CN115562394A - 一种新型数据中心液冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型数据中心液冷系统，属于数据中心散热技术领域。所述系统包括一次侧室外循环系统、板式换热器及二次侧室内循环系统；所述一次侧室外循环系统通过所述板式换热器与二次侧室内循环系统连接；所述一次侧室外循环系统包括混合通风冷却塔；所述二次侧室内循环系统包括若干相变储能冷板，所述相变储能冷板用于对数据中心中的发热元件进行冷却。本发明通过设置相变储能冷板对数据中心的主要发热元件进行散热，提高了数据中心散热能力，降低了液冷系统的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及数据中心散热技术领域，更具体的说是涉及一种新型数据中心液冷系统。
背景技术
随着现在人工智能、云计算、大数据技术的高速发展，数据中心、5G基站成为支撑未来经济社会发展的战略资源和公共基础设施，也是关系新型基础设施节能降耗的最关键环节，高能耗已成为制约数据中心发展的重大瓶颈，不仅会带来高昂的经济支出，也会造成极大的社会资源浪费。尤其我国将信息化建设向绿色化创新发展推进的新时期，需要对这类高能耗问题引起高度重视。
面对迫切的节能降耗需求，传统的冷却技术已不能满足目前的PUE(电能利用效率Power Usage Effectiveness)标准，因此对数据中心液冷系统设计的研究是降低能源消耗的必要手段。液冷技术主要分为冷板式、浸没式和喷淋式三种。
目前数据中心的液冷系统主要采用冷板式和浸没式，由于浸没式液冷技术对服务器的密封性要求较高，对现有的数据中心改造成本高，大型数据中心和5G基站的基础设施建设，提出了平均电能利用效率的要求，即PUE值必须控制在1.3以下。而传统的冷板式液冷系统PUE低于浸没式。
因此，在满足系统散热性能要求的前提下，如何提高冷板式液冷系统整体可靠性，进一步并降低数据中心PUE是本领域技术人员亟需解决的问题
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种新型数据中心液冷系统，用以解决背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种新型数据中心液冷系统，包括：
一次侧室外循环系统、板式换热器及二次侧室内循环系统；
所述一次侧室外循环系统通过所述板式换热器与二次侧室内循环系统连接；
所述一次侧室外循环系统包括混合通风冷却塔；
所述二次侧室内循环系统包括若干相变储能冷板，所述相变储能冷板用于对数据中心中的发热元件进行冷却。
优选的，所述相变储能冷板的一面覆盖有相变材料，所述相变材料以微胶囊的形式封装固定在相变储能冷板的一面。
优选的，所述相变储能冷板内部的流体管道设置有多组特斯拉阀。
优选的，所述二次侧室内循环系统还设置有自动补液装置。
优选的，所述自动补液装置包括压力传感器、补液控制器、储液罐、以及与所述储液罐依次连接的循环水泵、连接软管、止回阀和颗粒过滤器，所述压力传感器用于检测二次侧室内循环系统中的管道液压大小，所述补液控制器分别与所述压力传感器和所述循环水泵连接。
优选的，所述系统还包括温度控制模块，所述温度控制模块包括一次侧室外循环系统控制单元、板式换热器控制单元及二次侧室内循环系统控制单元；
所述一次侧室外循环系统控制单元用于根据外部环境的温度高低实现对混合通风冷却塔的机械制冷控制；
所述板式换热器控制单元用于根据板式换热器进出流体温度的高低实现对板式换热器中冷热流体流量的控制；
所述二次侧室内循环系统控制单元用于根据相变储能冷板出口流体温度的高低、以及数据中心发热元件温度的高低，实现对相变储能冷板进出口流体流量的控制。
优选的，所述温度控制模块采用基于递推最小二乘法在线辨识算法的PID控制方法分别实现对混合通风冷却塔的机械制冷控制、板式换热器中冷热流体流量的控制及相变储能冷板进出口流体流量的控制。
优选的，采用基于递推最小二乘算法在线辨识的PID控制方法分别实现对混合通风冷却塔的机械制冷控制、板式换热器中冷热流体流量的控制及相变储能冷板进出口流体流量的控制具体包括以下步骤：
S1、确定基于递推最小二乘PID控制的输入输出方程及最小二乘初始调参系数；
所述输入输出方程的过程输入量包括一次侧室外循环系统控制单元对应的室外环境温度值，板式换热器控制单元控制单元对应的板式换热器输出管道的流体温度值，以及二次侧室内循环系统控制单元对应的相变储能冷板出口管道的流体温度值和数据中心发热元件的初始温度值；
所述输入输出方程的输出量包括混合通风冷却塔的机械制冷温度值，板式换热器输出管道的流体流量值，以及相变储能冷板出口管道的流体流量值；
S2、测量并计算随机噪声对温度的干扰值，所述随机噪声包括电流干扰量及流体流量干扰量；
S3、根据干扰值对输入输出关系方程进行修正，获取修正后的输入输出关系方程；
S4、根据修正后的输入输出关系方程，建立最小二乘调参系数估计方程；
S5、根据最小二乘调参系数估计方程获取最小二乘调参系数矩阵；
S6、根据最小二乘调参系数矩阵，求解下一时刻的最小二乘调参系数，并计算最小二乘调参系数的修正值；
S7、根据最小二乘调参系数的修正值对最小二乘调参系数θk进行修正，并将修正后的最小二乘调参系数带入修正后的输入输出关系方程，获取实际过程输出量。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种新型数据中心液冷系统，具有以下有益效果：
1.与传统的液冷系统相比，本发明通过设置相变储能冷板对数据中心的主要发热元件进行散热，提高了数据中心散热能力，进一步降低数据中心PUE；
2.与传统的冷板结构相比，本发明通过改进冷板结构，在相变储能冷板的进口管道和出口管道均设置多组特斯拉阀，减少了由于相变储能冷板流速过低导致的回流现象，从一定程度上提高了冷板的散热效率；
3.与传统的液冷系统设计相比，本发明液冷系统的设计中考虑了由于过程消耗而减少的冷却介质，在二次侧室内循环系统中设置了自动补液装置，能够及时补充循环管路中的液体质量；
4.高效的可替代性液冷系统设计，与浸没式液冷技术相比，本发明二次侧室内循环系统采用基于冷板式液冷的相变储能冷板对数据中心的发热元件进行散热成本更低，替换效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的数据中心液冷系统控制结构整体示意图；
图2为本发明实施例提供的相变储能冷板流道结构示意图；
图3为发明实施例提供的相变储能冷板截面示意图；
图4为发明实施例提供的控制结构总体原理图；
图5为发明实施例提供的PID总体控制策略示意图；
图6为发明实施例提供的基于递推最小二乘法PID控制策略示意图；
图中：101混合通风冷却塔；102第一电磁流量阀；103颗粒过滤器；104第二电磁流量阀；105第一循环水泵；106板式换热器；107颗粒过滤器；108第一连接软管；109第三电磁流量阀；110第二循环水泵；111旁路化学过滤器；112止回阀；113连接软管；114循环水泵；115储液罐；116第一分液歧管；117数据中心机柜；118第二分液歧管；119相变储能冷板；120膨胀罐；121排气阀；201第一组特斯拉阀；202第二组特斯拉阀；203第三组特斯拉阀；301相变材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种新型数据中心液冷系统，包括：
一次侧室外循环系统、板式换热器106及二次侧室内循环系统；
一次侧室外循环系统通过板式换热器106与二次侧室内循环系统连接；
一次侧室外循环系统包括混合通风冷却塔101；
二次侧室内循环系统包括若干相变储能冷板119，相变储能冷板119用于对数据中心中的发热元件进行冷却。为了图示清晰，图1中仅显示了一块相变储能冷板的连接。
本发明通过设置相变储能冷板对数据中心的主要发热元件进行散热，提高了数据中心散热能力，进一步降低了数据中心PUE。
在本发明中数据中心的发热元件是指数据中心服务器内部的CPU，CPU(CentralProcessing Unit)是一块超大规模的集成电流，是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心(ControlUnit)，它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等，其发热量占整个数据中心服务器的60％。
作为一个完整的液冷系统，一次侧室外循环系统还包括第一电磁流量阀102、颗粒过滤器103、第二电磁流量阀104、第一循环水泵105，如图1所示，第一电磁流量阀102、颗粒过滤器103、第二电磁流量阀104、第一循环水泵105和混合通风冷却塔101形成完整的一次侧室外循环系统回路。
二次侧室内循环系统还包括了颗粒过滤器107、第一连接软管108、第三电磁流量阀109、第二循环水泵110、旁路化学过滤器111、膨胀罐120、排气阀121，二次侧室内循环系统这些元件与相变储能冷板119共同构成了完整的二次侧室内循环系统回路。在二次侧室内循环系统中相变储能冷板119通过第一分液歧管116和第二分液歧管118接入二次侧室内循环系统回路。
一次侧室外循环系统与二次侧室内循环系统通过板式换热器106进行连接。
为了优化上述方案，在二次侧室内循环系统中还设置有自动补液装置，具体的自动补液装置包括压力传感器、补液控制器、储液罐115、以及与储液罐115依次连接的循环水泵114、连接软管113、止回阀112，并通过颗粒过滤器107接入二次侧室内循环系统，压力传感器用于检测二次侧室内循环系统中的管道液压大小，补液控制器分别与压力传感器和循环水泵114连接。
自动补液装置通过检测二次侧室内循环系统管路中的流体的压力变化，在补液回路中设置单向止回阀112，并通过循环水泵114，及时将储液罐115中的冷却介质输送到循环回路中，在动力元件循环水泵114与单向止回阀112的中间通过连接软管113，能够保证液体流动的稳定性，同时起到减震降噪的效果。
为了优化上述方案，相变储能冷板119的进口管道和出口管道均设置有多组特斯拉阀，如图2所示相变储能冷板119内部的流体管道204设置有3组特斯拉阀，第一组特斯拉阀201、第二组特斯拉阀202及第三组特斯拉阀203。在相变储能冷板119内部流体管道的中间位置，增加3组特斯拉阀的结构设计，能够减少由于流速过低导致的回流现象。
如图3所示，本发明实施例中，相变储能冷板119的一面覆盖有相变材料301，相变材料301以微胶囊的形式封装固定在相变储能冷板的一面，具体的可采用硫化工艺将相变材料以微胶囊的形式封装，并采用导热硅凝胶将其覆盖在冷板上方，生成相变储能冷板。
本发明实施例中所述的相变材料，其物理特性满足，相变温度点在40-60℃，相变焓最大为160J/g，降温15℃，相变材料具体可采用石蜡等材质，在密闭体系中制备以交联聚合物为壳材的相变材料微胶囊。
如图4所示，本发明实施例中新型数据中心液冷还包括温度控制模块，所述温度控制模块包括一次侧室外循环系统控制单元(控制模块一)、板式换热器控制单元(控制模块二)及二次侧室内循环系统控制单元(控制模块三)；
所述一次侧室外循环系统控制单元用于根据外部环境的温度高低实现对混合通风冷却塔的机械制冷控制；
所述板式换热器控制单元用于根据板式换热器进出流体温度的高低实现对板式换热器中冷热流体流量的控制；
所述二次侧室内循环系统控制单元用于根据相变储能冷板出口流体温度的高低、以及数据中心发热元件温度的高低，实现对相变储能冷板进出口流体流量的控制。
下面分别对一次侧室外循环系统控制单元(控制模块一)、板式换热器控制单元(控制模块二)及二次侧室内循环系统控制单元(控制模块三)的控制原理进行说明。
控制模块一：混合通风冷却塔运作工况控制
本发明中混合通风冷却塔101是结合自然冷却和机械冷却两种形式的冷却塔设备，通过环境温度传感器，检测外部环境的温度高低，并利用PID控制冷却塔的是否启用机械制冷，并控制动力元件的运行速度，实现智能温控，并进一步降低液冷系统的能耗。
控制模块二：板式换热器流量控制
本发明中板式换热器106的热交换是通过冷热流体在不同通路中流动，通过间接热交换的方式，将热流体的部分热量传递给冷流体，实现冷却的一种设备。强化传热的方式主要有三种：提高传热系数，增大换热面积，加大对数平均温差。在换热面积和评价温差一定的情况下，通过PID控制策略，控制换热器的冷热流体进出口的流量，实现二次侧回路冷流体的智能温控。
控制模块三：相变储能冷板流量控制
1.相变储能冷板的一侧与控制中心发热元件的CPU紧密贴合，通过检测冷板出口液体的温度，调整冷板进口的阀口开度，提高进口流量，从而提高冷板散热效率。
2.阀口开度有一定的范围，若出现CPU瞬时极限高温或偶发性环境高温现象，PID控制策略通过控制循环水泵的流量大小，从而解决CPU极限高温的偶发性事件，从而保证服务器正常运行，避免出现故障，提高系统整体的可靠性。
如图5、图6所示温度控制模块采用基于最小二乘法算法的PID控制方法分别实现对一次侧室外循环系统控制单元、板式换热器控制单元及二次侧室内循环系统控制单元的温度控制。
控制模块以温度为设定值，采用基于递推最小二乘发的PID自整定控制策略，分别对冷板进出口流量、板式换热器冷热流体进口流量、混合通风冷却塔的运作工况三大控制单元进行反馈控制。
本发明中液冷系统PID控制策略，能够在被控对象参数未知或受外界干扰使得系统的参数发生波动时，通过递推最小二乘法进行在线识别，从而得到系统的PID参数，实现PID控制的自适应控制。
系统总体工作原理：二次侧回路中采用常用的冷却介质，通过循环水泵，将冷却介质传送到液冷板，液冷板覆盖在CPU上方，液冷板中设有流道，冷却介质通过冷板，与CPU进行间接热交换，带走CPU的热量，若在CPU出现尖峰温度，则可通过液冷板上的相变材料进行相变吸热，可迅速对CPU进行降温；冷却介质冷板带走的热量，通过板式热交换器与一次侧流体进行热交换，将热量传递到一次侧循环，在一次侧循环中，吸收了二次侧热量的流体通过冷却塔，与外部环境进行热交换，进一步将热量传导到大气环境中；通过一次侧和二次侧热量交换，实现了CPU的散热，同时由于在不断的冷却介质循环换热过程中，难免会出现一定的损耗，系统设计了自动补液装置，通过检测管路中的压力变化，在补液回路中设置单向阀门，并通过循环水泵，及时将储液罐中的冷却介质输送到循环回路中；系统中还设计了三大智能温控模块，分别在对冷板、换热器及一次侧冷却塔通过调节流量及运作工况，实现温度的精确控制。其实现过程首先通过在线辨识系统参数，得出控制系统参数，接着通过PID控制器自整定参数，获得最优PID控制参数，最终实现输入给定值r与输出值y的精准控制，见附图5，附图6。
系统控制原理：系统中的三大控制模块，通过改进的基于递推最小二乘法PID控制策略(考虑控制过程中随机噪声对输出结果的影响)，实现系统过程中的精准温控，具体实现过程如下：
S1、确定基于递推最小二乘PID控制的输入输出方程及最小二乘初始调参系数；
输入输出方程可用以下公式表示：Y(k)＝x(k)θk其中Y(k)为输入输出方程的过程输出量，本发明中过程输出量包括混合通风冷却塔的机械制冷温度值，板式换热器输出管道的流体流量值，以及相变储能冷板出口管道的流体流量值；x(k)为输入输出方程的输入量，即系统控制对象的温度值，本发明中所述输入输出方程的输出量包括混合通风冷却塔的机械制冷温度值，板式换热器输出管道的流体流量值，以及相变储能冷板出口管道的流体流量值；公式中k表示控制系统的时刻值，k＝0,1,2…,θk为过程控制的最小二乘调参系数，其中k＝0为最小二乘初始调参系数；
初始时刻，各控制模块的初始温度值可以通过温度传感器检测得出，所述初始温度值包括一次侧室外循环系统控制单元对应的初始室外环境温度值，板式换热器控制单元控制单元对应的板式换热器输出管道的初始流体温度值，以及二次侧室内循环系统控制单元对应的相变储能冷板出口管道的初始流体温度值和数据中心发热元件的初始温度值；
S2、测量并计算随机噪声对温度的干扰值，所述随机噪声包括电流干扰量及流体流量干扰量；
S3、根据干扰值对输入输出关系方程进行修正，获取修正后的输入输出关系方程；
修正后的输入输出关系方程可表示为Y(k)＝x(k)θk+u(k)，u(k)表示随机噪声具体包括电流干扰量及流体流量干扰量；
S4、根据修正后的输入输出关系方程，建立最小二乘调参系数估计方程；
最小二乘调参系数的估计计算方程可表示为：
S5、根据最小二乘调参系数估计方程获取最小二乘调参系数矩阵；
S6、根据最小二乘调参系数矩阵，求解下一时刻的最小二乘调参系数，并计算最小二乘调参系数的修正值c；
c＝θk+1-θk
S7、根据最小二乘调参系数的修正值c对最小二乘调参系数θk进行修正，并将修正后的最小二乘调参系数带入修正后的输入输出关系方程，获取实际过程输出量。
本发明专利，通过对传统的液冷系统进行优化设计、并改进冷板结构，利用相变材料储热，解决了现有数据中心能耗过高的问题，并提高了液冷系统的可靠性。主要有以下三点：
通过采用混合通风冷却塔，实现在不同环境温度下高效节能的液冷系统控制；通过采用相变材料，解决了CPU在尖峰高温工况下的散热问题；通过PID智能温控策略，可根据不同工况进行匹配控制，保障液冷系统运行的可靠性，也进一步降低了数据中心能耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种新型数据中心液冷系统，其特征在于，所述系统包括：
一次侧室外循环系统、板式换热器及二次侧室内循环系统；
所述一次侧室外循环系统通过所述板式换热器与二次侧室内循环系统连接；
所述一次侧室外循环系统包括混合通风冷却塔；
所述二次侧室内循环系统包括若干相变储能冷板，所述相变储能冷板用于对数据中心中的发热元件进行冷却。
2.根据权利要求1所述的新型数据中心液冷系统，其特征在于，所述相变储能冷板的一面覆盖有相变材料，所述相变材料以微胶囊的形式封装固定在相变储能冷板的一面。
3.根据权利要求1所述的新型数据中心液冷系统，其特征在于，所述相变储能冷板内部的流体管道设置有多组特斯拉阀。
4.根据权利要求1所述的新型数据中心液冷系统，其特征在于，所述二次侧室内循环系统还设置有自动补液装置。
5.根据权利要求4所述的新型数据中心液冷系统，其特征在于，所述自动补液装置包括压力传感器、补液控制器、储液罐、以及与所述储液罐依次连接的循环水泵、连接软管、止回阀和颗粒过滤器，所述压力传感器用于检测二次侧室内循环系统中的管道液压大小，所述补液控制器分别与所述压力传感器和所述循环水泵连接。
6.根据权利要求1所述的新型数据中心液冷系统，其特征在于，其特征在于，所述系统还包括温度控制模块，所述温度控制模块包括一次侧室外循环系统控制单元、板式换热器控制单元及二次侧室内循环系统控制单元；
所述一次侧室外循环系统控制单元用于根据外部环境的温度高低实现对混合通风冷却塔的机械制冷控制；
所述板式换热器控制单元用于根据板式换热器进出流体温度的高低实现对板式换热器中冷热流体流量的控制；
所述二次侧室内循环系统控制单元用于根据相变储能冷板出口流体温度的高低、以及数据中心发热元件温度的高低，实现对相变储能冷板进出口流体流量的控制。
7.根据权利要求6所述的新型数据中心液冷系统，其特征在于，所述温度控制模块采用基于递推最小二乘算法在线辨识的PID控制方法分别实现对混合通风冷却塔的机械制冷控制、板式换热器中冷热流体流量的控制及相变储能冷板进出口流体流量的控制。
8.根据权利要求7所述的新型数据中心液冷系统，其特征在于，采用基于递推最小二乘算法在线辨识的PID控制方法分别实现对混合通风冷却塔的机械制冷控制、板式换热器中冷热流体流量的控制及相变储能冷板进出口流体流量的控制具体包括以下步骤：
S1、确定基于递推最小二乘PID控制的输入输出方程及最小二乘初始调参系数；
所述输入输出方程的过程输入量包括一次侧室外循环系统控制单元对应的室外环境温度值，板式换热器控制单元控制单元对应的板式换热器输出管道的流体温度值，以及二次侧室内循环系统控制单元对应的相变储能冷板出口管道的流体温度值和数据中心发热元件的初始温度值；
所述输入输出方程的输出量包括混合通风冷却塔的机械制冷温度值，板式换热器输出管道的流体流量值，以及相变储能冷板出口管道的流体流量值；
S2、测量并计算随机噪声对温度的干扰值，所述随机噪声包括电流干扰量及流体流量干扰量；
S3、根据干扰值对输入输出关系方程进行修正，获取修正后的输入输出关系方程；
S4、根据修正后的输入输出关系方程，建立最小二乘调参系数估计方程；
S5、根据最小二乘调参系数估计方程获取最小二乘调参系数矩阵；
S6、根据最小二乘调参系数矩阵，求解下一时刻的最小二乘调参系数，并计算最小二乘调参系数的修正值；
S7、根据最小二乘调参系数的修正值对最小二乘调参系数θk进行修正，并将修正后的最小二乘调参系数带入修正后的输入输出关系方程，获取实际过程输出量。
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| CN202211262250.3A CN115562394A (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 一种新型数据中心液冷系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116302846A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-06-23 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 服务器内部温度控制方法、系统、设备、介质及服务器 |
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2022
- 2022-10-14 CN CN202211262250.3A patent/CN115562394A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116302846A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-06-23 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 服务器内部温度控制方法、系统、设备、介质及服务器 |
| CN116302846B (zh) * | 2023-05-18 | 2023-08-18 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 服务器内部温度控制方法、系统、设备、介质及服务器 |
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