KR20230136844A

KR20230136844A - 절연 냉각수 직분사를 통한 데이터 센터의 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20230136844A
Application number: KR1020220034372A
Authority: KR
Inventors: 이주예
Original assignee: 이주예
Priority date: 2022-03-20
Filing date: 2022-03-20
Publication date: 2023-09-27

Abstract

본 출원은 IDC(Internet Data Center, 데이터 센터) Rack의 발열을 냉각시키는데 사용되는 전력 사용량을 절감하기 위하여 IDC Rack에 절연 성질을 가지는 냉각수를 직접 분사하여 절연 냉각수와 냉각 대상이 직접 열교환(전도 및 대류)하여 냉각 성능을 높이기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

절연 냉각수 직분사를 통한 데이터 센터의 냉각 시스템 {Cooling System in Internet Data Center through direct spray of insulated coolant}

본 출원은 IDC(Internet Data Center, 데이터 센터)의 온도조절장치 및 온도조절방법에 관한 것으로서, IDC Rack의 발열을 냉각시키는데 사용되는 전력사용량을 절감하기 위하여 IDC Rack에 절연 성질을 가지는 냉각수(이하 "절연 냉각수"라고 한다)를 직접 분사하여 냉각수와 냉각 대상이 직접 열교환(전도 및 대류) 함으로써 냉각 성능을 높이는 방법에 관한 것이다.

종래에는 IDC(Internet Data Center, 데이터 센터) 등에서 사용되는 에너지 비용에 관한 관심이 그리 크지 않았으나, 점점 데이터 센터에서 소모하는 소비 전력량이 증가하고 있으며 이로 인하여 높은 전기 요금이 발생함에 따라 많은 IDC에서 에너지 소비를 최적화하기 위한 다양한 설계가 이루어지고 있다.

현재 IDC의 소비 전력에서 냉각시스템이 차지하는 비중은 약 30% 이상을 차지하고 있다. 그러나 Cloud 요구량이 증가함에 따라 향후 IDC는 점점 대형화되고 고밀도 Rack이 사용될 것이다. 따라서 단위 면적당 Rack에서 방출하는 열량이 증가하므로 이를 효과적으로 냉각시키면서 에너지를 절감할 수 있는 냉각시스템이 설계되어야 한다.

없음.

본 발명은 절연 냉각수를 Rack 상부 또는 한쪽 면에서 발열체에 직접 분사 또는 분무(이하 "직접 분사'라 한다)하여 냉각시키고 이를 Rack의 하부에서 수집한 후 액펌프를 사용하여 순환시켜 실외 열교환기를 통하여 냉각시키는 시스템으로서 절연 냉각수와 발열체의 전도에 의한 열전달 효과를 증가시켜 냉각시스템의 효율을 증가시킴으로써 IDC Rack을 냉각시키는데 사용되는 에너지량을 줄이는 것을 그 목적으로 한다.

현재 IDC에 많이 사용되는 CRAH(Computer Room Air Handler) 구조는 IDC를 냉각시키기 위해 다수의 IDC Rack이 설치된 공간 전체 또는 일부 구간을 격벽으로 나누어 차가운 공기를 IDC Rack에 순환시키고 가열된 공기를 회수하여 실외 열교환기를 통해 냉각시켜 다시 주입하는 구조로 되어 있다.

그러나 공기는 열전달 효율이 낮고 대류에 의한 열전달은 전도에 의한 열교환보다 성능이 떨어진다. 차가운 공기를 송풍하고 뜨거운 공기를 회수할 때도 공기의 비압축성으로 인하여 송풍기의 용량이 커져야 하므로 냉각수를 직접 순환시키는 액펌프보다 소모되는 에너지도 증가한다.

본 발명은 도 1과 같이 절연 냉각수를 IDC Rack의 내부에 직접 분사시켜 Rack 내부의 발열체인 Board를 냉각시키고 뜨거워진 절연 냉각수는 Rack의 하부에서 모아 외부 열교환기를 통해 냉각시킨 후 다시 Rack에 공급하는 시스템으로서 직접 분사된 절연 냉각수가 발열체인 Board와 접촉하게 함으로써 열교환 성능을 높여 전체 IDC의 냉각시스템에 소비되는 에너지량을 줄이기 위한 시스템이다.

IDC Rack 내부에 설치되는 Board를 식히기 위하여 분사되는 절연 냉각수는 도 2와 같이 상부가 아닌 Rack 내부의 한 면(전/후면 또는 측면)을 사용하여 분사할 수도 있다.

분사되는 액체의 순환으로 Rack 내부의 작은 물방울 형태의 절연 냉각수를 Rack 내부에 순환시키며 열교환이 더 잘 이루어지게 하기 위하여 도 3 및 도 4와 같이 Rack 내부에 추가로 팬을 설치하여 작은 물방울이 Rack 내부를 순환하게 함으로써 냉각 성능을 높일 수 있다.

이러한 발명 실시예는 다수개의 열로 구성된 IDC Rack 배열을 복수개의 펌프를 사용하여 도 5와 같이 병렬로 구성하여 전체 Rack을 냉각시킬 수 있으며 이러한 배열의 확장에는 제한이 없고 냉각시스템의 순환 펌프와 열교환기의 추가적인 설치로 다수개의 Rack을 동시에 냉각시킬 수 있다.

본 발명은 발열체인 Board와 작은 수분 입자 간에 열교환이 직접 이루어지도록 함으로써 공기를 이용한 간접 냉각 방식의 저효율성을 개선할 수 있다. 작은 물방울인 매질이 직접 Board와 접촉하여 냉각시킴으로써 열교환 성능을 최대로 높이면서도 마찰이나 압력에 의한 손실이 적고 절연 특성이 유지되어 Board의 손상 위험이 없다.

기존의 절연 냉각수에 board를 담그고 절연 냉각수 전체를 순환시켜 냉각시키는 침수식의 경우 board와 절연 냉각수 간의 열교환을 시키기 위해 유체 속도를 일정 속도 이상으로 올려야 하는데 이때 가해지는 압력과 마찰로 인하여 Board가 손상될 위험이 있으며 수조에 많은 양의 절연 냉각수를 채우고 이를 순환시켜야 하므로 침수식에 사용되는 펌프의 소비 에너지가 본 발명에서 제안한 방식에 적용되는 펌프의 소비 에너지보다 크다. 또한, 수조에 많은 양의 절연 냉각수를 채워야 하는데, 이때 사용하는 절연 냉각수의 비용을 고려할 때 대용량의 IDC Rack에 적용할 경우 절연 냉각수 유지에 큰 비용이 필요하다. 또한, 수조에 담기는 절연 냉각수로 인하여 전체 하중이 증가하여 건물의 여러 층에 침수식 수조를 설치할 경우 건물 내부 하중의 증가로 다수개의 Rack을 동일 공간에 설치하기 위하여는 건물의 내력을 보강하여야 한다.

본 발명은 절연 냉각수 사용량이 적고 Rack 하부에 모이는 절연 냉각수 무게가 무겁지 않아 건물 내력 보강이 필요하지 않으므로 경제적이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예로서 절연 냉각수를 분사하는 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 냉각 성능을 높이기 위한 Rack 내부 Fan 설치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 다수개의 Rack으로 구성된 데이터 센터를 구성할 때 구성의 한 예이다.

본 발명은 실시예(도 1)과 같은 주요 구성요소로 구성된다. IDC Rack(01), 절연 냉각수를 순환시키기 위한 냉각 순환 펌프(Circulation Pump, 30), 발열체(Board, 20)에서 흡수한 열을 외부로 방출하기 위한 열교환기(Cooler 또는 Condenser, 40), Rack 내부에 차가운 절연 냉각수를 분사하기 위한 분사구(Spray, 10), 분사된 절연 냉각수(Coolant, 11)가 발열체를 식히고 Rack 하부로 떨어지는 절연 냉각수(14)를 수집하는 트레이 부분(Tray, 21), 뜨거워진 절연 냉각수를 회수하는 배관(31), 차가운 절연 냉각수를 공급하는 배관(41)으로 구성된다. 여기서 사용하는 절연 냉각수는 전기적으로 안정한 성질을 가지고 있어 일정 전압 이하에서는 전기를 통하지 않는 절연 특성이 있다. 따라서 절연 냉각수가 전기, 전자제품인 Board, 전원부 등에 닿아도 전기가 통하지 않고 전기, 전자제품에 손상을 주지 않는다.

이러한 절연 냉각수를 분사구(10)에서 분사하고, 이 분사되는 절연 냉각수(11)는 작은 물방울 형태로 board에 충격을 주지 않지만 직접 접촉하며 열을 흡수하고 아래로 내려가며 차례로 Board를 식히고 최하단 Tray(21)로 모인다. 전체 board를 절연 냉각수에 침수시키지 않고 작은 물방울 형태로 Rack 내부를 냉각시키므로 실제 사용되는 절연 냉각수의 양은 매우 적으며 Rack 내부 Tray에 보관되는 절연 냉각수의 양이 적어 건물의 하중에 무리를 주지 않는다.

도 2는 절연 냉각수 분사구(12)를 Rack의 한쪽 면에 설치하여 사용하는 것으로서 도 1과 같이 상부에서 분사했을 때 Board 1부터 Board N까지 내려가면서 절연 냉각수 온도가 상승하는 것을 보상하기 위하여 한쪽 면에서 일정하게 분사하면 Board 1~N을 균일하게 냉각시킬 수 있는 장점이 있다. 도 2에서와 같이 한쪽 면에 절연 냉각수 분사구(Spray, 12)가 설치된 Rack(02)은 분사구(12)에서 미세하게 뿌려진 절연 냉각수가 Board를 따라 흐르게 된다. 이때 작은 물방울 크기의 절연 냉각수(13)이 Board의 한쪽 면을 냉각시키며 반대편까지 도달 후 가열된 냉각수(14)가 Rack의 하단부(21)에 모이게 되고 이를 회수하기 위한 순환 펌프(30), 절연 냉각수를 식히기 위한 열교환기(40), 회수하는 배관(31), 차가운 절연 냉각수를 공급하는 배관(41)으로 냉각시스템이 구성된다.

도 1, 도 2에서 절연 냉각수를 분사하여 IDC Rack 내부의 Board를 냉각시키는 실시예는 도 3 및 도 4와 같이 Rack 내부의 작은 물방울 형태의 절연 냉각수에 일정한 흐름을 만들어주면 Rack 내부 Board 1~N의 온도 편차를 줄여줌으로써 보다 안정적으로 IDC를 운전할 수 있다.

도 3은 Rack의 한쪽 면에 다수개의 팬(Fan, 50)을 설치하여 내부 공기가 순환하여 잘 섞이도록 만들어 주는 공기 흐름(51)을 생성한다. 이러한 공기 흐름에 의하여 작은 물방울 형태의 절연 냉각수(15)가 Rack 내부의 Board를 균일하게 냉각시킨 후 일정 크기 이상이 된 절연 냉각수(22)는 Board로부터 열을 흡수하고 Rack의 하단부(Tray, 21)에 모인다.

도 4는 Rack의 상부에 도 3과 유사하게 팬(Fan, 50)을 설치하여 공기 흐름(51)을 생성하여 분사된 차가운 작은 물방울들이 Board를 균일하게 냉각시킨 후 일정 크기 이상이 된 절연 냉각수(22)는 Board로부터 열을 흡수하고 Rack의 하단부(Tray, 21)에 모인다.

도 5는 다수개의 Rack이 A1, A2, A3~An과 같이 배열된 A열(101), 다수개의 Rack이 B1, B2, B3~Bn과 같이 배열된 B열(201)과 같이 다수개의 배열을 결합하여 구성도 가능하다. 이를 냉각시키기 위한 시스템으로 도 1 ~ 도 4에서와 같이 Rack에서 절연 냉각수를 회수하고 절연 냉각수를 분사하기 위한 순환펌프(300)가 있고 HEX-1, HEX-2 ~ HEX-N과 같이 다수개의 열교환기(400)는 열을 방출하고 다시 차가운 절연 냉각수를 IDC Rack에 공급함으로써 다수 개로 구성된 IDC Rack을 균일하게 냉각시킬 수 있다.

본 출원에서 설명한 발명을 실행하기 위한 예는 본 출원의 모든 특징을 설명한 것은 아니며 본 출원의 다양한 특징과 효과는 청구항에 의해 구체적으로 지시되며, 청구항과 유사한 활용예 등은 모두 본 출원이 우선한다.

01 : 상부에 절연 냉각수 분사구(Spray)가 위치한 Rack
02 : Rack 한쪽 면에 절연 냉각수 분사구(Spray)가 위치한 Rack
10 : Rack의 상부에 위치한 절연 냉각수 분사구(Spray)
11 : Rack 상부에 위치한 분사구에서 토출된 작은 물방울 크기 절연 냉각수
12 : Rack 한쪽 면에 위치한 절연 냉각수 분사구(Spray)
13 : Rack 한쪽 면(전면, 후면, 좌측면, 우측면)의 분사구에서 토출된 작은 물방울 크기 절연 냉각수
14 : Board 냉각 후 뜨거워진 절연 냉각수
15 : 분사된 작은 물방울 크기 절연 냉각수
20 : Rack 내부 발열체 Board
21 : Rack 하단부(Tray)
22 : 가열된 절연 냉각수
30 : 냉각수 순환 펌프
31 : 냉각수 회수 라인
40 : 열교환기 (Cooler, Condenser 등)
41 : 냉각수 공급 라인
50 : 팬
51 : Rack 내부 공기 흐름
101 : 판넬 배열
201 : 판넬 배열
300 : 냉각수 순환 펌프 조합
400 ; 열교환기 조합 (Cooler, Condenser 등)

Claims

IDC Rack 냉각시스템에 있어서,
절연 성질을 갖는 냉각수를 Rack 내부의 한 방향 이상에서 분사하여 IDC Rack 내부 공간에 배치되는 적어도 하나 이상의 발열 전자 부품에 절연 성질의 냉각수를 작은 물방울 형태로 접촉하게 하여 Rack 내부를 냉각시키는 냉각시스템.
청구항 1에 있어서,
절연 성질을 갖는 냉각수를 Rack 내부의 한 방향 이상(상부, 좌측, 우측, 전면, 후면)에서 분사하기 위한 분사구(Spray); 직접 분사된 절연 냉각수가 발열 전자 부품과 열교환 후 전자 부품에서 열을 흡수한 절연 냉각수를 회수하기 위한 Rack 하단부(Tray), 이를 순환 펌프까지 연결하여 회수하는 라인 및 순환 펌프를 통해 절연 냉각수를 순환시켜 실외 열교환기에서 절연 냉각수가 전자 부품에서 흡수한 열을 외부로 방출하고 다시 차가워진 절연 냉각수;를 Rack 으로 공급하는 라인으로 구성된 냉각시스템.
밀폐된 IDC Rack 내부에 분사된 절연 냉각수, 작은 물방울 크기의 절연 냉각수가 전자 부품과 직접 접촉하고 열을 균일하게 흡수하도록 Rack 내부에 설치된 팬, 이 팬을 구동시켜 강제 기류를 생성, 생성된 기류에 의하여 밀폐된 Rack 내부에서 작은 부피의 절연 냉각수가 순환하며 발열 전자제품과 열교환이 원활하게 이루어지도록 순환 기류를 형성하는 냉각시스템.