焊的方式进行连接以减小热阻，相变传热模块也可以采用一体式均热板；热沉101用于收集服务器3上CPU301产生的热量；热管102的作用是将热量快速的传导至导热板103上；两块微通道液冷换热板201通过螺栓夹紧导热板103，并在接触面件间涂有导热硅脂以减小其接触热阻，使导热板103的热量快速传导至微通道液冷换热板201内的冷却液中。
上述外部接触式液冷换热系统2包括：微通道液冷换热板201、干流流量传感器202A、支流流量传感器202B、干流温度传感器203A、支流温度传感器203B、循环泵204、进液总管205、回液总管206、进液支管207、回液支管208、外部冷却装置209和控制单元210；微通道液冷换热板201用于将热量快速排入冷却液中；干流流量传感器202A用于监测进入机柜4中冷却液的总流量；支流流量传感器202B用于监测各微通道液冷换热板201的冷却液的流量；干流温度传感器203A用于监测机柜4内冷却液的温度、支流流量传感器203B用于监测冷却液流出各微通道液冷换热板201后冷却液的温度；干流流量传感器202A、支流流量传感器202B、干流温度传感器203A、支流温度传感器203B和循环泵204分别与控制单元210电性连接。
系统运行时，服务器3内的双CPU301与热沉101接触，双CPU301产生的热量传导至热沉101和热管102中，热管102将热量传导至导热板103中；在循环泵204的作用下，冷却液通过进液总管205流入各台机柜4中，并依次流经干流温度传感器203A、进液支管207、支流流量传感器202B、微通道液冷换热板201，其中微通道液冷换热板201与导热板103接触换热，导热板103与微通道液冷换热板201内的冷却液进行热交换；加热后的冷却液依次流入支流温度传感器203B、回液支管208、干流流量传感器202A、回液总管206进入外部冷却装置209中，冷却液在外部冷却装置209中冷却后再次进入循环泵204完成循环。干流流量传感器202A、支流流量传感器202B、干流温度传感器203A、支流温度传感器203B和循环泵204分别与控制单元210电性连接，各传感器将采集到的流量和温度数据传输给控制单元210，实现对各处的流量和温度监控。服务器3在维护和安装时，只需要将微通道液冷换热板201与导热板103接触安装或卸载，就可以与外部循环换热系统2连接或断开，维护过程中冷却液不与外界环境接触，不会造成泄漏，减小了泄漏的风险。
如图3所示，本实施例还提供了一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统的控制方法，包括
S1控制单元控制循环泵做功，冷却液通过循环泵后通过进液主管进入各个机柜，随后依次通过干流温度传感器、进液支管、支流流量传感器、微通道液冷换热板、支流温度传感器、回液支管、干流流量传感器、回液总管、外部冷却装置并最终流回循环泵，完成循环；
S2定义T1为设置的进出液冷元件冷却液最大温差，T2为90％T1；
S3定义T3为CPU热墙的70％，当服务器CPU温度大于T3时服务器输出控制信号，控制单元接收到外部控制信号，控制单元增大水泵功率，并在无外部控制信号时减小水泵功率至正常值。
上述步骤S2包括：
S21，回路中干流温度传感器和支流温度传感器所测得温度之差大于T1时，控制单元增加水泵功率，；
S22，控制单元检测到温差小于T2时减小水泵功率至正常值。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种数据中心相变传热模组分离式液冷系统，其特征在于，包括相变传热模块（1）和外部循环换热系统（2）；
所述相变传热模块，安装在服务器内，用于收集服务器内部处理器产生的热量并将收集的热量传导至机柜外部的导热板上；
所述外部循环换热系统，并联多个机柜，用于将导热板上的热量带走并排入大气环境中；
所述外部循环换热系统（2）包括：微通道液冷换热板（201）、干流流量传感器（202A）、支流流量传感器（202B）、干流温度传感器（203A）、支流温度传感器（203B）、循环泵（204）、进液总管（205）、回液总管（206）、进液支管（207）、回液支管（208）、外部冷却装置（209）、控制单元（210）；所述微通道液冷换热板（201）与导热板（103）接触，并在接触面间涂导热硅脂减小接触热阻；所述干流温度传感器（202A）设置在进液总管中，用于实时监测系统中进液总管内冷却液温度；干流流量传感器（203A）设置在回液总管中，用于实时监测系统中回液总管中冷却液流量，并将测到的冷却液温度数据和冷却液流量数据传输给控制单元；所述支流流量传感器（202B）安装在进液支管（207）中，支流温度传感器（203B）安装在回液支管（208）中，分别用于实时监测进液支管中冷却液流量和回液支管中冷却液温度，并将测到的冷却液温度数据和冷却液流量数据传输给控制单元（210），所述干流流量传感器（202A）、支流流量传感器（202B）、干流温度传感器（203A）、支流温度传感器（203B）、循环泵（204）分别与控制单元（210）电性连接，并且控制单元设置外部接口，用于接收控制信号。
2.如权利要求1所述的数据中心相变传热模组分离式液冷系统，其特征在于，所述外部循环换热系统（2）并联并支持多台机柜（4），机柜（4）中包含多台安装有相变传热模块（1）的服务器（3）。
3.如权利要求1所述的数据中心相变传热模组分离式液冷系统，其特征在于，所述相变传热模块包括热沉（101）、热管（102）和导热板（103）；所述热沉、热管和导热板通过回流焊的方式连接或采用一体式均热板；所述热沉（101）与CPU（301）相接触，并在接触面间涂导热硅脂以减小接触热阻；导热板（103）在服务器（3）外部并与服务器（3）固定。
4.如权利要求1所述的数据中心相变传热模组分离式液冷系统，其特征在于，服务器中CPU产生的热量经过热沉（101）和热管（102）传导至导热板（103）上，外部循环换热系统（2）的微通道液冷换热板（201）与导热板（103）相接触，将导热板（103）上的热量传导至流经液冷换热板（201）内的冷却液中，冷却液经外部冷却装置（209）冷却后再次进入微通道液冷换热板（201）中完成循环。
5.一种用于权利要求1所述的数据中心相变传热模组分离式液冷系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1通过控制单元控制循环泵做功，冷却液通过循环泵后通过进液主管进入各个机柜，然后依次通过干流温度传感器、进液支管、支流流量传感器、微通道液冷换热板、支流温度传感器、回液支管、干流流量传感器、回液总管、外部冷却装置并最终流回循环泵，完成循环；
步骤S2定义T1为设置的进出液冷元件冷却液最大温差，T2为90%T1，回路中干流温度传感器和支流温度传感器所测得温度之差大于T1时，控制单元增加水泵功率，控制单元检测到温差小于T2时减小水泵功率至正常值；
步骤S3定义T3为CPU热墙的70%，当服务器CPU温度大于T3时服务器输出控制信号，控制单元接收到外部控制信号，控制单元增大水泵功率，并在无外部控制信号时减小水泵功率至正常值。
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