WO2010054786A1 - Verfahren zur kühlluftregelung in geräteschränken und sensor-anordnung - Google Patents

Verfahren zur kühlluftregelung in geräteschränken und sensor-anordnung Download PDF

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WO2010054786A1
WO2010054786A1 PCT/EP2009/007995 EP2009007995W WO2010054786A1 WO 2010054786 A1 WO2010054786 A1 WO 2010054786A1 EP 2009007995 W EP2009007995 W EP 2009007995W WO 2010054786 A1 WO2010054786 A1 WO 2010054786A1
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WO
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air
cooling air
cooling
fans
duct
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Application number
PCT/EP2009/007995
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Heiko Ebermann
Peter Koch
Rupert Reiter
Wolfgang Trepte
Original Assignee
Knürr AG
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Priority to US13/126,113 priority patent/US20110207392A1/en
Priority to EP09767939A priority patent/EP2345317B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/20754—Air circulating in closed loop within cabinets
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/20836—Thermal management, e.g. server temperature control

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling air control in equipment cabinets, especially in computer rooms, according to the preamble of claim 1 and a sensor arrangement for cooling air control in Automaticsch tend of computer rooms according to the preamble of claim 10.
  • the invention is particularly suitable for server cabinets of server rooms or data centers, in which a plurality of cabinets are arranged.
  • the increasing performance of the process computers and servers is associated with a constantly increasing heat load in the data centers.
  • the promotion of the required for cooling the electronic module units air flow consumes a significant portion of the electrical energy required to operate the entire system.
  • the electric power consumption of the fans increases proportionally to the cube of the required volume flow. A high volume flow is therefore associated with a very high power consumption.
  • the invention is based on the invention to provide a method and a sensor arrangement for cooling air control in equipment cabinets, especially computer rooms, which ensures the most accurate possible control of the smallest possible amount of air to be circulated and thereby a significant energy savings.
  • a basic idea of the control concept according to the invention for air-cooled cabinets in computer centers can be seen in controlling the fans in such a way that exactly the required amount of cooling air is made available to the electronic module units, for example servers, in their intake area. If the amount of air is too small, the required dissipation of the heat loss of the server is not guaranteed, and it comes to an overheating. If the amount of air is too large, too much energy is consumed, which is detrimental both in terms of operating costs and the environment.
  • the volume stream required for the servers is essentially determined by the design of the server.
  • the tenders in the devices arranged electronic module units such as servers
  • supplied cooling air in a closed cooling air circuit and cooled with the heat loss of the server exhaust air is cooled in an air-fluid heat exchanger
  • the heat loss is absorbed by a cooling fluid and discharged outside the computer room and the required amount of cooling air of the closed cooling air circulation is promoted by the speed control of fans as a function of the temperature of the cooling air
  • the invention provides the required amount of cooling air promoted by fans of the electronic module units Adjust flow rate and measure the temperature of the cooling air supplied to the servers in a leakage air flow.
  • the leakage air flow between the cooling air region for example a cooling air duct of a device cabinet or a cabinet assembly with at least one equipment cabinet and a cooling unit, in which a cold air duct is preferably formed in the cooling unit
  • the exhaust air area for example an exhaust duct of the equipment cabinet or a hot air duct of a cooling unit , which in particular is arranged laterally adjacent to a device cabinet or between two equipment cabinets, formed, and measured the temperature of the leakage air flow and used as a reference variable for the speed control of the fans.
  • the control concept or measuring principle consists in the temperature measurement of at least one leakage air flow between the cold and warm area of a cabinet, wherein the measured temperature is used for the control of the fans for the cooling air circuit.
  • a leakage air flow in a cabinet or in a cabinet assembly with at least one equipment cabinet and a cooling unit selectively introduce an opening in the air separation, for example in an air separation wall, which forecloses the cooling air duct from the exhaust air area.
  • a temperature sensor is used, over which the fans, which are arranged, for example, in a rear exhaust duct of a Ge rätesch rankes or fan modules in a cooling unit of a cabinet order, are regulated.
  • the temperature T L of the leakage air flow is determined or influenced by the delivered air volume and the flow direction. If too little air is conveyed, the fans of the electronic module units or servers suck air from the warm exhaust air area into the cooling air duct, which leads to an increase in temperature and causes the speeds of the fans in the exhaust air area to be increased.
  • the reference variable for the speed control of the fans is the temperature T L of the leakage air flow, which is determined by the flow direction and thus by the available air volume flow in the cooling air duct. By controlling the fan speeds, the volume flow of the cooling air is adapted to the volume flow actually required by the servers.
  • a leakage air flow can be suitably formed by an opening in a partition wall in the region of the cooling air duct and provided with a temperature sensor.
  • the inventive method and the sensor arrangement according to the invention can also be advantageously applied.
  • at least one leakage air flow can be formed with the aid of an opening in a partition wall between the cold air duct and the hot air duct and provided with a temperature sensor.
  • the opening is expediently dimensioned so that it is as small as possible but at the same time large enough so that above the top server no amount of air jam, especially no hot air can form.
  • the diameter of the opening depends on the size of the cabinet and the module unit arranged and operated therein.
  • the diameter of the opening for a leakage air flow can be in the range of approximately 5 to 15 mm and can, for example, be 8, 9, 10, 11, 12, 13 mm.
  • the diameter can be determined by a few experiments, and it is also possible to change the diameter on site, according to the control of a cabinet and the heat developed, for example, different hoses, tubes or for adjustable opening plug or slide elements for changing the diameter provided.
  • the cooling air inlet temperature in the cooling air duct in particular arranged at the front, can be regulated via the water flow of the heat exchanger.
  • a second temperature sensor in the bottom region of the cooling air duct and near the air-fluid heat exchanger also regulates the inlet temperature of the cooling fluid of the air-fluid heat exchanger.
  • the flow rate control and / or regulation of the inlet temperature of the cooling fluid can also be carried out with the aid of the temperature sensor in the leakage air flow.
  • a temperature sensor in the leakage air flow in the upper region of the device slab or the cooling air duct and a second temperature sensor in the bottom region near the heat exchanger, it is expedient to avoid a mutual influence of the control loops and to take into account that after exiting the heat exchanger, the cooling air heats up slightly. It is therefore expedient to set the temperature setpoint of the sensor in the leakage air flow for the regulation of the fans in the exhaust air region higher than the setpoint value at the second temperature sensor.
  • the leakage air flow for a temperature sensor arranged therein can also be formed by means of a pipe or a hose.
  • the tube or hose must then be routed between the cooling air duct and the exhaust air area or duct.
  • the tube or the hose can be advantageously laid in different position variants, and the leakage air can then be removed from preferred cabinet areas and measured the temperature of this air leakage and the corresponding signal to control the fans can be used.
  • the arrangement of temperature sensors in several leakage air streams can also be used advantageously for individual control of individual fans or fans.
  • the advantages of the control method according to the invention and the sensor arrangement consist in a considerable energy saving due to a largely adapted required amount of air in a cabinet or data center.
  • the use of cooling air can be reduced and the space in a data center or server room can be optimally utilized.
  • the appropriate supply air temperature for the servers is ensured. Overall, a particularly energy-efficient cooling can be achieved.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the cabinet according to FIG. 1 with an alternative sensor arrangement
  • Fig. 3 is an enlarged view according to arrow III in Fig. 1 and
  • the equipment cabinet 2 is a server cabinet in this embodiment, and the electronic modular units 4 can be e.g. Be a high performance server from a height unit.
  • the air flow in the area of the server 4 is illustrated by arrows.
  • a respective fan 13 is arranged, which accomplishes the air flow through the server 13 and cooling air 6 via front air intake openings (not shown) sucks, on the loss of heat generating electronic components (not shown) leads and via rear air outlet openings (not shown) an exhaust duct 8 supplies.
  • an air-fluid heat exchanger 7 is arranged, which here is an air-water heat exchanger and is connected to the cold water supply of the building.
  • the cooled air in the air-fluid heat exchanger 7 air is supplied as cooling air 6 a cooling air duct 5, which is arranged at the front, extends over almost the entire height of the device table 2 and (not shown) with the air inlet openings of the server 4 is in communication.
  • the exhaust air 9 heated by the servers 4 is conveyed into the heat exchanger 7 via a rear exhaust duct 8 with the aid of fans 12 in this exhaust air duct 8.
  • the air-technical separation of the supplied cooling air 6 from the heated exhaust air 9 takes place in the front region of the receiving space by means of partitions 11, which may be, for example, angled sheets and are arranged vertically, so that the partitions 11, a front door 16 and the housing front sides of the server. 4 the Limit cooling air duct 5 together with upper and lower covers of the cabinet 2.
  • the leakage air flow is formed in the embodiment of FIG. 1 in the region of an upper partition wall 17 above the uppermost server 4 and connects the cooling air duct 5 with the exhaust duct 8 and the exhaust air area beyond the cooling air duct fifth
  • the leakage air flow which is deliberately dimensioned, is formed in Fig. 1 by an opening 15 in the upper partition wall 17, wherein the opening 15 is dimensioned such that it is relatively small, but at the same time large enough so that no hot air lake in the upper area of the cooling air channel 5 can form.
  • a hot air lake in the upper region of the cooling air duct 5 or a hot air layer can arise when the heat loss developed by the servers 4 or other components in the receiving space 3 is particularly great and is transmitted via the metal housing to the cooling air in the cooling air duct 5.
  • the opening 15 is dimensioned for a leakage air flow accordingly, so that the hot air lake in the upper area in the exhaust duct 8 and can not be sucked by the fans 13 of the server 4 ,
  • the leakage air flow in the region of the opening 15 is detected by a temperature sensor 10 is arranged and used to control the fans 12 in the rear exhaust duct 8.
  • the temperature sensor 10 can be inserted into the opening 15, so that it can be determined by means of the temperature measurement whether too much air or too little air is conveyed into the cooling air duct 5 and made available to the servers 4. If too little air is conveyed, the servers 4 suck the heated exhaust air 9 from the exhaust air area or exhaust air duct 5 into the cooling air duct 5, so that the speed of the fans 12 in the exhaust air duct 8 increases and vice versa.
  • a pipe or a hose (not shown) in the region of the air separation or the partition walls 11 or blank plates (not shown) for a temperature sensor 10 of a leakage air flow can be arranged.
  • the temperature T L of the leakage air flow is used for speed control of the fans 12 in the region of the exhaust air duct 8 and thus forms the reference variable for the speed control of the fans 12.
  • FIG. 2 shows an alternative sensor arrangement with a temperature sensor 10 in the upper region of the equipment cabinet 2, which essentially corresponds to the equipment cabinet 2 of FIG. 1. Identical features are provided with identical reference numerals.
  • An additional, second temperature sensor 20 is arranged in the cooling air channel 8 and close to the air-fluid heat exchanger 7.
  • the temperature sensor 10 in the leakage air flow in turn serves to regulate the fans 12 in the region of the exhaust air duct 8, while with the second temperature sensor 20, the flow rate and / or inlet temperature of the cooling fluid of the air-fluid heat exchanger 7 can be controlled.
  • FIGS. 3 and 4 show an upper partition wall 17 of the cooling air duct 5 according to FIGS. 1 and 2, here with two openings 15 for a respective leakage air flow and the inclusion of a temperature sensor 10 with cable 18.
  • the two openings 15 are identical and circular in shape and have a diameter of about 10 mm.
  • the cross section can also be selected as square or rectangular, and the cross section of an opening or the sum of the cross sections of a plurality of openings in a cooling air duct can be used in accordance with the respective conditions, such as the cabinet dimensions. particular the volume of the cooling air duct, the occupancy of the receiving space and the heat development of the modular units and the speed-controlled fans are adjusted.

Abstract

Um die Energiebilanz bei der Luftkühlung in Geräteschranken, insbesondere von Schrankanordnungen in Rechenzentren und Serverräumen, zu verbessern, wird eine Regelung der Ventilatoren für den Kühlluftkreislauf vorgeschlagen, mit welcher den elektronischen Moduleinheiten, insbesondere Servern, in den Geräteschränken im Ansaugbereich genau die benötigte Kühlluftmenge zur Verfügung gestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Leckluftstrom zwischen einem Kaltluftkanal und einem Abluftkanal ausgebildet und mit einem Temperatursensor versehen. Durch die Temperaturmessung wird indirekt die Strömungsrichtung gemessen und als Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Ventilatoren, welche insbesondere im Abluftkanal angeordnet sind, geregelt. Durch die Regelung der Ventilatordrehzahl wird der Volumenstrom des Kühlluftkreislaufes an den von den elektronischen Moduleinheiten tatsächlich benötigten Volumenstrom angepasst und damit der Stromverbrauch verringert.

Description

Verfahren zur Kühlluftregelung in Geräteschränken und Sensor-Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlluftregelung in Geräteschränken, insbesondere in Rechnerräumen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Sensor-Anordnung zur Kühlluftregelung in Gerätesch ranken von Rechnerräumen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Die Erfindung ist insbesondere für Serverschränke von Serverräumen beziehungsweise Rechenzentren, in welchen eine Vielzahl von Schränken angeordnet sind, geeignet.
Die steigenden Leistungen der Prozessrechner und Server ist mit einer stetig steigenden Wärmelast in den Rechenzentren verbunden. Die elektronischen Moduleinheiten beziehungsweise Bauelemente, insbesondere Hochleistungsprozessoren und Server in einer kompakten Bauform, erreichen erhebliche Verlustleistungen, welche abgeführt werden müssen. Die Förderung des zur Kühlung der elektronischen Moduleinheiten benötigten Luftstroms verbraucht einen erheblichen Teil der elektrischen Energie, welche zum Betrieb des Gesamtsystems erforderlich ist. Die elektrische Leistungsaufnahme der Ventilatoren steigt proportional zur dritten Potenz des geforderten Volumenstroms an. Ein hoher Volumenstrom ist deshalb mit einem sehr hohen Stromverbrauch verbunden.
Um in Gerätesch ranken, beispielsweise Serverschränken von Rechenzentren, die umzuwälzende Luftmenge in jedem Betriebszustand so klein wie möglich zu halten, ist es bekannt, eine strikte Abtrennung der Kalt- beziehungsweise Kühlluft von der mit der Verlustwärme der elektronischen Moduleinheiten beladenen Warmluft beziehungsweise Abluft zu realisieren. Die strikte Abtrennung der den elektronischen Moduleinheiten in einem Schrank zuzuführenden Kühlluft von der abzuführenden, erwärmten Abluft verhindert eine Vermischung der Kühl- und Abluft und dadurch einen erhöhten Luftbedarf zur Abführung der Verlustwärme. Mischluft verringert die Temperaturdifferenz der Luft, die für den Stoff-Wärmetransport zur Verfügung steht und reduziert damit die transportierte Wärmemenge pro Volumeneinheit.
Für eine energieeffiziente Kühlung von elektronischen Moduleinheiten, insbesondere Servern, in Geräteschränken ist es bekannt, drehzahlregulierte Ventilatoren für einen geschlossenen Kühlluftkreislauf zu verwenden (EP 1 614 333 B1).
Aus der Klimatechnik sind Verfahren bekannt, bei welchen die Druckdifferenz zwischen einer Warm- und Kaltseite als Führungsgröße einer Regelung für einen Luftvolumenstrom mittels variabler Ventilatordrehzahlen genutzt wird. Diese Verfahren sind aber relativ kostenaufwendig und insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten und turbulenten Strömungen relativ ungenau.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren und eine Sensor- Anordnung zur Kühlluftregelung in Geräteschränken, insbesondere von Rechnerräumen, zu schaffen, welche eine möglichst genaue Regelung einer möglichst geringen, umzuwälzenden Luftmenge und dadurch eine erhebliche Energieeinsparung gewährleistet.
In Bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und in Bezug auf die Sensoranordnung durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Figurenbeschreibung enthalten.
Ein Grundgedanke des erfindungsgemäßen Regelungskonzeptes für luftgekühlte Schränke in Rechenzentren kann darin gesehen werden, die Ventilatoren derart zu steuern, dass den elektronischen Moduleinheiten, beispielsweise Servern, in deren Ansaugbereich genau die erforderliche Kühlluftmenge zur Verfügung gestellt wird. Wenn die Luftmenge zu gering ist, ist die erforderliche Abführung der Verlustwärme der Server nicht gewährleistet, und es kommt zu einer Überhitzung. Wenn die Luftmenge zu groß ist, wird zu viel Energie verbraucht, was sowohl im Hinblick auf die Betriebskosten als auch für die Umwelt nachteilig ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Sensor-Anordnung wird der erforderliche, geförderte Luftvolumenstrom zur Kühlung eines Schrankes an den Kühlluftvolumenstrom der elektronischen Moduleinheiten, bei denen es sich vorrangig um Server handelt, angepasst. Dabei ist der für die Server erforderliche Volumeπstrom wesentlich durch die Konstruktion der Server vorgegeben.
Bei einem Verfahren zur Kühlluftregelung in Geräteschränken, insbesondere von Rechnerräumen, bei welchem den in den Gerätesch ranken angeordneten elektronischen Moduleinheiten, beispielsweise Servern, Kühlluft in einem geschlossenen Kühlluftkreislauf zugeführt und die mit der Verlustwärme der Server beaufschlagte Abluft in einem Luft-Fluid-Wärmetauscher abgekühlt wird, wobei die Verlustwärme von einem Kühlfluid aufgenommen und außerhalb des Rechnerraums abgegeben wird und die erforderliche Kühlluftmenge des geschlossenen Kühlluftkreislaufes über die Drehzahlregelung von Ventilatoren in Abhängigkeit von der Temperatur der Kühlluft gefördert wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die erforderliche Kühlluftmenge dem von Lüftern der elektronischen Moduleinheiten geförderten Volumenstrom anzupassen und die Temperatur der den Servern zugeführten Kühlluft in einem Leckluftstrom zu messen.
Erfindungsgemäß wird der Leckluftstrom zwischen dem Kühlluftbereich, beispielsweise einem Kühlluftkanal eines Geräteschrankes oder einer Schrankanordnung mit wenigstens einem Geräteschrank und einer Kühleinheit, bei welcher ein Kaltluftkanal bevorzugt in der Kühleinheit ausgebildet ist, und dem Abluftbereich, beispielsweise einem Abluftkanal des Geräteschrankes bzw. einem Warmluftkanal einer Kühleinheit, welche insbesondere seitlich angrenzend an einem Geräteschrank oder zwischen zwei Geräteschränken angeordnet ist, ausgebildet, und die Temperatur des Leckluftstromes gemessen und als Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Ventilatoren benutzt.
Das Regelungskonzept beziehungsweise Messprinzip besteht in der Temperaturmessung von wenigstens einem Leckluftstrom zwischen dem Kalt- und Warmbereich eines Schrankes, wobei die gemessene Temperatur für die Regelung der Ventilatoren für den Kühlluftstromkreis benutzt wird.
Es ist vorteilhaft, zur Ausbildung eines Leckluftstroms in einem Schrank oder in einer Schrankanordnung mit wenigstens einem Geräteschrank und einer Kühleinheit gezielt eine Öffnung in die Lufttrennung, beispielsweise in eine Lufttrennwand, welche den Kühlluftkanal vom Abluftbereich abschottet, einzubringen. In oder auch durch diese Öffnung wird ein Temperatursensor eingesetzt, über welchen die Ventilatoren, welche beispielsweise in einem rückseitigen Abluftkanal eines Ge rätesch rankes oder als Ventilatormodule in einer Kühleinheit einer Schrankordnung angeordnet sind, geregelt werden.
Gemäß dem zugrunde liegenden Messprinzip wird die Temperatur TL des Leckluftstroms von dem geförderten Luftvolumen und der Strömungsrichtung bestimmt beziehungsweise beeinflusst. Wenn zu wenig Luft gefördert wird, saugen die Lüfter der elektronischen Moduleinheiten beziehungsweise Server von dem warmen Abluftbereich Luft in den Kühlluftkanal, was zu einer Temperaturerhöhung führt und bewirkt, dass die Drehzahlen der Ventilatoren im Abluftbereich erhöht werden. Die Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Ventilatoren ist die Temperatur TL des Leckluftstroms, welche von der Strömungsrichtung und damit von dem zur Verfügung gestellten Luftvolumenstrom im Kühlluftkanal bestimmt wird. Durch die Regelung der Ventilatordrehzahlen wird der Volumenstrom der Kühlluft an den von den Servern tatsächlich benötigten Volumenstrom angepasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung kann vorteilhaft bei einem Geräteschrank, welcher in EP 1 614 333 B1 beschrieben ist, angewendet werden. Bei einem derartigen Geräteschrank kann ein Leckluftstrom zweckmäßigerweise durch eine Öffnung in einer Trennwand im Bereich des Kühlluftkanals ausgebildet und mit einem Temperatursensor versehen werden.
Bei einer Schrankanordnung mit Geräteschränken, welche insbesondere reihenartig angeordnet sind, und bei welcher eine Kühleinheit mit einem Wärmetauscher und Ventilatoren seitlich angrenzend an einen Geräteschrank oder zwischen zwei Geräteschränken angeordnet ist, wobei die Ventilatoren in Ventilatormodulen aufgenommen sind und in der Kühleinheit frontseitig ein Kaltluftkanal für die im Wärmetauscher abgekühlte und mittels der Ventilatormodule gerichtet austretenden Kaltluft und rückseitig ein Warmluftkanal für die mit der Verlustwärme beaufschlagte Warmluft aus einem oder zwei Geräteschränken ausgebildet sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Sensoranordnung ebenfalls vorteilhaft angewendet werden. Dabei kann wenigstens ein Leckluftstrom mit Hilfe einer Öffnung in einer Trennwand zwischen dem Kaltluftkanal und dem Warmluftkanal ausgebildet und mit einem Temperatursensor versehen sein. Eine besonders vorteilhafte Regelung wird erreicht, wenn pro Ventilatormodul ein Leckluftstrom vorgesehen ist. Zur Anordnung von Gera- teschränken und wenigstens einer Kühleinheit, welche einen Wärmetauscher und Ventilatoren in einschiebbaren Ventilatormodulen aufweist, wird Bezug genommen auf die deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2007 061 966.0 und die parallele internationale Patentanmeldung PCT/EP 2008/008908, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Von Vorteil ist die Positionierung der gezielt eingebrachten Öffnung für den Leckluftstrom oberhalb des obersten Servers, wobei die Öffnung zweckmäßigerweise derart dimensioniert wird, dass sie so klein wie möglich aber gleichzeitig groß genug ist, damit sich oberhalb des obersten Servers keine Luftmenge stauen, insbesondere kein Warmluftsee bilden kann.
Grundsätzlich ist der Durchmesser der Öffnung von der Größe des Schrankes und der darin angeordneten und betriebenen Moduleinheit abhängig.
Es wurde gefunden, dass der Durchmesser der Öffnung für einen Leckluftstrom in einem Bereich von etwa 5 bis 15 mm liegen und beispielsweise 8, 9, 10, 11 , 12, 13 mm beragen kann. Im Übrigen kann der Durchmesser durch wenige Versuche ermittelt werden, und es ist auch möglich, den Durchmesser vor Ort, entsprechend der Regelung eines Schrankes und der entwickelten Wärme zu verändern, beispielsweise unterschiedliche Schläuche, Rohre oder für eine regulierbare Öffnung Steck- oder Schiebeelemente zur Durchmesseränderung vorzusehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Regelungskonzept für einen Geräteschrank ist es vorteilhaft, dass gleichzeitig noch die Kühllufteintrittstemperatur in den insbesondere frontseitig angeordneten Kühlluftkanal über den Wasserdurchfluss des Wärmetauschers geregelt werden kann.
Es kann sich außerdem als zweckmäßig erweisen, dass ein zweiter Temperatursensor im bodenseitigen Bereich des Kühlluftkanals und nahe dem Luft-Fluid-Wärmetauscher auch die Zulauftemperatur des Kühlfluids des Luft-Fluid-Wärmetauschers regelt.
Grundsätzlich kann die Durchflussmengenregelung und/oder Regelung der Zulauftemperatur des Kühlfluids auch mit Hilfe des Temperatursensors im Leckluftstrom erfolgen. Bei Anordnung eines Temperatursensors im Leckluftstrom im oberen Bereich des Gerätesch rankes beziehungsweise des Kühlluftkanals und eines zweiten Temperatursensors im bodenseitigen Bereich nahe dem Wärmetauscher ist es zweckmäßig, eine gegenseitige Beeinflussung der Regelkreise zu vermeiden und zu berücksichtigen, dass nach Austritt aus dem Wärmetauscher sich die Kühlluft geringfügig erwärmt. Es ist deshalb zweckmäßig, den Temperatursollwert des Sensors im Leckluftstrom für die Regelung der Ventilatoren im Abluftbereich höher als den Sollwert am zweiten Temperatursensor einzustellen.
Vorteilhafterweise kann der Leckluftstrom für einen darin angeordneten Temperatursensor auch mit Hilfe eines Rohres oder eines Schlauches gebildet werden. Das Rohr beziehungsweise der Schlauch müssen dann zwischen dem Kühlluftkanal und dem Abluftbereich beziehungsweise -kanal verlegt werden. Das Rohr beziehungsweise der Schlauch kann vorteilhaft in unterschiedlichen Lagevarianten verlegt werden, und die Leckluft kann dann aus bevorzugten Schrankbereichen entnommen und die Temperatur dieser Leckluft gemessen und das entsprechende Signal zur Regelung der Ventilatoren benutzt werden.
Es kann sich auch als zweckmäßig erweisen, in einem Geräteschrank mehr als einen Leckluftstrom auszubilden und jeweils einen Temperatursensor in die Öffnung und/oder in ein Rohr und/oder in einen Schlauch für den jeweiligen Leckluftstrom anzuordnen. Die Anordnung von Temperatursensoren in mehreren Leckluftströmen kann zudem vorteilhaft zur individuellen Regelung einzelner Ventilatoren bzw. Lüfter benutzt werden.
Bei der Positionierung kann die Belegung mit elektronischen Moduleinheiten beziehungsweise Servern mit besonders hoher Verlustwärme berücksichtigt werden, was sich vorteilhaft auf die Energiebilanz der Kühlung der gesamten Anordnung auswirkt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens und der Sensor- Anordnung bestehen in einer erheblichen Energieeinsparung aufgrund einer weitgehend angepassten erforderlichen Luftmenge in einem Schrank beziehungsweise Rechenzentrum. Der Einsatz von Kühlluft kann gesenkt werden und der Raum in einem Rechenzentrum beziehungsweise Serverraum kann optimal ausgenutzt werden. Neben den geringeren Energiekosten für den Antrieb der Ventilatoren wird die passende Zulufttemperatur für die Server sichergestellt. Insgesamt kann eine besonders energieeffiziente Kühlung erreicht werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung weiter erläutert: In dieser zeigen in einer stark schematisierten Darstellung Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Geräteschrank mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Schrank gemäß Fig. 1 mit einer alternativen Sensoranordnung;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht gemäß Pfeil III in Fig. 1 und
Fig. 4 einen Längsschnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 3.
Fig. 1 zeigt einen Geräteschrank 2 mit einem Aufnahmeraum 3 und übereinander angeordneten, elektronischen Moduleinheiten 4. Der Geräteschrank 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Serverschrank, und die elektronischen Moduleinheiten 4 können z.B. Hochleistungsserver von einer Höheneinheit sein. Die Luftführung im Bereich der Server 4 wird durch Pfeile verdeutlicht. Innerhalb der Gehäuse der Server 4 ist jeweils ein Lüfter 13 angeordnet, welcher die Luftführung durch die Server 13 bewerkstelligt und Kühlluft 6 über frontseitige Lufteintrittsöffnungen (nicht dargestellt) ansaugt, über die Verlustwärme erzeugenden, elektronischen Bauteile (nicht dargestellt) führt und über rückseitige Luftaustrittsöffnungen (nicht dargestellt) einem Abluftkanal 8 zuführt.
Unterhalb des Aufnahmeraums 3 ist ein Luft-Fluid-Wärmetauscher 7 angeordnet, welcher hier ein Luft-Wasser-Wärmetauscher ist und an die Kaltwasserversorgung des Gebäudes angeschlossen ist.
Die im Luft-Fluid-Wärmetauscher 7 abgekühlte Luft wird als Kühlluft 6 einem Kühlluftkanal 5 zugeführt, welcher frontseitig angeordnet ist, über nahezu die gesamte Höhe des Geräteschankes 2 reicht und mit den Lufteintrittsöffnungen (nicht dargestellt) der Server 4 in Verbindung steht. Die von den Servern 4 erwärmten Abluft 9, wird über einen rückseitigen Abluftkanal 8 mit Hilfe von Ventilatoren 12 in diesem Abluftkanal 8 in den Wärmetauscher 7 gefördert.
Die lufttechnische Trennung der zugeführten Kühlluft 6 von der erwärmten Abluft 9 erfolgt im frontseitigen Bereich des Aufnahmeraums mit Hilfe von Trennwänden 11 , welche beispielsweise abgewinkelte Bleche sein können und vertikal angeordnet sind, so dass die Trennwände 11 , eine Fronttür 16 und die Gehäusefrontseiten der Server 4 den Kühlluftkanal 5 zusammen mit oberen und unteren Abdeckungen des Schranks 2 begrenzen.
Zur Regelung des geschlossenen Kühlluftkreislaufes im Geräteschrank 2 gemäß Fig. 1 und Anpassung der notwendigen umzuwälzenden Kühlluftmenge an den von den Lüftern 13 der einzelnen Server 4 geförderten Volumenstrom wird die Temperatur der Kühlluft, welche den Servern 4 zugeführt wird, in einem Leckluftstrom gemessen. Der Leckluftstrom ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im Bereich einer oberen Trennwand 17 oberhalb des obersten Servers 4 ausgebildet und verbindet den Kühlluftkanal 5 mit dem Abluftkanal 8 beziehungsweise dem Abluftbereich jenseits des Kühlluftkanals 5.
Der Leckluftstrom, welcher gezielt dimensioniert wird, wird in Fig. 1 durch eine Öffnung 15 in der oberen Trennwand 17 gebildet, wobei die Öffnung 15 derart dimensioniert ist, dass sie relativ klein, aber gleichzeitig groß genug ist, damit sich kein Warmluftsee im oberen Bereich des Kühlluftkanals 5 bilden kann.
Ein Warmluftsee im oberen Bereich des Kühlluftkanals 5 beziehungsweise eine Warmluftschicht kann entstehen, wenn die von den Servern 4 oder anderen Bauelementen im Aufnahmeraum 3 entwickelte Verlustwärme besonders groß ist und über die Metallgehäuse an die Kühlluft im Kühlluftkanal 5 übertragen wird. Um zu verhindern, dass der Warmluftsee bis in den Bereich der Server 4 reicht, ist die Öffnung 15 für einen Leckluftstrom entsprechend dimensioniert, so dass der Warmluftsee im oberen Bereich in den Abluftkanal 8 abgeführt und nicht von den Lüftern 13 der Server 4 angesaugt werden kann.
Wesentlich ist eine strikte Trennung des Kaltluftbereichs beziehungsweise des Kühlluftkanals 5 von dem Abluftbereich beziehungsweise Abluftkanal 8 durch die Trennwände 11 beidseitig der Serverfrontseiten und durch Trennelemente, beispielsweise Blindplatten (nicht dargestellt), an frei bleibenden Positionen zwischen den über- und/oder nebeneinander angeordneten Servern 4. In den Blindplatten kann erforderlichenfalls ebenfalls ein zu detektierender Leckluftstrom zur Kühlluftregelung ausgebildet werden.
Um den Servern 4 eine Luftmenge zur Verfügung zu stellen, welche der benötigten Kühlluftmenge der Server 4 entspricht beziehungsweise auf die Leistung der Lüfter 13 der Server 4 abgestimmt ist, wird der Leckluftstrom im Bereich der Öffnung 15 detek- tiert, indem ein Temperatursensor 10 angeordnet und zur Regelung der Ventilatoren 12 im rückseitigen Abluftkanal 8 verwendet wird. Der Temperatursensor 10 kann in die Öffnung 15 eingesetzt werden, so dass mittels der Temperaturmessung festgestellt werden kann, ob zu viel Luft oder zu wenig Luft in den Kiihlluftkanal 5 gefördert und für die Server 4 zur Verfügung gestellt wird. Wenn zu wenig Luft gefördert wird, saugen die Server 4 von dem Abluftbereich beziehungsweise Abluftkanal 5 die erwärmte Abluft 9 in den Kühlluftkanal 5, so dass sich die Drehzahl der Ventilatoren 12 im Abluftkanal 8 erhöht und umgekehrt.
An Stelle einer Öffnung 15 kann auch ein Rohr oder ein Schlauch (nicht dargestellt) im Bereich der Lufttrennung beziehungsweise der Trennwände 11 oder Blindplatten (nicht dargestellt) für einen Temperatursensor 10 eines Leckluftstroms angeordnet werden. Die Temperatur TL des Leckluftstroms wird zur Drehzahlregelung der Ventilatoren 12 im Bereich des Abluftkanals 8 verwendet und bildet somit die Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Ventilatoren 12.
Fig. 2 zeigt eine alternative Sensoranordnung mit einem Temperatursensor 10 im oberen Bereich des Geräteschrankes 2, welcher im Wesentlichen dem Geräteschrank 2 der Fig. 1 entspricht. Gleiche Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Ein zusätzlicher, zweiter Temperatursensor 20 ist im Kühlluftkanal 8 und nahe dem Luft- Fluid-Wärmetauscher 7 angeordnet. Der Temperatursensor 10 im Leckluftstrom dient wiederum der Regelung der Ventilatoren 12 im Bereich des Abluftkanals 8, während mit dem zweiten Temperatursensor 20 die Durchflussmenge und/oder Zulauftemperatur des Kühlfluids des Luft-Fluid-Wärmetauschers 7 geregelt werden kann.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine obere Trennwand 17 des Kühlluftkanals 5 gemäß den- Figuren 1 und 2, hier mit zwei Öffnungen 15 für jeweils einen Leckluftstrom und die Aufnahme eines Temperatursensors 10 mit Kabel 18.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die zwei Öffnungen 15 identisch und kreisrund ausgebildet und weisen einen Durchmesser von etwa 10 mm auf.
Vorteilhaft kann der Querschnitt auch quadratisch oder rechteckig gewählt werden und der Querschnitt einer Öffnung oder die Summe der Querschnitte mehrerer Öffnungen in einem Kühlluftkanal den jeweiligen Bedingungen, wie den Schrankabmessungen, ins- besondere dem Volumen des Kühlluftkanals, der Belegung des Aufnahmeraums und der Wärmeentwicklung der Moduleinheiten sowie den drehzahlgeregelten Ventilatoren angepasst werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Kühlluftregelung in Geräteschränken von Rechnerräumen, bei welchem in den Geräteschränken (2) angeordneten elektronischen Moduleinheiten (4) Kühlluft (6) zugeführt und mit der Verlustwärme der elektronischen Moduleinheiten (4) beaufschlagte Abluft (9) in einem Luft-Fluid-Wärmetauscher (7) abgekühlt wird, wobei die Verlustwärme von einem Kühlfluid aufgenommen und außerhalb des Rechnerraums abgegeben wird und die erforderliche Kühlluftmenge des geschlossenen Kühlluftkreislaufes über die Drehzahlregelung von Ventilatoren (12) in Abhängigkeit von der Temperatur der Kühlluft (6) gefördert wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die erforderliche Kühlluftmenge dem von Lüftern (13) der elektronischen Moduleinheiten (4) geförderten Volumenstrom angepasst und die Temperatur der den elektronischen Moduleinheiten (4) zugeführten Kühlluft (6) in einem Leckluftstrom, welcher zwischen dem Kühlluftkanal (5) und dem Abluftkanal (8) ausgebildet wird, gemessen und als Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Ventilatoren (12) benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem den in einem Geräteschrank (2) angeordneten elektronischen Moduleinheiten (4) Kühlluft (6) über einen frontseitig angeordneten Kühlluftkanal (5) mit Hilfe von Ventilatoren (12) in einem rückseitig angeordneten Abluftkanal (8) zugeführt und die erwärmte Abluft (9) dem bodenseitig angeordneten Luft-Fluid- Wärmetauscher (7) zugeführt wird und bei welchem zur lufttechnischen Trennung der Kühlluft (6) von der Abluft (9) Trennwände (1 1 , 17) im Bereich des Kühlluftkanals (5) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leckluftstrom durch eine gezielt eingebrachte Öffnung (15) in einer oberen Trennwand (17) oberhalb der obersten elektronischen Moduleinheit (4) geführt und ein Temperatursensor (10) in dieser Öffnung (15) angeordnet wird und dass die Temperatur TL des Leckluftstroms zur Drehzahlregelung der Ventilatoren (12) im Bereich des Abluftkanals (8) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielt eingebrachte Öffnung (15) für einen Leckluftstrom zwischen dem Kühlluftkanal (5) und dem Abluftkanal (8) derart dimensioniert wird, dass eine oberhalb der obersten elektronischen Moduleinheit (4) angestaute Luftmenge, insbesondere ein Warmluftsee, vermieden oder kontinuierlich abgeleitet, wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Temperatursensors (10) in der gezielt eingebrachten Öffnung (15) die Durchflussmenge und/oder die Zulauftemperatur des Kühlfluids des Luft- Fluid-Wärmetauschers (7) geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines zweiten Temperatursensors (20), welcher im Kühlluftkanal (5) nahe dem Luft-Fluid-Wärmetauscher (7) angeordnet wird, die Temperatur in der Kühlluft (6) gemessen und zur Regelung der Durchflussmenge und/oder der Zulufttemperatur des Luft-Fluid-Wärmetauschers (7) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursollwert des Temperatursensors (10) im Leckluftstrom für die Drehzahlregelung der Ventilatoren (12) im Bereich des Abluftkanals (8) höher eingestellt wird als der Temperatursollwert des zweiten Temperatursensors (20) nahe dem Luft-Fluid-Wärmetauscher (7) für die Regelung der Durchflussmenge und/oder Zulauftemperatur des Kühlfluids des Luft-Fluid-Wärmetauschers (7).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckluftstrom in einem Rohr oder in einem Schlauch geführt wird, welcher zwischen dem Kühlluftkanal (5) und dem Abluftkanal (8) angeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Geräteschrank (2) mehr als ein Leckluftstrom ausgebildet und jeweils ein Temperatursensor in der Öffnung (15) oder in dem Rohr oder in dem Schlauch für den Leckluftstrom angeordnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckluftströme in Abhängigkeit von der Belegung des Geräteschrankes (2) mit elektronischen Moduleinheiten (4) und deren Verlustwärme ausgebildet und mit Temperatursensoren zur Regelung der Ventilatoren (12) versehen werden.
10. Sensor-Anordnung zur Kühlluftregelung in Gerätschränken von Rechnerräumen, welche einen Aufnahmeraum (3) für elektronische Moduleinheiten (4), insbesondere Hochleistungsserver, einen insbesondere frontseitig angeordneten Kühlluftkanal (5) zur Zuführung von Kühlluft (6) aus einem Luft-Fluid-Wärmetauscher (7) zu den elektronischen Moduleinheiten (4) und einen insbesondere rückseitig angeordneten Abluftkanal (8) aufweisen, aus welchem die mit der Verlustwärme beaufschlagte Abluft (9) der elektronischen Moduleinheiten (4) dem Luft-Fluid-Wärmetauscher (7) zuführbar ist, wobei der Kühlluftkanal (5) lufttechnisch vom Abluftkanal (8) durch Trennwände (11, 17) getrennt ist, und mit drehzahlregelbaren Ventilatoren (12), welche neben Lüftern (13) der elektronischen Moduleinheiten (4) die Luft in einem geschlossenen Kreislauf führen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (10) im Bereich wenigstens eines Leckluftstroms zwischen dem Kühlluftkanal (5) und dem Abluftkanal (8) angeordnet ist und dass die Temperatur TL des wenigstens einen Leckluftstroms die Führungsgröße für die drehzahlregelbaren Ventilatoren (12) im Bereich des Abluftkanals (8) ist.
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