TWI828578B

TWI828578B - 液冷機櫃設備及其控制方法

Info

Publication number: TWI828578B
Application number: TW112114988A
Authority: TW
Inventors: 張坤松; 金才王; 方子誠; 邱永昌
Original assignee: 光寶科技股份有限公司
Priority date: 2023-04-21
Filing date: 2023-04-21
Publication date: 2024-01-01

Abstract

一種液冷機櫃設備，包括：負載裝置、供電給負載裝置的供電裝置與液冷系統，液冷系統包括儲液槽、連接外部冷卻裝置的主要流體迴路管路、連通儲液槽的輔助流體迴路管路、連通主要流體迴路管路與輔助流體迴路管路的熱交換器、循環馬達、功率感測器與控制裝置。循環馬達驅動儲液槽中的冷卻液在輔助流體迴路管路循環流動；輔助流體迴路管路中的冷卻液與負載裝置進行熱交換後，透過熱交換器與主要流體迴路管路中的冷卻液進行熱交換。控制裝置基於功率感測器感測的供電裝置的輸出功率控制循環馬達的轉速，以調節輔助流體迴路管路中冷卻液的流量。

Description

液冷機櫃設備及其控制方法

本申請涉及一種液冷機櫃設備及其控制方法，尤其涉及一種基於電源負載資訊的液冷機櫃設備及其控制方法。

當負載裝置運作時會產生大量的熱量，若負載裝置過熱可能會導致運作速度變慢或當機，因此，負載裝置對於散熱的效能具有一定程度的要求。習知的負載裝置通常以氣流方式進行散熱，然而，當負載裝置提升效能後，原有的氣冷式散熱已不符合需求。

有鑑於此，相關業者基於液體介質的熱傳導性遠高於傳統空氣介質之特性，提出以液體介質進行熱交換的液冷系統。然而，液體介質在控制響應上速度較慢，使得負載裝置的熱負載突然變高時，液冷系統無法快速達到設定的熱平衡點，導致負載裝置過熱，進而影響負載裝置中各元件的壽命，更嚴重時會觸發負載裝置的過熱保護機制，讓負載裝置關機，對應用該負載裝置的系統造成嚴重損失。

本申請實施例提供一種液冷機櫃設備及其控制方法，可以有效解決現有液冷系統因液體介質在控制響應上速度較慢，使得負載裝置的熱負載突然變高時，無法快速達到設定的熱平衡點的問題。

本申請提供了一種液冷機櫃設備，其包括：負載裝置、供電裝置與液冷系統。液冷系統包括：儲液槽、主要流體迴路管路、輔助流體迴路管路、熱交換器、循環馬達、功率感測器與控制裝置。供電裝置用以供電給負載裝置；主要流體迴路管路連接外部冷卻裝置；輔助流體迴路管路連通儲液槽，且與負載裝置熱接觸；熱交換器的一次側連通主要流體迴路管路，熱交換器的二次側連通輔助流體迴路管路；循環馬達用以驅動儲液槽中的冷卻液在輔助流體迴路管路中循環流動，其中，輔助流體迴路管路中的冷卻液與負載裝置進行熱交換後，透過熱交換器與主要流體迴路管路中的另一冷卻液進行熱交換；功率感測器用以感測供電裝置提供給負載裝置的輸出功率；控制裝置連接循環馬達，用以接收來自功率感測器的電源負載資訊，並基於電源負載資訊控制循環馬達的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路中流動的冷卻液的流量，其中，電源負載資訊包括輸出功率。

本申請另外提供了一種液冷機櫃設備的控制方法，應用於液冷機櫃設備，液冷機櫃設備包括負載裝置、供電給負載裝置的供電裝置、儲液槽、連接外部冷卻裝置的主要流體迴路管路、連通儲液槽且與負載裝置熱接觸的輔助流體迴路管路、熱交換器與循環馬達，液冷機櫃設備的控制方法包括以下步驟：控制循環馬達，以驅動儲液槽中的冷卻液在輔助流體迴路管路中循環流動，使得輔助流體迴路管路中的冷卻液與負載裝置進行熱交換後，透過熱交換器與主要流體迴路管路中的另一冷卻液進行熱交換；感測供電裝置提供給負載裝置的輸出功率，並輸出電源負載資訊，電源負載資訊包括所述輸出功率；以及基於電源負載資訊控制循環馬達的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路中流動的冷卻液的流量。

在本申請實施例中，液冷機櫃設備及其控制方法可透過供電裝置提供給負載裝置的輸出功率(即功率感測器的感測結果)，超前預測負載裝置的熱負載變化，控制循環馬達的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路中流動的冷卻液的流量。因此，可預先降溫(Precooling)熱負載的溫度，改善現有液冷系統因液體介質在控制響應上速度較慢，使得負載裝置的熱負載突然變高時，無法快速達到設定的熱平衡點的問題。

100:液冷機櫃設備

110:負載裝置

120:供電裝置

122:供電單元

130:液冷系統

131:儲液槽

132:主要流體迴路管路

132a:第一輸入管

132b:第一輸出管

133:輔助流體迴路管路

133a:第二輸入管

133b:第二輸出管

134:熱交換器

135:循環馬達

136:功率感測器

137:控制裝置

138:液體溫度感測器

139:負載溫度感測器

140:櫃體

150:流量控制閥

210~230:步驟

1331:子管路

此處的圖式說明用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，示意性實施例及其說明用以解釋本申請，但並不對本申請構成不當限定。在圖式中：圖1為依據本申請的液冷機櫃設備的一實施例架構示意圖；圖2為依據本申請的液冷機櫃設備的另一實施例架構示意圖；圖3為依據本申請的液冷機櫃設備的又一實施例架構示意圖；圖4為依據本申請的液冷機櫃設備的再一實施例架構示意圖；以及圖5為依據本申請的液冷機櫃設備的控制方法的一實施例流程圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。

必須瞭解的是，使用在本說明書中的「包括」、「包含」等詞，是用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、零件和/或元件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、零件、元件，或以上的任意組合。

必須瞭解的是，當元件描述為「連接」或「耦接」至另一元件時，可以是直接連結、或耦接至其他元件，可能出現中間元件。相反地，當元件描述為「直接連接」或「直接耦接」至另一元件時，其中不存在任何中間元件。

此外，為了避免圖式過於複雜，圖1至圖4的架構示意圖中省略繪製任何電性連接關係，電性連接關係僅在各實施例中描述與說明。

請參閱圖1，其為依據本申請的液冷機櫃設備的一實施例架構示意圖。如圖1所示，在本實施例中，液冷機櫃設備100包括：負載裝置110、供電裝置120與液冷系統130，液冷系統130包括：儲液槽131、主要流體迴路管路132、輔助流體迴路管路133、熱交換器134、循環馬達135、功率感測器136與控制裝置137。供電裝置120用以供電給負載裝置110；主要流體迴路管路132連接外部冷卻裝置(未繪製)；輔助流體迴路管路133連通儲液槽131，且與負載裝置110熱接觸；熱交換器134的一次側連通主要流體迴路管路132，熱交換器134的二次側連通輔助流體迴路管路133；循環馬達135用以驅動儲液槽131中的冷卻液在輔助流體迴路管路133中循環流動，其中，輔助流體迴路管路133中的冷卻液與負載裝置110進行熱交換後，透過熱交換器134與主要流體迴路管路132中的另一冷卻液進行熱交換；功率感測器136用以感測供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率；控制裝置137連接循環馬達135，用以接收來自功率感測器136的電源負載資訊，並基於電源負載資訊控制循環馬達135的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路133中流動的冷卻液的流量，其中，電源負載資訊包括供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率。

在本實施例中，負載裝置110包括但不限於在被供電裝置120供電運作時產生熱量之電子組件或電子器件。在一示例中，負載裝置110可為伺服器，供電裝置120供電給負載裝置110運作時，產生熱量之電子組件或電子器件可為所述伺服器的處理器或印刷電路板組件。

在本實施例中，液冷系統130為密閉冷卻系統，可隔離外部環境的雜質汙染，防止髒污進入輔助流體迴路管路133中，讓輔助流體迴路管路133中的冷卻液永遠保持乾淨狀態，以有效地維持穩定的冷卻溫度。

具體地，熱交換器134可為但不限於板式熱交換器，主要流體迴路管路132可包括第一輸入管132a與第一輸出管132b，所述外部冷卻裝置可包括冷卻水塔與循環泵，所述外部冷卻裝置可透過第一輸入管132a與熱交換器134的一次側的輸入口相連通，所述外部冷卻裝置可透過第一輸出管132b與熱交換器134的一次側的輸出口相連通，使得所述外部冷卻裝置、主要流體迴路管路132與熱交換器134的一次側構成外部冷卻迴路，所述循環泵驅動主要流體迴路管路132中冷卻液的循環流動，主要流體迴路管路132中的冷卻液可為水、醇類或其他合適的液體；輔助流體迴路管路133連通儲液槽131且與負載裝置110熱接觸，輔助流體迴路管路133可包括第二輸入管133a與第二輸出管133b，第二輸入管133a與熱交換器134的二次側的輸入口相連通，第二輸出管133b與熱交換器134的二次側的輸出口相連通，循環馬達135設置於第二輸出管133b上，使得儲液槽131、輔助流體迴路管路133、循環馬達135與熱交換器134的二次側可構成密閉式內部冷卻迴路，循環馬達135驅動儲液槽131中的冷卻液在輔助流體迴路管路133中循環流動，輔助流體迴路管路133中的冷卻液可為水、醇類或其他合適的液體，輔助流體迴路管路133中的冷卻液與主要流體迴路管路132中的冷卻液可以相同，也可不同。

因此，液冷系統130可透過輔助流體迴路管路133中的冷卻液與負載裝置110進行熱交換，及所述外部冷卻迴路內的冷卻液與所述密閉式內部冷卻迴路內的冷卻液在熱交換器134進行熱交換，使得負載裝置110的熱負載維持一定的溫度。由於負載裝置110提升效能時，會增加供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率，因此，液冷機櫃設備100可透過功率感測器136感測供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率，超前預測負載裝置110的熱負載變化，控制循環馬達135的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路133中流動的冷卻液的流量，以預先降溫熱負載的溫度。

在一實施例中，功率感測器136可透過有線傳輸介面與/或無線傳輸介面傳輸所述電源負載資訊給控制裝置137。其中，有線傳輸介面可為但不限於通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)介面、USB Type-C介面或積體電路匯流排(Inter-Integrated Circuit Bus，I2C Bus)介面，無線傳輸介面可為但不限於藍牙(Bluetooth)、WiFi或近場通訊(near field communication，NFC)介面。

在一實施例中，功率感測器136可用以基於供電裝置120提供給負載裝置110的供電電壓與/或供電電流獲取供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率。

在一實施例中，功率感測器136可整合至供電裝置120。

在一實施例中，控制裝置137還可用以基於電源負載資訊與查找表控制循環馬達135的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路133中流動的冷卻液的流量。其中，查找表可包括不同供電裝置120的輸出功率與對應的循環馬達135的轉速值。因此，控制裝置137可基於供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率在查找表中尋找對應的循環馬達135的轉速值，並輸出對應的控制信號給循環馬達135，使循環馬達135依據尋找到的轉速值進行運轉。

在一實施例中，控制裝置137還可用以基於電源負載資訊以及循環馬達135的轉速上限值與轉速下限值控制循環馬達135的轉速。具體地，控制裝置137基於供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率以第一預設公式進行計算，以獲取對應的循環馬達135的轉速值；若計算出來的轉速值大於轉速上限值，則基於轉速上限值輸出對應的控制信號給循環馬達135，使循環馬達135依據轉速上限值進行運轉；若計算出來的轉速值小於轉速下限值，則基於轉速下限值輸出對應的控制信號給循環馬達135，使循環馬達135依據轉速下限值進行運轉；若計算出來的轉速值等於或大於轉速下限值，或者等於或小於轉速上限值，則基於計算出來的轉速值輸出對應的控制信號給循環馬達135，使循環馬達135依據計算出來的轉速值進行運轉。其中，所述第一預設公式可依據實際需求進行調整。

在一實施例中，功率感測器136可用以週期性傳輸所述電源負載資訊給控制裝置137，控制裝置137還用以判斷供電裝置120提供給負載裝置110的輸出功率的變化量是否大於閾值。其中，所述閾值可依據實際需求進行調整。當控制裝置137判斷輸出功率的變化量大於所述閾值時，控制裝置137基於輸出功率的變化量以第二預設公式進行計算，以獲取流量補償值，並基於所述流量補償值輸出對應的控制信號給循環馬達135，控制循環馬達135的轉速。其中，所述第二預設公式可依據實際需求進行調整。因此，透過功率感測器136週期性傳輸所述電源負載資訊以及閾值的設計，可避免因輸出功率的感測誤差等因素而過度控制循環馬達135，導致循環馬達135的損壞。

在一實施例中，液冷機櫃設備100還可包括櫃體140，負載裝置110、供電裝置120與液冷系統130整合至櫃體140的內部。

在一實施例中，櫃體140可包括負載機櫃與供電機櫃，負載裝置110可拆卸地安裝在所述負載機櫃中，供電裝置120可拆卸地安裝在所述供電機櫃中。

在一實施例中，液冷系統130還可包括液體溫度感測器138，液體溫度感測器138可用以感測輔助流體迴路管路133中流入熱交換器134的冷卻液的溫度，以輸出液體溫度資訊給控制裝置137，使得控制裝置137基於所述電源負載資訊與所述液體溫度資訊控制循環馬達135的轉速。因此，當功率感測器136損壞時，液冷系統130還可透過液體溫度感測器138的感測結果控制循環馬達135的轉速，維持液冷系統130的正常運作。

在一實施例中，液冷系統130還可包括負載溫度感測器139，負載溫度感測器139用以感測負載裝置110的溫度，以輸出負載溫度資訊給控制裝置137，使得控制裝置137基於所述電源負載資訊與所述負載溫度資訊控制循環馬達135的轉速。因此，當功率感測器136損壞時，液冷系統130還可透過負載溫度感測器139的感測結果控制循環馬達135的轉速，維持液冷系統130的正常運作。

請參閱圖2，其為依據本申請的液冷機櫃設備的另一實施例架構示意圖。如圖2所示，在本實施例中，負載裝置110的數量為複數個，該些負載裝置110之間透過輔助流體迴路管路133呈並聯配置，供電裝置120供電給該些負載裝置110，功率感測器136還用以感測供電裝置120提供給該些負載裝置110的總輸出功率，所述電源負載資訊包括供電裝置120提供給該些負載裝置110的總輸出功率。其中，輔助流體迴路管路133包括並聯配置的複數個子管路1331，該些子管路1331與該些負載裝置110一對一熱接觸，使得該些負載裝置110之間透過輔助流體迴路管路133呈並聯配置；每一子管路1331的冷卻液的流量可以相同。

請參閱圖3，其為依據本申請的液冷機櫃設備的又一實施例架構示意圖。如圖3所示，在本實施例中，負載裝置110的數量為複數個，供電裝置120可包括複數個供電單元122，循環馬達135的數量為複數個，該些供電單元122、該些循環馬達135與該些負載裝置110一對一設置，各該供電單元122用以供電給對應的負載裝置110，各該循環馬達135用以驅動與對應的負載裝置110進行熱交換的冷卻液的流動(即各該循環馬達135用以驅動與對應的負載裝置110熱接觸的子管路1331中的冷卻液的流動)。

在一實施例中，功率感測器136還可用以感測各該供電單元122供電給對應的負載裝置110的輸出功率，所述電源負載資訊包括各該供電單元122供電給對應的負載裝置110的輸出功率，控制裝置137基於所述電源負載資訊控制各該循環馬達135的轉速，進而調節流經對應的各該負載裝置110的冷卻液的流量(即各該循環馬達135用以驅動與對應的負載裝置110熱接觸的子管路1331中的冷卻液的流量)。

請參閱圖4，其為依據本申請的液冷機櫃設備的再一實施例架構示意圖。如圖4所示，在本實施例中，液冷系統130還可包括複數個流量控制閥150，負載裝置110的數量為複數個，供電裝置120包括複數個供電單元122，該些供電單元122、該些流量控制閥150與該些負載裝置110一對一設置，功率感測器136還可用以感測各該供電單元122供電給對應的負載裝置110的輸出功率，所述電源負載資訊包括各該供電單元122供電給對應的負載裝置110的輸出功率以及供電裝置120提供給該些負載裝置110的總輸出功率，控制裝置137還可用以基於所述電源負載資訊控制各該流量控制閥150與循環馬達135，以調節流經對應的各該負載裝置110的冷卻液的流量。具體地，控制裝置137基於供電裝置120提供給該些負載裝置110的總輸出功率控制循環馬達135的轉速，調控整體輔助流體迴路管路133中的冷卻液的流量，並基於不同負載裝置110的情況，依據各該供電單元122供電給對應的負載裝置110的輸出功率控制各該流量控制閥150，以調控各該子管路1331中的冷卻液的流量。

請參閱圖5，其為依據本申請的液冷機櫃設備的控制方法的一實施例流程圖。如圖5所示，液冷機櫃設備的控制方法可應用於圖1的液冷機櫃設備100，液冷機櫃設備的控制方法包括以下步驟：控制循環馬達，以驅動儲液槽中的冷卻液在輔助流體迴路管路中循環流動，使得輔助流體迴路管路中的冷卻液與負載裝置進行熱交換後，再透過熱交換器與主要流體迴路管路中的另一冷卻液進行熱交換(步驟210)；感測供電裝置提供給負載裝置的輸出功率(步驟220)；以及基於輸出功率控制循環馬達的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路中流動的冷卻液的流量(步驟230)。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，步驟230可包括：基於輸出功率與查找表控制循環馬達的轉速。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，步驟230可包括：基於輸出功率以及循環馬達的轉速上限值與轉速下限值控制循環馬達的轉速。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，步驟220可包括：週期性感測所述輸出功率，步驟230可包括：判斷所述輸出功率的變化量是否大於閾值；以及當判斷所述變化量大於所述閾值時，基於所述變化量進行計算，以獲取流量補償值，並基於所述流量補償值控制循環馬達的轉速。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，負載裝置的數量為複數個，該些負載裝置之間透過輔助流體迴路管路呈並聯配置，供電裝置供電給該些負載裝置(如圖2的液冷機櫃設備100所示)，使得步驟220可包括：感測供電裝置供電給該些負載裝置的總輸出功率，並輸出所述電源負載資訊，所述電源負載資訊包括所述總輸出功率，步驟230可包括：基於總輸出功率控制循環馬達的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路中流動的冷卻液的流量。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，循環馬達的數量為複數個，負載裝置的數量為複數個，該些負載裝置之間透過輔助流體迴路管路呈並聯配置，供電裝置包括複數個供電單元，該些供電單元、該些循環馬達與該些負載裝置一對一設置(如圖3的液冷機櫃設備100所示)，使得步驟220可包括：感測各該供電單元供電給對應的負載裝置的輸出功率，並輸出所述電源負載資訊，所述電源負載資訊包括各該供電單元供電給對應的負載裝置的輸出功率，步驟230可包括：基於各該供電單元供電給對應的負載裝置的輸出功率控制各該循環馬達的轉速，進而調節流經對應的各該負載裝置的冷卻液的流量。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，負載裝置的數量為複數個，該些負載裝置之間透過輔助流體迴路管路呈並聯配置，供電裝置包括複數個供電單元，液冷系統還可包括複數個流量控制閥，該些供電單元、該些流量控制閥與該些負載裝置一對一設置(如圖4的液冷機櫃設備100所示)，使得步驟220可包括：感測各該供電單元供電給對應的負載裝置的輸出功率與供電裝置提供給該些負載裝置的總輸出功率，並輸出所述電源負載資訊，所述電源負載資訊包括各該供電單元供電給對應的負載裝置的輸出功率與供電裝置提供給該些負載裝置的總輸出功率，步驟230可包括：基於所述電源負載資訊控制各該流量控制閥與循環馬達，以調節流經對應的各該負載裝置的冷卻液的流量。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，液冷機櫃設備的控制方法還可包括：感測輔助流體迴路管路中流入熱交換器的冷卻液的溫度，以輸出液體溫度資訊，使得步驟230可包括：基於所述電源負載資訊與所述液體溫度資訊控制循環馬達的轉速。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

在一實施例中，液冷機櫃設備的控制方法還可包括：感測負載裝置的溫度，以輸出負載溫度資訊，使得步驟230可包括：基於所述電源負載資訊與所述負載溫度資訊控制循環馬達的轉速。詳細描述已於上述段落加以說明，於此不再贅述。

綜上所述，本申請實施例的液冷機櫃設備及其控制方法可透過供電裝置提供給負載裝置的輸出功率(即功率感測器的感測結果)，超前預測負載裝置的熱負載變化，控制循環馬達的轉速，進而調節在輔助流體迴路管路中流動的冷卻液的流量。因此，可預先降溫熱負載的溫度，改善現有液冷機櫃設備因液體介質在控制響應上速度較慢，使得負載裝置的熱負載突然變高時，無法快速達到設定的熱平衡點的問題。另外，可透過功率感測器週期性傳輸所述電源負載資訊以及閾值的設計，避免因輸出功率的感測誤差等因素而過度控制循環馬達，導致循環馬達的損壞。此外，可透過液體溫度感測器與/或負載溫度感測器的配置，使得功率感測器損壞時，液冷系統還可維持正常的運作。

雖然在本申請的圖式中包含了以上描述的元件，但不排除在不違反發明的精神下，使用更多其他的附加元件，已達成更佳的技術效果。雖然本發明使用以上實施例進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。