TW202217220A - 機櫃冷卻系統 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種機櫃冷卻系統，包括空氣壓縮單元、冷卻單元、第一監測單元、第一管路單元及第二管路單元，其中第一管路單元連接在空氣壓縮單元、冷卻單元之間，讓環境空氣進入空氣壓縮單元產生壓縮空氣，經由第一管路單元進入到冷卻單元，使得壓縮空氣進行熱交換而形成壓縮冷卻空氣，而第二管路單元連接在冷卻單元及機櫃內之關鍵發熱元件之間，第一監控單元監控關鍵發熱元件的負載狀態，第一監控單元依據關鍵發熱元件的負載狀態，決定第二管路單元要輸出多少流量的壓縮冷卻空氣對關鍵發熱元件進行冷卻。
Description
本發明有關於冷卻系統，尤指一種應用在機櫃的壓縮空氣冷卻系統。
按，隨著電腦技術的蓬勃發展，使得資訊機房的計算能力提高，也同時讓冷卻耗能不斷增加，而且需在一定空間內安裝適當熱交換能力之空調機設備，因此資訊機房的冷卻規範也逐漸地進行調整修改。
參考2010年美國採暖、製冷與空調工程師學會(American Society of. Heating, Refrigerating, and Air-Condition. Engineers，簡稱ASHRAE)於資訊機房的資訊設備之入風條件，該規範修改資訊機房入風條件限制，而其中濕度的控制更放寬至85~90%RH，也使空調除濕功能需被有效限制或管理，以降低加濕所導致顯熱或潛熱對機房影響。
而中國大陸資訊機房冷卻系統也具有相似之規定與要求，該規範限制資訊機房使用空調系統必須顯熱具有90%，以乾盤管設計最佳，而此將會更加限制空調盤管設計與製冷能力。而於溫度部分ASHRAE也將放寬至35℃以上，因此運用於資訊機房之空調系統需更具有高度溫濕度控制與運用特性，而非傳統IT空調設計。
此外，資訊機房之發展誠如Yahoo於2011年Data center world所發表之文章說明，因應雲端虛擬化運算，大型資訊機房Yahoo已開始減少，未來將再減少3個大型資訊機房，而開創出大量鄰近使用者之小型資訊機房，加上私有雲之發展，未來小型化機房將會成為市場主流。
以目前的一種機櫃式空調(InRow)技術而言，經國外相關文獻顯示可營造出有效冷熱道，進而降低資訊機房冷卻負載，如美國EPA、柏克萊實驗室與Data Center World等。
但InRow空調機安裝於機櫃(Rack)間，相對降低機櫃有效擺放空間，而目前高密度發展趨勢，未來每一機櫃可能會超過30kW發熱，甚至超過40kW，而100年時於德國發表之高密度伺服器，單一機櫃平均發熱量已達58kW，如參考目前InRow空調機商品效能，於入風條件32℃，而入水條件7℃下，最高熱交換能力29kW，不易滿足未來資訊機房使用設計，將形成一機櫃需1~2個InRow空調機，此違反高密度置放原則。
又，小型機房因應空間需求與組裝便利性等，如以現行貨櫃式機房為例(US20110278999A1)，機櫃與InRow空調機安裝後，則不易實現設備更換與維護，如要滿足維護與更換人員作業空間，則需擴大資訊機房設計空間，所付出之空間成本遠大於設備成本。
再者，因應空間問題InRow空調機熱交換器與過濾網等尺寸受限，無法縮小空調機(Air Power)之尺寸，以市售尺寸大小為80cm的空調機送風，其耗能約在700~1.2kW之間。又，參考2011年3月Data Center World所發表之資訊，InRow空調機因氣流場問題，相同會產生熱堆積現象，以及冷熱通道旁通問題，而國外解決之道為使用隔間、檔板、封條或機櫃空調，降低氣流混流提高熱交換效率，目前已有多家申請專利。如美國專利證號US 7,724,513之所述，期望以檔板先解決氣流場問題，再使兩機櫃共用一InRow空調機降低未來機櫃負載不均，造成熱道效應消失問題。當移出機櫃(Rack)或空調機時，該項InRow冷熱道設計基準將會被打破，此時所需之冷卻能力將必須更高，而此部分US 7724513專利設計也無法有效改善。
現行另衍生兩套重要冷卻專利，一為機櫃冷卻(Rack Cooling)設計，該設計為單一機櫃(Rack)冷卻模組設計，與資訊機房或其冷卻設計無關。另一為IBM機櫃門冷卻系統(US 7385810)，該公司分為前門與後門冷卻兩專利，目前排風後門冷卻專利以通過，但該專利限定需與中央空調系統一起搭配使用，而冷媒先經空調後再送至Rack後進行冷卻，對於節能改善有限。
綜上所述，傳統的機櫃式空調(InRow)實有違反高密度置放原則、不易實現設備更換與維護、熱堆積現象、冷熱通道旁通、冷卻能力有限，或者需要搭配資訊機房使用，或者只能單獨使用等諸多問題，因此，有必要改善機櫃的冷卻系統，以提升冷卻效率，減少耗能，已成為目前的亟待解決的問題。
有鑑於先前技術的問題，本發明的目的，係在提供便於維修，又可彈性使用，而且可以針對關鍵發熱元件進行散熱冷卻的機櫃冷卻系統。
根據本發明之目的，係提供一種機櫃冷卻系統，包括空氣壓縮單元、冷卻單元、第一監測單元、第一管路單元及第二管路單元，其中空氣壓縮單元之輸出端連接第一管路單元的一端，第一管路單元的另一端連接冷卻單元之輸入端，第二管路單元的一端連接在冷卻單元輸出端，第二管路單元的另一端連接到機櫃內之關鍵發熱元件，而第一監控單元連接第二管路單元，並監控關鍵發熱元件的負載狀態，如此，環境空氣即可從空氣壓縮單元的輸入端進入空氣壓縮單元中產生壓縮空氣，再從空氣壓縮單元的輸出端輸出壓縮空氣，以經由第一管路單元進入到冷卻單元的輸入端，使得壓縮空氣在冷卻單元內進行熱交換，而形成壓縮冷卻空氣，而第一監控單元依據關鍵發熱元件的負載狀態資訊，而負載狀態資訊通常為關鍵發熱元件的工作溫度或者是工作電流，用以決定第二管路單元要輸出多少流量的壓縮冷卻空氣對關鍵發熱元件進行冷卻。
其中，第一監測單元包括至少一第一流量控制閥與一負載監控設施，第一流量控制閥設置於將壓縮冷卻空氣注射或輸送至關鍵發熱元件，負載監控設施可為電流監控設施或溫度監控設施。
其中，空氣壓縮單元係可為磁浮式、離心式、容積式、動力式之空氣壓縮機。
其中，冷卻單元係具有熱交換器，熱交換器藉由空氣、水或其他冷卻流體移除壓縮空氣之熱量。再者，熱交換器，可為管鰭式、雙重管、殼管式交換器或其他可供相向流體互不質傳而實現熱傳之構成。又，熱交換器中所使用的冷源係為冰水機所提供冰水、冷卻水塔所提供冷卻水或自然水源之水等。
其中，該第二管路單元的另一端係設置於機櫃內部對應關鍵發熱元件的所在位置，或可銜接硬質或軟質之管件，用將壓縮冷卻空氣注射或輸送至關鍵發熱元件。
其中，更包括第一過濾單元，第一過濾單元係設在空氣壓縮單元、冷卻單元、第一監測單元、第一管路單元及第二管路單元之一或任二者以上的輸入端或輸出端，以防止或降低環境空氣中的灰塵、懸浮粒子等汙物進入到機櫃中。
其中，冷卻單元係具有移除降溫衍生空氣冷凝水之移除模組，移除模組與移除管路單元連接，用以將冷凝水經由移除管路單元排出冷卻單元之外。
其中，更包括引流殼體，引流殼體係罩設在關鍵發熱元件之上，用以將壓縮冷卻空氣形成噴流引動氣體，強化對關鍵發熱元件散熱功能。
其中，機櫃係設在資訊機房內，且資訊機房內設有空調與通風系統，以輔助維持資訊機房內部運轉環境的溫度及或濕度。
其中，更包括第二監控單元，第二監控單元係連接第三管路單元及空調與通風系統，第三管路單元的輸入端係連接到空調與通風系統的輸出端，第三管路單元之輸出端係連接到該機櫃前或所在的一資訊機房內，第二監控單元係監控空氣狀態，空氣狀態係指影響機櫃內之資訊設備運作之空氣品質，尤其是環境空氣之溫度、濕度，並根據監控空氣狀態產生監控空氣資訊，且依據監控空氣資訊進一步調整第三管路單元要輸出的空氣的流量大小及空調與通風系統運轉狀態。
其中，更包括第二過濾單元，第二過濾單元係設在空調與通風系統及第三管路單元之一或任二者以上的輸入端或輸出端，以防止或降低環境空氣中的灰塵、懸浮粒子等汙物進入到機櫃中。
其中，本機櫃冷卻系統更設有控制單元，控制單元連接第一監控單元及第二監控單元，以接收負載狀態資訊及監控空氣資訊的其中之一或兩者之組合，而整合調整第二管路單元壓縮冷卻空氣的流量大小、或第三管路單元輸出的空氣流量大小，及控制資訊機房的空氣調與通風系統之運轉。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但並不用於限定本發明。
請參閱圖1所示，本發明係一種機櫃冷卻系統，包括空氣壓縮單元1、第一管路單元2、冷卻單元3、第二管路單元4及第一監控單元5，其中第一管路單元2的一端連接空氣壓縮單元1之輸出端，第一管路單元2的另一端連接冷卻單元3之輸入端。第二管路單元4的一端連接冷卻單元3輸出端，第二管路單元4的另一端連接到機櫃6內之關鍵發熱元件60。第一監控單元5監控關鍵發熱元件60的負載狀態，以產生負載狀態資訊，第一監控單元5並連接第二管路單元4。
當空氣壓縮單元1將環境空氣從其輸入端吸入後，讓環境空氣在空氣壓縮單元1中形成壓縮空氣，再從空氣壓縮單元1的輸出端輸出壓縮空氣，壓縮空氣再經由第一管路單元2進入到冷卻單元3的輸入端，使得壓縮空氣在冷卻單元3內進行熱交換，而形成壓縮冷卻空氣。第一監控單元5則依據監控關鍵發熱元件60所產生的負載狀態資訊，而負載狀態資訊通常為關鍵發熱元件60的工作溫度或者是工作電流，令第一監控單元5根據負載狀態資訊決定第二管路單元4要輸出多少流量的壓縮冷卻空氣對關鍵發熱元件60進行冷卻。
為了減少第二管路單元4傳送壓縮冷卻空氣到關鍵發熱元件60的損失，在本發明中，請參閱圖2所示，在關鍵發熱元件60上設有引流殼體600，引流殼體600將壓縮冷卻空氣形成噴流引動氣體，強化對關鍵發熱元件60散熱功能。再者，第一監測單元5包括至少一第一流量控制閥50與一負載監控設施52，第一流量控制閥50設置於將壓縮冷卻空氣注射或輸送至關鍵發熱元件60前，負載監控設施52可為電流監控設施或溫度監控設施，例如電流感測器或溫度感測器，用以感測關鍵發熱元件的工作溫度或者是工作電流。
在本發明中，空氣壓縮單元1係可為磁浮式、容積式、動力式或其他型式之空氣壓縮機，進一步而言，舉凡可將空氣利用機械能轉換成壓力能或者使空氣利用動能轉換為壓力能，形成壓縮空氣者皆屬於本發明所稱之空氣壓縮單元1。
在本發明中，請參閱圖3~5所示，更包括第二監控單元9，第二監控單元9係連接空調與通風系統7及第三管路單元8之間，且該第三管路單元8之輸出端係連接到該機櫃6前或所在的一資訊機房64內至少設置一第二流量控制閥80，第二監控單元9係監控空氣狀態，空氣狀態係指影響機櫃6內之資訊設備運作之空氣品質，尤其是空氣之溫度、濕度，並根據監控空氣狀態產生監控空氣資訊，且以空氣監控資訊進一步調整第三管路單元8的第二流量控制閥80需要輸出的空氣的流量大小。
在本發明中，冷卻單元3係具有熱交換器，該熱交換器藉由空氣、水或其他冷卻流體移除壓縮空氣之熱量。其中，熱交換器係可為管鰭式、雙重管、殼管式交換器或其他可供相向流體互不質傳而實現熱傳之構成。又，熱交換器中所使用的冷源係為冰水機所提供冰水、冷卻水塔所提供冷卻水或自然水源之水等，且可使用不同冷源，如冰水或自然冷源冷卻之二次冷媒，以降低冷卻單元3之負載，降低製冷運轉時間。再者，冷源管線可安裝機櫃6殼體或牆板之內外側，也可安裝於資訊機房64的地板或天花板，以因應不同冷媒及資訊機房64設計及安全考慮因素。
為了讓壓縮空氣可以精準地傳輸到關鍵發熱元件60，以降低壓縮冷卻空氣的損失，在本發明中，該第二管路單元4的另一端(輸出端)係設置於機櫃6內部一個以上之對應關鍵發熱元件60的所在位置，或者該第二管路單元4的另一端可銜接硬質或軟質之管件，用將壓縮冷卻空氣注射或輸送至關鍵發熱元件60。
為了讓第二管路單元4及第三管路單元8可以有效地控制輸出流量的多寡，以及控制資訊機房64的空調與通風系統7之運轉，在本發明中，請參閱圖4、5所示，機櫃6是可以在單獨設在一個資訊機房64內(如第4圖所示)，或者多個機櫃6係設在資訊機房64內(如第5圖所示)，而且資訊機房64內設有空調與通風系統7，第三管路單元8連接到空調與通風系統7與資訊機房64之間，或者是第三管路單元8連接到空調與通風系統7與機櫃6所設之散熱進氣口62，以輔助維持資訊機房64內部運轉環境的溫度及或濕度。
再者，本發明更包括控制單元10，控制單元10連接第一監控單元5及第二監控單元9，以接收負載狀態資訊及或監控空氣狀態，而整合調整第二管路單元4輸出的壓縮冷卻空氣的流量大小，與第三管路單元8輸出的空氣的流量大小，且控制資訊機房64空氣調和設施之運轉。其中控制單元係可為繼電器、變頻器、流量比例閥或可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller ，簡稱：PLC)。
由於，環境空氣中存在灰塵、懸浮粒子等汙物，若空氣汙物進入到機櫃6，並且附著在機櫃6的任何組件上，將可能造成設備的損壞，因此，在本發明中，請參閱圖5所示，在空氣壓縮單元1、冷卻單元3、第一監控單元5、第一管路單元2及第二管路單元4之一或任二者以上的輸入端或輸出端設有第一過濾單元90，空調與通風系統7及第三管路單元9之一或任二者以上的輸入端或輸出端設有第二過濾單元92，以防止或降低環境空氣中的灰塵、懸浮粒子等汙物進入到機櫃6中，其中第一過濾單元90及第二過濾單元係可為活性碳濾網、抗菌濾網、高效濾網(High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱：HEPA Filter)、揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，簡稱 VOC)濾網等，而且過濾單元90係可以由上述的各種濾網的的其中之一或任二者上之組合。
由於，冷卻單元3在熱交換的降溫過程中，係為衍生出空氣冷凝水，因此，在本發明中，請參閱圖1所示，冷卻單元3係設有移除模組30，係移除降溫衍生空氣冷凝水，且移除模組30與移除管路32連接，用以將冷凝水經由移除管路32排出冷卻單元3外。
在本發明中，請參閱圖1所示，空氣流動型態可為先流經冷卻單元3，再進入機櫃6，而此時機櫃6與牆面或機櫃6的殼體之間的區域為冷道。換言之，本發明具有高度冷熱道運用特性，且維護資訊設備或冷卻裝置時，尚可維持各機櫃6的獨立冷熱道設計。有效隔離各個機櫃6散熱空氣，避免冷熱空氣混流，提高熱交換量，更直接降低不需要之送風耗能，實現高效能資訊機房64空調運轉，有效降低電源使用效率(Power Usage Effectiveness，簡稱：PUE)。
在本發明中，空氣壓縮單元1、冷卻單元3、第一管路單元2及第二管路單元4、第一監控單元5、空調與通風系統7、第三管路單元8、第二監控單元9等係可為模組化設計，以依據機櫃6或資訊機房64的使用需求進行擴充成多組或多段的冷卻。此外，本發明將機櫃6與冷卻系統作最佳緊密接合，以實現類似機櫃6冷卻(Rack-Cooling)設計，但卻可將機櫃6與冷卻系統各別獨立，便於維護與系統更新調整，更可模組化擴充。又，本發明可以以多個冷卻單元3的設計可提高資訊機房64冷卻裝置總熱交換能力，也可搭配機櫃6式空調(InRow)的空調機，但因空氣壓縮單元1的入風口面積較機櫃6式空調的空調機入風口面積大，雖增冷卻單元3的數量，但對機櫃6式空調的空調機壓損影響不大。
再者，冷卻單元3、空調與通風系統7以因應不同資訊機房64冷卻需求差異，以及濕盤管或乾盤管設計，例如最大冷房需求、上方盤管不冷凝設計等需求，進而滿足不同機櫃6發熱量需求。
據上所述，為本發明運用於機櫃6或資訊機房64之資訊設備的冷卻，藉由空氣壓縮單元1將環境空氣壓縮送入冷卻單元3，移除室外空氣潛/顯熱，在將壓縮冷卻空氣送至機櫃6內關鍵發熱元件60進行冷卻，而再藉由熱浮力作用，可以機械或自然通風型態將高溫空氣排出至室外，又本發明將冷道在限縮至關鍵發熱元件60，除可避開非熱敏感之電子元件外，因提高對關鍵發熱元件60散熱器流速度增加散熱效益，更可依據散熱需求調整冷卻風量，有效降低資訊機房64、機櫃6及關鍵發熱元件60之不必要散熱風量與熱交換量，減少整體資訊機房64的空調系統能源使用量，達到以較低的環境空氣的供應量之設計，大幅降低相關不必要通風與冷卻的目的。
上列詳細說明係針對本發明的可行實施例之具體說明，惟前述的實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1:空氣壓縮單元
2:第一管路單元
3:冷卻單元
30:移除模組
32:移除管路
4:第二管路單元
5:第一監控單元
50:第一流量控制閥
52:負載監控設施
6:機櫃
60:關鍵發熱元件
62:散熱進氣口
64:資訊機房
600:引流殼體
7:空調與通風系統
8:第三管路單元
80:第二流量控制閥
9:第二監控單元
90:第一過濾單元
92:第二過濾單元
10:控制單元
圖1係本發明之一架構示意圖。
圖2係本發明之二架構示意圖。
圖3係本發明之三架構示意圖。
圖4係本發明之四架構示意圖。
圖5係本發明之五架構示意圖。
1:空氣壓縮單元
2:第一管路單元
3:冷卻單元
30:移除模組
32:移除管路
4:第二管路單元
5:第一監控單元
6:機櫃
60:關鍵發熱元件
Claims (7)
- 一種機櫃冷卻系統，包括： 至少一空氣壓縮單元，該空氣壓縮單元的輸入端係吸入一環境空氣，讓該環境空氣在該空氣壓縮單元中形成一壓縮空氣； 至少一第一管路單元，該第一管路單元之一端係連接該空氣壓縮單元的一端，並接收該壓縮空氣； 至少一冷卻單元，該冷卻單元的輸入端係連接該第一管路單元之另一端，該壓縮空氣經由該第一管路單元進入到該冷卻單元的輸入端，使得該壓縮空氣在該冷卻單元內進行熱交換，而形成一壓縮冷卻空氣； 至少一第二管路單元，該第二管路單元的一端連接該冷卻單元輸出端，該第二管路單元的另一端至少連接到一機櫃內之一關鍵發熱元件鄰近位置開口； 至少一第一監測單元，第一監控單元至少監控關鍵發熱元件的負載狀態，以產生一負載狀態資訊，並依據該負載狀態資訊決定該第二管路單元要輸出多少流量的該壓縮冷卻空氣對該關鍵發熱元件進行冷卻。
- 如請求項1所述的機櫃冷卻系統，其中該第二管路單元的另一端係設置於該機櫃內部對應該關鍵發熱元件的所在位置，或可銜接硬質或軟質之管件， 將該壓縮冷卻空氣注射或輸送至該關鍵發熱元件。
- 如請求項1所述的機櫃冷卻系統，其中該第一監測單元包括至少一第一流量控制閥與一負載監控設施。
- 如請求項3所述的機櫃冷卻系統，其中該第一流量控制閥設置於將該壓縮冷卻空氣注射或輸送至該關鍵發熱元件前。
- 如請求項1所述的機櫃冷卻系統，其中更包括一引流殼體，該引流殼體係罩設在該關鍵發熱元件之上。
- 如請求項1所述的機櫃冷卻系統，其中更包括至少一第二監控單元、第三管路單元及一空調與通風系統，該第二監控單元係連接該第三管路單元及該空調與通風系統，該空調與通風系統的輸出端係設置於該機櫃前所在的一資訊機房內，該第三管路單元之輸出端係連接到該機櫃前或所在的一資訊機房內，且至少設置一第二流量控制閥，該第二監控單元係監控空氣狀態，該空氣狀態係指影響該機櫃內之資訊設備運作之空氣品質，並依據該監控空氣資訊進一步調整該第三管路單元要輸出的空氣的流量大小，及空調與通風系統之運轉狀態。
- 如請求項6所述的機櫃冷卻系統，其中更包括一控制單元，該控制單元連接該第一監控單元及該第二監控單元，以接收該負載狀態資訊及該監控空氣資訊的其中之一或二者之組合，令該控制單元整合調整該第二管路單元輸出的壓縮冷卻空氣的流量大小，與第三管路單元輸出的空氣的流量大小，及空調與通風系統運轉狀態。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109137689A TW202217220A (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 機櫃冷卻系統 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109137689A TW202217220A (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 機櫃冷卻系統 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202217220A true TW202217220A (zh) | 2022-05-01 |
Family
ID=82558495
Family Applications (1)
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| TW109137689A TW202217220A (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 機櫃冷卻系統 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TW202217220A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI808780B (zh) * | 2022-06-08 | 2023-07-11 | 英業達股份有限公司 | 機櫃液冷系統 |
-
2020
- 2020-10-29 TW TW109137689A patent/TW202217220A/zh unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| TWI808780B (zh) * | 2022-06-08 | 2023-07-11 | 英業達股份有限公司 | 機櫃液冷系統 |
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