一种基于相变流体的数据中心液冷系统
1.本发明涉及数据中心液冷系统技术领域，更具体的说是涉及一种基于相变流体的数据中心液冷系统。
背景技术：
2.随着现在人工智能、云计算、大数据技术的高速发展，数据中心、5g成为支撑未来经济社会发展的战略资源和公共基础设施。为贯彻落实碳达峰、碳中和的目标要求，针对大型数据中心和5g的基础设施建设，提出了平均电能利用效率的要求，即pue(power usage effectiveness)值必须控制在1.3以下。传统的风冷系统已无法达到现在能耗要求。
3.目前数据中心的液冷系统主要分为冷板式和浸没式两种，且以冷板式液冷系统为主。“一种换热管路及数据中心液冷系统”(申请号：201810284518.0)专利中公开了一种以去离子水为换热工质的数据中心液冷系统，冷却塔的回水可从38℃冷却至32℃，但需要辅助空调系统为数据中心环境进行冷却。在“一种数据中心液冷系统”(申请号：201910289286.2)专利中公开了一种间接接触式液冷与单相直接浸没式液冷以及自然冷却的结合数据中心液冷系统，采用高沸点矿物油或氟化液作为冷却工质，但是该类冷却工质粘度系数高、流动性差，增大了泵的损耗，降低了数据中心的绿化程度。
4.由此可见，在液冷系统中液冷工质是提高液冷效率的关键，常用的液冷工质主要是去离子水、冷冻水、乙二醇和氟化液等，但由于受热物理性能的限制，液冷系统的换热效率提升空间非常有限。
5.因此，如何提供一种基于相变流体的数据中心液冷系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
6.鉴于此，本发明提供了一种基于相变流体的数据中心液冷系统，能够通过相变流体实现对数据中心的冷却，提升换热效率降低输送功耗，并且能够实现对相变流体的再分散，防止相变流体中的固体颗粒团聚，提高系统持续性。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于相变流体的数据中心液冷系统，包括一次侧水冷循环子系统、二次侧相变流体循环子系统和换热装置；
9.所述二次侧相变流体循环子系统与服务器进行换热；
10.所述一次侧水冷循环子系统与所述二次侧相变流体循环子系统通过所述换热装置进行换热；
11.二次侧相变流体循环子系统内设置有分散器，用于对相变流体进行分散。
12.进一步的，所述二次侧相变流体循环子系统包括二次侧供液管路、冷板和二次侧回液管路；所述分散器设置在所述二次侧供液管路中；
13.所述二次侧供液管路、所述冷板和所述二次侧回液管路依次连接；
14.所述二次侧供液管路的流入端与所述换热装置的二次侧供液口连接；
15.所述冷板安装在所述数据中心的柜体内部，经由所述二次侧供液管路进入所述冷板的相变流体与数据中心进行换热后通过所述二次侧回液管路流回所述换热装置的二次侧进液口。
16.进一步的，还包括多个数据采集子系统和控制子系统，
17.所述数据采集子系统包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；
18.多个所述数据采集子系统分别设置在二次侧供液管路和二次侧回液管路的首尾两端；
19.多个所述数据采集子系统与所述控制子系统电连接。
20.进一步的，所述二次侧供液管路包括依次连接的第一软管、第一电磁流量阀、第一流体输送泵和安全阀；所述分散器设置在所述换热装置的二次侧供液口和所述第一软管之间；
21.所述二次侧回液管路包括依次连接的第二电磁流量阀、第二流体输送泵、膨胀罐、排气阀和第一过滤器；
22.其中，所述第一电磁流量阀、所述第一流体输送泵、所述第二电磁流量阀和所述流体输送泵均与所述控制子系统电连接。
23.进一步的，所在所述二次侧供液管路上安装有离子交换树脂固定床，用于消除相变流体中的离子杂质；其中，所述离子交换树脂固定床可安装于二次侧供液管路中靠近冷板的一侧，避免服务器冷板换热这边位置流体导电。
24.进一步的，所述离子交换树脂固定床安装于所述第一流体输送泵和所述安全阀之间。
25.进一步的，所述一次侧水冷循环子系统包括一次侧供水管路和一次侧回水管路；
26.所述一次侧供水管路包括依次连接的冷却塔、第二过滤器、第三电磁流量阀和第三流体输送泵；通过第三流体输送泵的冷流体去离子水在所述换热装置内与来自服务器机柜的热流体相变流体进行热交换；
27.所述一次侧回水管路包括依次连接的第四流体输送泵和第四电磁流量阀；
28.其中，所述第三电磁流量阀、所述第三流体输送泵、所述第四电磁流量阀和所述第四流体输送泵均与所述控制子系统电连接。
29.进一步的，所述数据采集子系统还设置在所述冷却塔的回水端和所述换热装置的一次侧供水端；
30.所述冷却塔的出水端设置有独立温度传感器；所述冷却塔内部设置有液位传感器；
31.所述独立温度传感器和所述液位传感器与所述控制子系统电连接。
32.进一步的，所述二次侧相变流体循环子系统还包括供液系统，所述供液系统包括储液容器和原液输送泵；
33.所述储液容器用于储存相变流体原液；
34.所述原液输送泵用于将所述相变流体原液泵送至所述分散器。
35.进一步的，在所述原液输送泵和所述分散器之间依次设置有第二软管和止回阀。
36.进一步的，在所述换热装置的二次侧出水口与所述分散器之间设置有废液处理装
置，所述废液处理装置包括颗粒检测器和排出装置；
37.所述颗粒检测器与所述出装置电连接，
38.所述颗粒检测器用于对相变流体内相变材料的粒径大小进行检测；
39.所述排出装置用于根据粒径检测结果进行杂质的判断并对杂质进行集中排放。
40.进一步的，所述相变流体为由基液以及分散在基液中的相变材料颗粒、乳化剂、助乳化剂和表面活性剂组成的相变乳状液。
41.本发明的有益效果：
42.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于相变流体的数据中心液冷系统，通过分散器实现对相变流体的再分散能够防止相变流体中的固体颗粒团聚，提高了相变流体的使用效率以及系统的运行周期；通过离子交换树脂固定床可以消除相变流体长期运行中产生的杂质离子，避免液冷系统发生导电，阻止安全风险；由于相变流体储热容量高或粘度低、流动性好，进而提升了数据中心中服务器柜体散热效率；并且，由于相变流体在相变完成前温度几乎维持不变，能够形成一个宽的温度平台，吸收或释放的潜热大，因此，可以在不增加冷却介质用量的基础上，提高单位体积冷却介质所能携带的热量，从而提升系统的冷却能力，相变流体的用量小，其自身的泵输压降小，能够减少的输送功耗；通过数据采集子系统能够对一次侧水冷循环子系统和二次侧相变流体循环子系统中的运行环境进行监控，结合控制子系统实现了对运行环境的调节，提高系统的运行稳定性；可实现室外一次侧供回液温差控制在6℃-10℃，室内二次侧供回液温差控制在5℃-10℃。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
44.图1附图为本发明提供一种基于相变流体的数据中心液冷系统的结构示意图；
45.其中，1-冷却塔，21-第一过滤器，22-第二过滤器；31-第一电磁流量阀，32-第二电磁流量阀，33-第三流量阀，34-第四流量阀；41-第一流体输送泵，42-第二流体输送泵，43-第三流体输送泵，44-第四流体输送泵；5-板式换热器；6-废液处理装置；7-分散器；81-第一软管，82-第二软管；9-储液容器，10-止回阀，11-安全阀；12-分液歧管，13-机柜，14-冷板；15-膨胀罐，16-排气阀；17-离子交换树脂固定床。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.如图1，本发明实施例公开了一种基于相变流体的数据中心液冷系统，包括一次侧水冷循环子系统、二次侧相变流体循环子系统和换热装置5；其中，换热装置5为板式换热
器；二次侧相变流体循环子系统与数据中心进行换热；一次侧水冷循环子系统与二次侧相变流体循环子系统通过换热装置5进行换热；二次侧相变流体循环子系统内设置有分散器，用于对相变流体进行分散；分散器为高速分散器，主要作用是对二次侧循环管路中的相变流体进行再分散，防止相变流体中的固体颗粒团聚。
48.图中，t表示温度传感器，p表示压力传感器，v表示流量传感器，d为颗粒传感器，l为液位传感器。
49.在另一实施例中，二次侧相变流体循环子系统包括二次侧供液管路、冷板14和二次侧回液管路；分散器设置在二次侧供液管路中；二次侧供液管路、冷板14和二次侧回液管路依次连接；二次侧供液管路的流入端与换热装置5的二次侧出水口连接；冷板14安装在数据中心的柜体内部，经由二次侧供液管路进入冷板14的相变流体与数据中心的服务器芯片进行换热后通过二次侧回液管路流回换热装置5的二次侧进水口与换热装置5一次侧的低温冷却水进行热交换，在此过程中，由于相变流体温度降低，液态相变材料还原为固体相变材料颗粒分散在基液中。
50.在本实施例中，还包括分液歧管12和第三软管，分液歧管12通过第三软管与冷板14连接，相变流体通过分液歧管12进行流量分配，经过第三软管进入冷板14。
51.在另一实施例中，还包括多个数据采集子系统和控制子系统，数据采集子系统包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；多个数据采集子系统分别设置在二次侧供液管路和二次侧回液管路的首尾两端；多个数据采集子系统与控制子系统电连接。
52.在另一实施例中，二次侧供液管路包括依次连接的第一软管81、第一电磁流量阀31、第一流体输送泵41和安全阀11；分散器7设置在换热装置5的二次侧供水口和第一软管81之间；二次侧回液管路包括依次连接的第二电磁流量阀32、第二流体输送泵42、膨胀罐15、排气阀16和第一过滤器21；其中，在第一过滤器21中采集相变流体样品进行分析，检测相变流体的颗粒分布、导电率、ph值和浊度等，避免因环境变化导制相变流体不稳定对液冷系统稳定性产生影响。其中，第一电磁流量阀31、第一流体输送泵41、第二电磁流量阀32和第二流体输送泵42均与控制子系统电连接。
53.在另一实施例中，在第一流体输送泵41和安全阀11之间设置有离子交换树脂固定床17，用于消除相变流体中的离子杂质。
54.在另一实施例中，一次侧水冷循环子系统包括一次侧供水管路和一次侧回水管路；一次侧供水管路包括依次连接的冷却塔1、第二过滤器22、第三电磁流量阀33和第三流体输送泵43；通过第三流体输送泵43的冷流体去离子水在换热装置5内与来自服务器机柜13的热流体相变流体进行热交换；同时，经过板式换热器被加热后的去离子水通过一次侧回水管路第四流体输送泵44、第四电磁流量阀34输送后回到冷却塔1内进行降温；一次侧回水管路包括依次连接的第四流体输送泵和第四电磁流量阀；其中，第三电磁流量阀33、第三流体输送泵43、第四电磁流量阀34和第四流体输送泵44均与控制子系统电连接。
55.在另一实施例中，数据采集子系统还设置在冷却塔1的回水端和换热装置5的一次侧供水端；冷却塔的出水端设置有独立温度传感器；冷却塔1内部设置有液位传感器；独立温度传感器和液位传感器与控制子系统电连接。
56.在另一实施例中，二次侧相变流体循环子系统还包括供液系统，供液系统包括储液容器9和原液输送泵；储液容器9用于储存相变流体原液；原液输送泵用于将相变流体原
液泵送至分散器7。分散器7能够对供液系统输送来的原液进行分散，避免了发生在储液容器内相变流体的颗粒团聚对循环回路的影响。
57.在另一实施例中，在原液输送泵和分散器之间依次设置有第二软管82和止回阀10。止回阀10能够有效防止循环管路内的相变流体进入储液容器9污染新鲜相变流体。
58.在另一实施例中，在换热装置5的二次侧出水口与分散器之间设置有废液处理装置6，废液处理装置6包括颗粒检测器和排出装置；
59.颗粒检测器与排除装置电连接，用于根据相变流体内相变材料的粒径大小进行检测，排出装置用于过滤颗粒粒径大于设定值如100微米的杂质，并集中排出。废液处理装置6主要用于相变流体长时间运行检修过程中排出管路系统中的废液。
60.在另一实施例中，相变流体为由基液以及分散在基液中的相变材料颗粒而成的相变乳状液。通过高速分散器，在乳化剂(如吐温等)、成核剂(如硬脂酸等)及助乳化剂(如甘油等)等添加剂作用下将固体相变材料分散在基液(如去离子水或冷冻水等液体)中，形成相变流体。相变流体在20℃时，其密度为985.84kg/m3，粘度为4.94mpa
·
s，比热容为3.69kj
·
kg-1
·
k-1
，导热系数为0.529w m-1
k-1
，相变温度点为45-47℃，熔化相变焓为37.62j/g，呈中性。该相变乳状液具有良好的稳定性，在常温静置下可保存200天以上，在高于相变点温度可保存120天以上，高低温循环次数在1000次以上。相变流体的过冷度小于5℃，导电率小于《0.3μs/cm。
61.在另一实施例中，相变流体密度小于1000kg/m3，动力粘度低于6mpa
·
s，比热容高于2kj
·
kg-1
·
k-1
，导热系数大于0.3w m-1
k-1
，相变温度点在40-60℃范围内，相变焓大于10kj
·
kg-1
，ph值在7-8之间；相变流体具有良好的稳定性，在常温静置可保存200天以上，高低温循环加热在1000次以上，高于相变点温度可保存120天以上；相变流体具有更强的换热能力，在热物性上比去离子水更具优势，表观比热容为去离子水的2倍及以上，过冷度小于10℃，导电率小于《0.3μs/cm。
62.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
63.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：
1.一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，包括一次侧水冷循环子系统、二次侧相变流体循环子系统和换热装置；所述二次侧相变流体循环子系统与服务器进行换热；所述一次侧水冷循环子系统与所述二次侧相变流体循环子系统通过所述换热装置进行换热；二次侧相变流体循环子系统内设置有分散器，用于对相变流体进行分散。2.根据权利要求1所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，所述二次侧相变流体循环子系统包括二次侧供液管路、冷板和二次侧回液管路；所述分散器设置在所述二次侧供液管路中；所述二次侧供液管路、所述冷板和所述二次侧回液管路依次连接；所述二次侧供液管路的流入端与所述换热装置的二次侧供液口连接；所述冷板安装在所述数据中心的柜体内部，经由所述二次侧供液管路进入所述冷板的相变流体与数据中心进行换热后通过所述二次侧回液管路流回所述换热装置的二次侧进液口。3.根据权利要求2所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，还包括多个数据采集子系统和控制子系统，所述数据采集子系统包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；多个所述数据采集子系统分别设置在二次侧供液管路和二次侧回液管路的首尾两端；多个所述数据采集子系统与所述控制子系统电连接。4.根据权利要求3所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，所述二次侧供液管路包括依次连接的第一软管、第一电磁流量阀、第一流体输送泵和安全阀；所述分散器设置在所述换热装置的二次侧供液口和所述第一软管之间；所述二次侧回液管路包括依次连接的第二电磁流量阀、第二流体输送泵、膨胀罐、排气阀和第一过滤器；其中，所述第一电磁流量阀、所述第一流体输送泵、所述第二电磁流量阀和所述流体输送泵均与所述控制子系统电连接。5.根据权利要求2所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，在所述二次侧供液管路上安装有离子交换树脂固定床，用于消除相变流体中的离子杂质。6.根据权利要求3所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，所述一次侧水冷循环子系统包括一次侧供水管路和一次侧回水管路；所述一次侧供水管路包括依次连接的冷却塔、第二过滤器、第三电磁流量阀和第三流体输送泵；经过第三流体输送泵的冷流体去离子水在所述换热装置内与来自服务器机柜的热流体相变流体进行热交换；所述一次侧回水管路包括依次连接的第四流体输送泵和第四电磁流量阀；其中，所述第三电磁流量阀、所述第三流体输送泵、所述第四电磁流量阀和所述第四流体输送泵均与所述控制子系统电连接。7.根据权利要求6所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，所述数据采集子系统还设置在所述冷却塔的回水端和所述换热装置的一次侧供水端；所述冷却塔的出水端设置有独立温度传感器；所述冷却塔内部设置有液位传感器；
所述独立温度传感器和所述液位传感器与所述控制子系统电连接。8.根据权利要求1所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，所述二次侧相变流体循环子系统还包括供液系统，所述供液系统包括储液容器和原液输送泵；所述储液容器用于储存相变流体原液；所述原液输送泵用于将所述相变流体原液泵送至所述分散器；在所述原液输送泵和所述分散器之间依次设置有第二软管和止回阀。9.根据权利要求1所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，在所述换热装置的二次侧出水口与所述分散器之间设置有废液处理装置，所述废液处理装置包括颗粒检测器和排出装置；所述颗粒检测器与所述出装置电连接，所述颗粒检测器用于对相变流体内相变材料的粒径大小进行检测；所述排出装置用于根据粒径检测结果进行杂质的判断并对杂质进行集中排放。10.根据权利要求1所述的一种基于相变流体的数据中心液冷系统，其特征在于，所述相变流体为由基液以及分散在基液中的相变材料颗粒、乳化剂、助乳化剂和表面活性剂组成的相变乳状液。
技术总结
本发明公开了一种基于相变流体的数据中心液冷系统，包括一次侧水冷循环子系统、二次侧相变流体循环子系统和换热装置；所述二次侧相变流体循环子系统与服务器进行换热；所述一次侧水冷循环子系统与所述二次侧相变流体循环子系统通过所述换热装置进行换热；二次侧相变流体循环子系统内设置有分散器，用于对相变流体进行分散；本发明能够在不增加冷却工质用量的基础上，利用相变流体中的相变材料的相变潜热增加冷却介质的有效热容，提高单位体积冷却介质所能携带的热量，从而提升液冷系统的冷却能力，降低液冷系统功耗，更快更高效地移走高功率服务器散发的热量，保障服务器的长时间稳定运行。稳定运行。稳定运行。
