冷却装置和具有其的数据中心的制作方法

专利检索2022-05-10  183


本公开涉及冷却技术领域,尤其涉及云计算、云存储、大数据计算、深度学习和图像处理等应用的数据中心的冷却技术领域。

背景技术

相关技术中,数据中心的服务器等IT设备在工作中会产生大量的热量,因此需要设置相应的冷却系统,以对数据中心的IT设备进行冷却。然而,为满足IT设备的不间断冷却需求,如图1所示,制冷系统的所有动力设备均需要配置UPS(Uninterruptible Power Supply,不间断电源),从而导致UPS在配电室内的占用空间过大,且成本较高。



技术实现要素:

根据本公开的一方面,提供一种冷却装置,包括:服务器散热支路,用于对服务器散热;第一冷源支路,第一冷源支路上设置有冷源模块,在第一冷却模式下,第一冷源支路和服务器散热支路构成循环回路,冷源模块用于将服务器散热支路输出的气态制冷剂转化为液态制冷剂,并输送回服务器散热支路;换热支路,换热支路上设置有换热器,在第二冷却模式下,换热支路与服务器散热支路构成循环回路,换热器工作。

根据本公开的另一方面,提供一种数据中心,包括多个服务器以及多个根据本公开的任一冷却装置。

根据本公开实施例的技术方案,可以在实现服务器的不间断散热的同时,使冷源模块可以无需或减少配置UPS,有效减小UPS在配电室内的占用空间,使冷却装置可以适用于建筑面积相对较小的配电室,且可以降低成本,提高整个数据中心的电源使用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)值。

应当理解,发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征,亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明,本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中,相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素,其中:

图1是现有技术中冷源模块的配电原理图;

图2是根据本公开实施例的冷却装置的原理图;

图3是根据本公开实施例的冷却系统的原理图;

图4是根据本公开实施例的液冷整机柜的结构示意图;

图5是根据本公开实施例的数据中心的结构示意图。

附图标记

100:冷却装置;

110:服务器散热支路;111:芯片冷板;112:液冷集液管;

113:节流装置;114:液冷集气管;115:液泵;

116:膨胀阀;117:快速接头;

11a:液冷整机柜;11b:风墙;11c:列间空调;

120:第一冷源支路;121:冷源模块;1211:气泵;

1212:冷凝器;122:第一调节阀;

130:换热支路;131:换热器;132:第二调节阀;

140:第二冷源支路;141:热泵机组;142:水蓄冷罐;143:水泵;

200:数据中心;

210:服务器;220:冷却系统。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明,其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解,应当将它们认为仅仅是示范性的。因此,本领域普通技术人员应当认识到,可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改,而不会背离本公开的范围和精神。同样,为了清楚和简明,以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

下面参考图2-图4描述根据本公开第一方面实施例的冷却装置100。根据本公开实施例的冷却装置100可以用于对数据中心200的服务器210等IT设备进行冷却。在本公开下面的描述中,以冷却装置100用于对服务器210进行冷却为例进行说明。其中,数据中心200可用于(包括但不限于)云计算、云存储、大数据计算、深度学习和图像处理等技术领域。

如图2和图3所示,根据本公开第一方面实施例的冷却装置100,包括服务器散热支路110、第一冷源支路120和换热支路130。

具体而言,服务器散热支路110用于对服务器210散热,第一冷源支路120上设置有冷源模块121,在第一冷却模式下,第一冷源支路120和服务器散热支路110构成循环回路,冷源模块121用于将服务器散热支路110输出的气态制冷剂转化为液态制冷剂,并输送回服务器散热支路110。换热支路130上设置有换热器131,在第二冷却模式下,换热支路130与服务器散热支路110构成循环回路,换热器131工作。

当服务器210工作时,服务器210上的多个芯片会产生较大的热量,从服务器散热支路110的输入端输入的液态制冷剂可以与多个芯片进行热交换,从而降低多个芯片表面的温度,避免由于芯片的温度过高而影响服务器210的正常工作。液态制冷剂与多个芯片换热后转化为气态制冷剂,然后从服务器散热支路110的输出端输出。

结合图2,在市电正常供电且冷源模块121正常工作的情况下,冷却装置100可以运行第一冷却模式。此时从服务器散热支路110的输出端输出的气态制冷剂通过冷源模块121的输入端流入冷源模块121,且在冷源模块121内转化为液态制冷剂,液态制冷剂从冷源模块121的输出端输出,然后从服务器散热支路110的输入端流回至服务器散热支路110,完成冷却循环,以实现对多个芯片的不间断散热。

在市电停电或冷源模块121发生故障的情况下,冷却装置100由第一冷却模式转化为第二冷却模式。此时从服务器散热支路110的输出端输出的气态制冷剂通过换热器131的输入端流入换热器131,且在换热器131内换热后转化为液态制冷剂,液态制冷剂从换热器131的输出端输出,然后从服务器散热支路110的输入端流回至服务器散热支路110,完成冷却循环,在冷源模块121不工作的情况下同样可以实现对多个芯片的散热,相较于现有的制冷系统,冷源模块121可以无需配置UPS。

根据本公开实施例的冷却装置100,通过设置上述的换热支路130,且在第二冷却模式下换热支路130与服务器散热支路110构成循环回路,当市电停电或冷源模块121故障时可以通过换热器131将气态制冷剂转化为液态制冷剂,从而在实现服务器210的不间断散热的同时,使冷源模块121可以无需或减少配置UPS,进而有效减小UPS在配电室内的占用空间,使冷却装置100可以适用于建筑面积相对较小的配电室,且可以降低成本,提高整个数据中心200的PUE值。

在一种实施方式中,参照图3,第一冷源支路120上还设置有第一调节阀122,换热支路130上还设置有第二调节阀132;在第一冷却模式下,第一调节阀122开启,第二调节阀132关闭;在第二冷却模式下,第二调节阀132开启,第一调节阀122关闭。由此,可以通过第一调节阀122和第二调节阀132实现服务器散热支路110与第一冷源支路120或与换热支路130连通,从而在市电正常供电的情况下自动切换至第一冷却模式,在市电停电或冷源模块121故障的情况下自动切换至第二冷却模式,使冷却装置100在第一冷却模式和第二冷却模式之间的切换更加方便。

在一个示例中,结合图3,第一调节阀122可以设于冷源模块121的输入端,第二调节阀132可以设于换热器131的输入端。例如,在第一冷却模式下,气态制冷剂可以流经第一调节阀122后流入冷源模块121,由于此时第二调节阀132关闭,气态制冷剂不会流入换热器131,与第二调节阀132设于换热器131的输出端相比,换热器131可以无需工作,从而可以有效延长换热器131的使用寿命。可选地,第一调节阀122和第二调节阀132可以为电动阀。但不限于此。

当然,第一调节阀122和第二调节阀132还可以同时开启。此时从服务器散热支路110的输出端输出的气态制冷剂中的其中一部分可以通过第一调节阀122流入冷源模块121,气态制冷剂中的另一部分可以通过第二调节阀132流入换热器131,此时冷源模块121与换热器131同时工作,第一冷源支路120和服务器散热支路110构成循环回路且换热支路130和服务器散热支路110构成循环回路,在减小第一冷源支路120和换热支路130的压力的同时,可以有效提升服务器210的散热效果。

在一种实施方式中,如图3所示,冷却装置100还包括第二冷源支路140,换热器131包括第一换热管和第二换热管,在第二冷却模式下,第一换热管与服务器散热支路110构成循环回路,第二换热管与第二冷源支路140构成循环回路。

例如,第二冷源支路140可以包括备用冷源,如冷量至少可以满足市电停电15min的冷量需求的水蓄冷罐142。气态制冷剂从服务器散热支路110输出,然后从第一换热管的输入端进入第一换热管,与第二换热管内的流动工质(例如水)换热后转化为液态制冷剂,第二换热管内的流动工质温度升高。由于第二换热管与第二冷源支路140连通,备用冷源放冷,可以吸收升温后的流动工质的热量,为整个冷却装置100提供冷量,保证服务器210的散热效果。

由此,通过上述设置,在第二冷却模式下,第二换热管内的流动工质可以与第一换热管内的高温气态制冷剂发生热交换,从而使气态制冷剂可以转化为液态制冷剂,第二冷源支路140可以为升温后的第二换热管降温,保证第二换热管内的流动工质的温度可以处于较低的范围内,从而可以实现服务器210的不间断散热。

进一步地,参照图3,第二冷源支路140可以包括热泵机组141,热泵机组141用于连接热回收装置。由此,在第二冷却模式下,一方面,热泵机组141可以吸收备用冷源例如水蓄冷罐142的热量,为冷却装置100提供冷源,使气态制冷剂在流经第一换热管时可以与第二换热管内的低温流动工质换热而转化为液态制冷剂,从而使液态制冷剂流入服务器散热支路110实现服务器210的散热;另一方面,可以根据实际需求灵活开启热回收装置,当开启热回收装置时,热泵机组141可以通过收集热能而向外提供温度为50℃~90℃(包括端点值)的热水,从而向数据中心200自身(例如柴发房间和新风机组等)及外界热用户提供热能,有效回收数据中心200的热能,实现能源的综合利用。

在一个示例中,如图3所示,热泵机组141设于第二换热管的输出端和水蓄冷罐142的输入端之间,热泵机组141的输入端设有水泵143,用于泵送水在第二冷源支路140和第二换热管之间循环流动。

在一种实施方式中,结合图3,冷源模块121包括气泵1211和冷凝器1212,气泵1211设于服务器散热支路110的输出端与冷凝器1212的输入端之间,冷凝器1212的输出端连接于服务器散热支路110的输入端。其中,冷源模块121还可以包括风机。这样,气泵1211可以不断地抽取从服务器散热支路110输出的气态制冷剂,从而将气态制冷剂压缩至冷凝压力,然后从冷凝器1212的输入端输送至冷凝器1212,在压力下等压冷却和冷凝成液态制冷剂,冷凝后的液态制冷剂从冷凝器1212的输出端流入服务器散热支路110的输入端,实现服务器210的散热。可选地,冷凝器1212可以为蒸发冷凝器、风冷冷凝器或带喷淋风冷冷凝器等。但不限于此。

在一个示例中,气泵1211为无油气泵,如磁悬浮压缩机和气悬浮压缩机等。如此设置,冷却装置100更加简单,可以避免油膜热阻及多级换热损失,从而可以有效提高能源效率,降低成本,例如能源效率可以提升70%以上,按照服务器210数量为10万台来计算,可以降低运营成本约1亿元/年。

可选地,参照图3,服务器散热支路110可以包括液泵115和膨胀阀116,液泵115和膨胀阀116均位于服务器散热支路110的输入端。这样,在第一冷却模式下,液泵115可以用于泵送液态制冷剂在服务器散热支路110和第一冷源支路120之间循环流动;在第二冷却模式下,液冷可以用于泵送液态制冷剂在服务器散热支路110和换热器131之间循环流动。而且,膨胀阀116可以起到有效的节流和降压作用,使从换热器131或冷源模块121输出的高温高压液态制冷剂经过膨胀阀116的节流孔节流后,成为低温低压的雾状的液压制冷剂,为液压制冷剂的蒸发创造条件,且可以控制液态制冷剂的流量,保证从服务器散热支路110的输出端输出的制冷剂为气态制冷剂的同时,可以实现较好的制冷效果。

在一种实施方式中,如图4所示,服务器散热支路110包括多个芯片冷板111,多个芯片冷板111分别贴设于服务器210的多个芯片,液态制冷剂从芯片冷板111内通过并与芯片换热而转化为气态制冷剂。其中,上述芯片可以为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)或图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)。服务器210还可以包括硬盘和板卡等,整个服务器210的一部分散热量可以通过与流经芯片冷板111的液态制冷剂换热实现,另一部分散热量可以通过与空气换热实现。

由此,通过设置上述的多个芯片冷板111,液态制冷剂从芯片冷板111中通过时可以与芯片进行热交换,带走芯片工作时产生的热量,使芯片表面的温度可以保持在一定范围内,避免由于温度过高而影响芯片的正常工作,有效延长服务器210的使用寿命。而且,由于芯片冷板111直接贴设于多个芯片,液态制冷剂与芯片之间的距离较小,可以极大地提升液态制冷剂与芯片之间的换热效果,从而使冷却装置100可以实现高功率机柜(例如单机柜功率密度达到50kW)的服务器210的有效散热,至少满足未来5年~10年的服务器210散热需求。

示例性地,结合图3和图4,服务器散热支路110可以包括室内机模块,室内机模块可以起到蒸发器的作用,以实现对服务器210的散热。其中,室内机模块可以包括液冷整机柜11a例如板式液冷整机柜,液冷整机柜11a包括多个芯片冷板111,液冷整机柜11a的输入端和输出端可以通过快速接头117与服务器散热支路110的管路快速对接。其中,快速接头117与液冷整机柜11a和管路之间可以采用机械连接或焊接的方式相连。

当然,本公开不限于此,室内机模块还可以包括风冷模块,例如可以包括风墙11b、列间空调11c和背板空调等。此时数据中心200可以为风冷数据中心,单机柜功率密度可以为2kW~20kW(包括端点值)。风冷模块输出的冷空气可以带走机柜内的服务器210工作时产生的热量,同样可以实现服务器210的散热。

在一种实施方式中,参照图4,服务器散热支路110还包括液冷集液管112,液冷集液管112用于容纳液态制冷剂,液冷集液管112的输出端与多个芯片冷板111的输入端分别相连。例如,液冷集液管112可以包括第一主管和多个第一支管,多个第一支管的输入端均连接于第一主管的输出端,每个第一支管的输出端与对应的芯片冷板111的输入端相连。这样,液冷集液管112可以为液态制冷剂的输入起到较好的收集和分配作用,使液态制冷剂可以通过液冷集液管112分别分配至多个芯片冷板111,从而可以为多个芯片提供冷量,使多个芯片工作时产生的热量可以传导至液态制冷剂,实现多个芯片的有效散热。

在一种实施方式中,结合图4,服务器散热支路110还可以包括液冷集气管114,用于容纳气态制冷剂,液冷集气管114的输入端与多个芯片冷板111的输出端分别相连。示例性地,液冷集气管114可以包括第二主管和多个第二支管,多个第二支管的输入端分别与多个芯片冷板111的输出端相连,多个第二支管的输出端均连接于第二主管的输入端。如此设置,在液态制冷剂吸热蒸发为气态制冷剂后,液冷集气管114可以为气态制冷剂的输出起到有效的收集和导向作用,使从多个芯片冷板111输出的气态制冷剂可以汇集至液冷集气管114,然后通过液冷集气管114输出至第一冷源支路120或换热器131。

可选地,液冷集液管112和液冷集气管114可以为铜管、不锈钢管或铝合金管等。其中,液冷集液管112和液冷集气管114的材质既可以相同,也可以不同。如此设置,液冷集液管112和液冷集气管114可以具有较高的结构强度,且耐腐蚀性较好。

当然,液冷集液管112和液冷集气管114的材质不限于上述几种。可以理解的是,液冷集液管112和液冷集气管114的具体材质可以根据实际需求具体确定,以更好地满足实际应用。

进一步地,如图4所示,液冷集液管112的输入端设置有节流装置113。例如,节流装置113可以为电子膨胀阀或热力膨胀阀等。当节流装置113为电子膨胀阀时,液冷整机柜11a的输出端可以设置有温度传感器和压力传感器,以采集过热度信号,控制器可以根据过热度信号来调节电子膨胀阀的开度;当节流装置113为热力膨胀阀时,液冷整机柜11a的输出端可以设置有感温包,以机械控制热力膨胀阀的开度。由此,上述的节流装置113对液态制冷剂可以起到有效的节流降压作用,同时可以控制液态制冷剂的流量。

下面结合图3详细描述冷却装置100的三种工作模式。冷却装置100从流动工质的角度可以分为一次侧和二次侧,其中,一次侧的流动工质可以为水,通过补水系统和排气系统等辅助系统进行补水,二次侧的流动工质可以为制冷剂,换热器131可以为水氟换热器。

(1)第一冷却模式

在第一冷却模式下,第一调节阀122开启,第二调节阀132关闭。二次侧制冷剂的循环流动路径为:蒸发器(即液冷整机柜11a或室内机盘管)→气泵1211→第一调节阀122→冷凝器1212→液泵115→膨胀阀116→蒸发器,完成制冷循环。

一次侧水的循环流动路经:换热器131→水泵143→热泵机组141→水蓄冷罐142→换热器131。此时水循环流路无除损耗以外的热负荷,水蓄冷罐142为备用充冷状态,因此一次侧可断续运行,只需确保水蓄冷罐142的出水温度低于二次侧制冷剂冷凝温度3℃~8℃(包括端点值),例如可以为6℃。这样,在保证水蓄冷罐142的冷量可以满足市电停电时的冷量需求的同时,配电更加合理,可以进一步降低成本。

(2)第二冷却模式

在第二冷却模式下,第一调节阀122关闭,第二调节阀132开启。二次侧制冷剂循环流动路径为:蒸发器→第二调节阀132→换热器131→液泵115→膨胀阀116→蒸发器,完成制冷循环。此时换热器131可以起到冷凝器的作用,使气态制冷剂可以转化为液态制冷剂。

一次侧水的循环流动路径为:换热器131→水泵143→热泵机组141→水蓄冷罐142→换热器131,此时水循环流路提供最终热负荷,保证在市电停电或常用冷源故障时水蓄冷罐142可以放冷以实现服务器210的有效散热,可以减少UPS的配置,从而使得冷却装置100可以适用于成本压力大、建筑面积小、PUE指标要求高的地区,如中国的北京、上海等地区。

(3)热回收模式

在热回收模式下,第一调节阀122关闭,第二调节阀132开启。二次侧制冷剂的循环流动路径以及一次侧水的循环流动路径均与第二冷却模式相同。

此时热回收装置开启,热泵机组141在对内提供冷源的同时,还对外提供热源,为热用户提供热水,从而可以有效利用数据中心200的热能,实现能源的综合利用。

下面结合图3和图5描述根据本公开第二方面实施例的数据中心200。

如图5所示,根据本公开第二方面实施例的数据中心200,包括多个服务器210以及多个根据本公开上述第一方面实施例的冷却装置100。多个冷却装置100可以分别为多个服务器210散热,例如,可以是一个冷却装置100为多个服务器210散热;或者,多个冷却装置100为一个服务器210散热;当然,还可以是一个冷却装置100为一个服务器210散热,此时多个冷却装置100与多个服务器210一一对应。其中,多个冷却装置100构成冷却系统220。

根据本公开实施例的数据中心200,通过采用上述的冷却装置100,可以在市电停电的情况下通过换热器131将气态制冷剂转化为液态制冷剂,可以减小整个数据中心200的UPS的配置数量,从而可以降低投资成本,减小配电室的建筑面积。

在本说明书的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。

此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。

在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接,还可以是通信;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开,上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本申请。此外,本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

上述具体实施方式,并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是,根据设计要求和其他因素,可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本公开保护范围之内。

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