NO334412B1 - System for passiv dataromskjøling - Google Patents

Abstract

Anordning for i det minste i overveiende grad passiv kjøling av elektronisk utstyr som avgir varme og har behov for kjøling. Den omfatter en tilførselskanal (A) for kaldt tilluft og en utslippskanal (9) for utluft som er blitt oppvarmet av det elektroniske utstyret. Utslippskanalen (9) er anordnet over tilførselskanalen (A) og sirkulasjonen besørges i alt vesentlig av skorsteinseffekten. Anordningen omfatter også en luftfuktingsinnretning (5) for å øke den relative fuktigheten på tilluften.

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en anordning og fremgangsmåte for passiv kjøling av elektronisk utstyr som avgir varme og som har behov for kjøling, slik som for eksempel datamaskiner og tilknyttet utstyr plassert i et rack. Spesielt vedrører oppfinnelsen et system for kjøling av elektronisk utstyr som avgir varme og har behov for kjøling, omfattende en tilførselskanal for kaldt tilluft til det elektroniske utstyrets innsugsside og en utslippskanal fra det elektroniske utstyrets utslippsside, for uttransportering av utluft som er blitt oppvarmet av det elektroniske utstyret, idet utslippskanalen omfatter et regulerbart stengeelement og er anordnet over tilførselskanalen og at sirkulasjonen, bortsett fra eventuelle vifter anordnet internt i det elektroniske utstyret, besørges av at oppvarmet luft ekspanderer og skaper et overtrykk ved det elektroniske utstyrets utslippsside.

Elektronisk utstyr, som for eksempel datamaskiner genererer betydelige mengder varme når dette er i bruk. Dersom ikke denne varmen transporteres bort, kan det føre til at utstyret overopphetes og ødelegges og i verste fall kan det føre til brann. I store sammenstillinger av datamaskinutstyr blir det et problem å få bort denne varmen. Utstyret anordnes derfor ofte i et rom med kjøleaggregat. Det lages da et helt lukket og lufttett miljø og det brukes aktive komponenter for å fjerne varmen datautstyret genererer fra rommet med luftkondisjonering, varmepumper eller nedkjølt vann. Alle disse løsningene, som i stor grad er lite energieffektive, krever tilført energi, og en slik tradisjonell dataromskjøling bruker ofte like mye energi som eller mer enn selve datautstyret bruker.

Fra US 2002/0108386 er det kjent et datakjølesystem der kald luft føres inn på datautstyrets ene side og ut på den andre. Den oppvarmede luften føres så gjennom en kjøler og tilbake til datautstyret. Dette systemet er svært energikrevende.

Fra US 2008/0185446 er det kjent et system for kjøling av datautstyr der kald luft tilføres fra eksternt prosessutstyr. Luften føres gjennom datautstyret og ut igjen over dette. Det er mulig å resirkulere en del av den varme luften, men dette skjer utenfor datahallen og krever bruk av minst én vifte i tillegg til viftene i selve datautstyret.

Systemet ifølge den foreliggende oppfinnelsen skal i svært liten grad eller ikke benytte ekstern energi for selve kjølingen. I stedet benyttes det et utgangpunkt med kjølig klima og termodynamiske effekter for å oppnå optimal driftstemperatur for datamaskinene.

Den foreliggende oppfinnelsen tar derfor sikte på en praktisk talt fullstendig passiv kjøling uten tilførsel av energi. Ved større installasjoner kan også varmen systemet produserer både gjenbrukes som varme og man kan ta energi ut av luftstrømmene og regenerere elektrisitet.

Systemet ifølge oppfinnelsen er spesielt egnet for passiv dataromskjøling og representer en ny og energieffektiv måte å bygge et produksjonsmiljø for datakraft på. Systemet produserer varm luft i store luftmasser og hurtig bevegelse i en kanal som kontrollert kan føres ut for gjenvinning. Dette representerer muligheter for aktivt gjenbruk av varmen, både gjennom å ta ut mekanisk energi og omforme den til elektrisitet, samt å bruke den varme luften til oppvarming av vann eller bruke den oppvarmede luften direkte til oppvarming av industribygg, husstander, drivhus og annet.

I en foretrukket utførelsesform benyttes kald tilluft, avtrekk, 4 forskjellige temperatur- og trykksoner samt en returkanal for automatisk temperaturjustering til å oppnå ønsket innluft på datarackene.

Oppfinnelsen er primært rettet mot en mekanisk installasjon i et rom for datakjøling. I en foretrukket utførelsesform består den av 2 hovedsoner, en kald og en varm sone delt med et gulv som datarackene står på. Hvert rack har et kammer på baksiden med et spjeld i toppen som kan reguleres automatisk, samt en kanal ut ved bunnen av racket som fører varmluft fra kammeret frem til forsiden av racket. Der slippes varmluften ut gjennom en vertikal slisse i et rør slik at varmluften fordeler seg jevnt i rackets høyde.

Primært er hensikten med oppfinnelsen å energieffektivisere kjøling av datarack i et miljø, der tilluften i utgangspunktet har lav nok temperatur til å kjøle datautstyret tilstrekkelig uten bruk av annet enn naturlig miljø.

I følge Gartner, som en verdensledende forskningsinstitusjon innenfor informasjonsteknologi representerte el-produksjon til datasentre i 2007 nesten 2% av alt C02-utslipp i verden

( http:// www. gartner. com/ it/ products/ consultinq/ special/ qreenlT. isp). Dette er mer utslipp av drivhusgasser enn samlet global flytrafikk. Det hevdes at ca. 5-10% av verdens energiforbruk går til drift av datasystemer og deres omkringliggende infrastruktur. Nøyaktige tall er vanskelig å finne da el-forbruk til mindre datasentre, bedrifters interne datasentre, nettverk og endeutstyr går på felleskostnader for bygg. Mesteparten av energien som brukes til disse systemene globalt produseres med kull, gass eller atomkraft. Det er bare Norge og noen få andre land som i stor grad baserer kraftproduksjonen på vannkraft eller andre fornybare energikilder. Dette gir en internasjonal mulighet for en ny industri basert på datadrift. Norge har sammen med enkelte andre land et kaldt klima, stabile geologiske og politisk forhold samt god tilgang på elektrisitet basert på fornybar energi. Energiregnestykket med å produsere data der kraften produseres, foredle denne og distribuere produktet via fiber er meget godt. Transportnettet alene kan fra turbin til datarom langt unna bety et krafttap på 7-15%. I Norge er gjennomsnittet 10%.

Det optimale er derfor å produsere data der kraften produseres og produsere den mest mulig effektivt, dvs å bruke minst mulig energi på kjøling av systemene. Denne oppfinnelsen tillater fullstendig passiv kjøling uten tilførsel av energi, og ved større installasjoner, kan også varmen systemet produseres både gjenbrukes som varme og man kan ta energi ut av luftstrømmene og regenerere elektrisitet. Beste PUE (Power Usage Effectiveness) i bransjen er pt 1.2. Den foreliggende oppfinnelse kan få den ned til 1.0 (og enda lavere ved gjenbruk om standarden hadde tatt høyde for dette).

For at oppfinnelsen skal fungere optimalt er det en fordel med rikelig tilgang på luft under 25 grader og en høy pipe hvor den brukte og oppvarmede luften kan stige. Oppfinnelsen er i utgangspunktet utviklet for et datarom som plasseres inne i et fjell med lav fast temperatur året rundt på 6-12°C og en høy sjakt hvor varmluft kan stige, men den kan også med fordel anvendes der det må foretas en begrenset nedkjøling av tilluften.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved at systemet har en returkanal for transport av en del av den varme luften, som er oppvarmet av det elektroniske utstyret, strekker fra det elektroniske utstyrets utslippsside, til det elektroniske utstyrets innsugsside, idet det regulerbare stengeelementet er innrettet til å slippe ut en del av den oppvarmede luften og at den delen av den oppvarmede luften som transporteres gjennom returkanalen blandes med kald tilluft ved det elektroniske utstyrets innsugsside.

Derved føres returluften den korteste veien mellom utslippssiden og innsugssiden og reduserer eller sågar fjerner behovet for aktive vifter. Anlegget blir også betydelig mer kompakt enn kjente løsninger. Prosessutstyr på utsiden av datahallen blir i praksis overflødig.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til medfølgende figurer, der: Figur 1 viser et eksempel på en anordning ifølge oppfinnelsen sett fra siden og

Figur 2 viser anordningen ifølge oppfinnelsen sett ovenfra.

Det vises først til figur 1.1 en foretrukket utførelse av oppfinnelsen etableres det et rom som deles horisontalt i to, der den nedre delen fungerer som en kald sone A. Romdelingen gjøres med et gulv 1 som datamaskinrackene 2, 3 skal stå på. Gulvet 1 kan gjerne monteres på en bærende konstruksjon av pilarer (ikke vist) og gulvet 1 bør være i en viss høyde over et grunnplan 4 slik at store volum tilluft kan forflyttes uten vesentlig motstand eller at det skapes nevneverdig overtrykk. Det kan gjerne benyttes en tunnelaktig hall (ikke vist) hvor innluft under gulvet 1 har gått en viss avstand inne fjellet og fått lav temperatur av omgivelsene, d.v.s. de omkringliggende fjellmassene.

Over grunnplanet 4 kan det tilveiebringes et regulert vannspeil 5 som bidrar til at luften i den kalde sonen A har passende luftfuktighet. Dette reguleres fortrinnsvis slik at innluft og mikset luft i systemet oppnår ca. 50% relativ luftfuktighet før luften blir sugd inn i datamaskinene av dennes interne vifter. Man har funnet at ca. 50% relativ luftfuktighet er optimal for det meste av elektronisk utstyr.

Over gulvet 1 monteres datarackene 2, 3 på linje i for eksempel 2 rekker, som vist, som har fronten rettet mot hverandre. Midt mellom disse rekkene har gulvet en åpen rist 6 (se også figur 2) ned mot den kalde sonen. Ved toppen av rekkene er det et tak 7 som strekker seg mellom rekkene 2, 3 og som avslutter den kalde sonen A oppad. Over dette taket 7 er den varme sonen D for utluft fra systemet. Varmluft stiger, og den øvre begrensingen 8 av den varme sonen D bør ha en domefasong, slik at varmluften kan stige uhindret opp til en åpning 9 for sjakten (ikke vist), hvor varmluften kan stige videre ut i friluft eller inn i et system som kan gjenvinne varmen og energien.

Ved hvert av datarackene 2, 3 er det anordnet en luftblandingsanordning 10, 11, som består av et kammer C, som tar imot varm luft som har vært ført gjennom dataracket 2, 3, en varmluftkanal 12, som er innrettet til å føre en del av den varme luften forbi dataracket 2, 3 til en diffusor 13. Diffusoren 13 består, som vist i figur 2, av et antall rør som strekker seg vertikal et stykke fra datarackenes 2, 3 front og har åpninger langs rørene for utslipp av varm luft. Luften som strømmer ut av diffusorene 13 strømmer inn i et rom B foran datarackenes 2, 3 front.

Under drift vil kald luft, som fortrinnsvis holder en temperatur på mellom 6 og 18°C strømme inn i den kalde sonen A. Her tilføres luften fuktighet fra vannspeilet 5, slik at den oppnår en relativ luftfuktighet på inntil 95%. Den fuktige og kalde luften strømmer så opp gjennom risten 6. Her tvinges den til å strømme sideveis mellom diffusorene 13 til rommet B. Luften blandes her med den varme luften som tilføres via diffusorene 13. Luften får da en temperatur på fortrinnsvis 27-32°C og den relative luftfuktigheten reduseres til ca. 50%.

Denne tempererte luften trekkes så gjennom datarackene 2, 3, av datamaskinenes innebygde vifter og strømmer ut i kammeret C. Luften er da blitt varmet opp til mellom 40 og 50°C og den relative luftfuktigheten er ytterligere redusert til 30%. Fra kammeret C vil en del av luften strømme ut i den varme sonen D og videre ut gjennom åpningen 9 til friluft eller varmegjenvinning. En del av luften føres ned i kanalen 12 til diffusoren 13 for ny blanding med den kalde og fuktige luften fra den kalde sonen D.

Blandingsforholdet mellom varm returluft fra kammeret C og kald luft fra den kalde sonen A reguleres i første rekke ved hjelp av et stengeelement som i denne utførelsesformen er et spjeld 14 i tilknytning til åpningen 9. Jo mindre luft som slippes ut gjennom åpningen 9, jo mer luft vil føres tilbake til diffusoren 13. Temperatursensorer i den kalde sonen A, blandingssonen B og varmluftskammeret C benyttes for å styre spjeldet 14.

Systemet er således et komplett termodynamisk system med 2 hovedsoner A og D og 4 forskjellige temperatur- og trykksoner A, B, C og D. Luft i hovedsystemet vil forflytte seg av på bakgrunn av hovedsakelig to forskjellige drivere;

1- datamaskinenes interne viftesystem som drar luft fra blandingssonen B til

varmluftsonen C.

2- Skorsteinseffekten i den varme sonen som får varmluften til å stige og dermed også medvirke til å trekke luft gjennom systemet.

Det er også mulig å regulere tilførselen av kald luft fra den kalde sonen A. Dette kan for eksempel gjøres ved hjelp av spjeld som kan stenge og åpne ved risten 6.

På vei gjennom datamaskinene varmes luften opp og ekspanderer. Viftene som er en konvensjonell del av datamaskinene forflytter den ekspanderte og varme luften inn i kammeret C. På toppen av dette kammeret C kan det være anordnet et variabelt spjeld eller annen gjennomstrømningsregulator som regulerer trykket i kammeret C slik at varmluft presses ned i kanalen 12 under racket 2, 3 og opp i diffusoren 13 foran racket 2, 3. Kanalen 12 under racket går opp gjennom gulvet, eventuelt gjennom risten 6, og avsluttes i en rørstubb/sokkel som diffusoren 13 kan tres på. Diffusoren 13 er fortrinnsvis et rør med en vertikal slisse som fordeler varmluften i hele høyden til racket 2, 3. Diffusoren 13 må lett kunne trekkes av sokkelen slik at man kan ta utstyr inn og ut av racket 2, 3.

Fra toppen av kammeret C strømmer regulert varmluft inn i sone D. Den varme luften stiger forbi spjeldet 14 og opp i kanalen/sjakten over spjeldet 14, idet skorsteinseffekten sørger for at det blir trekk i systemet. Varm luft stiger og termikken vil bidra til å trekke luft gjennom systemet. I en typisk installasjon i et fjell vil kald luft trekkes inn fra en fjelltunnel og kanalen over spjeldet 14 vil slippe varmluften ut. Med den betydelige energi/varmeutviklingen som foregår i datarommet vil det kunne være stor forskjell på temperaturen i luften som slippes ut og omgivelsene.

Den foreliggende oppfinnelse gjør det også mulig å foreta effektiv og målrettet slukking av branntilløp i datarackene. Det kan anordnes en forstøver 15 i returkanalen 12. Denne forstøveren 15 er i stand til å sprøyte inn forstøvet vann for å bringe luftfuktigheten opp i 100%. Denne mettede luften føres så inn i diffusoren(e) 13 og videre inn i dataracket/ene 2, 3. En slik mettet luft vil effektivt kjølene branntilløpet og hindre at brannen sprer seg. Ved å anordne én forstøver 15 under hver av diffusorene, vil man kunne målrettet slukke branntilløp i det aktuelle dataracket 2, 3 uten at datarackene ved siden av blir påvirket. En temperaturføler i hvert datarack overvåker temperaturen, og dersom temperaturen i det aktuelle dataracket overstiger en forhåndsatt temperatur så vil forstøveren 15 tilhørende det aktuelle dataracket starte med å sprøyte inn forstøvet vann. Samtidig vil fortrinnsvis strømmen til det aktuelle dataracket stenges av for å hindre kortslutning.

Selv om oppfinnelsen ovenfor er beskrevet som et helt passivt system for luftkjøling, der viftene i datamaskinene er de eneste tvangsmidlene som benyttes for å få luften til å sirkulere, så er det selvsagt også mulig å benytte vifter andre steder, enten periodevis eller permanent for å hjelpe på luftsirkulasjonen. Det er også mulig å kjøle innluften i det minste periodevis dersom temperaturen ikke er tilstrekkelig lav. Det som er viktig er imidlertid at kjølesystemet i all hovedsak er et passivt system med minimalt med behov for tilleggskjøling.

Claims (6)

1. System for kjøling av elektronisk utstyr som avgir varme og har behov for kjøling, omfattende en tilførselskanal (A, 6) for kaldt tilluft til det elektroniske utstyrets (2, 3) innsugsside (B) og en utslippskanal (D, 9) fra det elektroniske utstyrets (2, 3) utslippsside (C), for uttransportering av utluft som er blitt oppvarmet av det elektroniske utstyret (2, 3), idet utslippskanalen (D, 9) omfatter et regulerbart stengeelement (14) og er anordnet over tilførselskanalen (A, 6) og at sirkulasjonen, bortsett fra eventuelle vifter anordnet internt i det elektroniske utstyret, besørges av at oppvarmet luft ekspanderer og skaper et overtrykk ved det elektroniske utstyrets (2, 3) utslippsside (C),karakterisert vedat en returkanal (12) for transport av en del av den varme luften, som er oppvarmet av det elektroniske utstyret (2, 3), strekker fra det elektroniske utstyrets (2, 3) utslippsside (C), til det elektroniske utstyrets (2, 3) innsugsside (B), idet det regulerbare stengeelementet (14) er innrettet til å slippe ut en del av den oppvarmede luften og at den delen av den oppvarmede luften som transporteres gjennom returkanalen (12) blandes med kald tilluft ved det elektroniske utstyrets (2, 3) innsugsside (B).

2. System ifølge krav 1,karakterisert vedat den omfatter en luftfuktingsinnretning (5) for å øke den relative fuktigheten på tilluften ved behov.

3. System ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat den omfatter et nedre kaldluftkammer (A) for mottak av kald tilluft, et gulv (1) over kaldluftkammeret (A) hvorpå det elektroniske utstyret (2, 3) er anordnet, en eller flere åpninger (6) i gulvet i nærheten av en innsugsside (B) av det elektroniske utstyret (2, 3), et mottakskammer (B) ved en utslippsside av det elektroniske utstyret (2, 3), for luft som har passert gjennom det elektroniske utstyret (2, 3).

4. System ifølge krav 3,karakterisert vedat returkanalen (12) er i kommunikasjon med en diffusor (13) for å blande den returnerte luften med kald tilluft.

5. System ifølge ett av de foregående krav,karakterisertv e d at det elektroniske utstyret er anordnet i minst ett rack (2, 3), der den ene siden av racket (2, 3) er eksponert mot den kalde tilluften og den andre siden av racket er eksponert mot den oppvarmede luften og at vifter i racket bevirker luftgjennomstrømning gjennom racket.

6. System ifølge ett av de foregående krav 3-5,karakterisert vedat den omfatter en forstøver plassert i returkanalen (12) eller diffusoren (13), for å tilføre forstøvet vann, for å slukke eventuelle branntilløp i racket.