KR20210061622A

KR20210061622A - 데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절을 위한 루버 모듈

Info

Publication number: KR20210061622A
Application number: KR1020190149396A
Authority: KR
Inventors: 장현재; 임석영
Original assignee: 홍익대학교세종캠퍼스산학협력단
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-28

Abstract

데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절을 위한 루버 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 데이터센터에 마련된 서버 랙에 설치되는 루버 모듈을 포함하되, 상기 루버 모듈에는 프레임 내에 각도 조절 가능한 복수 개의 루버가 설치되어 있고, 상기 복수 개의 루버 사이의 공간을 통해 상기 서버 랙 내의 공기가 상기 서버 랙의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절용 루버가 제공된다.

Description

데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절을 위한 루버 모듈{Louver for adjusting the air discharge angle of server rack in a data center}

본 발명은 데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절을 위한 루버 모듈에 관한 것이다.

도 1은 데이터센터의 서버룸 공조 방식 및 배치를 나타낸 도면이다.

데이터센터의 서버룸 내부에는 도 1에 도시된 것과 같이 다수의 서버가 적층된 랙(rack)이 다량으로 배치되어 있으며, 랙의 배치에 따라 콜드 아일(cold aisle)과 핫 아일(hot aisle)로 구획된다. 콜드 아일의 바닥면에 설치된 다공성 타일(perforated tile)에서는 서버컴퓨터를 냉각시키기 위한 저온의 공기가 급기되며, 이는 콜드 아일 양측에 배치된 랙의 전면부를 통해 서버로 유입된다. 서버를 냉각시킨 후 온도가 상승된 공기는 랙 후면부에 위치한 핫 아일로 배출되며, 상부에 위치한 천장 환기구를 통해 환기된다.

하지만, 서버룸 내부에 효율적인 기류제어가 이루어지지 않을 경우, 랙의 후면부에서 배출된 고온의 공기 중 일부가 핫 아일 상부의 환기구를 통해 환기되지 못하고 콜드 아일로 유입되는 재순환 문제가 발생한다. 재순환된 고온의 공기는 콜드 아일에 위치한 랙의 전면부로 유입되어, 특정 위치의 서버컴퓨터로 유입되는 공기의 온도를 상승시키는 핫 스팟(hot spot)을 발생시킨다. 이러한 핫 스팟은 서버컴퓨터의 데이터 처리속도 및 수명 단축을 야기하며, 서버 유입공기의 허용온도 조건을 만족하기 위한 냉방설비의 과냉각 문제 등을 초래한다.

한국등록특허 제10-1418779호 (등록일 2014년 7월 7일) - 집중공조 서버룸

본 발명은 패시브적인 방법을 통해 데이터센터 내부의 기류분포를 개선함으로써 서버 랙(server rack)의 냉각공기 유입구에서 발생하는 핫 스팟을 완화시킴으로써 이를 통해 서버 컴퓨터의 데이터 처리속도를 향상시키고 그 수명을 연장시킬 수 있으며, 데이터센터의 냉방효율 증가에 의한 막대한 데이터센터의 냉방에너지를 절감할 수 있는 데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절을 위한 루버 모듈을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 데이터센터에 마련된 서버 랙에 설치되는 루버 모듈을 포함하되, 상기 루버 모듈에는 프레임 내에 각도 조절 가능한 복수 개의 루버가 설치되어 있고, 상기 복수 개의 루버 사이의 공간을 통해 상기 서버 랙 내의 공기가 상기 서버 랙의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절용 루버 모듈이 제공된다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 패시브적인 방법을 통해 데이터센터 내부의 기류분포를 개선함으로써 서버 랙의 냉각공기 유입구에서 발생하는 핫 스팟을 완화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 이를 통해 서버 컴퓨터의 데이터 처리속도를 향상시키고 그 수명을 연장시킬 수 있으며, 데이터센터의 냉방효율 증가에 의한 막대한 데이터센터의 냉방에너지를 절감할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 데이터센터의 서버룸 공조 방식 및 배치를 나타낸 도면,
도 2는 데이터센터 CFD 해석 대상 서버룸을 나타낸 도면,
도 3은 해석 대상 데이터센터의 CFD 시뮬레이션 결과 테이블,
도 4는 환기효율 지표인 SVE5 분포도,
도 5는 'SVE 5 > 0.1' 서버 배출구에 대한 SVE 4 분포 및 스트림 라인,
도 6은 랙 배출기류 각도 조절에 따른 기류 및 온도분포를 나타낸 CFD 시뮬레이션 결과 테이블,
도 7은 랙 배출기류 각도 조절용 루버 모듈 개념도,
도 8은 랙 배출기류 각도 조절용 루버 모듈의 측면도, 정면도, 투시도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 데이터센터 CFD 해석 대상 서버룸을 나타낸 도면이고, 도 3은 해석 대상 데이터센터의 CFD 시뮬레이션 결과 테이블이며, 도 4는 환기효율 지표인 SVE5 분포도이고, 도 5는 'SVE 5 > 0.1' 서버 배출구에 대한 SVE 4 분포 및 스트림 라인이며, 도 6은 랙 배출기류 각도 조절에 따른 기류 및 온도분포를 나타낸 CFD 시뮬레이션 결과 테이블이고, 도 7은 랙 배출기류 각도 조절용 루버 모듈 개념도이며, 도 8은 랙 배출기류 각도 조절용 루버 모듈의 측면도, 정면도, 투시도이다.

도면에 기재된 수치는 예시적인 것으로, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

핫 스팟의 발생을 야기하는 재순환 기류의 원인을 분석하기 위해, 기존의 공기배출 방식(서버 컴퓨터의 배출공기를 핫 아일에 수평으로 배출)이 적용된 도 2의 데이터센터를 대상으로 CFD (computational fluid dynamic) 시뮬레이션을 수행해 보기로 한다.

도 3은 CFD 시뮬레이션의 기류 및 온도분포 결과를 나타낸다. 핫 아일로 배출된 고온 공기의 일부는 서버 룸 양단과 중앙의 빈 공간에서 와류를 형성한 후(도 3의 a)의 ①), 콜드 아일의 차가운 취출기류에 의해 유인되어 상부로 재순환된다(도 3의 b)의 ②). 상대적으로 고온의 재순환 공기는 배열된 서버 랙의 양측면 상부에 핫 스팟을 발생시킨다(도 3의 e)).

본 발명에서는 이러한 핫 스팟을 발생시키는 재순환기류의 경로를 파악하고 이를 개선할 수 있는 방안을 찾기 위해 환기효율 지표인 "SVE 4 (Scale of ventilation effectiveness 4)"와 "SVE 5"를 사용하기로 한다. 다음은 SVE 4와 SVE 5의 정의와 그 적용 방법을 나타낸다.

- SVE 4 (Scale of ventilation effectiveness 4)

SVE 4는 급기구(서버의 배출구)의 세력범위를 나타내는 환기효율 지표로써, 급기구를 통해 급기된 공기가 실내 각 지점에 미치는 영향도를 파악할 수 있다. 일반적으로, 급기구에서 오염물질이 주입된 후, 실내의 각 지점으로 확산된 오염물질의 농도(Cp)를 측정한 값을 급기구의 오염물질 농도(Cs)로 무차원화 함으로써 얻을 수 있으며, (수학식. 1)과 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 오염물질이 주입된 급기구와 인접한 영역에서 가장 높은 값을 나타낸다.

(수학식. 1)

- SVE 5 (Scale of ventilation effectiveness 5)

SVE 5는 실내에 두 개 이상의 배기구가 존재할 때, 대상으로 하는 배기구가 실내 임의의 한 지점에 미치는 영향도를 평가하는 지표이다. 실내 임의의 한 지점에서 오염물질을 발생시킨 후, 대상 배기구에서 측정한 오염물질의 농도를 임의의 지점에서 발생시킨 오염물질의 농도로 무차원화 함으로써 얻을 수 있지만, 실내 다수의 지점을 대상으로 SVE 5를 평가하기에는 한계가 있기 때문에, CFD 시뮬레이션의 해석 결과를 바탕으로 reversed flow field method를 적용하여 계산한다 reversed flow field method는 해석이 완료된 CFD 시뮬레이션의 기류 벡터를 역방향으로 전환하는 방법이다. Reversed flow field가 적용된 상태에서, 대상 배기구에서 오염물질을 주입한 후, 실내 임의의 지점에 대한 오염물질 농도를 측정한다. SVE 5는 (수학식. 2)와 같이 실내 각 지점에서 측정된 오염물질 농도(Cp)를 배기구의 오염물질 농도(Ce)로 무차원화 함으로써 나타내며, 대상 배기구와 인접한 영역일수록 해당 배기구를 통해 대부분의 기류가 빠져나가기 때문에 높은 값을 나타낸다.

(수학식. 2)

먼저, 본 발명에서는 재순환기류의 원인이 되는 서버의 위치를 특정하기 위해, 도 3의 e)의 서버 인입구 온도분포상에서, 핫 스팟이 발생한 서버를 총 네 개의 영역으로 분리하였으며(a - d 영역), 각 영역에 대해 차례로 SVE 5 해석을 수행하였다.

도 4의 a)는 도 3의 e)의 a영역에서 온도가 주입되었을 때, 실내로 온도가 확산되는 경로 및 도달 서버를 나타낸다. 온도가 주입된 서버 흡입구에서는 'SVE 5=1'의 값을 나타낸다 (도 4의 (a)의 ①). 서버 흡입구의 전면에서는 퍼포레이티드 타일을 향해 높은 SVE 5분포를 나타내는데 (도 4의 (a)의 ②), 이는 해당 서버로 유입되는 기류의 상당부분이 퍼포레이티드 타일로부터 도달했기 때문이다. 이외의 온도는 서버룸 측면 하부로 확산되며, 핫 아일로 도달한 후 랙 측면 하부에 위치한 서버로 유입되어 해당 위치의 배출구에서 최대 0.6의 SVE 5 값을 나타낸다(도 4의 (a)의 ③). 즉, 도 3의 e)의 a영역에서 발생하는 핫 스팟은 랙의 측면 하부에 위치한 서버의 배출구에서 배출된 고온의 공기로 인해 발생한다.

도 4의 (b)는 도 3의 e)의 b영역에서 온도가 주입되었을 때의 SVE 5 해석 결과를 나타낸다. 서버의 흡입구 및 전면부에서는 a영역에 대한 SVE 5 해석 결과와 마찬가지로 높은 분포를 나타내며, 랙 사이 공간을 통해 핫 아일로 확산된 온도는 양측에 위치한 랙의 하부로 유입된다(도 4의 (b)의 ①). 이로 인해 핫 스팟이 발생한 랙의 후면 하부에 위치한 서버는 최대 0.6의 SVE 5값을 나타낸다. 도 3의 e)의 c와 d영역에 대한 실내 SVE 5 분포는 b와 a의 분포와 대칭의 형태를 나타낸다.

SVE 5를 통해서 핫 스팟의 원인이 되는 서버의 배출구를 특정하였으며(도 4 참조), 해당 서버 배출구 중, 'SVE 5 > 0.1' 인 서버를 대상으로 SVE 4를 해석하여 재순환기류의 확산 경로를 파악하고자 한다. 대상 서버 전체에 대해 SVE 4 해석 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5의 a)의 SVE 4 분포는 핫 아일 하부측에서 높은 값을 나타내며, 랙 양측 및 사이의 하부 공간을 통해 콜드 아일로 유입된다. 콜드 아일로 유입된 온도는 도 5의 b)의 스트림라인에 나타난 바와 같이 랙의 측면 및 측면 상부에 위치한 서버로 유입되며, 일부는 랙 상부를 통해 핫 아일 상부에 위치한 천장 환기구로 환기된다.

SVE 4와 SVE 5를 통해 검토한 결과, 랙의 측면 하부에 위치한 서버에서 배출되는 고온의 공기가 서버룸 측면의 빈 공간으로 확산된 후, 콜드 아일로 유입되어 핫 스팟을 발생시킨다. 본 발명에서는 이와 같이 측면으로 확산되는 고온의 공기를 최소화하기 위해 서버에서 취출되는 기류의 각도를 상향으로 조절하였다.

SVE 4와 SVE 5 해석 결과와 같이, 랙의 측면 하부에 위치한 서버로부터 뒤쪽 수평방향으로 배출된 배출기류가 서버룸 측면에서 와류를 형성하며 콜드 아일로 유인되어 재순환 된다. 본 발명에서는 이러한 서버 룸의 양측면으로 유입되는 기류를 최소화하기 위해 서버 랙 후면부의 배출기류 각도를 상향으로 조절함으로써, 서버에서 배출되는 고온 공기가 상부로 이동하도록 유도하였다.

도 6은 서버 배출기류의 각도를 상향 15˚ 간격으로 변화시키면서 해석한 기류 및 온도분포 결과를 나타낸다. 배출기류의 각도가 기존의 수평방향인 경우(0˚), 랙 후면부에서 배출된 고온의 공기는 맞은편 랙에서 배출된 공기와 충돌 후 핫 아일 중앙에서 방사형으로 확산된다. 이 중, 좌우 수평방향으로 확산된 고온의 기류는 SVE 4와 SVE 5의 해석을 통해 확인한 바와 같이 콜드 아일로 재순환되어 배열된 서버 랙의 양측면 상부에 핫 스팟을 발생시킨다. 반면에, 서버의 배출각도가 15˚에서 60˚로 점차 증가하는 경우, 핫 아일 중앙 단면상에서, 수평방향으로 확산되는 기류의 양이 점차 감소하며, 이는 콜드 아일로 재순환되는 더운 공기를 줄임으로써, 콜드 아일의 온도분포에서 발생하는 서버 랙 양측면의 핫 스팟을 완화시켰다. 본 케이스의 경우 배출각도가 60˚일 때, 가장 개선된 기류 및 온도분포를 나타내며, 배출각도가 75˚인 경우는 랙 상부를 통한 재순환이 발생하여 고온의 온도분포를 나타내는 영역이 콜드 아일 중앙 하부까지 확산되었다.

이를 통해, 서버의 배출공기의 각도를 적절히 상향 조절할 수 있는 루버 모듈을 설치함으로써 재순환 기류를 줄이고, 기존의 서버 랙 배열에서 나타나는 양측면 상부의 핫 스팟을 완화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

도 7 및 도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 랙 배출기류 각도 조절용 루버 모듈(100)이 도시되어 있다. 도 8의 (a)에는 서버 랙(10)의 측면도가, (b)에는 서버 랙(10)의 정면도가, (c)는 서버 랙(10) 및 이에 설치되는 랙 배출기류 각도 조절용 루버 모듈(100)이 도시되어 있다. 서버 컴퓨터에서 배출되는 더운 공기를 서버 랙(10)의 후면부에 설치한 루버 모듈(100)을 통해 상향 배출함으로써 재순환 기류에 의한 콜드 아일의 핫스팟을 줄일 수 있고, 이로 인해 서버 컴퓨터의 데이터 처리속도 향상과 수명연장, 그리고 데이터센터 냉방시스템의 효율증대를 통한 냉방에너지 절감효과를 얻을 수 있다.

기존에 데이터센터에서 사용하는 서버 랙은 전면부와 후면부가 타공되어 있다. 따라서 전면부의 타공판을 통해 콜드 아일의 냉각공기가 서버로 유입되고, 서버에서 배출되는 더운 공기는 핫 아일에 수평방향으로 배출된다. 본 실시예에 따른 루버 모듈(100)은 서버 랙(10)의 후면부를 타공판이 아닌 상향의 루버로 제작하거나, 기존의 후면부 타공판에 상향 루버를 덧 씌우는 방식으로 제작할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 서버 랙
100: 루버 모듈

Claims

데이터센터에 마련된 서버 랙에 설치되는 루버 모듈을 포함하되,
상기 루버 모듈에는 프레임 내에 각도 조절 가능한 복수 개의 루버가 설치되어 있고,
상기 복수 개의 루버 사이의 공간을 통해 상기 서버 랙 내의 공기가 상기 서버 랙의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 데이터센터용 서버 랙의 배출기류 각도 조절용 루버 모듈.