一種機櫃智能氣流優化系統及基於該系統的數據中心的製作方法

2023-05-02 12:49:07 2

本發明實施例涉及計算機領域，尤其涉及機櫃智能氣流優化系統一種機櫃智能氣流優化系統及基於該系統的數據中心。

背景技術：

隨著計算機技術的飛速發展以及大型的雲計算數據中心的建立，電子設備的集中程度也變得越來越高，伺服器等電子設備通常被直接設置在伺服器機櫃內。

通常情況下，一個伺服器機櫃中設置有10至15臺伺服器，這些伺服器在運行過程中會產生大量的熱量，如果不能及時有效地進行降溫，由於熱量累積，很容易導致伺服器過熱而死機，從而導致網絡系統運行異常。目前，數據中心的伺服器機櫃通常採用冷通道方式進行冷卻，即伺服器機櫃以面對面或背對背的方式排列形成的通道，在兩組機櫃間建立密封製冷空間，利用兩組伺服器機櫃間的空調向下送風，使兩組伺服器機櫃之間構成冷通道，確保冷風必須穿過這兩組伺服器機櫃並為伺服器散熱後實現迴風。此方式以兩個整列伺服器機櫃為一個控制單元，控制複雜度較高，不能精確的監控每個伺服器機櫃是否出現過熱點，且不能解決根據伺服器在負荷峰值或負荷谷值的不同發熱量確定排風量，導致空調能耗增加的問題。

目前，還採用漫灌方式對伺服器機櫃進行冷卻，即將液態冷媒輸送至每個伺服器機櫃，與伺服器機櫃內的電子設備高強度地換熱。這裡的液態冷媒包括了水或氟利昂等。此方式雖然可以實現對單個伺服器機櫃內的電子設備進行冷卻處理，但存在液體洩漏的風險。

技術實現要素：

本發明提供機櫃智能氣流優化系統一種機櫃智能氣流優化系統及基於該系統的數據中心，以實現自動調節排風量，消除過熱點，降低空調的能耗，提高了伺服器機櫃的功率密度。

第一方面，本發明實施例提供了機櫃智能氣流優化系統一種機櫃智能氣流優化系統，包括：壓力傳感器、溫度傳感器、排風裝置和控制器；

所述壓力傳感器，用於檢測伺服器機櫃內的氣壓；

所述溫度傳感器，用於檢測伺服器機櫃的出風溫度；

所述控制器分別與所述壓力傳感器和所述溫度傳感器電連接，用於採集由所述壓力傳感器檢測到的伺服器機櫃內的氣壓和所述溫度傳感器檢測到的出風溫度；按照設定的模式，根據所述氣壓和/或出風溫度調節排風裝置的排風量；其中，設定的模式包括壓力控制模式、溫度控制模式和綜合控制模式；

所述排風裝置與所述控制器電連接，用於在所述控制器的控制下運行，以將伺服器機櫃內的攜帶熱量的熱風通過與設定的模式對應的排風量，定量排出至熱風通道。

第二方面，本發明實施例還提供了一種基於機櫃智能氣流優化數據中心，該數據中心包括如上述第一方面所述的機櫃智能氣流優化系統。

本發明實施例，通過採集各個伺服器機櫃內的氣壓和伺服器的出風溫度，根據設定的工作模式，通過氣壓和/或出風溫度調節排風裝置的排風量，滿足伺服器在負荷峰值或負荷谷值處的不同發熱量的冷卻需求，消除了過熱點，解決了目前數據中心的機櫃冷卻系統控制複雜、能耗較高的問題，達到了降低能耗，提高伺服器機櫃的功率密度的效果。

附圖說明

圖1是本發明實施例一中提供的機櫃智能氣流優化系統的結構示意圖；

圖2是本發明實施例一中提供的機櫃智能氣流優化系統中風壓控制模式下風機調控示意圖；

圖3是本發明實施例一中提供的機櫃智能氣流優化系統中溫度控制模式下風機調控示意圖；

圖4是本發明實施例二中提供的機櫃智能氣流優化系統的一個示例的結構示意圖；

圖5是本發明實施例二中提供的機櫃智能氣流優化系統、伺服器機櫃與空調的連接結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。

實施例一

圖1示出了本發明實施例一中的機櫃智能氣流優化系統的結構示意圖。如圖1所示，該系統具體包括：壓力傳感器110、溫度傳感器120、排風裝置140和控制器130。

壓力傳感器110用於檢測伺服器機櫃內的氣壓。壓力傳感器110設置於伺服器機櫃內，可以是空氣壓力傳感器。通過空氣壓力傳感器檢測伺服器機櫃內的空氣壓力後，轉化為電信號，通過模數轉換電路採樣後輸出至控制器130。

溫度傳感器120用於檢測伺服器機櫃的出風溫度。溫度傳感器120設置於伺服器機櫃中風機的位置附近，用於檢測伺服器吹出的熱風的平均溫度。可選的，溫度傳感器120可以是熱敏式溫度傳感器。通過熱敏式溫度傳感器檢測伺服器的出風溫度後，轉換為電信號，通過模數轉換電路採樣後輸出至控制器130。

控制器130分別與壓力傳感器110和溫度傳感器120電連接，用於採集所述壓力傳感器110檢測到的氣壓和所述溫度傳感器120檢測到的出風溫度；根據設定的工作模式，通過所述氣壓和/或出風溫度調節排風裝置140的排風量。控制器130包括比例-積分-微分控制器(PID控制器)。

其中，設定的模式可以包括風壓控制模式、溫度控制模式和綜合控制模式。系統處於何種模式可以由預設規則確定，以實現機櫃智能氣流優化系統通過自適應的調整工作模式，自適應的調節排風量；還可以由用戶指定系統處於何種模式，滿足用戶的個性化要求。由於機櫃智能氣流優化系統實現了自適應的調節排風量的功能，避免不能根據伺服器在負荷峰值和負荷低谷時不同發熱量而調整排風量的問題，滿足在不同發熱狀況下調節風機的轉速實現不同的排風量，提高冷卻效率，進一步提高了伺服器機櫃的功率密度，消除過熱點，減小了系統的能耗。示例性的，若用戶選擇綜合控制模式，則在綜合控制模式下，將所採集的出風溫度與設定的安全溫度閾值進行比較。在所述出風溫度小於所述安全溫度閾值時，根據設定的壓力控制模式調節排風裝置的排風量。在所述出風溫度超過所述安全溫度閾值時，根據設定的溫度控制模式調節排風裝置的排風量。

所述排風裝置140與所述控制器130電連接，用於在所述控制器130的控制下運行，以將伺服器機櫃內的熱風輸出至熱風通道150。示例性的，熱風通道150包括設置於伺服器機柜上的出風口、垂直風道和水平風道；所述垂直風道與所述出風口連接，用於傳輸由所述排風裝置排出的熱風至水平風道；所述水平風道與空調的迴風口連接，用於將所排出的熱風傳輸至所述空調，實現伺服器機櫃內的熱量直接回饋空調160的目的，熱氣不與冷氣混合，進入伺服器機櫃的冷氣為恆溫冷氣，提高了冷卻效率。

示例性的，所述排風裝置140包括至少兩颱風機；所述風機為採用無刷直流電機驅動的離心風機。其中，採用兩套相互獨立的系統控制風機的運轉。上述兩個風機的冗餘設計方式，避免其中一個風機故障而影響系統的工作。其中，風機為採用無刷直流電機驅動的離心風機(EC風機)。並且，所述風機對應的連接組件具有帶電插拔功能，可以是抽屜式可熱插拔風機。

在所述伺服器機櫃的前櫃門上開有通孔，所述通孔為冷風流入所述伺服器機櫃的入口，以通過機房內冷風道、所述通孔和伺服器機櫃中伺服器入風口構成所述冷風通道。

該系統的工作過程為：室內的冷風經由伺服器機櫃的前櫃門上的通孔,通過伺服器內置冷卻風機作用進入伺服器，將伺服器內部的熱量帶至伺服器機櫃後部，然後由排風裝置將熱量傳輸至熱風通道排出，或回饋至空調的迴風口。

圖2示出了本發明實施例一中機櫃智能氣流優化系統中風壓控制模式下風機調控示意圖。如圖2所示，在風壓控制模式下，確定所採集的氣壓P機櫃與機房內氣壓P機房的壓力差e(P)。計算所述壓力差e(P)與壓力參考值Pref(p)的偏差，將所述偏差作為壓力參考給定量輸入至風機調速系統的壓力調節器。其中，壓力參考值Pref(p)可以是用戶通過鍵盤或觸控螢幕手動輸入的。所述壓力調節器根據所述壓力參考給定量，採用比例積分微分控制算法計算出風機轉速的控制量u1。將控制量u1輸出至脈衝發生器，以調節脈衝發生器輸出的驅動信號的佔空比。通過脈衝發生器對風機的轉速進行調節，以控制風機的排風量，使所述伺服器機櫃內的氣壓與外界大氣壓平衡，以在滿足冷卻要求的同時，使系統的耗能最小。上述示例僅為本實施例一個較佳的方案，還可以是採用風壓控制模式調控風機的轉速，使伺服器機櫃內的氣壓不等於外界大氣壓，諸如，可以使伺服器機櫃內氣壓大於外界大氣壓，使外界冷氣源源不斷的進入伺服器機櫃內部，風機快速運轉將熱交換後的熱空氣排入熱風管道，從而實現為伺服器機櫃內的電子設備降溫的目的。但是，此種方式要求風機以較高的轉速運行，耗能較高。

圖3示出了本發明實施例一中機櫃智能氣流優化系統中溫度控制模式下風機調控示意圖。如圖3所示，在溫度控制模式下，計算所採集的出風溫度T出風與溫度參考值Tref(t)的偏差，將所述偏差作為溫度參考給定量輸入至風機調速系統的溫度調節器。其中，溫度參考值Tref(t)可以是用戶通過鍵盤或觸控螢幕手動輸入的。溫度調節器根據所述溫度參考給定量，採用比例積分微分控制算法計算出風機轉速的控制量u2。將控制量u2輸出至脈衝發生器，以調節脈衝發生器輸出的驅動信號的佔空比。通過脈衝發生器對風機的轉速進行調節，以控制風機的排風量，使所述伺服器機櫃的出風溫度滿足設定條件(例如，使伺服器機櫃的出風溫度低於設定參考值)。

在工作模式為綜合控制模式下，將所採集的出風溫度與設定的安全溫度閾值進行比較。

在所述出風溫度小於所述安全溫度閾值時，如圖2所示，根據設定的壓力控制模式調節排風裝置的排風量。

在所述出風溫度超過所述安全溫度閾值時，如圖3所示，根據設定的溫度控制模式調節排風裝置的排風量。

本實施例的技術方案，通過採集各個伺服器機櫃內的氣壓和伺服器的出風溫度，根據設定的工作模式，通過氣壓和/或出風溫度調節排風裝置140的排風量，滿足伺服器在負荷峰值或負荷谷值處的不同發熱量的冷卻需求，消除了過熱點，解決了目前數據中心的機櫃系統控制複雜、能耗較高的問題，達到了降低能耗，提高了伺服器機櫃的功率密度的效果。

該伺服器機櫃的內部為密封空間，所述伺服器機櫃的前櫃門上開有通孔，所述通孔為冷風流入所述伺服器機櫃的通道，頂部或背部上設有與所述熱風通道連通的出風孔，在所述出風孔處設有所述排風裝置140。示例的，伺服器機櫃的頂部設有出風孔，熱風通道與出風孔連接，通過在出風孔處安裝的排風裝置140將熱氣排入熱風通道，且出風孔與熱風通道的連接處作密封處理，避免因熱風洩露，而影響冷風的溫度。伺服器機櫃的前櫃門設計為網孔門，便於冷氣從該網孔門進入伺服器機櫃。對伺服器機櫃的左右兩側的側部、背部、底部及伺服器機櫃內的開口部分進行密封。冷風從伺服器機櫃的前櫃門進入伺服器機櫃內部，冷門與伺服器機櫃內部發熱的電子設備進行熱交換後，向伺服器機櫃後部排出帶走熱量。通過設置於頂部的排風裝置140抽出攜帶熱量的風，並通過出氣孔輸出至熱風通道150，通過熱風通道150將熱量排出機房或送回空調160。上述設計實現伺服器機櫃內的熱氣的密封，達到伺服器機櫃級的熱氣與冷氣完全隔離的目的，提高冷卻效率，達到了節能的效果。

在上述技術方案的基礎上，機櫃智能氣流優化系統還包括自動切換開關，與控制器電連接，用於在控制器的控制下接通機房內預設的冗餘電源，以在斷電的情況下通過所述冗餘電源為風機供電。

在上述技術方案的基礎上，機櫃智能氣流優化系統還可以包括報警器170，與所述控制器130電連接，用於根據控制器130發出的報警指令執行報警操作。示例性的，控制器130檢測到供電故障或風機故障時，可以發出故障指示燈點亮的報警指令，以控制故障指示燈點亮；還可以是發出蜂鳴器觸發的報警指令，以使蜂鳴器報警等方式，提示用戶系統發生故障，以待用戶排除所發生的故障。

在上述技術方案的基礎上，機櫃智能氣流優化系統還可以包括顯示器180，與所述控制器130電連接，用於顯示系統的運行狀態信息和故障信息。示例性的，控制器130實時檢測電源和風機的運行狀態，獲取正常運行時的運行狀態信息和故障時的故障信息，將運行狀態信息和故障信息通過異步傳輸標準接口RS232輸出至顯示器，以便於用戶通過顯示器監控系統的運行狀態，以及，在發生故障時，及時做出響應。

實施例二

圖4示出了本發明實施例二中機櫃智能氣流優化系統的一個示例的結構示意圖。至少一個如本實施例中的系統通過交換機270與遠程控制裝置280連接，以通過遠程控制裝置280上配置的監控系統實現對系統的遠程監控。其中，遠程控制裝置280為上位機管理系統，通過上位機管理系統採集、監控和存儲機房內本實施例中機櫃智能氣流優化系統的數據(包括運行信息及故障信息)，及查詢歷史記錄。

如圖4所示，機櫃智能氣流優化系統具體包括：壓力傳感器210、控制器220、溫度傳感器230、兩颱風機240、自動切換開關250、報警器、顯示器260以及溫溼度傳感器290。機房內供電電源採用冗餘方式設計，當正常的供電電源斷電時該自動切換開關自動切換至機房內的冗餘電源UPS供電。

壓力傳感器210設置於伺服器機櫃內，用於檢測伺服器機櫃內的空氣壓力。壓力傳感器210通過信號線與控制器220連接。壓力傳感器210還可以通過無線模塊將氣壓信號傳輸至控制器220。

溫度傳感器230與風機240對應設置，且設置於風機240附近，用於檢測伺服器機櫃的出風溫度。溫度傳感器230通過信號線與控制器220連接。溫度傳感器230還可以通過無線模塊將溫度信號傳輸至控制器220。

控制器220按照設定的工作模式，通過所述氣壓和/或出風溫度調節風機240的排風量，以通過風機240將攜帶熱量的風輸送至熱風通道。具體的調控方式與上述實施例相同，此處不再贅述。

兩個風機240分別通過信號線與控制器220電連接。風機240與控制器220可以設計在同一個硬體設備中，也可以採用分離式設計。並且，為每個風機240配置一個直流電源，在控制器220中兩個風機240的控制也相互獨立，實現風機240和電源的冗餘設計，確保在有一路風機240斷電或一路風機240故障的情況下，系統仍然可以穩定工作，保證系統工作的穩定性及可靠性。默認情況下，可以控制一路風機240處於工作狀態。根據實際需要，還可以選擇兩路風機240均處於工作狀態。控制器220實時採集為風機240供電的直流電源的輸出參數、風機240的轉速、所述氣壓和所述出風溫度，判斷是否斷電或風機240是否發生故障。

在斷電時，輸出電源切換信號至自動切換開關250，以使自動切換開關250根據所述電源切換信號，接通機房內預設的冗餘電源；

在風機240發生故障時，若為單風機運行狀態，則控制故障風機關閉，控制備用風機開啟，以及發送報警指令至報警器，實現在一路風機240或供電故障時，系統進行不間斷運行。同時，風機240採用抽屜式可熱插拔風機，在風機240故障時，無需關閉系統即可實現故障風扇的更換。

若為雙風機運行狀態，則斷開故障風機的電連接，調整處於正常狀態地風機的轉速，以達到設定的模式對應的排風量，以及發送報警指令至報警器。

報警器與所述控制器220電連接，根據所述報警指令執行報警操作。

另外，在發生供電或風機240故障時，控制器220可以控制由自動模式切換至手動模式，供用戶手動控制正常的風機240運轉，以保證系統不間斷工作。

兩個交流電源均輸入220V交流電，通過自動切換開關250控制接通的交流電源，再通過整流電路和穩壓電路輸出穩定的直流電(即對應於交流電A的第一直流電源和對應於交流電B的第二直流電源)，分別為第一風機和第二風機供電。

顯示器260與所述控制器220電連接，用於顯示系統的運行狀態信息和故障信息。顯示器260可以是觸控螢幕。示例性的，獲取用戶輸入的比例積分微分控制算法所需的計算係數，並在顯示器260上顯示。同時，通過顯示器260顯示兩路風機240的運行參數，即當前運行的風機240的轉速以及運行時間的累計數，還顯示溫度閾值、轉速閾值和風壓閾值等。其中，風壓反應當前伺服器機櫃內與伺服器機櫃外的氣壓差。

控制器220還可以採集設於伺服器機櫃內的溫溼度傳感器290檢測的伺服器機櫃內的溫度及溼度數據，並在顯示器260上顯示。

控制器220具有網絡接口，通過網絡接口向遠程控制裝置280輸出系統的運行狀態信息和故障信息。示例的，控制器220的網絡接口與交換機270通過通信線纜連接，通過交換機270將運行狀態信息和故障信息傳輸至遠程控制裝置280。如圖4所示，至少一臺系統通過通信線纜連接至交換機270。可以採用星型網絡拓撲結構，單個交換機270的機櫃智能氣流優化系統接入量可達到254個，且任何一個系統故障均不會影響其它設備正常運行，具有便於擴展、移動方便、易於維護的優點。

用戶通過配置於遠程控制裝置280上的監控系統對整個數據中心的所有系統的運行狀況進行監控及存儲，並可以調用歷史數據對伺服器機櫃的運行環境進行分析。其中，監控系統包括：

監控模塊，用於獲取各個伺服器機櫃對應的系統當前的運行狀態信息，根據用戶的實時運行狀態查詢請求，將對應的當前運行狀態信息發送至顯示模塊。示例性的，用戶可以通過點擊系統的編號，查看該系統的運行狀態。運行狀態信息包括通道A(對應於第一風機)和通道B(對應於第二風機)兩個通道的溫度、風機轉速，以及運行時間的累積數等信息。

歷史信息存儲模塊，用於存儲系統在設定時間長度內的運行狀態信息和故障信息，根據用戶的歷史信息查詢請求，將對應的歷史運行狀態信息或故障信息發送至顯示模塊。

示例性的，故障信息包括通道A中第一風機轉速低或溫度高、通道B中第二風機轉速低或溫度高，以及風壓高等信息。用戶通過點擊系統編號，可以觸發故障信息的顯示指令，便於用戶根據故障信息判斷導致該故障的可能的原因。故障信息還包括故障報警發生的時間，當班人員等信息。

顯示模塊，用於顯示所述當前運行狀態信息、歷史運行狀態信息或故障信息。

登錄查詢模塊，用於存儲操作人員的登錄信息，根據用戶的登錄查詢請求，將對應的登錄信息發送至顯示模塊。其中，登錄信息包括當班人員信息，何時接管及何時離開等信息。

參數設置模塊，用於獲取用戶輸入的設置參數，將所述設置參數發送至系統。其中，設置參數包括比例積分微分控制算法所需的計算係數、溫度閾值、轉速閾值和風壓閾值等。

圖5示出了本發明實施例二中機櫃智能氣流優化系統、伺服器機櫃與空調的連接結構示意圖。如圖5所示，機櫃智能氣流優化系統設置於伺服器機櫃的頂板上，且其排風裝置與伺服器機櫃的出風孔對應。排風裝置與熱風通道的垂直風道連接，位於同一列的多個伺服器機櫃採用緊密排列的方式，各個伺服器機櫃對應的垂直風道連接至一條水平風道，該水平風道的另一端與空調的迴風口連接，用於將所述熱風傳輸至所述空調。在上述示例中，出風孔的位置並不限於伺服器機櫃的頂板，還可以設置於伺服器機櫃的背板。相應地，設置於出風孔處的排風裝置可以設置於伺服器機櫃的頂板或背板；此外，排風裝置還可以通過熱氣管路與伺服器機櫃間接安裝。伺服器機櫃中的熱氣也可以通過水平風道排出至室外。

實施例三

本實施例提供一種基於機櫃智能氣流優化數據中心，該數據中心包括上述實施例所述的機櫃智能氣流優化系統，以及，還包括伺服器機櫃、伺服器、冗餘的數據通信連接設備、環境控制設備、監控設備以及各種安全裝置等，以確保數據中心實現數據信息的傳遞、加速、展示、計算及存儲等功能。示例的，該系統設置於伺服器機櫃的頂板上，與熱氣管路連接，通過系統使伺服器機櫃內電子設備散發的熱氣通過熱氣管路輸送至空調。由於排出的熱風不會和機房內的冷風混合，冷風可以保持在合適的溫度，伺服器機櫃總是能夠吸入充足的恆溫冷風來滿足冷卻要求。隨著伺服器機櫃內的熱風被密封在熱風通道內，在機房內所有的開放空間都成為冷風通道，充滿著溫度均勻的冷風。空調也可放置在房間的任何位置而不必擔心送風的壓力衰落。

本實施例的技術方案，通過在各個伺服器機柜上設置機櫃智能氣流優化系統，並將熱氣封閉在熱氣管路中的方式，提高了數據中心的冷卻效率，增大了各個伺服器機櫃的功率密度。相比於目前數據中心中伺服器機櫃通常採用冷通道等方式進行冷卻的方案，在冷卻效率和伺服器機櫃功率密度方面有明顯的提高。由於冷卻效率提高，使空調能耗降低10％-20％，並且使伺服器的功率密度由目前的3KW-5KW提高至10KW-20KW。

注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本發明不限於這裡所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限於以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的範圍由所附的權利要求範圍決定。