CN115167569B

CN115167569B - 一种应用于vpx设备的冷却工质流速调节系统

Info

Publication number: CN115167569B
Application number: CN202211086434.9A
Authority: CN
Inventors: 刘正尧; 徐立颖; 景三辉; 许松伟
Original assignee: CETC 15 Research Institute
Current assignee: CETC 15 Research Institute
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2042-09-07
Also published as: CN115167569A

Abstract

本申请公开了一种应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统及VPX设备，属于VPX设备控温研究领域，包括板卡温度采集单元、管路、冷却泵、电磁阀、流速传感器和主控制板，主控制板根据温度判断结果表示各板卡的温度波动、确定目标开度和调整电磁阀开度。本申请通过系统的管路内流动的冷却工质对VPX设备的温度进行调节，能够针对VPX设备进行全机柜温度采集；能够根据机柜内发热板卡的工作温度智能调节冷却工质流速，改良了机柜内发热板卡的局部温度环境。

Description

一种应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统

技术领域

本申请属于VPX设备控温研究领域，特别涉及一种应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统。

背景技术

当前VPX计算机柜性能要求越来越高，随之整个系统功耗越来越大，传统风冷机柜已难以满足计算机柜内计算板卡散热需求。此外，电子技术微型化、高集成度、大功率电子器件应用的发展趋势，使得电子设备要求体积越来越小，元器件数量增加，使得电子设备功率密度和热流密度大幅提高，对快速散热的要求也相应提高。在此背景下，液冷机柜的应用越来越多。

目前对液冷机柜的研究大多集中于液冷管路的结构设计、冷却工质的选择以及设备接口连接器的设计等方面，对液冷机柜冷却工质调速方法的研究未见报告，且没有根据发热部件的发热量自动调速技术的研究案例。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本申请提供了一种应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统。

本申请通过以下方案实现：

第一方面，本申请提供一种应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统，所述系统应用于VPX设备，用于对所述VPX设备的温度进行调节；所述系统包括：

板卡温度采集单元，被配置为：采集所述VPX设备的各板卡的温度；所述板卡温度采集单元包括：计算板温度采集单元、交换板温度采集单元、电源板温度采集单元、以及存储板温度采集单元；

管路，被配置为：为冷却工质提供流动通道；

冷却泵，被配置为：对所述冷却工质进行降温；

电磁阀，被配置为：调节所述冷却工质在所述管路中的流速；

流速传感器，被配置为：检测所述管路中的冷却工质的流速，得到流速数据；

主控制板，被配置为：接收所述板卡温度采集单元采集的温度数据；判断所述温度数据表示出的所述VPX设备的各板卡的温度是否均在其各自的正常工作温度范围之内；若所述判断的结果为是，则根据所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度；将所述电磁阀的开度调整至所述目标开度；

其中，所述主控制板分别与所述板卡温度采集单元、电磁阀电连接；所述流速传感器设置在所述管路临近于所述冷却泵的回液口的位置上。

在本申请一个可选的实施例中，所述主控制板在根据所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度时，执行以下至少一项：

在所述计算板温度采集单元采集的温度数据，表示出所述VPX设备的计算板的温度波动大于预设的第一波动阈值的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高30%，得到目标开度；

在所述交换板温度采集单元采集的温度数据，表示出所述VPX设备的交换板的温度波动大于预设的第二波动阈值的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高20%，得到目标开度；

在所述电源板温度采集单元采集的温度数据，表示出所述VPX设备的电源板的温度波动大于预设的第三波动阈值的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高15%，得到目标开度；

在所述存储板温度采集单元采集的温度数据，表示出所述VPX设备的存储板的温度波动大于预设的第四波动阈值的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高10%，得到目标开度。

在本申请一个可选的实施例中，所述主控制板在根据所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度时，还执行：在温度波动大于相应的波动阈值的板卡不唯一的情况下，则将基于各板卡分别确定出的目标开度中取值最大的，作为调整所述电磁阀时采用的目标开度；和/或，所述波动阈值与所述流速数据正相关。

在本申请一个可选的实施例中，所述板卡温度采集单元，被配置为以下至少一项：

所述计算板温度采集单元用于采集其对应的计算板的CPU的温度；

所述交换板温度采集单元用于采集其对应的交换板的交换芯片的温度；

所述电源板温度采集单元用于采集其对应的电源板的PCB的温度；

所述存储板温度采集单元用于采集其对应的存储板的存储颗粒的温度。

在本申请一个可选的实施例中，所述系统还包括机架管理控制器；所述机架管理控制器，被配置为：

将从所述板卡温度采集单元接收到的温度数据，发送至所述主控制板；

其中，所述机架管理控制器设置在所述VPX设备的交换板上，所述机架管理控制器通过所述VPX设备的IPMB总线，与所述主控制板电连接、所述板卡温度采集单元分别地电连接。

在本申请一个可选的实施例中，所述流速传感器在得到流速数据时，执行：

将对所述管路中的冷却工质的流速进行检测得到的数据，作为原始数据；对所述原始数据进行A/D变换，得到流速数据。

在本申请一个可选的实施例中，所述主控制板还被配置为：

采用脉冲宽度调制的方式，将所述电磁阀的开度调整至所述目标开度。

在本申请一个可选的实施例中，所述主控制板在将所述电磁阀的开度调整至所述目标开度时，执行：

若所述板卡温度采集单元采集的温度数据表示出至少一个板卡的温度不在其正常工作温度范围之内，则将所述电磁阀的开度调整至最大。

第二方面，本申请提供一种VPX设备，其特征在于，所述设备包括：

板卡，以及第一方面中任一项所述的应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统；其中，

所述板卡包括：计算板、交换板、电源板、以及存储板；

所述系统用于对所述VPX设备的温度进行调节。

在本申请一个可选的实施例中，所述板卡的数量的取值范围是10~50。

本申请具有以下优点：

通过系统的管路内流动的冷却工质对VPX设备的温度进行调节，具备针对VPX设备全机柜温度采集能力，温度数据全面且强实时性；具备根据机柜内发热板卡的工作温度智能调节冷却工质流速的功能，改良了机柜内发热板卡的局部温度环境；包含冷却泵、电磁阀等部件在内的流速反馈电路，实现了对冷却工质流速的精确控制；主控制板内置温度分析及流速调节算法，具备根据不同液冷机柜的实际构造进行算法二次调整的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例中一种VPX设备的至少部分结构示意图；

图2为本申请实施例中的应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统中的温度采集电路示意图；

图3为本申请实施例中的应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统中的流速调节电路示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其它元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

VPX是VITA(VME International Trade Association, VME国际贸易协会)组织于2007年在其VME总线基础上提出的新一代高速串行总线标准。VPX总线的基本规范、机械结构和总线信号等具体内容均在ANSI/VITA46系列技术规范中定义。VPX就是基于高速串行总线的新一代总线标准，该标准制定的最初目的为了保护VME总线的应用者，继承和延续VME总线。VPX总线标准是一种高可靠性、高速串行交换总线，各插卡有单独高速总线带宽，单各产家产品一致性好，具有详细的规范指导，互通性强。可以满足对背板总线带宽及可靠性要求高的工业及车载、机载、舰载等军事设备应用需求，具有良好的发展前景。

本申请中的VPX设备是基于VPX架构的设备。本申请中的VPX设备包括板卡和下文中将提及的应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统。其中，板卡包括：计算板、交换板、电源板、以及存储板。前述板卡中的至少一种可以为一个或一个以上。

在本申请中，计算板用于对目标数据进行处理，例如通信模组接收的数据等，不同的计算板的功能可以不同。交换板用于实现VPX设备的数据交换。电源板用于对VPX设备进行供电。存储板用于对VPX设备处理的至少部分数据进行存储。在本申请一个可选的实施例中，VPX设备还包括背板，背板上设置有IPMB总线，交换板和电源板分别通过IPMB总线与计算板和存储板连接，示例性地，VPX设备的至少部分结构如图1中的虚线框的内容所示。

下面结合附图，详细说明本申请的各种非限制性实施方式。本申请中的一种应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统。

示例性地，如图2所示，本申请中的系统主要由两部分构成：温度采集电路、流速调节电路、以及主控制板。温度采集电路和流速调节电路均与主控制板连接，以在主控制板的控制下工作。

其中，温度采集电路包括板卡温度采集单元，被配置为：采集所述VPX设备的各板卡的温度；所述板卡温度采集单元包括：计算板温度采集单元（用于采集计算板的温度，可选地，与计算板一一对应地设置）、交换板温度采集单元（用于采集交换板的温度）、电源板温度采集单元（用于采集电源板的温度）、以及存储板温度采集单元（用于采集存储板的温度）。在本申请一个可选的实施例中，板卡温度采集单元包含温度传感器，以基于板卡的温度生成温度数据。可见，本申请中的温度数据至少用于表征板卡的温度。可选地，VPX设备的各板卡的工作温度数据通过IPMB总线统一上报给液冷机柜交换板上的ChMC控制器，主控制板基于GD32系列国产ARM微处理器实现，主控制连接至ChMC控制器，通过IPMB总线直接获取全机柜所有板卡的温度数据。

如图3所示，流速调节电路包括：管路，被配置为：为冷却工质提供流动通道；冷却泵（可选地，为微型冷却泵），被配置为：对所述冷却工质进行降温；电磁阀（可选地，为可变电磁阀），被配置为：调节所述冷却工质在所述管路中的流速；流速传感器，被配置为：检测所述管路中的冷却工质的流速，得到流速数据。可选地，流速调节电路设计为一个负反馈电路。首先在冷却泵出液口串接可变电磁阀，主控制板依据内置温度分析及流速调节算法，采用PWM方式（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）对可变电磁阀开启角度进行控制，从而改变出液口冷却工质流速。

示例性地，如图2可知，本申请中的管路的两端分别通过回液口和出液口与冷却泵连接，则冷却工质可以从出液口流出，沿管路流动，然后从回液口流至冷却泵。可选地，冷却泵除了为冷却工质降温之外，还能够为冷却工质的流动提供动力。

本申请中的主控制板，被配置为：接收所述板卡温度采集单元采集的温度数据；判断所述温度数据表示出的所述VPX设备的各板卡的温度是否均在其各自的正常工作温度范围之内；若所述判断的结果为是，则根据所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度；将所述电磁阀的开度调整至所述目标开度。

本申请提供的应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统，通过系统的管路内流动的冷却工质对VPX设备的温度进行调节。本申请中的系统根据VPX设备各板卡的温度（由温度数据进行表征）对电磁阀的开度进行控制，进而实现对冷却工质在管路中的流速进行控制，从而调整对VPX设备的温控效率，使得VPX设备的各板卡能够在某一较为合理的温度范围内工作；并且，在调整电磁阀的开度时，在各板卡均在正常工作温度范围的情况，在出现板卡的实际温度超出正常工作温度范围之前，基于各板卡的温度波动对电磁阀进行控制，较为机敏的识别出板卡可能出现的温度异常的风险，使得对电磁阀的开度进行的调整能够起到预防温度异常的作用。

进一步地，本申请中的主控制板分别与所述板卡温度采集单元、电磁阀电连接；所述流速传感器设置在所述管路临近于所述冷却泵的回液口的位置上。本申请中的流量传感器设置的临近于冷却泵的回液口的位置上，能够避免冷却工质在管路中出现的湍流等现象对流量监测精度造成的误差。

可选地，主控制板通过I²C总线与流速传感器、电磁阀中的至少一个电连接，如图2所示。

本申请对管路在VPX设备上的设置位置不做具体限制。可选地，管路的至少部分设置的VPX设备的机箱内部。

为提高板卡温度采集单元采集的温度数据在主控制板进行决策时提供有效的数据精度，在本申请一个可选的实施例中，对板卡温度采集单元在板卡上的设置位置进行了设计，具体地：

针对计算板，计算板温度采集单元用于采集其对应的计算板的CPU（中央处理器，central processing unit）的温度。可选地，计算板温度采集单元的温度传感器设置于计算板上临近于计算板的CPU的位置。

针对交换板，交换板温度采集单元用于采集其对应的交换板的交换芯片的温度。可选地，交换板温度采集单元的温度传感器设置于交换板上临近于交换板的交换芯片的位置。

针对电源板，电源板温度采集单元用于采集其对应的电源板的PCB（印制电路板，Printed Circuit Board）的温度。可选地，电源板温度采集单元的温度传感器设置于电源板上临近于电源板的交换芯片的位置。

针对存储板，存储板温度采集单元用于采集其对应的存储板的存储颗粒的温度。可选地，存储板温度采集单元的温度传感器设置于存储板上临近于存储板的存储颗粒的位置。

在本申请进一步可选的实施例中，为配合主控制板对VPX设备的温度控制决策，除了前述的针对板卡温度采集单元的设置位置的设计之外，本申请还对VPX设备的板卡数量进行设计，可选地，VPX设备的板卡不超过50个、不少于10个。

基于前述的至少一个实施例介绍的系统构成，主控制板在确定目标开度时，首先判断是否每一个板卡温度是否均在其正常工作温度范围之内，若是，则基于所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度。若否，表明至少一个板卡出现了温度过高的现象，应尽快降低该温度过高的板卡的温度，则将所述电磁阀的开度调整至最大，以实现快速降温。可选地，在主控制板基于流速数据和温度数据确定目标开度时，主控制板首先确定VPX设备的哪些板卡的温度波动（温度波动可以从历史上采集到的温度数据计算得到。可选地，以当前时刻为起点的历史10秒内采集的温度数据的平均值与当前时刻采集的温度数据之间的差值，作为温度波动）大于相应的波动阈值。

若没有板卡的温度波动大于相应的波动阈值，则将电磁阀的开度调整至基准开度（可选地，基准开度是预设值。基准开度不超过电磁阀最大开度的70%，并且，基准开度与VPX设备中处于工作状态的板卡数量正相关）；若两个或两个以上的板卡的温度波动大于相应的波动阈值，则基于各板卡分别确定出的目标开度中取值最大的，作为调整所述电磁阀时采用的目标开度。若仅有一个板卡的温度波动大于相应的波动阈值，则将该板卡确定为目标板卡，然后基于该目标板卡的类别确定目标开度。

可选地，在基于目标板卡的类别确定目标开度的过程中（示例性地，主控制板卡执行控制时与至少部件的连接关系如图3所示），主控制板执行：

若目标板卡是计算板，计算板的温度波动大于预设的第一波动阈值（第一波动阈值即为计算板相应的波动阈值）的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高30%，得到目标开度；

若目标板卡是交换板，交换板的温度波动大于预设的第二波动阈值（第二波动阈值即为交换板相应的波动阈值）的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高20%，得到目标开度；

若目标板卡是电源板，电源板的温度波动大于预设的第三波动阈值（第三波动阈值即为电源板相应的波动阈值）的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高15%，得到目标开度；

若目标板卡是存储板，存储板的温度波动大于预设的第四波动阈值（第四波动阈值即为存储板相应的波动阈值）的情况下，则在所述电磁阀的基准开度的基础上提高10%，得到目标开度。

可见，该实施例能够实现针对不同的板卡有针对性的基于温度波动对VPX设备的温度进行控制，提高温度异常的“预防”机敏性。

可选地，波动阈值与所述流速数据正相关。则主控制板可以首先获取到流速数据，然后，在流速-阈值对应关系表中查找到各板卡各自相应的波动阈值。然后，基于温度数据和波动阈值进行针对目标开度的决策。

在本申请一个可选的实施例中，如图2所示，系统还包括机架管理控制器(ChassisManagementController，ChMC)；所述机架管理控制器，被配置为：将从所述板卡温度采集单元接收到的温度数据，发送至所述主控制板。其中，所述机架管理控制器设置在所述VPX设备的交换板上，所述机架管理控制器通过所述VPX设备的IPMB总线（可选地，IPMB总线的至少部分设置于VPX设备的背板上），与所述主控制板电连接、所述板卡温度采集单元分别地电连接。可见，本申请中的系统能够充分利用VPX设备固有的资源实现其自身的功能，提高VPX设备的资源利用率，避免由系统引起的VPX设备结构复杂程度的提高。

在本申请进一步可选地的实施例中，流速传感器将对所述管路中的冷却工质的流速进行检测得到的数据，作为原始数据；对所述原始数据进行A/D变换，得到流速数据。

一方面，本申请中的系统根据VPX设备各板卡的温度（由温度数据进行表征）对电磁阀的开度进行控制，进而实现对冷却工质在管路中的流速进行控制，从而调整对VPX设备的温控效率，使得VPX设备的各板卡能够在某一较为合理的温度范围内工作；并且，在调整电磁阀的开度时，在各板卡均在正常工作温度范围的情况，在出现板卡的实际温度超出正常工作温度范围之前，基于各板卡的温度波动对电磁阀进行控制，较为机敏的识别出板卡可能出现的温度异常的风险，使得对电磁阀的开度进行的调整能够起到预防温度异常的作用。另一方面，本申请中的流量传感器设置的临近于冷却泵的回液口的位置上，能够避免冷却工质在管路中出现的湍流等现象对流量监测精度造成的误差。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统，其特征在于，所述系统应用于VPX设备，用于对所述VPX设备的温度进行调节；所述系统包括：

板卡温度采集单元，配置为：采集所述VPX设备的各板卡的温度；所述板卡温度采集单元包括：计算板温度采集单元、交换板温度采集单元、电源板温度采集单元、以及存储板温度采集单元；

管路，配置为：为冷却工质提供流动通道；

冷却泵，配置为：对所述冷却工质进行降温；

电磁阀，配置为：调节所述冷却工质在所述管路中的流速；

流速传感器，配置为：检测所述管路中的冷却工质的流速，得到流速数据；

主控制板，配置为：接收所述板卡温度采集单元采集的温度数据；判断所述温度数据表示出的所述VPX设备的各板卡的温度是否均在其各自的正常工作温度范围之内；若所述判断的结果为是，则根据所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度；将所述电磁阀的开度调整至所述目标开度；

其中，所述主控制板分别与所述板卡温度采集单元、电磁阀电连接；所述流速传感器设置在所述管路临近于所述冷却泵的回液口的位置上；

此外，所述主控制板在根据所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度时，执行以下至少一项：

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述主控制板在根据所述流速数据、以及所述温度数据表示出的所述各板卡的温度波动，确定目标开度时，还执行：在温度波动大于相应的波动阈值的板卡不唯一的情况下，则将基于各板卡分别确定出的目标开度中取值最大的，作为调整所述电磁阀时采用的目标开度；和/或，

所述波动阈值与所述流速数据正相关。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述板卡温度采集单元，配置为以下至少一项：

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括机架管理控制器；所述机架管理控制器，配置为：

其中，所述机架管理控制器设置在所述VPX设备的交换板上，所述机架管理控制器通过所述VPX设备的IPMB总线，与所述主控制板和所述板卡温度采集单元分别地电连接。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流速传感器在得到流速数据时，执行：

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控制板还配置为：

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控制板在将所述电磁阀的开度调整至所述目标开度时，执行：

8.一种VPX设备，其特征在于，所述设备包括：

板卡，以及权利要求1~7任一项所述的应用于VPX设备的冷却工质流速调节系统；其中，

所述板卡包括：计算板、交换板、电源板、以及存储板；

所述系统用于对所述VPX设备的温度进行调节。

9.如权利要求8所述的VPX设备，其特征在于，所述板卡的数量的取值范围是10~50。