集装箱式水冷数据中心及控制方法与流程

1.本发明属于温控技术领域，涉及集装箱式数据中心，尤其涉及集装箱式水冷数据中心及控制方法。


背景技术：

2.在大数据爆发的时代，特别是随着ai技术的发展，数据量更是以几何倍数增长，促使芯片技术不断发展，芯片集成度越来越高，大量的算力需要海量服务器机柜来支撑，增加单机柜功率密度成为调和不断增长的算力需求和有限的数据中心承载能力的关键解决方案。
3.而受限于数据中心建设面积和环保规定，密度的增加成为提升的关键，大量数据吞吐和运算使得作为人工智能、大数据等新兴技术“大脑”的数据中心面临着前所未有的能耗和散热挑战，这样的发展带来的一个散热问题，传统的空气冷却散热系统逐渐出现了不堪重负的现象，在此背景下，应用液冷技术和液冷服务器等设备的液冷处理系统应运而生，为高散热服务器设备的冷却提供了新的解决思路，在数据中心这个领域，之前没有空间的限制，而且数据中心多配置空调等空气冷却系统即可满足降温的需求，随着密度的增加，应运而生的液冷冷却系统是一个全新的概念，市场上目前没有成熟的水冷数据中心。


技术实现要素：

4.本发明要解决的问题是在于提供集装箱式水冷数据中心及控制方法，冷却介质采用水，方便取材，成本低，而且设置合理的布局结构，具有更高的效率和更低的能耗，为高密度集成提供了良好的散热处理方式，液冷技术的高效制冷效果有效提升了服务器的使用效率和稳定性，同时在单位机柜空间布置更多的服务器，提高单位机柜运算效率，兼具能降噪的功能，同时余热回收利用也可以创造更多经济价值，进一步降低数据中心的运行成本。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：集装箱式水冷数据中心，包括设置在集装箱内的算力服务机柜系统、泵站控制系统、板换单元和配电柜单元，还包括设置在集装箱外部的液冷系统；
6.算力服务机柜系统包括多个独立运行的模块，每个模块包括多个服务器机柜，每个服务器机柜对应一个配电支路，同一个模块中的多个配电支路汇集到同一个配电总母线中，多个模块中的多个配电总母线通过汇集到同一个配电总母线中，配电总母线上设有控制其的电流开关；
7.液冷系统，通过介质的循环，对算力服务机柜系统进行降温散热；
8.板换单元，作为液冷系统的旁通支路，承担液冷系统部分或全部的换热功能；
9.泵站控制系统，提供介质流通的动力。
10.进一步的，算力服务机柜系统每个独立的模块均包括机柜组件、配电电气组件、开关组件和进出水组件，机柜组件为框架结构，内置多个服务器机柜，相邻的服务器机柜之间设有缝隙，进出水组件分别连通进水管道和回水管道，进出水组件与进水管道之间设有控
制管道通断的阀门，与回水管道之间设有控制管道通断的阀门，配电电气组件用于电连接服务器机柜与配电柜单元。
11.进一步的，进出水组件包括一个进水支管和两个出水支管，两个出水支管分别为第一出水支管和第二出水支管，第一出水支管和第二出水支管的上端连通，其中第一出水支管与服务器机柜上的高温介质出水管连通，第二出水支管的下端与回水管道连通，进水支管的下端连接进水管道，上端封闭，侧面与服务器机柜的低温介质入水管连通，介质通过进水支管进入到服务器机柜，在服务器机柜内部完成换热后，介质的高温出水管进入到第一出水支管中，然后高温介质从上端进入到第二出水支管中，然后从下端进入到回水管道中。
12.进一步的，所述机柜组件还包背板和托盘，背板设置在进出水组件侧，背板的最下端低于进出水组件的上端，最上端高于进出水组件的上端，托盘设在模块中最上端服务器机柜的上端。
13.进一步的，液冷系统包括冷却塔、进水管道、回水管道和分集水管道，冷却塔通过进水管道对算力服务机柜系统供应低温介质，然后通过分集水管道进入到算力服务机柜系统中，最后通过回水管道回流到冷却塔中，进水管道上设有主过滤器、涡轮流量计、压力变送器、温度变送器，主过滤器用于过滤到介质中的杂质，压力变送器用于监测压力并及时上传到配电柜单元，温度变送器适用于监测进水温度并及时上传到配电柜单元，回水管道上也设有压力变送器和温度变送器，其作用与进水管道中的作用相同。
14.进一步的，板换单元包括旁通管路和板式换热器，旁通管路的一端连通回水管道，另一端连通板式换热器作为高温介质入水口，连接回水管道的部分设在主循环水泵和冷却塔之间，板式换热器设有两个出水口，一个与进水管道连通，另一个作为供暖出水口，与进水管道连通的一端设在主过滤器与冷却塔之间，作为供暖出水口所在的管道上设有调节阀，以控制供暖流量；
15.板式换热器上还设有供暖进水口，作为供暖补充热源使用。
16.进一步的，进水管道和回水管道在算力服务机柜系统模块的下端汇集，进水管道绕行算力服务机柜系统中最远的模块，然后末端位于靠近冷却系统最近的模块，进入到算力服务机柜系统各个独立的模块中。
17.进一步的，水管道和回水管道之间还设有连通二者的补水组件，补水组件包括补水管道，一端设在进水管道的主过滤器与算力服务机柜系统中间，另一端设在算力服务机柜系统与主循环泵之间，补水管道从进水管道到回水管道之间依次设有补水箱、补液过滤器、补液泵、止回阀和电动球阀，补水箱与进水管之间设有安全阀。
18.集装箱式水冷数据中心的控制方法，包括可切换的手动模式和自动模式；
19.手动模式下，对于主循环泵、补液泵、集装箱上的风机、冷却塔上的风机，冷却塔上的喷淋泵等设备，进行手动启停操作；
20.自动运行模式：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统自动启动，并根据整定参数监控液冷系统的运行状况和检测系统故障，plc监控冷却水温度、系统压力，对液冷系统参数超标及时就地显示，错误信号灯亮；当参数严重超标有可能影响被冷却器件运行安全时就地显示，错误警报信号灯亮，自动发出错误警报，控制柜单元根据报警情况正式调试进行优化改进；
21.主循环泵、补液泵、冷却塔风机等由plc根据实际工作条件进行自动控制；
22.泵站控制系统，根据进水管道上的温度变送器温度和室外环境温度变送器控制冷却塔风机的启停，但不控制冷却塔风机的运行状态；
23.在自动模式下：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统自动启动，并根据整定参数监控液冷系统的运行状况和检测系统故障，plc自动调节冷却水温度，系统压力，对液冷系统参数的超标及时就地显示，错误信号灯亮。
24.遵循以下控制原则，
25.主循环泵，自动启动；控制柜单元通过pid控制器控制频率，进行设定值和参考值对比，根据对比结果进行流量控制；
26.冷却塔风机，自动启动；控制柜单元通过pid控制器控制频率，进行设定值和参考值对比，根据对比结果进行温度控制；
27.冷却塔上的喷淋泵启动，冷却塔内的温度变送器》设定值,自动开；温度变送器《设定值，自动关；
28.回水管道上控制通断的蝶阀启动，回水管道上的温度变送器》设定值,自动开；回水管道上的温度变送器《设定值，自动关；旁通管道上控制通断的蝶阀自动跟随反向开关；
29.补液泵补液，进水管道上的压力变送器》设定值，自动启动；进水管道上的压力变送器《设定值，自动停止；补水管道上控制通断的球阀跟随补液泵同向开关；
30.集装箱内风机，集装内设置温湿度变送器，温湿度变送器》设定值,自动开；温湿度变送器《设定值，自动关。
31.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
32.1、本发明整个结构采用模块化设计，设置为算力服务机柜系统、泵站控制系统、板换单元和配电柜单元和液冷系统，每个模块均可以独立组装成模块结构，多个模块可在集装箱外同时进行组装，各自组装完成后再设置的集装箱内进行总的连接装配，这样同时组装提升效率，而且在集装箱外组装不受空间的限制，进一步提升组装效率，而且方便后续的维修，局部需要维修的时候，单独的模块进行更换和维修即可，也快速的判定需要维护的点并进行更换；在此基础上，算力服务机柜系统又分为并列设置的多个模块，每个模块都是可独立运行的，每个模块的配电是独立的，可通过模块对应的开关组件进行控制，同时多个模块之间又可以通过配电总母线进行控制，既可同时运行，又可以选择其中的一个或者多个模块运行，根据需求进行调整，降低能耗；在此基础上每个模块内的服务器机柜从上到下平行设置，每个服务器机柜通过配电支路集合到同一个配电母线中，其中一个服务器出现故障的时候，直接进行更换即可，不影响其他服务器的运行和连接，以上结构等同于实现了整个结构三级模块的设置，大大提升了组装效率，后续的维护成本，以及设备运行的稳定性；
33.2、本发明在以上基础上，进水管道进入到每个独立的模块时，有一个独立的控制阀门，每个模块与回水管道之间也设有独立的控制阀门，这样可保证液冷系统针对算力服务机柜系统中的每个模块也都是可独立运行的降温的，每个模块的独立运行以及对应的功能都是可独立的，形成独立的模块，进一步将模块拆解，多个模块既可以互相配合，又各自独立，降低能耗；
34.3、本发明的配电方式结构简单，操作更加方便快捷，算力服务机柜系统中的服务器机柜统一到同一个配电母线中，多个配电母线汇集到同一个配电总母线中，多个集装箱
并列使用的时候，多个配电总母线又汇集到同一个总的更高级的母线中，母线结构简单，有利于实现模块化的连接，而且连接更加牢靠稳定；
35.4、本发明设置板换单元，可作为供暖单元，实现余热回收，当液冷系统外部冷源不足以满足液冷系统的总散热量需求时，高温冷却介质通过液冷系统的管道旁通部分流量至板换单元，通过板换单元与外侧低温流体进行热交换，带走部分热量，以满足液冷需要需求的总散热量，高温冷却介质变成低温冷却介质，再次进入分集水管道前的管道中，即可进入到低温冷却介质的传输管道中，形成板换单元部分的介质循环；在需要供暖时，关闭外部冷源，液冷系统的总散热量由板换单元承担，通过与外部低温流体热交换，带走算力服务机柜系统工作的总热负荷，同时将外部低温流体加热，输出高温流体，达到供暖的目的，节能能耗，降低单位算力成本；
36.5、本技术中的进出水组件，可保证介质在对服务器机柜降温的过程中走的路径是相同的，尽量保证均流，可尺寸保证降温效果，平衡性更好；更优选地，进水支管、第一出水支管和第二出水支管上均设有排气阀，用于排空管道内的气体，保证介质顺利流动，保证介质的密度，也避免过多气体对管道造成腐蚀，提升管道的使用寿命；
37.6、本技术设置了背板和托盘，背板的设置有效防止泄露的介质溅到配电总母线上，托盘的设置是在介质较多的时候，起到一定的承接导流作用，避免影响到配电总母线，同时对保护器起到一定的保护作用，提升安全性能，避免了安全隐患，这也是至关重要的，也是母线应用的重点要求；
38.7、本技术中，进水管道绕行算力服务机柜系统中最远的模块，然后末端位于靠近冷却系统最近的模块，进入到算力服务机柜系统各个独立的模块中，这样的结构设计，等同于进水管道绕了一个弯，在集装箱这样一个空间有限且紧凑的空间内，绕行进水管道，是因为要降低进水的压力平衡，减少对回水管道的冲击性，避免出现进水收过程中出现管涌等问题，有利于保持回水管道内压力的均衡，进水的速度保持恒定，对进水管道的安全性和使用寿命有很大的帮助；
39.8、本技术中，主循环水泵的功率根据介质流量以及介质传输的路径进行选择，确定主循环水泵的功率，根据功率确定主循环水泵的规格，总功率大于理论上计算出来的功率，选择低频运行，减少震动，保证整个系统内，稳定性更佳，各个零件的性能更加可靠，减少整个箱体的震动性。
附图说明
40.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
41.图1是本发明集装箱式水冷数据中心的结构布局图；
42.图2是本发明集装箱式水冷数据中心的原理图；
43.图3是本发明板换单元的原理图；
44.图4是本发明补水组件的原理图；
45.图5是本发明冷却塔的结构示意图；
46.图6是本发明针对图形符号的图例和名称的说明表；
47.图7是本发明针对字母符号中首字符和说明的表格；
48.图8是本发明算力服务机柜系统其中一个模块的侧视的结构示意图；
49.图9是本发明算力服务机柜系统其中一个模块的俯视的结构示意图；
50.图10是本发明图8的a部详图；
51.图11是本发明配电电气组件部分结构示意图；
52.图12是本发明算力服务机柜系统中母线的布局示意图；
53.图13是本发明集装箱式水冷数据中心控制方法的逻辑控制图。
54.附图说明：
55.1、算力服务机柜系统；11、机柜组件；12、配电电气组件；121、配电支路；122、配电母线；13、开关组件；14、进出水组件；141、进水支管；142、出水支管；15、服务器机柜；16、背板；17、托盘；2、泵站控制系统；21、主循环泵；3、板换单元；31、旁通管路；32、板式换热器；33、调节阀；4、配电柜单元；5、液冷系统；51、进水管道；511、主过滤器；512、涡轮流量计；513、温度变送器；515、压力变送器；52、回水管道；53、冷却塔；6、补水组件；61、补水管道；62、补水箱；63、补水过滤器；64、补水泵；65、止回阀；66、安全阀；7、集装箱；71、风机；72、温湿变送器；73、测漏变送器；8、配电总母线。
具体实施方式
56.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
57.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
58.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
59.下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0060]“算力”通俗来说，就是计算能力，指的是数据的处理能力。小至手机笔记本、大到超级计算机，算力存在于各种智能硬件设备，没有算力就没有各种软硬件的正常应用。人工智能并非无源之水、无本之木，ai完成每一次人脸识别、每一次语音文字转换，都需要硬件芯片的算力支持。
[0061]
以普通人为例，我们身边的笔记本电脑有着不同配置，价格也会有高低，这主要取决于不同配置产品搭载的cpu、显卡及内存等的差异性。高配置的笔记本具有更高的计算能力，并且可以玩具有更高配置要求的游戏，并运行更多的内存消耗型3d和视听软件，低配置
的笔记本运算能力不足，只能玩普通的游戏，运行普通的办公软件，同样玩网络游戏，手机的算力功率越高越流畅，手机的算力能力不足游戏会出现会滞后卡顿。
[0062]
液冷服务器，是指液体注入服务器，通过冷热交换带走服务器的散热的一种服务器。从服务器物理形态上区分有：冷板式液冷服务器和全浸没式液冷服务器。
[0063]
冷板式液冷服务器，也叫做板冷式服务器，即利用工作流体作为中间热量传输的媒介，将热量由热区传递到远处再进行冷却。在该技术中，工作液体与被冷却对象分离，工作液体不与电子器件直接接触，而是通过液冷板等高效热传导部件将被冷却对象的热量传递到冷媒中，即将服务器高散热量的部件贴合在一块冷板上，液体在冷板内部循环带走热量，因此冷板式液冷技术又称为间接液冷技术。该技术将冷却剂直接导向热源，同时由于液体比空气的比热大，散热速度远远大于空气，因此制冷效率远高于风冷散热，每单位体积所传输的热量即散热效率高达1000倍，可有效解决高密度服务器的散热问题，降低冷却系统能耗并降低噪声。
[0064]
板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器，由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换，各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长。
[0065]
冷却塔是用水作为循环冷却剂，从一系统中吸收热量排放至大气中，以降低水温的装置；其冷是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置，以保证系统的正常运行，装置一般为桶状，故名为冷却塔。
[0066]
如图1-图12所示，本发明为集装箱式水冷数据中心，针对机柜式板冷系统，包括设置在集装箱7内的算力服务机柜系统1、泵站控制系统2、板换单元3和配电柜单元4，还包括设置在集装箱7外部的液冷系统5；
[0067]
算力服务机柜系统1为模块化结构，上下并联式堆叠设置，算力服务机柜系统1在工作中产生热量；
[0068]
液冷系统5提供低温介质，本技术中优选介质为水，低温冷却介质在泵站的泵压力下通过管道分配至算力服务机柜系统1中的每台算力服务机柜系统1机柜中，在分集水管道的分配下，低温冷却介质进入每台算力服务机柜系统1机柜中，与算力服务机柜系统1进行热交换，带走热量，从算力服务机柜系统1出来的高温冷却介质，通过液冷系统5的管道，进入外部冷源，即集装箱7外的液冷系统5，与室外的低温空气进行换热，高温冷却介质变成低温冷却介质，再进入系统，形成一次循环，由此往复，通过不间断的循环，带走算力服务机柜系统1的工作发热量。
[0069]
板换单元3作为供暖单元，当液冷系统5外部冷源不足以满足液冷系统5的总散热量需求时，高温冷却介质通过液冷系统5的管道旁通部分流量至板换单元3，通过板换单元3与外侧低温流体进行热交换，带走部分热量，以满足液冷需要需求的总散热量，高温冷却介质变成低温冷却介质，再次进入分集水管道前的管道中，即可进入到低温冷却介质的传输管道中，形成板换单元3部分的介质循环；在需要供暖时，关闭外部冷源，液冷系统5的总散
热量由板换单元3承担，通过与外部低温流体热交换，带走算力服务机柜系统1工作的总热负荷，同时将外部低温流体加热，输出高温流体，达到供暖的目的。
[0070]
板换单元3包括旁通管路31和板式换热器32，旁通管路31的一端连通回水管道52，另一端连通板式换热器32作为高温介质入水口，连接回水管道52的部分设在主循环水泵和冷却塔53之间，板式换热器32设有两个出水口，一个与进水管道51连通，另一个作为供暖出水口，与进水管道51连通的一端设在主过滤器511与冷却塔53之间，作为供暖出水口所在的管道上设有调节阀33，以控制供暖流量；在此基础板式换热器32还设有供暖进水口，作为供暖补充热源使用。
[0071]
本技术中的数据中心中，算力服务机柜系统1集中设置，密度高，一个集装箱7内部设置后，功率可高达900kw，经过冷却后，可带走算力服务机柜系统1散发热量的98％以上，比如算力服务机柜系统1散发出的1000kw的热量，经过换热后带走的热量是98％，即980kw的热量，热量可通过冷却塔53散发掉，本技术的板换单元3，经过换热后，高温后的介质可进行回收利用，用作供暖需求，实现了热量的回收再利用，调节阀33可调节并控制可供余热的大小，如果供暖不足的情况下，板换单元3同时设置供暖进水，满足正常的供暖需求，此是降温散热用的板换单元3的供热可作为整体供热单元的热量补充，热量回收再利用的部分可形成一定的经济效益，降低本技术结构的成本，一定成本上降低了单位算力内的成本，提升产品的竞争优势。
[0072]
算力服务机柜系统1包括并列设置的多个模块，本技术中为5个模块，分别为1号柜模块、2号柜模块、3号柜模块、4号柜模块和5号柜模块，算力服务机柜系统1整体形成一个长方体结构，长方向的一侧设置进水管道51，另一侧设置回水管道52。
[0073]
每个独立的模块均包括机柜组件11、配电电气组件12、开关组件13和进出水组件14，机柜组件11为板材制成的框架结构，内部由下到上固定多层服务器机柜15，固锁在机柜组件11上，相邻的服务器机柜15之间设有缝隙，每个服务器机柜15上均固定设有服务器，进出水组件14分别连通进水管道51和回水管道52，介质流动过程中对服务器机柜15换热，将服务器机柜15散发的热量带走，开关组件13设在机柜组件11的上端，对每个单独的模块可尽心独立控制，即每个模块可单独操控，可多个模块同时运动，也可以选择性的将多个模块当中的多个模块和单个模块单独开启，这样可根据算力的需求进行选择，满足需求的前提下，能耗最低化，更加节能，而且每个模块的进出水组件14与进水管道51之间均设有控制管道通断的阀门，与回水管道52之间均设有控制管道通断的阀门，等同于每个独立的模块，换热系统也都可以独立运行；配电电气组件12用于电连接服务器机柜15与配电柜单元4，每个模块的上端均设有控制整个模块运行的模块电流开关。
[0074]
进出水组件14包括一个进水支管141和两个出水支管142，两个出水支管142分别为第一出水支管142和第二出水支管142，第一出水支管142和第二出水支管142的上端连通，其中第一出水支管142与服务器机柜15上的高温介质出水管连通，第二出水支管142的下端与回水管道52连通，进水支管141的下端连接进水管道51，上端封闭，侧面与服务器机柜15的低温介质入水管连通，介质通过进水支管141进入到服务器机柜15，在服务器机柜15内部完成换热后，介质的高温出水管进入到第一出水支管142中，然后高温介质从上端进入到第二出水支管142中，然后从下端进入到回水管道52中，这样可保证介质在对服务器机柜15降温的过程中走的路径是相同的，尽量保证均流，可尺寸保证降温效果，平衡性更好；更
优选地，进水支管141、第一出水支管142和第二出水支管142上均设有排气阀，用于排空管道内的气体，保证介质顺利流动，保证介质的密度，也避免过多气体对管道造成腐蚀，提升管道的使用寿命。
[0075]
例如：进水支管141和出水支管142的高度为1.8米，如果是最下面的服务器机柜15，在进水支管141内流动的高度是0米，然后在第一出水支管142内的上升距离是1.8米，在第二出水支管142内的下降距离是1.8米，介质经过最下端服务器机柜15的经过的距离是3.6米；如果是最上端的服务器机柜15，在进水支管141内的流动距离是1.8米，在第一出水支管142内的流动距离是0米，在第二出水支管142内的下降距离是1.8米，总行程也是3.6米；中间的服务器机柜15为例，进水支管141内的升降距离是0.9米，换热后在第一出水支管142内的上升距离是0.9米，在第二出水支管142内的下降距离是1.8米，合计也是3.8米，所以每个服务内换热过程中，介质流动的距离是相同的，换热的均衡性恒定，对管道的压力也是均衡的，有利于整个结构的稳定性，同时与回水管道52配合设置，进一步提升管道内压力的稳定性。
[0076]
配电电气组件12包括配电支路121和配电母线122，一个服务器机柜15对应一个配电支路121，同一个模块中的多个配电支路121汇集到同一个配电母线122中，多个模块中的多个配电母线122通过汇集到同一个配电总母线8中，配电总母线8设在算力服务机柜系统1的上端，通过一个总的电流开关进行控制，配电总母线8上设有一个总的电流开关，采用配电母线122和配电总母线8的结构，流量大，安装方便，精密，而且连接更加牢靠，而且下端不容易出现多余的电缆，此结构也有利于通过ur认证，有利于产品的国际销售，而且采用多个模块的并列结构，母线更为简单，结构更紧凑，提升空间利用率，突破了传统的接线方式。
[0077]
采用以上模块化设计的结构，从下到上一层层安装，各个层之间独立，安装完成固定后，后续基本不用动，层层叠加，拆卸的时候只需要动一小部分，即独立的服务器机柜15更换，其他部分不用动即可更换，空间利用率更高，而且组装人员更加方便操作便捷，提升组装的效率，而且可在集装箱7外提前完成各个模块的安装，多个模块同时进行，提升组装效率，目前系统的功率是900kw，总的电流开关是1600a。
[0078]
在本技术中，配电总母线8是裸露的，而此申请中的冷却介质是水，需要保证万一介质水泄漏，保证母线正常运行，针对此部分，本技术中也设置了对应的结构，机柜组件11中还设置了背板16和托盘17，背板16设置在进出水组件14侧，背板16的最下端低于进出水组件14的上端，最上端高于进出水组件14的上端，背板16的最上端接近机柜组件11的上端设置，托盘17设在模块中最上端服务器机柜15的上端，背板16的设置有效防止泄露的介质溅到配电总母线8上，托盘17的设置是在介质较多的时候，起到一定的承接导流作用，避免影响到配电总母线8，同时对保护器起到一定的保护作用，背板16和托板的隔离不形成密封的空间，因为密封影响散热性能，同时需要保证介质泄漏的时候也不会影响到配电总母线8，在保证不密封的前提下，进行防护，水流出后，即使下方积水的前提下，也不会溅到母排上，提升安全性能，避免了安全隐患，这也是至关重要的，也是母线应用的重点要求。
[0079]
在本技术，多个集装箱7之间也可以并联设置，多个集装箱7集合到一个总的电流控制母线上，多个集装箱7结构既可以同时运行控制，也可以独立的集装箱7单独控制。
[0080]
液冷系统5包括冷却塔53、进水管道51、回水管道52和分集水管道，冷却塔53用于持续提供低温介质，实现高低温介质的温度交换，热量排放，冷却塔53通过进水管道51对算
力服务机柜系统1供应低温介质，然后通过分集水管道进入到算力服务机柜系统1中，最后通过回水管道52回流到冷却塔53中，进水管道51上设有主过滤器511、涡轮流量计512、压力变送器515、温度变送器513，主过滤器511用于过滤到介质中的杂质，保证介质的纯净度，以使得介质可以重复利用，一是避免影响降温效果，二是避免对管道造成影响，压力变送器515用于监测压力并及时上传到配电柜单元4，实现对进水管道51的压力控制，避免压力过大爆管，提升安全性能，温度变送器513适用于监测进水温度并及时上传到配电柜单元4，实现对进水管道51的温度控制，保证降温效果，回水管道52上也设有压力变送器515和温度变送器513，其作用与进水管道51中的作用相同。
[0081]
冷却塔53为湿冷闭式冷却塔53，湿球温度28℃(干球温度36℃)时，满足散热容量≥900kw(裕量10％，最大散热量1mw)，流量≥65m3/h,压损≤50kpa，与冷却介质接触的材料使用304不锈钢等材质，冷却塔风机和水泵均采用定频。
[0082]
用于监测参数的电器元件采用市购品即可，也可以采用市场上其他具有此功能的电器元件代替本技术中的零件，此属于本领域的技术人员公知的技术手段，都在本技术的保护范围之类，关于市购品的部分电器元件工作原理解释如下，单个零件的工作原理是公知的，但是在不用的应用环境下，有不同的设置需求，如何设置，多个电器元件之前如何配合并不是公知的。
[0083]
压力变送器515是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备；温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、v/i转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20ma电流信号0-5v/0-10v电压信号，rs485数字信号输出，即将温度转化为电信号，进行控制和远传的设备，申请中压力变送器515和温度变送器均与配电柜单元4电连接，实现对温度和压力的监测，对及时对温度和压力进行控制和调节。
[0084]
涡轮流量计512是一种具备温度和压力补偿功能的速度式流量计量器具。
[0085]
低温的时候可更换冷却介质，低温的时候，冷却介质更改为油冷或其他介质，介质油的耐低温性能更好，在低温情况下，介质油不会冷冻住，可保持流动性，多数情况下，冷却介质采用水冷即可，水冷的散热效果相对油冷更好，成本也更低，使用同一个系统，更换不同的介质即可满足不同环境下冷却的需求，应用范围更广，介质也可根据具体的应用情况调整为其他的介质，成本有差异，根据情况选择，属于本领域的技术人员容易想到的，比如冬天测试的时候，采用乙二醇和纯水混合液进行测试，水冷是目前为止性价比最佳的一个选择。
[0086]
进水管道51和回水管道52在算力服务机柜系统1模块的下端汇集，进水管道51绕行距离算力服务机柜系统1最远的模块，然后末端位于靠近冷却系统最近的模块，进入到算力服务机柜系统1各个独立的模块中，这样的结构设计，等同于进水管道51绕了一个弯，在集装箱7这样一个空间有限且紧凑的空间内，绕行进水管道51，是因为要降低进水的压力平衡，减少对回水管道52的冲击性，避免出现进水收过程中出现管涌等问题，有利于保持回水管道52内压力的均衡，进水的速度保持恒定，对进水管道51的安全性和使用寿命有很大的帮助。
[0087]
进水管道51和回水管道52之间还设有连通二者的补水组件6，补水组件6包括补水管道61，一端设在进水管道51的主过滤器511与算力服务机柜系统1中间，另一端设在算力
服务机柜系统1与主循环泵21之间，补水管道61从进水管道51到回水管道52之间依次设有补水箱62、补液过滤器、补液泵、止回阀65和电动球阀，补水箱62与进水管之间设有安全阀66，当进水管道51内的压力过高时，低温介质通过安全阀66进入到补水箱62内，同时补水箱62内的水也可人工添加，如果回水管道52内的压力过小时，补液泵启动，电动球阀打开，补水箱62内的介质通过补液过滤器后，经过止回阀65和电动球阀进入到回水管道52，补水管道61的设置，保证内进水管道51和回水管道52内的压力平衡；更优选地，补水箱62设有加排液口，用于调节补水箱62内的液体的多少。
[0088]
安全阀66是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门。
[0089]
泵站控制系统2，根据主供液管道上的温度变送器和室外环境温度控制冷却塔风机的启停，但不控制冷却塔风机的运行状态，在自动模式下：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统5自动启动，并根据整定参数监控液冷系统5的运行状况和检测系统故障，电柜控制单元为plc程序控制，plc自动调节冷却水温度，系统压力，对液冷系统5参数的超标及时就地显示，错误信号灯亮。
[0090]
泵站控制单元包括主循环泵21，主循环泵21设置在回水管道52上，主循环水泵的功率根据介质流量以及介质传输的路径进行选择，确定主循环水泵的功率，根据功率确定主循环水泵的规格，本技术中，选型上有一定的要求，考虑多方因素，总功率大于理论上计算出来的功率，安全系数的1.5以上，因为水泵满频运行的时候，震动比较大，本技术中，选择一个较大功率的水泵，选择低频运行，减少震动，保证整个系统内，稳定性更佳，各个零件的性能更加可靠，减少整个箱体的震动性。
[0091]
集装箱7单体最大箱体外形尺寸为l6058xw2438xh2896(mm)，满足中国船级社认证和ul认证要求。集装箱7整体防护等级ip53,材质为spa-h钢板或者类似耐候钢板。防腐等级c3，所有门框防水板密封处理，不能出现渗漏，底部采用架空静电地板设计；更优选地集装箱7上还设有风机71，用于实现集装箱7内外的空气流动，极少量的热量通过此种方式散发出去，更进一步的，集装箱7上还设有温湿变送器72，用于监测温度和湿度，集装箱7的两侧分别设有测漏变送器73，也称为漏电流变送器，传输电信用到控电柜单元，实现电流的检测，避免漏电，保证安全性。漏电流传感器是一种依据互感器电磁隔离,磁调制工作原理将被测交流微电流,直流隔离转换成线性比例的直流电流,电压电流变送器等标准模拟信号或rs485数字信号的装置,广泛应用于直流及交流供电系统的母线及各支路绝缘情况实时监测。
[0092]
配电柜单元4为液冷系统5提供交流电源：一路三相四线415v
±
10％，60hz交流供电，现场必须提供可靠接地，同时作为控制中心，接收各个电器元件传送的信息，根据传送信号进行控制和调节，确保设备运行的稳定和安全，算力服务机柜系统1中的控制柜电源等从主配电柜内取电，本技术中设置1600a的电流总控制开关，总开关的设置也是实现目前结构的关键。
[0093]
如图13所示，集装箱7式水冷数据中心的控制方法，包括以下步骤：
[0094]
液冷控制系统操作分为手动模式、自动模式2种模式，通过控制柜单元上的触摸屏实现。
[0095]
手动模式下，对于主循环泵21、补液泵、集装箱7上的风机71、冷却塔53上的风机71，冷却塔53上的喷淋泵等设备，进行手动启停操作，喷淋泵是冷却塔53的一部分。
[0096]
自动运行模式：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统5自动启动，并根据整定参数监控液冷系统5的运行状况和检测系统故障，plc监控冷却水温度、系统压力，对液冷系统5参数超标及时就地显示，错误信号灯亮；当参数严重超标有可能影响被冷却器件运行安全时就地显示，错误警报信号灯亮，自动发出错误警报，控制柜单元根据报警情况正式调试进行优化改进。
[0097]
主循环泵21、补液泵、冷却塔风机等由plc根据实际工作条件进行自动控制。
[0098]
泵站控制系统2，根据进水管道51上的温度变送器513温度和室外环境温度变送器控制冷却塔风机的启停，但不控制冷却塔风机的运行状态。
[0099]
在自动模式下：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统5自动启动，并根据整定参数监控液冷系统5的运行状况和检测系统故障。plc自动调节冷却水温度，系统压力，对液冷系统5参数的超标及时就地显示，错误信号灯亮。
[0100]
模式切换：
[0101]
全自动模式按钮
‑‑
》全自动模式ok；
[0102]
‑‑
》全自动启动按钮
‑‑
》全自动启动状态ok；
[0103]
‑‑
》全自动停止按钮
‑‑
》全自动停止状态ok；
[0104]
全自动启动状态ok：
[0105]
1.主循环泵21，自动启动；控制柜单元通过pid控制器控制频率，进行设定值和参考值对比，根据对比结果进行流量控制；
[0106]
2.冷却塔风机，自动启动；控制柜单元通过pid控制器控制频率，进行设定值和参考值对比，根据对比结果进行温度控制；
[0107]
2.1冷却塔53上的喷淋泵启动，冷却塔53内的温度变送器》设定值,自动开；温度变送器《设定值，自动关；
[0108]
3.回水管道52上控制通断的阀门启动，回水管道52上的温度变送器》设定值,自动开；回水管道52上的温度变送器《设定值，自动关；旁通管道上控制通断的阀门自动跟随反向开关；
[0109]
4.补液泵补液，进水管道51上的压力变送器515》设定值，自动启动；进水管道51上的压力变送器515《设定值，自动停止；补水管道61上控制通断的球阀跟随补液泵同向开关；
[0110]
5.集装箱7内风机71，集装内设置温湿度变送器，温湿度变送器》设定值,自动开；温湿度变送器《设定值，自动关。
[0111]
泵站控制系统2，根据主供液管道上的温度变送器和室外环境温度控制冷却塔风机的启停，但不控制冷却塔风机的运行状态，在自动模式下：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统5自动启动，并根据整定参数监控液冷系统5的运行状况和检测系统故障，电柜控制单元为plc程序控制，plc自动调节冷却水温度，系统压力，对液冷系统5参数的超标及时就地显示，错误信号灯亮。
[0112]
液冷控制柜对循环液冷却系统进行控制运行、错误等就地设置状态显示灯，指示当前设备运行状态，提供对泵的短路、过流、过压保护，柜门设置急停按钮。故障状态信息上传。控制回路采用基于plc编程的控制保护系统，从而实现：对液冷系统5的监控与保护、将
液冷系统5的工作状况上传给主控制器、对液冷系统5的远程控制。远程传输对实时性要求较高的远程控制信号和液冷系统5报警信号，液冷系统5通过开关量接点与被冷却器件监控系统进行通讯；对信息量较大的在线参数、设备状态监测及液冷系统5报警信息通过modbus通信协议，采用rs485接口或tcp接口方式与高性能算力服务机柜系统1监控系统进行通讯。
[0113]
本技术是一体化集装式液冷设备，为冷板式液冷服务器机柜提供良好的散热处理方案，并具有预热回收接口，冷板式液冷将热量传递给循环管道中的冷却液体，通过液体本身的制冷特性将服务器机柜产生的热量带走，提高冷板的冷却效率，大幅度降低系统能耗。
[0114]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.集装箱式水冷数据中心，针对机柜式板冷系统，其特征在于：包括设置在集装箱内的算力服务机柜系统、泵站控制系统、板换单元和配电柜单元，还包括设置在集装箱外部的液冷系统；算力服务机柜系统包括多个独立运行的模块，每个模块包括多个服务器机柜，每个服务器机柜对应一个配电支路，同一个模块中的多个配电支路汇集到同一个配电总母线中，多个模块中的多个配电总母线通过汇集到同一个配电总母线中，配电总母线上设有控制其的电流开关；液冷系统，通过介质的循环，对算力服务机柜系统进行降温散热；板换单元，作为液冷系统的旁通支路，用于余热回收，承担液冷系统部分或全部的换热功能；泵站控制系统，提供介质流通的动力。2.根据权利要求1所述的集装箱式水冷数据中心，其特征在于：算力服务机柜系统每个独立的模块均包括机柜组件、配电电气组件、开关组件和进出水组件，机柜组件为框架结构，内置多个服务器机柜，相邻的服务器机柜之间设有缝隙，进出水组件分别连通进水管道和回水管道，进出水组件与进水管道之间设有控制管道通断的阀门，与回水管道之间设有控制管道通断的阀门，配电电气组件用于电连接服务器机柜与配电柜单元。3.根据权利要求2所述的集装箱式水冷数据中心，其特征在于：进出水组件包括一个进水支管和两个出水支管，两个出水支管分别为第一出水支管和第二出水支管，第一出水支管和第二出水支管的上端连通，其中第一出水支管与服务器机柜上的高温介质出水管连通，第二出水支管的下端与回水管道连通，进水支管的下端连接进水管道，上端封闭，侧面与服务器机柜的低温介质入水管连通，介质通过进水支管进入到服务器机柜，在服务器机柜内部完成换热后，介质的高温出水管进入到第一出水支管中，然后高温介质从上端进入到第二出水支管中，然后从下端进入到回水管道中。4.根据权利要求2所述的集装箱式水冷数据中心，其特征在于：所述机柜组件还包背板和托盘，背板设置在进出水组件侧，背板的最下端低于进出水组件的上端，最上端高于进出水组件的上端，托盘设在模块中最上端服务器机柜的上端。5.根据权利要求1所述的集装箱式水冷数据中心，其特征在于：液冷系统包括冷却塔、进水管道、回水管道和分集水管道，冷却塔通过进水管道对算力服务机柜系统供应低温介质，然后通过分集水管道进入到算力服务机柜系统中，最后通过回水管道回流到冷却塔中，进水管道上设有主过滤器、涡轮流量计、压力变送器、温度变送器，主过滤器用于过滤到介质中的杂质，压力变送器用于监测压力并及时上传到配电柜单元，温度变送器适用于监测进水温度并及时上传到配电柜单元，回水管道上也设有压力变送器和温度变送器，其作用与进水管道中的作用相同。6.根据权利要求5所述的集装箱式水冷数据中心，其特征在于：板换单元包括旁通管路和板式换热器，旁通管路的一端连通回水管道，另一端连通板式换热器作为高温介质入水口，连接回水管道的部分设在主循环水泵和冷却塔之间，板式换热器设有两个出水口，一个与进水管道连通，另一个作为供暖出水口，与进水管道连通的一端设在主过滤器与冷却塔之间，作为供暖出水口所在的管道上设有调节阀，以控制供暖流量；板式换热器上还设有供暖进水口，作为供暖补充热源使用。
7.根据权利要求5所述的集装箱式水冷数据中心，其特征在于：进水管道和回水管道在算力服务机柜系统模块的下端汇集，进水管道绕行算力服务机柜系统中最远的模块，然后末端位于靠近冷却系统最近的模块，进入到算力服务机柜系统各个独立的模块中。8.根据权利要求5所述的集装箱式水冷数据中心，其特征在于：水管道和回水管道之间还设有连通二者的补水组件，补水组件包括补水管道，一端设在进水管道的主过滤器与算力服务机柜系统中间，另一端设在算力服务机柜系统与主循环泵之间，补水管道从进水管道到回水管道之间依次设有补水箱、补液过滤器、补液泵、止回阀和电动球阀，补水箱与进水管之间设有安全阀。9.集装箱式水冷数据中心的控制方法，其特征在于：包括可切换的手动模式和自动模式；手动模式下，对于主循环泵、补液泵、集装箱上的风机、冷却塔上的风机，冷却塔上的喷淋泵等设备，进行手动启停操作；自动运行模式：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统自动启动，并根据整定参数监控液冷系统的运行状况和检测系统故障，plc监控冷却水温度、系统压力，对液冷系统参数超标及时就地显示，错误信号灯亮；当参数严重超标有可能影响被冷却器件运行安全时就地显示，错误警报信号灯亮，自动发出错误警报，控制柜单元根据报警情况正式调试进行优化改进；主循环泵、补液泵、冷却塔风机等由plc根据实际工作条件进行自动控制；泵站控制系统，根据进水管道上的温度变送器温度和室外环境温度变送器控制冷却塔风机的启停，但不控制冷却塔风机的运行状态；在自动模式下：接受就地启动指令或远程启动指令后，液冷系统自动启动，并根据整定参数监控液冷系统的运行状况和检测系统故障，plc自动调节冷却水温度，系统压力，对液冷系统参数的超标及时就地显示，错误信号灯亮。10.根据权利要求9所述的集装箱式水冷数据的控制方法，其特征在于：遵循以下控制原则，主循环泵，自动启动；控制柜单元通过pid控制器控制频率，进行设定值和参考值对比，根据对比结果进行流量控制；冷却塔风机，自动启动；控制柜单元通过pid控制器控制频率，进行设定值和参考值对比，根据对比结果进行温度控制；冷却塔上的喷淋泵启动，冷却塔内的温度变送器>设定值,自动开；温度变送器<设定值，自动关；回水管道上控制通断的蝶阀启动，回水管道上的温度变送器>设定值,自动开；回水管道上的温度变送器<设定值，自动关；旁通管道上控制通断的蝶阀自动跟随反向开关；补液泵补液，进水管道上的压力变送器>设定值，自动启动；进水管道上的压力变送器<设定值，自动停止；补水管道上控制通断的球阀跟随补液泵同向开关；集装箱内风机，集装内设置温湿度变送器，温湿度变送器>设定值,自动开；温湿度变送器<设定值，自动关。

技术总结
本发明提供了集装箱式水冷数据中心及控制方法，属于温控技术领域，包括设置在集装箱内的算力服务机柜系统、泵站控制系统、板换单元和配电柜单元，还包括外部的液冷系统；算力服务机柜系统包括多个独立运行的模块，每个模块包括多个服务器机柜，每个服务器机柜对应一个配电支路，同一个模块中的多个配电支路汇集到同一个配电总母线中，多个模块中的多个配电总母线通过汇集到同个配电总母线中，配电总母线上设有控制其的电流开关；液冷系统，通过介质的循环，对算力服务机柜系统进行降温散热；板换单元，作为液冷系统的旁通支路，承担液冷系统部分或全部的换热功能；泵站控制系统，提供介质流通的动力。本发明集成度高，占用空间小，单位空间内密度高，而且安全可靠。而且安全可靠。而且安全可靠。


技术研发人员：孙明辉 刘书伟 李晟
受保护的技术使用者：杭州大热若寒科技有限责任公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/14