JP2022040161A - 冷却システム - Google Patents

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Abstract

【課題】冷却システムの提供。【解決手段】冷却システムは、1つまたは複数の電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、メインループと、緩衝ループとを備える。メインループは、入口ポートおよび出口ポートに接続される熱交換器を有し、熱交換器は、入口ポートから流体を受け取り、電子機器によって生成され、流体によって運ばれる熱を交換し、流体を出口ポートを介して電子機器に戻す。緩衝ループは、入口ポートとメインループとに接続される。緩衝ループは、緩衝ユニットと、貯留のために流体を緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために流体を緩衝ユニットから排出してメインループに流入させるように制御するための第1弁とを有する。緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、流体の一部を貯留するための緩衝部とを備える。空気部は、熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するためのものである。【選択図】図3

Description

本出願の実施例は、主にデータセンターの冷却に関する。より具体的には、本出願の実施例は、データセンター、ITおよびサーバ等の電子機器を冷却するための緩衝ユニットの設計に関する。
冷却は、コンピュータシステムとデータセンターの設計における重要な要素である。サーバ内部に搭載される高性能プロセッサなどの高性能電子部品の数は、着実に増加しており、それによってサーバの通常動作時に発生して放散される熱の量が増加している。サーバが動作する環境が時間の経過に伴って温度の上昇が許容される場合に、データセンター内で使用されるサーバの信頼性が低下する。適切な熱環境を維持することは、データセンターにおけるこれらのサーバの正常な動作、並びにサーバの性能および寿命にとって重要である。特にこれらの高性能サーバを冷却する場合には、より効果的で効率的な冷却方案が求められている。
本出願の一態様では、冷却システムであって、
1つまたは複数の電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、
前記入口ポートおよび前記出口ポートに接続される熱交換器を有する第1ループであって、前記熱交換器は、前記入口ポートから流体を受け取り、前記電子機器によって生成され、前記流体によって運ばれる熱を交換し、前記流体を前記出口ポートを介して前記電子機器に戻す第1ループと、
前記入口ポートと前記第1ループとに接続される第2ループであって、緩衝ユニットと、貯留のために前記流体を前記緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために前記流体を前記緩衝ユニットから排出して前記第1ループに流入させるように制御するための第1弁とを有する双方向の第2ループと、を備え、
前記緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、前記流体の一部を貯留するための緩衝部とを備え、前記空気部は、前記熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、前記入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するように構成される冷却システムを提供する。
本出願の他の態様では、データセンターの電子機器ラックであって、
1つまたは複数のサーバとして動作する1つまたは複数の電子機器と、
前記1つまたは複数の電子機器に接続される冷却システムと、を備え、
前記冷却システムは、
前記電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、
前記入口ポートおよび前記出口ポートに接続される熱交換器を有する第1ループであって、前記熱交換器は、前記入口ポートから流体を受け取り、前記電子機器によって生成され、前記流体によって運ばれる熱を交換し、前記流体を前記出口ポートを介して前記電子機器に戻す第1ループと、
前記入口ポートと前記第1ループとに接続される第2ループであって、緩衝ユニットと、貯留のために前記流体を前記緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために前記流体を前記緩衝ユニットから排出して前記第1ループに流入させるように制御するための第1弁とを有する双方向の第2ループと、を備え、
前記緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、前記流体の一部を貯留するための緩衝部とを備え、前記空気部は、前記熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、前記入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するように構成されるデータセンターの電子機器ラックを提供する。
本出願の更なる別の態様では、データセンターシステムであって、
それぞれ1つまたは複数のサーバを備える複数の電子機器ラックと、
前記電子機器ラックに接続され、前記サーバを液冷する冷却システムと、を備え、
前記冷却システムは、
電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、
前記入口ポートおよび前記出口ポートに接続される熱交換器を有する第1ループであって、前記熱交換器は、前記入口ポートから流体を受け取り、前記電子機器によって生成され、前記流体によって運ばれる熱を交換し、前記流体を前記出口ポートを介して前記電子機器に戻す第1ループと、
前記入口ポートと前記第1ループとに接続される第2ループであって、緩衝ユニットと、貯留のために前記流体を前記緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために前記流体を前記緩衝ユニットから排出して前記第1ループに流入させるように制御するための第1弁とを有する双方向の第2ループと、を備え、
前記緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、前記流体の一部を貯留するための緩衝部とを備え、前記空気部は、前記熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、前記入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するように構成されるデータセンターシステムを提供する。
本出願の実施例は、限定的ではなく例示的な形態で示され、同様の符号が同様の要素を示す。
本出願の実施例に係るデータセンター施設の一例を示すブロック図である。 本出願の実施例に係る電子機器ラックの一例を示すブロック図である。 本出願の実施例に係る例示的な冷却システムを示す。 本出願の実施例に係る冷却システムの他の例を示す。 本出願の実施例に係る冷却システムの他の例を示す。 本出願の実施例に係る冷却システムの他の例を示す。 本出願の実施例に係る冷却システムの他の例を示す。 本出願の実施例に係る冷却システムの他の例を示す。 本出願の実施例に係る、ITに例示的に接続される冷却システムに統合された緩衝システムを示す。 本出願の実施例に係る冷却システムの例示的なプロセスを示すフローチャートである。 本出願の実施例に係る冷却システムの例示的なプロセスを示すもう一つのフローチャートである。 本出願の実施例に係る冷却システムの例示的なプロセスを示すもう一つのフローチャートである。
以下、説明の詳細を参照しながら本出願の様々な実施例および態様を説明し、かつ添付図面には様々な実施例が示される。下記の記述および図面は、本出願を説明するためのもので、本出願を限定するものとして解釈すべきではない。本出願の様々な実施例を全面的に理解するために、多くの特定の詳細を説明する。しかしながら、特定の例において、本出願の実施例の簡潔な議論を提供するために、周知のまたは従来の詳細は記載されていない。
本明細書において、「一実施例」または「実施例」とは、該実施例を参照しながら説明された特定の特徴、構造または特性が本出願の少なくとも1つの実施例に包含されてもよいことを意味する。明細書の様々な箇所に記載されている「一実施例において」とは、必ずしも同一の実施例を指すものではない。
通常の動作と機能を保証する以外に、多くの理由から、冷却はITのハードウェア業界にとって極めて重要である。例えば、業務競争力、サービス品質、可用性に重要な役割を果たす。さらに重要なのは、インフラストラクチャTCOの主要部分である。組織の利益と関係がある。これは、インターネット大手、クラウドコンピューティングサービスプロバイダ、ならびにコンピューティング、ストレージ、その他のITハードウェアプラットフォームおよびインフラストラクチャを設計、構築、運用するハイパフォーマンスコンピューティングおよびAIコンピューティングに関連するビジネスサービスユーザーとプロバイダのコア競争力の1つである。ハイパースケールの所有者の大多数は、これらのハードウェアシステムのフルスタックをカスタマイズしている。例えば、急速に成長するクラウドコンピューティングビジネスでは、ハードウェアシステム、クラスター、およびインフラストラクチャの性能とコスト(資本コストと運用コストの両方)を計算および保存するには、サービスプロバイダがニーズに最適なカスタムシステムを作成する必要がある。これらの市場は、効率的なシステム設計および運用を必要とし、サービスプロバイダに長期的な利益をもたらす可能性がある。より柔軟で、より効率的で、費用対効果の良い方案とアーキテクチャの取得が急務である。
本出願で提案する方案は、ITおよびサーバの冷却のための高度な冷却システム設計および運用方法を提供することを目的としている。本方案が解決しようとする鍵となる課題は、通常または異常な動作条件の間で起こり得る様々な状況で、熱負荷およびITの変化並びに冷却条件の変化に伴い、サーバおよびITに冷却を提供することである。同時に、効率化とシステム制御設計の簡素化を目指す。
冷却システムを設計する際の1つの課題は、内部ループと外部ループの両方の制御戦略である。複数のループを制御して動作条件を達成する場合、正しい制御戦略の設計、正しい制御信号の使用、および最適な変数の制御は課題となる。複数の伝熱ループが存在する場合、より困難になる。本出願は、このような課題を解決するためのシステムおよび対応する制御を設計することを目的としている。
前の段落で述べたように、ITが発生する電力および冷却条件は日中から夜間にかけて著しく異なる。人間のサービスやアプリケーションがトラフィックおよび計算に大きく影響するため、そのようなシステムに対しては本質的な違いが生じる。そのため、日中に発生する熱量は夜間よりもはるかに高くなる可能性がある。同様に、冷却条件も日中と夜間で大きく異なる。この方案は、熱緩衝の概念とそれに対応する動作を導入することで課題を解決するように設計されている。また、熱負荷と公称冷却の不整合を解消することにより、システムの信頼性と効率を向上させることができる。
現在の設計のもう1つの焦点は、システムの信頼性と安定性の向上である。これにより、冷却システムの性能を向上させ、様々な場面でのシステムの使いやすさを向上させることができる。
従来の方案は、熱負荷および冷却能力の変化に対処するために複雑な制御を必要とする恐れがある。これらの制御方案は、異なるシステムに合わせて調整する必要がある場合があり、1つの方案ですべての可能な変化をカバーすることはできない場合がある。
本出願は、異なるタイプの変動を緩衝するための緩衝システムと、単相流体冷却システムまたは二相/相変化に基づく冷却システムなどの冷却システムに緩衝システムをうまく統合するための双方向ループとマルチループの設計と、弁の調節可能な制御設定点の値を含む、圧力に基づくシステム制御と、異なるシーンのためのカスタム緩衝設計と対応するループと、緩衝システム内の圧力調整と、並列システム設計と、革新的な緩衝ループ設計との特徴を説明する。
本出願の実施例は、電子機器を冷却するための冷却システムに組み込まれる熱緩衝ユニットに焦点を当てている。一実施例において、緩衝ユニットは、空気部と、流体の一部を貯留するための緩衝部とを含む複数の部分を有する。例えば、空気部は、流体がシステムに流入する際の空気圧を調整するために用いられる。一実施例において、緩衝期間において、空気部が低圧条件下で設定される。排出期間中、一実施例において、空気部の体積が小さくなるため、空気部内の圧力が高くなり、空気部の圧力の増加により緩衝部から緩衝流体が排出される。本出願の実施例は、単相流体、相変化流体、および混合相流体のために提案された、緩衝ユニットを冷却システムに統合するための異なるシステム設計を含む。システム内で測定された圧力は、ループ上の弁を制御して開弁設定値を調整し、これらの動作中に異なるタイプの動作および対応する流体制御を可能にするために使用される。
一実施例において、冷却システムは、1つまたは複数の電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、入口ポートおよび出口ポートに接続される熱交換器を有するメインループと、入口ポートおよびメインループに接続される緩衝ループとを含む。例えば、メインループは、入口ポートから流体を受け取り、電子機器によって生成され、流体によって運ばれる熱を交換し、出口ポートを介して電子機器に流体を戻すための熱交換器を有する。
一実施例において、冷却システムは、緩衝ユニットと、貯留のために流体を緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために流体を緩衝ユニットから排出してメインループに流入させるように制御するための第1弁とを有する緩衝ループを含む。
一実施例において、冷却システムは、緩衝ユニットを有する緩衝ループを備え、該緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、流体の一部を貯留するための緩衝部とを備え、空気部は、熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するように構成される。一実施例において、主冷却側の冷却能力の変化を示す位置に温度測定値を選択して設定する。
一実施例において、冷却システムは、温度が所定の温度よりも高く、かつ、流体の圧力が所定の圧力よりも高いと判断されたことに応答して、緩衝ユニットに流体を貯留させることを可能にする、第1弁を有する緩衝ループを備える。一実施例において、温度が所定の温度よりも低いか、または、緩衝ユニットの空気部の空気圧が所定の空気圧よりも高いと判断されたことに応答して、熱交換のために、貯留された流体を緩衝ユニットから熱交換器に排出する。一実施例において、緩衝ユニットの空気部の空気圧が所定の空気圧よりも高いと判断されたことに応答して、熱交換のために、貯留された流体を緩衝ユニットから熱交換器に排出する。一実施例において、緩衝ユニットの空気部の空気圧が所定の空気圧を超えていても、冷却システムが緩衝モードまたは排出モードに切り替わることはない。一実施例において、緩衝ユニットは、空気を空気部に圧送して排出期間中に緩衝ユニットから流体の流出を補助する圧力を提供する圧力調整弁をさらに備えている。
一実施例において、冷却システムは、緩衝ユニットを出口ポートに接続するための第2弁をさらに備える緩衝ループを備え、第2弁は、緩衝ユニットの緩衝部から熱交換器をバイパスして出口ポートに流体を流れることを可能にする。例えば、第2弁は、緩衝ユニットの空気部内の空気圧に基づいて、緩衝ユニットから出口ポートへの流速を制御する圧力制御弁である。一実施例において、出口ポートからの流体は、熱交換器を出る流体に合流してもよい。一実施例において、出口ポートからの流体および熱交換器から出る流体は、異なる温度を有することができるが、同じ液相にある。
一実施例において、冷却システムは、入口ポートと熱交換器との間に接続される第3弁をさらに備える緩衝ループをさらに備え、第3弁は、熱交換器への流速を制御するために使用される。
一実施例において、流体は、相変化プロセスの間に蒸気に変換される二相流体である。
一実施例において、緩衝ループは、供給ラインと還流ラインとをさらに含む。供給ラインは、例えば、入口ポートから流体を受けて緩衝ユニットに貯留するために、入口ポートと緩衝ユニットとの間に接続される。一実施例において、緩衝ユニットと熱交換器の入口との間に接続される還流ラインは、貯留された流体を熱交換器に戻す。
一実施例において、冷却システムは、入口ポートと出口ポートとの間に接続される第3弁を有する第3ループをさらに含む。例えば、第3ループはバイパスループとして動作し、流体の少なくとも一部を入口ポートから出口ポートに直接送り、熱交換器および緩衝ユニットをバイパスする。
図1は、一実施例に係るデータセンターまたはデータセンターユニットの一例を示すブロック図である。この例では、図1は、データセンターの少なくとも一部の上面図を示している。図1を参照すると、一実施例によれば、データセンターシステム100は、情報技術(IT)コンポーネント、デバイス、または機器101~102の一列または複数列の電子機器ラックを備え、例えば、ネットワーク(例えば、インターネット)を介して様々なクライアントにデータサービスを提供するコンピュータサーバまたはコンピューティングノードが挙げられる。一実施例において、各列は、電子機器ラック110A~110Nなどの電子機器ラックのアレイを含む。しかし、より多くのまたはより少ない列の電子機器ラックを実現することも可能である。通常、列101~102は、フロントエンドが互いに向き合い、バックエンドが互いに向き合うように平行に整列され、管理者がその中を歩くことができるように間に通路103を形成する。しかし、他の構成または配置を適用することも可能である。例えば、2列の電子機器ラックは、それらの間に通路を形成することなく、それらの先端が離れて背中合わせに配置していてもよい。電子機器ラックのバックエンドは、部屋の冷却液マニホールドに接続されていてもよい。
一実施例において、電子機器ラック(例えば、電子機器ラック110A~110N)のそれぞれは、その中で動作する、積み重ねて配置された複数のITコンポーネントを収容するためのハウジングを含む。電子機器ラックは、冷却液マニホールド、複数のサーバスロット(例えば、同一または類似のフォームファクタで構成された標準的な棚またはシャーシ)、およびサーバスロットへの挿入およびサーバスロットからの取り外しが可能な複数のサーバシャーシ(サーバブレードまたはサーバ棚とも呼ばれる)を含むことができる。各サーバシャーシは、1つまたは複数のプロセッサ、メモリ、および/または永続性記憶装置(例えば、ハードディスク)を有するコンピューティングノードを表し、コンピューティングノードは、その中で動作する1つまたは複数のサーバを含むことができる。プロセッサの少なくとも1つは、冷却液体を受け取るために液体冷却板(冷却板アセンブリとも呼ばれる)に取り付けられる。また、サーバシャーシには、内部に収容されたコンピューティングノードを空冷するための1つまたは複数の任意の冷却ファンが関連付けられている。なお、冷却システム120は、データセンターシステム100などの複数のデータセンターシステムに接続されてもよい。
一実施例において、冷却システム120は、冷却塔に接続される外部液体ループ、または建物/住宅コンテナの外側にあるドライクーラーを含む。冷却システム120は、蒸発冷却、自由空気、高熱質量拒絶、および排熱回収設計を含むことができるが、これらに限定されない。冷却システム120は、冷却液を供給する冷却液源を含んでもよく、または冷却液源に接続されてもよい。
一実施例において、各サーバシャーシは、冷却液マニホールドにモジュール式に接続され、その結果、サーバシャーシは、電子機器ラック内の残りのサーバシャーシおよび冷却液マニホールドの動作に影響を与えることなく、電子機器ラックから取り外すことができる。別の実施例において、各サーバシャーシは、プロセッサに冷却液を分配するために可撓性ホースに接続されたサーバ給液口コネクタおよびサーバ排液口コネクタを有するクイックレリーズカップリングアセンブリを介して冷却液マニホールドに接続される。サーバ給液口コネクタは、電子機器ラックのバックエンドに取り付けられた冷却液マニホールドからラック給液口コネクタを介して冷却液を受け取るためのものである。サーバ排液口コネクタは、ラック排液口コネクタを介して、プロセッサから交換された高温のより暖かいまたはより熱い液体を冷却液マニホールドに排出し、その後、電子機器ラック内の冷却液分配ユニット(CDU)に戻すために使用される。
一実施例において、各電子機器ラックのバックエンドに設置された冷却液マニホールドは、冷却システム120から冷却液を受け取るために、液体供給ライン132(部屋供給マニホールドとも呼ばれる)に接続される。冷却液は、冷却板アセンブリに取り付けられた液分配ループを介して分配され、プロセッサから熱を除去するために、プロセッサが該冷却板アセンブリに取り付けられる。冷却板は、液体分配管が取り付けられているか埋め込まれているヒートシンクと同様に構成されている。プロセッサから交換された熱を運ぶ、最終的により暖かいまたはより熱い液体は、液体還流ライン131(部屋還流マニホールドとも呼ばれる)を介して冷却システム120に送り返される。
給液ライン/液体還流ライン131~132は、データセンターまたは部屋給液ライン/部屋液体還流ライン(例えば、グローバル給液ライン/グローバル液体還流ライン)と呼ばれ、列101~102の全ての電子機器ラックに冷却液を供給する。給液ライン132および液体還流ライン131が各電子機器ラック内のCDUの熱交換器に接続されて、一次ループを形成する。熱交換器の二次ループは、電子機器ラック内の各サーバラックに接続され、プロセッサの冷却板に冷却液を供給する。
一実施例において、データセンターシステム100は、コンピューティングノード(例えば、サーバ)の動作によってコンピューティングノードによって生成された熱を交換するために、電子機器ラックのサーバシャーシの空気空間を通って空気流を移動させるための空気流を生成し、空気流の温度を低下させるために空気流の交換による熱を外部環境または冷却システム(例えば、空気-液体熱交換器)に排出するための任意の空気供給システム135をさらに含む。例えば、空気供給システム135は、通路103から電子機器ラック110A~110Nを循環して熱交換された熱を奪う冷却空気/冷気の気流を発生させる。
冷い空気の流れは、電子機器ラックのフロントエンドから電子機器ラックに入り、暖/熱空気の流れは、電子機器ラックのバックエンドから電子機器ラックから出る。熱交換された熱を有する暖/熱空気は、部屋/建物から排出されたり、空気-液体熱交換器などの独立した冷却システムを用いて冷却されたりする。このように、冷却システムは、プロセッサで発生した熱の一部を対応する冷却板を介して冷却液で除去し、プロセッサ(または他の電子機器や処理装置)で発生した熱の残りを空気流で冷却して除去する混合式液気冷却システムである。
図2は一実施例に係る電子機器ラックを示すブロック図である。電子機器ラック200は、図1に示すようなあらゆる電子機器ラックであってもよく、例えば、電子機器ラック110A~110Nなどである。図2を参照すると、一実施例による電子機器ラック200は、CDU201、ラック管理ユニット(RMU)202、および1つまたは複数のサーバシャーシ203A~203E(まとめてサーバシャーシ203と呼ばれる)を含むが、これらに限定されない。サーバシャーシ203は、それぞれ電子機器ラック200のフロントエンド204またはバックエンド205からサーバスロット(例えば、標準棚)のアレイに挿入することができる。なお、ここでは、5つのサーバシャーシ203A~203Eのみが示されているが、電子機器ラック200内のサーバシャーシの数は、これよりも多くても少なくてもよい。なお、CDU201、RMU202、および/またはサーバシャーシ203の特定の位置は、説明のみを目的として示されている。CDU201、RMU202、および/またはサーバシャーシ203の他の配置または構成も実装され得る。一実施例において、冷却ファンがフロントエンドからバックエンドまで空気流を発生させることができる限り、電子機器ラック200は、環境に対して開放されていてもよいし、ラック容器に部分的に収容されていてもよい。
また、サーバシャーシ203の少なくとも一部には、オプション的なファンモジュール(図示せず)がサーバシャーシに関連付けられている。各ファンモジュールは、1つまたは複数の冷却ファンを含む。ファンモジュールは、サーバシャーシ203のバックエンドまたは電子機器ラックに取り付けられて、フロントエンド204から流れ出てサーバシャーシ203の空気空間を通過し、電子機器ラック200のバックエンド205に存在する空気流を発生させることができる。
一実施例において、CDU201は、主に、熱交換器211と、液体ポンプ212と、ポンプコントローラ(図示せず)と、液体リザーバ、電源、監視センサなどの他のコンポーネントとを含む。熱交換器211は、液体から液体への熱交換器であってもよい。熱交換器211は、第1対の液体コネクタを有する入口ポートと出口ポートとを有する第1ループを備えている。該第1対の液体コネクタは、外部液体供給/還流ライン131~132に接続されて一次ループを形成する。外部液体供給/還流ライン131~132に接続されるコネクタが電子機器ラック200のバックエンド205に設けられていてもよいし、取り付けられていてもよい。上述したように、給液ライン/液体還流ライン131~132(部屋給液ライン/液体還流ラインとも呼ばれる)は冷却システム120に接続されてもよい。
さらに、熱交換器211は、2つのポートを有する第2ループを含み、これらの2つのポートは、第2対の液体コネクタを有し、該第2対の液体コネクタは液体マニホールド225(ラックマニホールドとも呼ばれる)に接続されて二次ループを形成し、該二次ループは、冷却液体をサーバシャーシ203に供給するための供給マニホールド(ラック給液ラインまたはラック供給マニホールドとも呼ばれる)と、より暖かい液体をCDU201に戻すための還流マニホールド(ラック液体還流ラインまたはラック還流マニホールドとも呼ばれる)とを含んでもよい。なお、CDU201は、市販またはカスタマイズされた任意の種類のCDUであってもよい。したがって、CDU201の詳細については、ここでは説明しない。
各サーバシャーシ203は、1つまたは複数のITコンポーネント(例えば、中央処理装置またはCPU、汎用/グラフィックス処理装置(GPU)、メモリ、および/または記憶装置)を含んでもよい。各ITコンポーネントは、データ処理タスクを実行することができ、ITコンポーネントは、記憶装置にインストールされ、メモリにロードされ、データ処理タスクを実行するために1つまたは複数のプロセッサによって実行されるソフトウェアを含んでもよい。サーバシャーシ203は、1つまたは複数のコンピュータサーバ(CPUサーバおよびGPUサーバなどのコンピューティングノードとも呼ばれる)に接続されたホストサーバ(ホストノードとも呼ばれる)を含んでもよい。ホストサーバ(1つまたは複数のCPUを有する)は、通常、ネットワーク(例えば、インターネット)を介してクライアントとインターフェースし、ストレージサービスなどの特定のサービス(例えば、バックアップおよび/または復元などのクラウドベースのストレージサービス)の要求を受信し、アプリケーションを実行して特定の動作(例えば、サービスとしてのソフトウェアまたはSaaSプラットフォームの一部としての画像処理、深層データ学習アルゴリズム、またはモデリングなど)を実行する。この要求に応答して、ホストサーバは、ホストサーバによって管理されている(1つまたは複数のGPUを有する)1つまたは複数のコンピューティングノードまたはコンピュータサーバにタスクを割り当てる。コンピュータサーバが実際のタスクを実行すると、動作中に熱が発生する可能性がある。
電子機器ラック200は、さらに、サーバ203およびCDU201に供給される電力を供給および管理するように構成されたオプション的なRMU202を含んでもよい。RMU202は、電源ユニットの電力消費を管理するために、電源ユニット(図示せず)に接続してもよい。電源ユニットは、電子機器ラック200の残りのコンポーネントに電力を供給するために必要な回路(例えば、交流(AC)から直流(DC)へ、またはDCからDCへのコンバータ、バッテリ、変圧器またはレギュレータなど)を含んでもよい。
一実施例において、RMU202は、最適化モジュール221およびラック管理コントローラ(RMC)222を含む。RMC222は、電子機器ラック200内のコンピューティングノード203、CDU201、ファンモジュール等の様々なコンポーネントの動作状態を監視するモニタを含んでもよい。具体的には、モニタは、電子機器ラック200の動作環境を示す各種センサから動作データを受信する。例えば、モニタは、プロセッサ、冷却液、空気流の温度を示す動作データを受信し、この動作データを各種の温度センサで取得して収集してもよい。また、モニタは、ファンモジュール231および液体ポンプ212によって生成されたファン電力およびポンプ電力を表すデータを受信してもよく、そのデータは、それぞれの速度に比例してもよい。これらの動作データは、リアルタイム動作データと呼ばれる。なお、モニタは、RMU202内の独立したモジュールとして実装されてもよい。
最適化モジュール221は、液体ポンプ212およびファンモジュール231の総消費電力が最小となり、液体ポンプ212およびファンモジュール231の冷却ファンに関連付けられる動作データがそれぞれの設計仕様内となるように、動作データに基づいて、所定の最適化関数または最適化モデルを用いて最適化を行い、ファンモジュール231のための最適ファン速度および液体ポンプ212のための最適ポンプ速度の組を導出する。RMC222は、最適ポンプ速度および最適ファン速度が確定されると、最適ポンプ速度およびファン速度に基づいて、液体ポンプ212およびファンモジュール231の冷却ファンを構成する。
例えば、最適なポンプ速度に基づいて、RMC222は、CDU201のポンプコントローラと通信して、液体ポンプ212の速度を制御し、これにより、液体マニホールド225に供給されてサーバシャーシ203の少なくとも一部に分配される冷却液の流速を制御する。同様に、最適なファン速度に基づいて、RMC222は、各ファンモジュールと通信し、ファンモジュール231の各冷却ファンの速度を制御し、ファンモジュールの空気流速を制御する。なお、各ファンモジュールは、その特定の最適ファン速度で個別に制御されてもよく、同一ファンモジュール内の異なるファンモジュールおよび/または異なる冷却ファンは、異なる最適ファン速度を有してもよい。
なお、図2に示すラック構成は、説明のためだけに図示して説明したものであり、他の構成や構造を適用してもよい。CDU201は、例えば、任意のユニットであってもよい。なお、サーバシャーシ203の冷却板をラックマニホールドに接続されてもよく、該ラックマニホールドをDCUを用いずにルームマニホールド131~132に直接接続してもよい。なお、図示していないが、電源ユニットは電子機器ラック200の内部に設けられてもよい。なお、電源ユニットは、サーバシャーシ203に代えて、電源シャーシをあらゆる標準棚に挿入可能な、サーバシャーシと同一または類似の標準シャーシとして構成されてもよい。また、電源シャーシは、主電源が使用できない場合に、バッテリ電源をサーバシャーシ203に供給するためのバッテリバックアップユニット(BBU)を備えてもよい。BBUは、1つまたは複数のバッテリパックを含み、各バッテリパックは、1つまたは複数のバッテリセルと、バッテリセルを充放電するために必要な充放電回路とを含む。
図3は、本出願の一実施例に係る冷却システム400を示している。例えば、図3は、液冷を電子機器に提供するための冷却システム設計の概略図を示す。冷却システムは、図1に示す冷却システム120の一部、または図2に示す電子機器ラック200のCDU201の一部として実現することができる。一実施例において、緩衝ユニット401は、熱交換器437、ポンプ419、弁411等からなる冷却ループ433に統合されている。緩衝ユニット401は、主冷却ループ433と並列に接続されている。緩衝ループ413では、主なコンポーネントは緩衝ユニット401と、緩衝ユニット401をシステム400に統合するための対応するループ413である。
一実施例において、緩衝ユニット401は、空気部403と、メイン緩衝部405とを備えている。例えば、空気部では、圧力センサ435を用いて内部の空気圧を検知または測定し、調整/充填弁415を用いて空気部側に空気を注入または放出したり、空気部側から空気を注入または放出したりする。弁415は、熱交換器437の外部流体の温度に基づいて空気を注入または放出するように構成されており、この温度は、温度センサ431によって検知または測定されてもよい。例えば、流体温度が所定の閾値を下回ると、熱交換器437が冷却能力を有することを示す。これに応答して、弁407が開き、弁415を介して緩衝ユニット401の空気部に余分な空気を注入する。緩衝ユニット401に貯留された流体は、流路413、433を介して熱交換器437に排出され、冷却される。または、緩衝ユニット401の空気部の空気圧が圧力センサ435で検知可能な所定の閾値よりも高い場合には、弁409を開いて流路417を介して出口ポート423に流体を排出する。
一実施例において、緩衝ループ413は双方向ループとして設計されており、これは流体がいずれの方向にも流れることができることを意味する。例えば、入口ポート421から緩衝ユニット401に流体を流してもよいし、緩衝ユニット401から熱交換器437に流体を流してもよい。一実施例において、弁407は、双方向ループ413の動作に対応するように圧力制御される双方向弁である。例えば、双方向ループ413は、圧力センサ429によって検出された流体圧および/または圧力センサ435によって検出された空気圧に基づいて、流体がいずれかの方向に流れることを可能にする。流体は、単相流体でも多相流体(二相流体とも呼ばれる)でもよい。多相流体は、流体の温度によって、液体状態と蒸気状態とに切り換えられる。液体状態の流体の温度が所定の閾値を超えて上昇すると、流体は蒸発して蒸気となり、温度が所定の閾値を下回ると、蒸気は液体状態に戻る。
緩衝ユニット401の目的の1つは、入口ポート421から受け取った流体の一部を一時的に移送して貯留することであり、これは、圧力センサ429および/または圧力センサ435から供給される圧力データに基づいて、弁407によって制御することができる。このため、熱交換器437に流入する流体の圧力を低下させることができる。この動作を緩衝モードと呼ぶ。
一実施例において、直接還流ループ417は、緩衝ユニット401の出口と熱交換器側437の出口とを接続している。緩衝ユニット401で緩衝された流体は、経路417を介して出口ポート423に排出される。なお、緩衝ユニットを冷却システムに統合するために使用できる様々なタイプのループ設計が存在する。例えば、図3に示す設計は、主に単相液体動作に用いられる。一実施例において、圧力センサP1 429がシステム入口の圧力を測定し、圧力センサP2 435が空気部の圧力を測定する。
図4は、本出願の一実施例に係る別の例のシステム500を示している。例えば、図4は、排出モードにおける冷却システム500を示している。一実施例において、ループ413は、排出モード期間中に、緩衝ユニット405内の流体が双方向ループ413および緩衝ユニット401からポート429への弁407を介して冷却システムに還流していることを示している。一実施例において、図4に示すように、弁409が閉じている。
図5は、本出願の一実施例に係る別の例のシステム500を示している。例えば、図5は、一実施例による、複数のループ(例えば、413および417)を使用する排出モードにおける冷却システム500を示す。一実施例において、双方向ループ413および直接還流ループ409の両方が、緩衝部405に貯留された流体を放出するために使用される。このとき、調整弁415は、例えば、空気部403により多くの空気を圧送して圧力P2 435を上昇させ、ポンプ419とともに流体を駆動するために用いられる。2つのループ(すなわち、413および415)で流体を放出する理由は、冷却システム出口における流体温度をよく制御するためである。一実施例において、流体は熱交換器437を介して双方向流路413から流出するが、直接還流ループ417から流出しない。したがって、実施例に係る設計条件に基づいて柔軟なシステム制御を実現することができる。一実施例において、直接還流ループ417からの流体は、熱交換器437を出る流体よりも高い温度を有してもよい。
図6Aは、本出願の一実施例に係る別の例のシステム600を示している。例えば、図6Aは、一実施例に係る緩衝ユニット401を冷却システム600に統合するための別の冷却システムの設計を示している。緩衝ユニット401は、先の図と異なることがわかる。なお、緩衝ユニット401は、以前と同様の設計で用いることができるが、特に、蒸気の貯留または流体と蒸気の混合に使用される緩衝部の動作には、異なるカスタマイズが必要となる場合がある。図6Aは、蒸気ベースのシステム設計を示す。1つの双方向ループ413のみが、蒸気の取り込みおよび放出の両方に使用される。なお、緩衝ユニットの詳細な内部設計は図示していない。図6Aにおいて、弁407の開弁圧を調整することにより、弁をいずれの方向にも開くことができる。例えば、圧力P1が圧力P2よりも大きい場合に、システムは緩衝ユニットへの充填を開始するようにしてもよい。排出モードでは、弁407は、他の方向から開くようにトリガされる。例えば、P1とP2とは、排出期間中において同様の値を有していてもよい。
図6Bは、本出願の一実施例に係る別の例のシステム610を示している。例えば、図6Bは、一実施例に係る緩衝ユニット401を冷却システム610に統合した他の冷却システムの設計を示している。一実施例において、緩衝ユニット401を熱交換器437の入口に接続する二方弁603を有する独立した還流ループ601が存在する。例えば、前述したように、蒸気がポンプ419を通過する前に冷却する必要があるため、図6Bに示す設計は図5に示す設計とは異なる。なお、冷却システム610では、独立した還流ループ601が用いられており、双方向ループ413は、図6Bに示すように、双方向ループであってもよい。
図6Cは、本出願に係る実施例を示す別の例を示す。例えば、図6Cは、複雑な状況に対処するための別のシステムの設計を示す。一実施例において、双方向ループ413は、緩衝期間中に液体および蒸気の両方を取得するために使用される。例えば、液体と蒸気の両方が緩衝ユニット401に貯留されているので、排出期間中に、双方向ループ413が蒸気を放出し、液体ループ417が液体を放出するように構成される。一実施例において、排出期間中に、緩衝部の圧力P2 435は、P1 429よりも若干高く制御され、弁411は、最大開度位置に制御される。一実施例において、冷却システム620は、潜熱を除去することで蒸気を液体に回復させる必要があるため、混合相流体を緩衝して独立して排出するように設計されている。
図7は、本出願の実施例に係る、IT 701に例示的に接続される冷却システムに統合された緩衝システムを示している。例えば、図7において、冷却システムは、弁703を有するバイパスループ705を含み、バイパスループ705を通って流体が流れることを可能にする。いくつかの実施例において、熱交換器を有するメインループおよび/または緩衝ループが故障した場合、またはメンテナンスが必要な場合に、他のITコンポーネント701との干渉を最小限にして、または全く干渉せずに、流体を流すことができる。
図8は、本出願の実施例による、冷却システムの緩衝期間中の例示的なプロセス800のフローチャートである。例えば、図8は、緩衝部に流体を貯留して熱を緩衝するための詳細な動作設計および制御方法を示している。
動作801において、緩衝ユニット401は、低冷却能力、冷却障害等を含むピーク電力シナリオの間に、一定量の熱流を一時的に貯留してもよい。動作803において、制御弁407は、ループ413を一方向に開いて、緩衝ユニット401への流体の流れを補助することができる。動作805において、制御弁407は、緩衝システムが飽和しているとき、および/または上述のシナリオがもはや存在しないとき、ループ413を閉じることができる。
図9は、本出願の一実施例による、冷却システムの排出期間中の例示的なプロセス900のフローチャートである。例えば、図9は、緩衝部に貯留された流体を排出するための詳細な動作設計および制御方法を示している。
動作901において、メイン発熱率が低い場合または冷却能力が高い場合には、緩衝ユニット401はメインループシステムに貯留された流体または熱負荷を放出してもよい。動作903において、制御弁407は、逆方向にループを開いて、緩衝ユニット401からの流体の排出を補助してもよい。動作905において、緩衝ユニット401の充填弁415は、排出プロセス900を補助するために空気圧を増加することができる。動作907において、制御弁407はループを閉じることができる。動作909において、緩衝ユニット401の充填弁415から空気側圧力P2 435を放出することができる。
図10は、本出願の実施例に係る冷却システムの例示的なプロセス1000を示すフローチャートである。動作1001において、冷却システムは、1つまたは複数のセンサを介して外部流体の温度および流体圧を受信することができる。動作1003において、緩衝ユニット401に流体を貯留することができる。動作1005において、外部流体の温度が正常値以上である場合、動作1001に戻り、外部流体の温度が正常値未満である場合、動作1007に進む。
動作1007において、圧力が高設定点値以上である場合、動作1001に戻り、圧力が高設定点値未満である場合(すなわち、冷却能力が高くても熱負荷が高くないことを確保する)、動作1009に進む。動作1009において、冷却システムは、弁の開弁圧力値を既存の空気側圧力に一致させる。動作1011において、排出弁を調整することで空気側圧力を増加させる。動作1013において、圧力トリガ弁は、流体が緩衝ユニット401から熱交換器437へ流れるように圧力を上昇させる。
動作1015において、外部流体の温度が正常値未満である場合、または空気圧が最大値に達していない場合、動作1009に戻り、外部流体の温度が正常値以上である場合、または空気圧が最大値に達した場合、動作1017に進む。動作1017において、冷却システムは充填を停止し、弁を閉じる。動作1019において、充填弁によって圧力放出が開始される。
本明細書において、本出願の実施形態は、その具体的な例示的な実施形態を参照しながら説明されてきた。当然のことながら、添付の特許請求の範囲に記載された本出願のより広い精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができる。したがって、明細書および図面は、例示的なものであり、限定的なものではないと考えられるべきである。

Claims (20)

  1. 冷却システムであって、
    1つまたは複数の電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、
    前記入口ポートおよび前記出口ポートに接続される熱交換器を有する第1ループであって、前記熱交換器は、前記入口ポートから流体を受け取り、前記電子機器によって生成され、前記流体によって運ばれる熱を交換し、前記流体を前記出口ポートを介して前記電子機器に戻す第1ループと、
    前記入口ポートと前記第1ループとに接続される第2ループであって、緩衝ユニットと、貯留のために前記流体を前記緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために前記流体を前記緩衝ユニットから排出して前記第1ループに流入させるように制御するための第1弁とを有する双方向の第2ループと、を備え、
    前記緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、前記流体の一部を貯留するための緩衝部とを備え、前記空気部は、前記熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、前記入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するように構成される冷却システム。
  2. 前記第1弁は、前記温度が所定の温度よりも高く、かつ、前記流体圧が所定の圧力よりも高いと判断されたことに応答して、前記緩衝ユニットに前記流体を貯留させることを可能にするように構成される請求項1に記載の冷却システム。
  3. 前記温度が前記所定の温度よりも低いこと、または、前記緩衝ユニットの前記空気部の空気圧が所定の空気圧よりも高いことに応答して、熱交換のために、貯留した流体を前記緩衝ユニットから前記熱交換器に排出する請求項2に記載の冷却システム。
  4. 前記緩衝ユニットは、排出期間中に前記流体を前記緩衝ユニットから流出させるように、前記空気部に空気を圧送して圧力を提供するための圧力調整弁をさらに備える請求項3に記載の冷却システム。
  5. 前記第2ループは、前記緩衝ユニットを前記出口ポートに接続するための第2弁をさらに備え、前記第2弁は、前記流体が前記緩衝ユニットの前記緩衝部から前記熱交換器をバイパスして前記出口ポートまで流れることを可能にするように構成される請求項1に記載の冷却システム。
  6. 前記第2弁は、前記緩衝ユニットの前記空気部内の空気圧に基づいて、前記緩衝ユニットから前記出口ポートへの流速を制御する圧力制御弁である請求項5に記載の冷却システム。
  7. 前記入口ポートと前記熱交換器との間に接続されて、前記熱交換器へ流入する流速を制御するための第3弁をさらに備える請求項5に記載の冷却システム。
  8. 前記第2ループに流入する前記流体は、液体および蒸気の両方を含む二相流体である請求項1に記載の冷却システム。
  9. 前記二相流体が前記緩衝ユニットに貯留されており、前記第2ループは、緩衝期間中に前記液体および前記蒸気を受けるように構成され、前記第2ループは、排出期間中に前記蒸気を放出するように構成され、前記緩衝ユニットと前記出口ポートとの間に接続される液体ループは、前記排出期間中に前記液体を放出するように構成される請求項8に記載の冷却システム。
  10. 前記入口ポートと前記出口ポートとの間に接続される第3弁を有する第3ループをさらに備え、前記第3ループは、前記流体の少なくとも一部を前記入口ポートから前記熱交換器および前記緩衝ユニットをバイパスして前記出口ポートに直接送るバイパスループとして動作する請求項1に記載の冷却システム。
  11. データセンターの電子機器ラックであって、
    1つまたは複数のサーバとして動作する1つまたは複数の電子機器と、
    前記1つまたは複数の電子機器に接続される冷却システムと、を備え、
    前記冷却システムは、
    前記電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、
    前記入口ポートおよび前記出口ポートに接続される熱交換器を有する第1ループであって、前記熱交換器は、前記入口ポートから流体を受け取り、前記電子機器によって生成され、前記流体によって運ばれる熱を交換し、前記流体を前記出口ポートを介して前記電子機器に戻す第1ループと、
    前記入口ポートと前記第1ループとに接続される第2ループであって、緩衝ユニットと、貯留のために前記流体を前記緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために前記流体を前記緩衝ユニットから排出して前記第1ループに流入させるように制御するための第1弁とを有する双方向の第2ループと、を備え、
    前記緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、前記流体の一部を貯留するための緩衝部とを備え、前記空気部は、前記熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、前記入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するように構成されるデータセンターの電子機器ラック。
  12. 前記第1弁は、前記温度が所定の温度よりも高く、かつ、前記流体圧が所定の圧力よりも高いと判断されたことに応答して、前記緩衝ユニットに前記流体を貯留させることを可能にするように構成される請求項11に記載の電子機器ラック。
  13. 前記温度が前記所定の温度よりも低いこと、または、前記緩衝ユニットの前記空気部の空気圧が所定の空気圧よりも高いことに応答して、熱交換のために、貯留した流体を前記緩衝ユニットから前記熱交換器に排出する請求項12に記載の電子機器ラック。
  14. 前記緩衝ユニットは、排出期間中に前記流体を前記緩衝ユニットから流出させるように、前記空気部に空気を圧送して圧力を提供するための圧力調整弁をさらに備える請求項13に記載の電子機器ラック。
  15. 前記第2ループは、前記緩衝ユニットを前記出口ポートに接続するための第2弁をさらに備え、前記第2弁は、前記流体が前記緩衝ユニットの前記緩衝部から前記熱交換器をバイパスして前記出口ポートまで流れることを可能にするように構成される請求項11に記載の電子機器ラック。
  16. 前記第2弁は、前記緩衝ユニットの前記空気部内の空気圧に基づいて、前記緩衝ユニットから前記出口ポートへの流速を制御する圧力制御弁である請求項15に記載の電子機器ラック。
  17. 前記冷却システムは、前記入口ポートと前記熱交換器との間に接続されて、前記熱交換器へ流入する流速を制御するための第3弁をさらに備える請求項15に記載の電子機器ラック。
  18. 前記第2ループに流入する前記流体は、液体および蒸気の両方を含む二相流体である請求項11に記載の電子機器ラック。
  19. 前記二相流体が前記緩衝ユニットに貯留されており、前記第2ループは、緩衝期間中に前記液体および前記蒸気を受けるように構成され、前記第2ループは、排出期間中に前記蒸気を放出するように構成され、前記緩衝ユニットと前記出口ポートとの間に接続される液体ループは、前記排出期間中に前記液体を放出するように構成される請求項18に記載の電子機器ラック。
  20. データセンターシステムであって、
    それぞれ1つまたは複数のサーバを備える複数の電子機器ラックと、
    前記電子機器ラックに接続され、前記サーバを液冷する冷却システムと、を備え、
    前記冷却システムは、
    電子機器に接続される入口ポートおよび出口ポートと、
    前記入口ポートおよび前記出口ポートに接続される熱交換器を有する第1ループであって、前記熱交換器は、前記入口ポートから流体を受け取り、前記電子機器によって生成され、前記流体によって運ばれる熱を交換し、前記流体を前記出口ポートを介して前記電子機器に戻す第1ループと、
    前記入口ポートと前記第1ループとに接続される第2ループであって、緩衝ユニットと、貯留のために前記流体を前記緩衝ユニットへ流入させ、熱交換のために前記流体を前記緩衝ユニットから排出して前記第1ループに流入させるように制御するための第1弁とを有する双方向の第2ループと、を備え、
    前記緩衝ユニットは、空気を貯留するための空気部と、前記流体の一部を貯留するための緩衝部とを備え、前記空気部は、前記熱交換器に設けられる温度センサから得られた温度と、前記入口ポートの近傍に設けられる圧力センサから得られた流体圧とに基づいて空気圧を調整するように構成されるデータセンターシステム。
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