CN113093890A - 一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于服务器冷却技术领域，提供了一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统。利用氟化液相变带走服务器工作过程中产生的热量，氟化液蒸气充分利用自然环境的低温进行液化冷却，当外界环境较高时，通过利用制冷循环液化冷却氟化液，每个刀片式服务器的液冷单元相互连通，液面由储液槽维持，并在每个液冷单元的液面处覆盖一层硅油油膜，避免氟化液蒸发。相比于传统的两相浸没式液冷系统具有以下优点：利用季节变化带来的低温环境，减少系统耗电。液冷单元液面由硅油油膜覆盖，降低氟化液的蒸发损耗。通过相互联通的液冷单元与储液罐维持液面，实现及时的补液。各个管路均由阀门，便于系统的维护管理。
Description
技术领域
本发明属于服务器冷却技术领域，具体涉及一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统。
背景技术
随着服务器冷却技术领域的快速发展，目前大型集群式服务器单元的集成度升高，产热量增大，较差的散热条件会导致服务器工作不稳定，耗电量增加，严重时会导致设备热失控，因此需要对服务器进行充分的散热，维持服务器各部分温度的均一性，保证服务器工作的稳定性。因此设计一种高效的服务器冷却系统是提升大型集群式服务器单元整体性能的必要条件。
目前服务器冷却系统所采用的方式主要有：风冷散热、液冷散热以及目前倍受学者关注的两相浸没式液冷。例如李永刚等人在“一种新型服务器风冷散热器”专利中(专利号：202010856501.5)提出通过在CPU上覆盖导热管，远离导热管的一段设置有铜鳍片，通过两个风扇的强迫对流将铜鳍片上的热量传至外界环境中。该装置小巧可靠，便于安装与维修。
例如范瑞展等人在“电子设备及其水冷服务器”专利中(专利号：201810283629.X)提出通过利用一个自动调节水压大小的水冷设备对于服务器进行冷却。该设备通过设备自动调节水压，避免了压力的波动，同时水的比热容较大，可以保证服务器温度的恒定，有利于以提升服务器的效率。
例如张亮等人在“一种数据中心液冷机柜”专利中(专利号：201922321821.6)提出通过将浸没式液冷技术与射流冲击技术相结合，通过向服务器上喷淋制冷剂的方式对服务器进行冷却，再将吸收热量的制冷剂通过出液口排出，冷却后再次对服务器进行喷淋冷却，实现数据中心全年低PUE运行。该设备可以为服务器提供一个可靠稳定的工作环境，可以保证服务器温度分布均匀，提升服务器运行的效率。
但是传统的服务器冷却方式存在一些不足，风冷散热不足在于当服务器处于高负荷情况下，风扇的强迫对流带走的热量无法满足服务器散热的需要。液冷散热不足在于循环水系统比较庞大，不利于服务器集成度的提升，同时还会存在漏水、密封等问题。热管散热不足在于，热管与服务器接触面积较小，无法较好的分布热量，在服务器负载较高的条件下，由于服务器温度分布不均而导致过大的热应力。
目前两相浸没式液冷技术发展迅速，通过将服务器浸没在氟化液中，通过氟化液相变带走服务器的热量，使得服务器温度分布均匀，提升服务器效率与负载能力，有利于服务器集成度的提升和大型的数据中心的建立，但是目前利用两相浸没式液冷技术的大型数据中心面临着很多的问题，例如：氟化液的蒸发导致氟化液的损耗，常年的制冷机组开启导致的能量消耗过大等。
鉴于上述几种服务器散热方式的不足，本发明提出了一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，利用氟化液的显热和潜热带走高集成度的刀片式服务器集群工作时所产生的热量。通过两种对氟化液蒸气的冷凝方式的切换从而达到降低能量消耗的目的，缩短散热系统对于制冷机组的使用时间。通过在氟化液液面上覆盖一层硅油油膜，降低由于氟化液蒸发而导致的氟化液的损耗。将刀片式服务器模块与储液罐相互连通，对各个单元进行及时补液，同时各个模块气相区域相互联通，保证压力的恒定。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供了一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，利用氟化液的显热和潜热带走服务器工作时所产生的热量，保证刀片式服务器温度分布均匀，提升服务器的工作效率。利用硅油油膜覆盖在氟化液表面减少由于氟化液蒸发而导致的氟化液损耗。将蒸气式压缩制冷冷凝氟化液蒸气与低温环境冷凝氟化液蒸气的方式相结合，利用气候变化带来的低温环境，降低对于制冷机组的使用时间，有效的降低能量的消耗。
本发明的技术方案：
一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，包括刀片式服务器模块、蒸气式压缩制冷模块和环境冷却模块；
所述的刀片式服务器模块包括刀片式服务器1、箱体2、氟化液3、硅油油膜4、储液罐5、二位二通电磁阀Ⅰ6、二位二通电磁阀Ⅱ7、二位二通电磁阀Ⅲ8和二位二通电磁阀Ⅳ9；其中刀片式服务器1置于箱体2底部，且全部浸没在氟化液3中，并由硅油油膜4覆盖；当刀片式服务器1处于工作状态时，刀其开始产生热量；在产热初始阶段，氟化液3未达到沸点，氟化液3利用显热来吸收刀片式服务器1在工作过程中所产生的热量；随着刀片式服务器1产热的不断积累，当氟化液3达到沸点时，氟化液3开始沸腾，利用潜热来吸收刀片式服务器1所放出的热量；沸腾产生的氟化液3蒸气通过箱体2上部的管道排出，管道上安装有二位二通电磁阀Ⅰ6控制管道的通断，排出的氟化液3蒸气通过蒸气压缩式制冷模块或环境冷却模块进行液化并回流至储液罐5，并且各个刀片式服务器模块中箱体2的气相区域、液相区域分别对应相互联通，保持各箱体2内各部分压力的均衡；各箱体2的气相区域通过二位二通电磁阀Ⅱ7联通，液相区域通过二位二通电磁阀Ⅲ8联通；当刀片式服务器模块出现故障时，将硅油油膜4通过二位二通电磁阀Ⅳ9排出，并关闭二位二通电磁阀Ⅰ6、二位二通电磁阀Ⅱ7、二位二通电磁阀Ⅲ8后进行维修；
所述的蒸气式压缩制冷模块包括二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11、冷端换热盘管Ⅰ12、热端换热盘管Ⅰ13、热端换热器14、压缩机15、膨胀阀16和风扇Ⅰ17；其中通过打开二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11，阻断氟化液蒸气进入环境冷却模块，使氟化液蒸气进入蒸气压缩式制冷模块，使用蒸气压缩式制冷模块对氟化液蒸气进行冷凝，氟化液蒸气通过热端换热盘管Ⅰ13，将热量通过风扇17的强迫对流传递给冷端换热盘管Ⅰ12中的低温制冷剂，通过蒸气式压缩制冷循环将制冷剂中的热量传递给外界环境；冷凝后的氟化液蒸气通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐5中；
环境冷却模块包括二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11、热端换热盘管Ⅱ18和风扇Ⅱ19；其中通过打开二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11，阻断氟化液蒸气进入蒸气压缩式制冷模块，使氟化液蒸气进入环境冷却模块，使用环境冷却模块对氟化液蒸气进行冷凝，氟化液蒸气通过热端换热盘管Ⅱ18，将热量通过风扇Ⅱ19的强迫对流传递给外界冷空气中，冷凝后的氟化液蒸气通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐5中。
所述的刀片式服务器模块的箱体2之间与储液罐5相互联通，保证液面一致且及时的补液。
所述的刀片式服务器模块的箱体2上都有一个低于液面的排液管，在维修过程中将硅油油膜4排出，便于维修。
所述的刀片式服务器模块的箱体2所连接的管道上均有二位二通电磁阀，当某个刀片式服务器模块故障时，在保证系统正常运行的前提下，将该部分隔离，便于维修。
所述的二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11，当环境温度低于0℃时，二位三通电磁阀Ⅰ10使氟化液3蒸气流入环境冷却模块，冷凝后的氟化液3通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐5中。该过程中氟化液不经过蒸气式压缩制冷模块。
所述的二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11，当环境温度高于0℃时，二位三通电磁阀Ⅰ10使氟化液3蒸气流入蒸气式压缩制冷模块，冷凝后的氟化液3通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐5中。该过程中氟化液不经过环境冷却模块。
所述的蒸气式压缩制冷模块通过蒸气式压缩制冷循环来为氟化液3蒸气提供冷源。
本发明的有益效果：
1)利用季节变化产生的低温环境冷凝氟化液蒸气，减少对于蒸气式压缩制冷循环的使用时间，节省能量消耗。
2)通过在氟化液液面上覆盖一层硅油油膜，降低氟化液蒸发而导致的氟化液损耗，降低设备的运行成本。
3)每个刀片式服务器模块通过管道相互联通，保证液面一致，液面上部气压一致，并且液相区域与储液罐相连通，保证补液及时。
4)每个刀片式服务器模块上的管道均有二位二通电磁阀，控制管道的通断，当设备出现故障时，可以在保证设备正常运行的前提下，将该模块隔离维修。
5)通过二位三通电磁阀实现对于蒸气式压缩制冷模块与环境冷却模块之间的灵活切换。
附图说明
图1为一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统示意图。
图中：1刀片式服务器；2箱体；3氟化液；4硅油油膜；5储液罐；6二位二通电磁阀Ⅰ；7二位二通电磁阀Ⅱ；8二位二通电磁阀Ⅲ；9二位二通电磁阀Ⅳ；10二位三通电磁阀Ⅰ；11二位三通电磁阀Ⅱ；12冷端换热盘管Ⅰ；13热端换热盘管Ⅰ；14热端换热器；15压缩机；16膨胀阀；17风扇Ⅰ；18热端换热盘管Ⅱ；19风扇Ⅱ。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。但是应当解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权力要求的限制。
本发明公开了一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，该用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统包括：刀片式服务器模块、蒸气式压缩制冷模块、环境冷却模块：
其中，刀片式服务器模块包括：刀片式服务器1、箱体2、氟化液3、硅油油膜4、储液罐5、二位二通电磁阀Ⅰ6、二位二通电磁阀Ⅱ7、二位二通电磁阀Ⅲ8、二位二通电磁阀Ⅳ9；其中刀片式服务器1固定于箱体2底部，且全部浸没在氟化液3中，并由硅油油膜4覆盖；当刀片式服务器1处于工作状态时，刀片式服务器1开始产生热量。在产热初始阶段，氟化液3未达到沸点，氟化液3利用显热来吸收刀片式服务器1在工作过程中所产生的热量。随着刀片式服务器1产热的不断积累，当氟化液3达到沸点时，氟化液3开始沸腾，利用潜热来吸收刀片式服务器1所放出的热量。沸腾产生的氟化液3蒸气通过箱体2上部的管道排出，管道上安装有二位二通电磁阀Ⅰ6控制管道的通断，排出的氟化液3蒸气通过蒸气压缩式制冷模块或环境冷却模块进行液化并回流至储液罐5，并且各个刀片式服务器模块箱体2的气相区域、液相区域与相互联通，保持各箱体2内各部分压力的均衡。刀片式服务器模块箱体2的气相区域的通过二位二通电磁阀Ⅱ7联通，液相区域通过二位二通电磁阀Ⅲ8联通，当单片式服务器出现故障时，应将硅油油膜通过二位二通电磁阀Ⅳ9排出，并关闭二位二通电磁阀Ⅰ6、二位二通电磁阀Ⅱ7、二位二通电磁阀Ⅲ8后进行维修。
蒸气式压缩制冷模块包括：二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11、冷端换热盘管Ⅰ12、热端换热盘管Ⅰ13、热端换热器14、压缩机15、膨胀阀16、风扇Ⅰ17；其中通过打开二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11，阻断氟化液蒸气进入环境冷却模块，使氟化液蒸气进入蒸气压缩式制冷模块，使用蒸气压缩式制冷模块对氟化液蒸气进行冷凝，氟化液蒸气通过热端换热盘管Ⅰ13，将热量通过风扇17的强迫对流传递给冷端换热盘管Ⅰ12中的低温制冷剂，通过蒸气式压缩制冷循环将制冷剂中的热量传递给外界环境。冷凝后的氟化液蒸气通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐中。
环境冷却模块包括：二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11、热端换热盘管Ⅱ18、风扇Ⅱ19；其中通过打开二位三通电磁阀Ⅰ10、二位三通电磁阀Ⅱ11，阻断氟化液蒸气进入蒸气压缩式制冷模块，使氟化液蒸气进入环境冷却模块，使用环境冷却模块对氟化液蒸气进行冷凝，氟化液蒸气通过热端换热盘管Ⅱ18，将热量通过风扇Ⅱ19的强迫对流传递给外界冷空气中，冷凝后的氟化液蒸气通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐中。
下面通过一个完整的实施方式对上述一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统进行详细说明。
如图1所示，所述刀片式服务器模块包括：刀片式服务器1、箱体2、氟化液3、硅油油膜4、储液罐5、二位二通电磁阀Ⅰ6、二位二通电磁阀Ⅱ7、二位二通电磁阀Ⅲ8、二位二通电磁阀Ⅳ9；在散热的初始阶段，氟化液3未达到沸点，氟化液3利用显热来吸收刀片式服务器1在工作工程中所产生的热量。随着刀片式服务器1工作的继续进行，当氟化液3温度达到相变温度时，氟化液3开始沸腾，通过潜热吸收工作过程中产生的热量，产生的氟化液3蒸气，通过箱体3上部的管道排出，并且各个刀片式服务器模块的气相区域相互联通，维持气相区域气压一致。
产生的氟化液3蒸气通过管道进入冷凝模块进行冷凝，当外界环境温度高于0℃时，通过调节二位三通电磁阀Ⅰ10，使氟化液3蒸气进入蒸气式压缩制冷模块，氟化液3通过热端换热盘管Ⅰ13与冷端换热盘管Ⅰ12中的低温制冷剂在风扇Ⅰ17的强迫对流作用下进行热交换，冷凝成液体的氟化液3通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐5中，储液罐5与各个刀片式服务器模块液相区域相互联通，保证液面的一致与及时补液。
当外界环境温度低于0℃时，通过调节二位三通电磁阀Ⅰ10，使氟化液3蒸气进入环境冷却模块，氟化液3蒸气通过热端换热盘管Ⅱ18将热量通过风扇Ⅱ19的强迫对流传递给外界冷空气中，冷凝后的氟化液蒸气通过二位三通电磁阀Ⅱ11回流至储液罐中。
综上所述，本发明公开了一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，通过利用氟化液的显热和潜热对于刀片式服务器进行冷却，保证了刀片式服务器温度的均一性，同时氟化液液面覆盖一层硅油油膜，降低由于氟化液蒸发而导致的氟化液损耗。通过对于蒸气式压缩制冷模块与环境冷却模块之间的切换，实现对于外界低温环境的利用，降低制冷系统的能量消耗，降低运行成本。
以上所述的具体示例，对本公开的技术方案以及有益效果进行了详尽的阐述，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体示例而已，并不限制本发明。图中各元件的尺寸和形状不反应真实大小和比例，而仅表示本示例的内容。凡是在本公开的原则和精神上，所做的任何修改、改进以及等同替换等，均在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，该用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统包括刀片式服务器模块、蒸气式压缩制冷模块和环境冷却模块；
所述的刀片式服务器模块包括刀片式服务器(1)、箱体(2)、氟化液(3)、硅油油膜(4)、储液罐(5)、二位二通电磁阀Ⅰ(6)、二位二通电磁阀Ⅱ(7)、二位二通电磁阀Ⅲ(8)和二位二通电磁阀Ⅳ(9)；其中刀片式服务器(1)置于箱体(2)底部，且全部浸没在氟化液(3)中，并由硅油油膜(4)覆盖；当刀片式服务器(1)处于工作状态时，刀其开始产生热量；在产热初始阶段，氟化液(3)未达到沸点，氟化液(3)利用显热来吸收刀片式服务器(1)在工作过程中所产生的热量；随着刀片式服务器(1)产热的不断积累，当氟化液(3)达到沸点时，氟化液(3)开始沸腾，利用潜热来吸收刀片式服务器(1)所放出的热量；沸腾产生的氟化液(3)蒸气通过箱体(2)上部的管道排出，管道上安装有二位二通电磁阀Ⅰ(6)控制管道的通断，排出的氟化液(3)蒸气通过蒸气压缩式制冷模块或环境冷却模块进行液化并回流至储液罐(5)，并且各个刀片式服务器模块中箱体(2)的气相区域、液相区域分别对应相互联通，保持各箱体(2)内各部分压力的均衡；各箱体(2)的气相区域通过二位二通电磁阀Ⅱ(7)联通，液相区域通过二位二通电磁阀Ⅲ(8)联通；当刀片式服务器模块出现故障时，将硅油油膜(4)通过二位二通电磁阀Ⅳ(9)排出，并关闭二位二通电磁阀Ⅰ(6)、二位二通电磁阀Ⅱ(7)、二位二通电磁阀Ⅲ(8)后进行维修；
所述的蒸气式压缩制冷模块包括二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)、冷端换热盘管Ⅰ(12)、热端换热盘管Ⅰ(13)、热端换热器(14)、压缩机(15)、膨胀阀(16)和风扇Ⅰ(17)；其中通过打开二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)，阻断氟化液蒸气进入环境冷却模块，使氟化液蒸气进入蒸气压缩式制冷模块，使用蒸气压缩式制冷模块对氟化液蒸气进行冷凝，氟化液蒸气通过热端换热盘管Ⅰ(13)，将热量通过风扇17的强迫对流传递给冷端换热盘管Ⅰ(12)中的低温制冷剂，通过蒸气式压缩制冷循环将制冷剂中的热量传递给外界环境；冷凝后的氟化液蒸气通过二位三通电磁阀Ⅱ(11)回流至储液罐(5)中；
环境冷却模块包括二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)、热端换热盘管Ⅱ(18)和风扇Ⅱ(19)；其中通过打开二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)，阻断氟化液蒸气进入蒸气压缩式制冷模块，使氟化液蒸气进入环境冷却模块，使用环境冷却模块对氟化液蒸气进行冷凝，氟化液蒸气通过热端换热盘管Ⅱ(18)，将热量通过风扇Ⅱ(19)的强迫对流传递给外界冷空气中，冷凝后的氟化液蒸气通过二位三通电磁阀Ⅱ(11)回流至储液罐(5)中。
2.根据权利要求1所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的刀片式服务器模块的箱体(2)之间与储液罐(5)相互联通，保证液面一致且及时的补液。
3.根据权利要求1或2所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的刀片式服务器模块的箱体(2)上都有一个低于液面的排液管，在维修过程中将硅油油膜(4)排出，便于维修。
4.根据权利要求1或2所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的刀片式服务器模块的箱体(2)所连接的管道上均有二位二通电磁阀，当某个刀片式服务器模块故障时，在保证系统正常运行的前提下，将该部分隔离，便于维修。
5.根据权利要求3所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的刀片式服务器模块的箱体(2)所连接的管道上均有二位二通电磁阀，当某个刀片式服务器模块故障时，在保证系统正常运行的前提下，将该部分隔离，便于维修。
6.根据权利要求1、2或5所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)，当环境温度低于0℃时，二位三通电磁阀Ⅰ(10)使氟化液(3)蒸气流入环境冷却模块，冷凝后的氟化液(3)通过二位三通电磁阀Ⅱ(11)回流至储液罐(5)中，该过程中氟化液不经过蒸气式压缩制冷模块。
7.根据权利要求3所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)，当环境温度低于0℃时，二位三通电磁阀Ⅰ(10)使氟化液(3)蒸气流入环境冷却模块，冷凝后的氟化液(3)通过二位三通电磁阀Ⅱ(11)回流至储液罐(5)中，该过程中氟化液不经过蒸气式压缩制冷模块。
8.根据权利要求4所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)，当环境温度低于0℃时，二位三通电磁阀Ⅰ(10)使氟化液(3)蒸气流入环境冷却模块，冷凝后的氟化液(3)通过二位三通电磁阀Ⅱ(11)回流至储液罐(5)中，该过程中氟化液不经过蒸气式压缩制冷模块。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)，当环境温度高于0℃时，二位三通电磁阀Ⅰ(10)使氟化液(3)蒸气流入蒸气式压缩制冷模块，冷凝后的氟化液(3)通过二位三通电磁阀Ⅱ(11)回流至储液罐(5)中，该过程中氟化液不经过环境冷却模块。
10.根据权利要求6所述的用于数据中心刀片式服务器两相浸没式液冷系统，其特征在于，所述的二位三通电磁阀Ⅰ(10)、二位三通电磁阀Ⅱ(11)，当环境温度高于0℃时，二位三通电磁阀Ⅰ(10)使氟化液(3)蒸气流入蒸气式压缩制冷模块，冷凝后的氟化液(3)通过二位三通电磁阀Ⅱ(11)回流至储液罐(5)中，该过程中氟化液不经过环境冷却模块。
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