TW201712478A

TW201712478A - 伺服器冷卻系統

Info

Publication number: TW201712478A
Application number: TW105130954A
Authority: TW
Inventors: 松下隆洋; 鵜澤敏
Original assignee: 松下知識產權經營股份有限公司
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2017-04-01
Also published as: WO2017056453A1; JP6478046B2; JP2017068485A

Abstract

當設有冷區及熱區的伺服器冷卻系統的規模變大，則冷卻成本變得非常高。因此，需要高冷卻效率的冷卻系統。本發明之伺服器冷卻系統，其將腔室內實質劃分為二部分，於一部分形成冷通道，而於另一部分形成熱通道，於該冷通道與該熱通道的分界上配置伺服器機架，其特徵為具有：空調裝置，設置於該熱通道側；循環通道，從該空調裝置配置到該冷通道；及機架風扇，設置於該伺服器機架的發熱部的熱通道面，該機架風扇使該空調裝置的風量減少，且該機架風扇的風量為該空調裝置的減少風量以下。

Description

伺服器冷卻系統

本發明係關於一種伺服器冷卻系統，其於設置多數個伺服器之伺服器中心中，將複數個伺服器收納於伺服器機架，將該伺服器機架配置於冷卻用腔室內，於腔室內設置熱通道與冷通道而將伺服器予以冷卻。

由於雲端系統等提案，結集多個伺服器之資料中心之需求變高。伺服器因消耗大量電流，會產生熱。因此，將多個伺服器結集並予以冷卻之冷卻系統為必要。作為如此之冷卻系統，被提案之系統如下：於殼體內，設置熱區與冷區，於其分界上配置伺服器機架，利用來自冷區的冷氣，將伺服器機架予以冷卻，並將因熱交換而成為暖氣之空氣藉由熱區內之冷卻器冷卻，而再度供給至冷區(專利文獻1)。

若採用如此之冷卻系統，伺服器係分別整合於各殼體。其優點如下：因將殼體設為集裝箱型，使運送簡便；因各組件可於事前適當設計，故節能性優；因並設複數個，故可以進行資料中心的初期建構、初期運作；可設為屋外型的資料中心。

於如此的伺服器冷卻系統中，消耗電力之效率化為一大問題。資料中心中，因利用多個伺服器，故消耗電力龐大，故伺服器以外所消耗之電力最好愈少愈好。此係因具有可壓低運轉成本且降低從使用者所見的使用成本的經濟面優點、及可抑制消耗電力的環境面優點。

針對伺服器冷卻系統所消耗的電力，使用稱為PUE(Power　Usage　Effectiveness)的指標，該指標係求取伺服器系統整體所消耗的電力(WH_RCV)相對於伺服器本身所消耗的電力(WH_RAC)的倍率。若假設冷卻伺服器的消耗電力及附加設備電力的總和為零，則PUE為1.0。

為了儘可能地減少此PUE，有人提出各種提案。專利文獻2中所揭示的技術為：藉由在設於冷通道與熱通道間的伺服器機架與腔室之間設置廊道，而使冷卻風集中於伺服器機架通過，可降低PUE。

專利文獻3中，於伺服器機架的排氣口設置可送出較伺服器所具備的內設風扇為更大風量的風扇及靠近該風扇而設置的溫度檢測裝置，藉由對應溫度檢測裝置的測定值，進行風扇的風量調節，可防止無效的進氣而可建構高空調效率的節能系統。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2012－98799號公報 [專利文獻2]日本特開2014－157494號公報 [專利文獻3]日本特開2009－140421號公報

[發明欲解決之問題] 於如專利文獻1的冷卻系統中，以從冷區流往熱區的冷氣流動方式來決定冷卻效率。此冷氣的流動，依設置於熱區的空調裝置與殼體的尺寸而定。然而，空調裝置及殼體的效能及尺寸，具有某種程度的限制，無法完全自由設計。

例如，於非使用某種尺寸的殼體不可的情形時，不一定會存在最適合該尺寸的空調裝置。亦即，冷卻能力的效率，若沒有剛好適合的空調裝置與殼體的組合，則無法得達到最佳化。

如專利文獻2的冷卻系統，期望達到高效率化。然而，因伺服器的規模愈大，則冷卻效率越下降，故需減少消耗電力。

專利文獻3因係對作為熱源負載的伺服器進行局部空調，故亦需要高效率化。然而，專利文獻3中，作為伺服器冷卻系統，僅揭示將冷卻機配置於伺服器機架側面的構成。因此，換算成PUE的消耗電力的減少效果為低。 [解決問題之方法]

本發明係有鑑於上述課題而成，本發明係一種伺服器冷卻系統，於腔室(殼體)內設置熱通道(熱區)與冷通道(冷區)，並於其分界上配置伺服器機架，可提高冷卻效率(使PUE往1.0變小)。

更具體而言，本發明之伺服器冷卻系統，其將腔室內實質劃分為二部分，於一部分形成冷通道，而於另一部分形成熱通道，於該冷通道與該熱通道的分界上配置伺服器機架，其特徵為具有：空調裝置，設置於該熱通道側；循環通道，從該空調裝置配置到該冷通道；及機架風扇，設置於該伺服器機架的發熱部的熱通道面，該機架風扇使該空調裝置的風量減少，且該機架風扇的風量為該空調裝置的減少風量以下。 [發明之效果]

本發明的伺服器冷卻系統，因於冷通道與熱通道的分界配置伺服器機架，而於伺服器機架的排氣口設置風扇，使風扇負擔空調裝置的額定風量的一部分，因此雖然為相同冷卻能力，但可抑制伺服器冷卻所消耗的電力，可得到高冷卻效率的冷卻系統。

又，本發明的伺服器冷卻系統，亦可使用熱管。因此，於冬季溫度低的時期，可期待達到PUE接近1.0程度的冷卻效率。

以下，參考圖式說明本發明的伺服器冷卻系統。然而，以下說明為本發明的實施形態的例示，本發明不限於以下所示的實施形態。於不超出本發明的意旨下，可變更以下實施形態。

＜構成之說明＞圖1顯示本發明的伺服器冷卻系統的構成圖。本發明的伺服器冷卻系統1具有：腔室10；循環通道12，設於腔室10的地板下；外氣通路14，設於腔室10的頂板空間；伺服器機架20，配置於腔室10的大致中央附近；機架風扇32，配置於伺服器機架20的背面；及空調裝置(櫃式空調機)22，配置於腔室10中伺服器機架20的背面側(熱通道10h側)。又，亦可於循環通道12中設置加濕器13，而於櫃式空調機22上部設置熱管24(熱管24的蒸發器24a)。又，熱管24亦稱為熱管式輔助冷卻器24。

外氣通路14中，於入口14a設置通風擋板14d及通風扇14f。又，於外氣通路14，具備熱管24的冷凝器24b。

又，於腔室10的外側，設有控制整體的控制裝置30。於腔室10的各處，設置進氣溫度感測器TSA、進氣濕度感測器HSA、回風溫度感測器TRE、回風濕度感測器HRE、外氣溫度感測器TOA、外氣濕度感測器HOA、熱管蒸發器入口溫度感測器THP、櫃式空調機電力監測器WHPAC、伺服器電力監測器WHRAC、受電電力監測器WHRCV、機架風扇電力監測器WHRF、熱管電力監測器WHHP，並分別與控制裝置30相連接。又，控制裝置30亦與空調裝置22、通風扇14f、通風擋板14d相連接。

圖2顯示腔室10的俯視圖。於腔室10的大致中央處，排列配置著伺服器機架20。於伺服器機架20與腔室10側面之間，設置區隔壁16。於伺服器機架20之熱通道10h側，具備機架風扇32。於例示中，空調裝置22係配置於熱通道10h側之靠壁側。又，熱管24配置於空調裝置22的頂面，但在此省略圖示。

再次參考圖1，於伺服器機架20與腔室10的頂板之間，亦可設置區隔壁16。

＜構成之詳細及連接關係＞參考圖1，腔室10為以隔熱材覆蓋而成的長方體形狀。然而，只要能將內部實質劃分為二部分，則非為長方體形狀亦可。在此「實質劃分為二部分」係指，將腔室10內分為充滿冷氣的冷通道10c、及充滿利用伺服器進行熱交換而變暖的暖氣的熱通道10h的2個區域。亦即，只要能有冷通道10c與熱通道10h，亦可將腔室10內分割成二部分以上。具體而言，例如可將腔室10內分割成三部分，將正中間設為冷通道10c，而將兩端的空間設為熱通道10h。

又，亦可不進一步設置區隔壁16，利用冷氣或暖氣的流動，形成冷通道10c與熱通道10h，而於其分界具有中間區域。亦即，所謂「實質劃分為二部分」，亦可包含即使不設置區隔壁16亦可的情形。

於熱通道10h與冷通道10c的分界，配置伺服器機架20。伺服器機架20為設有層板的棚架，該層板從正面(冷通道10c側)朝著背面(熱通道10h側)貫穿，並於貫穿部分配置具有CPU(Central　Processor　Unit)及記憶體的伺服器單元20u(參考圖3)。可配置複數個伺服器機架20，使所有伺服器機架20的正面朝向冷通道10c，而背面朝向熱通道10h。又，「伺服器機架消耗電力」係指，所有伺服器單元20u所消耗的電力。

於伺服器機架20與腔室10之間，伺服器機架20的側面側及頂面側在與腔室10間具有間隙。遮蔽此間隙者為遮蔽機構。在此，遮蔽機構為區隔壁16。只要能使冷氣不會從冷通道10c通往熱通道10h側，則遮蔽機構亦可為區隔壁16以外的方法。

於熱通道10h側之腔室10的內壁，配置空調裝置(櫃式空調機)22。空調裝置22中，於正面設置回風吸入口22in，而於底面設置冷氣吹出口22out。又，空調裝置22為了調節冷氣的吹出量，具有循環風扇34與用以驅動循環風扇34的循環風扇變頻器36。

因此，空調裝置22可多階段地改變冷氣的吹出流量。本發明的伺服器冷卻系統1，藉由配置於空調裝置22與伺服器機架20正後方的機架風扇32，可通過空調裝置22的額定送風量。

此係因空調裝置22必須能調節成少於額定送風量的送風量。空調裝置22的送風量的調節，係利用空調裝置22接收來自控制裝置30的要求指示(冷卻能力水準要求指示)C22而進行。更具體而言，當接收來自控制裝置30的指示信號C22，則藉由空調裝置22內的循環風扇34的送風量變化而進行調節。又，雖未圖示，但熱管24的冷氣亦可利用空調裝置22的循環風扇34進行送風。

於腔室10的地板下，設置循環通道12。循環通道12係將來自空調裝置22的冷氣吹出口22out的冷氣送至冷通道10c的冷氣供給口10ct的移送通路。因此，於腔室10的地板面的熱通道10h側與冷通道10c側，設置貫通孔。

熱通道10h側的貫通孔，從空調裝置22將冷氣送出至循環通道12；冷通道10c側的貫通孔，則將送來的冷氣送出至腔室10內。將冷通道10c側的貫通孔稱為冷氣供給口10ct。為了防止往循環通道12的掉落，最好於冷氣供給口10ct配置格柵等。

又，循環通道12中，於冷氣吹出口22out至冷氣供給口10ct之間備有冷氣擋板38。本發明的伺服器冷卻系統1中抑制來自空調裝置22的冷氣的供給，而被抑制部分的風量，則利用機架風扇32來彌補，藉此而抑制整體的消耗電力。

於空調裝置22的循環風扇34利用循環風扇變頻器36調節冷氣的供給的情形時，不需要冷氣擋板38。然而，於空調裝置22的循環風扇34未具備循環風扇變頻器36的情形時，則利用冷氣擋板38來減低來自空調裝置22的冷氣的送風，雖相較於具備循環風扇變頻器36的情形時為少，但可抑制計算機中心整體的消耗電力。

於冷氣供給口10ct的冷通道10c側或循環通道12側，亦可配置加濕器13。加濕器13係用以對冷氣(進氣)賦予濕度。若冷氣過度乾燥，則伺服器機架20內產生靜電，而有破壞電子機器之虞。加濕器13係配置用以避免如此狀態。又，加濕器13藉由來自控制裝置30的指示信號C13而控制動作。

又，在此係以將循環通道12配置於地板下的情形為例，但只要可將來自配置於熱通道10h的空調裝置22的冷氣移送至冷通道10c，則循環通道12亦可不配置於地板下。

於腔室10的頂板空間，設置外氣通路14。外氣通路14係設置有通風扇14f之外氣的通路，為具有入口14a與出口14b的導管。圖1中，顯示通風扇14f設於入口14a側的例子。出口14b亦朝向外氣而開放。

通風扇14f與控制裝置30相連接。於備有冷氣擋板38的情形時，冷氣擋板38亦可與控制裝置30相連接。如此，可依據來自控制裝置30的指示而運轉動作。控制裝置30可對通風扇14f發送指示信號C14f而進行控制，對冷氣擋板38發送指示信號C38而進行控制。

於櫃式空調機22的上部，配置熱管24。熱管24利用蒸發器24a而使溶劑蒸發。汽化的溶劑，通過冷卻導管24c而移動至冷凝器24b。冷凝器24b使溶劑液化。於溶劑液化時，釋出潛熱部分的熱。經液化的溶劑藉由重力通過冷卻導管24c而返回至蒸發器24a。熱管24因不使用壓縮機故效率佳。然而，其性能受外部氣溫影響。

又，冷凝器24b配置於外氣通路14。此係因冷凝器24b以配置於熱管24構造上的蒸發器24a的重力上方為宜。冷凝器24b具有風扇及散熱器，藉由使已汽化的介質冷卻而進行液化。

控制裝置30係由CPU(Central　Processor　Unit,中央處理單元)及記憶體所構成的電腦。具有如顯示畫面及輸入裝置等的人機裝置(介面)30m，以容易監視伺服器冷卻系統1的狀態為宜。又，控制裝置30與設於伺服器冷卻系統1的各部感測器相連接。

於伺服器機架20的正面(冷氣供給口10ct及伺服器機架20之間)，設置進氣溫度感測器TSA及進氣濕度感測器HSA。將來自此等感測器的信號設為進氣乾球溫度TdbSA及進氣相對濕度RHSA，而發送至控制裝置30。

又，於空調裝置22的回風吸入口22in的前面(回風吸入口22in及伺服器機架20之間)，設置回風溫度感測器TRE及回風濕度感測器HRE。將此等信號設為回風乾球溫度TdbRE及回風相對濕度RHRE，而傳送至控制裝置30。

又，於外氣通路14的入口14a，設置外氣溫度感測器TOA及外氣濕度感測器HOA。將此等信號設為外氣乾球溫度TdbOA及外氣相對濕度RHOA而傳送至控制裝置30。

又，於熱管24的蒸發器24a的入口，配置熱管蒸發器入口溫度感測器THP。熱管24的冷氣溫度，可利用進氣溫度感測器TSA加以確認。將此等信號設為蒸發器入口溫度TdbEV而傳送至控制裝置30。

又，於對空調裝置22的電力配線上，配置櫃式空調機電力監測器WHPAC；於對熱管24的電力配線上，配置熱管電力監測器WHHP；於對伺服器的電力配線上，配置伺服器電力監測器WHRAC，並設置監測包含伺服器冷卻系統1及伺服器的所有受電電力的受電電力監測器WHRCV。將此等信號設為櫃式空調機消耗電力WH_PAC、熱管消耗電力WH_HP、伺服器機架消耗電力WH_RAC、受電電力WH_RCV而傳送至控制裝置30。又，控制裝置30亦與加濕器13相連接，而控制加濕器13的運作。此等感測器及信號例舉於圖1。

圖3係由背面觀看伺服器機架20的圖。又，於伺服器機架20的背面配置有機架風扇32，但於此圖中省略之。區隔壁16與伺服器機架20相鄰設置。又，區隔壁16亦設於伺服器機架20的上方。

伺服器機架20中，於縱向配置複數台伺服器單元20u。又，圖式中，為了例示於縱向僅記載1列。1台伺服器單元20u由裝載著CPU的中央部20c及配置有周邊設備的周邊部20p所構成。伺服器單元20u中，中央部20c與周邊部20p並非同樣成為高溫，以中央部20c為最高溫，而周邊部20p則不會發熱至如此程度。

當從冷通道10c側供給冷氣(進氣)，則於伺服器機架20進行熱交換，而將溫度變高的冷氣(回風)排出至熱通道10h側。伺服器冷卻系統1基本上以如此方式使伺服器機架20冷卻。

當冷氣(進氣)以相同風速從冷通道10c往熱通道10h流動，則通過中央部20c的進氣由於熱交換而使溫度上升。但是，通過周邊部20p的冷氣(進氣)，在溫度未上升之情況下直接通過伺服器機架20。亦即，對於進氣所進行的熱交換效率變低。圖3中，將溫度高的回風的部分設為符號21h，將回風溫度維持為冷氣的部分設為符號21b。

圖4係用以說明上述狀態的伺服器機架20的俯視圖。若來自冷通道10c的冷氣的進氣風速於伺服器機架20全面為均勻，則熱交換僅於中央部20c進行。如此一來，通過周邊部20p的冷氣，其溫度不會上升，熱通道10h側的回風溫度整體而言不會變高。亦即，熱交換效率為低。

空調裝置22中，即使回風溫度多少有變化，但為了使回風溫度下降至既定溫度而消耗的電力幾乎沒有變化。因此，當回風溫度為低，則伺服器冷卻系統1整體的效率下降。

另一方面，使從冷通道10c往熱通道10h的冷氣的進氣速度同樣降低，則無法使伺服器單元20u所產生的熱充分冷卻。

因此，為了提高熱通道10h側的回風溫度，於本發明之伺服器冷卻系統1中，於伺服器機架20背面的最為發熱的中央部20c的正後方(熱通道10h側)，配置機架風扇32。如此，減少空調裝置22的送風量，而所減少的送風量的部分，利用此機架風扇32來彌補。圖5係從熱通道10h側觀看伺服器機架20背面的圖。於中央部20c的正後方，設置機架風扇32。在此，顯示於中央部20c配置2列5層的機架風扇32的例子。

如此，藉由設置機架風扇32，即使減少空調裝置22的送風量，亦可於維持通過最為發熱的中央部20c的風量下，使通過周邊部20p的冷氣的量減少。如此，可提高熱通道10h側的冷氣溫度。藉由使變成高溫的冷氣返回空調裝置22，可提高空調裝置22的熱轉換效率。

圖6係用以顯示此模樣的伺服器機架20的俯視圖。使進氣側的風量較圖4的情形時為少。接著，藉由機架風扇32，使冷氣集中通過最為發熱的中央部20c。周邊部20p的通過風量減少，而通過中央部20c的回風量增加。換言之，使通過伺服器機架20的冷氣風量具有分布。

再次參考圖1，藉由以循環風扇變頻器36驅動循環風扇34，而可調節空調裝置22的送風量。又，機架風扇32亦可依據來自控制裝置30的指示，而使吸引量變動。控制裝置30可依據回風溫度感測器TRE及回風濕度感測器HRE，監控回風的溫濕度狀態。因此，根據回風的溫濕度狀態，調節循環風扇34及機架風扇32的風量。

若驅動機架風扇32，則產生消耗電力。然而，因使通過周邊部20p的冷氣量減少，故可使因空調裝置22的送風量下降所導致的消耗電力的減少遠大於機架風扇32的全部消耗電力，可使冷卻系統整體的消耗電力下降。亦即，藉由進行利用高效率風扇的機架風扇32而使得局部排氣及空調裝置22的循環風扇34的風量減少，可大幅減少循環風扇34的搬運動力亦即循環風扇34的消耗電力。

以下，簡單說明如此的伺服器冷卻系統1的動作。控制裝置30使空調裝置22僅減少額定風量之特定量並運轉。現在，將該特定量設為X%。亦即，空調裝置22於減少額定風量的X%下運轉。又，在此，所謂「額定風量」係指，為了使從成為冷卻對象的伺服器機架20所消耗的電力所求得的發熱量冷卻所需的空調裝置22的風量。又，此X%係用以冷卻伺服器機架20整體的風量。

接著，控制裝置30使機架風扇32運作，以使機架風扇32送出該減少部分的風量的一部分。亦即，因於中央部20c的正後方設置機架風扇32，故不需冷卻伺服器機架20整體的風量，而僅需冷卻中央部20c的風量即可，可利用所減少部分的風量的一部分進行冷卻。又，機架風扇32的驅動部，亦最好於某種程度為可變運作的構成。例如，為直流控制或為變頻控制等，可作為高效率風扇而減少消耗電力。

如此，藉由控制以使空調裝置22的風量與機架風扇32的風量成為空調裝置22的額定風量，而進行冷卻系統整體的電力設計，於求得空調裝置22的額定風量後，導入機架風扇32，而可減少消耗電力。

又，控制裝置30以外氣溫度感測器TOA測定外氣溫度，以外氣濕度感測器HOA測定外氣濕度，而決定對應目前外氣溫濕度的空調裝置22的減少量，或者切換運轉以導入成為副冷卻裝置的熱管24。特別是若將熱管24與作為局部冷卻風扇的機架風扇32相組合，則可得到非常高的冷卻效率。

又，來自空調裝置22的送風量的減少，不僅可利用降低空調裝置22的運轉本身，亦可利用設於循環通道12中的冷氣擋板38來進行。此係因送風量減少本身可使PUE下降。

以下，將成為主冷卻裝置的空調裝置22與成為副冷卻裝置的熱管24及成為局部冷卻器之機架風扇32相組合，再與僅利用主副冷卻裝置進行冷卻的情形相比較，計算消耗電力的改善程度，並顯示其結果。

＜系統構成＞假定為以下規格的系統。

a)將計算機中心設為集裝箱型資料中心(完全通道封蓋)。又，完全通道封蓋係利用區隔壁16等將通道10c及熱通道10h完全分離的方式。

b)將伺服器機架20設為4台。於每1伺服器機架，假設收容37台1U型伺服器(250［W］)、2台1U型HUB(100［W］)。每1伺服器機架的消耗電力總和為9.45［kW］。若此伺服器機架20為4台，則伺服器消耗電力為9.45［kW］×4機架＝37.8［kW］。

c)準備1台主冷卻裝置(櫃式空調機22)。其規格如下，冷卻能力：40［kW］、動作係數COP於外氣溫度35℃下設為2.5，於外氣溫度10℃下設為3.5。櫃式空調機22以壓縮機消耗36.3［kW］的電力。

又，熱管式輔助冷卻器24於外氣溫度35℃下停止，於外氣溫度10℃下COP設為30。熱管24的消耗電力設為消耗1.4kW。此運轉切換係控制裝置30根據外氣溫度感測器TOA與外氣濕度感測器HOA所測定的外氣溫濕度而進行。

將櫃式空調機22的冷氣送往冷通道10c的循環風扇34，係使用多翼式送風機。多翼式送風機的送風能力設為12,000［m³ ／h］、消耗電力設為3.7［kW］、機外靜壓設為100Pa。

d)準備80台機架風扇32。機架風扇32使用軸流風扇。軸流風扇的送風能力為150m³ ／h。扇徑為φ145mm，風通過的箱面積為200×200mm² 。馬達消耗電力設為4W，旋轉數設為2000r／min。

於每1伺服器機架，分別配置2列各10台。80台機架風扇32的總送風量為：150［m³ ／h］×2並列×10層×4機架＝12,000［m³ ／h］。又，80台機架風扇32相當於循環風扇34的風量。

又，COP為動作係數，基本上以如下方式求得。

以qts＝v×S［m³ ］求得通過冷卻機的風量qts。在此，v為通過冷卻機的風速，S為冷卻機冷氣所通過的剖面積。若將供給至冷卻機的回風的平均溫度設為T1，將冷卻機的出口溫度的平均溫度設為T2，將冷卻機的消耗電力設為WH_TS，將空氣密度設為1.293［kg／m³ ］，則冷卻機的冷卻處理熱量Q為：Q＝1.293×qts×(T1－T2)［KJ］。動作係數COP的計算為：COP＝Q／WH_TS。

其次，設定以下條件。風扇風量與馬達轉速N成比例，壓力P與馬達轉速的2次方N² 成比例，風扇軸動力與轉速的3次方N³ 成比例。

參考圖7。圖7係主冷卻的循環風扇34的特性假定圖。橫軸為風量(m³ ／h)，縱軸為靜壓(Pa)。LINE1係最大風量時的風量－靜壓曲線；LINE2係為一半左右風量時的風量－靜壓曲線。動作點可求得作為使用循環風扇變頻器36時的系統阻抗(LINE3)與此等曲線的交叉點。亦即，若改變風量，則動作點於此系統阻抗上移動。

又，雖亦可使用冷氣擋板38，但相較於圖7的循環風扇變頻器36的系統阻抗的LINE3，其為靠近縱軸的大斜度的曲線，故無法得到如變頻器般的高效率的效果。

如此，若使從利用變頻器的主冷卻裝置(空調裝置22)的循環風扇34的額定的運轉點A往運轉點B，將風量設為1／2，則消耗電力為1／8。動作點(A)的消耗電力3.7［kW］→動作點(B)之消耗電力463［W］　・・(1) 從此動作點A往動作點B藉由變頻器使風量減少，所減少的部分藉由機架風扇32來彌補。亦即，若循環風扇34的額定風量為12,000［m³ ／h］，則藉由機架風扇32彌補其1／2，亦即6,000［m³ ／h］。

更具體而言，假設每1台機架風扇32的風量為75［m³ ／h］，則4伺服器機架份的所有機架風扇風量以如(2)式求之。 75［m³ ／h］×2並列×10層×4機架＝6,000［m³ ／h］　・・(2) 利用上述式(2)的所有機架風扇風量進行局部換氣。

與上述相當的機架風扇32的消耗電力以式(3)求之。 2.4［W］×2並列×10層×4機架＝192［W］　・・(3) 從式(1)、(2)之合計值，求得風扇消耗電力總和為655［W］　・・(4) 另一方面，於僅以循環風扇34進行循環的情形時為3.7［kW］　・・(5)

由以上可知，上述空調裝置22的循環風扇34的1／2風量利用機架風扇32彌補時，其循環風扇34整體的搬運電力的削減，從式(4)、(5)藉由以下的式(6)求得。

(3700－655)／3700×100＝82.2%　・・・・(6) 從式(6)可知，可削減82.6%的循環風扇34整體的搬運電力。

將此以PUE進行比較。PUE因受外氣溫度所左右，故以如下方式進行情況區分。

a)夏季時僅以循環風扇34進行循環搬運時的PUE，以如式(7)所示求得。 PUE＝(16300＋3700＋37800)／37800＝1.53　・・(7)

b)夏季時以機架風扇32彌補空調裝置22的循環風扇34的1／2風量時的PUE，以如式(8)所示求得。 PUE＝(16300＋655＋37800)／37800＝1.45　・・・(8)

c)冬季時僅以空調裝置22的循環風扇34進行循環搬運時的PUE，以如式(9)所示求得。與夏季時相比，冬季的空調裝置22的COP從2.5提升至3.5。 PUE＝(11643＋3700＋37800)／37800＝1.4　・・・・(9)

d)冬季時以機架風扇32彌補空調裝置22的循環風扇34的1／2風量時的PUE，以如式(10)所示求得。 PUE＝(11643＋655＋37800)／37800＝1.33　・・・・(10)

e)冬季時使熱管式輔助冷卻器24動作時的PUE，以如式(11)所示求得。於外氣溫度10℃下可使空調裝置22的壓縮機完全停止。 PUE＝(3700＋37800)／37800＝1.1　・・・・・・・・・(11)

f)於冬季時，使熱管式輔助冷卻器24動作，且以機架風扇32彌補空調裝置22的1／2風量時的PUE，如式(12)所示求得。 PUE＝(662＋37800)／37800＝1.02　・・・・・・・・・(12) 據上，於冬季以機架風扇32彌補空調裝置22的1／2風量，且使熱管24動作的情形時，可實現PUE為1.02的高效率伺服器冷卻系統。

如此，藉由使空調裝置22或熱管式輔助冷卻器24與機架風扇32相組合，能大幅改善PUE。實際上，必須依據腔室10大小及伺服器機架20大小，仔細調整空調裝置22或熱管式輔助冷卻器24與機架風扇32的風量的比率。因此，機架風扇32所彌補風量的比率，並無特別限定。

然而，藉由將空調裝置22或熱管式輔助冷卻器24與機架風扇32的風量，分別設為1／2，於大部分的伺服器系統中，較僅藉由空調裝置22或熱管式輔助冷卻器24進行時，可達成較高效率的冷卻。

如上所述，依據本發明的伺服器冷卻系統1，可達到以下效果。

(1)於伺服器機器設置機架風扇32以作為局部分散，利用與作為主冷卻的櫃式空調機22的循環風扇34的局部協同，藉由去除資料中心內的空間搬運動力、從熱通道10h側往冷通道10c側的再循環、及因來自伺服器機架20間隙的逆送風所導致的無效搬運動力，整體而言可減少冷氣的搬運動力。

(2)藉由以機架風扇32，供給相當於伺服器負載(電力)的換氣動力，可減少冷卻伺服器單元20u的換氣動力。若伺服器的規模愈大，亦即，伺服器機架20的數量愈多，則(1)(2)的效果愈大。

(3)藉由利用機架風扇32的局部換氣，使伺服器機架20背面的CPU中央部20c的高溫發熱區域集中換氣，並可減少周邊部20p的低溫發熱區域的無效的換氣動力。

(4)藉由從伺服器機架20背面使整體而言均勻且高溫的排氣返回櫃式空調機22，於在回風路徑設置熱管式輔助冷卻器24的情形時，可高效率地提升該機器的冷卻能力。 [產業上之利用可能性]

本發明可適合應用於計算機中心的伺服器冷卻系統。

1‧‧‧伺服器冷卻系統
10‧‧‧腔室
10c‧‧‧冷通道
10ct‧‧‧冷氣供給口
10h‧‧‧熱通道
12‧‧‧循環通道
13‧‧‧加濕器
14‧‧‧外氣通路
14a‧‧‧入口
14b‧‧‧出口
14d‧‧‧通風擋板
14f‧‧‧通風扇
16‧‧‧區隔壁(遮蔽機構)
20‧‧‧伺服器機架
20c‧‧‧中央部
20p‧‧‧周邊部
20u‧‧‧伺服器單元
21b‧‧‧維持冷氣之回風部分
21h‧‧‧高溫度之回風部分
22‧‧‧空調裝置(櫃式空調機)
22in‧‧‧回風吸入口
22out‧‧‧冷氣吹出口
24‧‧‧熱管(熱管式輔助冷卻器)
24a‧‧‧蒸發器
24b‧‧‧冷凝器
24c‧‧‧冷卻導管
30‧‧‧控制裝置
30m‧‧‧人機裝置
32‧‧‧機架風扇
34‧‧‧循環風扇
36‧‧‧循環風扇變頻器
38‧‧‧冷氣擋板
C13‧‧‧指示信號
C14d‧‧‧指示信號
C14f‧‧‧指示信號
C22‧‧‧指示信號
C24‧‧‧指示信號
C38‧‧‧指示信號
TSA‧‧‧進氣溫度感測器
HSA‧‧‧進氣濕度感測器
TRE‧‧‧回風溫度感測器
HRE‧‧‧回風濕度感測器
TOA‧‧‧外氣溫度感測器
HOA‧‧‧外氣濕度感測器
WHPAC‧‧‧櫃式空調機電力監測器
WHHP‧‧‧熱管電力監測器
WHRAC‧‧‧伺服器電力監測器
WHRCV‧‧‧受電電力監測器
WHRF‧‧‧機架風扇電力監測器
THP‧‧‧熱管蒸發器入口溫度感測器

【圖1】伺服器冷卻系統1的構成圖。【圖2】伺服器冷卻系統1的腔室的俯視圖。【圖3】從伺服器機架背面所見的圖。【圖4】伺服器機架的俯視圖，顯示熱效率不良時的空氣流動圖。【圖5】從伺服器機架背面所見的圖。【圖6】伺服器機架的俯視圖，顯示熱效率變高時的空氣流動圖。【圖7】空調裝置的循環風扇的特性圖。

1‧‧‧伺服器冷卻系統

10‧‧‧腔室

10c‧‧‧冷通道

10ct‧‧‧冷氣供給口

10h‧‧‧熱通道

12‧‧‧循環通道

13‧‧‧加濕器

14‧‧‧外氣通路

14a‧‧‧入口

14b‧‧‧出口

14d‧‧‧通風擋板

14f‧‧‧通風扇

16‧‧‧區隔壁(遮蔽機構)

20‧‧‧伺服器機架

22‧‧‧空調裝置(櫃式空調機)

22in‧‧‧回風吸入口

22out‧‧‧冷氣吹出口

24‧‧‧熱管(熱管式輔助冷卻器)

24a‧‧‧蒸發器

24b‧‧‧冷凝器

24c‧‧‧冷卻導管

30‧‧‧控制裝置

30m‧‧‧人機裝置

32‧‧‧機架風扇

34‧‧‧循環風扇

36‧‧‧循環風扇變頻器

38‧‧‧冷氣擋板

C13‧‧‧指示信號

C14d‧‧‧指示信號

C14f‧‧‧指示信號

C22‧‧‧指示信號

C24‧‧‧指示信號

C38‧‧‧指示信號

TSA‧‧‧進氣溫度感測器

HSA‧‧‧進氣濕度感測器

TRE‧‧‧回風溫度感測器

HRE‧‧‧回風濕度感測器

TOA‧‧‧外氣溫度感測器

HOA‧‧‧外氣濕度感測器

WHPAC‧‧‧櫃式空調機電力監測器

WHHP‧‧‧熱管電力監測器

WHRAC‧‧‧伺服器電力監測器

WHRCV‧‧‧受電電力監測器

WHRF‧‧‧機架風扇電力監測器

THP‧‧‧熱管蒸發器入口溫度感測器

Claims

一種伺服器冷卻系統，其將腔室內實質劃分為二部分，於一部分形成冷通道，而於另一部分形成熱通道，於該冷通道與該熱通道的分界上配置伺服器機架，其特徵為具有：空調裝置，設置於該熱通道側；循環通道，從該空調裝置配置到該冷通道；及機架風扇，設置於該伺服器機架的發熱部的熱通道面，該機架風扇使該空調裝置的風量減少，且該機架風扇的風量為該空調裝置的減少風量以下。
一種伺服器冷卻系統，其將腔室內實質劃分為二部分，於一部分形成冷通道，而於另一部分形成熱通道，於該冷通道與該熱通道的分界上配置伺服器機架，其特徵為具有：空調裝置，設置於該熱通道側；循環通道，從該空調裝置配置到該冷通道；及機架風扇，設置於該伺服器機架的發熱部的熱通道面，該機架風扇的通過該伺服器機架的冷氣風量具有分布。
如申請專利範圍第1或2項之伺服器冷卻系統，其中，於該熱通道側設有熱管。
如申請專利範圍第1或2項之伺服器冷卻系統，其中，該機架風扇的風量，可對應於該伺服器機架的發熱部的消耗電力而改變。
如申請專利範圍第1或2項之伺服器冷卻系統，其中，該空調裝置的循環風扇利用變頻器控制風量。
如申請專利範圍第1或2項之伺服器冷卻系統，其中，該伺服器冷卻系統在該伺服器機架與該腔室內壁之間，設置區隔壁。