CN102483641B - 用于服务器群冷却系统的冷排封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于服务器群冷却系统的冷排封装。设备、方法和系统针对数据中心的高效冷却。本发明的一些实施例允许通过外壳实现冷排封装并允许服务器风扇从冷排封装结构汲取冷空气以使安装在服务器机架上的服务器冷却。在其他具体实施例中，所公开的系统可以用于将外部冷空气混合到冷排封装结构中以使服务器冷却。在一些实施例中，本发明涉及使用连接夹，以将冷排封装结构的顶部或者底部横杆紧固到服务器机架的顶部或者底部横杆。

Description

用于服务器群冷却系统的冷排封装

技术领域

本发明大体涉及用于数据中心的冷却系统。

背景技术

互联网服务(例如网页电子邮件、网页搜索、网站托管、以及网页视频分享)的迅速增长正产生了对于来自数据中心的服务器的运算和存储能力的日益高涨的需求。在服务器的性能正在提高的同时，尽管在集成电路的低功耗设计方面进行了努力，然而服务器的功耗也升高了。例如，最广泛使用的服务器处理器之一，AMD的皓龙(Opteron)处理器以高达95瓦的功率运行。英特尔的至强(Xeon)服务器处理器在110和165瓦之间的功率运行。然而，处理器仅是服务器的一部分；服务器中的其他部分(例如冷却风扇和存储装置)还消耗额外的功率。

在数据中心，服务器通常被布置在机架中。对于机架存在多种物理构造。通常的一种机架构造包括安装轨，多个设备单元(例如刀片式服务器)被安装至安装轨，并在机架内竖直地堆叠。最广泛使用的19英寸机架之一是用于安装诸如1U或2U服务器的设备的标准化系统。这种类型机架上的一个机架单元通常高1.75英寸，宽19英寸。可以安装在一个机架单元中服务器通常被设计为1U服务器。在数据中心，标准机架通常密集地群集有服务器、存储装置、开关、和/或电信设备。

数据中心室应该维持在对于服务器(通常其具有通过机箱抽吸空气的冷却风扇来进行冷却)的可靠运转而言可接受的温度和湿度。密集地堆叠有配备了皓龙或至强处理器的服务器的机架的功耗可以在7,000和15,000瓦之间。由此，服务器机架可以产生非常集中的热负荷。由机架中的服务器散发的热被排向数据中心室。由密集地群集的机架所共同产生的热会对机架中的设备的性能和可靠性产生不利的影响，这是因为它们依靠周围空气以冷却。因此，加热、通风、空调(HAVC)系统通常是高效数据中心的设计的重要部分。

典型的数据中心消耗10至40百万瓦的功率。能耗的大部分在服务器的运转与HVAC系统之间分配。预计HVAC系统占用了数据中心使用的功率的百分之25至40之间。对于消耗40百万瓦功率的数据中心而言，HAVC系统可以消耗10至16百万瓦的功率。可以通过利用减少能量使用的高效冷却系统和方法来实现显著的成本降低。例如，将HVAC系统的功耗从占数据中心所使用的功率的百分之25降低到百分之10，带来6百万瓦功率的节省，这足以对数千居民住宅进行供电。

在数据中心室中，服务器机架通常成排地布局，并在它们之间具有交替的冷、热通道。全部服务器被安装到机架中，以实现前-后气流模式，其从位于机架前方的冷排汲取经调解的空气，并通过机架后方的热排将热排出。升高的地板空间设计通常用于容纳地板下空气分配系统，在地板下空气分配系统处，冷却后的空气沿着冷通道通过升高的地板中的孔进行供应。

数据中心的高效冷却的重要因素是管理数据中心内的空气流动和循环。计算机室空调器(CRAC)单元通过在机架之间包括孔的地砖供应冷空气。除了服务器之外，CRAC单元还消耗大量的功率。一个CRAC单元可以具有多达三个5马力的电动机，而为了对数据中心进行冷却，可能需要多达150个CRAC单元。CRAC单元共同消耗了数据中心的大量功率。例如，在具有热排和冷排构造的数据中心室中，来自热排的热空气移出热排并循环至CRAC单元。CRAC单元将该空气冷却。通过CRAC单元的电动机带动的风扇将冷却后的空气供应至由升高的子地板界定的地板下增压室。通过将冷却后的空气驱动到地板下增压室所产生的压力驱动冷却后的空气向上通过子地板中的孔，将其供应至服务器机架所面对的冷通道。为了实现足够的空气流率，可以将数百个强力的CRAC单元安装在整个通常的数据中心室中。但是，因为CRAC单元通常安装在数据中心室的角部处，所以它们有效增大空气流率的能力受到不良的影响。建造升高地板的成本通常较高，并且由于数据中心室内不足的空气移动，冷却效率通常较低。此外，在数据中心的整个设计和构造当中，地板孔的位置需要进行仔细的规划，以防止所供应空气的短路。移除通道以对热区进行修理可能会引起整个系统的问题。

发明内容

本发明提供了针对高效冷却数据中心的系统和方法。在具体实施例中，本发明提供了一种冷排封装结构，其包括被配置为与一个或多个服务器机架相接合的至少一个服务器机架端口，以及与冷排封装结构的顶表面连接的冷却模组。服务器机架端口被配置为与服务器机架配合，使得服务器机架的前面与由冷排封装结构所界定的内部空间相接合。在一些实施例中，服务器机架端口和服务器机架通过一个或者多个连接夹连接，以促进服务器机架和端口的配合，并减小空气泄漏进出冷排封装结构。

本发明的一些实施例利用安装在机架上的服务器的冷却风扇以通过服务器机架的前面从冷排封装结构汲取冷空气，并将热空气从机架安装式单元的后侧排出。本发明的一些实施例避免了对升高的子地板、以及用于促使已冷却的空气进入地板下增压室的风扇和其他设备的需求。安装在冷排封装结构的顶部上的冷却模组通过安装在冷却模组内的冷却盘管来使热空气冷却。在一些实施例中，被冷却的液体被用在盘管内以与冷却模组中的热空气进行热交换。

在本发明的一个实施例中，系统和方法针对在不引入外部空气的情况下使数据中心服务器冷却室内的热空气冷却。由服务器风扇排出的热空气进入可位于冷排封装结构的顶部上的冷却模组。热空气由冷却模组内基于水的冷却盘管进行冷却，并且冷却后的空气通过重力以及冷排封装结构的内部空间内产生的低压而进入冷排封装结构。服务器风扇从与冷排封装结构连接的服务器机架端口汲取冷空气以使服务器冷却，并从服务器机架的后侧排出热空气。

在本发明的其他实施例中，系统和方法涉及混合外部冷空气以使服务器冷却。在一个实施例中，数据中心中的室顶气闸可以由温度控制单元控制，并在外部温度达到某个阈值时打开。外部空气进入数据中心并通过安装在冷排封装结构的顶部上的冷却模组。服务器风扇从冷排封装结构汲取冷空气。热空气通过室顶排气风扇排放到外部。在一些实施例中，为了控制数据中心服务器冷却室中的空气的湿度，尤其是当外部空气不能满足服务器和其他设备的工作要求时，可以使用湿度调节器来调节外部空气。但是，近年来，由于技术进步，服务器设备的制造商已经显著放松了湿度要求。

以下详细说明与附图一起将提供对本发明的各种实施例的属性和优点的更佳理解。

附图说明

图1是示出示例冷排封装结构和示例冷却模组的图。

图2是示出具有集成服务器机架的示例冷排封装结构和示例冷却模组的图。

图3是示出具有集成服务器机架的示例冷排封装结构、布置在一个服务器机架上的示例服务器、以及示例冷却模组的图。

图4是示出示例服务器以及汲取由示例冷却模组调节的冷空气的服务器风扇的图。

图5是示出示例数据中心服务器冷却室的图，其具有冷排封装结构、冷却模组、屋顶上的排气风扇、以及具有控制室内和室外空气循环的气闸的混合腔。

图6是示出冷排封装结构的图，其中，连接夹用来将冷排封装结构的顶部和底部横杆与一个或者多个服务器机架的顶部和底部横杆固定。

图7是示出固定两个顶部横杆的示例连接夹的图。

图8是示出固定两个底部横杆的实力连接夹的图。

具体实施方式

结合仅意图作为示例而非对范围进行限制的设备、方法和系统对以下示例实施例及其方面进行说明和解释。

图1图示了示例冷却模组100和示例冷排封装结构106。冷排封装结构106可以具有框架、面板、门、和服务器机架端口。服务器机架端口是在冷排封装结构106上的能够连接至服务器机架的开口。冷排封装结构106可以由制造界定了包括至少一个服务器机架端口的内部空间的壳体的各种材料制成，例如钢、合成材料或碳材料，该服务器机架端口允许机架安装式单元与内部空间相接合。在一些实施例中，冷排封装结构106可以直接安装至地板表面，而在数据中心冷却室中不需要升高地板以用于冷却后的空气。在其他实施例中，可以使用升高的子地板。

冷却模组100可以布置并定位在冷排封装结构106的顶部，并连接至冷排封装结构106的顶表面。冷却模组100包括一个或多个冷却盘管102。经过冷却盘管102内部的液体被用于与经过冷却模组100的相对较热的空气进行热交换，从而将空气冷却。在一个实施例中，冷却模组100还包括外壳，冷却盘管102位于所述外壳内。冷却模组外壳可以具有一个或多个开口104，空气可以通过开口104进入外壳。在一些实施例中，开口104可以包括空气滤清器。冷却模组外壳可以具有与冷排封装结构106的顶表面连接的一个或多个开口，通过这些开口，冷空气离开冷却模组并进入由冷排封装结构所界定的内部空间。

在一些实施例中，水被用在作为热交换器的冷却盘管102内。水泵、水冷设备和相关管路(未示出)将冷却后的水供应至冷却盘管102。在其它实施例中，其他类型的液体或流体，诸如水-乙二醇溶液、蒸汽或者冷却液可以被用在作为热交换器的冷却盘管102内。

在一些实施例中，冷却盘管102可以是蜿蜒形状的管道线路。在其他实施例中，冷却盘管102可以是其他形状，例如直线的管道线路。取决于冷排封装结构106的尺寸、冷却要求、空气流的速度、以及冷却盘管102的物理特性，冷却模组100中的冷却盘管的数量可以不同。在一个实施例中，在冷却模组100内使用两个冷却盘管。

因为冷空气通常比热空气重，所以由冷却盘管102冷却的冷空气通常向下移动到由可以位于冷却模组100下方并连接至冷却模组100的冷排封装结构106界定的内部空间中。冷排封装结构106包括界定了内部空间的外壳。外壳包括被配置为与多个服务器机架相接合的至少一个服务器机架端口110。服务器机架端口110被配置为与服务机架相接合，使得服务器机架的前面与冷排封装结构106的内部空间相交。在一个实施例中，可以将六个标准服务器机架连接至服务器机架端口110。在另一实施例中，可以将十二个标准服务器机架连接至服务器机架端口110。服务器安装到机架内，以实现前-后气流模式，其从前方的冷排封装结构106吸入经过调节的空气，并将热向机架后方排出。

在一个实施例中，冷排封装结构106可以包括多于一个服务器机架端口110。服务器机架端口110可以配合服务器机架，使得服务器或安装在服务器中的其他装置的前面与由冷排封装结构106界定的内部空间相接合。如图4所示，此构造实现了前-后的气流模式，其中，服务器或者其他机架安装单元的风扇从内部空间汲取空气，并将由一个或多个处理器和其他部分加热的空气排出后面板之外。在一些实施例中，服务器机架和冷排封装结构可以由图6所示的一个以上的连接夹连接；冷排封装结构106的内部空间内的经过调节的冷空气通过服务器内的一个或多个风扇汲取以冷却服务器。在其他实施例中，服务器机架和冷排封装结构106彼此相邻地布置，使得冷排封装结构106的内部空间内的经过调节的冷空气能够通过服务器内的服务器风扇汲取到服务器。相对较热的空气循环到位于冷排封装结构106顶部的冷却模组100，并与冷却盘管102进行热交换。来自冷却模组100的冷空气下沉到冷排封装结构106，并通过服务期内的服务器风扇汲取到服务器的后方。在一些实施例中，服务器机架稀疏地安装有服务器和其他设备。因为服务器和其他设备在机架内竖直地堆叠，所以缺点是可能对于冷排封装结构的内部空间产生开放间隙。冷空气可以从冷排封装结构106的内部空间泄漏，而热空气可以循环回到内部空间，从而降低热效率。为了方式空气泄漏，可以由安装到服务器机架的面板来堵塞间隙，其防止空气通过间隙散逸并进入冷排封装结构。

在一个实施例中，冷排封装结构106还可以包括位于底部的稳定性控制单元114。稳定性控制单元114可以包括被构建为耐受在诸如地震之类的自然灾害期间的震动的部件。在一些实施例中，稳定性控制单元114可以具有用于卷动的装置，其能够迅速地释放以容易地移动冷排封装结构106。当使用稳定性控制单元114时，可以将冷排封装结构106从地面抬升。由此，从冷排封装结构106的底部，冷空气可能泄漏且热空气可以进入。为了防止空气泄漏，在一个实施例中，冷排封装结构106的底侧可以被对底表面进行密封的面板闭合，稳定性控制单元114可以安装在该底表面上。

在一个实施例中，一个或多个门108可以安装在冷排封装结构106的外壳上。门108可以打开和关闭，使得数据中心人员可以进入冷排封装结构以进行诸如服务器维护之类的各种任务。门108可以进行隔离以防止冷空气从冷排封装结构106漏出。

冷排封装结构106的尺寸可以取决于期望的服务器支架数量、服务器的冷却要求等而显著不同。在一个实施例中，可以将六至十二个标准服务器机架连接至冷排封装结构106的各个服务器机架端口110。可以将另外六至十二个标准服务器机架连接至位于冷排封装结构的相对侧上的服务器机架端口。相对的服务器机架端口之间的距离可以是4英尺。冷排封装结构106的高度可以是12英尺，深度也可以是12英尺。

图2图示了示例冷却模组200、冷排封装结构206、以及集成的服务器机架208和210。除了服务器机架图示为与冷排封装结构206的服务器机架端口配合之外，该示例中的系统与图1中的系统类似。服务器可以安装到集成的服务器机架208和210中，以实现前-后的气流模式。集成的服务器机架208和210的前面与冷排封装结构206的内部空间相接合。服务器内的服务器风扇从冷排封装结构206汲取冷空气，以冷却服务器，并将相对热的空气从服务器机架的后方吹送出。热空气接着通过一个或多个开口204循环至冷却模组200，并与一个或多个冷却盘管202进行热交换。冷却模组200可以位于冷排封装结构206的顶部，并可以通过位于冷排封装结构206的顶侧和冷却模组200的底侧的开口连接至冷排封装结构206的顶表面。冷空气大体向下移动，尤其是当一个或多个风扇从冷排封装结构汲取冷空气而在冷排封装结构206的内部空间中产生较低气压时。

图3图示了示例冷却模组300、冷排封装结构302、服务器机架304、以及布置在服务器机架上的示例服务器306。此示例中的系统与如图2所示的那一个相似。经过调节的冷空气通过被置于冷排封装结构302的顶部的冷却模组300接入冷排封装结构302。服务器306内的服务器风扇风扇从冷排封装结构302的内部空间汲取经过调节的冷空气，并对服务器306进行冷却。

图4图示了示例冷却模组400、冷却盘管402、服务器404和服务器404内的服务器风扇406。来自冷却模组400和冷却盘管402的经过调节的冷空气由服务器风扇406汲取并经过服务器404以对服务器进行冷却。然后通过服务器风扇406将相对热的空气吹出服务器404外。

如上文所揭示的，如图1和2所示的冷却系统可以在由数据中心服务器冷却室界定的内部空间中进行运转，以从数据中心服务器冷却室的内部空间汲取冷空气，并将冷却后的空气提供至冷排封装结构106的内部。但是，在一些实施例中，冷却系统还可以与包括气流控制的数据中心冷却室共同地运转，该气流控制允许使用外部空气。图5图示了示例数据中心服务器冷却室500，其具有一个或多个室顶风扇516、控制外部空气进气的室顶气闸514、混合腔518、以及控制进入混合腔518的空气的循环的气闸512。冷却模组502包括一个或多个冷却盘管504，并连接至混合腔518。冷排封装结构506的顶表面连接至冷却模组502。在冷排封装结构506的外壳上的服务器机架端口508连接至服务器机架510。服务器可以安装到服务器机架中，以实现前-后的气流模式。服务器机架的前面与冷排封装结构506的内部空间相交。服务器内的服务器风扇从冷排封装结构506汲取冷空气以对服务器进行冷却，并将热空气从服务器机架排出。

服务器冷却室500可以在两种模式下运转。在一种模式下，不将外部空气引至服务器冷却室500；从服务器排出的热空气循环回到混合腔518和冷却模组502。在另一模式下，将外部空气引至服务器冷却室500。室顶气闸514打开，而混合腔上的气闸512关闭。外部冷空气经过冷却模组502，并进入冷排封装结构506。

在一个实施例中，室顶气闸514关闭，而混合器上的气闸512打开。由服务器排出的热空气的一部分通过一个或多个室顶风扇516排出到数据中心服务器冷却室500的外部；热空气的一部分通过打开的气闸512进入混合腔518。混合腔内的热空气被汲取至冷却模组502，并与冷却盘管504进行热交换。冷空气接着通过重力和冷排封装结构506的内部空间内的较低气压而进入冷排封装结构506。

在另一实施例中，室顶气闸514打开，而混合腔上的气闸512关闭。外部冷空气通过打开的气闸514进入混合腔518，经过冷却盘管504，并下沉至冷排封装结构506的内部空间。

在一些实施例中，气闸512和514的打开和关闭可以由温度控制单元来控制。当外部温度达到合适水平时，温度控制单元打开室顶气闸514以允许外部空气进入室，并关闭混合腔上的气闸512以防止从服务器排出的热空气进入混合腔。当外部空气对于服务器冷却室500而言过热时，温度控制单元关闭室顶气闸514以防止将热的外部空气引入室内，并打开气闸512以允许从服务器排出的热空气回到混合腔。利用外部自然冷空气显著降低了数据中心的能耗，这是因为这减少使通过冷却模组100循环的液体冷却的需求。在一些实施例中，气闸512和514的打开和关闭以及室顶风扇516的操作全部由诸如温度控制单元之类的电子装置来控制，温度控制单元监视服务器冷却室内部和外部的温度，并使气闸和风扇进行工作以实现对室进行冷却的最佳效率。

取决于数据中心的位置，外部冷空气的湿度会不同。当外部冷空气的湿度较低时，外部空气可能必须被调节以使得湿度水平满足服务器的可靠运转的要求。虽然服务器制造商已经显著放松了对服务器设备的可靠运转的湿度要求，但是数据中心服务器冷却室内的大气的合适湿度对于数据中心内的设备的性能和可靠性而言仍然重要。在一些实施例中，一个或多个加湿器可以安装在混合腔518中，以调节通过混合腔的空气的湿度。

图6图示具有一个以上连接夹606的示例冷却系统，其中，连接夹606将水平横跨延伸并靠近服务器机架端口的上边缘的顶部横杆与服务器机架的顶部横杆连接。在图6中，冷却模块600置于冷排封装结构612的顶部上，该冷排封装结构612包括构造成与机架配合的服务器机架端口。当一个以上的服务器机架614在服务器机架端口中配合时，冷排封装结构的顶部横杆602与服务器机架614的一个以上的顶部横杆604配合。一个以上的连接夹606用来快速地将一个以上的服务器机架614的顶部横杆与冷排封装结构612的顶部横杆固定。类似地，冷排封装结构的底部横杆618可以与服务器机架的底部横杆620配合。一个以上的连接夹616用来快速地将一个以上的服务器机架614的底部横杆与冷排封装结构612的底部横杆固定。

在一些实施例中，连接夹可以具有U形轮廓。U形连接夹可以用作固定两个横杆的扣。在U形连接夹的一侧上，一个以上的销构件608可以被收紧以紧固连接夹并固定该连接。销构件608可以是金属螺栓。连接夹606可以由金属(诸如钢)制成。连接夹的宽度可以与冷排封装结构的顶部或者底部横杆和服务器机架的顶部或者底部横杆的组合宽度相当。连接夹提供用于将服务器机架与冷排封装机构固定的快速和容易的机构。

图7图示固定两个横杆的示例连接夹。U形连接夹704用来固定横杆700和横杆702。在一些实施例中，横杆700可以是冷排封装机构的顶部横杆，并且横杆702可以是配合到在冷排封装结构的服务器端口中的服务器机架的顶部横杆。横杆700和702可以由诸如钢的金属制成。连接夹704的宽度可以与横杆700和横杆702的组合宽度相当。连接夹上的两个销构件706可以包括金属螺栓，该金属螺栓能通过两个插口拧紧以紧固横杆700和702的组合。在一些实施例中，两个以上的销构件可以用在连接夹上。

图8图示了紧固两个横杆的示例连接夹。U形连接夹804用来固定横杆800和横杆802。在一些实施例中，横杆800可以是冷排封装结构的底部横杆，并且横杆802可以是配合到冷排封装结构的服务器机架端口中的服务器机架的底部横杆。横杆800和802可以由诸如钢的金属制成。连接夹804的宽度可以与横杆800和横杆802的组合宽度相当。连接夹上的两个销构件806可以包括金属螺栓，该金属螺栓能通过两个插口拧紧以固定横杆800和802的连接。在一些实施例中，两个以上的销构件可以用在连接夹上。

本发明已经参照具体实施例来进行说明。例如，尽管已经参照具体部件和构造来描述本发明的实施例，但是本领域的技术人员将理解到还可以使用不同的部件和构造的组合。其他实施例对于本领域的技术人员是明显的。因而，除了权利要求所表示，本发明不受限制。

Claims (10)

1.一种服务器冷却系统，包括：

外壳，所述外壳界定了内部空间，并包括被构造为与机架配合的机架端口，所述外壳还包括水平横向延伸并靠近所述机架端口的上边缘的顶部横杆和水平横向延伸并靠近所述机架端口的下边缘的底部横杆；

冷却和混合模组，其进行工作以将冷却空气供应至由所述外壳界定的所述内部空间；

机架，其包括横杆和安装在所述机架中的一个或多个机架安装单元，其中，所述机架配合在所述机架端口中，使得所述一个或多个机架安装单元的各个前面与由所述外壳界定的所述内部空间相接合；

一个或多个冷却风扇，其进行工作以通过所述一个或多个机架安装单元的各个前面从所述内部空间汲取空气，并将被加热的空气从所述一个或多个机架安装单元排出；以及

连接夹，其将所述机架的横杆固定到所述外壳的顶部横杆或者底部横杆。

2.根据权利要求1所述的服务器冷却系统，其中，所述连接夹具有U形轮廓并且包括：

一个或多个销构件；

扣构件，所述扣构件还包括用于接收所述销构件的一个或多个插口，其中，通过安装在所述插口中的所述销构件，所述扣构件将所述机架的横杆紧固到所述外壳的顶部横杆或底部横杆。

3.根据权利要求1所述的服务器冷却系统，其中，所述机架端口构造成基本符合一个或者多个机架的外周。

4.根据权利要求3所述的服务器冷却系统，其中，所述机架端口在被安装到所述机架时能被基本密封。

5.根据权利要求4所述的服务器冷却系统，其中，所述机架端口包括构造成基本密封具有所述机架端口的所述一个或者多个机架的垫片。

6.根据权利要求1所述的服务器冷却系统，其中，所述冷却和混合模组还包括：

一个或者多个集成盘管，其适配于冷却所述冷却和混合模组内的周围空气；

一个或者多个集成气闸，其适配于调节进出所述冷却和混合模组的空气的流量；

控制单元，其可工作地控制所述集成气闸的操作。

7.根据权利要求6所述的服务器冷却系统，其中，液体被用在所述集成盘管内以冷却周围空气。

8.根据权利要求6所述的服务器冷却系统，其中，所述集成气闸由温度控制单元控制。

9.根据权利要求1所述的服务器冷却系统，其中，所述机架端口包括一个或者多个服务器置于其上的一个或者多个机架。

10.根据权利要求1所述的服务器冷却系统，其中所述机架包括多个横杆，所述服务器冷却系统包括多个连接夹，所述多个连接夹将所述机架的多个横杆固定到所述外壳的顶部横杆或者底部横杆。