本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)，具體涉及一種超臨界二氧化碳相變冷卻數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心熱管理技術(shù)采用風(fēng)冷或水冷冷卻系統(tǒng)，存在能效低、占地面積大、依賴水資源等問題：風(fēng)冷系統(tǒng)依賴大量風(fēng)機(jī)強(qiáng)制空氣對(duì)流，不僅能耗高(約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40％)、噪音大，且散熱效率低下，難以應(yīng)對(duì)超過20kw/機(jī)柜的高功率密度場(chǎng)景；水冷系統(tǒng)雖然散熱能力較強(qiáng)，但存在管路腐蝕、泄漏風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)成本高昂，且需要配套復(fù)雜的水處理系統(tǒng)以防止結(jié)垢和微生物滋生，在干旱地區(qū)更面臨嚴(yán)重的水資源短缺問題。引入熱泵的相變冷卻技術(shù)中的氟利昂類制冷劑不僅具有極高的全球變暖潛能值(gwp通常超過2000)，還面臨日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)限制，而浸沒式液冷則存在介電液體降解、設(shè)備兼容性差以及后期維護(hù)困難等痛點(diǎn)。更關(guān)鍵的是，這些傳統(tǒng)系統(tǒng)普遍缺乏智能調(diào)節(jié)能力，無法實(shí)時(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的散熱需求，往往導(dǎo)致"過度冷卻"現(xiàn)象，造成大量能源浪費(fèi)。此外，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)濕度控制精度不足，容易引發(fā)結(jié)露或靜電問題，且系統(tǒng)占地面積通常較大，難以適應(yīng)模塊化數(shù)據(jù)中心和邊緣計(jì)算場(chǎng)景的空間約束要求。這些固有缺陷嚴(yán)重制約了現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心向高密度、綠色化、智能化方向的發(fā)展。

2、現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)經(jīng)常將服務(wù)器產(chǎn)生的廢熱直接排放到環(huán)境，未能實(shí)現(xiàn)有效的熱能回收利用。傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)通過空調(diào)將熱量排放至大氣，水冷系統(tǒng)則通過冷卻塔將熱量耗散，這些方式不僅消耗大量電能用于散熱(約占數(shù)據(jù)中心總用電量的30～40％)，更浪費(fèi)了溫度在30-45℃之間的優(yōu)質(zhì)低品位熱源。尤其值得注意的是，在采用機(jī)械制冷的系統(tǒng)中，冷凝器排熱溫度被刻意降低以提高制冷效率，這進(jìn)一步加劇了廢熱品質(zhì)的貶值，使得熱能的梯級(jí)利用變得極為困難。

3、二氧化碳作為天然工質(zhì)，其全球變暖潛能值(gwp)僅為1，遠(yuǎn)低于常用的hfc類制冷劑。系統(tǒng)運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生任何臭氧層消耗物質(zhì)，也不存在傳統(tǒng)制冷劑泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)循環(huán)過程完全封閉，沒有任何廢水排放，符合最嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。而跨臨界二氧化碳系統(tǒng)具有較高的能效比，由于其優(yōu)越的熱力學(xué)性質(zhì)，能在較低的能量輸入下完成制冷過程。相比傳統(tǒng)制冷劑，二氧化碳系統(tǒng)的工作壓力相對(duì)較低，這可以減少設(shè)備磨損，提升系統(tǒng)的壽命；在跨臨界區(qū)間具有較高的熱交換效率，在高溫環(huán)境下能夠保持較好的制冷效能。超臨界二氧化碳(sco2)因其高導(dǎo)熱性、低黏度及環(huán)保特性，成為新型冷卻工質(zhì)的理想選擇。但現(xiàn)有sco2冷卻系統(tǒng)在相變控制、流量調(diào)節(jié)及濕度管理方面仍有優(yōu)化空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種超臨界二氧化碳相變冷卻數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)及其控制方法，本發(fā)明通過優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)合相變蒸發(fā)模組和智能流量控制，顯著提升散熱效率與適應(yīng)性，大幅提高了能源利用效率，更將數(shù)據(jù)中心從純粹的能源消耗者轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)的組成部分。

2、本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種超臨界二氧化碳相變冷卻數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)。

3、本發(fā)明的超臨界二氧化碳相變冷卻數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)包括：壓縮機(jī)組、換熱器、回?zé)崞?、?jié)流裝置、第一和第二氣液分離器、流量控制閥、相變蒸發(fā)模組以及流量控制模塊；其中，回?zé)崞鞯臍庀喑隹谶B接至壓縮機(jī)組的低壓側(cè)，壓縮機(jī)組的高壓側(cè)連接至換熱器的co2入口；換熱器的co2出口連接至回?zé)崞鞯某R界入口，回?zé)崞鞯某R界入口與超臨界出口內(nèi)部通過超臨界管道連通，回?zé)崞鞯某R界出口通過節(jié)流裝置連接至第一氣液分離器的氣液兩相入口；第一氣液分離器的氣相出口連接至第二氣液分離器的氣液兩相入口；第一氣液分離器的液相出口通過流量控制閥連接至相變蒸發(fā)模組的入口，相變蒸發(fā)模組位于數(shù)據(jù)中心機(jī)房的服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)；相變蒸發(fā)模組的出口連接至第二氣液分離器的氣液兩相入口，第二氣液分離器的液相出口連接至相變蒸發(fā)模組的入口之前；第二氣液分離器的氣相出口連接至回?zé)崞鞯臍庀嗳肟?，回?zé)崞鞯臍庀喑隹诤蜌庀嗳肟趦?nèi)部通過氣相管道連通，回?zé)崞鞯臍庀喙艿琅c超臨界管道之間不連通；

4、流量控制模塊分別連接至流量控制閥和壓縮機(jī)組的控制端；設(shè)置在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度傳感器以及硬件性能傳感器分別連接至流量控制模塊。

5、進(jìn)一步，本發(fā)明還包括油分離器，設(shè)置在壓縮機(jī)組的高壓側(cè)與換熱器之間，經(jīng)過壓縮機(jī)組后變成高溫高壓的超臨界二氧化碳sco2經(jīng)過油分離器，將壓縮機(jī)組中的潤滑油與co2分離，避免影響后續(xù)的流體流動(dòng)和換熱過程。

6、壓縮機(jī)組采用多個(gè)并聯(lián)的壓縮機(jī)。

7、換熱器為熱量回收換熱器，熱量回收換熱器的載熱工質(zhì)入口和出口分別連接至外部的外部用熱端；外部用熱端為工業(yè)或生活用水加熱或者為建筑空間供暖；載熱工質(zhì)入口與出口之間通過載熱工質(zhì)管道連通，載熱工質(zhì)在載熱工質(zhì)管道內(nèi)部流動(dòng)，載熱工質(zhì)為水或空氣，co2入口與出口之間通過co2管道連通，co2在co2管道內(nèi)部流動(dòng)，載熱工質(zhì)管道與co2管道之間不連通；在熱量回收換熱器內(nèi)，co2入口和出口與載熱工質(zhì)入口和出口的位置是反向的，co2的流動(dòng)方向與載熱工質(zhì)的流動(dòng)方向在熱量回收換熱器內(nèi)部是反向的，sco2與載熱工質(zhì)進(jìn)行熱交換的方式為逆流式換熱方式，與外部用熱端將數(shù)據(jù)中心的熱量妥善利用。

8、節(jié)流裝置采用固定節(jié)流裝置、可調(diào)節(jié)流裝置、電子節(jié)流裝置、智能節(jié)流裝置、多孔塞式節(jié)流裝置或迷宮式節(jié)流裝置。

9、相變蒸發(fā)模組包括多組并聯(lián)的蒸發(fā)器，每一個(gè)蒸發(fā)器貼裝在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的各個(gè)服務(wù)器機(jī)柜中。

10、流量控制模塊采用微控制器、上位機(jī)、可編程邏輯控制器(plc)或工控機(jī)。流量控制模根據(jù)cpu和gpu的占用率以及機(jī)服務(wù)器柜內(nèi)的溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)入相變蒸發(fā)模組的co2流量以及壓縮機(jī)組出口的co2流量。

11、流量控制模塊接收中央處理器(centralprocessing?unit，cpu)的集成硬件性能計(jì)數(shù)器(如英特爾的pcu(power?controlunit，電源控制單元)、超威半導(dǎo)體的smu(systemmanagement?unit，系統(tǒng)管理單元))以及圖形處理器(graphics?processing?unit，gpu)的性能傳感器(如英偉達(dá)的英偉達(dá)應(yīng)用程序編程接口(nvapi，nvidiaapplicationprogramming?interface))傳遞的性能監(jiān)控信號(hào)，得到cpu和gpu的占用率；以及在服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)外接的溫度傳感器，或者采集cpu內(nèi)置的數(shù)字溫度傳感器(dts，digital?thermalsensor)，監(jiān)測(cè)服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度，溫度傳感器采集芯片表面的溫度或者相變蒸發(fā)模組進(jìn)出口的溫度(用以檢測(cè)相變)；流量控制模根據(jù)服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度并結(jié)合cpu和gpu的占用率，或者僅根據(jù)服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度，確定co2流量以及壓縮機(jī)工作的數(shù)量，流量控制模塊控制壓縮機(jī)組中各個(gè)壓縮機(jī)的開關(guān)和每一臺(tái)壓縮機(jī)的負(fù)載以及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流經(jīng)流量控制閥的液相co2的流量。

12、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種超臨界二氧化碳相變冷卻數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)的控制方法。

13、本發(fā)明的超臨界二氧化碳相變冷卻數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

14、1)來自回?zé)崞鞯臍庀喙艿赖臍庀郼o2進(jìn)入壓縮機(jī)組，在壓縮機(jī)組中被加壓和加熱，變成高溫高壓的超臨界二氧化碳sco2，具備高密度與高熱容，壓縮機(jī)組的高壓側(cè)溫度和壓力提高；

15、2)二氧化碳傳輸至換熱器，換熱器將熱管理系統(tǒng)提取的熱量給到外部，進(jìn)行初步冷卻，降低sco2溫度但仍保持超臨界態(tài)，提升能效；

16、3)換熱后的sco2進(jìn)入至回?zé)崞鞯某R界管道，與氣相管道內(nèi)返回的氣相co2進(jìn)行熱交換，進(jìn)一步降溫，仍保持超臨界態(tài)且溫度更低；換熱器和回?zé)崞鞯膮f(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用；

17、4)低溫的sco2流經(jīng)節(jié)流裝置，sco2降壓至亞臨界區(qū)，部分co2液化，形成氣液兩相狀態(tài)；

18、5)經(jīng)過節(jié)流裝置后的氣液兩相co2進(jìn)入第一氣液分離器，液相co2通過分離沉降經(jīng)流量控制閥傳輸至相變蒸發(fā)模組，氣相co2上升并傳輸至第二氣液分離器，co2的液相與氣相分開；

19、6)流量控制模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心的占用率和服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度變化，根據(jù)占用率和溫度，或者僅根據(jù)服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度，精確控制流量控制閥動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)液相co2的流量，確保蒸發(fā)效率，傳輸至相變蒸發(fā)模組；

20、7)相變蒸發(fā)模組通過液相co2蒸發(fā)吸收熱量，冷卻服務(wù)器，變成氣相co2，制冷后氣相co2夾雜少量液相co2傳輸至第二氣液分離器；

21、8)第二氣液分離器分離氣相co2與液相co2，并將液相co2送回相變蒸發(fā)模組的入口之前，氣相co2傳輸至回?zé)崞鞯臍庀喙艿溃?/p>

22、9)氣相co2在回?zé)崞鞯臍庀喙艿琅c超臨界管道內(nèi)的sco2進(jìn)行熱交換，被預(yù)熱后返回壓縮機(jī)，完成閉環(huán)循環(huán)。

23、其中，在步驟1)中，壓縮機(jī)將二氧化碳工質(zhì)壓縮至超臨界狀態(tài)：壓力＞7.38mpa，溫度＞31.1℃。流量控制模塊控制壓縮機(jī)組中各個(gè)壓縮機(jī)的開關(guān)和每一臺(tái)壓縮機(jī)的負(fù)載。

24、在進(jìn)入換熱器之前，經(jīng)過壓縮機(jī)組后變成高溫高壓的超臨界co2經(jīng)過油分離器，將壓縮機(jī)組中的潤滑油與co2分離，避免影響后續(xù)的流體流動(dòng)和換熱過程。

25、在步驟2)中，換熱器為熱量回收換熱器，連接至外部用熱端；外部用熱端為工業(yè)或生活用水加熱或者為建筑空間供暖；sco2與外部用熱端載熱工質(zhì)進(jìn)行熱交換的方式為逆流式換熱方式，采用高效逆流式換熱方法，回收從相變散熱模組返回的低溫氣相co2的殘余冷量，用于預(yù)冷即將進(jìn)入節(jié)流裝置的co2，外部用熱端將數(shù)據(jù)中心的熱量妥善利用。通過降低節(jié)流前工質(zhì)溫度，減少節(jié)流后閃蒸氣體比例，減少節(jié)流過程的不可逆損失，提升系統(tǒng)性能系數(shù)(cop)，還能確保進(jìn)入壓縮機(jī)的工質(zhì)為適度過熱的純氣態(tài)，避免液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)導(dǎo)致液擊(即機(jī)械損傷風(fēng)險(xiǎn)。熱量回收換熱器回收從相變蒸發(fā)模組返回的低溫氣相co2的殘余冷量，用于預(yù)冷即將進(jìn)入節(jié)流裝置的co2，降低節(jié)流前工質(zhì)溫度，減少節(jié)流后閃蒸氣體比例，減少節(jié)流過程的不可逆損失，提升系統(tǒng)cop，還能確保進(jìn)入壓縮機(jī)的工質(zhì)為適度過熱的純氣相，避免液相co2進(jìn)入壓縮機(jī)導(dǎo)致液擊即機(jī)械損傷風(fēng)險(xiǎn)；而熱量回收換熱器將從數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)提取的廢熱用于城市的建筑空間供暖或者工業(yè)或生活用水加熱等。

26、在步驟4)中，節(jié)流裝置將sco2壓強(qiáng)降壓3～5mpa。

27、在步驟6)中，集成硬件性能計(jì)數(shù)器將cpu的占用率以及性能傳感器將pcu的占用率傳輸至流量控制模塊，溫度傳感器將服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度，流量控制模塊得到cpu和pcu的占用率以及服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度。本發(fā)明的熱管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)柜中配備高精度的溫度傳感器和硬件性能傳感器，流量控制模塊控制快速響應(yīng)的流量控制閥，根據(jù)服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的溫度分布以及cpu和pcu的占用率對(duì)co2的流量進(jìn)行秒級(jí)調(diào)整；當(dāng)溫度過高時(shí)，流量控制模塊立即增大co2流量，確保有足夠的液相co2參與相變吸熱；而在溫度較低時(shí)，則會(huì)自動(dòng)降低co2流量以減少能耗；當(dāng)檢測(cè)到cpu或gpu的占用率驟升，提前增大流量以避免溫度飆升；這種智能調(diào)節(jié)機(jī)制不僅避免了傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)常見的過冷或過熱問題，還能使系統(tǒng)始終工作在最佳效率點(diǎn)，同時(shí)將溫度異動(dòng)控制在±2℃以內(nèi)。

28、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

29、(1)充分利用超臨界二氧化碳在臨界點(diǎn)附近(31.1℃，7.38mpa)的特殊熱物性變化，在近臨界區(qū)展現(xiàn)出極高的傳熱系數(shù)(可達(dá)水的3～5倍)和顯著的熱容變化特性，所需的換熱器體積大幅縮小，僅為傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)的1/3左右，但散熱能力卻提高了50％，這種獨(dú)特的物理性質(zhì)使熱管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)極高的散熱效率；

30、(2)采用多級(jí)能量回收架構(gòu)，通過換熱器和回?zé)崞鞯膮f(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用；相變蒸發(fā)模組有效解決了高功率密度散熱難題；

31、(3)熱管理系統(tǒng)配備流量控制模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器cpu/gpu負(fù)載和溫度變化，以秒級(jí)響應(yīng)速度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)co2流量，確保熱管理系統(tǒng)始終工作在最佳效率區(qū)間；這種自適應(yīng)控制策略使溫度波動(dòng)控制在±2℃以內(nèi)，同時(shí)能夠避免"過度冷卻"造成的能源浪費(fèi)和服務(wù)器機(jī)柜損傷；

32、(4)采用天然工質(zhì)co2(gwp＝1，odp＝0)，完全不含氟利昂等有害物質(zhì)，熱管理系統(tǒng)全封閉循環(huán)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零廢水排放，且運(yùn)行噪音極低，保證了冷卻效果的穩(wěn)定性，還最大限度地提升了系統(tǒng)的能源利用效率；相比傳統(tǒng)制冷劑，碳排放量減少60％以上，完全符合最嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求；

33、(5)模塊化設(shè)計(jì)使熱管理系統(tǒng)占地面積很低，每機(jī)柜的功率密度高；高功率密度的特點(diǎn)使得該系統(tǒng)可以靈活部署在各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，特別是對(duì)于模塊化數(shù)據(jù)中心和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)便于安裝維護(hù)，支持靈活插拔更換部件；熱管理系統(tǒng)能夠在0～120℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，特別適合邊緣計(jì)算等嚴(yán)苛環(huán)境；sco2不僅具有更高的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，其相變潛熱也更為突出，即使芯片在80℃以上的高溫工況下，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定的冷卻能力，為解決高密度數(shù)據(jù)中心的散熱難題提供了全新方案；

34、(6)除傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心外，熱管理系統(tǒng)特別適用于人工智能(artificialintelligence，ai)計(jì)算中心、超算中心和5g基站等高熱流密度場(chǎng)景；采用模塊化設(shè)計(jì)，各組件能夠像積木一樣靈活穿插部署組合，便于根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展或調(diào)整；其緊湊型設(shè)計(jì)也適用于艦載和車載等移動(dòng)式計(jì)算平臺(tái)的冷卻需求，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用空間。