DE102011109476B3

DE102011109476B3 - Server sowie Verfahren zum Kühlen eines Servers

Info

Publication number: DE102011109476B3
Application number: DE102011109476A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Weidner
Original assignee: Fujitsu Technology Solutions Intellectual Property GmbH
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: JP2014529120A; US20140233177A1; US9386728B2; DE102011109476B9; JP5905092B2; WO2013017426A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Server (1) mit einem quaderförmigen Gehäuse (2), um mit an der Frontseite (3) angeordneten ersten wärmeerzeugenden Komponenten (5), wie zum Beispiel Festplatten und bedienbaren Laufwerken, dahinter angeordneten Systemlüftern (6), die einen Luftstrom (7) von der Frontseite (3) des Servers zur Rückseite (4) erzeugen und in Strömungsrichtung des Luftstroms (7) nach den Systemlüftern (6) angeordneten weiteren wärmeerzeugenden Komponenten (10), wie zum Beispiel Speichermodule, DC/DC-Wandlerbausteine der CPU und Steckkarten, dadurch gekennzeichnet, dass vor den weiteren wärmeerzeugenden Komponenten (10) ein Wärmetauscher (8) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Kühlen eines Servers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Server mit einem quaderförmigen Gehäuse und mit an der Frontseite angeordneten ersten wärmeerzeugenden Komponenten, wie zum Beispiel Festplatten und bedienbaren Laufwerken. Dahinter befinden sich Systemlüfter, die einen Luftstrom von der Frontseite des Servers zur Rückseite erzeugen. In Strömungsrichtung des Luftstroms, nach den Systemlüftern sind weitere wärmeerzeugende Komponenten, wie zum Beispiel DC/DC-Wandlerbausteinen der CPU oder Steckkarten angeordnet.
Aus der DE 10 2005 045 761 A1 ist ein Kühlsystem zum Kühlen mehrerer elektronischer Komponenten bekannt, welches eine zentral angeordnete Quelle enthält, die wenigstens einen Mikrokühler, der dazu eingerichtet ist, einen Kühlmittelstrom bereitzustellen, und mehrere Ablenkwände aufweist, die dazu eingerichtet sind, das Kühlmedium über die elektronischen Komponenten zu verteilen. Die elektronischen Komponenten sind in einer Kapsel angeordnet.
Aus der DE 103 34 798 B4 ist eine Anordnung zur Kühlung von wärmeentwickelnden Computerkomponenten in einem Computergehäuse bekannt. Die Anordnung weist ein zweites Gehäuse auf, das zumindest einen ersten Kühllüfter und einen Wärmetauscher, der in einem Kühlmittelstrom integriert ist, aufweist. Ein durch den ersten Kühllüfter angeregter Kühlluftstrom transportiert Gehäuseinnenluft des Computergehäuses durch den Wärmetauscher hindurch nach außen, wobei der Kühlluftstrom nach dem Verlassen des Wärmetauschers das Computergehäuse verlässt, und eine Stromversorgungseinheit in dem zweiten Gehäuse integriert ist, dessen Kühlung ebenfalls mit der Anordnung erreicht wird.
Aus der DE 44 45 818 A1 ist ein Computergehäuse mit einem Einlass und einem Auslaß für Kühlluft sowie mit einer Einrichtung zur Umwälzung der Kühlluft bekannt, wobei das Computergehäuse in eine erste Kammer und eine dieser gegenüber hermetisch abgetrennte zweite Kammer unterteilt ist. Im Computergehäuse ist ein Kühlaggregat angeordnet. In beiden Kammern wird je ein Luftstrom umgewälzt, wobei beide Luftströme hermetisch voneinander abgetrennt sind. Der erste Luftstrom wird in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt und an einem Wärmetauscher des Kühlaggregates gekühlt. Der zweite Luftstrom wird an einem zweiten Wärmetauscher des Kühlaggregates, der sich in der zweiten Kammer befindet, vorbeigeleitet und strömt über den Auslass in die Umgebung ab.
Aus der DE 20 2007 001 857 U1 ist eine Arbeitsplatz-Anordnung mit einem unterhalb einer Arbeitsebene angeordneten Aufnahmeraum bekannt. In dem Aufnahmeraum sind EDV-Geräte und ein Wärmetauscher zur Abführung der in den EDV-Geräten entstehenden Verlustwärme angeordnet, wobei der Wärmetauscher ein Luft-Fluid-Wärmetauscher ist und die Verlustwärme von einer durch die EDV-Geräte geführten Luftströmung aufgenommen und in dem Wärmetauscher an das Fluid abgegeben und nach außen geführt wird. Die Arbeitsplatz-Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum nahezu luftdicht ausgebildet ist und zur Abführung der erwärmten Abluft aus den EDV-Geräten einen Abluftbereich aufweist, aus welchem die Abluft in den Wärmetauscher gelangt, und dass zur Zuführung der im Wärmetauscher gekühlten Kühlluft wenigstens unterhalb der EDV-Geräte ein Zuluftbereich ausgebildet ist, aus welchem die Kühlluft direkt an die EDV-Geräte gelangt.
Aus der DE 201 01 154 U1 ist eine Kühlung für ein elektronisches Steuergerät mit einem Kühlgebläse bekannt. Über das Kühlgebläse ist Kühlluft zur Kühlung einer in einem Gehäuse aufgenommenen elektronischen Baugruppe förderbar. Die Kühlung ist durch einen ersten Kühlluftkreislauf, dessen Kühlluft die elektronischen Baugruppen umströmt und einen zweiten, vom ersten Kühlluftkreislauf getrennt geführten Frischluftkreislauf, über den die Kühlluft des Kühlluftkreislaufes gekühlt ist, gekennzeichnet.
Die meisten Serversysteme sind vom klimatischen Aufbau gleich ausgebildet. Es gibt an der Frontseite die Festplatten und die bedienbaren Laufwerke, danach folgt eine Lüfterbank mit den Systemlüftern und dahinter das Systemboard und eventuell auch die Stromversorgung.
Lokal sind einzelne Komponenten mit Kühlkörpern ausgerüstet, die CPU hat einen Heatpipe-Kühler und das Chipset auf dem Systemboard in der Regel einen Alukühler. Weitere Schaltkreise oder wärmeerzeugende Komponenten haben eventuelle weitere Kühlanbauten.
Die Kühlung erfolgt üblicherweise durch strömende Luft, die die Systemlüfter erzeugen. Die minimale erforderliche Drehzahl der Lüfter ist durch jene Komponenten bestimmt, die ungünstig zum Luftstrom angeordnet sind oder thermisch kritisch sind. Dazu gehören insbesondere Kondensatoren, DC/DC-Wandlerbausteine, PCI-Steckkarten und Backup-Batterien.
Aufgrund dieser thermisch kritischen Komponenten oder Bauteile ist es notwendig, die Systemlüfter mit einer gewissen Drehzahl zu betreiben. Je höher die Lüfterdrehzahl sein muss, desto größer ist die Lärmemission des Lüfters und der durch die Lüfter benötigte Stromverbrauch.
Gewünscht ist jedoch, dass die Server leiser werden sollen und weniger Strom verbrauchen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Reduktion der minimal notwendigen Lüfterdrehzahl zu erreichen oder im besten Fall, dass der Lüfter ganz abgeschaltet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass vor den weiteren wärmeerzeugenden Komponenten ein Wärmetauscher angeordnet ist.
Durch den Wärmetauscher wird der erwärmten Luft, die durch die ersten wärmeerzeugenden Komponenten, wie zum Beispiel die Festplatten oder bedienbaren Laufwerke, bereits erwärmt wurde, ein möglichst großer Teil an Wärme zu entziehen, bevor sie in den rückwärtig gelegenen Elektronikteil des Servers eingeblasen wird.
Der Vorteil dieser Vorkühlung besteht darin, dass alle elektronischen Komponenten im Bereich nach dem Wärmetauscher durch diese vorgekühlte Luft angeströmt werden. Dies verbessert die allgemeine Lebensdauer dieser Komponenten, reduziert die Kühlkörperanforderungen, wie zum Beispiel für die Kühlkörper der CPU und des Chipsatzes. Dies kann die Anzahl der Kühlkörper, die Größe der Kühlkörper oder auch das Material der Kühlkörper betreffen. Des Weiteren wird durch die Vorkühlung die Drehzahl der Systemlüfter deutlich reduziert, wodurch die Geräuschemission verringert wird und das gesamte System leiser wird, was besonders wichtig beim Betrieb eines Servers in der Büroumgebung ist.
Bei reduzierter Lüfterdrehzahl sinkt auch der Stromverbrauch, sodass auch dieser Teil der Aufgabe gelöst ist.
Des Weiteren können Luftführungen entfallen oder vereinfacht werden, womit weitere Kosten gespart werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der Wärmetauscher flächig und über die größtmögliche Breite und Höhe des Gehäuses ausgeführt. Durch diese Ausbildung wird eine hohe Effizienz der Vorkühlung und somit des Wärmetauschers erreicht.
Der Wärmetauscher ist hierzu vorzugsweise als gitterförmiger Rost mit Kühllamellen ausgeführt. Die Kühllamellen erlauben ähnlich den Lamellen der Kühlkörper ein Durchströmen der Luft durch den Wärmetauscher und bieten eine große Oberfläche, um die Wärme aufzunehmen.
Der Wärmetauscher ist vorzugsweise wärmeleitend mit dem Gehäuse des Servers gekoppelt und gibt die Wärme über das Gehäuse nach außen ab.
Das Gehäuse des Servers ist in der Regel aus Metall und es existieren große Flächen in den Seitenwänden und in der Bodenplatte, welche für eine Wärmeabgabe an die Umgebungsluft zur Verfügung stehen. Durch die großflächige Kopplung wird eine optimale Wärmeabgabe vom Servergehäuse an die Umgebung erzielt, wodurch ein guter Wirkungsgrad des Wärmetauschers gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher durch ein Wärmetransportmedium mit einem Kühlelement verbunden. Das Wärmetransportmedium ist vorzugsweise ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine Heatpipe oder ein wärmeleitendes Metall oder eine Folie, vorzugsweise aus Graphit.
Das Kühlelement ist vorzugsweise vor, hinter oder beidseitig des Systemlüfters wärmeleitend mit dem Gehäuse verbunden, wobei die Verbindung fest oder auch lösbar ausgebildet sein kann.
Das Kühlelement ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die Verbindung mit dem Gehäuse großflächig ausgebildet ist, sodass eine optimale Wärmeabgabe an das Gehäuse erfolgen kann. Das Kühlelement kann aus Kupfer, Alu oder Graphit gebildet sein.
Ist das Kühlelement lösbar mit dem Gehäuse verbunden, ist es günstig, wenn die Verbindung formschlüssig, wie zum Beispiel durch eine Schwalbenschwanzverbindung gewährleistet ist, sodass eine einfache Montage erfolgen kann. Zu einer Steigerung des Wärmeübergangs können vorzugsweise eine Wärmeleitpaste oder Wärmeleitöle in der formschlüssigen Verbindung verwendet werden.
Eine weitere Steigerung der Kühlung wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass das Gehäuse derart geformt ist, dass eine verbesserte Wärmeabgabe erfolgt. Hierzu können in dem Gehäuse Rippen eingeprägt sein, welche eine größere Oberfläche als ein glattes Gehäuse aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe ebenso gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen eines Servers mit im Server angeordneten Systemlüftern, die einen Kühlluftstrom durch den Server erzeugen, wobei der durch den Server strömenden Kühlluft nach Erwärmung durch erste wärmeerzeugende Komponenten Wärme durch einen Wärmetauscher entzogen wird, bevor die Kühlluft weitere wärmeerzeugende Komponenten im Server kühlt.
Durch die Kühlung der Luft, welche durch die ersten wärmeerzeugenden Komponenten erwärmt wurde, wird eine effizientere Kühlung der weiteren wärmeerzeugenden Komponenten erzielt, wodurch die Lüfterdrehzahl und damit auch der Stromverbrauch deutlich reduziert werden können.
Weitere Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbart. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Servers von oben ohne Gehäusedeckel und
2 in Schrägansicht schematisch der Wärmetauscher mit den Kühlelementen.
1 zeigt schematisch einen Server 1 von oben, wobei der Deckel des Servers abgenommen ist, sodass man schematisch das Innenleben erkennen kann. Der Server weist ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 2 auf, das in der Regel über Teleskopschienen in ein Serverrack eingebaut wird. Der Server kann jedoch ebenso als Floorstand-Server ausgebildet sein, der ähnlich einem Tower-PC im Raum aufgestellt wird.
Das Gehäuse 2 weist eine Frontseite 3 sowie eine Rückseite 4 auf. An der Frontseite 3 sind im Gehäuse erste wärmeerzeugende Komponenten 5, wie zum Beispiel die Festplatten und bedienbaren Laufwerke angeordnet.
Nach diesen ersten wärmeerzeugenden Komponenten 5 ist ein Block mit Systemlüftern 6 angeordnet, welche einen Luftstrom 7 von der Vorderseite zur Rückseite des Servers 1 erzeugen. Nach den Systemlüftern 6 ist ein Wärmetauscher 8 vorgesehen, welcher den bereits durch die ersten wärmeerzeugenden Komponenten 5 vorgewärmten Luftstrom 7 wieder Wärme entzieht. Nach dem Wärmetauscher 8 ist im rückwärtigen Teil des Servers 1 ein Systemboard 9 vorgesehen, wobei auf dem Systemboard 9 weitere wärmeerzeugende Komponenten 10, wie zum Beispiel CPU, Chipsatz, Memory Module, Kondensatoren, DC/DC-Wandlerbausteine, Steckkarten 10 vorgesehen sind.
Diese weiteren wärmeerzeugenden Komponenten 10 stellen so genannte ”Hotspots” dar und bestimmen die minimale Drehzahl der Systemlüfter 6. Um die Lüfterdrehzahl zu verringern oder den Betrieb komplett abzuschalten, wird der vorgewärmten Luft durch den Wärmetauscher 8 Wärme entzogen, sodass diese weiteren wärmeerzeugenden Komponenten 10 sowie auch das Systemboard 9 von einer vorgekühlten Luft umströmt werden, wodurch eine effizientere Kühlung erreicht wird.
2 zeigt in schematischer Ansicht ein Beispiel für einen Wärmetauscher 8. Der Wärmetauscher 8 ist als gitterförmiger Rost, wie bei einem Kühler für einen Automotor, mit einer Wärmesammel- und -transportmöglichkeit ausgebildet. Die Luft wird durch Lamellen 11 (so genannte Fins) entzogen und an ein Transportmedium 12 abgegeben und weitergeleitet. Transportmedien 12 können zum Beispiel geeignete Gase, geeignete Flüssigkeiten, eine Heatpipe-Technologie, wärmeleitende Metalle, Folien, vorzugsweise aus Graphit, sein. Das Transportmedium 12 ist mit einem Kühlelement 13 verbunden, welches großflächig ausgebildet ist und wärmeleitend mit dem Gehäuse 2 des Servers verbunden ist, sodass über das Kühlelement 13 Wärme auf das Gehäuse 2 des Servers 1 abgegeben werden kann. Die Kühlelemente 13 können, wie in der 2 dargstellt, an den Seitenwandungen vor und hinter des Wärmetauschers 8 sowie auch an den Bodenwandungen ausgebildet sein. Die Anbringung des Kühlelements 13 an der Deckenwandung des Gehäuses 2 des Servers 1 ist ebenso möglich, jedoch aufwändiger, da der Deckel des Servers in der Regel abnehmbar ausgestaltet ist.
Die Kopplung des Kühlelementes mit dem Gehäuse 2 kann lösbar oder starr ausgebildet sein, wichtig ist, dass die Verbindung zwischen Kühlelement 13 und Gehäuse 2 großflächig ausgebildet ist, um einen idealen Wärmeübergang zu erzielen und das Gehäuse 2 des Servers 1 großflächig die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Üblicherweise bestehen die Gehäuse 2 der Server aus Blech, wodurch sich als Wärmeüberträger in das Blech für das Kühlelement 13 Metalle wie Kupfer und Alu oder auch Graphit besonders eignen. Das Gehäuse 2 ist günstigerweise so geformt, dass die Oberflächen möglichst günstig die Wärme an die Umgebung abgeben können.
Bei der lösbaren Kopplung des Kühlelements 13 an das Gehäuse 2 kann diese zum Beispiel aus zwei metallischen Teilen bestehen, die nach dem Prinzip Nut oder Feder oder in Form einer gleitenden Schwalbenschwanzverbindung geformt sind. Jedoch sind auch andere formschlüssige Verbindungen denkbar. Zur Steigerung der Wärmeübertragung können Gleitmittel, wie zum Beispiel Wärmeleitpasten oder spezielle Wärmeleitöle verwendet werden. Ist die formschlüssige Verbindung optimal, können diese zusätzlichen Mittel, wie Wärmeleitpasten oder spezielle Öle, auch entfallen.
Durch die Erfindung wird erzielt, dass auch der hintere Bereich des Lüfters nicht mit vorgewärmter Luft, sondern mit durch den Wärmetauscher vorgekühlter Luft gekühlt wird, was zu einer wesentlich effizienteren Kühlung der weiteren wärmeerzeugenden Komponenten 10 führt. Die weiteren wärmeerzeugenden Komponenten 10 sind oft sehr kritische Komponenten, welche zu einer hohen Drehzahl der Systemlüfter führen oder teure Kühlmaßnahmen, wie zusätzliche Kühlkörper, Lüfter oder Luftleithauben erfordern.
Bezugszeichenliste

1: Server
2: Gehäuse
3: Frontseite
4: Rückseite
5: erste wärmeerzeugende Komponenten
6: Systemlüfter
7: Luftstrom
8: Wärmetauscher
9: Systemboard
10: weitere wärmeerzeugende Komponenten
11: Lamellen
12: Transportmedium
13: Kühlelement

Claims

Server (1) mit einem quaderförmigen Gehäuse (2), um mit an der Frontseite (3) angeordneten ersten wärmeerzeugenden Komponenten (5), wie zum Beispiel Festplatten und bedienbaren Laufwerken, dahinter angeordneten Systemlüftern (6), die einen Luftstrom (7) von der Frontseite (3) des Servers zur Rückseite (4) erzeugen und in Strömungsrichtung des Luftstroms (7) nach den Systemlüftern (6) angeordneten weiteren wärmeerzeugenden Komponenten (10), wie zum Beispiel Kondensatoren, DC/DC-Wandlerbausteine der CPU und Steckkarten, dadurch gekennzeichnet, dass vor den weiteren wärmeerzeugenden Komponenten (10) ein Wärmetauscher (8) angeordnet ist.
Server nach Anspruch 1, dass der Wärmetauscher (8) flächig und über die größtmögliche Breite und Höhe des Gehäuses (2) ausgeführt ist.
Server nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8) als gitterförmiger Rost mit Kühllamellen (11) ausgeführt ist.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8) wärmeleitend mit dem Gehäuse (2) des Servers (1) gekoppelt ist und die Wärme über das Gehäuse (2) abgibt.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8) durch ein Transportmedium (12) mit einem Kühlelement (13) verbunden ist.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportmedium (12) ein Gas, eine Flüssigkeit, eine Heatpipe, ein wärmeleitendes Metall oder eine Folie, vorzugsweise aus Graphit, ist.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (13) vor, hinter oder beidseitig der Systemlüfter (6) mit dem Gehäuse (2) wärmeleitend verbunden ist.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Kühlelementes (13) mit dem Gehäuse (2) lösbar ist.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Kühlelement (13) und Gehäuse großflächig ausgebildet ist.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (13) Kupfer, Aluminium oder Graphit aufweist.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) derart geformt ist, dass eine verbesserte Wärmeabgabe erfolgt.
Server nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbare Verbindung zwischen Kühlelement (13) und Gehäuse eine formschlüssige Verbindung ist.
Verfahren zum Kühlen eines Servers mit im Server angeordneten Systemlüftern (6), die einen Kühlluftstrom (7) durch den Server (1) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass dem durch den Server (1) strömenden Kühlluftstrom (7) nach der Erwärmung durch die ersten wärmeerzeugenden Komponenten (5) Wärme durch einen Wärmetauscher (8) entzogen wird, bevor die Kühlluft (7) weitere wärmeerzeugende Komponenten (10) im Server (1) kühlt.