CN117648022B - 一种数据中心服务器的高功率相变散热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心服务器的高功率相变散热系统及控制方法，系统包括压力控制模块、流量计、压力传感器、相变冷板模块、温度传感器和冷凝器；所述压力控制模块，包括高压脉冲阻尼器与低压脉冲阻尼器，并通过控制高压脉冲阻尼器与低压脉冲阻尼器的内部压力，来控制管路压力，使冷却介质在相变冷板模块处的沸点降低，在低温下发生相变；所述流量计，用于检测管路流量；所述压力传感器，用于检测管路的压力；所述相变冷板模块，安装在数据中心各机柜服务器内部，用于带走服务器芯片热量；所述温度传感器，用于检测从相变冷板流出的冷却介质温度；冷凝器，用于带走高温冷却介质的热量，使气态冷却介质冷凝成液态冷却介质。

Description

一种数据中心服务器的高功率相变散热系统及控制方法

技术领域

本发明涉及数据中心服务器散热冷却技术领域，尤其涉及一种数据中心服务器的高功率相变散热系统及控制方法。

背景技术

目前，数据中心正朝着高算力集群化方向发展，同时，这也带来了高能耗和散热困难的问题。据估计，我国数据中心年用电量已占全社会用电的2％左右，并产生了大量的碳排放。随着电子设备计算能力的提高和尺寸的缩小，设备在单位体积内产生的热量也在急剧增加。为了确保设备的高效运行，需要有效散热并保持设备整体温度在安全范围内。

相变散热技术利用相变工质的相变过程来吸收和释放热量，能够在相变过程中实现高效的热量吸收，从而具有良好散热效果，相变技术是解决电子器件散热难的关键技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种数据中心服务器的高功率相变散热系统及控制方法。该系统不仅适用于常规的相变工质，还适用于去离子水等高潜热、高比热和高沸点的冷却工质。去离子水在负压条件下沸点降低，在负压环境下低温相变，具有比单相液冷更为出色的散热性能，从而降低散热所需的能耗。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种数据中心服务器的高功率相变散热系统，包括：压力控制模块、流量计、压力传感器、相变冷板模块、温度传感器和冷凝器；

所述压力控制模块，包括高压脉冲阻尼器与低压脉冲阻尼器，并通过控制高压脉冲阻尼器与低压脉冲阻尼器的内部压力，来控制管路压力，使冷却介质在相变冷板模块处的沸点降低，在低温下发生相变；

所述流量计，用于检测管路流量；

所述压力传感器，用于检测管路的压力；

所述相变冷板模块，安装在数据中心各机柜服务器内部，用于带走服务器芯片热量；

所述温度传感器，用于检测从相变冷板流出的冷却介质温度；

冷凝器，用于带走高温冷却介质的热量，使气态冷却介质冷凝成液态冷却介质。

进一步地，压力控制模块还包括：第一控制阀门、第二控制阀门、真空泵、充气阀门、吸气阀门、第一阀门、第二阀门和控制单元；所述真空泵分别与充气阀门和吸气阀门连接；所述第一阀门与第二阀门控制真空泵与外部空间相连；所述控制单元接收各个传感器检测到的信号，并根据信号做出相应的调控指令。

进一步地，高压脉冲阻尼器用于控制系统整体的压力，包含第一膜片、第一内腔和第一外腔；所述第一内腔与系统内部管路相通，第一外腔连通第一控制阀门，并通过第一控制阀门与真空泵连通；

所述低压脉冲阻尼器用于控制相变冷板模块的压力，包含第二膜片、第二内腔和第二外腔，其中第二内腔与系统内部管路相通，第二外腔连通第二控制阀门，并通过第二控制阀门与真空泵连通。

进一步地，压力传感器包括第一压力传感器与第二压力传感器，其中第一压力传感器用于检测高压管路的压力，第二压力传感器用于检测低压管路的压力。

进一步地，相变冷板模块包括多个，每个相变冷板模块在数据中心机柜服务器内部均与服务器芯片接触，并联并支持服务器内多个芯片散热。

进一步地，相变冷板模块包括上盖板、底板、进液管路、出气管路、出液管及汇合管路；所述出气管路、出液管路与汇合管路连通，所述出气管路与出液管路均与汇合管路连通；

所述上盖板设有蒸发腔和气体介质出口，所述蒸发腔用于制造冷却介质所需要的相变条件；所述气体介质出口将蒸发腔的气体介质引出，且气体介质出口与出气管路连通；

所述底板设有液体介质入口、液体腔、液体介质出口；所述液体介质入口与进液管路连通，用于将冷却介质导入液体腔；所述液体腔与蒸发腔连通；所述液体介质出口和出液管路连通；

所述汇合管路设有液管、气管和气液混合管路，且气管管径小于液管管径。

进一步地，系统还包括泵、单向阀和过滤器。

一种数据中心服务器的高功率相变散热系统的控制方法，包括：

根据系统的运行情况，调节泵的功率与系统的压力；

分别定义流量计采集的流量数据为L、与温度传感器采集的温度数据为T、第一压力传感器和第二压力传感器采集的数据分别为P₁与P₂、温度阈值为T_min、T_max，常数为X₁与X₂，系统流量变化的压力数值为X₁L和X₂L；

通过检测系统和压力温度数据，调节泵的功率与系统的压力。

进一步地，控制方法具体包括：

P01)监测系统运行时的管路数据；

P02)采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据P₁与P₂，以及温度传感器采集的温度数据T与流量计采集的流量数据L，计算ΔP＝P₁-P₂；执行P03)与P12)；

P03)判断P₂是否大于P_2min且小于P_2max，且P₁与P₂的数据差ΔP是否大于X₁L并小于X₂L，若是，则不需要调节，重新执行P02)，否则执行P04)；

P04)判断P₂是否大于P_2min且小于P_2max，若是，执行P08)，否则执行P05)；

P05)判断P₂是否大于等于P_2max，若是，则压力过大，执行P06)，否则，压力过小，执行P07)；

P06)开启真空泵及第二控制阀门、吸气阀门和第一阀门，执行P02)；

P07)开启真空泵及第二控制阀门、充气阀门和第二阀门，执行P02)；

P08)判断ΔP是否大于X₁L并小于X₂L，若是，重新执行P02)，否则执行P09)；

P09)判断ΔP是否大于等于X₂L，若是，执行P11)否则执行P10)；

P10)开启真空泵及第一控制阀门、充气阀门和第二阀门，执行P02)；

P11)开启真空泵及第一控制阀门、吸气阀门和第一阀门，执行P02)；

P12)判断T是否大于T_min且小于T_max，若是，执行P02)，否则执行P13)；

P13)判断T是否小于等于T_min，若是，执行P14)，否则执行P15)；

P14)减小泵的功率，并执行P02)；

P15)增大泵的功率，并执行P02)。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

(1)相比于传统的相变系统，该系统不需要用到压缩机，通过整体的低压环境，来营造相变环境，降低了相变散热所需的能耗。

(2)本发明使用去离子水等高潜热、高比热和高沸点的冷却工质，通过降低系统压力，使冷却工质低温相变，相变散热效果好。管路处于低压环境，不易对管路造成损害，降低了管路的泄漏风险。

(3)本发明使用了新型的压力控制的方法，通过脉冲阻尼器与真空泵控制系统压力，以适应不同的运行条件。

附图说明

图1是本发明高功率相变散热系统原理图；

图2a和图2b是本发明相变冷板模块结构组成图及剖面图；

图3是本发明高功率相变散热系统控制流程图；

图中：

1、泵；2、单向阀；3、压力控制模块；4、流量计；5、第一压力传感器；6、过滤器；7、相变冷板模块；8、温度传感器；9、第二压力传感器；10、冷凝器；11、高压管路；12、低压管路；

301、高压脉冲阻尼器；302、第一控制阀门；303、低压脉冲阻尼器；304、第二控制阀门；305、真空泵；306、充气阀门；307、第一阀门；308、吸气阀门；309、第二阀门；310、控制单元；3011、第一膜片；3012、第一内腔；3013、第一外腔；3031、第二内腔；3032、第二膜片；3033、第二外腔；

701、上盖板；702、底板；703、进液管路；704、出气管路；705、出液管路；706、汇合管路；7011、蒸发腔；7012、气体介质出口；7021、液体介质入口；7022、液体腔；7023液体介质出口；7061、气管；7062、液管；7063气液混合管路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，为所述高功率相变散热系统，该系统由泵1、单向阀2、压力控制模块3、流量计4、压力传感器、过滤器6、相变冷板模块7、温度传感器8、冷凝器10、高压管路11和低压管路12组成；

所述压力控制模块，包括高压脉冲阻尼器301与低压脉冲阻尼器303，并通过控制高压脉冲阻尼器与低压脉冲阻尼器的内部压力，来控制管路压力，使冷却介质在相变冷板模块7处的沸点降低，在低温下发生相变；

所述流量计，用于检测管路流量；

所述压力传感器，用于检测管路的压力；

所述相变冷板模块，安装在数据中心各机柜服务器内部，用于带走服务器芯片热量；

所述温度传感器，用于检测从相变冷板流出的冷却介质温度；

冷凝器，用于带走高温冷却介质的热量，使气态冷却介质冷凝成液态冷却介质。

所述压力控制模块还包括：第一控制阀门302、第二控制阀门304、真空泵305、充气阀门306、吸气阀门308、第一阀门307、第二阀门309和控制单元310；所述真空泵305分别与充气阀门和吸气阀门连接；所述第一阀门307与第二阀门309控制真空泵与外部空间相连；所述控制单元310接收各个传感器检测到的信号，并根据信号做出相应的调控指令。

所述高压脉冲阻尼器301是对低压脉冲阻尼器303的补充，用于控制系统整体的压力，保证系统压降在一定范围内，维持系统的稳定；高压脉冲阻尼器301包含第一膜片3011、第一内腔3012和第一外腔3013；所述第一内腔3012与系统内部管路相通，第一外腔3013连通第一控制阀门302，并通过第一控制阀门302与真空泵305连通；所述低压脉冲阻尼器303用于控制相变冷板模块7的压力，包含第二内腔3031、第二膜片3032和第二外腔3033，其中第二内腔3031与系统内部管路相通，第二外腔3033连通第二控制阀门304，并通过第二控制阀门304与真空泵305连通。

所述压力传感器包括第一压力传感器5与第二压力传感器9，其中第一压力传感器用于检测高压管路11的压力，第二压力传感器用于检测低压管路12的压力。

所述相变冷板模块7用于带走芯片热量，系统有多个相变冷板模块7安装在数据中心各机柜的服务器内部，每个相变冷板模块7与服务器芯片接触，并联并支持服务器内多个芯片散热。

如图2a和2b所示，所述相变冷板模块7包括上盖板701、底板702、进液管路703、出气管路704、出液管路705及汇合管路706，所述出气管路704、出液管路705与汇合管路706连通。所述上盖板701设有蒸发腔7011和气体介质出口7012，所述蒸发腔7011营造冷却介质所需要的相变条件。所述气体介质出口7012将蒸发腔7011的气体介质引出，气体介质出口7012与出气管路704连通。所述底板702设有液体介质入口7021、液体腔7022、液体介质出口7023，所述液体介质入口7021与进液管路703连通，将冷却介质导入液体腔7022。所述液体腔7022与蒸发腔7011连通，液体腔7022内部液体冷却介质吸收受热表面的热量，部分液体蒸发气化，冷却介质气化上升至蒸发腔7011。所述液体介质出口7023和出液管路705连通。所述汇合管路706设有液管7062、气管7061和气液混合管路7063，从液管7062至气管7061管径变小，冷却介质流速变大，压降变小，促进气体介质从气管7061处带走。

上述实施例的实施过程为：

系统运行时，液态工质在内部循环系统流动，在泵1的推动下，依次经过单向阀2、高压管路11、高压脉冲阻尼器301、第一内腔3012，流量计4、第一压力传感器5、过滤器6，然后进入相变冷板模块7，在吸收芯片热量时，在液体腔7022的液态工质受热蒸发，进入蒸发腔7011，蒸发腔7011储存气态工质并提供了蒸发的空间，未气化的液体会经过液体介质出口7023流至出液管路705，气体介质则通过出口7012进入出气管路704；未气化的液体从液管7062至气液混合管路7063，由于管径变小，冷却介质流速变大，压降变小，促进气体介质从气管7061处带走进入低压管路12，经温度传感器8、第二压力传感器9、低压脉冲阻尼器303、第二内腔3031、冷凝器10后，气态工质在冷凝器10冷凝成为液态工质，之后流入泵1开启新的循环。

本实施例还提供了一种数据中心服务器的高功率相变散热系统的控制方法，包括：

根据系统的运行情况，调节泵的功率与系统的压力；

分别定义流量计采集的流量数据为L、与温度传感器采集的温度数据为T、第一压力传感器和第二压力传感器采集的数据分别为P₁与P₂、温度阈值为T_min、T_max，常数为X₁与X₂，系统流量变化的压力数值为X₁L和X₂L；

通过检测系统和压力温度数据，调节泵的功率与系统的压力。

如图3所示，所述控制方法具体包括：

P01)监测系统运行时的管路数据；

P02)采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据P₁与P₂，以及温度传感器采集的温度数据T与流量计采集的流量数据L，计算ΔP＝P₁-P₂；执行P03)与P12)；

P03)判断P₂是否大于P_2min且小于P_2max，且P₁与P₂的数据差ΔP是否大于X₁L并小于X₂L，若是，则不需要调节，重新执行P02)，否则执行P04)；

P04)判断P₂是否大于P_2min且小于P_2max，若是，执行P08)，否则执行P05)；

P05)判断P₂是否大于等于P_2max，若是，则压力过大，执行P06)，否则，压力过小，执行P07)；

P06)开启真空泵及第二控制阀门、吸气阀门和第一阀门，执行P02)；

P07)开启真空泵及第二控制阀门、充气阀门和第二阀门，执行P02)；

P08)判断ΔP是否大于X₁L并小于X₂L，若是，重新执行P02)，否则执行P09)；

P09)判断ΔP是否大于等于X₂L，若是，执行P11)否则执行P10)；

P10)开启真空泵及第一控制阀门、充气阀门和第二阀门，执行P02)；

P11)开启真空泵及第一控制阀门、吸气阀门和第一阀门，执行P02)；

P12)判断T是否大于T_min且小于T_max，若是，执行P02)，否则执行P13)；

P13)判断T是否小于等于T_min，若是，执行P14)，否则执行P15)；

P14)减小泵的功率，并执行P02)；

P15)增大泵的功率，并执行P02)。

上述P06)中开启真空泵及第二控制阀门、吸气阀门和第一阀门，减小管路压力，这时，散热功率升高，更多的冷却介质蒸发，系统压力升高，第二压力传感器检测的数据超过阈值，这时需要开启真空泵及第二控制阀门、第一阀门和吸气阀门，低压脉冲阻尼器、第二外腔的气体在真空泵的做功下，依次经过第二控制阀门和吸气阀门，从第一阀门处排出，减小系统管路压力，避免相变温度过高。之后执行P02)。

上述P07)中：开启真空泵及第二控制阀门、充气阀门和第二阀门，增大管路压力。这时，压力降低，冷却介质相变温度降低，冷却介质易在进入相变冷板模块前蒸发，出现干烧现象，系统不稳定，需要开启真空泵及第二控制阀门、充气阀门和第二阀门，在真空泵的做功下，外部气体从第二阀门进入，依次通过充气阀门、第二控制阀门进入低压脉冲阻尼器第二外腔，增大系统管路的压力。之后执行P02)。

上述P10)中：开启真空泵及第一控制阀门、充气阀门和第二阀门，增大管路压力。这时，由于系统流量及压力变化，压力偏低，系统不稳定，需要开启真空泵及第一控制阀门、充气阀门和第二阀门，在真空泵的做功下，外部气体从第二阀门进入，依次通过充气阀门、第一控制阀门后，进入高压脉冲阻尼器、第一外腔，增大系统管路的压力。之后执行P02)。

上述P11)中：开启真空泵及第一控制阀门、第一阀门和吸气阀门，减小管路压力。这时，由于系统流量及压力变化，压力偏高，系统不稳定，这时需要开启真空泵及第一控制阀门、第一阀门和吸气阀门，高压脉冲阻尼器、第一外腔的气体在真空泵的做功下，依次经过第一控制阀门和吸气阀门，从第一阀门处排出，减小系统管路压力。执行P02)。

上述P14)和P15)中：减小泵功率。温度传感器采集到的数据低于阈值，无法通过控制系统压力来调节，需减小泵功率，之后还需调节系统压力。执行P02)。增大泵功率。温度传感器采集到的数据超过阈值，无法通过控制系统压力来调节，需增大泵功率，之后还需调节系统压力。执行P02)。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种数据中心服务器的高功率相变散热系统，其特征在于，包括压力控制模块、流量计、压力传感器、相变冷板模块、温度传感器和冷凝器；

所述压力控制模块，包括高压脉冲阻尼器与低压脉冲阻尼器，并通过控制高压脉冲阻尼器与低压脉冲阻尼器的内部压力，来控制管路压力，使冷却介质在相变冷板模块处的沸点降低，在低温下发生相变；

所述流量计，用于检测管路流量；

所述压力传感器，用于检测管路的压力；

所述相变冷板模块，安装在数据中心各机柜服务器内部，用于带走服务器芯片热量；

所述温度传感器，用于检测从相变冷板流出的冷却介质温度；

冷凝器，用于带走高温冷却介质的热量，使气态冷却介质冷凝成液态冷却介质；

所述压力控制模块还包括：第一控制阀门、第二控制阀门、真空泵、充气阀门、吸气阀门、第一阀门、第二阀门和控制单元；所述真空泵分别与充气阀门和吸气阀门连接；所述第一阀门与第二阀门控制真空泵与外部空间相连；所述控制单元接收各个传感器检测到的信号，并根据信号做出相应的调控指令；

所述高压脉冲阻尼器用于控制系统整体的压力，包含第一膜片、第一内腔和第一外腔；所述第一内腔与高压管路相通，第一外腔连通第一控制阀门，并通过第一控制阀门与真空泵连通；

所述低压脉冲阻尼器用于控制相变冷板模块的压力，包含第二膜片、第二内腔和第二外腔，其中第二内腔与低压管路相通，第二外腔连通第二控制阀门，并通过第二控制阀门与真空泵连通；

所述压力传感器包括第一压力传感器与第二压力传感器，其中第一压力传感器用于检测高压管路的压力，第二压力传感器用于检测低压管路的压力。

2.根据权利要求1所述的数据中心服务器的高功率相变散热系统，其特征在于，所述相变冷板模块包括多个，每个相变冷板模块在数据中心机柜服务器内部均与服务器芯片接触，并联并支持服务器内多个芯片散热。

3.根据权利要求1所述的数据中心服务器的高功率相变散热系统，其特征在于，所述相变冷板模块包括上盖板、底板、进液管路、出气管路、出液管及汇合管路；所述出气管路、出液管路与汇合管路连通，所述出气管路与出液管路均与汇合管路连通；

所述上盖板设有蒸发腔和气体介质出口，所述蒸发腔用于制造冷却介质所需要的相变条件；所述气体介质出口将蒸发腔的气体介质引出，且气体介质出口与出气管路连通；

所述底板设有液体介质入口、液体腔、液体介质出口；所述液体介质入口与进液管路连通，用于将冷却介质导入液体腔；所述液体腔与蒸发腔连通；所述液体介质出口和出液管路连通；

所述汇合管路设有液管、气管和气液混合管路，且气管管径小于液管管径。

4.根据权利要求1所述的数据中心服务器的高功率相变散热系统，其特征在于，所述系统还包括泵、单向阀和过滤器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的数据中心服务器的高功率相变散热系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据系统的运行情况，调节泵的功率与系统的压力；

分别定义流量计采集的流量数据为L、与温度传感器采集的温度数据为T、第一压力传感器和第二压力传感器采集的数据分别为P₁与P₂、温度阈值为T_min、T_max，常数为X₁与X₂，系统流量变化的压力数值为X₁L和X₂L；

通过检测系统和压力温度数据，调节泵的功率与系统的压力。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述方法具体包括：

P01)监测系统运行时的管路数据；

P02)采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据P₁与P₂，以及温度传感器采集的温度数据T与流量计采集的流量数据L，计算ΔP＝P₁-P₂；执行P03)与P12)；

P03)判断P₂是否大于P_2min且小于P_2max，且P₁与P₂的数据差ΔP是否大于X₁L并小于X₂L，若是，则不需要调节，重新执行P02)，否则执行P04)；

P04)判断P₂是否大于P_2min且小于P_2max，若是，执行P08)，否则执行P05)；

P05)判断P₂是否大于等于P_2max，若是，则压力过大，执行P06)，否则，压力过小，执行P07)；

P06)开启真空泵及第二控制阀门、吸气阀门和第一阀门，执行P02)；

P07)开启真空泵及第二控制阀门、充气阀门和第二阀门，执行P02)；

P08)判断ΔP是否大于X₁L并小于X₂L，若是，重新执行P02)，否则执行P09)；

P09)判断ΔP是否大于等于X₂L，若是，执行P11)否则执行P10)；

P10)开启真空泵及第一控制阀门、充气阀门和第二阀门，执行P02)；

P11)开启真空泵及第一控制阀门、吸气阀门和第一阀门，执行P02)；

P12)判断T是否大于T_min且小于T_max，若是，执行P02)，否则执行P13)；

P13)判断T是否小于等于T_min，若是，执行P14)，否则执行P15)；

P14)减小泵的功率，并执行P02)；

P15)增大泵的功率，并执行P02)。