RS61995B1 - Sistem hlađenja za server i postupak za hlađenje - Google Patents

Description

Opis

CILJ PRONALASKA

[0001] Cilj ovog pronalaska, kao što je naznačeno u naslovu ovog pronalaska, se odnosi na sistem hlađenja za servere, kao i postupak za hlađenje, pri čemu taj sistem obuhvata isparivač, kondenzator, ekspanzioni ventil i kompresor, pri čemu taj isparivač ima termičku vezu sa serverom na način da apsorbuje toplotu koja je generisana pomoću servera.

[0002] Kraj ulaznog otvora kondenzatora je priključen na kraj izlaznog otvora kompresora pomoću cevi. Suprotno, kraj uzlaznog otvora kompresora je spojen na kraj izlaznog otvora isparivača. Kraj ulaznog otvora isparivača je priključen na kraj izlaznog otvora elektronskog ekspanzionog ventila. Kraj ulaznog otvora elektronskog ekspanzionog ventila je priključen pomoću cevi na izlazni otvor kondenzatora.

[0003] Sistem koristi rashladni fluid za upotrebu kompresora u vodu fluida. Rashladni fluid apsorbuje toplotu generisanu putem servera u isparivač, promenom faze iz tečnosti u gas. Posle prolaska kroz kompresor, rashladnom sredstvu se povećava pritisak i temperatura. Naknadno, rashladno sredstvo kruži kroz kondenzator i otpušta toplotu u spoljni prostor pri čemu se rashladnom sredstvu smanjuju pritisak i temperatura i menja se faza iz gasa u tečnost. U sledećem stadijumu, rashladno sredstvo prolazi kroz ekspanzioni ventil pri čemu se pritisak i temperatura smanjuju upravo u trenutku u kom rashladno sredstvo prolazi kroz bateriju isparivača. U ovoj poslednjoj tački, temperatura rashladnog sredstva se kontroliše tako da vazduh koji prolazi kroz bateriju ne pada ispod tačke rošenja i da ne postoji kondenzacija vode u centru podataka (Data Center).

[0004] Ovaj pronalazak spada u oblast sistema za hlađenje generalno i preciznije, unutar rashladnih sistema i postupaka za servere instalirane u centrima podataka.

OBLAST PRONALASKA

[0005] Sistemi hlađenja za centre podataka su poznati i često se koriste za hlađenje računarskih severa i druge elektronske opreme prisutne u prostorijama centra podataka. Takva oprema je proektovana da održava specifične nivoe temperatura i vlažnosti koji sprečavaju da se pomenuta oprema pregreva i pokvari.

[0006] Uobičajeni Centri podataka koriste složene CRAC sisteme (klimatizacija vazduha u protorijama sa računarima). Generalno, sistemi za klimatizaciju vazduha u prostorijama sa računarima (CRAC) uzimaju vruć vazduh koji dolazi iz centara podataka i vraćaju ga u hladan vazduh da bi održali vazduh u toj prostoriji u opsegu definisane temperature i relativne vlažnosti. U svakom slučaju, takve jedinice za klimatizaciju vazduha zahtevaju velike količine energije i relativno su neefikasne, povećavaju troškove rada. U velikom broju slučajeva, sistemi za hlađenje troše jednaku količinu, ako ne i više, od same elektronske opreme koju hlade.

[0007] Kao alternativa uobičajenim sistemima hlađenja, projektanti centara podataka su razvili različite sisteme da bi smanjili potrošnju energije, koja ne zahteva hlađenje. Primeri ovih sistema koji ne koriste rashladno sredstvo i karakteriše ih mala potrošnja energije imaju "ekonomizatore" na strani vazduha i vode. Moguće ih je koristiti u velikom broju slučajeva ali sa njima se povezuje nekolicina problema. Na primer, "ekonomizatori vazduha" koji koriste spoljni vazduh imaju probleme koji se povezuju sa kvalitetom vazduha, uvođenjem korozivnih sredstava, prljavštine i prašine. Takođe je teško da se kontroliše relativna vlažnost. Zauzvrat, "ekonomizatori vazduha" imaju probleme sa prisustvom vode u prostorijama centra za obradu podataka usled mogućih curenja koja utiču na elektronsku opremu. Takođe, postoje problemi zamrzavanja u stubovima/tornjevima tokom zimskog perioda kao i znatna potrošnja vode.

[0008] Takođe poznati, su sistemi za hlađenje velike gustine koji moraju da rasprše toplotna opterećenja kabineta od preko 12 - 15 kW, kaskadni sistemi se koriste i obuhvataju: primarni (ili sekundarni) rashladni sistem zajedno sa sekundarnim (ili primarnim) kolom hladne vode (H2O). Ovi sistemi imaju nedostatke svojstvene za rastvor male gustine vode korišćene u prethodno pomenutim prostorijama sa podacima. Pored toga, ovi rastvori nisu veoma efikasni zbog toga što kolo za hlađenje ima veliku razliku između temperature kondenzacije i temperature isparavanja zajedno sa gubicima u izmeni toplote između primarnih i sekundarnih kola. Još jedan veliki nedostatak je pojava kondenzovane vode u isparivaču, u prostoriji za kontrolu obrade podataka, pri čemu se koriste temperature rashladnog sredstva ispod tačke rošenja.

[0009] Kao posledica toga, postoji potreba za sistemima koji omogućavaju da se izbegnu rizici povezani sa upotrebom vode u centrima podataka i da se istovremeno poveća efikasnost sistema.

[0010] Poznato je stanje iz ove oblasti tehnike u dokumentu US 2009080173 koji opisuje sistem za izmenu toplote kompresijom isparenja da bi se olakšalo hlađenje na stalcima za elektroniku.

[0011] U US 2009154096 aparat i postupak su dati da bi se olakšalo hlađenje vazduha sistema za elektroniku koji koristi sistem izmene toplote sa kompresijom isparenja, i poklopce napred i pozadi. Kućišta isparivača sistema za izmenu toplote je montirano na kućište sistema za sistem elektronike i nastavlja se barem delimično između strana ulaznog otvora i izlaznog otvora za vazduh od kućišta tog sistema.

[0012] U US2007044493 su opisani Sistemi i postupci za hlađenje komponeneata elektronike koje generišu toplotu obezbeđeni na osnovu korišćenja hlađenja kompresije pare.

[0013] Samim tim, cilj ovog pronalaska je da se razvije sistem hlađenja za servere koji prevazilazi pomenute nedostatke koji zahtevaju veliku količinu energije, neefikasnost, visoke troškove rada, probleme koji se povezuju sa kvalitetom vazduha koji uvodi korozivna sredstva, prljavštinu ili prašinu, teškoću sa kontrolisanjem relativne vlažnosti, mogućnost curenja, probleme povezane sa prisustvom vode, probleme zamrzavanja rashladnih tornjeva, nedostatke svojstvene za korišćenje vode u prostorijama centara podataka, neefikasnost usled razlike između temperature kondenzacije i temperature isparavanja, za koju, rashladni sistem kao što je onaj koji će biti opisan dole u tekstu, se razvija i održava u suštini u prvom patentnom zahtevu.

OPIS PRONALASKA

[0014] Sistem hlađenja za servere prema ovom pronalasku obuhvata: Isparivač koji ima ulazni otvor i izlazni otvor. Isparivač je u termičkoj vezi sa serverom koji treba ohladiti tako da isparivač apsorbuje toplotu generisanu od strane servera.

<->Kompresor

<->Kondenzator

<->Ekspanzioni ventil

[0015] Pri čemu je izlazni otvor isparivača povezan pomoću voda na izlazni otvor kompresora, izlazni otvor kompresora je povezan na ulazni otvor kondenzatora, i izlazni otvor kondenzatora je povezan na ulazni otvor ekspanzionog ventila i njegov izlazni otvor sa ulaznim otvorom isparivača, svi spojevi su napravljeni pomoću voda ili cevi.

[0016] Rashladni fluid apsorbuje toplotu generisanu pomoću servera u isparivaču, promenom faze iz tečnosti u gas. Posle prolaska kroz kompresor, rashladnom sredstvu se povećava pritisak i temperatura. Posle toga, rashladno sredstvo kruži kroz kondenzator i otpušta toplotu u spoljni prostor pri čemu se rashladnom sredstvu smanjuju pritisak i temperatura i menja se faza iz gasa u tečnost. U sledećem stadijumu, rashladno sredstvo prolazi kroz ekspanzioni ventil gde smanjuje pritisak i temperaturu upravo u trenutku u kom rashladno sredstvo prolazi kroz bateriju isparivača. U ovoj poslednjoj tački, temperatura rashladnog sredstva se kontroliše tako da vazduh koji prolazi kroz bateriju ne pada ispod tačke rošenja i da ne postoji kondenzacija vode u centru podataka.

[0017] Zahvaljujući korišćenim sredstvima, njegovom rasporedu i povezanosti, rashladni sistem za servere se dobija u kom je energetski zahtev za ciklus hlađenja mnogo niži nego kod drugih pomenutih sistema i bezbedniji je u prostoriji, jer izbegava prisustvo vode, pored toga, korišćenjem veoma visoke temperature isparenja ≥ 14°C, kondenzacija vode nije proizvedena u bateriji, što daje kao rezultat manju potrošnju energije.

OBJAŠNJENJE SLIKA

[0018] Da bi se upotpunio opis koji se radi i sa ciljem da se doprinese boljem razumevanju karakteristika ovog pronalaska, prema njegovom preporučenom izvođenju, spojena kao sastavni deo pomenutog opisa je slika pri čemu se kao neograničavajući primer, prikazuje sledeće.

[0019] Slika 1.- Pokazuje šematski prikaz rashladnog sistema za servere pri čemu je moguće videti elemente koji čine deo sistema i njihovu međusobnu povezanost.

PREPORUČENO IZVOĐENJE OVOG PRONALASKA

[0020] Ako se pogleda slika, ispod je opis preporučenog izvođenja ponuđenog pronalaska.

[0021] Rashladni sistem je moguće videti na Slici 1, pri čemu je prikazan niz servera 24, smeštenih unutar centra 20 podataka. Iako će u daljem tekstu biti detaljnije opisani, sistem uključuje termodinamički ciklus, u kom cirkuliše fluid 40 rashladnog sredstva, uključujući kompresor 90 i elektronski ekspanzioni ventil 80.

[0022] Rashladni sistem čine:

<->kondenzator 50,

<->isparivač 60,

<->ekspanzioni ventil 80, i

<->kompresor 90.

[0023] Izlazni otvor 64 isparivača 60 je spojen na ulazni otvor 91 kompresora 90 pomoću cevi ili voda 75. Izlazni otvor 92 kompresora 90 je spojen na ulazni otvor 52 kondenzatora 50 pomoću cevi 76. Pored toga, izlazni otvor 54 kondenzatora 50 je spojen na ulazni otvor 81 elektronskog ekspanzionog ventila 80 pomoću cevi ili voda 73. Iako je izlazni otvor 82 elektronskog ekspanzionog ventila spojen na ulazni otvor 62 isparivača 60 pomoću cevi 74.

[0024] Praktično sva toplota koju emituje server se apsorbuje pomoću isparivača bez značajnih gubitaka (predstavljeno strelicama 28), pri čemu se smatra da je isparivač direktno u vezi sa serverom. Emitovanje toplote zadnjeg dela servera 24 je direktno provedeno do isparivača bez posrednih sredstava (kao što je vazduh u prostoriji, itd.). Mogući su drugi razmeštaji isparivača, kao što je pozicioniranje isparivača na vrhu servera.

[0025] Prilikom rada, kondenzator 50 doprema radni fluid 40 u tečnom stanju 44 do elektronskog ekspanzionog ventila 80 kroz cev 73. Ovaj ekspanzioni ventil 80 reguliše količinu rashladnog sredstva neophodnu tako da je na izlaznom otvoru 64 isparivača, radni fluid u fazi gasa 48, pošto isparivač apsorbuje toplotu od servera 28. Posle toga, ovo rashladno sredstvo 40 se komprimuje da bi se povećala njegova temperatura, promenom faze 42. Pritisak i temperatura rashladnog sredstva 40 (faza 42) na izlaznom otvoru 92 su viši od pritiska i temperature rashladnog sredstva 40 (faza 48) na ulaznom otvoru 91. Rashladno sredstvo 40 prolazi do ulaznog otvora 52 kondenzatora 50 pomoću cevi 76 pri čemu prelazi iz gasovitog stanja 42 u tečno stanje 44 na izlaznom otvoru 54 kondenzatora 50.

[0026] U kondenzatoru 50, toplota, koja je predstavljena strelicama 58, prolazi iz medija rashladnog 40 sredstva u odgovarajući medij rashladnog sredstva (na primer, vazduh ili vodu). Količina toplote koju otpusti rashladno sredstvo 40 u fazi 42 isparavanja prouzrokuje da rashladno sredstvo, posle prolaska kroz kondenzator, bude u tečnoj fazi (stanje 44). Naknadno, rashladno sredstvo 40 u stanju 44 prolazi do ekspanzionog ventila 80 gde se menja u stanje 46, na nižoj temperaturi i pritisku. Posle toga, rashladno sredstvo dospeva u isparivač 60 preko cevi 74 gde ulazi kroz ulazni otvor 62. Pošto toplota od servera 28 pređe na rashladno sredstvo 40 u isparivaču, rashladno sredstvo 40 prelazi u gasovito stanje 48 kada izlazi iz isparivača na izlaznom otvoru 64.

[0027] Da bi toplota sa servera 28 prošla kroz bateriju isparivača, koriste se ventilatori 100 sa promenljivom brzinom (zavisno od toplote koju treba rasuti i protoku vazduha koji je izbačen iz ventilatora servera). Izlazni otvor 64 se spaja na ulazni otvor 91 kompresora 90 pomoću cevi 75. Na ovaj način, ciklus hlađenja se upotpunjuje.

[0028] Kako se baterija isparivača smešta veoma blizu servera, temperaturu isparavanja (stanje 44) je moguće koristiti, mnogo više nego u slučaju drugih sistema koji imaju primarno i sekundarno kolo kaskade. Ovo prouzrokuje da je energetska potreba rashladnog ciklusa mnogo niža nego kod pomenutih sistema.

[0029] Pored toga, korišćenjem veoma visoke temperature isparavanja ≥ 14°C, kondenzacija vode nije proizvedena u bateriji, što daje kao rezultat nižu potrošnju energije (zbog toga što nije neophodno da se obezbedi više vodene pare da bi se održala relativna vlažnost prostorije) i što je bezbednije u prostoriji jer je prisustvo vode potpuno izbegnuto, jer prisustvo vode ukazuje na velike rizike za elektronsku opremu.

[0030] Kako je baterija isparivača odmah do elektronske opreme, raspored servera 24 u prostoriji 20 je nevažan.

[0031] U slučaju da povećanje energije koja se rasipa serverima jeste neophodno, u većini slučajeva je potrebno samo povećati brzinu ventilatora.

[0032] Druge dodatne prednosti se dovode u vezu sa izborom rashladnog sredstva 40 koje je izabrano. Prema izabranom rashladnom sredstvu, rashladno sredstvo može imati promenu faze pri umerenim temperaturana i pritiscima, obično više od atmosferskog pritiska. Ovi umereni pritisci izbegavaju upotrebu opreme koja ima visok pritisak u cevima, isparivačima, kondenzatorima, što daje kao rezultat složenost i troškove instalacije.

[0033] Činjenica da se voda ne koristi znači da se izbegava upotreba opreme za detekciju, cevi, odvoda, itd.

[0034] Još jedna prednost je što u većini slučajeva, to što nema curenja između servera (izvori toplote) i isparivača, izbegava se upotreba sistema za hlađenje prostorije ili se barem značajno smanjuje njihova snaga.

[0035] Pošto smo dovoljno opisali prirodu ovog pronalaska, kao i način na koji se on u praksi koristi, treba napomenuti da, u suštini, može biti primenjen u praksi u drugim izvođenjima koja se razlikuju u pojedinostima u pogledu svega što je naznačeno u svrhu primera, i koji u pogledu zaštite koja se traži jednako važe, pod uslovom da osnovni princip nije izmenjen, promenjen ili modifikovan.

Claims (4)

Patentni zahtevi

1. Sistem hlađenja za server koji obuhvata:

<->kondenzator (50),

<->isparivač (60),

<->ekspanzioni ventil (80) i

<->kompresor (90), pri čemu je:

izlazni otvor (64) isparivača (60) spojen na ulazni otvor (91) kompresora (90) pomoću prve cevi ili voda (75); izlazni otvor (92) kompresora (90) je spojen na ulazni otvor (52) kondenzatora (50) pomoću drugog voda (76); izlazni otvor (54) kondenzatora (50) je spojen na ulazni otvor (81) ekspanzionog ventila (80) pomoću treće cevi ili voda (73), pri čemu je izlazni otvor (82) ekspanzionog ventila (80) spojen na ulazni otvor (62) isparivača (60) pomoću četvrtog voda (74); pri čemu

<->ekspanzioni ventil (80) jeste elektronski ekspanzioni ventil koji reguliše količinu rashladnog sredstva tako da u izlaznom otvoru (64) isparivača, radni fluid jeste u gasnoj fazi (48);

<->temperatura isparivača korišćena u isparivaču je ≥ 14°C, samim tim kondenzacija vode nije proizvedena u isparivaču, što daje kao rezultat nižu potrošnju energije, naznačenu time što, spojeni ne isparivač neki ventilatori sa promenljivom brzinom zavisno od toplote koju treba rasipati na struju vazduha koju istisnu ventilatori servera.

2. Sistem za hlađenje servera, prema patentnom zahtevu 1, naznačen time što je isparivač odmah do servera koje treba hladiti.

3. Sistem za hlađenje servera, prema patentnom zahtevu 1, naznačen time što je isparivač (60) postavljen na vrhu servera.

4. Postupak hlađenja za sistem iz bilo kog od patentnih zahteva 1-3, naznačen time što obuhvata sledeće stadijume:

<->Dopremanje radnog fluida (40) u tečnom stanju (44) iz kondenzatora (50) do elektronskog ekspanzionog ventila (80) preko trećeg voda ili cevi (73);

- regulisanje količine rashladnog sredstva pomoću elektronskog ekspanzionog ventila (80) tako da izlazni otvor (64) isparivača, radni fluid je u gasnoj fazi (48), pošto se toplota od servera (28) apsorbuje u isparivaču, temperatura isparavanja korišćena u isparivaču jeste ≥ 14° C, tako da kondenzacija vode nije proizvedena u isparivaču; ventilatori spojeni na isparivač koji rade promenljivom brzinom zavisno od toplote koju treba rasuti i od struje vazduha istisnute iz ventilatora servera;

<->posle toga, rashladno sredstvo (40) koje dolazi iz isparivača (60) se komprimuje u kompresoru (90) da bi se povećala njegova temperatura, promenom gasnog stanja (42), pritisak i temperatura rashladnog sredstva (40) na izlaznom otvoru (92) kompresora su viši od pritiska i temperature rashladnog sredstva (40) na ulaznom otvoru (91) kompresora (90);

<->rashladno sredstvo (40) dospeva do ulaznog otvora (52) kondenzatora (50) pomoću drugog voda ili cevi (76) gde prelazi iz gasovitog stanja (42) u tečno stanje (44) na izlaznom otvoru (54) kondenzatora.

1