CN220674231U - 数据中心用液冷系统及边缘数据中心 - Google Patents
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Abstract
本发明创造实施例提供了一种数据中心用液冷系统及边缘数据中心，涉及数据中心技术领域。其中，液冷系统包括：室外冷凝器、室内蒸发器、温度传感器和加热套管；所述室外冷凝器和所述室内蒸发器通过管路连接形成回路，且所述室外冷凝器高于所述室内蒸发器设置；所述温度传感器和所述加热套管设置在所述室外冷凝器的出口管路上。本发明结构简单紧凑、传热性能好、可靠性高，并且适用于冬季极端工况。
Description
技术领域
本发明创造涉及数据中心技术领域，特别涉及一种数据中心用液冷系统及边缘数据中心。
背景技术
大规模数据中心通常采用液冷技术满足服务器散热需求。目前，成本相对低廉且运行可靠的液冷数据中心，多采用冷板液冷系统。冷板液冷系统主要由冷却塔、CDU(Coolant Distribution Unit，冷液分配装置)和液冷机柜构成。
在上述的冷板液冷系统中，一次侧冷却水及二次侧液冷冷却液输送依赖于循环水泵。并且，常规方案设置两级换热系统，即服务器热量通过冷板传输给液冷冷却液，液冷冷却液再经过CDU的换热单元(或称作热交换单元)与冷却水进行热交换，冷却水的热量通过冷却塔散至室外。一方面，换热过程较为复杂，另一方面不适用于冬季极端工况。
实用新型内容
为了解决现有技术存在的换热过程较为复杂和/或不适用于冬季极端工况的技术问题，本发明创造实施例提供了一种数据中心用液冷系统及边缘数据中心，所述技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种数据中心用液冷系统，包括：室外冷凝器、室内蒸发器、温度传感器和加热套管；
所述室外冷凝器和所述室内蒸发器通过管路连接形成回路，且所述室外冷凝器高于所述室内蒸发器设置；
所述温度传感器和所述加热套管设置在所述室外冷凝器的出口管路上。
进一步地，所述室外冷凝器的出口管路上还设置有压力传感器和变频器。
进一步地，所述室外冷凝器的入口管路上设置有压力传感器和温度传感器。
进一步地，所述室内蒸发器的出口管路及入口管路上设置有阀门。
进一步地，所述室内蒸发器包括蒸发式液冷冷板，所述蒸发式液冷冷板贴附在所述数据中心内的服务器的发热元件上。
进一步地，所述发热元件与所述蒸发式液冷冷板之间设置有导热涂层。
第二方面，本申请提供了一种边缘数据中心，包括服务器机柜和液冷系统，所述边缘数据中心还包括集装箱外壳；所述液冷系统包括：室外冷凝器、室内蒸发器、温度传感器和加热套管；
所述室外冷凝器和所述室内蒸发器通过管路连接形成回路，且所述室外冷凝器高于所述室内蒸发器设置；
所述温度传感器和所述加热套管设置在所述室外冷凝器的出口管路上。
进一步地，还包括设置在室内的列间空调和配电监控单元，所述配电监控单元用于监测和控制所述列间空调的工作状态。
进一步地，所述列间空调为氟泵风冷列间空调。
一方面，本申请结构简单紧凑、传热性能好、可靠性高，利用重力热管技术完成制冷剂循环，使得液冷系统中的制冷剂无需传统水泵输送，降低了泵送功耗。相较于常规的两级换热系统，本申请减少了一级换热，进一步提高数据中心冷却系统的能源利用率，并且，降低了系统结构复杂度。另一方面，本申请通过冷凝器出口管路上设置的温度传感器测得室外冷凝器的当前出口温度，并根据该温度数据控制管路上加热套管的工作状态。当遇到冬季极端工况，室外温度过低时，出口制冷剂过冷度过大，将导致流动到蒸发器的冷媒过少，压力也会降低。此时可开启加热套管对制冷剂进行电加热，提高冷凝器出口管路内的制冷剂温度。这样，可以控制供液温度、压力维持在设定工况，保证末端供液温度高于室内露点温度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明创造实施例中的技术方案，下面将对实施例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创造的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种数据中心用液冷系统的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种冷凝器的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种重力热管系统压焓图；
图4是本申请实施例提供的一种边缘数据中心的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明创造的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明创造实施方式作进一步地详细描述。本申请使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”、“第一端”、“第二端”、“一端”、“另一端”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“滑动连接”、“固定”、“套接”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连接。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本发明创造实施例提供了一种数据中心用液冷系统，可参见图1，包括：室外冷凝器、室内蒸发器、温度传感器和加热套管；所述室外冷凝器和所述室内蒸发器通过管路连接形成回路，且所述室外冷凝器高于所述室内蒸发器设置；所述温度传感器和所述加热套管设置在所述室外冷凝器的出口管路上。
图1中，实线所示线路可以是制冷剂供水管路；虚线所示线路可以是制冷剂回水管路；双点划线可以是信号传导用电路。
在实施中，冷凝器可以是风冷冷凝器，也可以是蒸发冷凝器。本申请室外冷凝器的位置高于室内蒸发器，即室外冷凝器和室内蒸发器之间存在一定高度差，使得制冷剂足以利用重力作用实现循环流动。循环原理为：制冷剂液体利用重力作用，依次流经冷凝器出口管路、蒸发器入口管路等液体管路，通过室内蒸发器吸收机房内服务器的发热元件所散发的热量，变为制冷剂气体，制冷剂气体经蒸发器出口管路、冷凝器入口管路上升进入室外冷凝器，制冷剂气体被室外自然冷源(空气或水等)冷却变为液体。之后再经液体管流回室内蒸发，形成一个冷却循环。
在实施中，冬季室外温度低，在极端天气运行时有可能出现冷凝压力过低的现象，导致供液能力不足，进而导致室内蒸发器缺液，系统制冷量大幅度下降，此时可利用加热套管对制冷剂进行加热，以提高冷凝压力。
值得一提的是，本申请中的各管路可以通过法兰连接，也可以采用其他连接件和连接方式，本申请对此不作限制。
在一个实施例中，可参见图2，冷凝器可以包括冷凝风扇、换热盘管和冷媒管。
在实施中，冷凝风扇用于为室外空气提供动力，使得室外空气流经室外冷凝器，带走换热盘管中制冷剂放出的热量。
其中，换热盘管的进水端和出水端分别通过冷媒管与位于液冷集装箱内的管路连接。服务器冷板的进水端和出水端分别通过快速接头与软管连接。快速接头可以保证服务器具备在线插拔维护性能。
在一个实施例中，所述室外冷凝器的出口管路上还设置有压力传感器和变频器。
在实施中，可以通过冷凝器出口压力传感器控制冷凝器出口压力。具体的，通过压力传感器实时测量冷凝器出口管路的当前出口压力；根据所述当前出口压力与所述预设工况进行对比。若当前出口压力不足，则可以利用变频器调高所述冷凝器的供液压力；若当前出口压力过高，则可以利用变频器调低所述冷凝器的供液压力。
可以理解，夏季室外温度高，室外冷凝器出口管路内的制冷剂压力通常较高，此时可适当地降低冷凝压力。
其中，调整供液压力的方式可以包括调整冷凝器的冷凝风扇转速、调整冷凝器的冷凝风扇的运行个数、调节冷凝器出口管路的供液流量等，本申请对此不作限制。
在一个实施例中，所述室外冷凝器的入口管路上设置有压力传感器和温度传感器。
在实施中，室外冷凝器的入口管路上也可以设置有压力传感器和温度传感器，这样，便于计算制冷剂供回液压差及温度差。
图3是本申请实施例提供的一种重力热管系统压焓图。其中，纵坐标lg P取压力的对数值，横坐标H为焓值。本申请中，制冷剂依靠重力形成自然循环，由于室外冷凝器高于室内蒸发器，因此冷凝温度会低于蒸发温度。冷凝温度的升高，更有利于回路热管向自然冷源散热，从而提高回路热管自然冷源的利用率。
在一个实施例中，所述室内蒸发器的出口管路及入口管路上设置有阀门。
在实施中，阀门可以是膨胀阀、截止阀、电磁阀等，本申请对此不作限制。
液冷系统可以包含多组蒸发器，以对不同服务器的散热。各组蒸发器的出口管路汇入冷凝器入口管路，冷凝器出口管路分为多个支路，分别与各蒸发器入口管路连接。蒸发器的入口管路和出口管路可通过阀门独立开闭和调节。这样，能够对系统的制冷范围或制冷量进行独立控制。例如，某服务器下架不再使用时，可通过关闭蒸发器的入口管路和出口管路上的阀门，控制液冷系统不再对该服务器供冷。
在一个实施例中，所述室内蒸发器包括蒸发式液冷冷板，所述蒸发式液冷冷板贴附在所述数据中心内的服务器的发热元件上。
在实施中，蒸发式液冷冷板贴附在所述数据中心内的服务器的发热元件能加速换热，提高制冷效率。
在一个实施例中，所述发热元件与所述蒸发式液冷冷板之间设置有导热涂层。
在实施中，发热元件可以是服务器的CPU(central processing unit，中央处理器)芯片或GPU(graphics processing unit，图形处理器)芯片。导热涂层可以采用金属基材料，例如金属基石墨烯复合涂层，也可以采用非金属基材料，例如非金属基硅脂、有机树脂。导热涂层的喷涂方法可以是冷喷涂、超音速等离子喷涂和热喷涂等，本申请对此不作限制。
在一个实施例中，液冷系统还可包括流量分配单元，流量分配单元可包括分液单元、软管、快速接头和冷媒管；冷媒管与室外冷凝器连接，软管通过快速接头与室内蒸发器的蒸发式液冷冷板连接。
在实施中，分液单元可以是集分水器(manifold)，用于连接各路液冷冷板的进出水管路。软管的连接方法可以采用椎管扣压式或卡箍式，也可以采用其他连接方法，本申请对此不作限制。
上述实施例产生的技术效果包括：一方面，本申请结构简单紧凑、传热性能好、可靠性高，利用重力热管技术完成制冷剂循环，使得液冷系统中的制冷剂无需传统水泵输送，降低了泵送功耗。相较于常规的两级换热系统，本申请减少了一级换热，进一步提高数据中心冷却系统的能源利用率，并且，降低了系统结构复杂度。另一方面，本申请通过冷凝器出口管路上设置的温度传感器测得室外冷凝器的当前出口温度，并根据该温度数据控制管路上加热套管的工作状态。当遇到冬季极端工况，室外温度过低时，出口制冷剂过冷度过大，将导致流动到蒸发器的冷媒过少，压力也会降低。此时可开启加热套管对制冷剂进行电加热，提高冷凝器出口管路内的制冷剂温度。这样，可以控制供液温度、压力维持在设定工况，保证末端供液温度高于室内露点温度。
基于同样的发明构思，本申请还提供了一种边缘数据中心。参见图4，可包括服务器机柜和液冷系统，所述边缘数据中心还包括集装箱外壳；所述液冷系统包括：室外冷凝器、室内蒸发器、温度传感器和加热套管；所述室外冷凝器和所述室内蒸发器通过管路连接形成回路，且所述室外冷凝器高于所述室内蒸发器设置；所述温度传感器和所述加热套管设置在所述室外冷凝器的出口管路上。
在一个实施例中，本申请提供的边缘数据中心还可以包括设置在室内的列间空调和配电监控单元，所述配电监控单元用于监测和控制所述列间空调的工作状态。
在实施中，可以利用风冷空调对数据中心机房内的非液冷元器件进行散热。
在一个实施例中，所述列间空调为氟泵风冷列间空调。
在实施中，服务器机柜之间可以设置氟泵风冷列间空调，负责承担风冷部分空调负荷，对数据中心机房内的空气进行降温。其中，服务器风冷部分可以取总发热的10～15％。
参见图4，数据中心机房包括集装箱外壳，采用集装箱式的布局方式。液冷集装箱内可以设置一个或多个配电监控单元、一个或多个服务器机柜，一个或多个风冷空调。液冷服务器可以安装在服务器机柜上，每个服务器机柜设置有对应的液冷系统。一个液冷系统负责冷却对应的一个服务器机柜，当然，一个液冷系统也可以负责冷却对应的多个服务器机柜。
在图4中，室外冷凝器设置在集装箱外部顶端。这样，基于重力热管技术的技术原理，管路中的制冷剂可以利用重力回流及蒸发增压克服管路阻力，从而完成制冷剂循环。其中，制冷剂的蒸发过程在服务器冷板内完成，能够带走服务器热量，然后将吸收到的热量直接通过室外冷凝器散至室外，减少中间换热环节及泵送功耗。本申请通过相变技术可以提高液冷板换热上限，兼容更高功率密度的液冷服务器需求。
值得一提的是，制冷剂可以采用R134a(即1,1,1,2-四氟乙烷，化学式：C2H2F4)环保冷媒，也可以采用其他冷媒，本申请对此不作限制。
本申请边缘数据中心采用集装箱式的布局方式，可以满足边缘高密计算场景需求。将重力热管技术与冷板液冷相结合，通过重力热管技术完成制冷剂循环，使得液冷系统中的制冷剂无需传统水泵输送，降低了泵送功耗。相较于常规的两级换热系统，本申请减少了一级换热，进一步提高数据中心冷却系统的能源利用率，并且，降低了系统结构复杂度。此外，服务器的发热元件与冷板之间设置导热涂层，能够强化换热。
基于同样的发明构思，本申请还提供了一种液冷系统控制方法，应用于上述任意一实施方式所述的液冷系统；所述方法包括：利用温度传感器检测室外冷凝器的当前出口温度；
将所述当前出口温度与预设工况进行对比；
根据温度对比结果确定是否利用加热套管对制冷剂进行加热。
进一步地，所述方法还包括：
利用压力传感器检测所述室外冷凝器的当前出口压力；
根据所述当前出口压力与所述预设工况进行对比；
根据压力对比结果确定是否利用变频器对所述冷凝器的供液压力进行调节。
进一步地，所述预设工况包括预设温度和预设压力。
在一个实施例中，由于液冷系统出水温度较高，液冷系统在各种场景下全年CLF(Cooling Load Factor，制冷负载系数)通常可降低60％以上。
在一个实施例中，由于采用重力热管技术取代了传统水泵输送制冷剂，液冷系统全年PUE(Power Usage Effectiveness，电源使用效率)从1.13(空调因子0.08，电力因子0.05)降低至1.07(空调因子0.02，电力因子0.05)。采用蒸发式液冷板显著提高了单芯片功耗解热上限，单相冷却液技术条件下，单芯片解热能力趋近上限(700～900W)，蒸发冷却式冷板可大大提高单芯片解热能力，助力芯片散热技术迭代。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种数据中心用液冷系统，其特征在于，包括：室外冷凝器、室内蒸发器、温度传感器和加热套管；
所述室外冷凝器和所述室内蒸发器通过管路连接形成回路，且所述室外冷凝器高于所述室内蒸发器设置；
所述温度传感器和所述加热套管设置在所述室外冷凝器的出口管路上。
2.如权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述室外冷凝器的出口管路上还设置有压力传感器和变频器。
3.如权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述室外冷凝器的入口管路上设置有压力传感器和温度传感器。
4.如权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述室内蒸发器的出口管路及入口管路上设置有阀门。
5.如权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述室内蒸发器包括蒸发式液冷冷板，所述蒸发式液冷冷板贴附在所述数据中心内的服务器的发热元件上。
6.如权利要求5所述的液冷系统，其特征在于，所述发热元件与所述蒸发式液冷冷板之间设置有导热涂层。
7.一种边缘数据中心，包括服务器机柜和液冷系统，其特征在于，所述边缘数据中心还包括集装箱外壳；所述液冷系统包括：室外冷凝器、室内蒸发器、温度传感器和加热套管；
所述室外冷凝器和所述室内蒸发器通过管路连接形成回路，且所述室外冷凝器高于所述室内蒸发器设置；
所述温度传感器和所述加热套管设置在所述室外冷凝器的出口管路上。
8.如权利要求7所述的边缘数据中心，其特征在于，还包括设置在室内的列间空调和配电监控单元，所述配电监控单元用于监测和控制所述列间空调的工作状态。
9.如权利要求8所述的边缘数据中心，其特征在于，所述列间空调为氟泵风冷列间空调。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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