СИСТЕМА ГИБРИДНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СТОЙКИ Российский патент 2023 года по МПК G06F1/20 H05K7/20 

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к инженерным системам для обеспечения бесперебойной и длительной работы серверного оборудования центров обработки данных.

В настоящее время в области вычислительной техники наблюдается тенденция устойчивого роста плотности вычислительных мощностей серверного оборудования, связанная с тем, что современное вычислительное оборудование становится все более высокопроизводительным и занимает гораздо меньшие габариты. Данный факт ежегодно ужесточает требования к инженерным системам для серверного оборудования, становится все более затруднительным применение доступных на сегодняшний день решений по обеспечению параметров работы вычислительного оборудования с заданной точностью и высокой степенью универсальности инженерного оборудования. Разработанное техническое решение позволяет решить указанные технические проблемы.

Известно гибридное устройство для охлаждения акселераторной (ускоряющей) аппаратуры [п. ЕПВ №3934402, МПК Н05К 7/20, приоритет 22.09.2021 г., опубликовано 05.01.2022 г.], содержащее серверную стойку для размещения оборудования и шкаф с блоком охлаждения, состоящим из воздушного и жидкостного охлаждающих контуров, соединенных с внешним источником холода, при этом воздушный охлаждающий контур содержит вентиляторы и воздушный теплообменник, установленный вдоль вентиляторов и соединенный с внешним источником холода, а жидкостный охлаждающий контур содержит по меньшей мере один закрепленный на оборудовании в стойке микроканальный теплообменник, соединяемый с коллекторами распределения хладоносителя, установленными вдоль серверной стойки. Гибридное устройство оснащено датчиком давления.

Недостатками известного изобретения являются сложность в процессе масштабирования систем охлаждения на базе данного изобретения, за счет чего отсутствует универсальность устройства, а соответственно существенно сокращает область его применения, также невозможность точного поддержания определенной температуры вычислительного оборудования.

Известно охлаждающее устройство [п. Китая №113365477, МПК Н05К 7/20, приоритет 22.06.2021 г., опубликовано 07.09.2021 г.], содержащее серверную стойку для размещения оборудования и шкаф с блоком охлаждения, состоящим из воздушного и жидкостного охлаждающих контуров, соединенных с внешним источником холода, при этом воздушный охлаждающий контур содержит вентиляторы и воздушный теплообменник, установленный вдоль вентиляторов и соединенный с внешним источником холода, а жидкостный охлаждающий контур содержит по меньшей мере один закрепленный на оборудовании в стойке микроканальный теплообменник, соединяемый с коллекторами распределения хладоносителя, установленными вдоль серверной стойки. Серверная стойка установлена в шкафу.

Недостатками известного изобретения являются невозможность точного поддержания оптимальной температуры охлаждающих сред, необходимость установки фильтров подаваемого воздуха в случаях предъявления к нему особых требований по чистоте, ограничения по мощности охлаждения воздуха и воды, подаваемых на серверное оборудование ввиду особенностей циркуляции воздушных масс в изобретении.

Данное устройство принимается за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении точности поддерживаемой температуры и универсальности системы охлаждения.

Указанный технический результат достигается тем, что система гибридного охлаждения стойки содержит серверную стойку для размещения оборудования и шкаф с блоком охлаждения, состоящим из воздушного и жидкостного охлаждающих контуров, соединенных с внешним источником холода, при этом воздушный охлаждающий контур содержит вентиляторы и воздушный теплообменник, установленный вдоль вентиляторов и соединенный с внешним источником холода, а жидкостный охлаждающий контур содержит, по меньшей мере, один закрепленный на оборудовании в стойке микроканальный теплообменник, соединяемый с коллекторами распределения хладоносителя, установленными вдоль серверной стойки, согласно изобретению она снабжена по меньшей мере одним дополнительным шкафом, датчиками температуры воздуха, системой удаления конденсата и системой автоматизации, причем дополнительный шкаф герметично соединен со шкафом, образуя единую внутреннюю герметичную полость, при этом система удаления конденсата и система автоматизации расположены в нижней и боковой частях шкафа, соответственно, а серверная стойка с оборудованием и датчики температуры воздуха установлены в дополнительном шкафу, так что датчики температуры воздуха расположены между стойкой и боковыми стенками дополнительного шкафа, кроме того жидкостный охлаждающий контур снабжен пластинчатым теплообменником, подключенным к внешнему источнику холода, циркуляционными насосами, обратными клапанами и фильтром, все элементы жидкостного охлаждающего контура соединены в замкнутый контур, причем в замкнутом контуре на входе и выходе пластинчатого теплообменника установлены датчики температуры жидкости, на входах хладоносителя от внешнего источника холода к воздушному и жидкостному охлаждающим контурам установлены трехходовые клапаны, два порта каждого из которых подключены на вход хладоносителя в контуры, а третий порт подключен к выходу отепленного хладоносителя из контуров.

Таким образом, снабжение системы, по меньшей мере, одним дополнительным шкафом, датчиками температуры воздуха, системой удаления конденсата и системой автоматизации, герметичное соединение дополнительного шкафа со шкафом, образующее единую внутреннюю герметичную полость, расположение системы удаления конденсата и системы автоматизации в нижней и боковой частях шкафа, соответственно, а серверной стойки с оборудованием и датчиков температуры воздуха в дополнительном шкафу, так что датчики температуры воздуха расположены между стойкой и боковыми стенками дополнительного шкафа, снабжение жидкостного охлаждающего контура пластинчатым теплообменником, подключенным к внешнему источнику холода, циркуляционными насосами, обратными клапанами и фильтрами, образующими замкнутый контур, установка в замкнутом контуре на входе и выходе пластинчатого теплообменника датчиков температуры жидкости, установка на входах хладоносителя от внешнего источника холода к воздушному и жидкостному охлаждающим контурам трехходовых клапанов, два порта каждого из которых подключены на вход хладоносителя в контуры, а третий порт подключен к выходу отепленного хладоносителя из контуров, позволяет увеличить точность поддерживаемой температуры, за счет применения датчиков температуры высокой точности и алгоритма работы системы автоматизации, обеспечивающего точное регулирование параметров работы трехходовых клапанов, насосов и вентиляторов, и обеспечить универсальность системы охлаждения, за счет использования воздушного и жидкостного контуров охлаждения, позволяющих обеспечить охлаждение оборудования широкой номенклатуры.

Кроме того, с целью обеспечения требуемого уровня безопасности и стабильности работы системы, жидкостный охлаждающий контур снабжен расширительным баком, установленным в верхней части шкафа и подключенный к линии всасывания циркуляционных насосов.

Кроме того, с целью предотвращения скопления конденсата, система удаления конденсата состоит из поддона, реле уровня и дренажного насоса, причем поддон расположен под воздушным теплообменником, в поддоне установлено реле уровня, взаимодействующее с системой автоматизации, управляющей работой дренажного насоса, установленного над поддоном.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежами:

на фиг. 1 представлен общий вид системы гибридного охлаждения;

на фиг. 2 - общий вид блока охлаждения.

Система гибридного охлаждения стойки содержит серверную стойку 1 для размещения оборудования и шкаф 2 с блоком охлаждения.

Серверная стойка 1 (фиг. 1) установлена в дополнительном шкафу 3. В стойке 1 размещено оборудование с объектами, такими как процессор, чип, модуль и другие тепловыделяющие компоненты, нуждающимися в охлаждении. Между дверцами дополнительного шкафа 3 и торцевыми частями серверной стойки 1 установлены датчики температуры (не показано) подаваемого на оборудование и выходящего из него воздуха.

Шкаф 2 герметичен и герметично соединен с дополнительным шкафом 3 таким образом, что их внутренние полости создают единую герметичную полость.

Блок охлаждения (фиг. 2) состоит из воздушного и жидкостного охлаждающих контуров, системы удаления конденсата и системы автоматизации (не показано). Воздушный и жидкостный охлаждающие контуры соединены трубопроводом с внешним источником холода (не показано), в качестве которого могут служить чиллер, драйкулер и водопровод. В качестве хладоносителя из внешнего источника холода может быть использована вода и водные растворы этилен- и пропиленгликоля, а также другие жидкости, обладающие необходимыми термодинамическими показателями.

Воздушный охлаждающий контур включает воздушный теплообменник 4 и вентиляторы 5. Количество вентиляторов 5 может быть разным в зависимости от необходимой мощности системы. Вентиляторы 5 установлены вертикально вдоль одной стенки шкафа 2, по меньшей мере, в один ряд с отсутствием щелей и зазоров между ними. Вдоль ряда вентиляторов 5 установлен воздушный теплообменник 4, соединенный трубопроводом с внешним источником холода. На трубопроводе, соединяющем воздушный теплообменник 4 с внешним источником холода, внутри шкафа 2 установлен трехходовой клапан 6, имеющий три порта подключения. Два порта подключения задействованы на подаче хладоносителя в воздушный теплообменник 4 от внешнего источника холода, а третий порт соединен с трубопроводом выхода отепленного хладоносителя из воздушного теплообменника 4. Трехходовой клапан 6 предназначен для поддержания точно заданной температуры воздуха, за счет изменения расхода хладоносителя через воздушный теплообменник 4 путем перепуска части хладоносителя с его входа на выход, минуя сам воздушный теплообменник 4.

Жидкостный охлаждающий контур содержит последовательно соединенные трубопроводом в замкнутый контур элементы: пластинчатый теплообменник 7, циркуляционные насосы 8, обратные клапаны 9, коллектор 10 распределения хладоносителя, медные микроканальные теплообменники 11, коллектор 10 распределения хладоносителя, фильтры 12 и пластинчатый теплообменник 7. Пластинчатый теплообменник 7 трубопроводом соединен с внешним источником холода. К трубопроводу подачи хладоносителя от внешнего источника холода к пластинчатому теплообменнику 7 присоединены два порта подключения трехходового клапана 13, третий порт которого подключен к трубопроводу отепленного хладоносителя на выходе из пластинчатого теплообменника 7. На трубопроводах замкнутого контура жидкостного охлаждающего контура у входа и выхода хладоносителя в пластинчатый теплообменник 7 установлены накладные датчики температуры жидкости (не показано). Датчики температуры жидкости позволяют обеспечить точность регулировки контролируемой температуры и мониторинг параметров работы системы, за счет передачи сигнала на систему автоматизации в течение всего времени работы системы. К линии всасывания циркуляционных насосов 8 отдельным трубопроводом подключен расширительный бак 14, установленный в верхней части шкафа 2. Расширительный бак 14 представляет собой стальную емкость с расположенной внутри деформируемой мембраной, делящей емкость на две части (не показано). Одна часть емкости наполнена жидкой рабочей средой - хладоносителем, а вторая заполнена газом (например, техническим азотом). Расширительный бак 14 компенсирует температурные расширения хладоносителя в жидкостном охлаждающем контуре, обеспечивая требуемый уровень безопасности и стабильности работы системы. Каждый обратный клапан 9 содержит корпус, внутри которого расположен подпружиненный золотник с тарелками расположенными в латунном седле (конструктивные элементы клапанов не показаны). При условии использования в системе гибридного охлаждения нескольких насосов 8 с резервированием как минимум N+1 (N циркуляционных насосов 8 находится в работе, один остановлен и задействуется как резервный при выходе из строя работающего циркуляционного насоса 8) обратные клапаны 9 предотвращают явление перетока рабочей жидкости через резервный насос. Явление перетока может приводить к циркуляции хладоносителя в работающих насосах 8 из их коллектора нагнетания в коллектор всасывания. Фактически насосы 8 будут пропускать основную массу рабочей жидкости сами на себя, без обеспечения требуемого расхода в системе. Данный режим работы опасен для оборудования системы жидкостного охлаждения, обратные клапаны 9 помогают его избежать. Коллекторы 10 распределения хладоносителя установлены в дополнительном шкафу 3 по бокам вдоль всей серверной стойки 1 (фиг. 1). Медные микроканальные теплообменники 11 установлены непосредственно на объектах охлаждения в серверной стойке 1. Количество циркуляционных насосов 8, обратных клапанов 9, фильтров 12 может быть разным в зависимости от необходимой мощности системы и степени резервирования отдельных компонентов. В качестве хладоносителя в жидкостном охлаждающем контуре может применяться вода и водные растворы этилен- и пропиленгликоля, а также другие жидкости, обладающие необходимыми термодинамическими показателями.

Система удаления конденсата (фиг. 2) состоит из поддона 15, реле уровня конденсата (не показано) и дренажного насоса 16. Поддон 15 установлен в нижней части шкафа 2 под блоком охлаждения для отведения конденсата, образование которого возможно в некоторых режимах работы воздушного теплообменника 4. В поддоне 15 установлено реле уровня конденсата, которое передает сигнал на систему автоматизации. Дренажный насос 16 установлен в поддоне 15, подключен к внешней сети канализации (не показано) и управляется системой автоматизации.

Система автоматизации выполнена в виде корпуса, закрепленного на внутренней стороне задней части шкафа 2. На передней панели корпуса расположен рубильник для отключения питания блока охлаждения. Система автоматизации обеспечивает контроль и управление вентиляторами 5, циркуляционными насосами 7 и трехходовыми клапанами 6 и 13; поддержание заданных параметров микроклимата; реализацию алгоритма работы оборудования при пожаре; сбор и передачу телеметрической информации о состоянии оборудования на верхний уровень; организацию работы интерфейса «человек-машина»; питание и управление электромагнитными замками дверей стойки. Система автоматизации взаимодействует с реле уровня конденсата, датчиками температуры воздуха и жидкости. Питание системы автоматизации может осуществляться от внешней сети электроснабжения и/или источника бесперебойного питания. Внешним источником питания может являться одно- или трехфазная сеть с напряжением переменного или постоянного тока. При использовании источника бесперебойного питания осуществляется дополнительная защита оборудования системы гибридного охлаждения от скачков, изменений, отключений во внешней сети электроснабжения.

Работает устройство следующим образом

Подключают систему автоматизации к источнику питания. Включают внешний источник холода. Включают систему автоматизации, запускающую блок охлаждения в тестовом режиме. Запуск блока охлаждения начинается с запуска циркуляционных насосов 8, вентиляторов 5 и перевода в пусковое положение трехходовых клапанов 6 и 13. Если в тестовом режиме работы блок охлаждения работает стабильно без аварийных и предупредительных сигналов, то система автоматизации переходит к управлению параметрами микроклимата внутри серверной стойки, переводя блок охлаждения в рабочий режим. Если во время работы в тестовом режиме от блока охлаждения на систему автоматизации поступает аварийный или предупредительный сигнал, то система автоматизации передает сигнал оператору и блокирует работу системы для устранения неисправностей.

В рабочем режиме блока охлаждения хладоноситель от внешнего источника холода поступает в пластинчатый теплообменник 7 и воздушный теплообменник 4. Пластинчатый теплообменник 7 охлаждает хладоноситель жидкостного охлаждающего контура. Циркуляционные насосы 8 перекачивают хладоноситель из пластинчатого теплообменника 7 через обратные клапаны 9 в коллектор 10 распределения хладоносителя. В обратных клапанах 9 хладоноситель, за счет своего избыточного давления преодолевает сопротивление подпружиненного золотника, поднимая тарелки из седла, и проходит через обратный клапан 9, теряя часть давления. При выравнивании избыточного давления хладоносителя до и после обратного клапана 9, а также в случае, когда давление хладоносителя после клапана 9 становится больше, чем до него, пружина возвращает тарелки золотника в седло, препятствуя обратному движению потока хладоносителя. Тем самым поток хладоносителя направляется в коллектор 10. Коллектор 10 распределяет хладоноситель по медным микроканальным теплообменникам 11, расположенным непосредственно на охлаждаемом оборудовании. Медные микроканальные теплообменники 11 передают тепло от оборудования хладоносителю, затем направляют отепленный хладоноситель в коллектор 10, который направляет хладоноситель в фильтр 12. Фильтр 12 очищает отепленный хладоноситель от примесей и возвращает его в пластинчатый теплообменник 7. Цикл охлаждения серверного оборудования повторяется. Трехходовой клапан 13 и циркуляционные насосы 8, получив сигнал от датчика температуры, регулируют расход хладоносителя в жидкостном охлаждающем контуре для регулировки температуры подаваемого на оборудование хладоносителя. Регулировка расхода хладоносителя трехходовым клапаном 13 осуществляется перепуском части хладоносителя с входа в пластинчатый теплообменник 7 на его выход, за счет чего часть хладоносителя не проходит через пластинчатый теплообменник 7, а циркуляционными насосами 8 осуществляется изменением числа оборотов валов электродвигателей. В зависимости от давления и температуры хладоносителя, в расширетельном баке 14 газ через деформируемую мембрану воздействует на хладоноситель, за счет чего давление в системе сохраняется постоянным, без резких колебаний. Воздушный теплообменник 4, за счет циркуляции в нем хладоносителя от внешнего источника холода, охлаждает проходящий через него воздух, нагреваемый тепловыделяющим оборудованием, на котором не установлены медные микроканальные теплообменники 11. Для прохождения воздуха через воздушный теплообменник 4 вентиляторы 5 осуществляют циркуляцию воздуха во внутренней полости шкафа 2 и дополнительного шкафа 3, направляя охлажденный воздух к оборудованию, а теплый воздух к воздушному теплообменнику 4. Трехходовой клапан 6 и вентиляторы 5, получив сигнал от датчиков температуры, регулируют количество хладоносителя от внешнего источника холода, проходящего через воздушный теплообменник 4, и расход воздуха во внутренней полости шкафа 2 и дополнительного шкафа 3, соответственно, для точного поддержания температуры и количества подаваемого на охлаждаемое оборудование воздуха. Регулировка количества хладоносителя от внешнего источника холода, проходящего через воздушный теплообменник 4, осуществляется за счет изменения степени открытия трехходового клапана 6. Регулировка расхода воздуха во внутренней полости шкафа 2 и дополнительно шкафа 3 осуществляется вентиляторами 5, за счет изменения числа оборотов их лопастей.

В рабочем режиме блока охлаждения в поддоне 15 системы удаления конденсата скапливается конденсат от воздушного теплообменника 4. Реле уровня конденсата отслеживает уровень скопившегося во время работы блока охлаждения конденсата в поддоне 15. По достижению определенного уровня конденсата в поддоне 15, реле подает сигнал системе автоматизации, которая включает дренажный насос 16.

Дренажный насос 16 откачивает скопившийся конденсат во внешнюю сеть канализации. После снижения уровня конденсата в поддоне 15 реле перестает подавать сигнал на систему автоматизации, и она отключает дренажный насос 16. Если по истечению установленного времени уровень конденсата в поддоне 15 не падает и реле не перестает подавать сигнал на систему автоматизации, то система автоматизации выдает аварийный сигнал и останавливает работу блока охлаждения.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

• Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для вычислительной техники, а именно для инженерных систем для обеспечения бесперебойной и длительной работы серверного оборудования центров обработки данных;

• Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;

• Средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить увеличение точности поддерживаемой температуры и универсальность системы.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «Промышленная применимость».

Изобретение относится к инженерным системам для обеспечения бесперебойной и длительной работы серверного оборудования центров обработки данных. Технический результат - увеличение точности поддерживаемой температуры и универсальности системы охлаждения. Технический результат достигается тем, что система гибридного охлаждения стойки содержит серверную стойку для размещения оборудования и шкаф с блоком охлаждения, состоящим из воздушного и жидкостного охлаждающих контуров, соединенных с внешним источником холода. Воздушный охлаждающий контур содержит вентиляторы и воздушный теплообменник, установленный вдоль вентиляторов и соединенный с внешним источником холода. Жидкостный охлаждающий контур содержит по меньшей мере один закрепленный на оборудовании в стойке микроканальный теплообменник, соединяемый с коллекторами распределения хладоносителя, установленными вдоль серверной стойки. Система снабжена по меньшей мере одним дополнительным шкафом, датчиками температуры воздуха, системой удаления конденсата и системой автоматизации. Дополнительный шкаф герметично соединен со шкафом, образуя единую внутреннюю герметичную полость. Система удаления конденсата и система автоматизации расположены в нижней и боковой частях шкафа, соответственно. Серверная стойка с оборудованием и датчики температуры воздуха установлены в дополнительном шкафу, так что датчики температуры воздуха расположены между стойкой и боковыми стенками дополнительного шкафа. Жидкостный охлаждающий контур снабжен пластинчатым теплообменником, подключенным к внешнему источнику холода, циркуляционными насосами, обратными клапанами и фильтром, все элементы жидкостного охлаждающего контура соединены в замкнутый контур. В замкнутом контуре на входе и выходе пластинчатого теплообменника установлены датчики температуры жидкости. На входах хладоносителя от внешнего источника холода к воздушному и жидкостному охлаждающим контурам установлены трехходовые клапаны. Два порта каждого из трехходовых клапанов подключены на вход хладоносителя в контуры, а третий порт подключен к выходу отепленного хладоносителя из контуров. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система гибридного охлаждения стойки, содержащая серверную стойку для размещения оборудования и шкаф с блоком охлаждения, состоящим из воздушного и жидкостного охлаждающих контуров, соединенных с внешним источником холода, при этом воздушный охлаждающий контур содержит вентиляторы и воздушный теплообменник, установленный вдоль вентиляторов и соединенный с внешним источником холода, а жидкостный охлаждающий контур содержит по меньшей мере один закрепленный на оборудовании в стойке микроканальный теплообменник, соединяемый с коллекторами распределения хладоносителя, установленными вдоль серверной стойки, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным шкафом, датчиками температуры воздуха, системой удаления конденсата и системой автоматизации, причем дополнительный шкаф герметично соединен со шкафом, образуя единую внутреннюю герметичную полость, при этом система удаления конденсата и система автоматизации расположены в нижней и боковой частях шкафа, соответственно, а серверная стойка с оборудованием и датчики температуры воздуха установлены в дополнительном шкафу, так что датчики температуры воздуха расположены между стойкой и боковыми стенками дополнительного шкафа, кроме того, жидкостный охлаждающий контур снабжен пластинчатым теплообменником, подключенным к внешнему источнику холода, циркуляционными насосами, обратными клапанами и фильтром, все элементы жидкостного охлаждающего контура соединены в замкнутый контур, причем в замкнутом контуре на входе и выходе пластинчатого теплообменника установлены датчики температуры жидкости, на входах хладоносителя от внешнего источника холода к воздушному и жидкостному охлаждающим контурам установлены трехходовые клапаны, два порта каждого из которых подключены на вход хладоносителя в контуры, а третий порт подключен к выходу отепленного хладоносителя из контуров.

2. Система гибридного охлаждения стойки по п.1, отличающаяся тем, что жидкостный охлаждающий контур снабжен расширительным баком, установленным в верхней части шкафа и подключенным к линии всасывания циркуляционных насосов.

3. Система гибридного охлаждения стойки по п.1, отличающаяся тем, что система удаления конденсата состоит из поддона, реле уровня и дренажного насоса, причем поддон расположен под воздушным теплообменником, в поддоне установлено реле уровня, взаимодействующее с системой автоматизации, управляющей работой дренажного насоса, установленного над поддоном.