CN112672611A - 一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***及控制方法，所述***包括服务器机柜、换热器机柜和外循环单元；所述换热器机柜安装于服务器机柜的后部；所述外循环单元安装于服务器机柜与换热器机柜外；所述外循环单元通过第一供液管和第一回液管分别与服务器机柜内设置的多个液冷服务器相连；以及外循环单元通过第二供液管和第二回液管分别与换热器机柜内设置的多个管壳式换热器相连。本发明旨在将服务器产生的全部热量传递给冷流体，从而大幅减少或免除数据中心空调的使用，降低数据中心能耗。

Description

一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***及控制方法

技术领域

本发明涉及服务器机柜液冷技术领域，尤其涉及一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***及其控制方法。

背景技术

随着互联网数据中心机房高密度机柜的不断增加，设备的集成度越来越高，处理能力也逐渐增高，但设备的功率消耗也随之增大，使机柜内设备的发热量增多，且基本都是全年8760h不停运行，对于不采用新风的机房而言，全年均需供冷，导致空调***能耗巨大，其空调能耗约占数据机房整体能耗的40％-50％。所以，随着数据中心的发展，旧的机房空调设备设计理念无法满足当代数据中心的散热需求，同时也导致了极高的能耗。

传统机房精密空调通过压缩制冷循环，再将室内空气冷却，通过专用通道将冷空气送入机房内，冷空气经由机柜底部或前部进入机柜，而高温空气被服务器自带的风扇由服务器后方吹出，机柜易造成局部过热现象、机房空调能耗过高、噪音大等问题，已不能满足现代化机房高密度机柜的制冷需求。

目前有直接采用将室外空气引入室内为机房降温的方案，其优点是制冷效率高、初投资低、能耗低，但缺点是引入室外冷空气后，使得室内空气洁净度、湿度难以保证，带来了安全隐患，后期运行维护量较大。另外也有采用翅片换热器，将热管的热空气与室外冷空气间接换热，从而降低机房内温度，其优点是在利用室外冷源时不引入室外的空气，不影响机房内的空气的洁净度和湿度，缺点是初投资相对较高，换热器结构比较复杂，需要定期清洗，维护工作量大。

相对于精密空调风冷散热技术，液体冷却因具有更高的散热效率和更低的能耗近年来在高热流密度数据中心冷却领域得到了长足发展和应用，但目前大部分液冷技术主要针对主要发热元件CPU精密降温，但其他元件和模块所产生的热量依然由精密空调散热技术解决。因此，现有技术有待进一步解决。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***及其控制方法，用于解决数据中心服务器的散热问题以及降低数据中心能耗问题。本发明具有散热效率高，噪声小，造价低廉，安装方便，维护简单的特点，解决了传统数据中心风冷散热***能耗高与现有服务器液冷***中服务器内局部发热元件散热的问题。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，包括：服务器机柜(1)、换热器机柜(2)和外循环单元(3)；所述换热器机柜(2)安装于服务器机柜(1)的后部；所述外循环单元(3)安装于服务器机柜(1)与换热器机柜(2)外；所述外循环单元(3)通过第一供液管(311)和第一回液管(312)分别与服务器机柜(1)内设置的多个液冷服务器(11)相连；以及外循环单元(3)通过第二供液管(321)和第二回液管(322)分别与换热器机柜(2)内设置的多个管壳式换热器(21)相连。

一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***的控制方法，包括：

S1第一循环泵通过第一供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第一电磁阀、第一流量计进入服务器机柜的液冷服务器内，冷却液在服务器机柜内流动可将主要发热元件的大部分热量带走；同时，第二循环泵通过第二供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第二电磁阀、第二流量计进入换热器机柜内的管壳式换热器；

S2冷却液进入液冷服务器后，通过液冷服务器内设的相变元件传热模块的导热作用将主要发热元件产生的大部分热量快速传导至冷却液；吸收了热量的冷却液在第一循环泵作用下通过第一回液管和第一回液口流入水箱中；

S3服务器上除主要发热元件外其他发热元件产生的的热量通过服务器自带的风扇和轴流风机的作用变成热空气流被导入换热器机柜的下方；

S4热空气流从换热器机柜下方进入管壳式换热器的管程部分，冷却液在管壳式换热器内垂直流下，热空气流向与冷却液流向相反，将热空气流集中在一个或多个管壳式换热器内进行液冷；吸收了热空气流热量的冷却液在第二循环泵作用下通过第二回液管和第二回液口流入水箱中。

S5电风机将冷空气导入水箱内吸收冷却液热量，进而使冷却液温度降低，完成整个冷却液循环。

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：

工作时液冷服务器带走主要发热元件的大部分热量，服务器上除主要发热元件外的发热元件产生的热量在服务器自带风扇和轴流风机作用下变成热空气流被导入换热器机柜内进行热交换，使发热元件的温度保持在预设温度T0以下，从而大幅减少或免除数据中心空调的使用，降低数据中心能耗。

本发明采用管壳式换热器进行热气流散热，其原理是通过设置多股管程，能够在一台换热器内满足多股流体同时进行换热，将服务器多余热量从室内带至室外释放，避免液体工质与电子设备的直接接触，大大降低了使用精密空调散热技术带来的能耗和经济问题。

本发明在不改造机房的条件下比精密空调散热技术节省机房空间，提升空间利用率。散热采用完全液冷技术，对发热芯片以及热气流进行更高效准确的散热，有效减少机房PUE值，保证服务器高效运行，实现更节能的数据中心运营模式。

附图说明

图1是结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***的结构示意图；

图2是换热器机柜结构示意图；

图3是结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***的控制单元原理图；

图4是控制***的控制流程图。

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，结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***的结构图，包括

服务器机柜1、换热器机柜2及外循环单元3，换热器机柜安装于服务器机柜后部，外循环单元安装于服务器机柜、换热器机柜外。外循环单元通过带有快速接头的第一供液管311和第一回液312与服务器机柜内的多个液冷服务器11分别相连，同时外循环单元通过带有快速接头的第二供液管321和第二回液管322与换热器机柜内的多个管壳式换热器21分别相连。正常工况下，外循环单元通过进入服务器机柜内的冷却液带走主要发热元件13产生的大部分热量，服务器内其他发热元件的产生的热量进入换热器机柜内并最终通过外循环单元内的冷却液循环带走。

服务器机柜内部设置有多个液冷服务器，其内设有相变元件传热模块12，与服务器内的主要发热元件13通过硅脂接触以减少两者的热阻；相变元件传热模块可以是热管式、均热板式、翅片式传热模块等；主要发热元件为服务器内部主要发热的关键电子元器件，譬如北桥芯片、南桥芯片、GPU、显卡和内存条等。

换热器机柜2内部设置有多个管壳式换热器21，管壳式换热器内部管程部分可以采用螺旋缠绕管、蛇形管、直管、蛇-直型管等多种形式；管壳式换热器，根据使用场合功能不同和地区气候的不同，为达到服务器机柜要求，可开启不同个数的管壳式换热器，实现灵活配置；换热器机柜内还设有轴流风机22；轴流风机位于换热器机柜的下方。服务器内其他发热元件产生的热量在服务器自带的风扇和轴流风机作用下变成热空气流被导入管壳式换热器机柜的下方，从而进入管壳式换热器的内部管程部分，冷却液在管壳式换热器内垂直流下，热空气流方向与冷却液流向相反，将热空气流集中在一个或多个管壳式换热器内与冷却液进行热交换(如图2所示)。

外循环单元包括服务器冷却管路31、换热器冷却管路32及水箱33；

服务器冷却管路包括第一供液管311、第一回液管312，所述第一供液管按冷却液循环回路依次设有：第一循环泵3111、第一电磁阀3112、第一流量计3113；

换热器冷却管路包括第二供液管321、第二回液管322，第二供液管按冷却液循环回路依次设有：第二循环泵3211、第二电磁阀3212、第二流量计3213。

所述水箱的顶端设置有电风机339，水箱的两侧分别设置有第一供液口331、第一回液口332、第二供液口333、第二回液口334、排污口335和冷却液入口336；其中，排污口设置于水箱的下方，并与排污常闭开关阀连接；冷却液入口设置在水箱的上方，并与冷却液常闭开关阀3361连接；第一供液口连接第一供液管，第二供液口连接第二供液管，第一回液口连接第一回液管，第二回液口连接第二回液管。水箱内部还包括：水位传感器337和冷却液杂质浓度检测传感器338；水位传感器安装于水箱内部的上侧，冷却液杂质浓度检测传感器安装于水箱内部的底部。

***运行时，第一循环泵通过第一供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第一电磁阀、第一流量计进入液冷服务器内，此时，通过液冷服务器内设的相变元件传热模块的导热作用将主要发热元件产生的大部分热量快速传导至冷却液；吸收了热量的冷却液在第一循环泵作用下通过第一回液管和第一回液口流入水箱中。

与此同时，第二循环泵通过第二供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第二电磁阀、第二流量计进入换热器机柜内的管壳式换热器。服务器上其他发热元件产生的的热量在服务器自带的风扇和轴流风机的作用下变成热空气流被导入换热器机柜的下方。热空气流从换热器机柜下方进入管壳式换热器的管程部分，冷却液在管壳式换热器内垂直流下，热空气流向与冷却液流向相反，将热空气流集中在一个或多个管壳式换热器内进行热交换。吸收了热空气流热量的冷却液在第二循环泵作用下通过第二回液管和第二回液口流入水箱中。电风机将冷空气导入水箱内吸收冷却液热量，进而使冷却液温度降低，完成整个冷却液循环。

参见图3，管壳式换热器的服务器机柜液冷***还包括控制单元，该控制单元包括第一控制器14和第二控制器23，两者独立运行，所述第一控制器14均与第一循环泵3111、第一电磁阀3112、第一流量计3113、电风机339、排污常闭开关阀3351及冷却液常闭开关阀3361电性连接；第二控制器23均与第二循环泵3211、第二电磁阀3212、第二流量计3213及轴流风机22电性连接。

如图4所示，本实施例还提供了一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***的控制方法，包括：

S1第一循环泵通过第一供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第一电磁阀、第一流量计进入服务器机柜的液冷服务器内，冷却液在服务器机柜内流动时可将主要发热元件的大部分热量带走；与此同时，第二循环泵通过第二供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第二电磁阀、第二流量计进入换热器机柜内的管壳式换热器；

S2，冷却液进入液冷服务器后，通过液冷服务器内设的相变元件传热模块的导热作用将主要发热元件产生的大部分热量快速传导至冷却液；吸收了热量的冷却液在第一循环泵作用下通过第一回液管和第一回液口流入水箱中；

S3，服务器上除主要发热元件外其他发热元件产生的的热量通过服务器自带的风扇和轴流风机的作用变成热空气流被导入换热器机柜的下方；

S4，热空气流从换热器机柜下方进入管壳式换热器的管程部分，冷却液在管壳式换热器内垂直流下，热空气流向与冷却液流向相反，将热空气流集中在一个或多个管壳式换热器内进行液冷；吸收了热空气流热量的冷却液在第二循环泵作用下通过第二回液管和第二回液口流入水箱中；

S5，电风机将冷空气导入水箱内吸收冷却液热量，进而使冷却液温度降低，完成整个冷却液循环。

上述步骤S1具体包括：

S11，当温度传感器测得主要发热元件的温度超过设定值T0后，第一控制器控制调整外循环单元中的电风机功率并上报警告；第二控制器控制调整轴流风机功率，并打开更多的管壳式换热器；

S12，当水箱内冷却液杂质浓度检测传感器检测到冷却液的杂质浓度达到预设浓度K0时，第一控制器控制排污常闭开关阀开启，水箱内的污水排出；

S13，当水箱内的水位传感器检测水位下降到预设水位H0时，第一控制器控制冷却液常闭开关阀开启，洁净冷却液通过冷却液入口被引入水箱内。

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 (9)

1.一种结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，其特征在于，所述***包括服务器机柜(1)、换热器机柜(2)和外循环单元(3)；所述换热器机柜(2)安装于服务器机柜(1)的后部；所述外循环单元(3)安装于服务器机柜(1)与换热器机柜(2)外；所述外循环单元(3)通过第一供液管(311)和第一回液管(312)分别与服务器机柜(1)内设置的多个液冷服务器(11)相连；以及外循环单元(3)通过第二供液管(321)和第二回液管(322)分别与换热器机柜(2)内设置的多个管壳式换热器(21)相连。

2.如权利要求1所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，其特征在于，所述液冷服务器(11)内设有相变元件传热模块(12)与主要发热元件(13)，相变元件传热模块(12)与主要发热元件(13)通过硅脂接触；

所述相变元件传热模块(12)为热管式传热模块、或均热板式传热模块、或翅片式传热模块；

主要发热元件(13)包括北桥芯片、南桥芯片、GPU、显卡和内存条。

3.如权利要求1所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，其特征在于，所述管壳式换热器(21)内部分为管程和壳程两部分；管程部分采用螺旋缠绕管、蛇形管、直管、蛇-直型管多种形式。

4.如权利要求1所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，其特征在于，所述换热器机柜(2)的下方设有轴流风机(22)，该轴流风机(22)用于将发热元件产生的热量变成热空气流被导入管壳式换热器机柜(2)的下方，从而进入管壳式换热器(21)的内部管程部分。

5.如权利要求1所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，其特征在于，所述外循环单元(3)包括服务器冷却管路(31)、换热器冷却管路(32)及水箱(33)；

所述服务器冷却管路(31)包括第一供液管(311)和第一回液管(312)；所述第一供液管(311)按冷却液循环回路依次设有：第一循环泵(3111)、第一电磁阀(3112)、第一流量计(3113)；

换热器冷却管路(32)包括第二供液管(321)和第二回液管(322)；所述第二供液管(321)按冷却液循环回路依次设有：第二循环泵(3211)、第二电磁阀(3212)、第二流量计(3213)；

所述水箱(33)的顶端设置有电风机(339)，水箱(33)的两侧分别设置有第一供液口(331)、第一回液口(332)、第二供液口(333)、第二回液口(334)、排污口(335)和冷却液入口(336)；其中，排污口(335)设置于水箱(33)的下方，并连接排污常闭开关阀(3351)；冷却液入口(336)设置在水箱(33的)上方，并连接冷却液常闭开关阀(3361)；第一供液口(331)与第一供液管(311)连接，第二供液口(333)与第二供液管(321)连接，第一回液口(332)与第一回液管(312)连接，第二回液口(334)与第二回液管(322)连接。

6.如权利要求5所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，其特征在于，水箱(33)内部设置有水位传感器(337)和冷却液杂质浓度检测传感器(338)；所述水位传感器(337)安装于水箱(33)内部的上侧，冷却液杂质浓度检测传感器(338)安装于水箱(33)内部的底部。

7.如权利要求1所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***，其特征在于，所述***还包括控制单元，控制单元包括第一控制器(14)和第二控制器(23)；

所述第一控制器(14)均电性连接有第一循环泵(3111)、第一电磁阀(3112)、第一流量计(3113)、电风机(339)、排污常闭开关阀(3351)、冷却液常闭开关阀(3361)；

所述第二控制器(23)均电性连接第二循环泵(3211)、第二电磁阀(3212)、第二流量计(3213)与轴流风机(22)。

8.一种基于权利要求1至8任一项所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1第一循环泵通过第一供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第一电磁阀、第一流量计进入服务器机柜的液冷服务器内，冷却液在服务器机柜内流动可将主要发热元件的大部分热量带走；同时，第二循环泵通过第二供液口将水箱内的冷却液导出，冷却液依次通过第二电磁阀、第二流量计进入换热器机柜内的管壳式换热器；

S2冷却液进入液冷服务器后，通过液冷服务器内设的相变元件传热模块的导热作用将主要发热元件产生的大部分热量快速传导至冷却液；吸收了热量的冷却液在第一循环泵作用下通过第一回液管和第一回液口流入水箱中；

S3服务器上除主要发热元件外其他发热元件产生的的热量通过服务器自带的风扇和轴流风机的作用变成热空气流被导入换热器机柜的下方；

S4热空气流从换热器机柜下方进入管壳式换热器的管程部分，冷却液在管壳式换热器内垂直流下，热空气流向与冷却液流向相反，将热空气流集中在一个或多个管壳式换热器内进行液冷；吸收了热空气流热量的冷却液在第二循环泵作用下通过第二回液管和第二回液口流入水箱中。

S5电风机将冷空气导入水箱内吸收冷却液热量，进而使冷却液温度降低，完成整个冷却液循环。

9.如权利要求8所述的结合管壳式换热器的服务器机柜液冷***的控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11当温度传感器15测得主要发热元件的温度超过设定值T0后，第一控制器控制调整外循环单元中的电风机功率并上报警告；第二控制器控制调整轴流风机功率，并打开更多的管壳式换热器；

S12当水箱内冷却液杂质浓度检测传感器检测到冷却液的杂质浓度达到预设浓度K0时，第一控制器控制排污常闭开关阀开启，水箱内的污水排出；

S13当水箱内的水位传感器检测水位下降到预设水位H0时，第一控制器控制冷却液常闭开关阀开启，洁净冷却液通过冷却液入口被引入水箱内。

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