CN114980669A - 一种数据中心气液散热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心气液散热系统及控制方法，包括气液散热热管模组、空冷单元、液冷单元、室外冷却机组及控制单元，所述气液散热热管模组设置在待散热服务器上，所述空冷单元及液冷单元分别与气液散热热管模组连接，所述室外冷却机组分别与空冷单元及液冷单元连接，所述控制单元分别与空冷单元、液冷单元及室外冷却机组连接，用于根据气液散热热管模组的进出液体和/或气体的温度实现空冷模式、液冷模式以及气液协同冷却模式。本发明实现不同功耗下服务器的定制化散热，满足服务器散热需求的同时，减少了资源的浪费。

Description

一种数据中心气液散热系统及控制方法

技术领域

本发明涉及数据中心散热冷却技术领域，具体涉及一种数据中心气液散热系统及控制方法。

背景技术

随着5G技术的成熟，智能制造、工程模拟、智慧工厂等海量数据以及高性能计算相关的技术应用开始跨越式发展，已经从实验室研究发展到真正的工业应用领域，进而促使数据中心趋于集群化和高功率密度，同时对数据中心散热方式提出了更高的要求。

在此背景下，液体冷却由于具有更高的散热效率，近年来在数据中心冷却领域得到了长足发展和应用。在众多液体冷却方式中，微通道液冷板式热管散热器能够避免液体工质与电子设备的直接接触，减少液体工质对电子设备的腐蚀，降低由于直接接触而造成电子设备短路等风险，具有可靠性高、维护便利等优势，是解决数据中心散热问题的理想之选。

然而，虽然微通道液冷板式热管散热器能够很好满足服务器在高负荷工作状态时的散热需求，保障服务器的运行安全，但服务器并不是始终在满负荷运行。现有的数据中心间接液冷系统不间断地利用冷却液对发热元件CPU精密降温，在服务器低功耗时冷量是供给过剩的，造成了极大的资源浪费，不符合绿色数据中心的发展要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种数据中心气液散热系统及控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种数据中心气液散热系统，包括气液散热热管模组、空冷单元、液冷单元、室外冷却机组及控制单元，所述气液散热热管模组设置在待散热服务器上，所述空冷单元及液冷单元分别与气液散热热管模组连接，所述室外冷却机组分别与空冷单元及液冷单元连接，所述控制单元分别与空冷单元、液冷单元及室外冷却机组连接，用于根据气液散热热管模组的进出液体和/或气体的温度实现空冷模式、液冷模式以及气液协同冷却模式。

进一步，所述空冷单元包括空气压缩机、储气罐、空冷控制阀、空冷过滤器、空冷板式换热器、气体流量计及用于监测气液散热热管模组进气口和出气口气体温度的空冷温度传感器。

进一步，所述液冷单元包括储液罐、动力泵、液冷过滤器、液冷控制阀、液体流量计、液冷板式换热器及用于监测气液散热热管模组进液口和出液口液体温度的液冷温度传感器。

进一步，所述气液散热热管模组包括热管导热单元及换热单元，所述热管导热单元包括热沉及热管；所述换热单元包括气液冷板及密封板盖。

进一步，所述气液冷板包括两层流道，分别为空冷流道及液冷流道，两层流道上下对称分布且互不相通。

一种基于所述的数据中心气液散热系统的控制方法，包括如下：

待散热服务器启动，数据中心气液散热系统启动；

启动空冷模式；

控制单元采集气液散热热管模组进气口的气体温度和出气口的气体温度，得到气体温度差值；

判断该气体温度差值是否大于T_Air-1(max)，若是，则进入下一步骤启动液冷模式，否则执行判断气体温度差值步骤；

启动液冷模式，空冷模式停止运行；

控制单元采集气液散热热管模组进液口的液体温度和出液口的液体温度，计算其液体温度差值；

判断所述液体温度差值是否大于T_{Liquid-1(max)}，若大于则进入下一步骤启动气液协同冷却模式，否则，执行判断液体温度差值步骤；

启动气液协同冷却模式，空冷单元和液冷单元同时运行；

控制单元获得气液散热热管模组的进出气口的气体温度差值及进出液口的液体温度差值；

判断气体温度差值和液体温度差值是否均小于设置的T_combine-air，T_{combine-Liquid}

若是，则启动液冷模式，否则继续采集气液散热热管模组的气体温度差及液体温度差。

进一步，在空冷模式，判断气体温度差值步骤包括：判断气体温度差值是否在设定时间小于T_Air-2(min)，若是则停止散热系统工作，否则返回采集气液散热热管模组进气口的气体温度和出气口的气体温度步骤。

进一步，在液冷模式下，判断液体温度差值步骤包括：判断液体温度差值是否小于T_{Liquid-2(min)}，若是，则停止液冷模式，启动空冷模式，若否，则返回采集进液口及出液口的液体温度步骤。

进一步，

空冷模式：T_Air-1(max)为气体温差最大允许值，设置为：8～10℃；

液冷模式：T_{Liquid-1(max)}为液体温差最大允许值，设置为:8～10℃；

T_{Liquid-2(min)}为液体温差最小允许值，设置为:3～5℃；

气液协同冷却模式：

T_combine-air为气体最小允许值，设置为7～9℃，

T_{combine-Liquid}为液体最小允许值，设置为5～7℃。

进一步，所述气液协同冷却模式，具体为：

空气压缩机和动力泵同时工作，液冷控制阀与空冷控制阀均开启，并且室外冷却机组的动力泵功率增大至2p，冷空气、冷却液分别从所述进气口和进液口流入空冷流道及液冷流道；冷空气和冷却液分别与空冷流道及液冷流道进行对流换热；完成换热后的冷空气、冷却液分别从出气口、出液口流出，同时将热量带走。

本发明的有益效果：

(1)本发明的一种数据中心气液散热系统保留了间接式液冷系统高效散热能力的同时，避免始终不间断地利用冷却液对发热元件CPU精密降温，减少了资源的浪费，符合绿色数据中心发展的要求。

(2)本发明的一种数据中心气液散热系统具有液冷、空冷以及气液协同冷却三种散热模式，可根据服务器的散热需要灵活选择、调整，可满足同一机房内、同一机柜内放置功率各不相同服务器的数据中心散热需求，适用范围更广。

(3)本控制方法通过设定判断条件，精确实现三种散热模式的实时切换，减少资源浪费。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明气液散热热管模组结构示意图；

图3是本发明气液散热热管模组分解图；

图4(a)及图4(b)分别是本发明气液冷板的俯视图及仰视图；

图5是本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种数据中心气液散热系统包括气液散热热管模组1、空冷单元2、液冷单元3、室外冷却机组4及控制单元5。

所述空冷单元2包括空气压缩机21、储气罐22、空冷控制阀23、空冷过滤器24、空冷板式换热器25、气体流量计26、进气温度传感器27及出气温度传感器28。

所述空气压缩机21将气体压缩后存储在所述储气罐22中；所述空冷控制阀23用于断开或闭合空冷回路；所述空冷过滤器24用来过滤循环多次后气体中混入的杂质；所述空冷板式换热器25将从储液罐22流出的气体进行冷却；所述气体流量计26用于监测空冷单元2循环回路中气体流量；所述进气温度传感器27、出气温度传感器28分别用于监测所述气液散热热管模组1的进气口1211和出气口1214的气体温度。

所述液冷单元3包括储液罐31、动力泵32、液冷过滤器33、液冷控制阀34、液体流量计35、进液温度传感器36、出液温度传感器37以及液冷板式换热器38。

所述储液罐31用于存储和回收冷却液；所述动力泵32作为液冷单元循环回路的动力来源；所述液冷过滤器33用于过滤循环多次后冷却液中混入的杂质；所述液冷控制阀34用于断开或闭合液冷回路；所述液体流量计35用于监测液冷单元循环回路中液体流量；所述进液温度传感器36、出液温度传感器37分别用于监测所述气液散热热管模组1的进液口1212和出液口1215的液体温度；液冷板式换热器38用于对吸收热量后的冷却液进行冷却。

所述室外冷却机组4包括冷却塔41及动力泵42。

所述控制单元5与空冷单元2的空气压缩机21、空冷控制阀23、气体流量计26、进气温度传感器27、出气温度传感器28和所述液冷单元3的动力泵32、液冷控制阀34、液体流量计35、进液温度传感器36、出液温度传感器37以及室外冷却机组4的动力泵42电性连接。

如图2所示，所述气液散热热管模组1，包括热管导热单元11和换热单元12。所述热管导热单元11包括热沉111及热管112；所述换热单元12包括气液冷板121及密封板盖122。

如图3所示，所述热沉111设有容纳所述热管112蒸发段1121的通槽1112，所述热管112的蒸发段1121通过焊锡固定于热沉111，保证热管112的蒸发段1121压扁获得的平面与热沉111的底面相平；热沉111上的螺栓孔1111用于将整个气液散热热管模固定在涂有导热硅脂的CPU表面。所述热管112包括蒸发段1121、绝热段1122及冷凝段1123，其中蒸发段1211呈扁平状，底部具有压扁所获得的平面，热管112内部的吸液芯结构采用沟槽式或者是复合式结构。所述气液冷板121中部设有放置所述热管112的冷凝段1123的通槽1213，利用焊锡将所述热管112的冷凝段1123与气液冷板121固定连接。

如图3、图4(a)及图4(b)所示，所述气液冷板121上层为液冷流道1216，并开设有进液口1212和出液口1215；气液冷板121下层为空冷流道1217，并开设有进气口1211和出气口1214；上下层流道对称分布且互不连通，并且空冷流道体积大于液冷流道。

所述热沉111将CPU工作产生的热量收集至热管112的蒸发段1121，使得蒸发段1121内部的工质吸收热量蒸发形成蒸汽，所述蒸汽在压力差的推动下携带热量流经热管112的绝热段1122内芯到达冷凝段1123；在冷凝段1123内的蒸汽将所携带的热量传递至换热单元12后重新液化，在吸液芯毛细力及重力的作用下流回热管112的蒸发段1121，完成一个传热循环过程。

本实施例中，液冷流道位于上层流道，空冷流道为下层流道。

如图5所示，本发明的控制方法为：

S1：系统启动：控制单元接收到服务器启动信号，设置T_Air-1(max)、T_Air-2(min)、T_{Liquid-1(max)}、T_{Liquid-2(min)}、T_combine-air和T_{combine-Liquid}值。

处于空冷模式、液冷模式以及气液协同冷却模式时，室外冷却机组4动力泵42的功率分别被定义为P、1.5P、2P，控制气液散热系统运行。

S2：启动空冷模式：在空冷控制阀23的调节下，储气罐22内的气体流出并进入空冷过滤器24中进行过滤，过滤后的气体在空冷板式换热器25进行热交换变为温度较低的冷气，冷气依次流经气体流量计26、进气温度传感器27、气液散热热管模组1。冷空气从进气口1211流入空冷流道1217将换热单元12中的热量吸收，吸收热量后的气体流经出气温度传感器28，在空气压缩机21的作用下被回收至储气罐22中。

与此同时，所述动力泵42将冷却塔41中冷却后的液体输送至所述空冷单元2中的空冷板式换热器25，与空冷单元2中的气体进行热交换；所述室外冷却机组4内的液体吸收热量后，被泵送回冷却塔41进行冷却。

S3：收集T₁及T₃，计算ΔT_3-1：控制单元5收集气液散热热管模组1进气口1211的气体温度T₁和出气口1214的气体温度T₃，计算其温度差值ΔT_3-1＝T₃-T₁。

S4：ΔT_3-1是否大于气体温差最大允许值T_Air-1(max)；

当所述气体温度差值ΔT_3-1大于设定值T_Air-1(max)，则表明当前的冷却模式不能满足服务器的散热需求。

因此，若ΔT_3-1超出最大允许值T_Air-1(max)，则执行S6；若否，则执行S5。

S5：判断t秒内ΔT_3-1是否小于最小允许值T_Air-2(min)，并且在t秒内ΔT_3-1<T_Air-2(min)始终恒成立，其中T_Air-2(min)被定义为接近于0的一个数值。

当所述流体介质温度差值小于某一设定值，则表明当前的冷却模式对服务器的冷量供给是过剩的。特别的，当所述流体介质温度差值在一定时间内始终接近于0，则表明服务器已停止运行，并且服务器内的热量均已基本被散热系统带走。

因此，若在t秒内ΔT_3-1<T_Air-2(min)始终恒成立，则执行S14；若否，则返回S3。

S6：启动液冷模式并停止空冷模式：动力泵32将冷却液从储液罐31中抽出，进入液冷过滤器33中过滤杂质，过滤干净的冷却液依次经过液冷控制阀34、液体流量计35、进液温度传感器36、气液散热热管模组1，冷却液从进液口1212流入上层的液冷流道1216将换热单元12中的热量吸收；吸收热量后的液体从气液散热热管模组1流出，经出液温度传感器37后在液冷板式换热器38中被冷却，最终回到储液罐31。

与此同时，室外冷却机组4的动力泵42功率调节至1.5p，气液散热系统关闭空冷单元。动力泵42将冷却塔41中冷却后的液体输送至所述液冷单元3中的液冷板式换热器38，与液冷单元3中的液体进行热交换；所述室外冷却机组4内的液体吸收热量后，被泵送回冷却塔41进行冷却。继续执行S7。

S7：收集T₂及T₄，计算ΔT_4-2：所述控制单元5采集气液散热热管模组进液口1212的液体温度T₂和出液口1215的液体温度T₄，计算其温度差值ΔT_4-2＝T₄-T₂。

S8：判断ΔT_4-2是否超出最大允许值T_{Liquid-1(max)}，若是，则执行S11；若否，则执行S9。

S9：判断ΔT_4-2是否低于最小允许值T_{Liquid-2(min)}，若是，则执行S10；若否，则返回S7。

S10：停止液冷模式：动力泵32停止工作、液冷控制阀34关闭，散热系统停止液冷模式，同时返回S2。

S11：启动气液协同冷却模式：空气压缩机21和动力泵32同时工作，空冷控制阀23与液冷控制阀34均开启，并且室外冷却机组4的动力泵42功率增大至2p，冷空气、冷却液分别从所述进气口1211和进液口1212流入下层的空冷流道1217及上层的液冷流道1216；冷空气和冷却液分别与下层的空冷流道1217及上层的液冷流道1216进行对流换热；完成换热后的冷空气、冷却液分别从出气口1214、出液口1215流出，同时将热量带走。

S12：收集T₁、T₂、T₃及T₄，计算ΔT_3-1、ΔT_4-2：所述控制单元5采集气液散热热管模组进气口1211的气体温度T₁和出气口1214的气体温度T₃、进液口1212的液体温度T₂和出液口1215的液体温度T₄，计算其温度差值ΔT_3-1＝T₃-T₁、ΔT_4-2＝T₄-T₂。

S13：判断所述温度差值ΔT_3-1、ΔT_4-2是否分别小于气体最小允许值T_combine-air液体最小允许值T_{combine-Liquid}。若是，则返回S6；若否，则返回S12。

S14：结束：空气压缩机21和动力泵32停止运行，空冷控制阀23与液冷控制阀34均关闭，并且室外冷却机组4的动力泵暂停工作。数据中心气液散热系统结束一次工作过程。

本实施例中各判断条件优选值为：

空冷模式：T_Air-1(max)为气体温差最大允许值，设置为：8～10℃；优选为9℃。

液冷模式：T_{Liquid-1(max)}为液体温差最大允许值，设置为:8～10℃；优选为9℃。

T_{Liquid-2(min)}为液体温差最小允许值，设置为:3～5℃；优选为4℃。

气液协同冷却模式：

T_combine-air为气体最小允许值，设置为7～9℃，优选为8℃。

T_{combine-Liquid}为液体最小允许值，设置为5～7℃，优选为6℃。

设置上述判断条件，产生如下效果：

(1)从数据中心气液散热系统设备的角度来评价时，T_Air-1(max)取值越大、T_{Liquid-1(max)}与T_{Liquid-2(min)}的差值越大、T_combine-air及T_{combine-Liquid}取值越小，则每种冷却模式所对应的服务器CPU散热功率范围越广，避免频繁切换冷却模式，即避免频繁启停数据中心气液散热系统中各组成设备，延长其使用寿命；T_Air-1(max)取值越小、T_{Liquid-1(max)}与T_{Liquid-2(min)}的差值越小、T_combine-air及T_{combine-Liquid}越大，则对服务器CPU工作温度的控制更精准。

(2)从数据中心气液散热系统节能的角度来评价时，T_Air-1(max)、T_{Liquid-1(max)}、T_{Liquid-2(min)}、T_combine-air及T_{combine-Liquid}取值越大，即当低散热能力的冷却模式即将不能满足服务器CPU散热需求时才切换至高散热能力的冷却模式，或一旦低散热能力的冷却模式服务器CPU散热需求就选择切换至该模式，此时数据中心气液散热系统的节能效果更好，但当服务器运行负荷波动较大时，可能会造成服务器CPU的工作温度接近极限温度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、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 (10)

1.一种数据中心气液散热系统，其特征在于，包括气液散热热管模组、空冷单元、液冷单元、室外冷却机组及控制单元，所述气液散热热管模组设置在待散热服务器上，所述空冷单元及液冷单元分别与气液散热热管模组连接，所述室外冷却机组分别与空冷单元及液冷单元连接，所述控制单元分别与空冷单元、液冷单元及室外冷却机组连接，用于根据气液散热热管模组的进出液体和/或气体的温度实现空冷模式、液冷模式以及气液协同冷却模式。

2.根据权利要求1所述的数据中心气液散热系统，其特征在于，所述空冷单元包括空气压缩机、储气罐、空冷控制阀、空冷过滤器、空冷板式换热器、气体流量计及用于监测气液散热热管模组进气口和出气口气体温度的空冷温度传感器。

3.根据权利要求1所述的数据中心气液散热系统，其特征在于，所述液冷单元包括储液罐、动力泵、液冷过滤器、液冷控制阀、液体流量计、液冷板式换热器及用于监测气液散热热管模组进液口和出液口液体温度的液冷温度传感器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的数据中心气液散热系统，其特征在于，所述气液散热热管模组包括热管导热单元及换热单元，所述热管导热单元包括热沉及热管；所述换热单元包括气液冷板及密封板盖。

5.根据权利要求4所述的数据中心气液散热系统，其特征在于，所述气液冷板包括两层流道，分别为空冷流道及液冷流道，两层流道上下对称分布且互不相通。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的数据中心气液散热系统的控制方法，其特征在于，包括如下：

待散热服务器启动，数据中心气液散热系统启动；

启动空冷模式；

控制单元采集气液散热热管模组进气口的气体温度和出气口的气体温度，得到气体温度差值；

判断该气体温度差值是否大于T_Air-1(max)，若是，则进入下一步骤启动液冷模式，否则执行判断气体温度差值步骤；

启动液冷模式，空冷模式停止运行；

控制单元采集气液散热热管模组进液口的液体温度和出液口的液体温度，计算其液体温度差值；

判断所述液体温度差值是否大于T_{Liquid-1(max)}，若大于则进入下一步骤启动气液协同冷却模式，否则，执行判断液体温度差值步骤；

启动气液协同冷却模式，空冷单元和液冷单元同时运行；

控制单元获得气液散热热管模组的进出气口的气体温度差值及进出液口的液体温度差值；

判断气体温度差值和液体温度差值是否均小于设置的T_combine-air，T_{combine-Liquid}

若是，则启动液冷模式，否则继续采集气液散热热管模组的气体温度差及液体温度差。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在空冷模式，判断气体温度差值步骤包括：判断气体温度差值是否在设定时间小于T_Air-2(min)，若是则停止散热系统工作，否则返回采集气液散热热管模组进气口的气体温度和出气口的气体温度步骤。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在液冷模式下，判断液体温度差值步骤包括：判断液体温度差值是否小于T_{Liquid-2(min)}，若是，则停止液冷模式，启动空冷模式，若否，则返回采集进液口及出液口的液体温度步骤。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，

空冷模式：T_Air-1(max)为气体温差最大允许值，设置为：8～10℃；

液冷模式：T_{Liquid-1(max)}为液体温差最大允许值，设置为:8～10℃；

T_{Liquid-2(min)}为液体温差最小允许值，设置为:3～5℃；

气液协同冷却模式：

T_combine-air为气体最小允许值，设置为7～9℃，

T_{combine-Liquid}为液体最小允许值，设置为5～7℃。

10.根据权利要求7-9任一项所述的控制方法，其特征在于，所述气液协同冷却模式，具体为：

空气压缩机和动力泵同时工作，液冷控制阀与空冷控制阀均开启，并且室外冷却机组的动力泵功率增大至2p，冷空气、冷却液分别从所述进气口和进液口流入空冷流道及液冷流道；冷空气和冷却液分别与空冷流道及液冷流道进行对流换热；完成换热后的冷空气、冷却液分别从出气口、出液口流出，同时将热量带走。

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