高热密度水冷机柜制冷系统的方案设计与运用

　　高热密度水冷机柜制冷系统的方案设计与运用张继英（艾默生网络能源有限公司广东深圳518067）两个独立的水循环，通过具有智能热交换控制功能的热交换柜互相隔离，控制冷却水温度始终高于露点温度，从而防止机房内冷凝水析出的风险。全密闭式水冷机柜作为制冷和散热终端，柜内空气循环系统采用正面送风，背面排风的形式。系统具有制冷量大、制冷效率高、稳定可靠等特点。
　　关近词高热密度；刀片服务器；水冷；露点温度随着超级计算机技术的迅猛发展，尤其是以具有高热密度特性的刀片服务器平台在超级计算机领域的广泛使用，传统的空调集中送风已经不能满足其散热要求。为此，一种新颖“高热密度水冷机柜制冷解决方案”应运而生。采用具有可靠、节能、环保等特点的水冷机柜制冷系统作为超级计算机终端的散热解决方案，是当前计算机信息行业发展的大趋势。相关运用，也助推了计算机信息技术的飞跃发展。水冷机柜系统目前主要运用于超级计算机的散热解决方案，下面将重点对系统方案设计及其相关设备的工作与控制原理进行介绍。
　　1系统方案设计1.1系统图水冷机柜系统主要由冷冻水机组、循环水泵、储冷罐、热交换柜、全封闭式水冷机柜等构成。整个系统包含两个独立的水循环：初级（也称为一次侧）和次级（也称为二次侧）两者之间通过具有智能热交换控制功能的热交换柜互相隔离，初级和次级之间的水流相互不串流（如所示）1.2系统主要组成冷水机组：初级冷冻水水源，一般采用风冷或：2011 12，：张继英d98X男本科学士）/工程师研究方向：空调技术。E-m.1l：szz2163，制冷水冷机柜制冷系统示意图水冷。
　　循环水泵：为管路水循环提供动力，通常要根据实际需要设计成1+1或2+1冗余。
　　储冷罐：保证冷水机组供往热交换柜的水流稳定，并实现一定的冷量储备，工程设计上，储冷罐的大小要根据所要求的备用时间来确定。
　　热交换柜：内部主要由板式换热器、水泵、膨胀箱、控制箱等组成。
　　为服务器机架，用于插装刀片服务器；机柜底部为V型盘管换热器（如所示）。
　　这种低紊流导气金属外形的V型盘管换热器具有低风阻的、高可靠性、高制冷量、高效率等特点。安装在机柜底部，也使得空间上与刀片服务器分离，有效防止了漏水、冷凝水故障对服务器运行安全的危害。
　　机柜背部则安装有3台大风量风扇，为机柜内部空气循环提供动力。
　　V型盘管换热器结构2系统工作与控制原理2.1热交换柜的工作与控制原理计算机机房设备使用了大量易受环境条件影响的电子元器件、机械构件及材料。如果机房环境条件不能满足这些设备对环境的使用要求，就会降低计算机的可靠性，加速元器件及材料的老化，缩短机器的使用寿命。超级计算机采用涡轮式设计，每个刀片就是一个服务器（俗称刀片服务器），运算时，通常由数千个服务器同时工作。因此，刀片服务器对于温度和湿度等环境条件要求非常高。
　　水冷机柜采用水冷制冷方式，水源直接通到机房。为了消除机房内湿度过大导致冷凝水析出的风险，保证服务器安全可靠运行。系统方案设计时，在初级和次级之间增加了热交换柜。热交换柜的智能热交换控制系统将初级和次级水循环系统隔离开来。热交换柜内的控制器与安装在机房内的传感器相连，通过监测机房内的环境温湿度，可自动调节次级的供水水温始终高于露点温度，防止机房内的盘管表壁析出冷凝水。
　　热交换柜内的换热器，是系统初级和次级进行热量交换的核心器件。在换热器的选型上，采用的是新型高效紧凑的板式换热器，板式换热器相比较其它结构的换热器，传热性能更好，安装更加方便。
　　为了使工程施工时布置管路更加灵活方便，热交换柜的管口采用了左右双向开口、初级的进/回水管口和次级的供/回水管口上下分离的布局。如热交换柜内的次级端内置有1+1冗余水泵，为次级回路水流循环提供动力。两泵可设置成每周自动切换一次，延长泵的使用寿命。
　　次级回水（由水冷机次级供水（供往水冷机柜）在实际工程方案设计时，为了提高次级的水循环流量，可将多台（为最小限度降低流量损耗，一般不超过5台）热交换柜并联扩展运用。如所示。
　　2.2水冷机柜的工作与控制原理水冷机柜采用高效节能的水冷技术，为全封闭式机柜，单机柜制冷量最大可达30kW，满足机柜内高热密度服务器的散热要求。机柜内制冷循环与机房内空调系统独立。机柜内置高效节能的V型盘管热交换系统实现机房冷却水和机柜内空气的隔离热交换。
　　机柜内空气循环系统米用正面送风，背面排风的形式。工作时，机柜风扇吸收服务器背面排出的初级进水（来自冷冻水机组）初级回水（返回冷冻水机组）热交换柜内部结构热交换柜并联扩展运用水冷机柜机构及内部空气循环示意图热风，从回风口送入盘管热交换系统中冷却，再将冷风从送风口送至服务器正面，灌入刀片服务器，依次循环，以达到对服务器的散热功能。如所示。
　　水冷机柜的风扇控制系统可根据机柜内温度调节风速，高效节能，风扇系统采用2+1冗余结构，确保风扇故障、维修情况下，机柜制冷系统仍能正常运转。
　　水冷机柜底部的V型盘管留有进水口和回水口，通过带有静态水力平衡阀的金属软管与水管管道相连。冷水从进水口流入，进行热交换后，热水从回水口流出。在盘管的回水端，安装有三通阀（如所示）。三通阀会根据送气口出风温度自动调节，将多余的冷水旁通掉，使流经内部盘管的水流量大小合适，从而控制机柜送风口温度维持在设制冷定的范围。三通阀的结构如所示。
　　金属软管末端的静态水力平衡阀带有刻度。初始调试时，即通过专用调试工具调节平衡阀保持在某个开度，以保证流入盘管内部的水流量能够支撑产生额定的制冷量。
　　对于机柜内部温度控制，采用了分层分级控制，基本控制原理是：当负载低时（16~20°C），风扇始终保持在75%的转速（以延长风扇寿命），通过三通阀自动调节进入盘管内的水流流量大小；而当负载高时（0~23°C），三通阀100%全开，进入盘管内的水流流量最大，风扇则从75%至100%进行无极调速，从而达到控制机柜内部温度的目的。
　　（冷水）（热水）水管管道三通阀（安装在回水端）（带刻度）如所示三通阀及金属软管3结论近两年，我国在超级计算机技术领域发展迅猛。在2011年最新的全球超级计算机TOP排行中，TOP前五中，我国就已经占据了两席（分别是排名第一的“天河一号”和排名第三的“星云”）。在这两套超级计算机中，都采用了此水冷机柜制冷解决方案。实际运行效果证明，这种系统制冷效果良好，有效解决了高热密度刀片服务器的散热问题。
　　总结水冷机柜制冷系统的优点，主要如下：采用水作为制冷剂，节能环保；可靠性高，能有效解决传统的空调集中送风所存在的散热不均匀等问题；制冷量大，能解决普通空调散热系统所无法实现的高热密度散热问题；（4）制冷效率高，刀片服务器内置于密闭的柜体内，能大大降低机房噪音。