CN117858456A - 一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及单相浸没式液冷领域，公开了一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，包括以下步骤：S1、监测冷却对象的发热功率和温度；S2、根据所述功率和温度，确定设定热阻；S3、调节冷却介质的流量，以便与所确定的设定热阻相匹配。本发明仅仅需要采集温度参数和流量，调节冷却介质泵频率，从而实现冷却介质的流量调节，使其达到供冷负荷平衡，保持CPU在安全的工作温度范围内运行。控制成本低、控制逻辑简单，直接给定水泵调节的频率，就能对系统的流量实现快速调节和温度的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及单相浸没式液冷技术领域，具体为一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法。
背景技术
随着互联网、人工智能、大数据等技术的快速发展给人们的生活、学习以及工作带来了极大的便利。数据中心作为它们的算力、储存、通讯等提供了强大的硬件支持，但随着会产生大量的热量。近年来数据中心服务器机架以及功率密度大幅度的提升，传统的风冷技术已渐渐无法满足数据中心服务器散热的需求，液冷技术凭借强大的散热能力、低能耗等优点，在数据中心冷却系统中脱颖而出，逐渐成了人们研究的热点。
现有的液冷技术，如单相浸没式液冷、两相浸没式液冷系统都是人们重点关注的技术，但液冷系统的控制方式目前比较单一，如基于CPU运行的最大功率密度总和作为散热量，手动控制其冷却介质的入口温度、流量等，无法根据芯片负荷的变化实时调节冷却介质的入口温度、流量，当负荷过大，冷却介质无法及时带走芯片所产生的热量时，可能会使得芯片运行温度超出安全范围，导致服务器瘫痪；当负荷过小，会造成系统冷源的巨大浪费。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，能够根据CPU运行时所产生的热量提供相应的冷量，达到自动调节、精确控温的目的。从而实现液冷系统的冷负荷供需平衡和稳定，保证CPU能够在安全温度范围内运行，使得数据中心能够安全、稳定地运行，同时节约能源，减少碳排放。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，包括以下步骤：
监测冷却对象的发热功率和温度；
根据所述功率和温度，确定设定热阻；
调节冷却介质的流量，以便与所确定的设定热阻相匹配。
优选的，所述方法还包括：
使用能量守恒原理来确定目标冷却介质流量；
比较目标冷却介质流量与实际冷却介质流量；
调节一个或多个变频泵的转速或频率，以使实际冷却介质流量与目标冷却介质流量相匹配。
优选的，所述调节变频泵转速或频率的步骤包括：
计算热阻偏差率；
根据热阻偏差率调节变频泵的转速或频率。
优选的，所述热阻偏差率的计算遵循以下关系：
其中，ε是热阻偏差率，Rt+1是下一时刻的热阻，Rt是当前时刻的热阻。
优选的，所述变频泵的频率调节遵循以下公式：
ft+1＝εft
其中，ft+1是下一时刻变频泵的频率，ft是当前时刻变频泵的频率。
优选的，所述冷却对象包括数据中心内的CPU。
本发明还提供一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的装置，包括：
传感器，用于监测冷却对象发热功率和温度；
控制器，配置为根据所述发热功率和温度确定设定热阻，并调节冷却介质流量；
变频泵，用于根据控制器的指令调节冷却介质流量。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述的方法。
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述的方法。
本发明提供了一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法。具备以下有益效果：
1、本发明能够根据数据中心内关键设备的实时热负荷和温度状况，动态调整冷却系统的工作状态，从而实现精准控温，确保设备在适宜的温度下高效稳定地运行。
2、本发明仅仅需要采集温度参数和流量，调节冷却介质泵频率，从而实现冷却介质的流量调节，使其达到供冷负荷平衡，保持CPU在安全的工作温度范围内运行。控制成本低、控制逻辑简单，直接给定水泵调节的频率，就能对系统的流量实现快速调节和温度的精确控制。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图之一；
图2为本发明的方法流程示意图之二；
图3为本发明的方法流程示意图之三；
图4为本发明的装置结构示意图之一；
图5为本发明的装置结构示意图之二；
图6为本发明的装置结构示意图之三；
图7为本发明的计算机设备结构示意图。
其中，100、传感器；200、控制器；300、变频泵；400、目标流量确定模块；500、流量比较模块；600、结果输出模块；700、热阻偏差率监测模块；40、计算机设备；41、处理器；42、存储器；43、存储介质。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书附图，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。
请参阅附图1-3，本发明实施例提供一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，包括步骤S1～S3，具体如下：
其中，步骤S1、监测冷却对象的发热功率和温度；
在这一步骤中，利用温度传感器和功率监测设备来实时监测数据中心内关键设备(如CPU)的温度和功率输出。这些监测数据将作为控制冷却系统的输入参数。
本实施例中，冷却对象为数据中心内的CPU，监测CPU的发热功率是通过采集CPU实时的运行电流I和电压U，基于欧姆定律，P＝UI，计算其发热功率P。监测CPU的温度是通过温度传感器进行的。
其中，步骤S2、根据功率和温度，确定设定热阻；
在该步骤中，根据步骤S1中收集的数据计算所需的热阻。热阻是表示单位温差下，冷却介质吸收热量的能力的一个参数。它是冷却效率的一个重要指标。
本实施例中，由于单相液冷系统所有部件均是完全绝缘的，因此CPU电功率和传热速率Q1之间的热损失可以忽略不计。基于能量守恒定律，CPU在运行时所消耗的电量100％转化为热量散出，因此可得CPU在运行时，其散热量Q1＝P＝UI。
基于基尔霍夫定律类比原理，CPU在运行时，电功率与传热速率Q1之间的热损失忽略不计，则Q1＝UI＝Q2。
芯片传热速率Q1等于冷却介质所带走的热量Q2等于芯片的电功率P，公式如下：
Q1＝P＝Q2＝ρcG(Tout-Tin)
其中，ρ分别为冷却介质的密度，kg/m3；c为冷却介质的比热容，J/(kg·℃)；G为冷却介质流量，m3/s，Tout为冷却介质出口温度，Tin为冷却介质入口温度，℃。
同时在电流I、电压U不变的条件下，其传热速率是固定不变的，当冷却介质进口温度Tin也不变时，CPU最佳运行温度T′case，则有Q1与热阻设定值R’之间的关系满足下式：
其中，T′case、Tin、Tout分别为CPU最佳运行温度、冷却介质进出口温度，℃，Q1为CPU的传热速率，W。U为CPU运行的电压，V；I为电流，A。
因此热阻由以下公式计算得到：
其中，R’是设定热阻，ΔT是温度差，P是发热功率。
通过设定热阻R’能够确定数据中心内部设备(如CPU)在当前负载和环境条件下所需的理想冷却效率。设定热阻作为一个目标值，指导我们如何调节冷却系统，以确保设备的温度得到有效控制，既不过热也不过冷。
其中，步骤S3、调节冷却介质的流量，以便与所确定的设定热阻相匹配；
在这一步骤中，根据设定的热阻调节冷却介质的流量。为了实现这一点，本实施例采用变频泵来调整冷却介质流经冷却系统的速度。变频泵的频率f将根据以下公式进行调整：
ft+1＝εft
其中，ft+1是下一时刻的变频泵频率，ε是热阻偏差率，ft是当前时刻的变频泵频率。
热阻偏差率ε用于描述实际热阻与设定热阻之间的偏差，其计算公式为：
其中，R是实际热阻，R’是步骤S2中确定的设定热阻。
温度传感器采集CPU实际运行的表面温度Tcase，冷却介质的入口温度Tin，可计算得到实际热阻R，实际热阻R的计算公式如下：
其中，R为冷却系统的实际热阻，℃/W，Tcase为CPU表面实际运行温度，℃；Tin为冷却介质进口温度。ρ分别为冷却介质的密度，kg/m3；c为冷却介质的比热容，J/(kg·℃)。
通过上述步骤，本发明实施例能够根据数据中心内关键设备的实时热负荷和温度状况，动态调整冷却系统的工作状态，从而实现精准控温，确保设备在适宜的温度下高效稳定地运行。
作为本发明的一种实施方式，方法还包括以下步骤：
S01、使用能量守恒原理来确定目标冷却介质流量；
具体的，根据热阻设定值R′，计算冷却介质的目标流量G’计算公式如下：
其中，R’为冷却系统热阻设定值，℃/W，T’case为CPU表面最佳运行温度，℃；ρ分别为冷却介质的密度，kg/m3；c为冷却介质的比热容，J/(kg·℃)；G为冷却介质目标流量，m3/s。
通过计算出所需的目标冷却介质流量，以确保冷却系统能够吸收足够的热量。
S02、比较目标冷却介质流量与实际冷却介质流量；
具体的，实际流量G也可通过实际热阻计算所得，计算公式如下：
其中，R为冷却系统实际热阻，℃/W，Tcase为CPU表面实际行温度，℃；ρ分别为冷却介质的密度，kg/m3；c为冷却介质的比热容，J/(kg·℃)；G为冷却介质实际流量，m3/s。
比较目标流量和实际流量可以评估冷却系统的性能和调整需求。
S03、根据热阻偏差率调节变频泵的转速或频率，以使实际冷却介质流量与目标冷却介质流量相匹配；
具体的，基于相似理论，热阻、流量和变频泵转速、变频泵频率之间存在以下关系：
其中，N为变频泵转速，Rpm；f为变频泵频率，Hz；t、t+1分别为前一刻时间和下一刻时间，s。
通过调节变频泵的转速或频率，可以改变冷却介质在系统中的流动速度，从而影响实际冷却介质流量。通过不断调整变频泵的转速或频率，使实际冷却介质流量逐渐接近目标冷却介质流量，以达到精准控温的目的。
总的来说，引入了能量守恒原理，并通过比较目标流量和实际流量以及调节变频泵的转速或频率来实现精准控温。能够根据实际情况动态调整冷却系统的工作状态，以满足数据中心设备对冷却的精确需求，提高系统效率和可靠性，保持设备在理想温度下稳定运行。
作为本发明的一种实施方式，方法还包括：
S001、监测热阻偏差率的变化；
具体的，当CPU电功率增大时，需要保证CPU实际运行温度与最佳运行温度相同，在不改变冷却介质进口温度的条件下，只能通过增大流量，才可维持实际热阻R与设定热阻R'相等。因此，目标流量G'、实时流量G、热阻设定值R'、实际热阻R四者存在以下数量关系，定义为热阻偏差率ε：
其中，ε为热阻偏差率，其代表的是CPU实际表面温度与最佳工作温度之间的差值，它的越趋近于1说明当前CPU目前表面温度与最佳工作温度越接近，冷却效果越好，温度场越均匀。
通过实时监测热阻偏差率的变化，可以了解冷却系统对设备发热变化的响应情况
S002、通过连续调节变频泵的频率响应热阻偏差率的变化；
根据监测到的热阻偏差率变化情况，调整变频泵的频率以逐步减小热阻偏差率。若热阻偏差率较大，说明实际冷却介质流量与目标冷却介质流量不匹配，需要增加或减小冷却介质的流量。通过调节变频泵的频率，可以改变冷却介质在系统中的流动速度，从而调整冷却介质流量，使其与目标流量相匹配。
总的来说，通过连续调节变频泵的频率以响应热阻偏差率的变化，可以实现对冷却系统的动态调控，使其能够实时适应设备发热变化的需求，从而实现更加精确的控温效果。这种方法可以提高冷却系统的响应速度和稳定性，确保设备在理想的温度范围内运行。
下文描述的用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的装置与上文描述的用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法可相互对应参照。
请参阅附图4-6，本发明还提供一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的装置，包括：
传感器100，用于监测冷却对象发热功率和温度；
控制器200，配置为根据发热功率和温度确定设定热阻，并调节冷却介质流量；
变频泵300，用于根据控制器的指令调节冷却介质流量。
作为本发明的一种实施方式，装置还包括：
目标流量确定模块400，用于确定目标冷却介质流量；
流量比较模块500，用于比较目标冷却介质流量与实际冷却介质流量；
结果输出模块600，用于输出目标冷却介质流量与实际冷却介质流量差异给控制器200。
作为本发明的一种实施方式，装置还包括：
热阻偏差率监测模块700，用于监测热阻偏差率的变化，并将监测的结果输出给控制器200。
本实施例装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
请参阅附图7，本发明还提供一种计算机设备40，包括：处理器41和存储器42，存储器42存储有处理器可执行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时执行如上的方法。
本发明还提供了一种存储介质43，该存储介质43上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器41运行时执行如上的方法。
其中，存储介质43可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory,简称PROM)，只读存储器(Read-OnlyMemory,简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，其特征在于，包括以下步骤：
监测冷却对象的发热功率和温度；
根据所述功率和温度，确定设定热阻；
调节冷却介质的流量，以便与所确定的设定热阻相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，其特征在于，所述方法还包括：
使用能量守恒原理来确定目标冷却介质流量；
比较目标冷却介质流量与实际冷却介质流量；
调节变频泵的转速或频率，以使实际冷却介质流量与目标冷却介质流量相匹配。
3.根据权利要求2所述的一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，其特征在于，所述调节变频泵转速或频率的步骤包括：
计算热阻偏差率；
根据热阻偏差率调节变频泵的转速或频率。
4.根据权利要求3所述的一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，其特征在于，所述热阻偏差率的计算遵循以下关系：
其中，ε是热阻偏差率，Rt+1是下一时刻的热阻，Rt是当前时刻的热阻。
5.根据权利要求3所述的一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，其特征在于，所述变频泵的频率调节遵循以下公式：
ft+1＝εft
其中，ft+1是下一时刻变频泵的频率，ft是当前时刻变频泵的频率。
6.根据权利要求3所述的一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，其特征在于，所述方法还包括：
监测热阻偏差率的变化；
通过连续调节变频泵的频率响应热阻偏差率的变化。
7.根据权利要求1所述的一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的方法，其特征在于，所述冷却对象包括数据中心内的CPU。
8.一种用于数据中心单相浸没式液冷系统精准控温的装置，用于实施如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，包括：
传感器，用于监测冷却对象发热功率和温度；
控制器，配置为根据所述发热功率和温度确定设定热阻，并调节冷却介质流量；
变频泵，用于根据控制器的指令调节冷却介质流量。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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