阅读说明：本技术 用于数据中心的浸入式冷却系统 (Immersion cooling system for data center ) 是由 高天翼 于 2019-06-17 设计创作，主要内容包括：本公开的实施方式提供用于浸入式冷却的系统设计。该设计采用单冷却回路设计。外部冷却单元,例如间接蒸发冷却(IDEC)系统,用于将热量从冷却回路传送到大气。冷却回路中的流体由集中泵或泵和局部泵驱动。流体被供应到浸入式冷却架或装置。该设计通过添加热回收系统引入了冷却回路基础设施的若干革新。在不同的运行条件下,热回收系统和外部冷却单元都可以连接到主浸入式冷却回路或从主浸入式冷却回路旁通。至少一些优点包括简化的基础设施、整体系统解决方案、高可靠性、快速部署、可行的系统运行调整、成本降低和高运行效率。(Embodiments of the present disclosure provide a system design for immersion cooling. The design uses a single cooling loop design. An external cooling unit, such as an indirect evaporative cooling (IDEC) system, is used to transfer heat from the cooling circuit to the atmosphere. The fluid in the cooling circuit is driven by a centralized pump or a pump and a local pump. The fluid is supplied to an immersion cooling rack or device. This design introduces several innovations in the cooling loop infrastructure by adding heat recovery systems. Under different operating conditions, both the heat recovery system and the external cooling unit may be connected to or bypassed from the main immersion cooling circuit. At least some of the advantages include simplified infrastructure, overall system solutions, high reliability, rapid deployment, feasible system operational tuning, cost reduction, and high operational efficiency.)

用于数据中心的浸入式冷却系统

技术领域

本公开的实施方式一般涉及数据中心。更具体地，本公开的实施方式涉及用于数据中心的侵入式冷却。

背景技术

散热是计算机系统和数据中心设计中的突出因素。高性能电子组件(例如封装在服务器内的高性能处理器)的数量稳步增加，从而增加了在服务器的日常操作期间生成和消散的热量。如果允许服务器运行的环境随着时间的推移而升温，则数据中心内使用的服务器的可靠性将降低。维持适当的热环境对于在数据中心中的这些服务器的正常运行以及服务器的性能和使用寿命至关重要。这就需要更为有效和高效的散热解决方案，特别是在冷却这些高性能服务器的情况下。

浸入式冷却技术最近引起了多方关注。许多努力集中于流体选择、信息技术(IT)侧设计、材料兼容性、测试和验证等方面。大多数解决方案利用现有的冷却基础设施(冷却水/冷水)或系统。在一些解决方案中，冷却剂分配单元(CDU)用于形成外部冷却回路和内部浸入式冷却流体回路。外部冷却回路可适用于任何类型的现有数据中心冷却基础设施。这些解决方案可能无法充分利用浸入式冷却的优势。

发明内容

根据本申请的一个方面，公开了一种数据中心浸入式冷却系统。该数据中心浸入式冷却系统包括：冷却单元，具有热交换器，所述热交换器包括用于使第一热交换材料循环的主回路和用于使内部冷却液循环以交换热量的次级回路；浸入槽，填充有所述内部冷却液，所述浸入槽容纳浸没在所述内部冷却液中的一个或多个服务器叶片，其中所述内部冷却液是导热介电液体，以提取从所述服务器叶片生成的热量；以及一对液体供应管线和液体返回管线，联接在所述冷却单元和所述浸入槽之间，以使所述内部冷却液在所述冷却单元和所述浸入槽之间循环，从而形成所述次级回路，而无需在所述冷却单元和所述浸入槽之间使用冷却剂分配单元，其中所述液体供应管线用于接收来自所述热交换器的冷却液，并将所述冷却液供应到所述浸入槽，以及其中所述液体返回管线用于接收携带从所述浸入槽交换的热量的所述冷却液，并使所述冷却液返回到所述热交换器。

根据本申请的另一方面，公开了一种数据中心浸入式冷却系统。该数据中心浸入式冷却系统包括：具有热交换器的冷却单元，所述热交换器包括用于使第一热交换材料循环的主回路和用于使内部冷却液循环以交换热量的次级回路；以及数据中心室。数据中心室包括：用于接收来自所述热交换器的所述内部冷却液的室内液体供应管线、用于使携带所交换的热量的所述内部冷却液返回到所述热交换器的室内液体返回管线、多个数据中心单元，其中所述数据中心单元联接到所述室内液体供应管线和所述室内液体返回管线、以及热再利用单元，所述热再利用单元联接到所述室内液体返回管线，以从在所述室内液体返回管线内流动的所述冷却液提取热量，以将所述热量重新用于其他目的。其中每个数据中心单元均包括：一个或多个浸入槽，所述浸入槽中的每个均容纳浸没在所述内部冷却液中的一个或多个服务器叶片，以及一个或多个局部液体泵，以将所述冷却液从所述浸入槽泵送到所述室内液体返回管线。

附图说明

本发明的实施方式在附图的图中通过示例而非限制的方式示出，在附图中，相同的附图标记表示类似的元件。

图1是示出根据一个实施方式的具有浸入式冷却的数据中心系统的示例的框图。

图2是示出根据另一实施方式的具有浸入式冷却的数据中心系统的示例的框图。

图3是示出根据另一实施方式的具有浸入式冷却的数据中心系统的示例的框图。

图4是示出根据另一实施方式的具有浸入式冷却的数据中心系统的示例的框图。

图5是示出根据另一实施方式的具有浸入式冷却的数据中心系统的示例的框图。

具体实施方式

将参考下面讨论的细节描述本公开的各种实施方式和方面，并且附图将示出各种实施方式。以下描述和附图是对本发明的说明，而不应被理解为限制本公开。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，没有描述众所周知的或常见的细节以便提供对本发明的实施方式的简明讨论。

说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合该实施方式所描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施方式中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施方式中”不一定都指向同一实施方式。

本发明的实施方式提出了一种用于IT和数据中心浸入式冷却的总体系统设计/解决方案。实施方式涵盖了从周围环境到IT的整个冷却基础设施设计。浸入式冷却与传统的空气冷却解决方案完全不同。因此，应该革新基础设施以匹配其相应的热特性和机械特性。此外，冷却基础设施应具有高效率、高可靠性、可快速部署、易于控制和维护等特点。由于大部分或全部热量被提取到浸入式冷却流体回路中，因此存在更多的热回收机会。

本发明的实施方式提供了一种用于浸入式冷却的系统设计。该设计采用单冷却回路设计。外部冷却单元，例如间接蒸发冷却(IDEC)系统，用于将热量从冷却回路传送到大气。冷却回路中的流体由集中泵或泵和局部泵驱动。流体被供应到浸入式冷却架或装置。该设计通过添加热回收系统引入了冷却回路基础设施的若干革新。在不同的运行条件下，热回收系统和外部冷却单元都可以连接到主浸入式冷却回路或从主浸入式冷却回路旁通。至少一些优点包括简化的基础设施、整体系统解决方案、高可靠性、快速部署、可行的系统运行调整、成本降低和高运行效率。

根据本发明的一个方面，基础设施包括外部冷却单元，用于将来自数据中心室和/或数据中心建筑物的热量交换到大气。外部冷却单元位于数据中心建筑物外部。浸入式冷却回路将外部冷却单元连接到一个或多个内部浸入式机架。在浸入槽内生成的热量被提取到浸入式冷却流体中，然后流体被泵出返回到外部冷却单元。外部冷却单元与浸入槽之间只有一个热传递回路。

根据一个实施方式，数据中心浸入式冷却系统包括冷却单元和填充有内部冷却液的浸入槽。冷却系统包括热交换器。热交换器包括用于使第一热交换材料(例如，冷却液或冷空气)循环的主回路和用于使内部冷却液循环的次级回路。浸入槽包含浸没在内部冷却液中的一个或多个服务器叶片(blades)。每个服务器叶片包括一个或多个IT组件(例如，处理器、存储器、存储设备)。内部冷却液是导热介电液体，以提取从服务器叶片生成的热量。数据中心浸入式冷却系统还包括一对液体供应管线和联接在冷却单元和浸入槽之间的液体返回管线，以形成次级回路，而无需在外部冷却单元和浸入槽之间使用CDU。液体供应管线配置成接收来自冷却单元的冷却液并将冷却液分配到浸入槽。液体返回管线用于接收携带从浸入槽交换的热量的冷却液，并将冷却液返回到热交换器。

在一个实施方式中，液体泵可以设置在液体供应管线和/或液体返回管线上。数据中心浸入式冷却系统还可以包括热回收单元，热回收单元联接到冷却单元的热交换器与浸入槽之间的液体返回管线。热回收单元被配置为从在液体返回管线内流动的冷却液中提取并回收热量，用于其他加热目的。热回收单元包括诸如热交换器的单元，该单元使用第二热交换材料交换在液体返回管线内流动的来自浸入式冷却液的热量。

在一个实施方式中，数据中心浸入式冷却系统还包括设置在热回收单元和冷却单元之间的液体返回管线上的流量控制装置(FCD)。FCD在被激活时被配置成将至少一部分冷却液从液体返回管线转移或重新路由返回到液体供应管线而不通过冷却单元的热交换器。在另一实施方式中，另一个FCD设置在液体供应管线上，所述FCD在被激活时被配置成将至少一部分浸入式冷却液从液体返回管线转移或重新路由到热回收单元。

根据本公开的另一方面，冷却系统设计还包括热回收系统。由于浸入式冷却系统将IT热负荷提取到流体，因此热回收系统设计在浸入式冷却回路的返回侧。在热流体返回到外部冷却单元之前，其首先通过热再利用单元。在本申请中，热再利用单元可与热回收系统互换。例如，热流体可用作办公室建筑物供水系统或办公室建筑物空气系统的加热源。对于浸入式冷却回路，热回收单元可以被认为是外部冷却源。因此，如果外部冷却源足够，这意味着所有的热量都被回收，然后从热再利用单元供应的浸入式回路流体可以直接返回到浸入式冷却回路供应，旁通外部冷却源。当系统不满足热回收系统要求或热回收系统正在维修时，或者浸入式冷却流体不需要通过热再利用单元的任何其他情况时，可以在设计中使用旁通回路，旁通热回收系统。

根据一个实施方式，数据中心浸入式冷却系统包括具有热交换器的冷却单元和包含一个或多个数据中心室的数据中心。热交换器包括用于循环第一冷却材料的主回路和用于使内部冷却液循环以用于热交换的次级回路。内部冷却液是导热介电液体。数据中心室还包括室内液体供应管线和室内液体返回管线。室内液体供应管线用于接收来自冷却单元的冷却液并将内部冷却液分配到浸入槽。室内液体返回管线用于接收携带从浸入槽交换的热量的内部冷却液，并将冷却液返回到冷却单元。每个室都联接到室内液体供应管线和室内液体返回管线。

每个数据中心单元包括一个或多个浸入槽和与浸入槽对应的一个或多个局部液体泵。每个浸入槽包含浸没在填充在浸入槽中的内部冷却液中的一个或多个服务器叶片。每个服务器叶片包括一个或多个IT组件(例如，处理器、存储器、存储设备)。与浸入槽相关联的局部泵配置成从浸入槽泵出冷却液并将冷却液传送回室内液体返回管线。数据中心室还包括热再利用单元(也称为热回收单元或系统)，所述热再利用单元联接到室内液体返回管线，以从在室内液体返回管线内流动的冷却液中提取热量，以将所提取的热量再用于其他目的(例如，热循环使用)。

在一个实施方式中，每个数据中心单元还包括单元供应歧管(也称为单元液体供应管线)和单元返回歧管(也称为单元液体返回管线)，所述单元供应歧管和单元返回歧管联接到每个浸入槽。单元供应歧管联接到室内供应管线以接收冷却液并将冷却液分配到浸入槽。单元返回歧管用于接收携带从浸入槽交换的热量的冷却液，并将冷却液传送回室内液体返回管线。在一个实施方式中，每个局部泵设置在相应的浸入槽和单元返回歧管之间。

在一个实施方式中，数据中心室还包括设置在室内液体返回管线上的第一流量控制装置(FCD)。第一FCD在被激活时配置成将至少一部分冷却液从液体返回管线转移或重新路由到热再利用单元。在另一实施方式中，数据中心室还包括联接在热再利用单元和室内液体供应管线之间的第二FCD装置。第二FCD在被激活时配置成将从热再利用单元接收的至少一部分冷却液转移或重新路由到室内液体供应管线，旁通外部冷却单元的热交换器。

图1是示出根据一个实施方式的数据中心系统的框图。参考图1，数据中心浸入式冷却系统100被称为具有浸入式冷却的数据中心系统。在一个实施方式中，数据中心浸入式冷却系统100包括联接到外部冷却单元102的数据中心或数据中心单元101。外部冷却单元102可以是间接蒸发冷却(IDEC)单元。冷却单元102包括热交换器105，热交换器105可以是液体-液体热交换器或空气-液体热交换器。通常，热交换器105包括主回路106和次级回路107。主回路106用于循环外部冷却材料，例如外部空气或外部液体。次级回路107用于使内部冷却液循环以与主回路106的外部冷却材料进行热交换。

在一个实施方式中，数据中心101包括填充有内部冷却液(即浸入式冷却液)的浸入槽103。虽然这里示出了一个浸入槽，但是在数据中心101内也可以包括更多浸入槽。浸入槽103包含一个或多个服务器叶片104，并且每个服务器叶片包括一个或多个IT组件(例如，处理器、存储器、存储设备)。服务器叶片104浸没在内部冷却液中。内部冷却液是设计成从服务器叶片中提取热量的导热介电液体。这种冷却技术称为浸入式冷却。

服务器浸入式冷却是计算机冷却实践，通过该实践，计算机部件或服务器浸没在导热介电液体中。适用于浸入式冷却的普通电介质通常是油基的。服务器浸入式冷却有可能成为绿色数据中心的大众服务器冷却解决方案，因为它允许服务器大幅地降低能量负荷，无论它们的PUE如何。由浸入式冷却进行冷却的服务器和其他IT硬件不需要风扇，因此风扇被移除。

返回参考图1，根据一个实施方式，数据中心101包括液体供应管线111和液体返回管线112，液体供应管线111和液体返回管线112联接到冷却系统102的热交换器105的次级侧以形成次级回路。另外，液体供应管线111联接到浸入槽103的进口端口，而液体返回管线112联接到浸入槽103的出口端口。液体供应管线111配置成从热交换器105接收冷却液并且将冷却液分配到浸入槽103。液体返回管线112配置成接收携带从浸入槽103的服务器叶片104交换的热量的冷却液，并将冷却液返回到热交换器105以进行热交换。

另外，液体泵115可以设置在液体返回管线112上，以泵出和循环冷却液以在次级回路内流动。此外，可以在系统中设计多个泵(在主供应管线111上或在主返回管线112上用于冗余目的)。应注意，如果在数据中心101内有多个浸入槽，则会有多对液体供应管线和液体返回管线，以使浸入槽与冷却系统102的热交换器105联接。与传统的冷却系统不同，经由液体供应管线111、浸入槽103和液体返回管线112的次级回路107是单传热回路，而不使用其间的CDU。通常，CDU还包括其中具有主回路和次回路的热交换器，所述热交换器将在冷却系统102和浸入槽103之间形成多个回路。还应注意，液体泵115可以设置在液体供应管线111上或者可选地，可以有多个液体泵，一个设置在液体供应管线111上，而另一个设置在液体返回管线112上。

图2是示出根据另一实施方式的数据中心系统的示例的框图。参考图2，数据中心包括数据中心室200，所述数据中心室200包含一个或多个数据中心单元，例如数据中心单元101。数据中心室200包括联接到热交换器105的次级回路107的一端的室内液体供应线211和联接到热交换器105的次级回路107的另一端的室内液体返回管线212。室内液体供应管线211联接到每个数据中心单元的单元液体供应管线，例如，数据中心单元101的单元液体供应管线111。室内液体返回管线212联接到每个数据中心单元的单元液体返回管线，例如，数据中心单元101的单元液体返回管线112。

根据一个实施方式，热再利用单元(也称为热回收单元)201联接到室内液体返回管线212。热再利用单元201在其中包括类似于热交换器的装置，以使用第二外部热交换材料(例如，以空气或液体的形式)通过一对热再利用供应管线221和热再利用返回管线222(例如，次级回路或热交换通道)来交换流过室内液体返回管线212(例如，主回路)的热量。从室内液体返回管线212提取的热量可以用于其他目的，例如，诸如加热建筑物的水或加热房间的空间等。携带从浸入槽101交换的热量的冷却液首先流过热再利用单元201，然后返回到冷却单元102的热交换器105。

在一个实施方式中，一个或多个液体泵(例如液体泵203)可以设置在室内液体供应管线211和/或室内液体返回管线212上。液体泵203配置成将冷却液从热交换器105泵出到数据中心单元101。根据另一实施方式，流量控制装置(FCD)202在热交换器105和热再利用单元201之间设置在室内液体返回管线212上。当FCD 202被激活时，FCD 202配置成通过旁通路径230将至少一部分冷却液从室内液体返回管线212转移或重新路由到室内液体供应管线211。

FCD 202可以是三通阀，可以配置在第一切换位置和第二切换位置。FCD 202也可以是安装在管线230上的双向阀。当FCD 202配置在第一切换位置时，允许冷却液流过室内液体返回管线212以从浸入槽101到达热交换器105。当FCD 202配置在第二切换位置时，旁通路径230开启或打开，冷却液流过旁通路径230以到达室内液体供应管线211，旁通热交换器105。在一个实施方式中，温度传感器可以设置在室内液体返回管线212(未示出)上，例如，在FCD 202和热再利用单元201之间，以感测和监测在室内液体返回管线212或230内流动的冷却液的温度。当冷却液的温度下降到预定阈值以下时，FCD 202和旁通路径230被激活。背后的基本原理是当冷却液的温度低时，不需要将冷却液送到热交换器105进行热交换。冷却液可以直接被再循环回室内液体供应管线211。

应注意，每个数据中心单元可以包含多个浸入槽，如图3所示。现在参考图3，在该示例中，数据中心单元101包括联接到单元供应歧管111(也称为单元液体供应管线)的多个浸入槽103A-103D(统称为浸入槽103)和单元返回歧管112(也称为单元液体返回管线)。单元液体供应歧管111配置成从室内液体供应管线211接收冷却液并将冷却液分配到浸入槽103。单元液体返回歧管112配置成接收携带从浸入槽103交换的热量的冷却液并返回到室内液体返回管线212。

对于每个浸入槽103，罐液体供应管线(例如，液体供应管线301A-301D，统称为罐液体供应管线301)联接到单元液体供应歧管111以将冷却液输送到相应的浸入槽。类似地，罐液体返回管线(例如，液体返回管线302A-302D，统称为液体返回管线302)联接到单元返回歧管212，以接收冷却液并将冷却液从相应的浸入槽返回到单元液体返回歧管212。此外，可以利用诸如泵115A-115D的局部泵将冷却液从浸入槽103泵出到单元液体返回歧管112。替代地，可以在单元液体供应歧管111和/或单元液体返回歧管112上设置局部泵。

图4是示出根据另一实施方式的数据中心浸入式冷却系统的框图。参考图4，在该实施方式中，附加的FCD 240设置在室内液体返回管线212上，以通过路径213将至少一部分冷却液转移或重新路由到热再利用单元201。因此，可以控制液体流动通过路径212、路径213或两者。也就是说，当热再利用系统201不满足热回收系统要求或热回收系统正在维修时，或者浸入式冷却流体不需要通过热再利用单元201的任何其他情况时，可以通过FCD240关闭路径213而停用热再利用单元201。例如，如果热再利用单元201的输出处的液体温度(在FCD 202和热再利用单元201之间)高于预定阈值，这意味着热量没有被成功回收或重复使用。因此，不需要激活热再利用单元201，并且冷却液流应该通过路径212流到热交换器105而不经过热再利用单元201。类似于图3所示的配置，每个数据中心单元可以包含多个浸入槽，如图5所示。

在前面的说明书中，已经参考本公开具体的示例性实施方式描述了本公开的实施方式。显而易见的是，在不脱离如所附权利要求所述的本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种修改。因此，说明书和附图应被视为说明性意义而非限制性意义。