DE10350358A1

DE10350358A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Abwärme einer Anordnung mit einem oder mehreren Computern

Info

Publication number: DE10350358A1
Application number: DE10350358A
Authority: DE
Inventors: Gerd Pommerenke; Gabriele Heim
Original assignee: Fujitsu Technology Solutions GmbH
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: DE10350358B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Lüfter (2), einem Luftkanal (1) und einem Wärmetauscher (WT1), wobei der Lüfter (2) von einem Computer oder elektrischem Gerät erwärmte Abluft über den Luftkanal (1) dem Wärmetauscher (WT1) zuführt, wobei der Wärmetauscher (WT1) einen Eingangsanschluß (6) und einen Ausgangsanschluß (7) aufweist, durch die der Wärmetauscher (WT1) über ein Medium durchströmbar ist, welches sich durch die zugeführte erwärmte Abluft erwärmt, wobei die Vorrichtung in einem Gehäuse (10) angeordnet ist und der Eingangsanschluß (6) und der Ausgangsanschluß (7) des Wärmetauschers (WT1) an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Abwärme einer Anordnung mit einem oder mehreren Computern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Lüfter, einem Luftkanal und, einem Wärmetauscher wobei der Lüfter von einem Computer oder elektrischem Gerät erwärmte Abluft über den Luftkanal dem Wärmetauscher zuführt, wobei der Wärmetauscher einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß aufweist, durch die der Wärmetauscher über ein Medium durchströmbar ist, welches sich durch die zugeführte erwärmte Abluft erwärmt.
Ein Problem beim Betrieb von Computern, insbesondere Großrechenanlagen und Computerserverfarmen, ist eine wärend des Betriebes anfallende starke Wärmeentwicklung, die durch eine Kühlung der Computer bzw. einem Abtransport der anfallenden Wärmeenergie nach außen gelöst ist. Unterbleibt die Abfuhr der Wärmeenergie, so kommt es zu Störungen der Computersysteme.

So werden zur Kühlung von Computersystemen zum Beispiel externe Klimaanlagen, die die Raumtemperatur eines Computerraumes auf einen vorbestimmten Wert begrenzen, verwendet. Diese stellen somit auch indirekt die Kühlung der Computeranlagen sicher.

Des weiteren ist aus der Druckschrift DE 198 04 900 A1 ein Serverschrank bekannt, der ein integriertes Klimagerät beinhaltet, das mit einem Luftführungskanal in räumlicher Verbindung mit dem Serverschrankinnenraum stehen. Darüber hinaus sind zahlreiche verschiedene Lüftungssysteme, die die Wärme mittels Lüftergebläse aus dem Innenraum des Computerschrankes oder Computergehäuses nach außen transportieren, bekannt.

All diesen Lösungen ist gemein, daß die Abwärme des Computers nach außen abtransportiert wird, und dort ungenutzt in der Umgebungsluft verpufft.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Abwärme von Computern wie zum Beispiel Computerserverfarmen nutzbar zu machen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 9 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 gelöst.

Es ist dabei eine Vorrichtung vorgeschlagen, die mittels eines Lüfters eine von zumindest einem Computer erwärmte Abluft einem Wärmetauscher zuführt. In diesem Wärmetauscher wird die Wärmeenergie der Abluft an ein Medium, z.B. Wasser, übergeben. Dabei kühlt die Abluft ab und das Medium erwärmt sich. Mittels des Mediums ist die Wärmeenergie nun an einen anderen Ort transportierbar, und kann dort weitergenutzt werden. Bei der weiteren Nutzung der Wärmeenergie an diesem anderen Ort, verliert das Medium die Wärmeenergie und kühlt sich dabei ab. Das abgekühlte Medium wird zu dem Wärmetauscher zurückgeführt und kann erneut Wärmeenergie aufnehmen.

Der Wärmetauscher weist einen Eingang für das kalte Medium und einen Ausgang für das erwärmte Medium auf. Des weiteren weist der Wärmetauscher einen Eingang für die abwärmebelastete Abluft, sowie einen Ausgang für die gekühlte Abluft auf. Innerhalb des Wärmetauschers erfolgt keine Berührung der Abluft mit dem Medium, sondern nur ein Energieübergang. Alternativ ist eine vorteilhafte Ausführungsform, den Wäremtauscher als Wärmepumpe auszubilden.

Die vorgenannte Vorrichtung ist in ein Gehäuse integriert, das in einen handelsüblichen Serverschrank, zum Beispiel einen 19''-Schrank montierbar ist. Somit ist es möglich, in einem Serverschrank mehrere Computer unterzubringen und zugleich die Wärmemenge bzw. die erwärmte Abluft aller Computer in einem Luftkanal zu sammeln über den Lüfter anzusaugen, zu bündeln und an den ersten Wärmetauscher weiterzuleiten. Der Ein- und Ausgang für das Medium sowie für die Abluft sind dabei an die Aussenseiten des Gehäuses geführt. Zusätzlich ist eine geeignete Leitungsführung, die zum Beispiel am oberen Ende des Serverschrankes die Warmluft abzieht, sie dem Wärmetauscher zuführt und die gekühlte Abluft, zum Beispiel unten, dem Serverschrank wieder zuführt, vorteilhaft. Das heißt es erfolgt ausser dem kontroliertem Wärmeaustausch über den Wärmetauscher, kein oder nur sehr geringer Wärmeaustausch mit der Umgebung und die gesamte Abwärme wird dem Medium, z.B. Wasser, zugeführt.

Die 19''-Bauweise erlaubt auch innerhalb der Serverschränke eine Kaskadierung der oben genannten Vorrichtung. Damit auch bei Serverfarmen, kombiniert aus einer Vielzahl von Computern mit einer Vielzahl von Serverschränken die Abwärme nutzbar gemacht werden kann. Die Luft wird dabei über ein Kanalsystem, zum Beispiel am oberen Ende jedes Serverschrankes abgegriffen und gebündelt. Gesammelt wird sie einem Serverschrank zugeführt, der beispielsweise ausschließlich die oben genannte Vorrichtung einmal oder in einer Vielzahl beinhaltet. In diesem Serverschrank der dann folgerichtig auch Wäremtauscherschrank genannt wird, befinden sich dann ausschließlich Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art, die die erwärmte Abluft aus den Serverschränken kühlen, beziehungsweise ihr die Wärmeenergie entziehen und an das Medium, zum Beispiel Wasser, übergeben. Alternativ kann auch hier der Wärmetauscher als Wärmepumpe ausgebildet sein. Somit ist es möglich, eine große Menge an Wärmeenergie nutzbar zu machen. Diese Wärmeenergie kann dann beispielsweise über einen zweiten Wärmetauscher, z.B. einer Raumheizung oder einer Warmwasserbereitung, zugeführt werden. Unter Zuhilfenahme einer Wärmepumpe wäre es dann auch denkbar, einen Stromerzeuger mit dieser Wärmeenergie zu betreiben.

Da nicht zu jedem Zeitpunkt eine gleiche Menge Wärmeenergie auf diese Weise zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, über eine Regelungseinrichtung den Zu- und Ablauf des Mediums in den Wärmetauscher sowie die Drehzahl des Lüfters zu steuern. Somit ist es möglich, eine gleichmäßige Kühlung für die empfindlichen Computergeräte zum einen sicherzustellen, und zum anderen die Wärmeenergie nicht ungenutzt im Raum oder der Umgebungsluft verpuffen zu lassen.

Als Medium zum Transport der Wärmeenergie eignet sich jedes von Luft ungleiche Medium, wie z.B. Wasser oder ein handelsübliches Kältemittel, wie z.B. R134A oder R413A oder ähnliches. Vorzugsweise wird wohl Wasser aufgrund seiner leichten Verfügbarkeit und ökologischen Unbedenklichkeit Verwendung finden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art,
2 eine halbschematische Darstellung Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Abwärme von einem oder mehreren Computern in einem 19''-Gehäuse,
3 ein Anwendungsbeispiel zur Nutzbarmachung der Abwärme bei mehreren Serverschränken,
4 ein kaskadenartig aufgebauter Schrank zur Nutzbarmachung der Abwärme von einer Vielzahl von Serverschränken,
5 ein Ausführungsbeispiel kaskadenartig aufgebauter Serverschränke mit einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art, und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel kaskadenartig aufgebauter Serverschränke mit einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung der Erfindungsgemäßen Art. Ein Wärmetauscher WT1 ist in einen Luftkanal 1 integriert, wobei dieser Luftkanal einen Lüfter 2 aufweist, der eine erwärmten Abluft 3 in den Luftkanal 1 saugt, und durch den Wärmetauscher WT1 transportiert. Die am Wärmetauscher WT1 abgekühlte Abluft 4 strömt am Ausgang 5 des Luftkanals 1 aus und wird abgekühlt wieder in die Umgebung entlassen. Zur Übertragung der Wärme auf ein Transportmedium, das zum Beispiel Wasser oder ein beliebiges Kältemittel sein kann, wird der Wärmetauscher WT1 von einem solchen Medium durchströmt. Dazu weist der Wärmetauscher WT1 einen Eingang 6 für das kalte Medium, und einen Ausgang 7 für das warme Medium auf. Im einfachsten Falle wird der Wärmetauscher WT1 ständig von dem Medium durchströmt, und erst wenn ausreichend erwärmte Abluft 3 vorhanden ist, beginnt der Lüfter 2, angeregt durch einen Steuerimpuls, diese anzusaugen und durch den Wärmetauscher WT1 zu transportieren. Um die Vorrichtung bedarfsabhängig steuern zu können, ist eine Steuereinrichtung 8 vorgesehen, die wahlweise Zu- oder Abfluß des Mediums bzw. die Drehzahl des Lüfters 2 steuert. Der Zu- oder Abfluß des Mediums kann kann zum Beispiel durch Ventile (9) gesteuert werden, die elektrisch angetrieben werden. Die gesamte Vorrichtung ist in ein Gehäuse 10 integriert.
2 zeigt in einer teilschematischen Darstellung, den Luftkanal 1 und den Lüfter 2, der die erwärmte Abluft 3 ansaugt und durch den Wärmetauscher WT1 leitet. Wobei die gesamte Vorrichtung in ein 19''-Gehäuse 10 integriert ist. Dazu weist das 19''-Gehäuse 10 an einer Gehäuseseite eine Öffnung auf, durch die die abwärmebelastete Abluft 3 angesaugt wird. An einer anderen Gehäuseöffnung wird gekühlte Luft an die Umgebung abgegeben. Dabei ist nicht zwingend erforderlich, daß die beiden Öffnungen an unterschiedlichen Gehäuseseiten sich befinden. Entscheidend ist, daß die erwärmte Abluft 3 in dem Wärmetauscher WT1 möglichst großflächig die Wärmeenergie an ein Medium übergeben kann. Zur Versorgung des Wärmetauschers WT1 mit dem Medium sind Anschlüsse 11 und 12 zur Zuführung und Abführung des Mediums an die Gehäuseaußenseite herausgeführt. Die Unterbringung des Wärmetauschers WT1 mit all seinen Komponenten in das 19''-Gehäuse 10, birgt den Vorteil in sich, eine Anlage zur Abwärmenutzung durch eine Kaskadierung, d.h. den parallelen gleichzeitigen Betrieb von mehreren Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art gestalten zu können, ohne dafür verschiedene Gerätegrößen für verschiedene Wärmemengen zu benötigen.
Es zeigt 3 zwei Serverschränke 13 und 14, die mit einem dritten Serverschrank 15 verbunden sind, der eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art enthält. Die erwärmte Abluft 3 wird hierbei durch einen gemeinsamen Abluftkanal 16 an der Oberseite der Serverschränke 13 und 14 abgegriffen, und der Vorrichtung und damit dem Wärmetauscher WT1 zugeführt. Dieser weist jeweils einen Anschluß 11 und 12 für den Mediumzulauf und den Mediumablauf auf. Alternativ ist hier die Verwendung einer Wärmepumpe an Stelle des Wärmetauschers vorteilhaft. Die gesammelte Wärmeenergie wird der Abluft entzogen und an das Medium übergeben. Mittels des Mediums wird die Wärmeenergie an eine anderen Ort transportiert. Die Wärmeenergie wird an dem anderen Ort an einen zweiten Wärmetauscher WT2, zum Beispiel einer Warmwasseraufbereitung, übergeben.
4 zeigt eine sogenannte Serverfarm, mit einer Vielzahl von Computern in Serverschränken 17, 18 und 19, deren erwärmte Abluft 3 über den Abluftkanal 16 gesammelt und gebündelt einer Vielzahl von Vorichtungen zur Nutzbarmachung der Abwärme von Computern, in einem eigenen Wärmetauscherschrank 20 zugeführt wird. In diesem Wärmetauscherschrank 20 sind alle Wärmetauscher beziehungsweise Vorrichtungen zur Nutzbarmachung der Abwärme parallel geschaltet. Zur Steuerung jeder einzelnen Vorrichtung dient die Steuereinrichtung 8, die bedarfsabhängig die Vorrichtungen zu- bzw. abschaltet und die Eingänge (11) und Ausgänge (12) für das Kältemittel, sowie auch die Lüfter 2 für die Abluft steuert.
5 zeigt eine sogenannte Serverfarm mit einer anordnung mehrerer Kombinationen von Serverschränken, wobei die Serverschränke 15 kaskadiert sind.
6 zeigt eine sogenannte Serverfarm, wobei die Serverschränke 20 kaskadiert sind.

1: Luftkanal
2: Lüfter
3: erwärmte Abluft
4: abgekühlte Abluft
5: Ausgang des Luftkanals
6: Eingang, Medium, kalt
7: Ausgang, Medium, warm
8: Steuereinrichtung
9: Ventile
10: Gehäuse
11: Anschluss Medium Zulauf
12: Anschluss Medium Ablauf
13: erster Serverschrank
14: zweiter Serverschrank
15: dritter Serverschrank
16: Abluftkanal
17: Serverschrank
18: Serverschrank
19: Serverschrank
20: Wärmetauscherschrank

Claims

Vorrichtung mit einem Lüfter (2), einem Luftkanal (1) und, einem Wäremtauscher (WT1) wobei der Lüfter (2) von einem Computer oder elektrischem Gerät erwärmte Abluft über den Luftkanal (1) dem Wärmetauscher (WT1) zuführt, wobei der Wärmetauscher (WT1) einen Eingangsanschluß (6) und einen Ausgangsanschluß (7) aufweist, durch die der Wärmetauscher (WT1) über ein Medium durchströmbar ist, welches sich durch die zugeführte erwärmte Abluft erwärmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Gehäuse (10) angeordnet ist, und der Eingangsanschluß (6) und der Ausgangsanschluß (7) des Wärmetauschers (WT1) an einer Aussenseite des Gehäuses angeordnet sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Wärmetauscher (WT1) als Wärmepumpe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) einem 19''-Gehäuse entspricht, so daß es in einem sogenannten 19''-Schrank einbaubar ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einer Vielzahl kaskadenartig angeordnet ist, und alle Eingangsanschlüsse (6) und Ausgangsanschlüsse (7) sowie Eingang und Ausgang des Abluftkanals (1) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ungleich von Luft ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ein- und/oder Ausgangsanschluß (6,7) mit einem Steuermechanismus ausgestattet ist, der durch eine Steuereinrichtung (8) steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß (6) und der Ausgangsanschluß (7) mit einem zweiten Wärmetauscher (WT2) verbunden sind, wobei dieser zum Beispiel eine Wärmeübergabestelle für ein Heizsystem darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Lüfters (2) durch die Steuereinheit (8) regelbar ist.
Verfahren zur Nutzbarmachung von Abwärme von Computern, dadurch gekennzeichnet, daß erwärmte Abluft (3) einem Wärmetauscher (WT1) zugeführt wird, der die Wärmeenergie der erwärmten Abluft (3) an ein, von Luft verschiedenes, Medium, z.B. Wasser, übergibt.
Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (WT1) als eine Wärmepumpe ausgebildet ist.
Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erwärmte Medium die Wärmeenergie in einen zweiten Wärmetauscher (WT2) an ein Heizsystem übergibt.
Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmte Abluft (3) aus 1 bis n Computern gebündelt und an eine kaskadenartige Anordnung aus Vorrichtungen gemäß Patentanspruch 1 bis 8, oder an eine einzelne Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bis 8 entsprechender Leistungsfähigkeit, geleitet wird.