CN113677167B - 一种服务器机柜、服务器机柜系统及服务器系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种服务器机柜、服务器机柜系统及服务器系统，涉及计算机领域，尤其涉及服务器冷却领域。具体包括：液冷整机柜、第一集液管、第一节流阀；所述液冷整机柜包括芯片冷板，所述芯片冷板的外表面与第一待制冷设备的外表面相贴合；所述第一节流阀串联在所述第一集液管和所述芯片冷板之间；所述芯片冷板内部设置有内腔；制冷剂依次经所述第一集液管和所述第一节流阀流入所述芯片冷板的内腔；所述第一节流阀对流经所述第一节流阀的所述制冷剂进行节流降压以使所述制冷剂由液态转化为气态。从而实现通过芯片冷板内的制冷剂相变吸热对第一待制冷设备进行冷却。

Description

一种服务器机柜、服务器机柜系统及服务器系统

技术领域

本公开涉及计算机技术领域，尤其涉及服务器冷却领域。

背景技术

目前，随着云计算、大数据的发展，以及芯片技术的快速发展，IT(IT，互联网技术)设备的功率密度也越来越大。在服务器领域，目前单服务器芯片功率已经达到500W以上。

然而，随着芯片功率的增大，芯片的热流密度也不断增大，传统风冷散热方式已经不能满足散热需求，如何对服务器的芯片进行冷却，目前已经成为一个重要的研究热点。

发明内容

本公开提供了一种服务器机柜、服务器机柜系统及服务器系统。

根据本公开的一方面，提供了一种服务器机柜，包括：液冷整机柜、第一集液管、第一节流阀；

所述液冷整机柜包括芯片冷板，所述芯片冷板的外表面与第一待制冷设备的外表面相贴合；

所述第一节流阀串联在所述第一集液管和所述芯片冷板之间；

所述芯片冷板内部设置有内腔；制冷剂依次经所述第一集液管和所述第一节流阀流入所述芯片冷板的内腔；所述第一节流阀对流经所述第一节流阀的所述制冷剂进行节流降压以使所述制冷剂由液态转化为气态。

根据本公开的另一方面，提供了一种服务器机柜系统，所述服务器机柜系统包括上述任一所述的服务器机柜和室外机。

根据本公开的另一方面，提供了一种服务器系统，所述服务器系统包括服务器主机和上述任一所述的服务器机柜或上述服务器机柜系统

本公开的服务器机柜包括：液冷整机柜、第一集液管、第一节流阀；所述液冷整机柜包括芯片冷板，所述芯片冷板的外表面与第一待制冷设备的外表面相贴合；所述第一节流阀串联在所述第一集液管和所述芯片冷板之间；所述芯片冷板内部设置有内腔；制冷剂依次经所述第一集液管和所述第一节流阀流入所述芯片冷板的内腔；所述第一节流阀对流经所述第一节流阀的所述制冷剂进行节流降压以使所述制冷剂由液态转化为气态。从而实现通过芯片冷板内的制冷剂相变吸热对第一待制冷设备进行冷却。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：

图1是根据本公开第一实施例的示意图；

图2是根据本公开第二实施例的示意图；

图3是根据本公开对应现有技术的示意图；

图4是根据本公开第三实施例的示意图；

图5是根据本公开第四实施例的示意图；

图6是根据本公开第五实施例的示意图；

图7是根据本公开第六实施例的示意图；

图8是根据本公开第七实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

根据本公开的第一方面，提供了一种服务器机柜，参见图1，包括：液冷整机柜101、第一集液管102、第一节流阀103；

液冷整机柜101包括芯片冷板1011，芯片冷板1011的外表面与第一待制冷设备的外表面相贴合；

第一节流阀103串联在第一集液管102和芯片冷板1011之间；

芯片冷板1011内部设置有内腔；制冷剂依次经第一集液管102和第一节流阀103流入芯片冷板1011的内腔；第一节流阀103对流经第一节流阀103的制冷剂进行节流降压以使制冷剂由液态转化为气态。

在实际使用过程中，芯片冷板的外表面与第一待制冷设备的外表面相贴合，为了减少芯片冷板的外表面与第一待制冷设备的外表面之间接触不良产生的传热热阻，可以在芯片冷板的外表面与第一待制冷设备的外表面之间涂一层导热层，如导热硅脂，从而减少传热热阻，提高传热效率。

该第一待制冷设备可以是服务器中的主板上的CPU(central processing unit，中央处理器)等以及硬盘等，运行中发热较多的部件。

第一集液管102可以为多种材质的管路，如铜管、不锈钢管、铝合金管等。

其中，上述制冷剂可以是便于进行气液转化的制冷剂，如R134a(C2H2F4)、R22(CHF2Cl)等。通过该制冷剂，而非传统的油浸式制冷剂，可以实现无油膜热阻，防止传统油浸式制冷方式中出现的油堵的问题。并且，即使制冷剂泄露也可以快速气化，减少对设备造成的损坏。同时，通过制冷剂在芯片冷板中相变吸热，可以提高制冷效率。例如，相比于传统的通过制冷剂的升温和降温的方式进行制冷时，如使用的制冷剂为水，水的比热容为4.2kJ/kg·℃，当1kg的水升高1℃仅能吸收4.2kJ的热量；而当使用制冷剂相变的方式进行制冷时，如使用的制冷剂为R134a，R134a的气化潜热为215kJ/kg，即R134a在不进行升温仅发生相变的情况下就可以吸收215kJ的热量，因此，相比于传统的通过制冷剂的升温和降温的方式进行制冷，本公开中通过制冷剂相变的方式进行制冷可以提高制冷效率。本公开的方法可以实现高功率机柜的制冷(单机柜功率≥20kW)，服务器制冷与数据中心制冷融合供冷第一节流阀103可以具有节流功能的部件，例如，第一节流阀103的横截面可以小于第一集液管102的横截面，而后端的芯片冷板1011的内腔的直径又大于第一节流阀103的直径，由于液体的压强对着流速的升高而降低，当第一集液管102中液态的制冷剂流入第一节流阀104时，由于横截面减小，导致流速升高，压强下降，同时由于压强下降，沸点下降，当沸点小于实际温度时发生相变，由液态转化为气态，从而吸热。然后通过芯片冷板与第一待制冷设备之间的热传导为第一待制冷设备制冷。

可选的，参见图2，上述服务器机柜还包括第一集气管201；

第一集气管201串联在芯片冷板1011和室外机之间，室外机串联在第一集气管201和第一集液管102之间；

室外机对第一集气管201流入的气态的制冷剂进行冷却，将气态的制冷剂转化为液态的制冷剂；

第一节流阀103的开度与第一集气管201内的气态的制冷剂的温度或过热度正相关。

其中，本公开的室外机可以利用空气或水等对气态的制冷剂进行冷却，将其凝结为液态的制冷剂，具体形式可为蒸发冷凝器、风冷冷凝器。其中，可以在缺水地区，直接实现室外机使用风冷冷凝器就可以对气态的制冷剂进行冷却，实现零水耗运行。而在水资源充足地区，同样可采用蒸发冷冷凝器，实现全年自然冷却。

本公开中，液态的制冷剂从室外机经第一集液管102和第一节流阀103流入芯片冷板1011，然后在芯片冷板1011中发生相变，为第一待制冷设备制冷，由液态的制冷剂转化为气态的制冷剂，气态的制冷剂再经由第一集气管103流入室外机，实现完整的循环。

相比于现有技术中，通过多级循环的方式进行制冷，如图3，制冷剂1在二次侧，制冷剂2在一次侧，通过制冷剂1对目标设备进行冷却，然后通过中间换热单元，利用制冷剂1对制冷剂2进行冷却，其中在换热过程中由于散热损失等，往往造成换热效率下降。

本公开的方法，可以直接对制冷剂进行冷却，消除了多级换热损失，从而可以提高制冷效率。并且，制冷剂在管道内部进行循环，相比于传统的浸没式的制冷方式将整个服务器浸泡在冷却液中，可以减少制冷剂的用量，无冷却液损耗，解决了浸没液冷需把所有设备浸没到制冷工质中所带来的成本、材料兼容等问题，实现低成本、高效率的液冷服务器制冷场景。

可选的，参见图4，上述服务器机柜还包括第二集液管401和第二节流阀402；液冷整机柜还包括风扇403和换热器404；

风扇403，用于驱动空气流动，以使流动的空气依次流过第二待制冷设备和换热器404；

换热器404内部设置有内腔；制冷剂从室外机经第二集液管401和第二节流阀402流入换热器404的内腔；第二节流阀402对流经第二节流阀402的制冷剂进行节流降压以使制冷剂由液态转化为气态。

其中，第二节流阀402可以与第一节流阀103的结构相同，例如，第二节流阀402的横截面可以小于第二集液管401的横截面，由于液体的压强对着流速的升高而降低，当第二集液管401中液态的制冷剂流入第二节流阀402时，由于横截面减小，导致流速升高，压强下降，同时由于压强下降，沸点下降，当沸点小于实际温度时发生相变，由液态转化为气态，实现吸热。然后通过换热器404吸收风扇403驱动的流过空气中的热量。

在实际使用过程中，第二待制冷设备可以是服务器中除第一待制冷设备之外的其它元器件，如服务器上的电源模块、主板等。通过风扇403驱动空气流动，流动的空气依次流过第二待制冷设备和换热器404，可以通过流动的空气对第二待制冷设备进行制冷。然后通过流动的空气流过换热器404，通过换热器404吸收流过的空气的热量，对流过的空气进行制冷。由于在实际使用过程中，为了实现无尘环境，服务器往往会放置于封闭室内，通过换热器404吸收流过的空气的热量，对流过的空气进行制冷，可以防止室内温度不断升高，影响待制冷设备的工作效率。在实际使用过程中，可以通过芯片冷板带走X％(X为0到100的数值)散热量，其余(1-X)％散热量由换热器404带走。

在实际使用过程中，换热器404的外表面可以设计为带有翅片的结构，或微孔结构，从而可以增大换热器404外表面与空气的接触面积，提高换热器404的换热效率。

可选的，参见图5，上述服务器机柜还包括第二集气管501；

换热器404串联在第二节流阀402和第二集气管501之间；第二集气管501串联在换热器404和室外机之间；第二集液管401串联在室外机和第二节流阀402之间；

第二节流阀402的开度与第二集气管501内的气态的制冷剂的温度或过热度正相关

其中，第一节流阀103和第二节流阀402可以为相同或不同结构的节流阀。具体的，可以是电子膨胀阀或者热力膨胀阀等。

当第一节流阀103或第二节流阀402通过气态的制冷剂的温度进行调节时，可以采用热力膨胀阀，可以在第一集气管201内或第二集气管501内感温包，机械控制膨胀阀的开度，温度越高开度越大。

当第一节流阀103或第二节流阀402通过电子膨胀阀进行调节时，可以采用热力膨胀阀时，可以在第一集气管201内或第二集气管501内温度传感器和压力传感器来采集过热度信号，采用反馈调节来控制膨胀阀的开度，过热度越高开度越大。具体的，过热度指的是过热蒸汽温度减去对应压力下的干饱和温度，其中，干饱和温度为工质有液态转化为气态的临界温度，例如，水在一个大气压下的干饱和温度为100℃。因此，可以通过检测得到的第一集气管201和第二集气管501内的压强，查找对应压力下的干饱和温度，然后通过检测得到的第一集气管201和第二集气管501内温度减去该干饱和温度，得到当前的过热度。

通过调节第一节流阀103或第二节流阀402的开度，可以使气态的制冷剂的过热度在预设范围内，例如，3-5℃，当温度大于该预设范围时可以增大节流阀的开度，当温度小于该预设范围时可以减小节流阀的开度。从而可以防止流量过高，导致温度较低，造成浪费甚至设备的损坏，以及流量过低导致制冷效率低，影响待制冷设备的性能，从而保证目标模块的温度在合理的范围内，保证待制冷设备的正常运行。

可选的，参见图6，上述服务器机柜，还包括第三集液管601和液泵602；

第三集液管601的一端与室外机导通，第三集液管601的另一端与第一集液管102和第二集液管401导通；

液泵602被配置在集液管上。

其中，液泵602可以为变频液泵，可以调节液泵602的频率，从而增大或减少流入芯片冷板和换热器404的冷却剂的流量，频率通过前后压差或者定出口压力控制。通过液泵调节冷却液的压力，可以调节输入的冷却液的流量，从而调节制冷效率。具体的，上述液泵602可以是无油氟泵，对应管路系统具有旁通阀，可实现设备旁通。液泵602可以是1个，也可以多个串联或并联。可以在第三集液管601与第一集液管102和第二集液管401导通的一段设置集液池，第三集液管601与第一集液管102和第二集液管401分别于集液池导通，实现池化，从而均衡每一第一集液管102和第二集液管401的液态的制冷剂的压力。

可选的，参见图7，上述服务器机柜，还包括第三集气管701和气泵702；

第三集气管701的一端与室外机导通，第三集气管701的另一端与第一集气管201和第二集气管501导通；

第三集气管701贯穿气泵702。

气泵702可以是变频泵，可以调节气泵702的频率，频率通过吸气口的蒸发压力控制，对应管路系统具有旁通阀，可实现设备旁通。具体的该气泵702可以是无油压缩机，数量可为1个也可以是多个串联或者并联。实际使用过程中，还可以在第三集液管701与第一集气管201和第二集气管501导通的一段设置集气池，第三集气管701与第一集气管201和第二集气管501分别于集气池导通，实现池化，从而均衡每一第一集气管201和第二集气管501的气态的制冷剂的压力。

由于制冷剂的凝点随着压力的提高而下降，通过气泵702可以提高输入室外机的气态的制冷剂的压力，可以加快气态的制冷剂的凝结，提高室外机的工作效率。并且，通过采用气泵702的设计，可以在缺水地区，直接实现室外机使用风冷冷凝器就可以对气态的制冷剂进行冷却，实现零水耗运行。

具体的，当外界温度较低或服务器功率较低时，可以通过旁路，使得气态的制冷剂不经过气泵702，达到节约能耗的目标，当外界温度较高或散热量较大时，则不经过旁路，通过气泵702提高输入室外机的气态的制冷剂的压力，加快气态的制冷剂的凝结，提高室外机的工作效率。

具体的，如可以设定液泵模式、气泵模式。其中气泵模式为气泵702和液泵602同时运行，液泵模式为仅液泵602运行。当室外温度足够低，可实现自然冷却时，制冷循环无须气泵702加压，此时将气泵702的旁通阀打开，实现液泵模式，省去气泵702功耗，达到节能的目的。实际使用过程中，当液冷芯片的冷却温度较高(如大于35℃)，可实现液泵502模式(自然冷却)。

可选的，参见图8，上述服务器机柜，第三集液管601的一端为封闭的环状管路；

环状管路的一端与第一集液管102和第二集液管401导通。

通过环状管路的一端与第一集液管102和第二集液管401导通，可以实现将液态的制冷剂输送到第一集液管102和第二集液管301中。同时，相比于传统的多个支气管汇聚为1根主气管，往往造成前端的支管压力高，后端的支管压力低。通过环状管路的一端与第一集液管102和第二集液管301导通，可以均衡各个第一集液管102和第二集液管301中液态的制冷剂的压力。在实际使用过程中，第一集液管102和第二集液管301，可以实现1:N(N为整数)配置，也可管路成环网形式，形成N：M(N与M为任意整数)配置。

根据本公开的第二方面，提供了一种服务器机柜系统，服务器机柜系统包括上述任一的服务器机柜和室外机。

具体的，该室外机可以是利用空气或水等对气态的制冷剂进行冷却，将其凝结为液态的制冷剂，具体形式可为蒸发冷凝器、风冷冷凝器。

室外机可以内含一套冷凝盘管，室外风机、水泵、填料等配套设备，风机为变频风机，通过调节运行的风扇的数量及频率进行冷凝温度的调节，通过调节风扇的频率增大或减少制冷功率。

根据本公开的第三方面，提供了一种服务器，其中，服务器包括上述任一的服务器机柜和服务器主机。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网。

计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (8)

1.一种服务器机柜，其中，包括：液冷整机柜、第一集液管、第一节流阀；

所述液冷整机柜包括芯片冷板，所述芯片冷板的外表面与第一待制冷设备的外表面相贴合；

所述第一节流阀串联在所述第一集液管和所述芯片冷板之间；

所述芯片冷板内部设置有内腔；制冷剂依次经所述第一集液管和所述第一节流阀流入所述芯片冷板的内腔；

所述第一节流阀的横截面小于所述第一集液管的横截面；所述芯片冷板的内腔的直径大于所述第一节流阀的直径；所述第一节流阀对流经所述第一节流阀的所述制冷剂进行节流降压以使所述制冷剂由液态转化为气态；

所述第一集气管串联在所述芯片冷板和室外机之间，所述室外机串联在所述第一集气管和所述第一集液管之间；

所述室外机对所述第一集气管流入的气态的制冷剂进行冷却，将气态的制冷剂转化为液态的制冷剂；

所述第一节流阀的开度与第一集气管内的气态的制冷剂的温度或过热度正相关。

2.根据权利要求1所述的服务器机柜，还包括第二集液管和第二节流阀；所述液冷整机柜还包括风扇和换热器；

所述风扇，用于驱动空气流动，以使流动的空气依次流过第二待制冷设备和所述换热器；

所述换热器内部设置有内腔；制冷剂从室外机经所述第二集液管和所述第二节流阀流入所述换热器的内腔；所述第二节流阀对流经所述第二节流阀的制冷剂进行节流降压以使所述制冷剂由液态转化为气态。

3.根据权利要求2所述的服务器机柜，还包括第二集气管；

所述换热器串联在所述第二节流阀和所述第二集气管之间；所述第二集气管串联在所述换热器和所述室外机之间；所述第二集液管串联在室外机和所述第二节流阀之间；

所述第二节流阀的开度与第二集气管内的气态的制冷剂的温度或过热度正相关。

4.根据权利要求2所述的服务器机柜，还包括第三集液管和液泵；

所述第三集液管的一端与所述室外机导通，所述第三集液管的另一端与所述第一集液管和第二集液管导通；

所述液泵被配置在所述第三集液管上。

5.根据权利要求1所述的服务器机柜，还包括第三集气管和气泵；

所述第三集气管的一端与所述室外机导通，所述第三集气管的另一端与所述第一集气管和第二集气管导通；

所述第三集气管贯穿所述气泵。

6.根据权利要求4所述的服务器机柜，其中，

所述第三集液管的一端为封闭的环状管路；

所述环状管路的一端与所述第一集液管和第二集液管导通。

7.一种服务器机柜系统，其中，包括：如权利要求1-6任一所述的服务器机柜和室外机。

8.一种服务器系统，其中，所述服务器包括：服务器主机和如权利要求1-6任一所述的服务器机柜或权利要求7所述的服务器机柜系统。

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