KR101162427B1 - 서버 팜 냉각 시스템을 위한 냉기 열 캡슐화 - Google Patents

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Abstract

데이터 센터들의 효율적인 냉각에 직결되는 장치들, 방법들, 및 시스템들. 본 발명의 일부 실시예들은 인클로져를 통해 냉기 열들을 캡슐화하게 해주고, 서버 랙들 상에 설치된 서버들을 냉각하도록 서버 팬들이 냉기 열 캡슐화 구조체로부터 찬 공기를 빨아들이도록 해준다. 다른 특정한 실시예들에서, 개시된 시스템들은 서버들을 냉각하도록 냉기 열 캡슐화 구조체 안으로 외부의 차가운 공기를 혼합하는 데에 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명은 랙들 상에 설치된 서버들을 냉각하기 위해 다수의 냉기 열 캡슐화 구조체들을 이용하는 것을 포함할 수 있다.
인클로져, 캡슐화 구조체, 냉기 열, 열기 열, 서버 팬, 냉각 시스템

Description

서버 팜 냉각 시스템을 위한 냉기 열 캡슐화{COLD ROW ENCAPSULATION FOR SERVER FARM COOLING SYSTEM}
본 명세는 일반적으로 데이터 센터들을 위한 냉각 시스템들에 관한 것이다.
웹 이메일, 웹 검색, 웹 사이트 호스팅 및 웹 비디오 공유와 같은 인터넷 서비스들의 빠른 성장은 데이터 센터들 내의 서버들로부터 컴퓨팅 및 저장 전력에 대한 점점 더 높은 수요를 만들어내고 있다. 서버들의 성능이 개선되고 있지만, 집적 회로들의 저 전력 설계에서의 노력들에도 불구하고, 서버들의 전력 소모도 증가하고 있다. 예를 들면, 가장 널리 이용되는 서버 프로세서들 중 하나인, AMD의 Opteron 프로세서는 95 와트에 이르기까지 동작한다. Intel의 Xeon 서버 프로세서는 100 내지 165 와트 사이에서 동작한다. 프로세서들은 단지 서버의 일부분이지만; 냉각 팬들 및 저장 디바이스들과 같은 서버 내의 다른 부분들도 추가적인 전력을 소모한다.
서버들은 일반적으로 데이터 센터 내의 랙(rack)들에 배치된다. 랙들을 위한 다양한 물리적 구성들이 존재한다. 전형적인 랙 구성은 서버 블레이드들과 같은 장비의 다수의 유닛들이 랙 내에 상하로 마운트되고 적층되는 마운트 레일들을 포함한다. 가장 널리 이용되는 19인치 랙 중 하나는 1U 또는 2U 서버들과 같은 장 비를 마운트하기 위한 표준화된 시스템이다. 이러한 유형의 랙에 대한 하나의 랙 유닛(rack unit)은 일반적으로 1.75인치의 높이와 19인치의 폭이다. 하나의 랙 유닛에 설치될 수 있는 서버는 일반적으로 1U 서버로서 지정된다. 데이터 센터들에서, 표준 랙은 통상적으로 서버들, 저장 디바이스들, 스위치들, 및/또는 통신 장비로 밀집해 있다.
데이터 센터 룸은, 냉각하기 위한 샤시(chassis)를 통해 공기를 빨아들이는 냉각 팬들을 일반적으로 갖는 서버들의 신뢰성 있는 동작을 위한 수용가능한 온도 및 습도를 유지해야 한다. Opteron 또는 Xeon 프로세서들에 의해 구동되는 서버들로 밀집하게 적층되는 랙의 전력 소모는 7,000 내지 15,000 와트 사이일 것이다. 그 결과, 서버 랙들은 매우 집중된 열 부하(heat load)들을 만들어 낼 수 있다. 랙들 내의 서버들에 의해 발산되는 열은 데이터 센터 룸으로 배기된다. 밀집한 랙들에 의해 집단적으로 생성되는 열은, 그들이 냉각을 위해 주변 공기에 의존하기 때문에, 랙들 내의 장비의 성능 및 신뢰성에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서, HAVC(heating, ventilation, air conditioning) 시스템들은 종종 효율적인 데이터 센터 설계의 중요한 부분이다.
전형적인 데이터 센터는 10 내지 40 메가와트의 전력을 소모한다. 에너지 소비의 대부분은 서버들과 HVAC 시스템들의 작동에 할당된다. HVAC 시스템들은 데이터 센터들에서의 전력 이용의 25 내지 40 퍼센트 사이를 차지하는 것으로 추정되었다. 40 메가 와트의 전력을 소비하는 데이터 센터의 경우에, HVAC 시스템들은 10 내지 16 메가 와트의 전력을 소비할 수 있다. 에너지 이용을 감소시키는 효율 적인 냉각 시스템들 및 방법들을 활용함으로써 현저한 비용 절감이 달성될 수 있다. 예를 들면, HVAC 시스템의 전력 소비를 데이터 센터들에서 이용되는 전력의 25 퍼센트로부터 10퍼센트로 감소시키는 것은, 수천의 일반 주택들에 전력을 공급하기에 충분한 6 메가 와트의 전력을 절약하는 것이 된다.
데이터 센터 룸에서, 서버 랙들은 일반적으로 열들에 배치되고 열들(rows) 사이에서 냉기 및 열기 통로들이 교호한다(alternating). 모든 서버들은, 랙의 전면에 위치한 냉기 열(cold row)들로부터 조절된 공기를 빨아들이고, 랙들의 후면의 열기 열(hot row)들을 통해 열기를 배출하는 프론트-투-백 기류 패턴(front-to-back airflow pattern)을 달성하도록 랙들 안에 설치된다. 높인 마루 룸 디자인(raised floor room design)은 일반적으로 바닥 급기 시스템(underfloor air distribution system)을 수용하기 위해 이용되는데, 여기에서 냉각된 공기는 냉기 통로들을 따라 높인 마루의 배기구들(vents)을 통해 공급된다.
데이터 센터의 효율적인 냉각에서의 중요한 요인은 데이터 센터 내부의 공기의 흐름 및 순환을 관리하는 것이다. CRAC(Computer Room Air Conditioners) 유닛들은 랙들 사이의 배기구들을 포함하는 바닥 타일들(floor tiles)을 통해 찬 공기를 공급한다. 서버들 외에도, CRAC 유닛들도 마찬가지로 현저한 양의 전력을 소비한다. 하나의 CRAC 유닛은 5마력 모터들을 세 개까지 가질 수 있고, 데이터 센터를 냉각하기 위해 150개까지의 CRAC 유닛들이 요구될 수 있다. CRAC 유닛들은 데이터 센터에서 현저한 양의 전력을 집단적으로 소비한다. 예를 들면, 열기 및 냉기 열 구성을 갖는 데이터 센터 룸에서, 열기 열들로부터의 뜨거운 공기는 열기 열 로부터 이동되어 CRAC 유닛들로 순환된다. CRAC 유닛들은 공기를 냉각한다. CRAC 유닛들의 모터들에 의해 동력이 공급되는 팬들은, 높인 서브-플로어(raised sub-floor)에 의해 정의되는 바닥 공간(underfloor plenum)으로 냉각된 공기를 공급한다. 바닥 공간 안으로 냉각된 공기를 보냄으로써 생성되는 압력은 서브플로어의 배기구들을 통해 위쪽으로 냉각된 공기를 보내고, 냉각된 공기를 서버 랙들에 면하고 있는 냉기 통로들에 공급한다. 충분한 공기 흐름율(air flow rate)을 달성하기 위해, 수백의 강력한 CRAC 유닛들이 전형적인 데이터 센터 룸의 전체에 걸쳐 설치될 수 있다. 그러나, CRAC 유닛들이 일반적으로 데이터 센터 룸의 구석들에 설치되기 때문에, 공기 흐름율을 효율적으로 증가시키기 위한 그들의 능력은 부정적으로 나쁜 영향을 받게 된다. 높인 마루를 부설하는 비용은 일반적으로 높고, 냉각 효율성은 데이터 센터 룸 내부의 비 효율적인 공기 움직임으로 인해 일반적으로 낮다. 또한, 마루 배기구들의 위치는 공급되는 공기들이 짧게 순회하는 것을 방지하기 위해 데이터 센터의 설계 및 건축의 전체에 걸친 주의 깊은 계획을 요구한다. 뜨거운 지점들(hot spots)을 고치기 위해 타일들을 제거하는 것은 시스템 전체에 걸쳐 문제점들을 야기할 수 있다.
[개요]
본 발명은 데이터 센터들의 효율적인 냉각에 관한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 특정한 실시예에서, 본 발명은, 하나 이상의 서버 랙과 인터페이스하도록 구성된 적어도 하나의 서버 랙 포트를 포함하는 냉기 열 캡슐화 구조체(cold row encapsulation structure), 및 상기 냉기 열 캡슐화 구조체의 상단 표면에 연결된 냉각 모듈을 제공한다. 서버 랙 포트들은 서버 랙들의 전면부가 냉기 열 캡슐화 구조체에 의해 정의되는 내부 공간(interior space)과 인터페이스하도록 서버 랙들과 맞물리도록(engage) 구성된다. 일부 실시예들에서, 서버 랙들 포트들 및 서버 랙들은, 냉기 열 캡슐화 구조체 안팎으로의 공기 누출을 감소시키도록 클램프들 및/또는 밀봉 개스킷(sealing gasket)들에 의해 단단히 연결된다.
본 발명의 일부 실시예들은, 냉기 열 캡슐화 구조체로부터의 찬 공기를 서버 랙들의 전면부에서 빨아들이고 뜨거운 공기를 서버 랙들의 후면부로부터 방출하기 위해 랙들 상에 설치된 서버들의 냉각 팬들을 활용한다. 본 발명의 일부 실시예들은 높인 서브플로어들, 및 바닥 공간 안으로 냉각된 공기를 밀어넣기 위한 팬들 및 다른 장비에 대한 필요성을 제거한다. 냉기 열 캡슐화 구조체의 상단에 설치된 냉각 모듈은 냉각 모듈의 내부에 설치된 냉각 코일들을 통해 뜨거운 공기를 냉각한다. 일부 실시예들에서, 냉각 모듈의 뜨거운 공기와 열을 교환하도록 코일들의 내부에서 찬 물(cold water)이 이용된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 본 시스템들 및 방법들은 외부의 공기를 도입하지 않고 데이터 센터 서버 냉각 룸 내에서 뜨거운 공기를 냉각하는 것에 관한 것이다. 서버 팬들에 의해 방출된 뜨거운 공기는 냉기 열 캡슐화 구조체의 상단부에 위치할 수 있는 냉각 모듈들에 들어간다. 뜨거운 공기는 냉각 모듈들 내부의 물 기반 냉각 코일들(water based cooling coils)에 의해 냉각되고, 냉각된 공기는 중력 및, 냉기 열 캡슐화 구조체의 내부 공간 내부에서 생성되는 더 낮은 압력을 통해 냉기 열 캡슐화 구조체로 들어간다. 서버 팬들은 냉기 열 캡슐화 구조체에 연 결된 서버 랙 포트들로부터 찬 공기를 빨아들여 서버들을 냉각하고 서버 랙들의 후면부로부터 뜨거운 공기를 방출한다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 본 시스템들 및 방법들은 서버들을 냉각하기 위해 외부의 찬 공기를 혼합하는 것을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 데이터 센터의 천장 댐퍼들(ceiling dampers)은 온도 제어 유닛에 의해 제어될 수 있고, 외부의 온도가 특정 임계값에 도달할 때 열릴 수 있다. 외부의 공기는 데이터 센터에 들어가고, 냉기 열 캡슐화 구조체의 상단부에 설치된 냉각 모듈을 통해 지나간다. 서버 팬들은 냉기 열 캡슐화 구조체로부터 찬 공기를 빨아들인다. 뜨거운 공기는 천장 배기 팬들에 의해 외부로 배기된다. 일부 실시예들에서, 데이터 센터 서버 냉각 룸의 공기 중의 습도를 제어하기 위해, 특히 외부의 공기가 서버들 및 다른 장비들에 대한 동작 요건들을 만족시키지 못하는 경우에, 가습기들이 외부의 공기를 조절하는 데에 이용될 수 있다. 그러나, 최근 몇 년간, 서버 장비의 제조업자들은 기술적인 진보에 기인하여 습도 요건들을 현저하게 완화했다.
이하의 상세한 설명은 첨부되는 도면들과 함께 본 발명의 다양한 실시예들의 본질 및 장점들의 더 나은 이해를 제공할 것이다.
도 1은 예시의 냉기 열 캡슐화 구조체 및 예시의 냉각 모듈을 나타내는 도면.
도 2는 통합된 서버 랙들을 갖는 예시의 냉기 열 캡슐화 구조체 및 예시의 냉각 모듈을 나타내는 도면.
도 3은 통합된 서버 랙들을 갖는 예시의 냉기 열 캡슐화 구조체, 서버 랙들 중 하나의 서버 랙에 위치한 예시의 서버, 및 예시의 냉각 모듈을 나타내는 도면.
도 4는 예시의 냉각 모듈에 의해 조절된 찬 공기를 빨아들이는 서버 팬을 갖는 예시의 서버를 나타내는 도면.
도 5는 냉기 열 캡슐화 구조체, 냉각 모듈, 지붕의 배기 팬들, 및 실내 및 실외 공기 순환을 제어하는 댐퍼들을 갖는 혼합 챔버를 갖는 예시의 데이터 센터 서버 냉각 룸을 나타내는 도면.
도 6은 혼합 챔버와 통합된 냉각 모듈을 갖는 예시의 데이터 센터 서버 냉각 룸을 나타내는 도면.
도 7은 다수의 냉기 열 캡슐화 구조체들 및 다수의 냉각 모듈들, 지붕의 배기 팬들, 실내 및 실외 공기 순환을 제어하는 댐퍼들을 갖는 혼합 챔버를 갖는 예시의 데이터 센터 서버 냉각 룸을 나타내는 도면.
도 8은 다수의 냉기 열 캡슐화 구조체들 및 댐퍼들을 갖는 혼합 챔버와 통합된 냉각 모듈을 갖는 예시의 데이터 센터 서버 냉각 룸을 나타내는 도면.
도 9는 다수의 냉기 열 캡슐화 구조체들 및 다수의 냉각 모듈들, 지붕의 배기 팬들, 및 냉각 모듈과 통합된 댐퍼들을 갖는 혼합 챔버를 갖는 예시의 데이터 센터 서버 냉각 룸을 나타내는 도면.
이하의 예시의 실시예들과 그들의 양태들은, 예시적인 예들이며 범주를 제한하는 것이 아닌 장치들, 방법들, 및 시스템들에 관하여 설명되고 예시된다.
도 1은 예시의 냉각 모듈(100) 및 예시의 냉기 열 캡슐화 구조체(106)를 나타낸다. 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는 프레임, 패널들, 문들, 및 서버 랙 포트들을 가질 수 있다. 서버 랙 포트는 서버 랙에 연결될 수 있는 냉기 열 캡슐화 구조체(106) 상의 개구부(opening)이다. 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는, 랙 마운트된 유닛이 내부 공간과 인터페이스하게 해주는 적어도 하나의 서버 랙 포트를 포함하는 내부 공간을 정의하는 하우징을 만들어내는 강철, 합성 재료들, 또는 탄소 재료들과 같은 다양한 재료들로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는 마루 표면에 직접적으로 마운트될 수 있고, 어떠한 높인 마루도 냉각된 공기를 위해 데이터 센터 냉각 룸에서 요구되지 않는다.
냉각 모듈(100)은 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 상단부에 위치되고 배치될 수 있으며, 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 상단 표면에 연결될 수 있다. 냉각 모듈(100)은 하나 이상의 냉각 코일(102)을 포함한다. 냉각 코일들(102)의 내부를 통과하는 액체는 냉각 모듈(100)을 통해 지나가는 비교적 뜨거운 공기와 열을 교환하여, 공기를 냉각하는 데 이용된다. 하나의 실시예에서, 냉각 모듈(100)은 냉각 코일들(102)이 내부에 배치되는 인클로져(enclosure)를 더 포함한다. 냉각 모듈 인클로져는 하나 이상의 개구부(104)를 가질 수 있으며, 이를 통해 공기가 인클로져에 들어간다. 일부 실시예들에서, 개구부들(104)은 에어 필터들을 포함할 수 있다. 냉각 모듈 인클로져는 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 상단 표면에 연결된 하나 이상의 개구부를 가질 수 있으며, 이러한 개구부들을 통해 찬 공기가 냉각 모듈을 빠져나가고 냉기 열 캡슐화 구조체에 의해 정의된 내부 공간으로 들어간다.
일부 실시예들에서, 물이 열 교환자들(heat exchangers)로서 냉각 코일들(102) 내부에서 이용된다. (도시되지 않은) 물 펌프들, 물 냉각 장비, 및 연관된 배관(plumbing)은 냉각 코일들(102)에 냉각된 물을 제공한다. 다른 실시예들에서, 물-글리콜 용액(water glycol solution), 증기, 또는 냉각제(refrigerant)와 같은 다른 유형의 액체가 열 교환자들로서 냉각 코일들(102) 내부에서 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 냉각 코일들(102)은 구불구불한 형상의 선들의 배관일 수 있다. 다른 실시예들에서, 냉각 코일들(102)은 직선들의 배관과 같은 다른 형상들일 수 있다. 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 크기, 냉각 요건들, 공기 흐름의 속도, 및 냉각 코일들(102)의 물리적 특성들에 따라, 냉각 모듈(100)의 냉각 코일들의 수는 변할 수 있다. 하나의 실시예에서, 두 개의 냉각 코일들이 냉각 모듈(100) 내부에서 이용된다.
찬 공기가 일반적으로 뜨거운 공기보다 더 무겁기 때문에, 냉각 코일들(102)에 의해 냉각된 찬 공기는 일반적으로 냉각 모듈(100)의 아래에 위치할 수 있고 그와 연결될 수 있는 냉기 열 캡슐화 구조체(106)에 의해 정의되는 내부 공간 안으로 아래쪽으로 움직인다. 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는 내부 공간을 정의하는 인클로져를 포함한다. 인클로져는 복수의 서버 랙들과 인터페이스하도록 구성된 적어도 하나의 서버 랙 포트(110)를 포함한다. 서버 랙 포트(110)는 서버 랙들의 전면부가 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 내부 공간과 교차하도록 서버 랙들과 인터페이스하도록 구성된다. 하나의 실시예에서, 여섯 개의 표준 서버 랙들이 서버 랙 포 트(110)에 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열두 개의 표준 서버 랙들이 서버 랙 포트(110)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 서버 랙들 및 서버 랙 포트들(110)은 하나 이상의 클램프(112)를 통해 함께 연결될 수 있다. 다른 실시예들에서, 서버 랙들 및 서버 랙 포트들(110)은 나란히 배치될 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 개스킷들과 같은 밀봉 재료들은 서버 랙 포트(110) 및 서버 랙들을 단단히 연결하기 위해 이용될 수 있다. 서버들은, 전면에서 냉기 열 캡슐화 구조체(106)로부터 조절된 공기를 빨아들이고, 랙들의 후면에 열을 방출하는 프론트-투-백 기류 패턴을 달성하도록 랙들 안에 설치된다.
하나의 실시예에서, 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는 두 개 이상의 서버 랙 포트들(110)을 포함할 수 있다. 서버 랙 포트(110)는, 서버들 또는 서버에 설치된 다른 디바이스들의 전면부가 냉기 열 캡슐화 구조체(106)에 의해 정의된 내부 공간과 인터페이스하도록 서버 랙과 맞물릴 수 있다. 이러한 구성은 프론트-투-백 기류 패턴을 달성하는데, 여기에서 서버들 또는 다른 랙-마운트된 유닛들의 냉각 팬들은, 도 4에 도시된 바와 같이, 내부 공간으로부터 공기를 빨아들이고 프로세서(들) 및 다른 컴포넌트들에 의해 가열된 공기를 후방 패널로 배기한다. 일부 실시예들에서, 서버 랙 및 냉기 열 캡슐화 구조체는 실질적으로 밀봉될 수 있으며; 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 내부 공간 내부의 조절된 찬 공기는 서버들을 냉각하기 위해 서버들 내부의 서버 팬들에 의해 빨려들어간다. 다른 실시예들에서, 서버 랙 및 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는, 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 내부 공간 내부의 조절된 찬 공기가 서버들 내부의 서버 팬들에 의해 서버들에 빨려들어가도록 나란히 배치된다. 비교적 뜨거운 공기는 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 상단부 위의 냉각 모듈(100)로 순환되고, 냉각 코일들(102)과 열을 교환한다. 냉각 모듈(100)로부터의 찬 공기는 냉기 열 캡슐화 구조체(106)로 가라앉고, 서버들 내부의 서버 팬들에 의해 서버들의 후방으로 빨려들어간다. 일부 실시예들에서는, 서버 랙들은 서버들 및 다른 장비로 드문드문 채워진다. 서버들 및 다른 장비가 랙 내에서 상하로 겹쳐지기 때문에, 부족(scarcity)은 냉기 열 캡슐화 구조체의 내부 공간에 대한 열린 틈들을 생성할 수 있다. 찬 공기가 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 내부 공간으로부터 누설되고, 뜨거운 공기가 내부 공간으로 다시 순환하여, 냉각 효율을 감소시킬 수 있다. 공기 누설을 방지하기 위해, 틈들은, 틈들을 통해 공기가 냉기 열 캡슐화 구조체를 빠져나오거나 들어가는 것을 방지하는, 서버 랙에 마운트된 패널들을 통해 막힐 수 있다.
하나의 실시예에서, 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는 바닥에 안정성 제어 유닛들(114)을 더 포함할 수 있다. 안정성 제어 유닛들(114)은 지진과 같은 자연 재해 동안 진동성(seismic) 움직임들을 견뎌내도록 지어지는 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 안정성 제어 유닛들(114)은 냉기 열 캡슐화 구조체(106)를 용이하게 움직이도록 빠르게 풀어질 수 있는 스크롤(scrolling)하기 위한 디바이스들을 가질 수 있다. 안정성 제어 유닛들(114)이 이용되는 경우, 냉기 열 캡슐화 구조체(106)는 지면으로부터 올려질 수 있다. 그 결과, 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 바닥 면으로부터 찬 공기가 누설될 수 있고, 뜨거운 공기가 들어갈 수 있다. 공기 누설을 방지하기 위해, 하나의 실시예에서, 냉기 열 캡슐화 구조 체(106)의 바닥 면은 바닥 표면을 밀봉하는 패널에 의해 둘러싸여질 수 있으며, 이러한 패널에 안정성 제어 유닛들(114)이 부착될 수 있다.
하나의 실시예에서, 하나 이상의 문(108)이 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 인클로져에 설치될 수 있다. 문(108)은, 서버 유지와 같은 다양한 작업들을 위해 데이터 센터 직원이 냉기 열 캡슐화 구조체에 들어갈 수 있도록 열리고 닫힐 수 있다. 문(108)은, 찬 공기가 냉기 열 캡슐화 구조체(106) 밖으로 누설되는 것을 방지하기 위해 단열(isolate) 될 수 있다.
냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 치수는, 요망되는 서버 랙들의 수, 서버들의 냉각 요건들, 등에 의존하여 상당히 변할 수 있다. 하나의 실시예에서, 6개 내지 12개의 표준 서버 랙들이 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 각각의 서버 랙 포트들(110)에 연결될 수 있다. 또 다른 6개 내지 12개의 표준 서버 랙들은 냉기 열 캡슐화 구조체의 반대편의 서버 랙 포트들에 연결될 수 있다. 마주보는 서버 랙 포트들 사이의 거리는 4 피트일 수 있다. 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 높이는 12 피트일 수 있고, 깊이도 12 피트일 수 있다.
도 2는 예시의 냉각 모듈(200), 냉기 열 캡슐화 구조체(206), 및 통합된 서버 랙들(208 및 210)을 나타낸다. 이러한 예에서의 시스템은, 서버 랙들이 시스템의 일체의 부분들이라는 것을 제외하고 도 1에 도시된 것과 유사하다. 이러한 실시예에서, 냉기 열 캡슐화 구조체(206)와 서버 랙들(208 및 210) 사이의 연결 및 밀봉은, 서버 랙들이 냉기 열 캡슐화 구조체(206)의 일부분이기 때문에 더 이상 요구되지 않는다. 서버들은 프론트-투-백 기류 패턴을 달성하도록 통합된 서버 랙 들(208 및 210) 안에 설치될 수 있다. 통합된 서버 랙들(208 및 210)의 전면부는 냉기 열 캡슐화 구조체(206)의 내부 공간과 교차한다. 서버들 내부의 서버 팬들은 서버들을 냉각하기 위해 냉기 열 캡슐화 구조체(206)로부터 찬 공기를 빨아들이고, 서버 랙들의 후면으로부터 비교적 뜨거운 공기를 불어낸다. 뜨거운 공기는 그 후 하나 이상의 개구부(204)를 통해 냉각 모듈(200)로 순환되고, 하나 이상의 냉각 코일(202)과 열을 교환한다. 냉각 모듈(200)은 냉기 열 캡슐화 구조체(206)의 상단부에 위치할 수 있고, 냉기 열 캡슐화 구조체(206)의 상단부 및 냉각 모듈(200)의 밑바닥의 개구부를 통해 냉기 열 캡슐화 구조체(206)의 상단 표면에 연결될 수 있다. 찬 공기는 일반적으로, 특히 서버 팬들이 냉기 열 캡슐화 구조체로부터 찬 공기를 빨아들여서 냉기 열 캡슐화 구조체(206)의 내부 공간에 더 낮은 압력을 생성하는 경우, 아래 방향으로 움직인다.
도 3은 예시의 냉각 모듈(300), 냉기 열 캡슐화 구조체(302), 서버 랙들(304), 및 서버 랙에 배치된 예시의 서버(306)를 나타낸다. 이러한 예에서의 시스템은 도 2에 도시된 것과 유사하다. 조절된 찬 공기는 냉기 열 캡슐화 구조체(302)의 상단부에 배치된 냉각 모듈(300)을 통해 냉기 열 캡슐화 구조체(302)로 들어간다. 서버(306) 내부의 서버 팬들은 냉기 열 캡슐화 구조체(302)의 내부 공간으로부터 조절된 찬 공기를 빨아들이고, 서버(306)를 냉각한다.
도 4는 예시의 냉각 모듈(400), 냉각 코일들(402), 서버(404) 및 서버(404) 내부의 서버 팬(406)을 나타낸다. 냉각 모듈(400) 및 냉각 코일들(402)로부터의 조절된 찬 공기는 서버 팬(406)에 의해 빨려들어가고, 서버를 냉각하기 위해 서 버(404)를 통해 지나간다. 비교적 뜨거운 공기는 그 후 서버 팬(406)에 의해 서버(404)의 밖으로 내뿜어진다.
도 1 및 2에 도시된 냉각 시스템들은, 전술한 바와 같이, 내부 공간으로부터 공기를 빨아들이고 냉기 열 캡슐화 구조체(106)의 내부에 냉각된 공기를 제공하도록, 데이터 센터 서버 냉각 룸에 의해 정의된 내부 공간에서 동작할 수 있다. 그러나, 일부 구현들에서, 냉각 시스템들은 또한 외부의 공기를 이용하게 해주는 공기 흐름 제어들을 포함하는 데이터 센터 냉각 룸과 함께 동작할 수 있다. 도 5는 하나 이상의 천장 배기 팬(516), 외부 공기 흡기구(intake)를 제어하는 천장 댐퍼(514), 혼합 챔버(518), 및 혼합 챔버(518) 안으로 들어가는 공기의 순환을 제어하는 댐퍼(512)를 갖는 예시의 데이터 센터 서버 냉각 룸(500)을 나타낸다. 냉각 모듈(502)은 하나 이상의 냉각 코일(504)을 포함하며, 혼합 챔버(518)와 연결된다. 냉기 열 캡슐화 구조체(506)의 상단 표면은 냉각 모듈(502)과 연결된다. 냉기 열 캡슐화 구조체(506)의 인클로져 상의 서버 랙 포트들(508)은 서버 랙들(510)에 연결된다. 서버들은 프론트-투-백 기류 패턴을 달성하도록 서버 랙들 안에 설치될 수 있다. 서버 랙들의 전면부는 냉기 열 캡슐화 구조체(506)의 내부 공간과 교차한다. 서버들 내부의 서버 팬들은 서버들을 냉각하기 위해 냉기 열 캡슐화 구조체(506)로부터 찬 공기를 빨아들이고, 뜨거운 공기를 서버 랙들에서 방출한다.
서버 냉각 룸(500)은 두 가지 모드로 작동될 수 있다. 하나의 모드에서는, 어떠한 외부 공기도 서버 냉각 룸(500)에 도입되지 않으며, 서버들로부터 방출된 뜨거운 공기는 혼합 챔버(518) 및 냉각 모듈(502)로 다시 순환된다. 또 다른 모드 에서는, 외부의 차가운 공기가 서버 냉각 룸(500)에 도입된다. 천장 댐퍼들(514)은 혼합 챔버 상의 댐퍼들(512)이 닫혀진 동안 열린다. 외부의 차가운 공기는 냉각 모듈(502)을 통해 지나가고, 냉기 열 캡슐화 구조체(506)로 들어간다.
하나의 실시예에서, 천장 댐퍼들(514)은 닫히고, 혼합 챔버 상의 댐퍼들(512)은 열린다. 서버들에 의해 방출된 뜨거운 공기의 일부분은 하나 이상의 천장 배기 팬들(516)을 통해 서버 냉각 룸(500)의 외부로 배기되며; 뜨거운 공기의 일부분은 열린 댐퍼들(512)을 통해 혼합 챔버(518)로 들어간다. 혼합 챔버 내부의 뜨거운 공기는 냉각 모듈(502)에 빨려들어가고, 냉각 코일들(504)과 열을 교환한다. 찬 공기는 그 후 중력, 및 냉기 열 캡슐화 구조체(506)의 내부 공간 내부의 더 낮은 압력을 통해 냉기 열 캡슐화 구조체(506)로 들어간다.
또 다른 실시예에서, 천장 댐퍼들(514)은 열리고, 혼합 챔버 상의 댐퍼들(512)은 닫힌다. 외부의 찬 공기는 열린 댐퍼들(514)을 통해 혼합 챔버(518)로 들어가고, 냉각 모듈(504)을 통해 지나가고, 냉기 열 캡슐화 구조체(506)의 내부 공간으로 가라앉는다.
몇몇 실시예들에서, 댐퍼들(512 및 514)의 열림 및 닫힘은 온도 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다. 외부의 온도가 적절한 수준에 도달하는 경우, 온도 제어 유닛은 외부의 공기가 룸에 들어가게 하도록 천장 댐퍼들(514)을 열고, 서버로부터 방출된 뜨거운 공기가 혼합 챔버로 들어가는 것을 방지하도록 혼합 챔버 상의 댐퍼들(512)을 닫는다. 외부의 온도가 서버 냉각 룸(500)에 대해 너무 뜨거운 경우, 온도 제어 유닛은 뜨거운 외부의 공기를 실내로 도입하는 것을 방지하기 위해 천장 댐퍼들(514)을 닫고, 서버들로부터 방출된 뜨거운 공기가 혼합 챔버로 되돌아가게 하도록 댐퍼들(512)을 연다. 외부의 천연의 차가운 공기를 활용하는 것은, 그것이 냉각 모듈(100)을 순환하는 액체를 냉각할 필요성을 감소시키기 때문에, 데이터 센터들의 에너지 소비를 현저하게 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 댐퍼들(512 및 514)의 열림 및 닫힘, 및 천장 배기 팬들(516)의 작동은 모두, 서버 냉각 룸의 내부 및 외부 온도를 모니터하고 룸 냉각에 있어서의 최선의 효율성을 달성하기 위해 댐퍼들 및 팬들을 작동시키는 온도 제어 유닛과 같은 전자 디바이스에 의해 제어된다.
데이터 센터의 위치에 따라, 외부의 차가운 공기의 습도는 다를 수 있다. 외부의 차가운 공기의 습도가 낮은 경우에, 외부의 공기는, 습도 수준이 서버들의 신뢰성 있는 작동을 위한 요건들을 충족시키도록 조절될 수 있다. 서버 제조업자들이 서버 장비의 신뢰성 있는 작동을 위한 습도에 대한 요건을 현저하게 완화시켰지만, 데이터 센터 서버 냉각 룸 내부의 대기의 적절한 습도는 데이터 센터의 장비들의 성능 및 신뢰성에 있어서 아직도 중요하다. 몇몇 실시예들에서, 혼합 챔버를 통해 지나가는 공기의 습도를 조절하도록 혼합 챔버 내에 하나 이상의 가습기가 설치될 수 있다.
도 6은, 하나 이상의 천장 배기 팬(616), 외부 공기 흡기구를 제어하는 천장 댐퍼들(614), 및 혼합 챔버(602) 안으로 들어가는 뜨거운 공기의 순환을 제어하는 댐퍼들(612)을 갖는 또 다른 예시의 데이터 센터 냉각 룸(600)을 나타낸다. 이러한 실시예에서, 냉각 코일들(604)은 혼합 챔버(602) 내부에 설치된다. 혼합 챔 버(602)는 연결 인클로져(618)를 통해 냉기 열 캡슐화 구조체(606)와 연결된다. 냉기 열 캡슐화 구조체(606) 상의 서버 랙 포트들(610)은 서버 랙들(608)과 연결된다. 서버들은 프론트-투-백 기류 패턴을 달성하도록 서버 랙들 안에 설치될 수 있다. 서버 랙들(608)의 전면부는 냉기 열 캡슐화 구조체(606)의 내부 공간과 교차한다. 서버들 내부의 서버 팬들은 서버들을 냉각하기 위해 냉기 열 캡슐화 구조체(606)로부터 찬 공기를 빨아들이고, 서버 랙들의 후면으로부터 뜨거운 공기를 방출한다.
이러한 실시예에서, 서버 냉각 룸은 외부의 온도에 따라 두 가지 모드의 공기 흐름을 가질 수 있다. 하나의 모드에서, 외부의 차가운 공기는 열린 천장 댐퍼들(614)을 통해 혼합 챔버(602)로 들어가고, 냉각 코일들(604)에 의해 조절된다. 몇몇 실시예들에서, 외부의 공기에 습기를 추가하도록 혼합 챔버(602) 내에 가습기들이 설치될 수 있다. 조절된 찬 공기는 중력 및, 냉기 열 캡슐화 구조체(606)의 내부 공간 내의 일반적으로 더 낮은 압력에 의해 냉기 열 캡슐화 구조체(606)로 들어간다. 랙들 상에 설치된 서버들 내의 서버 팬들은 서버들을 냉각하기 위해 냉기 열 캡슐화 구조체(606)로부터 찬 공기를 빨아들인다. 외부의 공기가 뜨겁고, 냉각 목적들에 적합하지 않은 경우, 시스템은 또 다른 모드에서 작동하는데, 여기에서 천장 댐퍼들은 뜨거운 외부의 공기가 혼합 챔버(602)로 들어가는 것을 방지하기 위해 닫힌다. 그러나, 댐퍼들(612)은 열린다. 서버 냉각 룸 내부의 뜨거운 공기는 댐퍼들(612)을 통해 혼합 챔버로 들어가고, 냉각 코일들(604)과 열을 교환한다. 몇몇 실시예들에서, 전자 디바이스는 서버 냉각 룸(600) 내부 및 외부 양쪽 모두의 온도를 모니터링하고, 내부 및 외부 온도에 따라 댐퍼들(612 및 614) 및 천장 배기 팬들(616)을 열거나 또는 닫을 수 있다. 동일한 전자 디바이스가 서버 냉각 룸 내부 및 외부 양쪽 모두의 공기의 습도 레벨을 더 모니터링할 수 있으며, 혼합 챔버(602) 내부에 설치될 수 있는 가습기들을 제어할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 데이터 센터 서버 냉각 룸과 유사한 서버 냉각 룸(700)을 나타낸다. 그러나, 서버 냉각 룸(700)은 다수의 냉각 모듈들(702), 다수의 냉기 열 캡슐화 구조체들(706), 하나 이상의 천장 배기 팬(720), 하나 이상의 천장 댐퍼(718), 하나 이상의 댐퍼(724)를 갖는 하나 이상의 혼합 챔버(716), 및 다수의 서버 랙들(710)을 포함한다. 다수의 냉각 모듈들(702)은 인클로져(722)를 통해 혼합 챔버(716)에 연결된다. 냉기 열 캡슐화 구조체들(706)의 인클로져 상의 서버 랙 포트들(708)은 서버들(710)에 연결된다. 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 두 개의 모드로 동작한다. 혼합 챔버로부터의 공기는 각각의 개별 냉기 열 캡슐화 구조체(706)로 들어가기 전에 각각의 냉각 모듈들 내의 냉각 코일들(704)에 의해 냉각된다.
도 8은 하나의 혼합 챔버(802) 및 다수의 냉기 열 캡슐화 구조체들(806)을 갖는 서버 냉각 룸(800)을 나타낸다. 냉각 코일들(804)은 혼합 챔버(802) 내에 설치된다. 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이 두 개의 모드로 작동한다. 하나 이상의 천장 댐퍼(818)는 외부 공기의 온도에 따라 열리거나 또는 닫힐 수 있다. 하나 이상의 댐퍼(816)는 서버 냉각 룸(800) 내부의 뜨거운 공기 순환을 제어하기 위해 열리거나 또는 닫힐 수 있다. 각각의 냉기 열 캡슐화 구조체(806)의 상단 표면은 인클로져(822)를 통해 혼합 챔버(802)와 연결된다. 혼합 챔버로부터의 공기는 인클로져(822)를 통해 각각의 개별 냉기 열 캡슐화 구조체(806)로 들어가기 전에 냉각 코일들(804)에 의해 냉각된다. 그러나, 도 7에 도시된 서버 냉각 룸과는 다르게, 어떠한 개별 냉각 모듈도 각 냉기 열 캡슐화 구조체(806)의 상단부에 설치되지 않는다. 냉기 열 캡슐화 구조체(806)의 인클로져 상의 서버 랙 포트들(808)은 서버 랙들(810)과 연결된다. 서버들은 프론트-투-백 기류 패턴을 달성하도록 서버 랙들(810) 안에 설치될 수 있다. 서버들 내부의 서버 팬들은 서버들을 냉각하기 위해 각각의 개별 냉기 열 캡슐화 구조체(806)로부터 찬 공기를 빨아들이고, 서버 랙들의 후면으로부터 뜨거운 공기를 방출한다.
도 9는 다수의 냉각 모듈들(902), 다수의 냉기 열 캡슐화 구조체들(906), 하나 이상의 천장 배기 팬(920), 하나 이상의 천장 댐퍼(918), 댐퍼들(914)을 갖는 하나 이상의 혼합 챔버(916), 및 다수의 서버 랙들(910)을 갖는 또 다른 서버 냉각 룸(900)을 나타낸다. 시스템은 도 8에 도시된 바와 같이 두 가지 모드로 작동한다. 그러나, 도 8에 도시된 서버 냉각 룸과는 다르게, 각 냉각 모듈(902) 내의 냉각 코일들(904)에 더하여, 혼합 챔버(916) 내에 설치된 하나 이상의 냉각 코일(924)도 존재한다. 냉각 모듈들은 인클로져(922)를 통해 하나의 혼합 챔버(916)에 연결된다. 혼합 챔버로부터의 공기는 혼합 챔버(916) 내의 냉각 코일들(924)에 의해 냉각되고, 각각의 개별 냉기 열 캡슐화 구조체(906)에 들어가기 전에 각각의 냉각 모듈들(902)에 의해 더 냉각된다.
본 발명은 특정한 실시예들을 참고로 하여 설명되었다. 예를 들면, 본 발명 의 실시예들이 특정한 컴포넌트들 및 구성들을 참고로 하여 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들은 상이한 조합의 컴포넌트들 및 구성들이 또한 이용될 수 있다는 것을 알 것이다. 다른 실시예들은 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들에 의해 지시된 것 외에, 본 발명이 제한되는 것은 의도되지 않는다.

Claims (25)

  1. 서버 냉각 디바이스로서,
    내부 공간(interior space)을 정의하고, 랙(rack) 내에 설치된 하나 이상의 랙-마운트된 유닛들(rack-mounted units)이 상기 내부 공간과 인터페이스하도록 상기 랙과 맞물리도록(engage) 구성되는 적어도 하나의 서버 랙 포트(server rack port)를 포함하는 인클로져(enclosure), 및
    상기 인클로져에 의해 정의된 상기 내부 공간에 상기 인클로져의 상단 표면으로부터 냉각 공기를 공급하도록 작동하는 냉각 모듈(cooling module)
    을 포함하는 서버 냉각 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서버 랙 포트는 서버 랙의 바깥 둘레(outer periphery)와 실질적으로 같은 모양이 되도록(conform) 구성되는 서버 냉각 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서버 랙 포트는 상기 서버 랙들에 부착될 때 실질적으로 밀봉될 수 있는 서버 냉각 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서버 랙 포트는 대응하는 서버 랙 포트 내에 서버 랙을 실질적으로 밀봉하도록 구성되는 개스킷(gasket)을 포함하는 서버 냉각 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각 모듈은,
    상기 냉각 모듈 내의 대기를 냉각하는 데에 적합한 하나 이상의 통합된 코일(integrated coil),
    상기 냉각 모듈에 들어가고 나오는 공기의 흐름을 조절하는 데에 적합한 하나 이상의 통합된 댐퍼(integrated damper), 및
    상기 통합된 댐퍼들의 동작을 제어하도록 작동하는 제어 유닛
    을 더 포함하는 서버 냉각 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 대기를 냉각하기 위해 상기 통합된 코일들의 내부에서 액체가 이용되는 서버 냉각 디바이스.
  7. 제5항에 있어서, 상기 통합된 댐퍼들은 온도 제어 유닛에 의해 제어되는 서버 냉각 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 서버 랙 포트는 하나 이상의 서버가 배치되는 하나 이상의 랙을 포함하는 서버 냉각 디바이스.
  9. 서버 냉각 룸(server cooling room)으로서,
    상기 서버 냉각 룸의 내부 공기와 외부 공기가 교환되는 하나 이상의 개구부(opening),
    하나 이상의 서버가 배치되는 하나 이상의 서버 랙,
    상기 하나 이상의 서버 랙에 부착되고 하나 이상의 공기 흡기구(air intake)에 부착된 하나 이상의 냉각 디바이스
    를 포함하며, 각각의 냉각 디바이스는,
    하나 이상의 서버 랙과 인터페이스하도록 구성되는 적어도 하나의 서버 랙 포트를 포함하고, 내부 공간을 정의하는 인클로져, 및
    상기 인클로져에 의해 정의된 상기 내부 공간에 상기 인클로져의 상단 표면으로부터 냉각 공기를 공급하도록 작동하는 냉각 모듈을 포함하고,
    상기 냉각 모듈은 상기 내부 공간에 공급되는 공기를 냉각하도록 동작하는 냉각 유닛을 포함하는 서버 냉각 룸.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서버 랙 포트는 상기 하나 이상의 서버 랙의 전면부가 상기 내부 공간과 교차하도록 상기 하나 이상의 서버 랙과 인터페이스하도록 구성되는 서버 냉각 룸.
  11. 제9항에 있어서, 상기 공기 흡기구들은 온도 제어 유닛에 응답하는 적어도 하나의 댐퍼를 포함하는 서버 냉각 룸.
  12. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 서버 각각은 상기 냉각 디바이스로부터 냉각 공기를 빨아들이도록 작동하는 하나 이상의 냉각 팬(cooling fan)을 포함하는 서버 냉각 룸.
  13. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서버 랙 포트는 서버 랙의 바깥 둘레와 실질적으로 같은 모양이 되도록 구성되는 서버 냉각 룸.
  14. 제13항에 있어서, 상기 서버 랙들과 상기 서버 랙 포트들 사이의 부착은 실질적으로 밀봉되는 서버 냉각 룸.
  15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서버 랙 포트는 대응하는 서버 랙 포트 내에 서버 랙을 실질적으로 밀봉하도록 구성되는 개스킷을 포함하는 서버 냉각 룸.
  16. 제9항에 있어서, 상기 냉각 모듈은,
    상기 냉각 모듈 내의 대기를 냉각하는 데에 적합한 하나 이상의 통합된 코일,
    상기 냉각 모듈에 들어가고 나오는 공기의 흐름을 조절하는 데에 적합한 하나 이상의 통합된 댐퍼,
    상기 통합된 댐퍼들의 동작을 제어하도록 작동하는 제어 유닛
    을 더 포함하는 서버 냉각 룸.
  17. 제16항에 있어서, 대기를 냉각하기 위해 상기 통합된 코일들의 내부에서 액체가 이용되는 서버 냉각 룸.
  18. 제16항에 있어서, 상기 통합된 댐퍼들은 온도 제어 유닛에 의해 제어되는 서버 냉각 룸.
  19. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 공기 흡기구 각각은 복수의 상기 냉각 디바이스들에 연결되는 서버 냉각 룸.
  20. 서버를 냉각하는 방법으로서,
    적어도 하나의 서버 랙의 전면부에 의해 정의되는 적어도 하나의 측면 부분(lateral portion)을 갖는 내부 공간을 실질적으로 캡슐화하는(encapsulating) 단계 ? 상기 적어도 하나의 서버 랙은 그곳에 마운트된 하나 이상의 서버를 포함함 ?, 및
    상기 정의된 공간의 상단 표면에서 냉각 공기원(cooling air source)으로부터 냉각된 공기를 도입하는 단계 ? 상기 서버 랙에 마운트된 상기 하나 이상의 서버는 상기 내부 공간으로부터 상기 냉각 공기원으로부터의 상기 냉각된 공기를 빨아들이도록 작동하는 냉각 팬을 포함함 ?
    를 포함하는 서버를 냉각하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 서버 랙은 상기 정의된 공간에 부착되는 서버를 냉각하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 서버 랙과 상기 정의된 공간 사이의 부착은 실질적으로 밀봉되는 서버를 냉각하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 부착을 실질적으로 밀봉하기 위해 하나 이상의 개스킷이 이용되는 서버를 냉각하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 상기 냉각 공기원은,
    냉각 모듈 내의 대기를 냉각하는 데에 적합한 하나 이상의 통합된 코일,
    상기 냉각 모듈에 들어가고 나오는 공기의 흐름을 조절하는 데에 적합한 하나 이상의 통합된 댐퍼,
    상기 통합된 댐퍼들을 제어하기 위한 수단
    을 더 포함하는 서버를 냉각하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 대기를 냉각하기 위해 상기 통합된 코일들의 내부에서 액 체가 이용되는 서버를 냉각하는 방법.
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