CN103605412A - 用于服务器群冷却系统的冷排包封 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于服务器群冷却系统的冷排包封，并公开了针对数据中心的高效冷却的装置、方法和系统。本发明的一些实施例允许通过机壳来包封冷排，并允许服务器风扇从冷排包封结构抽取冷空气以对安装在服务器机架上的服务器进行冷却。在其他具体实施例中，所公开的系统可用于将外部的冷空气混合到冷排包封结构中以对服务器进行冷却。在一些实施例中，本发明涉及利用数据中心室的增高的子地板。

Description

用于服务器群冷却系统的冷排包封

本申请是PCT国际申请日为2010年3月31日、PCT国际申请号为PCT/US2010/029348(国家申请号为201080017609.X)、名称为“用于服务器群冷却系统的冷排包封”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总的来说涉及用于数据中心的冷却系统。

背景技术

诸如Web电子邮件、Web搜索、Web站点容宿和Web视频共享之类的因特网服务的快速成长正在对数据中心的服务器的计算和存储能力提出越来越高的要求。虽然服务器的性能在提高，但是服务器的功耗也在上升，尽管在对集成电路的低功耗设计作出努力。例如，作为最广泛使用的服务器处理器之一的AMD的Opteron处理器以高达95瓦特来运行。Intel的Xeon服务器处理器在110和165瓦特之间运行。但是，处理器仅仅是服务器的一部分;服务器中的诸如冷却风扇和存储设备之类的其他部分消耗另外的功率。

服务器通常被置于数据中心的机架上。存在对机架的各种物理配置。一种典型机架配置包括安置轨道(mounting rail)，多个诸如服务器刀片(server blade)之类的设备单元被安置到轨道上并且在机架内垂直堆叠。一个最广泛使用的19英寸机架是用于安置诸如1U或2U服务器之类的设备的标准化系统。这种机架上的一个机架单元通常是1.75英寸高且19英寸宽。可安装在一个机架中的服务器通常被指定为1U服务器。在数据中心中，标准机架通常被密集地填充有服务器、存储设备、交换机和/或电信设备。

数据中心室应当被维持在对于服务器的可靠工作而言可接受的温度和湿度，服务器通常具有通过机箱来抽气以进行冷却的冷却风扇。密集地堆叠了由Opteron或Xeon处理器来运转的服务器的机架的功耗可以在7000和15000瓦特之间。结果，服务器机架可产生非常集中的热负荷。机架中的服务器所驱散的热量被排出到数据中心室。由密集填充的机架所总体生成的热量可能对机架中的设备的性能和可靠性产生不利影响，这是因为它们依赖于周围空气来进行冷却。因此，加热、通风、空调(HVAC)系统常常是高效数据中心的设计的重要部分。

典型的数据中心消耗10至40兆瓦的功率。大部分的能量消耗是在服务器和HVAC系统的工作之间划分的。HVAC系统已被估计为占数据中心的功率使用的25％至40％。对于消耗40兆瓦功率的数据中心而言，HVAC系统可消耗10至16兆瓦的功率。通过利用高效的冷却系统和降低能量使用的方法可以实现显著的成本节约。例如，将HVAC系统的功耗从数据中心所使用的功率的25％降低到10％将转化为6兆瓦功率的节约，这足以为几千住宅家庭供电。

在数据中心室中，服务器机架通常按排布置，在这些排之间有交替的冷通道和热通道。所有服务器都被安装到机架中以实现从前到后的气流模式，该气流模式从位于机架前方的冷排(cold row)抽入经调节的空气并通过机架后方的热排(hot row)将热量排出。通常使用增高地板的房间设计来容纳地板下的空气分配系统，其中沿着冷通道通过增高的地板中的通风口来提供冷却的空气。

数据中心的高效冷却的一个重要因素是管理数据中心内的空气流动和循环。计算机室空调机(CRAC)单元经过地板砖而提供冷空气，这些地板砖在机架之间包括通风口。除服务器之外，CRAC单元也消耗大量功率。一个CRAC单元可以具有多达3个5马力马达，并且可能需要多达150个CRAC来冷却数据中心。CRAC单元总体消耗数据中心中的大量功率。例如，在具有冷排和热排结构的数据中心室中，来自热排的热空气被移出热排并循环到CRAC单元。CRAC单元对空气进行冷却。由CRAC单元的马达运转的风扇将冷却的空气供应到由增高的子地板所限定的地板下通风空间(plenum)。通过将冷却的空气驱动到地板下通风空间而产生的压力向上驱动冷却的空气使其通过子地板中的通风口，从而将其供应到服务器机架所面对的冷通道。为了实现足够的气流速率，可以在整个典型数据中心室中安装几百个强大的CRAC单元。但是，由于CRAC单元一般安装在数据中心室的角落，因此其高效增大气流速率的能力受到负面影响。

发明内容

本发明提供了针对使用增高的子地板设计的数据中心的高效冷却的系统和方法。在一个具体实施例中，本发明提供了一种冷排包封(encapsulation)结构，其包括至少一个被配置为与一个或多个服务器机架相接口(interface)的服务器机架端口以及连接到冷排包封结构的顶面的冷却模块。服务器机架端口被配置为与服务器机架啮合，以使得服务器机架的正面与由冷排包封结构限定的内部空间相接口。在一些实施例中，服务器机架端口和服务器机架通过夹子和/或密封衬垫而紧密连接，以减少去往和来自冷排包封结构的空气泄漏。冷排包封结构位于增高的子地板上，以考虑到多个空气流动路径和空气调节机构。

本发明的一些实施例利用安装在机架上的服务器的冷却风扇来从服务器机架正面的冷排包封结构抽取冷空气，并将热空气从服务器机架的背面排出。安装在冷排包封结构之上的冷却模块通过安装在冷却模块内的冷却盘管对热空气进行冷却。在一些实施例中，在盈管内使用冷水来与冷却模块中的热空气交换热量。在本发明的一个实施例中，系统和方法集中于在不引入外部空气的情况下对数据服务器冷却室内的热空气进行冷却。服务器风扇所排出的热空气可以由一个或多个风扇单元部分冷却、或者可以简单地再循环到冷却室。热空气或部分冷却的热空气进入可位于冷排包封结构之上的冷却模块。热空气或部分冷却的热空气被冷却模块内基于水的冷却盘管冷却，并且冷却的空气通过重力以及冷排包封结构的内部空间中降低的压力而进入冷排包封结构。服务器风扇从连接到冷排包封结构的服务器机架端口抽取冷空气以对服务器进行冷却，并将热空气从服务器机架的背侧排出。

在本发明的其他实施例中，系统和方法涉及混合外部的冷空气以对服务器进行冷却。在一个实施例中，数据中心的天花板气闸(damper)可由温度控制单元来控制，并且当外部温度达到某一阈值时被打开。外部空气进入数据中心，并且经过安装在冷排包封结构之上的冷却模块。服务器风扇从冷排包封结构抽取冷空气。热空气被天花板排气风扇排出到外部。在一些实施例中，为了控制数据中心服务器冷却室中的空气湿度，尤其是当外部空气不能满足服务器和其他设备的工作要求时，可使用增湿器来调节外部空气。但是，近年来，服务器设备的制造者已由于技术发展而显著放宽了湿度要求。

下面的详细描述和附图一起将提供对本发明各种实施例的特性和优点的更好理解。

附图说明

图1是示出示例性冷排包封结构和示例性冷却模块的示图。

图2是示出具有集成服务器机架的示例性冷排包封结构和示例性冷却模块的示图。

图3是示出具有冷排包封结构、冷却模块、屋顶上的排气风扇、带有气闸的混合室、和具有一个或多个支撑梁的增高的子地板的示例性数据中心服务器冷却室的示图，其中气闸控制室内和室外的空气循环。

图4是示出增高的子地板中的示例性支撑梁的示图，其中用金属板将增高的子地板紧固在冷排包封结构的底部上。

图5是示出具有集成的服务器机架、放置在一个服务器机架上的示例性服务器、和示例性冷却模块的示例性冷排包封结构。

图6是示出具有服务器风扇的示例性服务器的示图，其中服务器风扇抽入由示例性冷却模块调节的冷空气。

具体实施方式

结合意图作为说明性示例而非对范围进行限制的装置、方法和系统来描述和说明以下的示例性实施例和它们的各方面。

图1图示出示例性冷却模块100和示例性冷排包封结构106。冷排包封结构106可以具有框架、面板、门和服务器机架端口。服务器机架端口是冷排包封结构106上的可连接到服务器机架的开口。冷排包封结构106可以由诸如钢、复合材料或碳材料之类的各种材料制成，这些材料创建了限定内部空间的壳体，该壳体包括至少一个允许机架安置单元(rack-mounted unit)与内部空间相接口的服务器机架端口。

冷却模块100可位于冷排包封结构106之上并与冷排包封结构106的顶面相连。冷却模块100包括一个或多个冷却盘管102。在冷却盘管102内经过的液体用于与经过冷却模块100的相对较热空气交换热量，从而对空气进行冷却。在一个实施例中，冷却模块100还包括机壳，冷却盘管102位于该机壳内。冷却模块机壳可以具有一个或多个开口104，空气通过开口104进入机壳。在一些实施例中，开口104可以包括空气过滤器。冷却模块机壳可以具有一个或多个与冷排包封结构106的顶面相连的开口，冷空气通过这些开口离开冷却模块并进入由冷排包封结构所限定的内部空间中。

在一些实施例中，在冷却盘管102内使用水作为热交换剂。水泵、水冷却设备和相关管道设备(未图示)将冷却的水供应到冷却盘管102。在其他实施例中，在冷却盘管102内可以使用诸如水-乙二醇溶液之类的其他类型的液体、蒸汽或制冷剂作为热交换剂。

在一些实施例中，冷却盘管102可以是蜿蜒形的管道线路。在其他实施例中，冷却盘管102可以是其他形状的，例如直的管道线路。取决于冷排包封结构106的大小、冷却要求、气流速度和冷却盈管102的物理特性，冷却模块100中的冷却盈管的数目可以变化。在一个实施例中，在冷却模块100内使用两个冷却盘管。

由于冷空气一般重于热空气，因此经冷却盘管102冷却的冷空气一般可下移动到冷排包封结构106所限定的内部空间中，冷排包封结构106可以位于冷却模块100下方并与冷却模块100相连。冷排包封结构106包括限定内部空间的机壳。该机壳包括至少一个被配置为与多个服务器机架相接口的服务器机架端口110。服务器机架端口110被配置为与服务器机架相接口，以使得服务器机架的正面与冷排包封结构106的内部空间相交。在一个实施例中，六个标准服务器机架可连接到服务器机架端口110。在另一实施例中，十二个标准服务器机架可连接到服务器机架端口110。在一些实施例中，服务器机架和服务器机架端口110可通过一个或多个夹子112连接在一起。在其他实施例中，服务器机架和服务器机架端口110可被彼此紧挨地放置。在一些其他实施例中，诸如衬垫之类的密封材料可用于使服务器机架端口110和服务器机架紧密连接。服务器被安装到机架中以实现从前到后的气流模式，该气流模式从前方的冷排包封结构106抽入经调节的空气并在机架后方将热量排出。

在一个实施例中，冷排包封结构106可以包括多于一个服务器机架端口110。服务器机架端口110可以与服务器机架啮合，以使得服务器的正面或者安装在服务器中的其他设备与冷排包封结构106所限定的内部空间相接口。该配置实现了从前到后的气流模式，其中服务器或者其他机架安置单元的冷却风扇从内部空间抽取空气，并将由(一个或多个)处理器和其他组件加热的空气排出后面板，如图4所图示。在一些实施例中，服务器机架和冷排包封结构可被基本上密封;冷排包封结构106的内部空间中的经调节的冷空气被服务器内的服务器风扇抽取以对服务器进行冷却。在其他实施例中，服务器机架和冷排包封结构106被彼此紧挨地放置，以使得冷排包封结构106的内部空间中的经调节的冷空气可被服务器内的服务器风扇抽取到服务器处。相对较热的空气被循环回冷排包封结构106之上的冷却模块100，并且与冷却盘管102交换热量。来自冷却模块100的冷空气下沉到冷排包封结构106，并且被服务器内的服务器风扇抽取到服务器的背面。在一些实施例中，服务器机架被稀疏地填充有服务器和其他设备。由于服务器和其他设备在机架内被垂直堆叠，因此这种稀少可能对冷排包封结构的内部空间产生开放间隙。冷空气可能从冷排包封结构106的内部空间泄漏，并且热空气可能循环回内部空间，从而降低了冷却效率。为了防止空气泄漏，可以通过安置到服务器机架的面板来阻挡间隙，这些面板防止空气通过间隙而漏出和进入冷排包封结构。

在一个实施例中，冷排包封结构106还可以在底部包括稳定性控制单元114。稳定性控制单元114可以包括如下组件:建立这些组件以在诸如地震之类的自然灾害期间抵挡地震运动。在一些实施例中，如图4所示，稳定性控制单元可以包括金属板，所述金属板可以与子地板中的支撑梁固定。当稳定性控制单元114被使用时，冷排包封结构106可被从地面升高。结果，冷空气可能从冷排包封结构106的底侧泄漏并且热空气可能从冷排包封结构106的底侧进入。为了防止空气泄漏，在一个实施例中，冷排包封结构106的底侧可被对底面进行密封的面板封住，稳定性控制单元114可被附接到该面板上。

在一个实施例中，一个或多个门108可被安装在冷排包封结构106的机壳上。门108可被打开和关闭，以使得数据中心人员可以进入冷排包封结构以进行诸如服务器维护之类的各种任务。门108可以是隔离的，以防止冷空气泄漏出冷排包封结构106。

冷排包封结构106的尺寸可以取决于所需的服务器机架数、服务器的冷却要求等而显著变化。在一个实施例中，六至十二个标准服务器机架可连接到冷排包封结构106的相应服务器机架端口110。另外的六至十二个标准服务器机架可连接到冷排包封结构的相反侧的服务器机架端口。相反的这些服务器机架端口之间的距离可以是4英尺。冷排包封结构106的高度可以是12英尺，并且深度也可以是12英尺。

图2图示出示例性冷却模块200、冷排包封结构206和集成服务器机架208和210。除了服务器机架是系统的整体部分之外，该示例中的系统与图1所示的系统类似。在本实施例中，由于服务器机架是冷排包封结构206的一部分，因此不再需要冷排包封结构206与集成服务器机架208和210之间的连接和密封。服务器可被安装到集成服务器机架208和210中以实现从前到后的气流模式。集成服务器机架208和210的正面与冷排包封结构206的内部空间相交。服务器内的服务器风扇从冷排包封结构206抽取冷空气以对服务器进行冷却，并从服务器机架的背面送出相对较热的空气。热空气然后通过一个或多个开口204被循环回冷却模块200，并与一个或多个冷却盘管202交换热量。冷却模块200可位于冷排包封结构206之上，并且可通过冷排包封结构206顶侧和冷却模块200底侧的开口而连接到冷排包封结构206的顶面。冷空气一般向下运动，尤其当服务器风扇从冷排包封结构抽取冷空气从而在冷排包封结构206的内部空间中产生较低空气压力时更是如此。

如以上所公开的，图1和图2中所图示的冷却系统可以在数据中心服务器冷却室所限定的内部空间中工作以从内部空间抽取空气，并将冷却的空气提供给冷排包封结构106的内部。但是在一些实现方式中，冷却系统也可以结合数据中心冷却室而工作，该数据中心冷却室包括的气流控制允许使用外部空气。图3图示出示例性数据中心服务器冷却室300，其具有一个或多个天花板排气风扇316、控制外部空气入口的天花板气闸314、混合室318、对进入混合室318的空气的循环进行控制的气闸312、和增高的子地板332。一个或多个支撑梁322保持增高的子地板322。一个或多个通风口320在增高的子地板上，以使得空气可以在内部空间330和子地板空间324之间交换。在一些实施例中，一个或多个风扇单元328可以选择性地引起空气从子地板空间324流动到内部空间330。在某些实施例中，风扇单元可以是包括一个或多个风扇的CRAC单元。CRAC单元可以位于数据中心室的角落处。CRAC单元可以经过地板砖而提供冷空气，所述地板砖包括通风口320。例如，来自热排的热空气被移出热排并且循环到CRAC单元。CRAC单元可以部分地冷却空气、或者简单地将空气循环到内部空间，在内部空间中冷却模块302工作以进一步调节空气并将空气提供到机壳306。由CRAC单元的马达所运转的风扇将空气供应到由增高的子地板所限定的地板下通风空间。通过将空气驱动到地板下通风空间而产生的压力问上驱动空气使其通过子地板中的通风口，从而将其供应到服务器冷却室500的内部空间。

冷却模块302包括一个或多个冷却盈管304，并且连接到混合室318。冷排包封结构306的顶面连接到冷却模块302。冷排包封结构306的机壳上的服务器机架端口308连接到服务器机架310。服务器可被安装到服务器机架中以实现从前到后的气流模式。服务器机架的正面与冷排包封结构306的内部空间相交。服务器内的服务器风扇从冷排包封结构306抽取冷空气以对服务器进行冷却，并将热空气排出服务器机架。

服务器冷却室300可在多种模式下工作。在一种模式下，外部空气不被引入到服务器冷却室300。风扇单元300可以对部分地从服务器排出的热空气进行部分地冷却，并且将部分冷却的热空气循环回到内部空间。部分冷却的热空气循环回混合室318和冷却模块302。在另一模式下，外部空气不被引入到服务器冷却室300。风扇单元328简单地将从服务器排出的热空气再循环回到内部空间。热空气被循环回到混合室318和冷却模块302。在另一模式下，外部冷空气被引入到服务器冷却室300。当混合室上的气闸312关闭时，天花板气闸314打开。外部冷空气经过冷却模块302并进入冷排包封结构306。

在一个实施例中，天花板气闸314关闭并且混合室上的气闸312打开。服务器所排出的部分热空气通过一个或多个天花板排气风扇316被排出服务器冷却室300;部分热空气通过打开的气闸312进入混合室318。混合室内的热空气被抽取到冷却模块302并且与冷却盘管304交换热量。冷空气然后通过重力以及冷排包封结构306的内部空间中降低的空气压力而进入冷排包封结构306。

在另一实施例中，天花板气闸314打开并且混合室上的气闸312关闭。外部的冷空气通过打开的气闸314进入混合室318，经过冷却模块302，并下沉到冷排包封结构306的内部空间。

在一些实施例中，气闸312和314的打开和关闭可以由温度控制单元来控制。当外部温度达到适当水平时，温度控制单元打开天花板气闸314以允许外部空气进入室内，并关闭混合室上的气闸312以防止从服务器排出的热空气进入混合室。当外部温度对于服务器冷却室300而言太热时，温度控制单元关闭天花板气闸314以防止将外部热空气引入室内，并打开气闸312以允许从服务器排出的热空气回到混合室。利用外部的自然冷空气显著减小了数据中心的能量消耗，这是因为降低了对循环通过冷却模块100的液体进行冷却的需要。在一些实施例中，气闸312和314的打开和关闭以及天花板排气风扇316的操作都由诸如温度控制单元之类的电子装置来控制，该电子装置监视服务器冷却室内部和外部的温度并操作气闸和风扇以实现对室进行冷却的最优效率。

取决于数据中心的位置，外部冷空气的湿度可能变化。当外部冷空气的湿度为低时，外部空气可能必须被调节，以使得湿度水平满足服务器的可靠工作的要求。虽然服务器制造者已显著放宽了对服务器设备的可靠工作的湿度要求，但是数据中心服务器冷却室内的环境空气的适当湿度对于数据中心内的设备的性能和可靠性而言仍然是重要的。在一些实施例中，一个或多个增湿器可被安装在混合室318中，以调节经过混合室的空气的湿度。

图4示出支撑梁412连同全螺纹金属杆414的示例性细节，该全螺纹金属杆414用金属板406紧固在冷排包封结构的底部上。在某些实施例中，金属杆414与支撑梁412通过焊接的全螺纹连接件固定在地板上。在某些实施例中，螺栓408和卡扣件410可以用于将金属板406固定到金属杆414。金属板406可以位于冷排包封结构的底部上。在某些实施例中，金属板406可以是冷排包封结构的稳定性控制单元的一部分。在其他实施例中，增高的子地板的支撑梁可以抵挡震动事件(例如，地震)。全螺纹金属杆414可以通过焊接的全螺纹连接件418固定到地板。金属杆414也抵挡震动事件(例如，地震)。通过将冷排包封结构固定到一个或多个支撑梁和全螺纹金属杆，系统利用由增高的子地板的支撑梁提供的震动保护。在某些实施例中，附加的全螺纹金属杆提供附加的震动保护。

图5图示出示例性冷却模块500、冷排包封结构502、服务器机架504和置于服务器机架上的示例性服务器506。该示例中的系统与图2所示的系统类似。经调节的冷空气通过置于冷排包封结构502之上的冷却模块500而进入冷排包封结构502。服务器506内的服务器风扇从冷排包封结构502的内部空间抽取经调节的冷空气，并对服务器506进行冷却。

图6图示出示例性冷却模块600、冷却盈管602、服务器604、和服务器604内部的服务器风扇606。来自冷却模块600和冷却盘管602的经调节的冷空气被服务器风扇606抽取，并且经过服务器604以对服务器进行冷却。相对较热的空气然后被服务器风扇606送出服务器604。

已参考具体实施例描述了本发明。例如，虽然参考具体组件和配置描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员将会认识到也可以使用组件和配置的其他组合。其他实施例对于本领域普通技术人员将是明显的。因此，除了由所附权利要求所表示的之外，不希望限制本发明。

Claims (7)

1.一种服务器冷却系统，包括:

由地板、侧壁和增高的子地板所限定的子地板空间，所述增高的子地板设置在所述地板之上;

内侧空间，其设置在所述子地板空间之上并且由所述子地板、所述侧壁和天花板所限定;

机壳，其设置在所述内侧空间中，其中，所述机壳限定内部空间并且包括服务器机架端口，所述服务器机架端口被配置为与机架啮合;

冷却和混合模块，其工作以将冷却空气提供到由所述机壳限定的所述内部空间;

机架，其包括安装在其中的一个或多个机架安置单元，其中，所述机架啮合在所述服务器机架端口中，以使得所述一个或多个机架安置单元各自的正面与由所述机壳限定的所述内部空间相接口;和

一个或多个冷却风扇，其工作以从所述内部空间经过所述一个或多个机架安置单元各自的正面来抽取空气，并将加热的空气从所述一个或多个机架安置单元排出到所述内侧空间。

2.如权利要求1所述的服务器冷却系统，其中，所述子地板由安装在所述地板上的一个或多个支撑梁所支撑。

3.如权利要求2所述的服务器冷却系统，其中，所述机架固定到所述子地板和所述一个或多个支撑梁当中的至少一个支撑粱。

4.如权利要求1所述的服务器冷却系统，其中，至少一个或多个机架安置单元包括所述一个或多个冷却风扇当中的至少一个冷却风扇。

5.如权利要求1所述的服务器冷却系统，其中，所述增高的子地板包括一个或多个通风口，空气通过所述通风口在所述子地板空间和所述内侧空间之间交换。

6.如权利要求5所述的服务器冷却系统，还包括一个或多个外部空气控制单元，其选择性地将所述服务器冷却系统外部的空气引入到所述子地板空间。

7.如权利要求6所述的服务器冷却系统，还包括一个或多个风扇单元，其工作以引起空气从所述子地板空间经过所述增高的子地板的所述一个或多个通风口而流动到所述内侧空间。

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