TWI487473B - 資料中心之冷卻系統 - Google Patents

Description

資料中心之冷卻系統

本提案係關於一種冷卻系統，特別是一種設置於資料中心的冷卻系統。

近年來，雲端計算(cloud computing)堪稱電腦產業中最熱門的話題。雲端計算所需要的機房架構，除了傳統式的固定建物型式之外，最常見的便是貨櫃型的機房(container data center)結構。貨櫃機房之所以會成為產業注目的焦點，主要在於可以有效降低機房建置的成本，同時亦可整櫃輸出(turn-key solution)，以提供全球各地之機房配置需求。此外，貨櫃型資料中心由於內含的伺服器密度高，因此對於提高土地的使用效率也很大的幫助。不過也正由於內含的伺服器密度高，貨櫃機房內的發熱量及發熱密度也相對提高，因此貨櫃機房的整體散熱冷卻系統，便成為整個雲端硬體架構中，不可或缺的一環。另外，在全球化的節能減碳的訴求下，貨櫃機房的電源使用效率(power usage effectiveness，PUE)性能開始被高度要求，PUE值愈低，代表機房的能源使用效率愈好。其中，PUE=(機房總用電量)/(資訊科技設備總用電量)。

早期的資料中心機房的PUE值幾乎都在2.0以上，近幾年機房的PUE值大多可降低至1.6左右。不過未來貨櫃式機房的PUE性能將至少被要求在1.5以下，因此如何降低PUE值，已是大部份貨櫃機房設計者所努力要達成的目標。因此，PUE值的高低，也將成為日後業者選購貨櫃型機房的重要指標之一。

目前貨櫃機房的冷卻系統多是利用冰水機(chiller)產生低溫的流體，使低溫流體經由管路帶入貨櫃機房內，然後結合熱交換器將機房內高溫空氣(流)冷卻至低溫。並且利用低溫氣流來冷卻伺服器內的所有發熱元件。換句話說，此種冷卻系統完全依賴冰水機運作所產生的低溫流體，以針對貨櫃內部所有發熱源進行冷卻散熱。因此，冰水機的冷卻效率高低，將主導整個冷卻系統的PUE性能，而往往此冷卻系統的最佳PUE性能約只能達到1.3左右。

另外，習知冷卻系統還有使用耗電較低的冷卻水塔進行整個機櫃的散熱。採用冷卻水塔的冷卻系統之最佳PUE性能約可達到1.2左右，不過這種冷卻系統僅適用於環境溫度較低的高緯度區域，在環境溫度較高的低緯度地區，將使得此冷卻系統之散熱效果不彰，因而造成機房內之電子設備溫度過高而當機的問題。

鑒於以上的問題，本提案在於提供一種冷卻系統，藉以解決習用冷卻系統運用於機房而造成機房的PUE值過高，以及機房受限於高緯度區域設置之問題。

本提案所揭露之資料中心之冷卻系統，用以對至少一機櫃內的至少一台伺服器進行散熱。資料中心之冷卻系統包含一機房、一第一散熱模組及一第二散熱模組。其中，機櫃設置於機房內。第一散熱模組包含一第一熱交換器、一第二熱交換器、一第一循環管路及一幫浦。第一熱交換器設置於機房外，第二熱交換器設置於伺服器上，第一循環管路連接第一熱交換器及第二熱交換器。幫浦連接第一循環管路，第一循環管路內具有一第一冷卻液，幫浦驅動第一冷卻液於第一循環管路內以單相狀態流動。第二散熱模組包含一第三熱交換器、一冷卻器及一第二循環管路。第三熱交換器設置於機房內，並吸收機房內之熱能。冷卻器設置於機房外。第二循環管路連接第三熱交換器及冷卻器，冷卻器提供一第二冷卻液至第三熱交換器，以對第三熱交換器降溫。

根據上述實施例之資料中心之冷卻系統，係藉由增設貼覆於伺服器之發熱源上的第一散熱模組來進行散熱，使第一散熱模組可分擔移除伺服器排出的部分熱能。並且，第一散熱模組並非利用冷卻流體兩相變化的狀態來進行吸、放熱動作，因此不需要設置壓縮機等設備而增加額外的功率消耗。因此第一散熱模組除了可分擔第二散熱模組之冷卻器的消耗功率外，更可降低資料中心的整體PUE值。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請參照「第1圖」，「第1圖」係為根據本提案一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。

本實施例之冷卻系統10係用於貨櫃型的資料中心(Date Center)，冷卻系統10包含一機房(Container)500、一第一散熱模組100及一第二散熱模組200。機房500即為用於貨櫃型資料中心的貨櫃體。機房500內設置有至少一機櫃(Rack)600，機櫃600內設置有多台伺服器(Server)700，冷卻系統10係用以對伺服器700所產生的熱能進行散熱。

請繼續參照「第1圖」，第一散熱模組100包含一第一熱交換器110、一第二熱交換器130、一第一循環管路120以及一幫浦140。其中，第二熱交換器130係可貼覆於伺服器700內的發熱源上，發熱源可以是主機板上的晶片，如中央處理器。第二熱交換器130用以吸收伺服器700內的發熱源所產生的熱能。第一熱交換器110設置於機房500外，且第一熱交換器110藉由第一循環管路120而與第二熱交換器130相連接。第一熱交換器110可以是具有散熱鰭片之結構的金屬體。此外，一風扇112可設置於第一熱交換器110旁，且風扇112運轉所產生的風流路徑通過第一熱交換器110。第一熱交換器110透過風扇112所產生的強制對流而將熱能移除。

第一循環管路120內具有一第一冷卻液，第一冷卻液可以是冷煤、液態水或介電液。幫浦140係連接第一循環管路120，幫浦140驅使第一冷卻液於第一循環管路120內以單相狀態進行循環流動。更進一步來說，第一冷卻液可保持於液體的狀態下而於第一循環管路120內循環流動。此外，第二熱交換器130所吸收的熱能係藉由第一冷卻液於第一循環管路120內的流動而傳遞至第一熱交換器110，以使第一熱交換器110藉由自然對流或是風扇112運轉的強制對流而將熱能移除。

需注意的是，第一冷卻液於第一循環管路120內流動的循環過程中，第一冷卻液恆保持於液體狀態。意即，第一散熱模組100並非利用第一冷卻液的兩相變化來達成吸熱及放熱的效果，而僅是利用第一冷卻液的單相狀態進行熱能的傳遞。如此一來，第一 散熱模組100可不需設置壓縮機，因此可減少其消耗功率，進而降低資料中心的PUE值。

此外，本實施例之第二散熱模組200包含一第三熱交換器210、一第二循環管路220以及一冷卻器230。機房500內更具有一隔板510，隔板510具有一氣流口511。隔板510位於機房500內，隔板510可以是機房500內的天花板。隔板510可連接機櫃600的上緣，且隔板510與機櫃600將機房500內分隔成一第一氣流道520及一第二氣流道530，且第一氣流道520及第二氣流道530可分別位於機櫃600的相對兩側。第三熱交換器210係嵌設於氣流口511並貫穿隔板510，使得氣流能夠經由第三熱交換器210而由隔板510之一側穿越過至隔板510的另一側，第三熱交換器210用以吸收機櫃600內之第二氣流道530中的熱空氣之熱能。

需注意的是，第三熱交換器210嵌設於氣流口511的特徵非用以限定本提案。舉例來說，第三熱交換器210只需鄰近於氣流口511處，且能達到吸收第二氣流道530中的熱空氣之熱能的功效即可。

本實施例之冷卻器230係設置於機房500外，冷卻器230可以是但不侷限於冰水機，且冷卻器230藉由第二循環管路220連接第三熱交換器210。冷卻器230用以提供低溫的第二冷卻液至第三熱交換器210，使低溫的第二冷卻液對第三熱交換器210進行降溫。

此外，冷卻系統10更可具有多個風扇132設置於機櫃600內的一側，機櫃600內的伺服器700所產生的部分熱能可藉由風扇132運轉所產生的強制對流而排出至第二氣流道530。並且，第二氣流道530上更可以設置有一風扇532，風扇532將風扇132運轉所排出之熱空氣繼續引導吹送至第三熱交換器210進行熱交換。當熱空氣通過第三熱交換器210後，其溫度因降低而成為冷空氣。冷空氣進入第一氣流道520，並再流入機櫃600內繼續對伺服器700進行散熱。

更進一步來說，本實施例之冷卻系統10係藉由第一散熱模組100及第二散熱模組200來對伺服器700進行散熱。其中，第一散熱模組100係藉由第二熱交換器130接觸於伺服器700的發熱源來進行熱交換，意即第二熱交換器130利用熱傳導的方式進行散熱，並利用第一熱交換器110將第二熱交換器130所吸收的熱能排出機房500外。第二散熱模組200則是利用機房500內風扇132及風扇532所產生的強制對流，使機櫃600所排出的熱空氣經由第三熱交換器210進行吸熱後而成為冷空氣。冷空氣再經由第一氣流道520流入機櫃600，以進行再一次的散熱動作。換句話說，機櫃600內的伺服器700所產生之熱能，係經由第二散熱模組200作功製冷吸收，也可以經由第一散熱模組100移除至外界環境。

由於習知技術僅使用第二散熱模組200對機房500內進行散熱，因此將造成冷卻器230需要花費較大的運轉功率。本實施例之冷卻系統10係額外增設一組第一散熱模組100，以幫助散熱，並且分擔冷卻器230的工作量。且第一散熱模組100因不使用壓縮機，因此其所耗費的功率較低，故運用本實施例之冷卻系統10的資料中心之PUE可較習用單以冷卻器230提供散熱效果的資料中心之PUE來的低。

請參照「第2圖」，「第2圖」係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。由於本實施例與「第1圖」實施例之結構相似，因此針對相似之處便不再詳細描述。

本實施例之冷卻系統10，更包含一第三散熱模組300。第三散熱模組300包含一第四熱交換器310、一第五熱交換器320以及連接第四熱交換器310及第五熱交換器320的一第三循環管路330。第四熱交換器310及第五熱交換器320可以是具有散熱鰭片之結構的金屬體。第五熱交換器320設置於機房500內之第二氣流道530，且位於風扇532的風流路徑上，第五熱交換器320用以吸收第二氣流道530的熱空氣之熱能，以對熱空氣降溫。第四熱交換器310則設置於機房500外，用以排除第五熱交換器320所吸收之熱能。第三循環管路330可以是熱管或是具有流體於其內部循環的管路，其內部具有循環流動的一第三冷卻液。第五熱交換器320係將吸收到的熱能經由第三循環管路330內的第三冷卻液傳遞至第四熱交換器310，第四熱交換器310可設置於一風扇312的風流路徑上，以將熱能藉由強制對流而排除。

在本實施例中，熱空氣係先經由第三散熱模組300進行降溫，因此使得流經第三熱交換器210的熱空氣溫度較低，藉此可減輕冷卻器230的工作量。

請接著參照「第3圖」，「第3圖」係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。由於本實施例與「第1圖」實施例之結構相似，因此針對相似之處便不再詳細描述。

本實施例之冷卻系統10，更包含一散熱器400，散熱器400可以是但不侷限於熱管及散熱鰭片等。散熱器400係設置於機房500的壁體上，且散熱器400的相對兩端分別位於機房500內的第二氣流道530與機房500外。散熱器400位於第二氣流道530的一端吸收機房500內的熱能，並將熱能傳導至散熱器400位於機房500外的一端，並藉由熱對流以將熱能排除至機房500外。由於本實施例之冷卻系統10藉由增設散熱器400以將第二氣流道530的部分熱能排除，因此使得流經第三熱交換器210的熱空氣溫度較低，藉此可減輕冷卻器230的工作量。

請接著參照「第4圖」，「第4圖」係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。由於本實施例與「第1圖」實施例之結構相似，因此針對相似之處便不再詳細描述。

本實施例之第二散熱模組200更包含一第六熱交換器240，第六熱交換器240可以是具有散熱鰭片之結構的金屬體。第六熱交換器240設置於機房500外，且位於一風扇242的風流路徑上，風扇242用以對第六熱交換器240進行散熱。第六熱交換器240藉由第二循環管路220而與第三熱交換器210及冷卻器230相連接。冷卻器230提供低溫的第二冷卻液，並使第二冷卻液依序流經第三熱交換器210及第六熱交換器240，再使第二冷卻液經由第六熱交換器240流回冷卻器230。

其中，第三熱交換器210吸收機房500內的熱能，並藉由第二冷卻液將熱能傳遞至第六熱交換器240，第六熱交換器240可排除第二冷卻液內的部分熱能。更進一步來說，第六熱交換器240可排除部分第三熱交換器210所吸收的熱量，使得冷卻器230的工作量得以降低。藉此，也可降低運用本冷卻系統10之資料中心的PUE值。

請接著參照「第5圖」，「第5圖」係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。由於本實施例與「第4圖」實施例之結構相似，因此針對相似之處便不再詳細描述。

本實施例之第二散熱模組200更包含一切換閥門250，切換閥門250設置於第二循環管路220，且位於第六熱交換器240、第三熱交換器210及冷卻器230之間。切換閥門250用以切換第二冷卻流體於第二循環管路220內的循環狀態。舉例來說，第二散熱模組200可增設一幫浦，而使切換閥門250可控制第二冷卻流體只於第六熱交換器240與第三熱交換器210之間循環。再另一種態樣下，切換閥門250可控制第二冷卻流體只於冷卻器230與第三熱交換器210之間循環。或者，切換閥門250可控制第二冷卻流體於第六熱交換器240、第三熱交換器210與冷卻器230三者間交互循環。

更進一步來說，當外界環境的溫度較低時，切換閥門250可控制第二冷卻流體只於第六熱交換器240與第三熱交換器210之間循環。意即第三熱交換器210所吸收的熱能係傳導至第六熱交換器240，使外界低溫空氣直接對第六熱交換器240進行散熱，而不需倚賴冷卻器230。可降低資料中心的PUE值。

當外界環境的溫度較高時，切換閥門250可控制第二冷卻流體與第六熱交換器240、第三熱交換器210與冷卻器230三者間交互循環，使第六熱交換器240與冷卻器230同時排除第三熱交換器210所吸收之熱能。

根據上述實施例之用於資料中心的冷卻系統，係藉由增設貼覆於伺服器之發熱源上第一散熱模組來進行散熱，使第一散熱模組可分擔移除伺服器排出的部分熱能。並且，第一散熱模組並非利用冷卻流體兩相變化的狀態來進行吸、放熱動作，因此不需要設置壓縮機等設備而增加額外的功率消耗。因此第一散熱模組除了可分擔第二散熱模組之冷卻器的消耗功率外，更可降低資料中心的整體PUE值。

此外，還可藉由增設散熱器或是第三散熱模組以用外界冷空氣進行熱交換的型態，來幫助排除機房內的熱能。或者，本實施例之冷卻系統可於第二散熱模組上增設熱交換器，以分擔冷卻器的工作量。因此，上述之手段皆能降低冷卻器的工作量，以減少冷卻器消耗的功率。是以這樣的冷卻系統，可降低資料中心的整體PUE值，以達未來需求之期望。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．冷卻系統

100．．．第一散熱模組

110．．．第一熱交換器

112．．．風扇

120．．．第一循環管路

130．．．第二熱交換器

132．．．風扇

140．．．幫浦

200．．．第二散熱模組

210．．．第三熱交換器

220．．．第二循環管路

230．．．冷卻器

240．．．第六熱交換器

242．．．風扇

250．．．切換閥門

300．．．第三散熱模組

310．．．第四熱交換器

312．．．風扇

320．．．第五熱交換器

330．．．第三循環管路

400．．．散熱器

500．．．機房

510．．．隔板

511．．．氣流口

520．．．第一氣流道

530．．．第二氣流道

532．．．風扇

600．．．機櫃

700．．．伺服器

第1圖係為根據本提案一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。

第2圖係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。

第3圖係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。

第4圖係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。

第5圖係為根據本提案另一實施例之冷卻系統的結構平面示意圖。

10．．．冷卻系統

100．．．第一散熱模組

110．．．第一熱交換器

112．．．風扇

120．．．第一循環管路

130．．．第二熱交換器

132．．．風扇

140．．．幫浦

200．．．第二散熱模組

210．．．第三熱交換器

220．．．第二循環管路

230．．．冷卻器

500．．．機房

510．．．隔板

511．．．氣流口

520．．．第一氣流道

530．．．第二氣流道

532．．．風扇

600．．．機櫃

700．．．伺服器

Claims (15)

1. 一種資料中心之冷卻系統，用以對至少一機櫃內的至少一台伺服器進行散熱，該資料中心之冷卻系統包含：一機房，該機櫃設置於該機房；一第一散熱模組，包含：一第一熱交換器，設置於該機房外；一第二熱交換器，設置於該伺服器；一第一循環管路，連接該第一熱交換器及該第二熱交換器；以及一幫浦，連接該第一循環管路，該第一循環管路內具有一第一冷卻液，該幫浦驅動該第一冷卻液於該第一循環管路內以單相狀態流動；以及一第二散熱模組，包含：一第三熱交換器，設置於該機房內，並吸收該機房內之熱能；一冷卻器，設置於該機房外；以及一第二循環管路，連接該第三熱交換器及該冷卻器，該冷卻器提供一第二冷卻液至該第三熱交換器，以對該第三熱交換器降溫。
2. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，更包含複數個風扇，設置於該機櫃之一側的多個通風口處。
3. 如請求項第2項所述之資料中心之冷卻系統，更包含一隔板，該隔板與該機櫃將該機房內區隔為一第一氣流道及一第二氣流道，該隔板具有一氣流口，該第三熱交換器位於該氣流口處，該些風扇將該機櫃內的空氣排放至該第二氣流道。
4. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第二熱交換器貼合於該伺服器的一發熱源。
5. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，更包含一風扇，設置於該機房外，該第一熱交換器位於該風扇運轉所產生的一風流路徑上。
6. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，更包含一風扇，設置於該機房內，且位於該機櫃外，該風扇運轉以產生一強制對流。
7. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，更包含一第三散熱模組，其包含：一第四熱交換器，設置於該機房外；一第五熱交換器，設置於該機房內；以及一第三循環管路，連接該第四熱交換器及該第五熱交換器，該第三循環管路內具有循環流動的一第三冷卻液，該第五熱交換器經由該第三冷卻液以將熱能傳遞至該第四熱交換器。
8. 如請求項第7項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第三散熱模組更包含二風扇，且該兩風扇運轉所產生之兩風流路徑分別通過該第四熱交換器及該第五熱交換器。
9. 如請求項第7項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第四熱交換器及該第五熱交換器為具有一散熱鰭片之結構的一金屬體。
10. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，更包含一散熱 片，該散熱片之相對兩端分別位於該機房內及該機房外。
11. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第二散熱模組更包含一第六熱交換器，該第六熱交換器設置於該機房外，且連接該第三熱交換器及該冷卻器。
12. 如請求項第11項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第六熱交換器為具有一散熱鰭片之結構的一金屬體。
13. 如請求項第11項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第二散熱模組更包含一風扇，該風扇運轉所產生之一風流路徑通過該第六熱交換器。
14. 如請求項第11項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第二散熱模組更包含一切換閥門，設置於該第二循環管路上，並位於該第六熱交換器、該冷卻器及該第三熱交換器之間。
15. 如請求項第1項所述之資料中心之冷卻系統，其中該第一熱交換器、該第二熱交換器及該第三熱交換器為具有一散熱鰭片之結構的一金屬體。