CN115604979A - 具有相变流量控制单元的完全冗余冷却单元 - Google Patents

具有相变流量控制单元的完全冗余冷却单元 Download PDF

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Abstract

在一个实施方式中，液体冷却装置包括向热负荷提供冷却液体的第一冷却回路以及向热负荷提供冷却液体的第二冷却回路，其中，第一冷却回路包括第一冷凝器单元、第一液体供应管线和第一蒸气返回管线，其中，第二冷却回路包括第二冷凝器单元、第二液体供应管线和第二蒸气返回管线，其中，第一蒸气返回管线和第二蒸气返回管线通过互连回路联接。液体冷却装置还包括联接到第一蒸气返回管线的第一压力传感器、联接到第二蒸气返回管线的第二压力传感器、以及基于第一压力传感器和第二压力传感器进行控制的至少一个主冷却源。

Description

具有相变流量控制单元的完全冗余冷却单元
技术领域
本发明的实施方式总体涉及数据中心。更具体地，本发明的实施方式涉及具有流量控制单元的完全冗余相变冷却单元。
背景技术
包括数个有源电子机架的数据中心的热管理对于确保在机架中运行的服务器和其它IT设备的适当性能是至关重要的。在没有适当的热管理的情况下，机架内的热环境可能超过操作阈值，从而导致操作结果(例如，服务器故障等)。管理热环境的一种方法是使用冷却空气来冷却IT设备。大多数现有的数据中心都是空气冷却的。近来，数据中心已经部署了更高功率密度的电子机架，其中，更高密度的芯片被更紧密地封装在一起以提供更大的处理能力。通过保持适当的热环境来冷却这些高密度机架可能是对现有冷却系统的一种挑战，特别是在机架的功率密度不断增加的情况下。
用于冷却系统的现有解决方案包括相变系统。然而，这种系统可能不包括冗余设计或者可能不提供整个冷却系统的完全冗余，这意味着包括单个故障端口。另外，现有的解决方案可能需要大量的调整和控制，甚至在已经部署了解决方案之后。
发明内容
本公开的一方面提供了一种冷却装置，该冷却装置包括：第一冷却回路，向热负荷提供冷却液体，其中，第一冷却回路包括第一冷凝器单元、第一液体供应管线和第一蒸气返回管线；第二冷却回路，向热负荷提供冷却液体，其中，第二冷却回路包括第二冷凝器单元、第二液体供应管线和第二蒸气返回管线；互连回路，联接到第一蒸气返回管线和第二蒸气返回管线；第一压力传感器，联接到第一蒸气返回管线；第二压力传感器，联接到第二蒸气返回管线；以及至少一个主冷却源，基于第一压力传感器和第二压力传感器进行控制。
本公开的另一方面提供了一种冷却系统，该冷却系统包括：第一冷却回路，向浸没槽提供冷却液体，其中，第一冷却回路包括第一冷凝器单元、第一液体供应管线和第一蒸气返回管线；第二冷却回路，向浸没槽提供冷却液体，其中，第二冷却回路包括第二冷凝器单元、第二液体供应管线和第二蒸气返回管线；互连回路，联接到第一蒸气返回管线和第二蒸气返回管线；第一压力传感器，联接到第一蒸气返回管线；第二压力传感器，联接到第二蒸气返回管线；以及至少一个主冷却源，包括基于第一压力传感器和第二压力传感器进行控制的流体控制阀。
本公开的又一方面提供了一种控制两相冷却分配单元的方法，该方法包括：从联接到第一冷却剂分配回路的第一蒸气返回管线的第一压力传感器接收压力数据；从联接到第二冷却剂分配回路的第二蒸气返回管线的第二压力传感器接收压力数据，其中，第二冷却剂分配回路与第一冷却剂分配回路并行操作；基于来自第二压力传感器的压力数据控制第一冷却剂分配回路的冷却能力；以及基于来自第一压力传感器的压力数据控制第二冷却剂分配回路的冷却能力。
附图说明
本发明的实施方式在附图的图中以示例而非限制的方式示出，在附图中相同的参考标记表示类似的元件。
图1是根据一个实施方式的两相冷却系统设计的系统图。
图2是根据一个实施方式的两相冷却系统设计的系统图。
图3是根据一个实施方式的两相冷却系统设计的系统图。
图4是根据一个实施方式的两相冷却系统设计的系统图。
图5是根据一个实施方式的操作两相冷却系统的方法的流程图。
具体实施方式
将参考下面讨论的细节描述本发明的各种实施方式和方面，并且附图将示出各种实施方式。下面的描述和附图是对本发明的说明，并不构成对本发明的限制。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，为了提供本发明的实施方式的简洁讨论，没有描述公知的或常规的细节。
在说明书中提及“一个实施方式”或“实施方式”意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施方式中。在说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”不一定都指同一实施方式。
本公开的实施方式提供了具有完全冗余的高级相变冷却系统。相变冷却系统可以包括以并联方式操作的两个冷凝器单元。冷凝器单元中的每个均可以联接到液体供应管线以向电子设备提供冷却液体，并且可以联接到蒸气返回管线以将气相蒸发的冷却剂从电子设备返回到冷凝器单元。在一些示例中，两个蒸气返回管线可以通过专用连接管线连接。因此，蒸气返回管线中的蒸气可以行进至相邻的冷凝器单元。在一个示例中，压力传感器可以在连接回路的排放侧之后(例如，在冷凝器单元和连接回路之间)联接到每个蒸气返回管线。在另一示例中，双向减压器可以包括在连接管线上，并且压力传感器可以联接到双向减压器的任一侧上的连接管线。在一些实施方式中，可以向两个冷凝器单元提供单个主冷却供应，而在其它实施方式中，可以向冷凝器单元提供双(例如，并联)源。由冷却源提供的流体可以通过单或双主冷却源上的流体泵来控制。蒸气返回管线上的压力传感器可以测量蒸气返回管线中的蒸气压力并相应地控制(例如，经由微控制器)流体泵。
因此，本公开的实施方式可以实现对数据中心和服务器的高级热管理。实施方式可以适应不同的系统级和集群级架构。本公开的附加优点包括高系统可靠性、增加的功率效率以及与不同系统和设施结构的兼容性。
根据一个实施方式，液体冷却装置包括：向热负荷提供冷却液体的第一冷却回路，其中，第一冷却回路包括第一冷凝器单元、第一液体供应管线和第一蒸气返回管线；以及向热负荷提供冷却液体的和第二冷却回路，其中，第二冷却回路包括第二冷凝器单元、第二液体供应管线和第二蒸气返回管线，其中，第一蒸气返回管线和第二蒸气返回管线通过互连回路联接。液体冷却装置还包括联接到第一蒸气返回管线的第一压力传感器、联接到第二蒸气返回管线的第二压力传感器、以及基于第一压力传感器和第二压力传感器进行控制的至少一个主冷却源。
在一个实施方式中，至少一个主冷却源包括由与第一冷凝器单元相关联的第一流体控制阀控制的第一主冷却源和由与第二冷凝器单元相关联的第二流体控制阀控制的第二主冷却源。在一个实施方式中，至少一个主冷却源包括由第一流体泵控制的第一主冷却源和由第二流体泵控制的第二主冷却源。在一个实施方式中，双向流体控制阀联接第一主冷却源和第二主冷却源。
在一个实施方式中，液体冷却装置还包括设置在互连回路上的双向流体减压器。在一个实施方式中，第一压力传感器和第二压力传感器设置在互连回路上，并且双向流体减压器在互连回路上设置在第一压力传感器和第二压力传感器之间。在一个实施方式中，热负荷包括在浸没冷却系统中的一个或多个电子器件。在一个实施方式中，热负荷包括与第一冷却回路或第二冷却回路的一个或多个冷却设备联接的电子机架的一个或多个服务器。在一个实施方式中，液体冷却装置还包括微控制器，以从第一压力传感器和第二压力传感器接收压力数据，并基于压力数据控制至少一个主冷却源。在一些实施方式中，双向减压器和第一压力传感器和第二压力传感器用于在几种情况下表征和捕获两个冷凝器单元之间的热负荷。冷凝器单元之间的热负荷可以被捕获和表征，并且然后被用来通过调节与至少一个主冷却源相关联的流体泵和/或流体阀来控制经由至少一个主冷却源向冷凝器单元输送冷却能力和向冷凝器单元分配冷却剂。
图1示出了根据一个实施方式的两相冷却系统设计100。两相冷却系统设计100可以包括两个冗余的冷却回路。两相分配单元可以包括两个回路，两个回路中的每个均包括主冷却源、冷凝器单元、相变回路和压力传感器。负荷可以是基于两相的浸没冷却系统、基于热虹吸管的冷却系统或任何其它冷却系统负荷。
压力传感器可以包括在分配单元内，并且可以用于感测蒸气返回管线中的蒸气的压力。压力传感器可以位于连接回路的排放侧以测量蒸气压力。压力传感器可以用于控制主冷却源的各个阀。在一个示例中，两相冷却系统设计100可以包括单个主冷却源和两个单独的阀，用于独立地控制冷凝器单元的能力。
在一个实施方式中，参考图1，冷却系统100包括两相分配单元102。在一个示例中，两相分配单元102包括两个冷凝器单元104A和104B，每个冷凝器单元104A和104B均联接到液体供应管线和蒸气返回回路，用于向电子设备提供液体冷却。例如，冷凝器单元104A可以联接到液体供应管线106A以向联接到热负荷(例如，浸没系统或电子机架的其它相变系统)的相变回路提供冷却液体。冷凝器单元104A还可以联接到蒸气返回管线108A，用于将蒸气(例如，蒸发的冷却液体)从相变回路返回到冷凝器单元104A。类似地，冷凝器单元104B可以联接到液体供应管线106B和蒸气返回管线108B，每个分别具有与液体供应管线106A和蒸气返回管线108A类似的功能。如图所示，冷凝器单元104A和104B可以都从主冷却源120(例如，经由主冷却回路)接收冷却液体，冷凝器单元104A和104B可以使用该冷却液体来冷却和冷凝经由蒸气返回管线108A和108B返回的蒸气。
根据一些实施方式，第一压力传感器125A可以联接到蒸气返回管线108A，并且第二压力传感器125B可以联接到蒸气返回管线108B。在一个示例中，第一压力传感器125A连续地或周期性地测量蒸气返回管线108A中的蒸气压力。类似地，第二压力传感器125B连续地或周期性地测量蒸气返回管线108B中的蒸气压力。
在一个示例中，蒸气返回管线108A和108B可以经由互连回路115连接。互连回路115允许蒸气在蒸气返回管线108A和108B之间行进。因此，如果两个冷凝器单元104A和104B同时运行，则热负荷可以几乎均匀地分布在两个冷凝器单元104A和104B之间。替代地，如果冷凝器单元104A或104B中的一个不运行(例如，已经失效)，则蒸气可以在蒸气返回管线108A和108B之间行进，使得运行的冷凝器单元104A或104B可以处理整个热负荷。另外，在这样的实施方式中，由压力传感器125A和125B测量的压力可以相同或相似，因为蒸气被允许在蒸气返回管线108A和108B之间自由地行进。在一个示例中，由压力传感器125B测量的压力可以控制流体控制阀112A，并且从而控制冷凝器单元104A的冷却能力。类似地，由压力传感器125A测量的压力可以控制流体控制阀112B，并且从而控制冷凝器单元104B的冷却能力。在一个示例中，热负荷(例如，电子设备)可以包括在相变回路118中，相变回路118可以是电子机架、浸没冷却系统或其它相变冷却回路。相变回路118可以被理解为信息技术(IT)系统内的冷却回路，因为流体在IT系统内的冷却回路内发生相变，所以可以被理解为相变管线或相变回路。
图2示出了根据一些实施方式的冷却系统设计200。互连回路可以连接并联冷却回路的蒸气返回管线。压力传感器可以设置在互连回路上。另外，在压力传感器之间的互连回路上可以包括双向流体减压器。
在一个实施方式中，参考图2，冷却系统200可以包括两相分配单元202，其可以与两相分配单元102相同或相似。两相分配单元202可以包括两个冷凝器单元204A和204B，其可以与冷凝器单元104A和104B相同或相似。类似于图1的系统100，冷却系统200包括用于每个冷凝器单元的液体供应管线206A和206B以及蒸气返回管线208A和208B，以向诸如服务器或服务器集群的热负荷提供冷却液体和从诸如服务器或服务器集群的热负荷接收蒸气。热负荷可以包括在相变回路218中，相变回路218可以是电子机架、浸没冷却系统或其它相变冷却回路。在一个示例中，互连回路215可以连接蒸气返回管线208A和208B。压力传感器225A和225B可以联接到双向减压器228的每一侧上的互连回路215。双向减压器228可以在蒸气返回管线208A和208B之间在任一方向上产生压差。因此，由压力传感器225A测量的压力可以不同于由压力传感器225B测量的压力。测得的压力差可以指示通过双向减压器的蒸气流，也可以指示两条管线之间的蒸气负荷的差。因此，所测量的蒸气压力和蒸气流可以提供可用于调节冷却主冷却源220A和220B和冷凝器单元204A和204B的冷却能力的精确热负荷条件。
与图1类似，压力传感器225A和225B可以用于经由流体控制阀、主流体泵212和备用泵214控制到冷凝器单元204A的主冷却源220A和到冷凝器单元204B的主冷却源220B。压力传感器225A和225B可以作为用于压力测量的冗余单元工作。在一个示例中，双向阀可以联接主冷却源220A和220B的输入，使得主流体泵212或备用泵214可以根据冷凝器单元204A和204B、主冷却源220A和220B等中的每个的操作状态向任一冷凝器单元204A和204B提供冷却流体。另外，压力传感器225A和225B的压力测量可以提供关于冷凝器单元204A和204B的操作状态和由每个蒸气返回管线208A和208B返回的热负荷的信息。然后，可以根据特定情况来控制双向阀和主流体泵212以及备用泵214。例如，如果主流体泵212失效，则备用泵214可以经由双向阀向冷凝器单元204A提供冷却流体。在另一示例中，如果压力传感器225A和225B指示冷凝器单元204A和204B中的任一个发生故障，则主流体泵212和备用泵214以及双向阀可以被控制以提供冷却液体，并且因此冷却能力被输送到操作冷凝器单元204A或204B。
图3示出了另一冗余的两相冷却设计，其中两相分配单元包括具有流体泵的并联主冷却源输入。冷却设计可以与浸没系统结合使用，这意味着在浸没系统或集群内产生的蒸气可以在很大程度上改变并且以不同的方式分布到两个蒸气返回管线。根据提供给冷却系统的每个冷凝器单元的热负荷，本实施方式可以提供并行冷却系统的有效管理。
在一个实施方式中，参考图3，冷却系统300可以包括两相分配单元302，其可以类似于两相分配单元102和202。与图1的系统100类似，系统300包括两个冷凝器单元304A和304B以及用于每个冷凝器单元304A和304B的液体供应管线306A和306B和蒸气返回管线308A和308B，以向浸没系统310提供冷却液体和从浸没系统310接收蒸气。浸没系统310可以是填充有冷却液体(例如，经由液体供应管线306A和306B填充)的槽，在冷却液体中浸没一个或多个服务器或其它电子设备以进行冷却。在服务器运行期间产生的热量可以通过冷却液体的蒸发来提取。蒸发的冷却液体(也称为蒸气)然后可以经由蒸气返回管线308A和308B返回到冷凝器单元304A和304B。
在一些实施方式中，系统300还包括与每个冷凝器单元304A和304B相关联的流体控制阀。系统300还可包括蒸气返回管线308A上的压力传感器325A和蒸气返回管线308B上的压力传感器325B。如图所示，压力传感器325A可以与流体控制阀连通并控制流体控制阀，而压力传感器325B可以与流体控制阀连通并控制流体控制阀。在一个示例中，蒸气返回管线308A和308B可以经由互连回路315连接。
类似于图2，压力传感器325A和325B可以用于经由流体控制阀、主流体泵314A和314B控制到冷凝器单元304A的主冷却源320A和到冷凝器单元304B的主冷却源320B。压力传感器325A和325B可以作为用于压力测量的冗余单元工作。
图4示出了另一冗余的两相冷却设计，其中两相分配单元包括具有流体泵的并联主冷却源输入。冷却设计可以与浸没系统结合使用，这意味着在浸没系统或集群内产生的蒸气可以在很大程度上改变并且以不同的方式分布到两个蒸气返回管线。根据提供给冷却系统的每个冷凝器单元的热负荷，本实施方式可以提供并行冷却系统的有效管理。
在一个实施方式中，参考图4，冷却系统400可以包括两相分配单元402，其可以类似于两相分配单元102、202和302。与图3的系统300类似，系统400包括两个冷凝器单元404A和404B、用于每个冷凝器单元404A和404B的液体供应管线406A和406B和蒸气返回管线408A和408B，以向若干服务器430A至430D的服务器机架435提供冷却液体，并从若干服务器430A至430D的服务器机架435接收蒸气，以及主冷却源420A和420B，其具有流体泵412A和412B，以向冷凝器单元404A和404B提供冷却流体。系统400还可以包括蒸气返回管线408A上的压力传感器425A和蒸气返回管线408B上的压力传感器425B。如图所示，压力传感器425A和425B可以封装在两相分配单元402内。另外，互连回路415可以联接蒸气返回管线408A和408B。双向流体阀也可以设置在主冷却源420A和420B之间，双向流体阀可以用于将冷却流体从一个主冷却源(例如，420A)引导到相对的冷凝器单元(例如，冷凝器单元404B)。
图5示出了基于蒸气返回管线压力操作并联冷却回路的方法500的流程图。在框510处，经由第一压力传感器测量第一蒸气返回管线中的蒸气压力，并且经由第二压力传感器测量第二蒸气返回管线中的蒸气压力。在框520处，基于由第一压力传感器和第二压力传感器测量的蒸气压力来确定从第一蒸气返回管线和第二蒸气返回管线提取的热负荷。在框530处，处理逻辑(例如，微控制器)基于第一蒸气返回管线的蒸气压力和热负荷来控制到第一冷凝器单元的冷却能力。在框540处，处理逻辑基于第二蒸气返回管线的蒸气压力和热负荷来控制到第二冷凝器单元的冷却能力。框540和框530可以同时和并行地执行，以基于由第一压力传感器和第二压力传感器测量的压力数据来动态控制两个冷凝器单元的冷却能力。可选地，在框540处，处理逻辑可以基于由第一压力传感器和第二压力传感器测量的蒸气压力来识别第一冷却回路或第二冷却回路的异常操作。
在前面的说明书中，已经参考本发明的特定示例性实施方式描述了本发明的实施方式。显然，可以对其进行各种修改，而不背离如所附权利要求书中所阐述的本发明的更宽泛的精神和范围。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种冷却装置，包括：
第一冷却回路，向热负荷提供冷却液体，其中，所述第一冷却回路包括第一冷凝器单元、第一液体供应管线和第一蒸气返回管线；
第二冷却回路，向所述热负荷提供冷却液体，其中，所述第二冷却回路包括第二冷凝器单元、第二液体供应管线和第二蒸气返回管线；
互连回路，联接到所述第一蒸气返回管线和所述第二蒸气返回管线；
第一压力传感器，联接到所述第一蒸气返回管线；
第二压力传感器，联接到所述第二蒸气返回管线；以及
至少一个主冷却源，基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器进行控制。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述至少一个主冷却源包括由与所述第一冷凝器单元相关联的第一流体控制阀控制的第一主冷却源和由与所述第二冷凝器单元相关联的第二流体控制阀控制的第二主冷却源。
3.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述至少一个主冷却源包括由第一流体泵控制的第一主冷却源和由第二流体泵控制的第二主冷却源。
4.如权利要求3所述的冷却装置，其中，双向流体控制阀联接所述第一主冷却源和所述第二主冷却源。
5.如权利要求1所述的冷却装置，还包括设置在所述互连回路上的双向流体减压器，所述互连回路将所述第一蒸气返回管线与所述第二蒸气返回管线联接。
6.如权利要求5所述的冷却装置，其中，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器设置在所述互连回路上，并且所述双向流体减压器在所述互连回路上设置在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间。
7.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述热负荷包括在浸没冷却系统中的一个或多个电子器件。
8.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述热负荷包括与所述第一冷却回路或所述第二冷却回路的一个或多个冷却设备联接的电子机架的一个或多个服务器。
9.如权利要求1所述的冷却装置，还包括微控制器，用于从所述第一压力传感器和所述第二压力传感器接收压力数据，并基于所述压力数据控制所述至少一个主冷却源。
10.一种冷却系统，包括：
第一冷却回路，向浸没槽提供冷却液体，其中，所述第一冷却回路包括第一冷凝器单元、第一液体供应管线和第一蒸气返回管线；
第二冷却回路，向所述浸没槽提供冷却液体，其中，所述第二冷却回路包括第二冷凝器单元、第二液体供应管线和第二蒸气返回管线；
互连回路，联接到所述第一蒸气返回管线和所述第二蒸气返回管线；
第一压力传感器，联接到所述第一蒸气返回管线；
第二压力传感器，联接到所述第二蒸气返回管线；以及
至少一个主冷却源，包括基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器进行控制的流体控制阀。
11.如权利要求10所述的冷却系统，其中，所述至少一个主冷却源包括由与所述第一冷凝器单元相关联的第一流体控制阀控制的第一主冷却源和由与所述第二冷凝器单元相关联的第二流体控制阀控制的第二主冷却源。
12.如权利要求10所述的冷却系统，其中，所述至少一个主冷却源包括由第一流体泵控制的第一主冷却源和由第二流体泵控制的第二主冷却源。
13.如权利要求12所述的冷却系统，其中，双向流体控制阀联接所述第一主冷却源和所述第二主冷却源。
14.如权利要求10所述的冷却系统，还包括设置在所述互连回路上的双向流体减压器，所述互连回路将所述第一蒸气返回管线与所述第二蒸气返回管线联接。
15.如权利要求14所述的冷却系统，其中，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器设置在所述互连回路上，并且所述双向流体减压器在所述互连回路上设置在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间。
16.如权利要求10所述的冷却系统，其中，所述浸没槽包括在浸没冷却系统中的一个或多个电子器件。
17.如权利要求10所述的冷却系统，其中，所述浸没槽包括与所述第一冷却回路或所述第二冷却回路的一个或多个冷却设备联接的电子机架的一个或多个服务器。
18.一种控制两相冷却分配单元的方法，包括：
从联接到第一冷却剂分配回路的第一蒸气返回管线的第一压力传感器接收压力数据；
从联接到第二冷却剂分配回路的第二蒸气返回管线的第二压力传感器接收压力数据，其中，所述第二冷却剂分配回路与所述第一冷却剂分配回路并行操作；
基于来自所述第二压力传感器的所述压力数据，控制所述第一冷却剂分配回路的冷却能力；以及
基于来自所述第一压力传感器的所述压力数据，控制所述第二冷却剂分配回路的冷却能力。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器测量的蒸气压力，确定从所述第一蒸气返回管线和所述第二蒸气返回管线提取的热负荷。
20.如权利要求18所述的方法，还包括：
基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器测量的蒸气压力，识别所述第一冷却剂分配回路或所述第二冷却剂分配回路的异常操作。
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