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EP2514290A1 - System und verfahren zur kühlung einer rechenanlage - Google Patents

System und verfahren zur kühlung einer rechenanlage

Info

Publication number
EP2514290A1
EP2514290A1 EP10795950A EP10795950A EP2514290A1 EP 2514290 A1 EP2514290 A1 EP 2514290A1 EP 10795950 A EP10795950 A EP 10795950A EP 10795950 A EP10795950 A EP 10795950A EP 2514290 A1 EP2514290 A1 EP 2514290A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
computer system
chiller
heat
sorption
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10795950A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Heiland
Andreas Birkner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sam Technologies GmbH
Original Assignee
Sam Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102009058055A external-priority patent/DE102009058055B4/de
Application filed by Sam Technologies GmbH filed Critical Sam Technologies GmbH
Publication of EP2514290A1 publication Critical patent/EP2514290A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H05K7/208—Liquid cooling with phase change
    • H05K7/20827—Liquid cooling with phase change within rooms for removing heat from cabinets, e.g. air conditioning devices

Definitions

  • the invention relates to a system and method for cooling a computer system, in particular for cooling a server farm. Background of the invention
  • a server farm usually comes to a pure heating power of several kilowatts.
  • CONFIRMATION COPY not suitable for adequate cooling of a computer system present in a building. Furthermore, in summer often no heating energy is needed for building heating.
  • Heat exchangers let the cooling air of the rack deliver its heat energy to a liquid to be cooled outside of the rack.
  • the invention is based on the object to reduce the energy requirements of conventional cooling for computer systems.
  • the object of the invention is already achieved by a system for cooling a computer system and by a method for
  • the invention relates to a system for cooling a computer system.
  • a computing system is understood to mean an arrangement having a plurality of computers, in particular a data center or a server farm.
  • Such a computing system generally has a modular structure in which racks are provided, in which the arranged individual boards and / or modules,
  • the system is intended in particular for cooling computer systems whose heat output is more than 5 kW, preferably more than 50 kW.
  • the system comprises a refrigeration machine, with which a fluid can be cooled, which can be supplied to the computer system.
  • air or a liquid, in particular water is supplied for cooling the computer system.
  • a coolant which in the
  • Chiller is used to feed directly to the computer. Cooling with air generally takes place in that the room in which the individual computers are located, is itself cooled and / or the computers have their own internal air cooling, give off waste heat to the ambient air and thus the waste heat via the ambient air is kept within a predetermined target temperature range, is dissipated.
  • Flow temperature of the cooling air in the range 20 ° to 25 ° C are.
  • Another embodiment is the liquid cooling of racks. In the liquid cooling of racks is usually worked with a lower flow temperature, in particular, the flow temperature of the
  • Cooling fluid in rack cooling varying between 10 and 15 ° C, depending on the power and technical design, so that the heat exchanger of the cooling fluid-based rack cooling can absorb the heat caused by the individual components. This usually results in a lower return temperature, which is usually not much above 20 ° C.
  • processors are designed for an operating temperature up to 100 ° C, so that flow temperatures up to 50 ° C are sufficient for a sufficient
  • the return temperature is usually quite high for process recooling and can reach over 60 ° C.
  • Chiller via heat conduction or liquid supplied to supply the chiller with drive energy.
  • the invention makes it possible for the waste heat produced in the computer system to be used, at least in part, for cooling the same, so that considerable energy savings can be achieved.
  • the supply takes place via a liquid, with which, for example, in combination with processor cooling, a relatively good heat transfer at the same time relatively high temperature of the supplied liquid is possible.
  • heat transfer takes place via direct heat conduction.
  • heat pipes are counted for this purpose, in which a
  • Heat transfer usually takes place mainly by evaporation and condensation.
  • Known refrigerators which can be operated with thermal energy are sorption refrigerators.
  • absorption chillers of which in particular the water-lithium-bromide absorption chiller can be operated with flow temperatures from 80 ° C. These chillers are already in
  • absorption chiller is particularly useful in the processor cooling described above, since the return temperature of the cooling circuit
  • Adsorption medium is loaded and unloaded.
  • An adsorption chiller can already be operated, for example, with the temperature of the exhaust air of a rack cooling.
  • Regeneration phases of an adsorption refrigerating machine can be reduced by using a plurality of sorption refrigerating machines, preferably adsorption refrigerating machines and / or an intermediate storage such that sufficient continuous cooling can be ensured.
  • DCS Desiccant Cooling System
  • Sorbents are regenerated by heating. Supply air can be cooled with it, at the same time the exhaust air is heated.
  • the advantage of such absorptive drying is the relatively low cost and the low
  • Regeneration temperature which is usually below 70 ° C.
  • the racks and / or processors of the computer system with a liquid cooled, which is fed directly to the chiller to its drive.
  • This embodiment of the invention is particularly useful when dispensing with further components for increasing the flow temperature for providing the drive energy of the chiller.
  • processor cooling it is conceivable in processor cooling to interpose no further heat exchanger, but the cooling medium directly to the
  • Heat exchanger to the chiller supply is via a heat exchanger with a
  • Cooling circuit of the computer system connected. This principle facilitates in particular the subsequent integration of the system in an existing cooling system.
  • a heat pump for increasing the flow temperature of the chiller between the computer system and the chiller
  • the heat pump is also a chiller.
  • a compression refrigerator for the purposes of the invention is as a heat pump, a compression refrigerator
  • upstream which is not supplied with heat as the drive energy, but from an external power source such as the power grid or a solar system
  • the temperature of the return of the computer can be brought to a value in which a downstream sorption chiller achieves good efficiency.
  • Heat pump the flow of the cooling part of the sorption chiller pre-cooled.
  • a solar system makes it conceivable that, depending on the climatic zone, a purely thermal operation of the cooling system is possible even without the use of photovoltaics. However, it is also conceivable to first supply the heat generated via a thermal solar collector to a heat pump together with the return of the computer system for further temperature increase.
  • the system comprises at least one, preferably two, buffer memories.
  • buffer memory In addition to the previously described use of buffer storage in conjunction with an adsorption chiller can be ensured by buffer memory and a sufficient emergency cooling in the event of failure of individual components.
  • a buffer in the inlet of the refrigerator a sufficient amount of
  • Drive fluid can be provided with the necessary temperature, since depending on the configuration of the computer system, the return temperature or the heat output of the computer system can vary widely with fluctuating load.
  • a buffer memory for storing cold fluid for cooling the computer and another
  • Buffer memory for storing a fluid provided that the chiller serves as a drive fluid.
  • Sorption chiller can also store a buffer between the sorption chiller and the other
  • Chiller be arranged.
  • the system as provided in a development of the invention, have means for variable distribution of the cooling fluid within the computer system.
  • the system for cooling the computer system can be networked with the computer system itself.
  • at least individual servers of the computer system pass on the respective utilization and / or the respective temperature to a control electronics of the cooling system via an interface, so that the cooling system is not only via flow and return temperature but
  • the cooling system can be operated at a lower utilization of the computer system with a significantly reduced power, without risking that in case of suddenly rising
  • control is designed such that, if possible, heat can be dissipated to the environment, for example, to a heat exchanger arranged in the outer region or within a heating system to the building heating.
  • This type of cooling which is also known as “free cooling”
  • free cooling has the advantage that a part of the heat without the
  • the system comprises at least redundantly designed pumps for distributing the cooling fluid and / or a redundant refrigeration machine. At least for larger ones
  • Server farms must be ensured even in the event of failure of individual components of themésytems a long-term supply of the cooling fluid over a longer period of time, for which buffer memory are usually not sufficient.
  • an additional conventional refrigeration compressor or a feed of cold tap water can be provided in the system.
  • system can also in an existing building air conditioning and / or
  • Hot water supply to be integrated For example, it is conceivable that incurred at a sorption refrigeration machine
  • Process heat to use at least partially for heating the building and / or for hot water supply It is also conceivable to use the process heat for power generation, for example by Peltier elements.
  • the system is modular and comprises at least one
  • Cooling module in which at least the refrigerator and an electronic control is arranged.
  • a module which consists of a housing with connections and on which in addition to a power supply, possibly the connection of
  • the module preferably comprises connections for an external heat exchanger, is discharged via the process heat of the refrigerator.
  • the module has a preferred
  • Embodiment of the invention at least over a self-sufficient emergency power supply, via which at least the drive of the pump, with which the cooling fluid is supplied to the computer system, even in the event of a power failure is ensured. It is conceivable that at least one
  • the emergency power supply of the cooling system via an emergency power supply of the computer system be ensured, in particular via an uninterruptible power supply.
  • Computer systems usually have an uninterruptible power supply. Such uninterruptible
  • An uninterruptible power supply usually comprises at least accumulators with which short-term interruptions of the mains voltage can be bridged.
  • the uninterruptible power supply usually starts within a few milliseconds, so that only briefly occurring disturbances of the voltage
  • a computer usually also has
  • Telecommunications equipment such as connection modules to a telecommunications network. It is understood that that
  • Cooling system according to the invention, if necessary, also ensures the cooling of these telecommunication modules.
  • cascaded cooling systems are also provided, in particular for increasing the cooling capacity and / or for redundant design.
  • a plurality of cooling systems is connected in series, such that the temperature of the cooling fluid is reduced in individual cooling stages.
  • different chillers can be used, which are tuned to the respective cooling stage.
  • the computer system itself can be cooled via the refrigeration machine, ie preferably one Most of the low-temperature fluid produced by the refrigerator is used to supply the
  • a hot part of the chiller via a first circuit with the computer system for supplying drive energy
  • the hot part of the chiller via a liquid cooling with processors of the computer system or processors, other components such
  • the chiller is supplied with drive energy.
  • the cold part of the chiller can be connected via an air and / or liquid cooling, for example to the rack or the servers themselves.
  • Cold part which is separately connected, so has a much lower temperature and operating at a relatively high temperature hot part is an operation both at high temperature, and at high ⁇ between the hot part and cold section of the chiller possible. That's the way it is
  • Sorptions viteltemaschine used and can cooled down due to the still relatively high temperature, for example about outdoor heat exchanger without difficulty further are then returned to the hot cycle of the computer system.
  • the fluid with which the chiller is supplied with drive energy cooled after leaving the refrigerator. This is due to the still quite high temperature usually without chiller, but for example by means of heat exchangers, in particular to
  • the entire system thermal energy is withdrawn, without the need for a chiller must be operated.
  • the sorption chiller can be operated simultaneously with high ⁇ .
  • the flow target temperature of a first cooling circuit which also provides the drive energy, differs
  • a part of the chiller, via which process heat can be discharged is connected to the heating system of a building.
  • process heat which has a temperature above 30 ° C., can be used at least in low-temperature circuits of a building, for example for heating or for generating hot water or energy.
  • the system may comprise at least two coolant connections, each comprising supply and return, which are connected to the computer system. Over several Cooling circuits, it is possible, tailored to the respective type of cooling, to provide different circuits with different flow target temperature. So can
  • liquid-based refrigeration cycle with a relatively high flow temperature e.g. greater than 50 ° C connected to the processors.
  • Another cooling circuit for example, also be connected by means of liquid with the circuit boards of the server.
  • a closed air-based refrigeration circuit connected to the individual racks and connected to the refrigeration circuit of the cold section of the refrigerating machine operates at a much lower flow setpoint temperature, e.g. less than 30 ° C.
  • the flow temperature of a first circuit preferably differs by at least 10 °, preferably 20 ° C from the flow temperature of another cooling circuit.
  • a cooling circuit with a liquid such as water and another cooling circuit with a gas such as air is operable.
  • the chiller is integrated in a rack or in a server.
  • sorption chillers can also be accommodated decentrally in the system.
  • a server can cool itself.
  • Each cooling circuit can be optimized for the respective device. Under a connection for a cooling circuit in the context of the invention, all possible types of interfaces through which heat energy can be transferred, understood.
  • the sorption chiller as provided in another embodiment of the invention, immediately adjacent to the server or the rack.
  • the sorption chiller may be located above or below a server or rack. So no additional footprint is needed.
  • Heat energy can, for example, via a direct
  • thermoly conductive solids such as aluminum or copper
  • Heat exchangers are used for water to air and in the rack itself a closed air circuit cool the components of the rack.
  • a heat exchanger integrated into the rack or connected to the rack can be connected to which is supplied via a liquid, which is supplied by the chiller, cold and with which air is cooled before it is fed into the rack, or before she leaves the rack without it being absolutely necessary that one closed circuit must be present within the rack.
  • Calculating machine can be more refrigerators present, in particular several different refrigerators, which are optimized for the respectiveméaufgäbe.
  • the cooling fluid is variably distributed via controllable valves such that the efficiency of the cooling fluid
  • Cooling system is optimized.
  • the system for cooling a computer system include a computer which controls the system.
  • the processor cooling according to the invention can not only contain the main processors of the computing system, but the processor cooling can also other processors or electronic components such as memory circuits,
  • Power supply which in turn can be found in various components of the computer system such as the server racks,
  • Data storage and other components of the computer system are included.
  • cooling fluid can be passed through heat exchangers which are connected to the circuit boards, and thus the circuit boards and / or with the Cool circuit board thermally connected components.
  • circuit boards themselves of cooling fluid
  • heat-generating components in particular
  • it is provided to thermally couple a plurality of processors via a so-called "heat pipe", that is to say an element with good heat conduction, and to dissipate the heat at one point of the heat pipe.
  • the invention further relates to a system for cooling, in particular for cooling a computer system as described above, which comprises a chiller, through which waste heat is supplied as drive energy through a cooling circuit.
  • a system for cooling in particular for cooling a computer system as described above, which comprises a chiller, through which waste heat is supplied as drive energy through a cooling circuit.
  • a chiller through which waste heat is supplied as drive energy through a cooling circuit.
  • Heat exchanger cooled down to then be fed to the cold section of the refrigerator It is particularly advantageous that after using the high temperature of the fluid as the drive energy of the chiller this still
  • Computer system also used for other cooling purposes.
  • Cooling circuit in particular in a cooling circuit with a liquid at least one heating element.
  • this is an electrical heating element.
  • the cooling fluid can be heated in order to have a sufficient temperature to be used as drive energy for the chiller.
  • the heating elements can be arranged, for example, in a server or a rack of the computer system.
  • the sorption refrigeration machine is designed as a module that can be inserted into the server, in particular plug-in module.
  • This embodiment of the invention can be used, for example, for conventional blade servers.
  • the invention relates to a method for cooling a computer system, in particular by means of a previously described system for cooling a computer system.
  • the computer system is cooled with a sorption and it is according to the invention of
  • processors and other power components of the computer system including e.g. also processors of telecommunication equipment,
  • Liquid cooled which has a hot cycle of
  • Sorption chiller can be achieved.
  • the temperature of individual components of the computer system is measured and a cooling fluid, based on the measured
  • the temperature of the flow of the hot part of the chiller to a sufficiently high
  • Sorption chiller required minimum temperature is reached. Furthermore, the efficiency can be improved, since this also depends on the temperature of the
  • the flow temperature of the hot part of the chiller via a bypass of a cooling circuit of the computer system
  • a cooling circuit is a
  • a controllable directional control valve can be used to control the amount of liquid that passes through the chiller and the amount of liquid that flows through the bypass. For example, using temperature sensors, a constant return temperature can be ensured in order to provide the sorption continuously fluid with a constant temperature or at a temperature within a defined window available, and at the same time the flow temperature are also kept constant. Thus, regardless of the heat output of the processor, a constant pre- and
  • Fig. 1 shows an embodiment of the invention in which the components inserted into a rack are cooled by means of processor cooling and a sorption refrigeration machine.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the invention, in which between a liquid-cooled rack and a
  • Sorptions sakeltemaschine a heat pump is provided.
  • Fig. 3 shows an embodiment of the invention in which the rack is air-cooled and a heat pump is located between the computer and sorption chiller.
  • 4 shows an embodiment of the invention in which the processors are connected to the chiller via liquid cooling and racks are air-cooled via a further cooling circuit.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the invention in which a heat exchanger is present in the racks, which is operated with cooling water and cools the air in the rack.
  • Fig. 6 shows an embodiment of the invention in which the air supplied to the racks for cooling the
  • the data center environment The data center environment.
  • Fig. 7 shows an embodiment of the invention in which the sorption refrigeration machine is integrated in a rack.
  • Fig. 8 shows an embodiment of the invention, in which a liquid cooling of the processors with the
  • FIG. 9 shows an embodiment of the invention, in which the system for cooling a computer system with another component of a computer system or a
  • 10 shows a further embodiment of the invention in which components are cooled via two different cooling circuits.
  • 11 shows an embodiment of the invention in which the process heat of the chiller for
  • FIG. 12 shows an embodiment of the invention in which the return of the hot part of the chiller is passed through a further heat exchanger and the hot part of the chiller is supplied.
  • Fig. 13 shows an embodiment of the invention in which the system for cooling a computer system comprises two interfaces for dissipating heat.
  • FIG. 14 shows a further embodiment of the invention, in which a solar module is integrated in the cycle of the hot part of the chiller.
  • Fig. 15 shows schematically a detail of a processor cooling.
  • Fig. 16 shows, shown schematically, a
  • FIG. 17 shows, schematically illustrated, the coupling of two processors by means of a heat pipe or a
  • thermally conductive material
  • Fig. 18 shows, schematically illustrated, a
  • Fig. 19 shows, schematically shown, a
  • Embodiment of the invention with a cooling circuit for Rack and processor cooling, in which a heat pump is interposed.
  • Fig. 20 shows schematically a blade server with integrated sorption chiller.
  • FIG. 21 shows the back side of the blade server shown in Fig. 20.
  • FIGS. 22 and 23 show, schematically illustrated, the air circulation in a blade server.
  • Fig. 24 shows a computer system with a plurality of blade servers.
  • Fig. 30 shows a rack with integrated heating elements.
  • Fig. 31 shows, shown schematically, a
  • Fig. 32 shows a data center with a system for
  • Fig. 33 shows another embodiment of a
  • FIG. 1 shows, schematically illustrated, a first
  • Embodiment of the invention in which the system 1 for cooling a computer system 2 includes a processor cooling.
  • the computer system 2 is here shown schematically only as a single rack, which comprises individual stacked modules 8, which are formed for example as a server.
  • the system 1 for cooling a computer system 2 includes a processor cooling.
  • the computer system 2 is here shown schematically only as a single rack, which comprises individual stacked modules 8, which are formed for example as a server.
  • the system 1 for cooling a computer system 2 includes a processor cooling.
  • the computer system 2 is here shown schematically only as a single rack, which comprises individual stacked modules 8, which are formed for example as a server.
  • the system 1 for cooling a computer system 2 includes a processor cooling.
  • Processors (not shown) of the computer system cooled with a liquid.
  • An advantage of processor cooling directly with liquids is the higher cooling efficiency compared to air- or liquid-cooled racks, resulting in a higher amount of heat that can be removed.
  • the coolant heats up to a temperature of more than 60 ° and leaves the computer 2 via the
  • the Sorptions noltemaschine 3 can in particular as
  • Adsorption or absorption chiller be formed.
  • a sorption chiller has a hot part 20, a cold part 21 and, as a rule, a waste heat part 22 (process heat).
  • the cooling part 21 energy is withdrawn and fed to the waste heat 22.
  • fluid conducted via the cold part 21 cools, whereas fluid heated via the waste heat part 22 is heated.
  • Hot part 21 the thermal energy driving this process is fed via a drive fluid, which cools this fluid passed through this hot part 21, whereas the heated over the waste heat 22 fluid heats up.
  • the heat supplied via the return line 5 of the computer system 2 serves as the drive energy of the sorption refrigeration machine and, after the heat has been released, becomes the cooling part of the refrigerator
  • Heat exchanger 6 supplied the cooling capacity is increased via a fan 7.
  • a heat pump is additionally provided between computer 2 and Sorptions Koltemaschine 3, with which increases the temperature of the flow of the sorption 3.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment in which the computer system 2 comprises a rack with a heat exchanger 9.
  • the rack is thereby liquid-cooled.
  • the cooling of the rack can be done in alternative embodiments of the invention (not shown) via other methods, for example by adapted to the housing walls
  • Heat exchanger For a liquid-cooled rack, lower flow temperatures are typically required than with processor cooling.
  • the advantage of rack cooling is the higher efficiency of the cooling, which allows a higher amount of heat to be removed compared to air-cooled racks.
  • An advantage over the processor cooling is the better manageability. Thus, the computer system is less at risk, by leakage of the
  • Cooling fluid to be damaged Also it can at
  • Invention is for the flow 4 of the computer system. 2
  • a processor cooling a substantially low temperature, usually a temperature of 5 to 15 ° C. needed to provide adequate cooling in the rack
  • Heat exchanger 9 to a temperature which does not significantly exceed 25 ° C.
  • the return 5 of the computer 2 is therefore with a
  • Heat pump 10 connected, which in the illustrated
  • Embodiment is designed as a compression refrigeration machine.
  • the heat pump 10 comprises a condenser 11, which forms the heating part, and an evaporator 12, which forms the refrigerating part.
  • the drive fluid for the sorption is brought to a sorption for the sorption 3 sufficiently high temperature and the flow 14 of
  • Sorptions sakeltemaschine 3 which is simultaneously formed as a return of the hot part of the heat pump 10, the
  • Sorptions sakeltemaschine 3 is the refrigeration part of the
  • Chiller 3 supplied.
  • the cooling circuit of the computer 2 is so with the
  • Refrigerating part of the heat pump 10 is connected and the circulation of the drive fluid of the sorption refrigeration machine 3 is connected to the hot part of the heat pump. So will about the
  • Hot part of the sorption refrigeration machine to be used as drive energy, and at the same time the cooling fluid of the computer 2 in the cold part of the heat pump 10 pre-cooled before it is further cooled in the sorption 3.
  • Coolant passes through the return of the refrigerant of the sorption refrigerator 4 to the computer system. 2
  • Fig. 3 shows a further embodiment of the invention, in which the computer system 2 is air-cooled.
  • air is set in motion via the fans 18 and 19 and via the supply line 4 of the computer system 2
  • the heated air is first passed through a first heat exchanger 16, which with the
  • Refrigerating part the evaporator 12, a heat pump 10 is connected. About the heat exchanger 16 of the air heat is removed and in the hot part, the condenser 11, the heat pump 10 the Drive fluid of the sorption on a
  • the already pre-cooled air is passed through a second heat exchanger 17, which is connected to the cooling part of the sorption refrigeration machine 3.
  • Heat exchanger 17 the already pre-cooled air is brought to a sufficiently low temperature to be fed again via the flow 4 of the computer and to cool them.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a system 1 for cooling a computer system.
  • Liquid cooling preferably with the processors of a computer system 2, connected.
  • This cooling circuit supplies the Sorptions Koltemaschine 3 with drive energy and can with a high
  • the cooling part of the sorption cooling machine 3 is coupled to a further cooling circuit by means of a heat exchanger 16. In doing so, the air which is the racks
  • Process heat is via a further heat exchanger. 9 dissipated. This system has the advantage that the
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the invention, in which the sorption refrigeration machine 3 is also provided with two interfaces for cooling.
  • the cold part of the sorption chiller 3 is connected via a further cooling circuit, the second interface, with a heat exchanger 16 integrated in the rack.
  • the rack is cooled by the heat exchanger 16, such that the electronic components in the rack are cooled by a closed air circuit produced in the rack.
  • the heat exchanger 16 can be operated at a temperature of about 50 ° C, whereas the return of the cold part of the refrigerator 23, via which the heat exchanger 16 is supplied with cold, with a temperature of less than 20 ° C.
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the invention, in which the chiller has two interfaces for cooling.
  • the sorption refrigeration machine 3 is via a first
  • Cooling circuit in turn connected via liquid cooling to the processors of the computer system 2.
  • the cold part of the chiller 3 serves to cool components that are not connected to the first cooling circuit
  • air is supplied to the rack for cooling, which after leaving the rack via a connected to the cold section of the sorption 3 heat exchanger 16 is pre-cooled so that this in the room in which the computer system is arranged (not shown) can be forwarded ,
  • the air is cooled before entering the rack.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the invention in which the computer system 2 comprises a rack with a plurality of modules 8. In this embodiment, one is integrated in the rack or directly with the rack
  • Sorptions sakeltemaschine 3 is provided, which is connected to the first cooling circuit 24 via liquid cooling with the processors of the computer system 2.
  • a second cooling circuit 25 which with essential
  • a heat exchanger 16 is operated, which cools the not connected to the first cooling circuit components of the rack.
  • the advantage of this arrangement is that only for discharging process heat to the heat exchanger 9, an external connection is required. Furthermore, it can accurately be used to cool the heat at the point of origin.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the invention, in which a sorption refrigeration machine 3 is connected to the processors of a computer system 2 via a first cooling circuit 24.
  • a sorption refrigeration machine 3 is connected to the processors of a computer system 2 via a first cooling circuit 24.
  • the cooling circuit 24 is the
  • Sorptions sakeltemaschine 3 supplied with drive energy.
  • the cooling circuit 25 of the cold part is first connected via a first heat exchanger 16 to a cooling circuit of a rack of the computer system 2.
  • Cooling air is supplied.
  • Computer 2 and another rack 26, which belongs for example to a telecommunications system or which may be another rack (or another component of the computer system, such as a power supply) of a computer system, supplied with coolant.
  • heat exchangers 16, 17 are provided in the racks.
  • Fig. 10 shows another embodiment of the invention.
  • a first cooling circuit 24 is provided, which is connected to the hot part of the refrigerator 3 and supplies them with drive energy.
  • Another cooling circuit 25 which has a significantly lower flow temperature, supplied on the one hand via the heat exchanger 16, a rack of the computer system 2. Die
  • Server of the rack 26 which, for example, a
  • Telecommunications device or the like can be about the cooling circuit 25 directly with
  • FIG. 11 shows a further embodiment of the invention in which the hot part of the sorption refrigeration machine 3 is connected to the processors of the computer system 2 via the liquid cooling circuit 24.
  • system 1 comprises an interface 27, via which process heat can be dissipated and connected, for example, to the building heating or hot water supply of a building.
  • Fig. 12 shows an embodiment of a system for
  • Sorptions sakeltemaschine 3 includes.
  • the return is a
  • Liquid cooling of a computer system 2 first with the Hot part 20 of the sorption refrigerator 3 connected.
  • the sorption refrigerator 3 is supplied with drive energy.
  • the cooling fluid After leaving the hot part 20 of the sorption refrigerator 3, the cooling fluid is passed through a heat exchanger 28 and then cooled down, for example, to a temperature of below 25 ° C.
  • the already pre-cooled fluid is then fed to the cold part 21 and then cooled down to a temperature below 15 ° C, in turn, to be fed to the computer 2 as a cooling medium.
  • Process heat of the sorption chiller 3 is removed via the heat exchanger 6.
  • the heat exchanger 28 thus serves in this case
  • Embodiment still cool the relatively warm fluid, which leaves the hot part 20 of the sorption 3, to a sufficient temperature, so that the cold part 21 of the sorption 3
  • heat exchanger 28 is also part of another, for example a conventional,
  • Compressor chiller (not shown) may be.
  • the integration of the sorption chiller 3 serves in this case primarily to improve efficiency.
  • FIG. 13 shows a further embodiment of the invention, in which the system for cooling a computer system 1 comprises a sorption refrigeration machine 3, whose cold part 21 is coupled to a circuit which is in this
  • the racks of the computer system 2 cools.
  • the hot part 20 of the sorption refrigeration machine is connected via a further cooling circuit, which is liquid-based, to the computer system 2, in particular to its processors.
  • the cooling circuit of the hot part 20 has a much higher flow and return temperature as the cooling circuit 21.
  • the return of the hot section 20 of the sorption 3 is an interface 27 is supplied to the example, a heat exchanger can be connected or which
  • FIG. 14 shows a further embodiment of the invention, in which the system for cooling a computer system 1
  • Solar module 30 includes, which is integrated into the cooling circuit of the hot part of the computer, the
  • the racks of the computer 2 are on the cold part of the
  • FIG. 15 shows, schematically illustrated, a processor 31 with liquid cooling, the waste heat of a chiller can be supplied as drive energy.
  • the rear side of the processor 31 is provided with a cooling coil 32, through which a cooling fluid, in particular
  • the cooling coil 32 is embedded in a thermally conductive material or on the back of the processor, a thermally conductive material with integrated cooling coil, such as aluminum, are applied. Here, therefore, the principle of processor cooling is shown.
  • FIG. 16 shows a further embodiment in which the processor 31 is connected to the cooling coil 32 via a heat pipe 33 or heat-conducting material.
  • Heat pipe 33 consists in this embodiment of thermally highly conductive material such as
  • FIG. 17 shows a further embodiment of the invention in which a plurality of processors or also other heat-generating components are thermally coupled to one another via a heat pipe 33 or a heat-conducting material.
  • the cooling coil 32 Between the processors 31 is located in the heat pipe, the cooling coil 32, by means of which the cooling fluid is supplied to a chiller as drive energy.
  • the coupling of a plurality of processors has the advantage that the cost of providing the heat exchanger, here in the form of the cooling coil 32, is reduced.
  • Fig. 18 shows, schematically illustrated, a
  • Embodiment of the invention in which a liquid is used as the cooling medium, and in which the
  • Computer system which includes a rack 26, is provided with a rack cooling.
  • rack cooling In this embodiment, initially cold
  • the cooling fluid has a temperature of less than 20 ° C. Circulating air flowing over the heat exchanger cools the rack. Then, the return of the rack cooling 31, in which the cooling fluid is now a
  • Flow temperature is better than the rack cooling.
  • Fig. 19 shows a further embodiment of the invention, which is based in principle on Fig. 18. Again, the return of the cold end of chiller 23 is connected to a heat exchanger of rack cooling and the return of rack cooling 31 is used to cool the processors.
  • a heat pump 10 is still interposed. About the hot part of the heat pump 10, the cooling fluid coming from the processor cooling is further heated and the flow of the heating part of the
  • Chiller 14 of the sorption 3 fed.
  • Sorptions sakeltemaschine 3 is supplied, to then be further cooled down and returned to the rack cooling.
  • an optimized relatively constant ⁇ or a particularly high ⁇ can be achieved.
  • Fig. 20 shows schematically a blade server. It is a system in which
  • Hardware components such as hard disk computer modules,
  • the sorption refrigeration machine 3 is designed as a plug-in module. It is provided in particular that the sorption refrigeration machine, since this usually takes up a little more space than, for example, a hard disk, occupies at least two slots.
  • FIG. 21 shows the schematically illustrated blade server from FIG. 20 from the rear side.
  • the heat exchanger 36 for the rack cooling which is connected to the Sorptions Koltemaschine 3.
  • the blade server 32 includes fans 37, which are arranged on the rear side and which preferably also as a plug-in module
  • connection 38 for processor cooling which, depending on the embodiment of the invention, are connected to the hot part or cold part of the sorption refrigeration machine 3. Overall, only one connection 35 is necessary for the removal of process heat. Referring to Fig. 22, the
  • the air runs down on the front side of the blade server 39 in order to flow upwards on the rear side and to pass by the heat exchanger 36.
  • An advantage of this embodiment is that the airflow can be made to pass within the blade housing, and thus the blade is thermally neutral to the outside, so no heat is dissipated into the surrounding space until any heat conduction through the housing walls.
  • FIG. 24 shows, schematically illustrated, a system for cooling a computer system 1, which comprises a plurality of blade servers 32.
  • the blade servers 32 are
  • each blade-server rack requires only one connection for the cooling fluid.
  • the system includes a rack 30 that includes a plurality of modules. Via the heat exchanger 9, which is connected to the cold part 21 of a Sorptions Koltemaschine 3, the rack 26 is cooled. For this purpose, via the supply line 15 of the cooling part of the refrigerator, hot fluid, in particular Liquid discharged, cooled and fed back to the heat exchanger 9.
  • the individual modules 8 are provided with a processor cooling.
  • each module is coupled to a pump 41, via which, via the return line 13 of the hot part of the refrigerator 20, the modules 8
  • Coolant is supplied. About the flow of the
  • the pumps 41 can be controlled variably, so that each module 8 gets only as much cooling fluid supplied as it requires. At the same time this ensures that the temperature in the flow of the hot part of the refrigerator 14 is substantially constant or at least does not fall below a certain threshold, so that the fluid can not be used as drive energy.
  • Fig. 26 shows, schematically illustrated, another
  • a heat exchanger 9 is provided for rack cooling, which with the cold part 21 of
  • Sorptions sakeltemaschine 3 is connected. Process heat is dissipated via the waste heat part 22.
  • Fig. 27 shows another embodiment of the invention.
  • a heat exchanger 9 is provided within a rack 26, which is connected to the cold part 21 of a sorption refrigerator 3.
  • Each module 8 is a pump 41 and a valve 42
  • each module 8 can be controlled.
  • Process heat is dissipated via the waste heat 22 also in this embodiment.
  • Fig. 28 shows another configuration in which a plurality of racks 26 are provided.
  • the racks each have a heat exchanger 9, which is connected to the cold part 21 of the sorption refrigeration machine, via which the air is cooled within the racks.
  • a respective pump 41 is provided, via which, for cooling the processors, the fluid originating from the return of the hot part 20 of the sorption chiller 3 is supplied to the rack and distributed to the modules 8.
  • FIG. 29 shows a further embodiment of the invention, in which a rack 26 is also equipped with individual modules 8.
  • the system has a heat exchanger 9 for rack cooling, which with the cold part 21 of
  • a bypass 44 is provided for each module, via which via a directional control valve 43 or a T-shaped branch cooling fluid can flow past the module.
  • Coolant input of the modules can be reduced without an increase in the flow rate of the hot part of
  • Sorption chiller is necessary.
  • the bypass may depend on the individual
  • Module temperature can be controlled so that the individual module load-dependent affect its temperatures at the coolant outlet and coolant inlet, and thus
  • Efficiency of a sorption refrigeration machine can be improved by the bypass under certain operating conditions, the efficiency of the sorption.
  • Coolant in the individual module overheating of the component can be prevented without affecting the flow rate of the entire system.
  • the bypass can also bypass (not shown) coolant on the module and thus reduce the flow rate in the module without a reduction in the Flow rate at the hot part of the sorption is necessary.
  • the bypass and the amount of fluid flowing through the bypass can be adjusted via controllable valves and controllable pumps.
  • the controller (not shown) may be via the module or outside the module, although temperature sensors (not shown) may be included.
  • a bypass can also be placed over an entire rack instead of individual modules (not shown). The mode of action corresponds to that of the bypass via a module.
  • Heating elements 45 are provided.
  • a rack 26 is also provided with modules 8.
  • the rack has rack cooling that is powered by heat exchanger 9.
  • Sorptions holtemaschine (not shown) are connected to the modules 8 via a processor cooling.
  • a pump 41 is provided for each module 8.
  • Each module 8 is associated with an electrical heating element 45 in the return, via which the return temperature of the Module 8 and thus the temperature of the flow 14 of the
  • Chiller can be increased.
  • Chiller supplied fluid always has a sufficient temperature to be effective as a drive medium.
  • Sorption machine can be increased.
  • the temperature or amount of drive energy may be replaced by that at the processor cooling instead of the heating elements
  • the sorption refrigeration machine 3 comprises, as is known, the modules generator, condenser, evaporator and absorber.
  • a cooling circuit which is characterized by condenser and Absorber extends, is about the waste heat 22nd
  • the evaporator forms the cold part 21 and the generator the hot part 20.
  • the system of sorption refrigeration machines is otherwise known and needs no further explanation.
  • the computer center 46 generally includes a room in which a computer 2, consisting of mostly multiple servers 26, is arranged.
  • a computer 2 consisting of mostly multiple servers 26, is arranged.
  • this embodiment is a
  • Sorptions sakeltemaschine 3 is provided, which over the
  • Chiller are connected, the server cools. For this circulates within the server 26 air over the
  • Heat exchanger 9 The air flow 47 is marked with arrows.
  • individual modules 8 are arranged, which have a processor cooling, is connected to the hot part of the refrigerator 20 and this with
  • Be heat exchanger 6 is discharged via the process heat to the outside. It is understood that instead of a heat exchanger the
  • Process heat also the building heating or
  • Fig. 33 shows another embodiment of a
  • sorption chillers are integrated into the racks 26 or adjacent the racks or modules (not shown).
  • a chiller or air conditioning outside the racks is not required, and the room does not necessarily require air conditioning, since the servers are thermally almost neutral.
  • the air conditioning does not have to be adapted (with the exception of the process heat dissipated via the heat exchanger 6 in this example).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Kühlung einer Rechenanlage, bei welchem einer Kältemaschine zur Kühlung der Rechenanlage Abwärme der Rechenanlage als Antriebsenergie zugeführt wird.

Description

System und Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage, insbesondere zur Kühlung einer Server- Farm. Hintergrund der Erfindung
Rechenanlagen, insbesondere eine Vielzahl von Racks
umfassende Server- Farmen, erzeugen im Betrieb große
Wärmemengen. So kommt eine Server-Farm in der Regel auf eine reine Heizleistung von mehreren Kilowatt.
Um diese großen Wärmemengen abzuführen, werden in der Regel Klimaanlagen verwendet, deren Betrieb sehr energieintensiv ist . Es sind in der Praxis zwar Ansätze bekannt, mit denen versucht wird, die Abwärme einer Rechenanlage zur Beheizung eines Gebäudes zu nutzen. Vielfach ist ein derartiger
Ansatz aber mangels beheizbarer Gebäudeflächen in der Nähe nicht möglich und auch, je nach Klimazone und Jahreszeit,
1
BESTÄTIGUNGSKOPIE nicht geeignet für eine hinreichende Kühlung einer in einem Gebäude vorhandenen Rechenanlage zu sorgen. Weiterhin wird im Sommer vielfach keine Heizenergie zur Gebäudeheizung benötigt .
Es wird geschätzt, dass die für Server-Farmen benötigte Energie in den nächsten Jahren auf 100 GWh oder mehr anwachsen wird, wobei bis zu 40% dieser Energie allein der Kühlung zugerechnet wird.
Herkömmliche Rechenanlagen werden in der Regel über die Klimatisierung des Raumes gekühlt, wobei die einzelnen Rechner über einen Lüfter Wärme an die Umgebungsluft abgeben.
Es gibt aber auch neuere Ansätze, bei denen die Racks einer Rechenanlage über eine Flüssigkeit gekühlt werden, wobei über einen in dem Rack integrierten oder adaptierten
Wärmetauscher die Kühlluft der Racks ihre Wärmeenergie an eine außerhalb des Rack zu kühlende Flüssigkeit abgeben.
Ein weiterer Ansatz ist es, die Wärmeenergie über eine Flüssigkeitskühlung direkt von den Prozessoren abzuführen. Diese Technik hat zwar den Vorteil, dass auf einem kleinen lokalen Volumen ein Großteil der entstehenden Hitze
abgeführt werden kann, ist aber in der Praxis zumindest nicht großtechnisch umgesetzt, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass die mit der Flüssigkeitskühlung von Prozessoren verbundenen technischen Schwierigkeiten, wie hinreichende Sicherung der Dichtheit, noch in keinem sinnvollen Verhältnis zu deren Nutzen stehen. Im Zuge weiter steigender Rechenleistungen auf immer kleinerem Raum ist davon auszugehen, dass auch die
Kühlleistung und der damit verbundene Energieverbrauch ansteigen wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, den Energiebedarf einer herkömmlichen Kühlung für Rechenanlagen zu senken.
Dabei soll nicht zwingenderweise auf standortbedingte externe Quellen zurückgegriffen werden müssen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein System zur Kühlung einer Rechenanlage sowie durch ein Verfahren zur
Kühlung einer Rechenanlage nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der
Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft zum Einen ein System zur Kühlung einer Rechenanlage. Unter einer Rechenanlage wird eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Rechnern verstanden, insbesondere ein Datenzentrum oder eine Server-Farm. In der
Regel verfügt eine solche Rechenanlage über eine modulare Struktur, in welcher Racks vorgesehen sind, in welchen die einzelnen Platinen und/oder Baugruppen angeordnet,
insbesondere eingeschoben, sind.
Das System ist insbesondere zur Kühlung von Rechenanlagen vorgesehen, deren Wärmeabgabe mehr als 5 kW, vorzugsweise mehr als 50 kW beträgt.
Das System umfasst eine Kältemaschine, mit welcher ein Fluid kühlbar ist, das der Rechenanlage zuführbar ist.
Vorzugsweise wird zur Kühlung der Rechenanlage Luft oder eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser zugeführt. Es ist aber auch denkbar, ein Kühlmittel, welches in der
Kältemaschine Verwendung findet, direkt der Rechenanlage zuzuführen. Eine Kühlung mit Luft erfolgt in der Regel dadurch, dass der Raum, in welchem die einzelnen Rechner stehen, selbst gekühlt wird und/oder die Rechner über eine eigene interne Luftkühlung verfügen, Abwärme an die Umgebungsluft abgeben und so die Abwärme über die Umgebungsluft, welche innerhalb eines vorgegebenen Soll-Temperatur-Bereiches gehalten wird, abgeführt wird.
Bei Systemen mit höherer Rechenleistung ist bei Verwendung von Luftkühlung zumeist eine Luftkühlung für die einzelnen Racks vorgesehen, das heißt die Abwärme wird nicht alleine über die Umgebungsluft des Raumes angeführt, sondern es wird Luft direkt durchgeführt beziehungsweise in die Racks geblasen, so dass eine lokalere Wärmeabfuhr möglich ist. Bei derartiger Rack-Kühlung notwendige Vorlauftemperaturen der Kühlluft variieren je nach Leistung und technischer Ausführung der Rechenanlage, beispielsweise kann die
Vorlauftemperatur der Kühlluft im Bereich 20° bis 25°C liegen. Eine andere Ausführungsform ist die Flüssigkeitskühlung von Racks. Bei der Flüssigkeitskühlung von Racks wird in der Regel mit einer geringeren Vorlauftemperatur gearbeitet, insbesondere liegt die Vorlauftemperatur der
Kühlflüssigkeit bei der Rack-Kühlung, wiederum variierend je nach Leistung und technischer Ausführung zwischen 10 und 15°C, damit der Wärmetauscher der kühlflüssigkeit- basierenden Rack-Kühlung die von den einzelnen Baugruppen verursachte Wärme aufnehmen kann. Dies resultiert in der Regel auch in einer geringeren Rücklauftemperatur , welche zumeist nicht wesentlich über 20°C liegt.
Bei der technisch aufwendigeren Prozessorkühlung kann die Kühlung dagegen bei höheren Temperaturen erfolgen. Im
Allgemeinen sind Prozessoren für eine Betriebstemperatur bis 100°C ausgelegt, so dass Vorlauftemperaturen bis 50°C ausreichend sind, um für eine hinreichende
Prozessrückkühlung zu sorgen. Die Rücklauftemperatur ist bei Prozessrückkühlungen zumeist recht hoch und kann über 60°C erreichen.
Gemäß der Erfindung wird Abwärme der Rechenanlage der
Kältemaschine über Wärmeleitung oder Flüssigkeit zugeführt, um die Kältemaschine mit Antriebsenergie zu versorgen.
Es wird somit keine Kältemaschine verwendet, welche über einen mechanischen Kompressor antreibbar ist, sondern eine Kältemaschine, die mit Wärme betrieben wird. Derartige Kältemaschinen werden auch als „thermischer Verdichter" bezeichnet. Durch die Erfindung wird ermöglicht, dass die in der Rechenanlage entstehende Abwärme zumindest teilweise zur Kühlung derselben verwendet wird. Es lassen sich so erhebliche energetische Einsparungen erreichen. Die Zufuhr erfolgt über eine Flüssigkeit, mit welcher beispielsweise in Kombination mit Prozessorkühlung ein relativ guter Wärmeübertrag bei gleichzeitig relativ hoher Temperatur der zugeführten Flüssigkeit möglich ist.
Alternativ, insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen die Kältemaschine in Komponenten der Rechenanlage
integriert ist, erfolgt der Wärmeübertrag über direkte Wärmeleitung. Im Sinne der Erfindung werden hierzu auch sogenannte Heatpipes gezählt, bei denen eine
Wärmeübertragung in der Regel vor allem durch Verdampfung und Kondensation erfolgt.
Bekannte Kältemaschinen, welche mit thermischer Energie betrieben werden können, sind Sorptionskältemaschinen.
Zum Einen gibt es Absorptions-Kältemaschinen, von denen insbesondere die Wasser-Lithium-Bromid-Absorptions- Kältemaschine mit Vorlauftemperaturen ab 80°C betrieben werden kann. Diese Kältemaschinen sind bereits im
großindustriellen Einsatz mit Leistungen von mehreren Tausend kW verfügbar .
Die Verwendung einer Absorptions-Kältemaschine bietet sich insbesondere bei der oben beschriebenen Prozessorkühlung an, da die Rücklauftemperatur des Kühlkreislaufes
Temperaturen erreicht, mit denen eine Absorptions- Kältemaschine betrieben werden kann. Es muss somit keine oder zumindest wenig zusätzliche Heizleistung aufgebracht werden, um die Absorptions-Kältemaschine zu betreiben.
Weiter gibt es Adsorptions-Kältemaschinen, die
beispielsweise mit Zeolithen oder Silikagel als
Sorptionsmedium betrieben werden. Derartige Kältemaschinen haben den Vorteil, dass sie mit deutlich niedrigeren
Temperaturen betrieben werden können. So genügt in der Regel eine Vorlauftemperatur ab 50°C. Nachteilig an der Adsorptions-Kältemaschine ist der
diskontinuierliche Betrieb, bei welchem das
Adsorptionsmedium be- und entladen wird. Eine Adsorptions- Kältemaschine kann aber bereits beispielsweise mit der Temperatur der Abluft einer Rack-Kühlung betrieben werden. Der Nachteil der notwendigen Überbrückung von
Regenerationsphasen einer Adsorptions-Kältemaschine kann durch Verwendung mehrerer Sorptions-Kältemaschinen, vorzugsweise Adsorptions-Kältemaschinen und/oder eines Zwischenspeichers derart verringert werden, dass eine hinreichende kontinuierliche Kühlung sichergestellt werden kann.
Insbesondere bei Verwendung einer Luftkühlung bietet sich auch die Verwendung einer auf dem Prinzip der Kühlung durch absorptive Trocknung arbeitenden Kältemaschine an,
allgemein bekannt auch unter der Bezeichnung Desiccant Cooling System (DCS) . Dabei wird warme feuchte Luft durch Sorbentien getrocknet und anschließend zur adiabatischen Kühlung befeuchtet. Die mit Wasserdampf gesättigten
Sorbentien werden durch Erwärmen regeneriert. Zuluft kann damit gekühlt werden, wobei gleichzeitig die Abluft erwärmt wird. Der Vorteil einer derartigen absorptiven Trocknung ist der relativ geringe Aufwand und die niedrige
Regenerationstemperatur, welche zumeist bei unter 70°C liegt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Racks und/oder Prozessoren der Rechenanlage mit einer Flüssigkeit gekühlt, welche direkt der Kältemaschine zu deren Antrieb zugeführt wird. Diese Ausführungsform der Erfindung bietet sich vor allem an, wenn auf weitere Bauteile zur Erhöhung der Vorlauftemperatur zum Bereitstellen der Antriebsenergie der Kältemaschine verzichtet wird. Insbesondere ist es bei Prozessorkühlung denkbar, keine weiteren Wärmetauscher zwischenzuschalten, sondern das Kühlmedium direkt dem
Wärmetauscher der Kältemaschine zuzuführen. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Kältemaschine über einen Wärmetauscher mit einem
Kühlkreislauf der Rechenanlage verbunden. Dieses Prinzip erleichtert insbesondere die nachträgliche Integration des Systems in ein bestehendes Kühlsystem.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Rechenanlage und der Kältemaschine eine Wärmepumpe zur Erhöhung der Vorlauftemperatur der Kältemaschine
vorgesehen.
Es versteht sich, dass es sich bei der Wärmepumpe ebenfalls um eine Kältemaschine handelt. Im Sinne der Erfindung wird als Wärmepumpe eine Kompressions-Kältemaschine
vorgeschaltet, welche nicht mit Wärme als Antriebsenergie versorgt wird, sondern von einer externen Energiequelle wie beispielsweise dem Stromnetz oder einer Solaranlage
abhängig ist. Es sind jedoch auch andere physikalische Prinzipien für Wärmepumpen anwendbar, z.B. auf dem
magnetokalorischen Prinzip arbeitende Wärmepumpen.
Über eine Wärmepumpe kann die Temperatur des Rücklaufs der Rechenanlage auf einen Wert gebracht werden, in welchem eine nachgeschaltete Sorptions-Kältemaschine einen guten Wirkungsgrad erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei der
Kälteteil, also der Verdampfer der Wärmepumpe mit dem
Vorlauf des Kälteteils der Kältemaschine verbunden. Über den Wärmeteil, den Verflüssiger der Wärmepumpe, wird das Antriebsmedium für die Sorptions-Kältemaschine auf eine gegenüber des Rücklaufes der Rechenanlage höhere Temperatur gebracht und gleichzeitig über den Kälteteil der
Wärmepumpe der Vorlauf des Kälteteils der Sorptions- Kältemaschine vorgekühlt .
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird extern,
insbesondere von einem Solarkollektor, erzeugte Wärme, der Kältemaschine als zusätzlicher Antriebsenergie zugeführt. Über eine Solaranlage ist es somit denkbar, dass, je nach Klimazone, auch ohne Verwendung von Photovoltaik ein rein thermischer Betrieb der Kühlanlage möglich ist. Es ist aber auch denkbar, die über einen thermischen Solarkollektor erzeugte Wärme zunächst einer Wärmepumpe zusammen mit dem Rücklauf der Rechenanlage zur weiteren Temperaturerhöhung zuzuführen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das System zumindest einen, vorzugsweise zwei, Pufferspeicher. Neben der zuvor beschriebenen Verwendung von Pufferspeichern in Verbindung mit einer Adsorptions-Kältemaschine kann über Pufferspeicher auch eine hinreichende Notkühlung im Falle des Ausfalls einzelner Komponenten sichergestellt werden. Weiter kann beispielsweise über einen Pufferspeicher im Zulauf der Kältemaschine eine hinreichende Menge von
Antriebstluid mit der nötigen Temperatur bereitgestellt werden, da sich je nach Konfiguration der Rechenanlage die Rücklauftemperatur beziehungsweise die Wärmeabgabe der Rechenanlage mit schwankender Auslastung stark variieren kann.
Vorzugsweise ist ein Pufferspeicher zur Speicherung kalten Fluids zur Kühlung der Rechenanlage und ein weiterer
Pufferspeicher zur Speicherung eines Fluids vorgesehen, dass der Kältemaschine als Antriebsfluid dient.
Im Falle der Verwendung einer weiteren Kältemaschine zur Erhöhung der Temperatur des Antriebsfluids einer
Sorptionskältemaschine kann ein Pufferspeicher auch zwischen der Sorptionskältemaschine und der weiteren
Kältemaschine angeordnet sein. Weiter kann das System, wie es bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, Mittel zur variablen Verteilung des Kühlfluids innerhalb der Rechenanlage aufweisen.
Es ist insbesondere vorgesehen, die Kühlleistung je nach Bedarf auslastungsabhängig innerhalb der Rechenanlage zu verteilen. Zur Optimierung der Kühlmittelverteilung kann, wie es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, dass System zur Kühlung der Rechenanlage mit der Rechenanlage selbst vernetzt sein. So ist beispielsweise denkbar, dass zumindest einzelne Server der Rechenanlage über eine Schnittstelle die jeweilige Auslastung und/oder die jeweilige Temperatur an einer Regelungselektronik des Kühlsystems weitergeben, so dass das Kühlsystem nicht allein über Vorlauf- und Rücklauftemperatur sondern
auslastungsspezifisch geregelt wird. Der Vorteil einer derartigen Regelungstechnik liegt unter anderem darin begründet, dass bereits in einem sehr frühen Stadium, nämlich unmittelbar mit Anstieg der Auslastung der
Rechenanlage, zusätzliche Kühlleistung angefordert wird.
Gegenüber einfacheren Regelungssystemen, die beispielsweise auf Basis der Rücklauftemperatur gesteuert werden, kann so das Kühlsystem bei geringerer Auslastung der Rechenanlage mit einer erheblich reduzierten Leistung betrieben werden, ohne zu riskieren, dass im Falle plötzlich steigender
Auslastung aufgrund der geringen zugeführten Kühlleistung es zu Überhitzungen einzelner Komponenten kommt.
Auf den einzelnen Rechnern kann zur Steuerung der
Rechenanlage ein im Hintergrund laufendes Programm zur Temperaturüberwachung installiert sein, welches bei
steigendem Kühlbedarf dies an die Regelung des Kühlsystems weitergibt. Als Schnittstelle im Sinne der Erfindung kann beispielsweise auch ein ohnehin vorhandener LAN-Anschluss genutzt werden.
Denkbar ist auch eine Fernüberwachung und/oder Steuerung des Kühlsystems über ein Netzwerk, insbesondere Internet - basiert .
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Regelung derart ausgestaltet, dass, sofern dies möglich ist, Wärme an die Umgebung, beispielsweise an einen im Außenbereich angeordneten Wärmetauscher oder innerhalb eines Heizsystems an die Gebäudeheizung abgeführt werden kann. Diese Art der Kühlung, welche auch als „free cooling" bezeichnet wird, hat den Vorteil, dass ein Teil der Wärme ohne den
aufwändigen und möglicherweise energieintensiven Betrieb einer Kältemaschine abgeführt werden kann. Insbesondere bietet es sich an, Prozesswärme einer
Sorptionskältemaschine an die Umgebung abzuführen oder Fluid, welches den Warmteil einer Sorptionskältemaschine mit immer noch relativ hoher Temperatur verlässt, in der Umgebung weiter herunterzukühlen, bevor dieses der
Rechenanlage selbst oder dem Kaltteil der Kältemaschine zugeführt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfasst das System zumindest redundant ausgebildete Pumpen zur Verteilung des Kühlfluids und/oder eine redundant ausgebildete Kältemaschine. Zumindest bei größeren
Server-Farmen muss auch beim Ausfall einzelner Komponenten des Kühlsytems eine dauerhafte Weiterversorgung mit dem Kühlfluid über einen längeren Zeitraum sichergestellt werden, wofür Pufferspeicher in der Regel nicht ausreichend sind.
Zur Notkühlung kann beispielsweise auch ein zusätzlicher herkömmlicher Kältekompressor oder eine Einspeisung von kaltem Leitungswasser in das System vorgesehen sein.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann das System auch in eine bestehende Gebäudeklimatisierung und/oder
Warmwasserversorgung integriert sein. So ist beispielsweise denkbar, die an einer Sorptions-Kältemaschine anfallende
Prozesswärme zumindest teilweise zur Beheizung des Gebäudes und/oder zur Warmwasserversorgung zu verwenden. Es ist auch denkbar, die Prozesswärme zur Stromerzeugung zu verwenden, beispielsweise durch Peltierelemente .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das System modular ausgebildet und umfasst zumindest ein
Kühlmodul, in welchem zumindest die Kältemaschine und eine elektronische Steuerung angeordnet ist . Insbesondere ist vorgesehen, ein Modul bereitzustellen, welches aus einem Gehäuse mit Anschlüssen besteht und an welchem neben einer Stromversorgung, gegebenenfalls der Anbindung der
Rechenanlage über eine Schnittstelle, Zu- und
Rücklaufleitungen der Kühlung der Rechenanlage anschließbar sind. Weiter umfasst das Modul vorzugsweise Anschlüsse für einen externen Wärmetauscher, über den Prozesswärme der Kältemaschine abgeführt wird.
Auch die Steuerung des Systems zur Kühlung einer
Rechenanlage ist in dem Modul integriert . Weiter verfügt das Modul bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung zumindest über eine autarke NotStromversorgung, über die zumindest der Antrieb der Pumpen, mit denen das Kühlfluid der Rechenanlage zugeführt wird, auch im Falle eines Stromausfalls gewährleistet wird. Es ist denkbar, dass zumindest auch eine
Regelungselektronik des Kühlsystems mit der
Notstromversorgung verbunden ist . Zur einfacheren Regelung ist auch denkbar, dass die Pumpen derart angesteuert sind, dass sie bei ausgeschalteter Regelungselektronik weiter laufen.
Alternativ kann die Notstromversorgung des Kühlsystems auch über eine Notstromversorgung der Rechenanlage sichergestellt werden, insbesondere über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung .
Rechenanlagen weisen in der Regel eine unterbrechungsfreie Stromversorgung auf. Derartige unterbrechungsfreie
Stromversorgungen von Rechenanlagen werden in der Regel ebenfalls gekühlt. Es ist daher vorgesehen, das System zur Kühlung auch für die unterbrechungsfreie Stromversorgung zu verwenden. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung umfasst in der Regel zumindest Akkumulatoren, mit denen sich kurzzeitige Unterbrechungen der Netzspannung überbrücken lassen. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung springt in der Regel innerhalb weniger Millisekunden an, so dass auch nur kurzeitig auftretende Störungen der Spannung
kompensiert werden.
Eine Rechenanlage verfügt in der Regel auch über
Telekommunikationseinrichtungen wie Anschlussmodule an ein Telekommunikationsnetz. Es versteht sich, dass das
erfindungsgemäße Kühlsystem, soweit erforderlich, auch die Kühlung dieser Telekommunikationsmodule sicherstellt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind, insbesondere zur Erhöhung der Kühlleistung und/oder zur redundanten Ausgestaltung, auch kaskadierte Kühlanlagen vorgesehen.
Dabei wird eine Mehrzahl von Kühlanlagen hintereinander geschaltet, derart dass die Temperatur des Kühlfluids in einzelnen Kühlstufen herabgesetzt wird. Dabei können unterschiedliche Kältemaschinen verwendet werden, die auf die jeweilige Kühlstufe abgestimmt sind.
Gemäß der Erfindung ist die Rechenanlage selbst über die Kältemaschine kühlbar, d.h. vorzugsweise wird ein überwiegender Teil des von der Kältemaschine erzeugten Fluids mit niedriger Temperatur genutzt, um die
Rechenanlage selbst zu kühlen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Warmteil der Kältemaschine über einen ersten Kreislauf mit der Rechenanlage zur Zuführung von Antriebsenergie
verbunden und der Kaltteil der Kältemaschine ist mit einem weiteren Kühlkreislauf der Rechenanlage verbunden.
So kann beispielsweise der Warmteil der Kältemaschine über eine Flüssigkeitskühlung mit Prozessoren der Rechenanlage bzw. Prozessoren, weiteren Komponenten wie
Telekommunikationsmodulen bzw. Bauteilen davon etc.
verbunden sein. Über diesen ersten Kühlkreislauf wird die Kältemaschine mit Antriebsenergie versorgt .
Der Kaltteil der Kältemaschine kann über eine Luft- und/oder Flüssigkeitskühlung, beispielsweise mit dem Rack oder den Servern selbst verbunden sein. Der Kreislauf des
Kaltteils, der separat angeschlossen ist, hat so eine wesentlich niedrigere Temperatur und beim mit relativ hoher Temperatur arbeitenden Warmteil ist ein Betrieb sowohl bei hoher Temperatur, als auch bei hohem ΔΤ zwischen Warmteil und Kaltteil der Kältemaschine möglich. So ist es
beispielsweise bei einer Prozessorkühlung möglich, dass der Rücklauf der Rechenanlage eine Temperatur von über 60 °C aufweist . Diese hohe Temperatur wird nunmehr zunächst zum Betrieb der
Sorptionskältemaschine verwendet und kann aufgrund der immer noch relativ hohen Temperatur etwa über Wärmetauscher im Außenbereich ohne Schwierigkeiten weiter heruntergekühlt werden, um sodann wieder dem Warmkreislauf der Rechenanlage zugeführt zu werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Fluid, mit welchem die Kältemaschine mit Antriebsenergie versorgt wird, nach Verlassen der Kältemaschine gekühlt. Dies erfolgt aufgrund der immer noch recht hohen Temperatur in der Regel ohne Kältemaschine, sondern beispielsweise mittels Wärmetauschern, insbesondere auch zu
Beheizungszwecken. So wird dem Gesamtsystem thermische Energie entzogen, ohne dass hierfür eine Kältemaschine betrieben werden muss. Die Sorptionskältemaschine kann gleichzeitig mit hohem ΔΤ betrieben werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich die Vorlauf-Soll-Temperatur eines ersten Kühlkreislaufs, der zugleich die Antriebsenergie bereitstellt, um
mindestens 10°, vorzugsweise mindestens 20 °C von der
Vorlauftemperatur eines weiteren Kühlkreislaufs.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Teil der Kältemaschine, über welchen Prozesswärme abführbar ist, mit dem Heizsystem eines Gebäudes verbunden. Dieser Ausführungsform der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Prozesswärme, welche eine Temperatur über 30° C hat zumindest in Niedertemperaturkreisläufen eines Gebäudes beispielsweise zur Beheizung oder zum Erzeugen von Warmwasser oder Energie verwendet werden kann.
Das System kann zumindest zwei Kühlmittelanschlüsse, jeweils umfassend Vor- und Rücklauf, aufweisen, welche mit der Rechenanlage verbunden sind. Über mehrere Kühlkreisläufe ist es möglich, abgestimmt auf die jeweilige Kühlungsart, verschiedene Kreisläufe mit unterschiedlicher Vorlauf -Soll-Temperatur bereitzustellen. So kann
beispielsweise ein flüssigkeitsbasierter Kühlkreislauf mit relativ hoher Vorlauftemperatur z.B. größer 50 °C mit den Prozessoren verbunden sein.
Ein weiterer Kühlkreislauf kann beispielsweise ebenfalls mittels Flüssigkeit mit den Leiterplatten der Server verbunden sein.
Ein geschlossener, mit den einzelnen Racks verbundener luftbasierter Kühlkreislauf, welcher am Kältekreislauf des Kaltteils der Kühlmaschine angeschlossen ist, arbeitet dagegen mit einer wesentlich niedrigeren Vorlauf -Soll- Temperatur, z.B. kleiner 30 °C.
Die Vorlauftemperatur eines ersten Kreislaufs unterscheidet sich vorzugsweise um zumindest 10°, vorzugsweise 20° C von der Vorlauftemperatur eines weiteren Kühlkreislaufs.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Kühlkreislauf mit einer Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser und ein weiterer Kühlkreislauf mit einem Gas wie beispielsweise Luft betreibbar.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kältemaschine in ein Rack oder in einen Server integriert. So lassen sich insbesondere Sorptionskältemaschinen auch dezentral im System unterbringen. Auch kann sich so beispielsweise ein Server selbst kühlen. Dabei kann jeder Kühlkreislauf auf das jeweilige Gerät optimiert sein. Unter einem Anschluss für einen Kühlkreislauf im Sinne der Erfindung werden alle möglichen Arten von Schnittstellen, über die Wärmeenergie übertragen werden kann, verstanden.
Auch kann die Sorptionskältemaschine, wie es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, unmittelbar an den Server oder das Rack angrenzen.
Beispielsweise kann die Sorptionskältemaschine oberhalb oder unterhalb eines Servers oder Racks vorhanden sein. So ist keine zusätzliche Grundfläche nötig.
Wärmeenergie kann beispielsweise über eine direkte
thermische Verbindung einer Kühlflüssigkeit mit Komponenten der Kältemaschine und Komponenten der Rechenanlage
ausgetauscht werden.
Weiterhin kann die Wärmeenergie beispielsweise auch über wärmeleitende Feststoffe wie Aluminium oder Kupfer
übertragen werden, oder auch durch Heatpipes, in denen die Wärmeübertragung innerhalb eines geschlossenen
Übertragungssystems durch Verdampfung und Kondensations- Vorgänge erfolgt .
Weiter kann beispielsweise ein im Rack integrierter
Wärmetauscher für Wasser zu Luft verwendet werden und im Rack selbst ein geschlossener Luftkreislauf die Komponenten des Racks kühlen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein ins Rack integrierter oder mit dem Rack verbundener Wärmetauscher angeschlossen werden, dem über eine Flüssigkeit, welche von der Kältemaschine zugeführt wird, Kälte zugeführt und mit welchem Luft gekühlt wird, bevor diese ins Rack geleitet wird, oder bevor sie das Rack verlässt, ohne dass es zwingend nötig ist, dass ein geschlossener Kreislauf innerhalb des Racks vorhanden sein muss .
In einem erfindungsgemäßen System zur Kühlung einer
Rechenmaschine können mehrere Kältemaschinen vorhanden sein, insbesondere mehrere verschiedene Kältemaschinen, welche an die jeweilige Kühlaufgäbe optimiert sind.
Insbesondere können Sorptionskältemaschinen, welche mit Abwärme der Rechenanlage betrieben werden, mit
herkömmlichen Kältemaschinen verknüpft sein, um etwa fehlende Kapazitäten an Kühlleistung bereitzustellen.
Vorzugsweise wird über steuerbare Ventile das Kühlfluid derart variabel verteilt, dass die Effizienz des
Kühlsystems optimiert wird. Hierzu kann beispielsweise das System zur Kühlung einer Rechenanlage einen Rechner umfassen, welcher die Anlage steuert. Die Prozessorkühlung im Sinne der Erfindung kann nicht nur die Hauptprozessoren des Rechensystems enthalten, sondern die Prozessorkühlung kann auch weitere Prozessoren oder elektronische Bauteile wie Speicherschaltkreise,
Festplatten, Chipsets, Leistungsbauteile der
Stromversorgung umfassen, welche wiederum in verschiedenen Komponenten des Rechenanlage wie den Server-Racks ,
Telekommunikationseinreichtungen, Stromversorgungen,
Datenspeichern und weiteren Komponenten der Rechenanlage enthalten sind.
Insbesondere kann das Kühlfluid durch Wärmetauscher geleitet werden, welche mit den Leiterplatten verbunden sind, und somit die Leiterplatten und/oder die mit der Leiterplatte thermisch verbundenen Bauteile kühlen. Ebenso können auch die Leiterplatten selber von Kühlfluid
durchströmt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, wärmeerzeugende Komponenten, insbesondere
Prozessoren, thermisch miteinander zu koppeln, so dass die Anzahl an Wärmetauschern, welche fluiddurchströmt sind, verringert werden kann. Es ist insbesondere vorgesehen, mehrere Prozessoren über eine sogenannte „Heatpipe", also ein Element mit guter Wärmeleitung thermisch zu koppeln und an einer Stelle der Heatpipe die Wärme abzuführen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System zur Kühlung, insbesondere zur Kühlung einer Rechenanlage wie vorstehend beschrieben, welches eine Kältemaschine umfasst, über die durch einen Kühlkreislauf Abwärme als Antriebsenergie zugeführt wird. Insbesondere ist eine
Sorptionskältemaschine vorgesehen .
Gemäß der Erfindung wird ein Fluid des Kühlkreislaufs des Warmteils nach Durchlaufen des Warmteils über einen
Wärmetauscher heruntergekühlt um sodann dem Kaltteil der Kältemaschine zugeführt zu werden. Besonders von Vorteil ist, dass nach Nutzung der hohen Temperatur des Fluids als Antriebsenergie der Kältemaschine dieses immer noch
hinreichend warm ist, um beispielsweise einem Wärmetauscher einer Gebäudebeheizung zugeführt zu werden. Dass dann weiter heruntergekühlte Fluid kann sodann dem Kaltteil zugeführt werden und zur Kühlung, insbesondere einer
Rechenanlage, auch für andere Kühlzwecke verwendet werden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Rechenanlage zur Erwärmung des Fluids in einem
Kühlkreislauf, insbesondere in einem Kühlkreislauf mit einer Flüssigkeit zumindest ein Heizelement auf.
Insbesondere handelt es sich dabei um ein elektrisches Heizelement. So kann beispielsweise in Zeiten geringer Auslastung der Server das Kühlfluid erwärmt werden, um eine hinreichende Temperatur zu haben, um als Antriebsenergie für die Kältemaschine genutzt zu werden.
Die Heizelemente können beispielsweise in einem Server oder einem Rack der Rechenanlage angeordnet sein.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die
Sorptionskältemaschine in einem Server, insbesondere in einem Blade-Server , integriert.
So ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Sorptionskältemaschine als ein im Server einsetzbares, insbesondere einsteckbares Modul ausgebildet ist. Diese Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise für herkömmliche Blade-Server verwendet werden.
Die Integration in dem Server selbst ermöglicht kurze
Leitungslängen, wodurch die Effizienz gesteigert wird.
Weiter ist als externer Anschluss lediglich ein
Fluidanschluss zur Abführung von Prozesswärme nötig.
Ansonsten können alle Komponenten in dem Server bzw. Rack integriert sein.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage, insbesondere mittels eines zuvor beschriebenen Systems zur Kühlung einer Rechenanlage. Die Rechenanlage wird mit einer Sorptionskältemaschine gekühlt und es wird gemäß der Erfindung der
Sorptionskältemaschine Abwärme der Rechenanlage als
Antriebsenergie zugeführt .
Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden Prozessoren und weitere Leistungsbauteile der Rechenanlage, worunter z.B. auch Prozessoren von Telekommunikationsanlagen,
Stromversorgungen etc. verstanden werden, über eine
Flüssigkeit gekühlt, welche einen Warmkreislauf der
Sorptionskältemaschine durchläuft .
Über einen Kaltteil der Kältemaschine, welcher vorzugsweise bei einem weiteren Kühlkreislauf mit der Rechenmaschine verbunden ist, ist die Rechenanlage kühlbar. So kann ein hohes ΔΤ zwischen Heizkreislauf und Kühlkreislauf der
Sorptionskältemaschine erreicht werden.
Um eine hohe Effizienz zu erreichen, wird vorzugsweise die Temperatur einzelner Komponenten der Rechenanlage gemessen und ein Kühlfluid, basierend auf den gemessenen
Temperaturen, variabel verteilt.
Um eine hinreichend hohe Temperatur zum Antrieb einer
Sorptionskältemaschine zu erreichen, ist es insbesondere vorgesehen, den gesamten Kühlkreislauf derart zu regeln, dass diese hohe Temperatur kontinuierlich erreicht wird. So kann in Phasen geringer Auslastung der Rechenanlage die Durchflussmenge an Kühlmittel reduziert werden.
Es ist weiter vorgesehen, einzelne Stränge des Kühlsystems zeitweise mit höherer Temperatur zu betreiben, um so eine hohe Rücklauftemperatur zu erreichen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Rechenanlage, insbesondere die Prozessoren der
Rechenanlage, zeitweise über eine Software einer höheren Auslastung ausgesetzt. So kann in Zeiten geringer
Auslastung der Rechenanlage die Temperatur des Vorlaufs des Warmteils der Kältemaschine auf eine hinreichend hohe
Temperatur gebracht werden, um diese mit Antriebsenergie zu versorgen, und zwar ohne dass hierfür Hardwarekomponenten erforderlich sind. Vielmehr werden bei dieser
softwarebasierten Lösung die Prozessoren einer Last
ausgesetzt, so dass die Rechenanlage mehr Wärme erzeugt. Weiterhin kann damit auch die Menge der Antriebsenergie für die Sorptionskältemaschine erhöht werden. Auch kann
sichergestellt werden, dass die für den Betrieb der
Sorptionskältemaschine erforderliche Mindesttemperatur erreicht wird. Weiterhin kann der Wirkungsgrad verbessert werden, da dieser auch von der Temperatur der
Antriebsenergie abhängig ist .
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorlauftemperatur des Warmteils der Kältemaschine über einen Bypass eines Kühlkreislaufs der Rechenanlage
regelbar .
Beispielsweise ist ein Kühlkreislauf einer
flüssigkeitsbasierten Prozessorkühlung mit einem Bypass versehen, über welchen Kühlfluid an den Prozessoren vorbei strömt, ohne über die Kühlmaschine gekühlt zu werden. Über ein ansteuerbares Wegeventil kann geregelt werden, welche Menge Flüssigkeit über die Kühlmaschine und welche Menge Flüssigkeit über den Bypass läuft. So kann beispielsweise unter Verwendung von Temperatursensoren eine gleichbleibende Rücklauftemperatur sichergestellt werden, um der Sorptionskältemaschine kontinuierlich Fluid mit gleichbleibender Temperatur bzw. mit einer Temperatur innerhalb eines definierten Fensters zur Verfügung zu stellen, und gleichzeitig die Vorlauftemperatur ebenfalls konstant gehalten werden. Damit wird unabhängig von der Wärmeleistung des Prozessors eine konstante Vor- und
Rücklauftemperatur erreicht, was für einen hohen
Wirkungsgrad der Sorptionskältemaschine von Bedeutung sein kann.
Beschreibung der Zeichnungen Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf die
Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 17, welche schematisch
dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die in ein Rack eingeschobenen Bauelemente mittels Prozessorkühlung und einer Sorptionskältemschine gekühlt werden .
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwischen einem flüssigkeitsgekühlten Rack und einer
Sorptionskältemaschine eine Wärmepumpe vorgesehen ist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Rack luftgekühlt ist und eine Wärmepumpe sich zwischen Rechenanlage und Sorptionskältemaschine befindet. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Prozessoren über eine Flüssigkeitskühlung mit der Kältemaschine verbunden sind und über einen weiteren Kühlkreislauf Racks luftgekühlt sind.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in den Racks ein Wärmetauscher vorhanden ist, welcher mit Kühlwasser betrieben wird und die Luft im Rack kühlt .
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welchem die den Racks zugeführte Luft zur Kühlung der
Umgebung des Rechenzentrums verwendet wird.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Sorptionskältemaschine in ein Rack integriert ist .
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Flüssigkeitskühlung der Prozessoren mit der
Luftkühlung eines Racks sowie der Lüftkühlung eines
weiteren Racks über einen Wärmetauscher kombiniert ist. Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das System zur Kühlung einer Rechenanlage mit einer weiteren Komponente einer Rechenanlage oder eines
Telekommunikationssytems verbunden ist.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der über zwei verschiedene Kühlkreisläufe Komponenten gekühlt werden. Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Prozesswärme der Kältemaschine für
Beheizungszwecke verwendet wird. Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Rücklauf des Warmteils der Kältemaschine über einen weiteren Wärmetauscher geführt wird und dem Warmteil der Kältemaschine zugeführt wird. Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das System zur Kühlung einer Rechenanlage zwei Schnittstellen zum Abführen von Wärme umfasst.
Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Solarmodul in den Kreislauf des Warmteils der Kältemaschine integriert ist .
Fig. 15 zeigt, schematisch dargestellt, ein Detail einer Prozessorkühlung .
Fig. 16 zeigt, schematisch dargestellt, eine
Prozessorkühlung mittels einer Heatpipe.
Fig. 17 zeigt, schematisch dargestellt, die Kopplung zweier Prozessoren mittels einer Heatpipe oder einem
wärmeleitenden Material .
Fig. 18 zeigt, schematisch dargestellt, eine
Ausführungsform der Erfindung mit einem geschlossenen
Kühlkreislauf.
Fig. 19 zeigt, schematisch dargestellt, eine
Ausführungsform der Erfindung mit einem Kühlkreislauf für Rack- und Prozessorkühlung, bei welcher eine Wärmepumpe zwischengeschaltet ist.
Fig. 20 zeigt, schematisch dargestellt, einen Blade-Server mit integrierter Sorptionskältemaschine.
Fig. 21 zeigt die Rückseite des in Fig. 20 dargestellten Blade- Servers . Fig. 22 und Fig. 23 zeigen, schematisch dargestellt, die Luftzirkulation in einem Blade-Server.
Fig. 24 zeigt eine Rechenanlage mit einer Mehrzahl an Blade-Servern.
Bezugnehmend auf Fig. 25 bis Fig. 29 sollen verschiedene Möglichkeiten zur Regelung des erfindungsgemäßen Systems erläutert werden. Fig. 30 zeigt ein Rack mit integrierten Heizelementen.
Fig. 31 zeigt, schematisch dargestellt, eine
Sorptionskältemaschine . Fig. 32 zeigt ein Rechenzentrum mit einem System zur
Kühlung einer Rechenanlage.
Fig. 33 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Rechenzentrums mit integrierten Sorptionskältemaschinen.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt, schematisch dargestellt, eine erste
Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das System 1 zur Kühlung einer Rechenanlage 2 eine Prozessorkühlung umfasst . Die Rechenanlage 2 ist hier schematisch nur als einzelnes Rack dargestellt, welches einzelne übereinander gestapelte Module 8, die beispielsweise als Server ausgebildet sind, umfasst . In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die
Prozessoren (nicht dargestellt) der Rechenanlage mit einer Flüssigkeit gekühlt. Ein Vorteil der Prozessorkühlung direkt mit Flüssigkeiten ist die im Vergleich zu luft- oder flüssigkeitsgekühlten Racks höhere Effizienz der Kühlung, was eine höhere abführbare Wärmemenge ergibt .
Dazu wird über einen Vorlauf 4 Kühlwasser mit einer
Temperatur von weniger als 60°C den Prozessoren zugeführt. Es versteht sich, dass in der Praxis eine Mehrzahl von Racks vorgesehen ist und dass das System noch weitere verzweigte Leitungen, Ventile, Pumpen etc. umfasst, welche in dieser schematisch dargestellten Ausführungsform nicht gezeigt sind.
Die Kühlflüssigkeit erwärmt sich auf eine Temperatur von mehr als 60° und verlässt die Rechenanlage 2 über den
Rücklauf 5. Der Rücklauf der Rechenanlage 5 bildet zugleich den Vorlauf des Wärmeteils einer Sorptionskältemaschine 3. Die Sorptionskältemaschine 3 kann insbesondere als
Adsorptions- oder Absorptions-Kältemaschine ausgebildet sein. Eine Sorptionskältemaschine verfügt über einen Warmteil 20, einen Kaltteil 21 und in der Regel einen Abwärmeteil 22 (Prozesswärme) . Dem Kälteteil 21 wird Energie entzogen und diese dem Abwärmeteil 22 zugeführt. Entsprechend kühlt sich über den Kaltteil 21 geführtes Fluid ab, wohingegen sich über den Abwärmeteil 22 geführtes Fluid erwärmt. Im
Warmteil 21 wird die diesen Prozess treibende thermische Energie über ein Antriebsfluid eingespeist, wobei sich dieses über diesen Warmteil 21 geführtes Fluid abkühlt, wohingegen sich das über den Abwärmeteil 22 geführtes Fluid erwärmt .
Die über den Rücklauf 5 der Rechenanlage 2 zugeführte Wärme dient als Antriebsenergie der Sorptionskältemaschine und wird nach Wärmeabgabe dem Kälteteil der
Sorptionskältemaschine 3 zugeführt und verlässt über einen Rücklauf, welcher zugleich den Vorlauf 4 der Rechenanlage 2 bildet, die Sorptionskältemaschine. Zum Abführen der
Prozesswärme aus dem Abwärmeteil 22 der
Sorptionskältemaschine wird die Prozesswärme einem externen
Wärmetauscher 6 zugeführt, dessen Kühlleistung über einen Ventilator 7 erhöht wird.
So wird eine hinreichende Wärmeabgabe des Systems an die Außenluft sichergestellt. Die Kühlung der Prozesswärme kann auch anders ausgeführt sein, dargestellt ist nur das
Prinzip, dass eine Rückkühlung erfolgt.
Bei einer alternativen Ausführungsform, die hier nicht dargestellt ist, ist zusätzlich zwischen Rechenanlage 2 und Sorptionskältemaschine 3 eine Wärmepumpe vorgesehen, mit der die Temperatur des Vorlaufs der Sorptionskältemaschine 3 erhöht . Durch die Verwendung des Kühlfluids zur Bereitstellung der Antriebsenergie der Sorptionskältemaschine wird bereits eine Vorkühlung des Kühlfluids der Rechenanlage erreicht, bevor dieses im Kaltteil der Sorptionskältemaschine weiter abgekühlt wird.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Rechenanlage 2 ein Rack mit einem Wärmetauscher 9 umfasst . Das Rack ist dadurch flüssigkeitsgekühlt . Die Kühlung des Racks kann bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung (nicht dargestellt) auch über andere Methoden erfolgen, beispielsweise durch an den Gehäusewänden adaptierte
Wärmetauscher. Für ein flüssigkeitsgekühltes Rack sind in der Regel niedrigere Vorlauftemperaturen erforderlich, als dies bei einer Prozessorkühlung der Fall ist. Der Vorteil der Rack-Kühlung ist die höhere Effizienz der Kühlung, die eine höhere abführbare Wärmemenge im Vergleich zu rein luftgekühlten Racks erlaubt . Ein Vorteil im Vergleich zur Prozessorkühlung liegt in der besseren Handhabbarkeit. So ist die Rechenanlage weniger gefährdet, durch Austreten des
Kühlfluids beschädigt zu werden. Auch kann es bei
Prozessorkühlungen bei kurzzeitigem Ausfall der Kühlung bereits nach äußerst kurzer Zeit zu Überhitzung und
Beschädigung des Systems kommen.
Es versteht sich, dass auch weitere Energie aus externen Quellen, beispielsweise über einen thermischen
Solarkollektor dem System zugeführt werden kann. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der
Erfindung ist für den Vorlauf 4 der Rechenanlage 2
gegenüber einer Prozessorkühlung eine wesentlich niedrige Temperatur, in der Regel eine Temperatur von 5 bis 15°C nötig, um eine hinreichende Kühlung der in dem Rack
angeordneten Module bereitstellen zu können.
In der Regel erwärmt sich die Kühlflüssigkeit im
Wärmetauscher 9 auf eine Temperatur, welche 25°C nicht wesentlich übersteigt.
Der Rücklauf 5 der Rechenanlage 2 ist daher mit einer
Wärmepumpe 10 verbunden, welche in der dargestellten
Ausführungsform als Kompressionskältemaschine ausgebildet ist .
Die Wärmepumpe 10 umfasst einen Verflüssiger 11, welcher den Wärmeteil bildet und einen Verdampfer 12, welcher den Kälteteil bildet . Über die Wärmepumpe 10 und die aus dem Rücklauf 5 der Rechenanlage 2 abgeführte Kühlflüssigkeit wird das Antriebsfluid für die Sorptionskältemaschine auf eine für die Sorptionskältemaschine 3 hinreichend hohe Temperatur gebracht und über den Vorlauf 14 der
Sorptionskältemaschine 3, welcher gleichzeitig als Rücklauf des Warmteils der Wärmepumpe 10 ausgebildet ist, der
Sorptionskältemaschine 3 als Antriebsenergie zugeführt.
Über den Rücklauf 13 des Warmteils der
Sorptionskältemaschine 3 wird das abgekühlte Antriebsfluid dem Wärmeteil der Wärmepumpe 10 zurückgeführt und wieder aufgeheizt. Die dazu notwendige Energie wird der
Kühlflüssigkeit der Rechenanlage im Verdampfer 12 entzogen, bevor diese über den Rücklauf des Verdampfers, welcher zugleich Vorlauf 15 des Kälteteils der
Sorptionskältemaschine 3 ist, dem Kälteteil der
Kältemaschine 3 zugeführt . Der Kühlkreislauf der Rechenanlage 2 ist also mit dem
Kälteteil der Wärmepumpe 10 verbunden und der Kreislauf des Antriebsfluids der Sorptionskältemaschine 3 ist mit dem Warmteil der Wärmepumpe verbunden. So wird über die
Wärmepumpe das Antriebsfluid der Sorptionskältemaschine 3 auf eine hinreichend hohe Temperatur gebracht, um im
Warmteil der Sorptionskältemaschine als Antriebsenergie verwendet zu werden, und gleichzeitig das Kühlfluid der Rechenanlage 2 im Kaltteil der Wärmepumpe 10 vorgekühlt, bevor es in der Sorptionskältemaschine 3 noch weiter abgekühlt wird.
Die auf beispielsweise unter 10°C abgekühlte
Kühlflüssigkeit gelangt über den Rücklauf des Kälteteils der Sorptionskältemaschine 4 zur Rechenanlage 2.
Es versteht sich, dass auch in diesem Ausführungsbeispiel weitere Energie aus externen Quellen, beispielsweise über einen thermischen Solarkollektor dem System zugeführt werden kann.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Rechenanlage 2 luftgekühlt ist. Dazu wird über die Ventilatoren 18 und 19 Luft in Bewegung gesetzt und über den Vorlauf 4 der Rechenanlage 2
zugeführt .
Über den Rücklauf 5 wird die erwärmte Luft zunächst über einen ersten Wärmetauscher 16 geführt, welcher mit dem
Kälteteil, dem Verdampfer 12, einer Wärmepumpe 10 verbunden ist. Über den Wärmetauscher 16 wird der Luft Wärme entzogen und im Warmteil, dem Verflüssiger 11, der Wärmepumpe 10 das Antriebsfluid der Sorptionskältemaschine auf eine
hinreichend hohe Temperatur gebracht, um im Warmteil der Sorptionskältemaschine als Antriebsenergie verwendet zu werden.
Sodann wird die bereits vorgekühlte Luft über einen zweiten Wärmetauscher 17 geführt, welcher mit dem Kälteteil der Sorptionskältemaschine 3 verbunden ist. Über den
Wärmetauscher 17 wird die bereits vorgekühlte Luft auf eine hinreichend niedrige Temperatur gebracht, um wieder über den Vorlauf 4 der Rechenanlage zugeführt zu werden und diese zu kühlen.
Es versteht sich, dass auch in diesem Ausführungsbeispiel weitere Energie aus externen Quellen dem System zugeführt werden kann.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Systems 1 zur Kühlung einer Rechenanlage. Dabei ist der Warmteil einer Sorptionskältemaschine 3 über eine
Flüssigkeitskühlung, vorzugsweise mit den Prozessoren einer Rechenanlage 2, verbunden.
Dieser Kühlkreislauf versorgt die Sorptionskältemaschine 3 mit Antriebsenergie und kann mit einer hohen
Vorlauftemperatur von etwa 60° C und einer entsprechend hohen Rücklauftemperatur betrieben werden.
Der Kälteteil der Sorptionskältemaschine 3 ist mit einem weiteren Kühlkreislauf mittels eines Wärmetauschers 16 gekoppelt. Dabei wird die Luft, welche die Racks
durchströmt, mittels des Wärmetauschers gekühlt.
Prozesswärme wird über einen weiteren Wärmetauscher 9 abgeführt. Dieses System hat den Vorteil, dass die
Sorptionskältemaschine mit einem besonders hohen ΔΤ
betrieben werden kann. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Sorptionskältemaschine 3 auch mit zwei Schnittstellen zur Kühlung versehen ist.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der Warmteil der Sorptionskältemaschine 3 über einen
Flüssigkeitskühlkreislauf mit den Prozessoren der
Rechenanlage verbunden .
Der Kaltteil der Sorptionskältemaschine 3 ist über einen weiteren Kühlkreislauf, die zweite Schnittstelle, mit einem im Rack integrierten Wärmetauscher 16 verbunden. Über den Wärmetauscher 16 wird das Rack gekühlt, derart, dass die im Rack vorhandenen elektronischen Komponenten durch einen im Rack herbeigeführten geschlossenen Luftkreislauf gekühlt werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird
Prozesswärme über einen externen Wärmetauscher 9 abgeführt .
Der Rücklauf 13 des Warmteils der Kältemaschine, welcher dem Vorlauf der Prozessorkühlung der Rechenanlage
entspricht, kann mit einer Temperatur von über 50° C betrieben werden, wohingegen der Rücklauf des Kaltteils der Kältemaschine 23, über den der Wärmetauscher 16 mit Kälte versorgt wird, mit einer Temperatur von unter 20° C
betrieben wird.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Kältemaschine über zwei Schnittstellen zur Kühlung verfügt . Die Sorptionskältemaschine 3 ist über einen ersten
Kühlkreislauf wiederum über Flüssigkeitskühlung mit den Prozessoren der Rechenanlage 2 verbunden.
Über diesen ersten Kühlkreislauf wird der
Sorptionskältemaschine 3 Wärme als Antriebsenergie
zugeführt . Der Kaltteil der Kältemaschine 3 dient der Kühlung von Komponenten, die nicht mit dem ersten Kühlkreislauf
verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird dem Rack zur Kühlung Luft zugeführt, welche nach Verlassen des Racks über ein mit dem Kaltteil der Sorptionskältemaschine 3 verbundenen Wärmetauscher 16 derart vorgekühlt wird, dass diese in den Raum, in welchem die Rechenanlage angeordnet ist (nicht dargestellt) weitergeleitet werden kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) wird die Luft vor Eintreten in das Rack gekühlt .
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Rechenanlage 2 ein Rack mit einer Mehrzahl an Modulen 8 umfasst . In diesem Ausführungsbeispiel ist eine im Rack integrierte oder unmittelbar mit dem Rack
verbundene Sorptionskältemaschine 3 vorgesehen, welche beim ersten Kühlkreislauf 24 über Flüssigkeitskühlung mit den Prozessoren der Rechenanlage 2 verbunden ist . Über einen zweiten Kühlkreislauf 25, welcher mit wesentlich
niedrigerer Temperatur arbeitet, wird ein Wärmetauscher 16 betrieben, welcher die nicht mit dem ersten Kühlkreislauf verbundenen Komponenten des Racks kühlt . Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass nur zum Abführen von Prozesswärme zum Wärmetauscher 9 ein externer Anschluss erforderlich ist. Weiterhin kann damit zielgenau die Wärme am Entstehungsort gekühlt werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Sorptionskältemaschine 3 über einen ersten Kühlkreislauf 24 mit den Prozessoren einer Rechenanlage 2 verbunden ist. Über den Kühlkreislauf 24 wird die
Sorptionskältemaschine 3 mit Antriebsenergie versorgt.
Der Kühlkreislauf 25 des Kaltteils ist zunächst über einen ersten Wärmetauscher 16 mit einem Kühlkreislauf eines Racks der Rechenanlage 2 verbunden.
Sodann wird die Kühlflüssigkeit zu einem weiteren
Wärmetauscher 17 geführt, mit dem ein zweites Rack oder beispielsweise eine Telekommunikationseinrichtung mit
Kühlluft versorgt wird.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der wiederum über einen ersten Kühlkreislauf 24 die Sorptionskältemaschine 3 mit Antriebsenergie versorgt wird. Über den Kühlkreislauf 25 werden sowohl das Rack der
Rechenanlage 2 als auch ein weiteres Rack 26, welches beispielsweise zu einer Telekommunikationsanlage gehört oder welches ein weiteres Rack (oder eine andere Komponente der Rechenanlage, wie beispielsweise eine Stromversorgung) einer Rechenanlage sein kann, mit Kühlflüssigkeit versorgt. Hierzu sind in den Racks Wärmetauscher 16, 17 vorgesehen. Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hier ist ebenfalls ein erster Kühlkreislauf 24 vorgesehen, welcher mit dem Warmteil der Kältemaschine 3 verbunden ist und diese mit Antriebsenergie versorgt.
Ein weiterer Kühlkreislauf 25, welcher eine erheblich niedrigere Vorlauftemperatur hat, versorgt zum einen über den Wärmetauscher 16 ein Rack der Rechenanlage 2. Die
Server des Racks 26, welches beispielsweise auch eine
Telekommunikationseinrichtung oder ähnliches sein kann, werden über den Kühlkreislauf 25 unmittelbar mit
Flüssigkeit versorgt.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Warmteil der Sorptionskältemaschine 3 über den Flüssigkeitskühlkreislauf 24 mit den Prozessoren der Rechenanlage 2 verbunden ist .
Über den Kühlkreislauf 25 werden die Wärmetauscher 16 und 17 der Rechenanlage sowie eines weiteren Racks 26 mit
Kühlflüssigkeit versorgt.
Weiter umfasst das System 1 eine Schnittstelle 27, über die Prozesswärme abgeführt werden kann und beispielsweise an die Gebäudeheizung oder Warmwasserversorgung eines Gebäudes angeschlossen werden kann.
Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform eines Systems zur
Kühlung einer Rechenanlage 1, welches eine
Sorptionskältemaschine 3 umfasst.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Rücklauf einer
Flüssigkeitskühlung einer Rechenanlage 2 zunächst mit dem Warmteil 20 der Sorptionskältemaschine 3 verbunden. So wird die Sorptionskältemaschine 3 mit Antriebsenergie versorgt.
Nach Verlassen des Warmteils 20 der Sorptionskältemaschine 3 wird das Kühlfluid über einen Wärmetauscher 28 geführt und sodann beispielsweise auf eine Temperatur von unter 25 °C heruntergekühlt. Das so bereits vorgekühlte Fluid wird sodann dem Kaltteil 21 zugeführt und sodann auf eine Temperatur unter 15 °C heruntergekühlt, um wiederum der Rechenanlage 2 als Kühlmedium zugeführt zu werden.
Prozesswärme der Sorptionskältemaschine 3 wird über den Wärmetauscher 6 abgeführt.
Der Wärmtauscher 28 dient somit in diesem
Ausführungsbeispiel das immer noch recht warme Fluid, welches den Warmteil 20 der Sorptionskältemaschine 3 verlässt, auf eine hinreichende Temperatur abzukühlen, so dass der Kaltteil 21 der Sorptionskältemaschine 3
leistungsfähig genug ist, um das Fluid auf die gewünschte Vorlauftemperatur der Rechenanlage 2 herabzukühlen.
Es versteht sich, dass der Wärmetauscher 28 auch Teil einer weiteren, beispielsweise einer konventionellen,
Kompressorkühlmaschine (nicht dargestellt) sein kann. Die Einbindung der Sorptionskältemaschine 3 dient in diesem Fall in erster Linie der Effizienzverbesserung.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das System zur Kühlung einer Rechenanlage 1 eine Sorptionskältemaschine 3 umfasst, deren Kaltteil 21 mit einem Kreislauf gekoppelt ist, welcher in diesem
Ausführungsbeispiel die Racks der Rechenanlage 2 kühlt. Der Warmteil 20 der Sorptionskältemaschine ist über einen weiteren Kühlkreislauf, welcher flüssigkeitsbasiert ist, mit der Rechenanlage 2, insbesondere mit deren Prozessoren, verbunden. Wie in anderen Ausführungsbeispielen auch hat der Kühlkreislauf des Warmteils 20 eine wesentlich höhere Vor- und Rücklauftemperatur wie der Kühlkreislauf 21. Der Rücklauf des Warmteils 20 der Sorptionskältemaschine 3 wird einer Schnittstelle 27 zugeführt, an der beispielsweise ein Wärmetauscher angeschlossen werden kann oder welche
insbesondere der Warmwasserversorgung des Gebäudes dient, da an der Schnittstelle 27 ein Fluid mit relativ hoher Temperatur, insbesondere mit einer Temperatur von über 50 °C, austritt. Prozesswärme der Sorptionskältemaschine 3 wird über eine weitere Schnittstelle 29 abgeführt. Die Vorlauftemperatur der Schnittstelle 29 liegt zumeist nicht wesentlich über 35 °C, so dass sich die Anbindung der Schnittstelle 29 vor allem in einem Niedertemperaturheizkreislauf eines
Gebäudes, wie beispielsweise einer Flächenheizung,
insbesondere einer Fußbodenheizung oder einer Wandheizung, anbietet .
Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das System zur Kühlung einer Rechenanlage 1 ein
Solarmodul 30 umfasst, welches in den Kühlkreislauf des Warmteils der Rechenanlage integriert ist, die
Vorlauftemperatur für den Warmteil erhöht und so
zusätzliche Antriebsenergie zur Verfügung stellt. Die Racks der Rechenanlage 2 werden über den Kaltteil der
Sorptionskältemaschine 3 mit Kühlflüssigkeit versorgt.
Prozesswärme wird über den Wärmetauscher 6 abgeführt. Fig. 15 zeigt, schematisch dargestellt, einen Prozessor 31 mit Flüssigkeitskühlung, dessen Abwärme einer Kältemaschine als Antriebsenergie zugeführt werden kann. Zu diesem Zweck ist die Rückseite des Prozessors 31 mit einer Kühlschlange 32 versehen, durch welche ein Kühlfluid, insbesondere
Wasser, gepumpt werden kann. Die Kühlschlange 32 ist in einem thermisch leitfähigen Material eingebettet bzw. auf die Rückseite des Prozessors kann ein thermisch leitfähiges Material mit integrierter Kühlschlange, beispielsweise Aluminium, aufgebracht werden. Hier wird somit das Prinzip der Prozessorkühlung dargestellt.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher der Prozessor 31 über eine Heatpipe 33 oder wärmeleitendes Material mit der Kühlschlange 32 verbunden ist. Die
Heatpipe 33 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus thermisch gut leitfähigem Material wie beispielsweise
Aluminium oder umfasst einen Hohlraum in welchem eine
Flüssigkeit die Wärme abtransportiert, indem diese
prozessorseitig verdampft und auf der Kaltseite
kondensiert. Hier wird somit eine weitere Ausführungsform der Prozessorkühlung gezeigt .
Fig. 17 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Mehrzahl an Prozessoren oder auch anderen, wärmeerzeugenden Bauteilen über eine Heatpipe 33 oder ein wärmeleitendes Material thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Prozessoren 31 befindet sich in der Heatpipe die Kühlschlange 32, mittels der das Kühlfluid einer Kältemaschine als Antriebsenergie zugeführt wird. Die Kopplung einer Mehrzahl an Prozessoren hat den Vorteil, dass der Aufwand für die Bereitstellung der Wärmetauscher, hier in Form der Kühlschlange 32, verringert wird. Hier wird somit ebenfalls eine weitere Ausführungsform der
Prozessorkühlung gezeigt.
Fig. 18 zeigt, schematisch dargestellt, eine
Ausführungsform der Erfindung, bei welcher als Kühlmedium eine Flüssigkeit verwendet wird, und bei welcher die
Rechenanlage, welche ein Rack 26 umfasst, mit einer Rack- Kühlung versehen ist . In diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst kaltes
Kühlfluid über den Rücklauf des Kaltteils der Kältemaschine 23 über einen Wärmetauscher der Rack-Kühlung geführt. In der Regel hat das Kühlfluid eine Temperatur von unter 20°C. Durch zirkulierende Luft, welche über den Wärmetauscher strömt, wird das Rack gekühlt. Sodann wird der Rücklauf der Rack-Kühlung 31, in dem das Kühlfluid nunmehr eine
Temperatur über 20°C hat, dem Vorlauf einer
Prozessorkühlung zugeführt. Vorteilhaft ist, dass die
Prozessorkühlung mit einer wesentlich höheren
Vorlauftemperatur auskommt als die Rack-Kühlung.
Sodann wird das Kühlfluid über den Vorlauf des Warmteils der Kältemaschine 14 der Sorptionskältemaschine 3
zugeführt, um nach Abgabe von Antriebsenergie dem Kaltteil zugeführt zu werden.
Prozesswärme wird über den Wärmetauscher 6 abgeführt . Fig. 19 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die im Prinzip auf Fig. 18 basiert. Auch hier ist der Rücklauf des Kaltteils der Kältemaschine 23 mit einem Wärmetauscher einer Rack-Kühlung verbunden und der Rücklauf der Rack-Kühlung 31 wird verwendet um die Prozessoren zu kühlen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist noch eine Wärmepumpe 10 zwischengeschaltet. Über den Warmteil der Wärmepumpe 10 wird das von der Prozessorkühlung kommende Kühlfluid weiter erwärmt und über den Vorlauf des Wärmteils der
Kältemaschine 14 der Sorptionskältemaschine 3 zugeführt. So kann eine hohe Temperatur zur Verfügungsstellung von
Antriebsenergie sichergestellt werden.
Der Rücklauf des Warmteils der Kältemaschine 13 ist mit dem Kaltteil der Wärmepumpe 10 verbunden. Mithin wird nunmehr das Kühlfluid, insbesondere die Flüssigkeit weiter
heruntergekühlt bis diese wiederum im Kaltteil der
Sorptionskältemaschine 3 zugeführt wird, um sodann weiter heruntergekühlt zu werden und wieder der Rack-Kühlung zugeführt zu werden. So kann beispielsweise ein optimiertes relativ gleichbleibendes ΔΤ oder ein besonders hohes ΔΤ erreicht werden.
Es handelt sich bei dieser Ausführungsform der Erfindung somit ebenfalls um einen geschlossenen Kühlkreislauf, welcher durch die Wärmepumpe 10 unterstützt wird.
Fig. 20 zeigt, schematisch dargestellt, einen Blade-Server . Es handelt sich dabei um ein System, bei welchem
Hardwarekomponenten wie Festplattenrechnermodule ,
Graphikmodule, Telekommunikationsmodule etc. als einzelne Steckmodule 33 in das Gehäuse 34 des Blade-Servers 32 eingesetzt werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Sorptionskältemaschine 3 als Einsteckmodul ausgebildet. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Sorptionskältemaschine, da diese in der Regel etwas mehr Platz beansprucht als beispielsweise eine Festplatte, zumindest zwei Steckplätze einnimmt.
Ein wesentlicher Vorteil der Integration ist neben der einfachen Montierbarkeit , dass die Wege für das ühlfluid kürzer sind.
Fig. 21 zeigt den schematisch dargestellten Blade-Server aus Fig. 20 von der Rückseite. Zu erkennen ist der Wärmetauscher 36 für die Rack-Kühlung, welcher mit der Sorptionskältemaschine 3 verbunden ist. Zur Unterstützung der Rack-Kühlung umfasst der Blade-Server 32 Lüfter 37, welche rückseitig angeordnet sind und welche vorzugsweise ebenfalls als Modul in Steckbauweise
ausgebildet sind. Die einzelnen Module des Racks können je nach Bedarf Anschlüsse 38 zur Prozessorkühlung besitzen, welche je nach Ausführungsform der Erfindung dem Warmteil oder Kaltteil der Sorptionskältemaschine 3 verbunden sind. Insgesamt ist lediglich ein Anschluss 35 zum Abführen von Prozesswärme nötig. Bezugnehmend auf Fig. 22 soll die
Luftströmung innerhalb des Racks erläutert werden.
Wie in Fig. 22 und Fig. 23 zu erkennen, läuft in diesem Ausführungsbeispiel die Luft auf der Vorderseite des Blade- Servers 39 nach unten, um auf der Rückseite nach oben zu strömen und am Wärmetauscher 36 vorbeizuströmen. Ein Vorteil dieser Ausführungform ist, dass die Luftströmung so ausgeführt werden kann, dass sie innerhalb des Blade-Gehäuses verläuft, und damit das Blade nach außen thermisch neutral ist, also bis auf etwaige Wärmeleitung durch die Gehäusewände keine Wärme in den umgebenden Raum abgegeben wird.
Lediglich für Prozesswärme, die beispielsweise nach außen abgeführt wird, ist ein Anschluss erforderlich. Daher ist je nach Gebäude keine Klimaanlage erforderlich, um den Raum, in welchem die Server stehen, zu kühlen.
Rechenzentren können ohne zusätzliche Klimaanlage
erweitert werden. Fig. 24 zeigt, schematisch dargestellt, ein System zur Kühlung einer Rechenanlage 1, welche eine Mehrzahl von Blade-Servern 32 umfasst. Die Blade-Server 32 sind
lediglich mit einem externen Wärmetauscher 9 gekoppelt, um Prozesswärme abzuführen.
Es ist somit an jedem Rack mit Blade-Servern lediglich ein Anschluss für das Kühlfluid erforderlich.
Bezugnehmend auf Fig. 25 soll die Konfiguration eines
Systems zur Kühlung einer Rechenanlage näher erläutert werden .
Das System umfasst ein Rack 30, welches eine Mehrzahl von Modulen umfasst. Über den Wärmetauscher 9, welcher mit dem Kaltteil 21 einer Sorptionskältemaschine 3 verbunden ist, wird das Rack 26 gekühlt. Hierzu wird über den Vorlauf 15 des Kälteteils der Kältemaschine warmes Fluid, insbesondere Flüssigkeit abgeführt, gekühlt und dem Wärmetauscher 9 wieder zugeführt.
Die einzelnen Module 8 sind mit einer Prozessorkühlung versehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist jedes Modul mit einer Pumpe 41 gekoppelt, über die, über den Rücklauf 13 des Warmteils der Kältemaschine 20, den Modulen 8
Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Über den Vorlauf des
Warmteils der Kältemaschine 14 wird das warme Fluid der Sorptionskältemaschine 3 als Antriebsenergie zur Verfügung gestellt . Je nach Auslegung des Systems gegebenenfalls notwendige Ausgleichsbehälter für das flüssige Kühlmedium sind hier nicht dargestellt
Über Auswertung von Temperatursensoren (nicht dargestellt) können die Pumpen 41 variabel angesteuert werden, so dass jedes Modul 8 nur so viel Kühlfluid zugeführt bekommt, wie es benötigt. Gleichzeitig wird hierdurch erreicht, dass die Temperatur im Vorlauf des Warmteils der Kältemaschine 14 im Wesentlichen gleichbleibend ist oder zumindest nicht unter einen bestimmten Schwellwert herab fällt, so dass das Fluid nicht mehr als Antriebsenergie genutzt werden kann.
Über den Abwärmeteil 22 wird Prozesswärme abgeführt. Fig. 26 zeigt, schematisch dargestellt, eine weitere
Ausführungsform, bei welcher das Rack 26 ebenfalls mit Modulen 8 versehen ist. Es ist bei dieser Ausführungsform im Rücklauf des Warmteils der Kältemaschine 13 eine zentrale Pumpe 41 vorgesehen, über die sich das Kühlfluid des Warmteils 20 der Sorptionskältemaschine 3 auf die
Einzelmodule 8 verteilt. Über Ventile 42 kann der Rücklauf geregelt werden, derart, dass ebenfalls einstellbar ist, wie viel Kühlfluid aus welchem Modul 8 dem Vorlauf der Kältemaschine 14 zugeführt wird . Die weitere Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen Fig. 25, insbesondere ist zur Rack-Kühlung ein Wärmetauscher 9 vorgesehen, welcher mit dem Kaltteil 21 der
Sorptionskältemaschine 3 verbunden ist. Prozesswärme wird über den Abwärmeteil 22 abgeführt.
Fig. 27 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb eines Racks 26 ein Wärmetauscher 9 vorgesehen, welcher mit dem Kaltteil 21 einer Sorptionskältemaschine 3 verbunden ist .
Jedem Modul 8 ist eine Pumpe 41 und ein Ventil 42
zugeordnet, über welche die Durchflussmengen des Vorlaufs
14 und des Rücklaufs 13 des Warmteils 20 der Kältemaschine, bezogen auf jedes einzelne Modul 8 geregelt werden können.
Prozesswärme wird auch in diesem Ausführungsbeispiel über den Abwärmeteil 22 abgeführt.
Fig. 28 zeigt eine weitere Konfiguration bei welcher mehrere Racks 26 vorhanden sind. Die Racks besitzen jeweils einen Wärmetauscher 9, welcher mit dem Kaltteil 21 der Sorptionskältemaschine verbunden ist, über den die Luft innerhalb der Racks gekühlt wird.
Für jedes Rack ist jeweils eine Pumpe 41 vorgesehen, über welche zur Kühlung der Prozessoren das aus dem Rücklauf des Warmteils 20 der Sorptionskältemaschine 3 stammende Fluid dem Rack zugeführt wird und sich auf die Module 8 verteilt .
Jedem Modul ist ein steuerbares Ventil 42 zugeordnet, über welches rücklaufseitig die Durchflussmenge reguliert werden kann. Fig. 29 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Rack 26 ebenfalls mit einzelnen Modulen 8 ausgestattet ist. Das System weist zur Rack-Kühlung einen Wärmetauscher 9 auf, welcher mit dem Kaltteil 21 der
Sorptionskältemaschine 3 verbunden ist.
Abweichend von den vorher dargestellten Ausführungsformen ist für jedes Modul ein Bypass 44 vorgesehen, über welchen über ein Wegeventil 43 oder eine T- förmige Verzweigung Kühlfluid an dem Modul vorbei strömen kann.
Über einen regelbaren Bypass kann ein Teil des Kühlmittels, welches die Module durchströmt, in einem Kreislauf vom Kühlmittelausgang der Module zum Kühlmitteleingang der Module zurückgeführt werden, ohne über die Kältemaschine geführt zu werden. Dadurch kann die das Modul
durchströmende Kühlmittelmenge erhöht werden und damit die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittelausgang und
Kühlmitteleingang der Module verringert werden, ohne dass eine Erhöhung der Durchflussmenge des Warmteiles der
Sorptionskältemaschine notwendig ist. Der Bypass kann beispielsweise abhängig von der individuellen
Modulbelastung und/oder von der individuellen
Modultemperatur gesteuert werden, so dass das individuelle Modul lastabhängig seine Temperaturen am Kühlmittelausgang und Kühlmitteleingang beeinflussen kann, und damit
Temperaturen für den Vorlauf und den Rücklauf der
Sorptionskühlmaschine einstellt, die für die die
Sorptionskühlmaschine möglichst optimal sind. Da der
Wirkungsgrad einer Sorptionskältemaschine unter anderem von den Temperaturen am Vorlauf und Rücklauf des Warmteiles, und auch der Temperaturdifferenz zwischen beiden abhängt, kann durch den Bypass unter bestimmten Betriebsbedingungen der Wirkungsgrad der Sorptionsmaschine verbessert werden.
Weiterhin kann durch den Bypass und der damit möglichen Erhöhung der das Modul durchströmenden Kühlmittelmenge eine homogenere Temperaturverteilung über allen am Kreislauf der Prozessorkühlung angeschlossenen Bauteile erreicht werden.
In einem Betriebszustand, in welchem bei mehreren an die Prozessorkühlung des Modules angeschlossenen Bauteilen beispielsweise nur ein Bauteil sehr viel abzuführende
Wärmeenergie erzeugt, die anderen Bauteile jedoch sehr wenig, kann durch Erhöhung der Durchflussmenge des
Kühlmittels im individuellen Modul eine Überhitzung des Bauteiles verhindert werden, ohne die Durchflussmenge des Gesamtsystems zu beeinflussen.
Der Bypass kann ebenso (nicht dargestellt) auch Kühlmittel am Modul vorbeileiten und damit die Durchflussmenge im Modul verringern, ohne dass eine Verringerung der Durchflussmenge am Warmteil der Sorptionskältemaschine notwendig ist .
So kann sich das System wechselnden Rechenbelastungen oder Betriebsbedingungen auch über die Steuerung des Kühlfluids im Bypass anpassen.
Der Bypass und die Menge des den Bypass durchströmenden Fluids kann über regelbare Ventile und ansteuerbare Pumpen, eingestellt werden. Die Steuerung (nicht dargestellt) kann über das Modul oder außerhalb des Moduls erfolgen, wobei auch Temperatursensoren (nicht dargestellt) mit einbezogen werden können. Ein Bypass kann auch über ein gesamtes Rack gelegt werden anstelle über einzelne Module (nicht dargestellt) . Die Wirkungsweise entspricht der des Bypasses über ein Modul.
Bezugnehmend auf Fig. 30 soll eine weitere Ausführungsform der Erfindung näher erläutert werden, bei welcher
Heizelemente 45 vorgesehen sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Rack 26 ebenfalls mit Modulen 8 versehen. Das Rack verfügt über eine Rack- Kühlung, die über den Wärmetauscher 9 betrieben wird.
Rücklauf 13 und Vorlauf 14 des Warmteils einer
Sorptionskältemaschine (nicht dargestellt) sind mit den Modulen 8 über eine Prozessorkühlung verbunden. Für jedes Modul 8 ist eine Pumpe 41 vorgesehen.
Jedem Modul 8 ist im Rücklauf ein elektrisches Heizelement 45 zugeordnet, über welches die Rücklauftemperatur der Module 8 und damit die Temperatur des Vorlaufs 14 der
Kältemaschine erhöht werden kann.
So ist sichergestellt, dass das dem Warmteil der
Kältemaschine zugeführte Fluid immer eine ausreichende Temperatur hat, um als Antriebsmedium wirksam zu sein.
Weiterhin kann neben der Temperatur der Antriebsenergie auch die Menge der Antriebsenergie für die
Sorptionsmaschine erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann Temperatur oder Menge der Antriebsenergie anstelle der Heizelemente auch durch die an der Prozessorkühlung
angeschlossenen Komponenten erhöht werden, indem diese Komponenten durch eine Software höher belastet werden.
Hierzu sind dann keine zusätzlichen Hardwarekomponenten wie die Heizelemente notwendig. Auch eine variable Verteilung der Rechenlast ist denkbar, derart dass beispielsweise bei mäßiger Auslastung ein Teil der Prozessoren bzw. Server einen Großteil der notwendigen Rechenleistung übernehmen und das Kühlfluid überwiegend über diese Prozessoren geführt wird. So wird auch in Zeiten geringer Auslastung eine hinreichend hohe Temperatur zur Verfügungstellung von Antriebsenergie erreicht.
Bezug nehmend auf Fig. 31 soll schematisch eine
Sorptionskältemaschine 3 dargestellt werden.
Die Sorptionskältemaschine 3 umfasst, wie dies bekannt ist, die Module Generator, Kondensor, Verdampfer und Absorber. Über einen Kühlkreislauf, welcher sich durch Kondensor und Absorber erstreckt, wird über den Abwärmeteil 22
Prozessenergie abgeführt .
Der Verdampfer bildet den Kaltteil 21 und der Generator den Warmteil 20. Das System von Sorptionskältemaschinen ist ansonsten bekannt und bedarf keiner näheren Erläuterung.
Fig. 32 zeigt, schematisch dargestellt, ein Rechenzentrum 46.
Das Rechenzentrum 46 umfasst in der Regel einen Raum, in dem eine Rechenanlage 2, bestehend aus zumeist mehreren Servern 26, angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine
Sorptionskältemaschine 3 vorgesehen, welche über die
Wärmetauscher 9, welche mit dem Kaltteil 21 der
Kältemaschine verbunden sind, die Server kühlt. Hierzu zirkuliert innerhalb der Server 26 Luft über die
Wärmetauscher 9. Die Luftströmung 47 ist mit Pfeilen gekennzeichnet .
Innerhalb der Server 26 sind einzelne Module 8 angeordnet, welche eine Prozessorkühlung aufweisen, mit dem Warmteil der Kältemaschine 20 verbunden ist und diese mit
Antriebsenergie versorgt.
Aus dem Gebäude heraus geführt sollte lediglich der
Wärmetauscher 6 sein, über den Prozesswärme nach außen abgeführt wird. Es versteht sich, dass statt eines Wärmetauschers die
Prozesswärme auch der Gebäudeheizung oder
Warmwasserversorgung zugeführt werden kann. Fig. 33 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Rechenzentrums. Im Unterschied zu Fig. 32 sind hier die Sorptionskältemaschinen in den Modulen 8 integriert.
Ähnlich würde eine Ausführungsform aussehen, bei denen die Sorptionskältemaschinen in die Racks 26 integriert sind oder an die Racks oder Module angrenzen (nicht dargestellt).
Es muss hier nur die Prozesswärme über den Abwärmeteil 22, für den die Module 8 einen Anschluss aufweisen, abgeführt werden.
Eine Kältemaschine oder Klimaanlage außerhalb der Racks ist nicht erforderlich, auch benötigt der Raum nicht zwingend eine Klimaanlage, da die Server thermisch nahezu neutral sind.
Von besonderem Vorteil ist bei dieser Ausführungsform, dass bei Erweiterungen durch zusätzliche Server, Racks oder Module die Klimatisierung nicht angepasst werden muss (mit Ausnahme der in diesem Beispiel über den Wärmetauscher 6 abgeführten Prozesswärme) .
Durch die Erfindung kann der zur Kühlung einer
Rechenanlage erforderliche Energieverbrauch erheblich herabgesetzt werden. Bezugszeichenlisbe
1 System
2 Rechenanlage
3 Sorptionskältemaschine
4 Vorlauf und Rücklauf
6 Wärmetauscher
7 Ventilator .
8 Modul der Rechenanlage
9 Wärmetauscher
10 Wärmepumpe
11 Verflüssiger
12 Verdampfer
13 Rücklauf der Warmteils der Kältemaschine
14 Vorlauf der Warmteils der : Kältemaschine
15 Vorlauf des Kälteteils der Kältemaschine
16 Wärmetauscher
17 Wärmetauscher
18 Ventilator
19 Ventilator
20 Warmteil
21 Kaltteil
22 Abwärmeteil
23 Rücklauf des Kaltteils der Kältemaschine
24 Kühlkreislauf
25 Kühlkreislauf
26 Rack
27 Schnittstelle
28 Wärmetauscher
29 Schnittstelle
30 Solarmodul
31 Rücklauf der Rack-Kühlung
32 Blade-Server Steckmodul
Gehäuse
Anschlussprozesswärme Wärmetauscher
Lüftung
Anschluss Prozessorkühlung Luftströmung Front
Luftströmung Rückseite Pum e
Ventil
Bypass
Wegeventil
Heizelement
Rechenzentrum
Luftströmung

Claims

Ansprüche :
System zur Kühlung einer Rechenanlage, umfassend eine Kältemaschine, mit welcher ein Fluid kühlbar ist, welches der Rechenanlage zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme der Rechenanlage der Kältemaschine zuführbar ist, um die Kältemaschine über Wärmeleitung oder Flüssigkeit zumindest
teilweise mit Antriebsenergie zu versorgen.
System zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kältemaschine um eine
Sorptionskältemaschine, insbesondere eine
Adsorptions- , Absorptions- und/oder eine auf dem Prinzip der absorptiven Trocknung (DCS) arbeitende Kältemaschine, handelt.
System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Racks und/oder Prozessoren und/oder Leistungsbauteile der Rechenanlage mit einer Flüssigkeit kühlbar sind, wobei die Flüssigkeit der Kältemaschine zu deren Antrieb zuführbar ist .
System zur Kühlung einer Rechenanlage nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kältemaschine über einen Wärmetauscher mit einem Kühlkreislauf der Rechenanlage verbunden ist . System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rechenanlage und der Kältemaschine eine Wärmepumpe zur Erhöhung der Vorlauftemperatur der Kältemaschine vorgesehen ist .
System zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kälteteil der Wärmepumpe mit dem Vorlauf des Kälteteils der Kältemaschine verbunden ist.
System zur Kühlung einer Rechenanlage nach
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf der Rechenanlage zunächst über den Kälteteil der Wärmepumpe und sodann über den Kälteteil der
Kältemaschine geführt ist .
System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass extern, insbesondere von einem Solarkollektor, erzeugte Wärme der Kältemaschine als Antriebsenergie zuführbar ist .
. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zumindest einen, vorzugsweise zwei
Pufferspeicher umfasst.
O.System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System Mittel zur variablen Verteilung des
Kühlfluids innerhalb der Rechenanlage aufweist.
11. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System redundant ausgebildete Pumpen zur
Verteilung des Kühlfluids und/oder eine redundant ausgebildete Kältemaschine aufweist.
12. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Regelungselektronik mit einer
Schnittstelle zur Anbindung der Rechenanlage umfasst .
13. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Kühlmodul umfasst, in welchem
zumindest die Kältemaschine und eine elektronische
Steuerung angeordnet ist .
14. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System über eine separate Stromversorgung zum
Antrieb der Pumpen zur Verteilung des Kühlfluids verfügt .
15. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenanlage über die Kältemaschine kühlbar ist.
16. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warmteil der Kältemaschine über einen ersten
Kreislauf mit der Rechenanlage zur Zuführung von Antriebsenergie verbunden ist und dass der Kaltteil der Kältemaschine mit einem weiteren Kühlkreislauf der Rechenanlage verbunden ist .
7. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem
vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur des ersten Kreislaufs sich um mindestens 20, vorzugsweise zumindest 30 °C von der Vorlauftemperatur des weiteren Kühlkreislaufs unterscheidet .
8. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden beiden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Warmteil der Kältemaschine über eine Flüssigkeitskühlung mit Prozessoren
und/oder Leistungsbauteilen der Rechenanlage
verbunden ist und Kaltteil über eine Luft- und/oder Flüssigkeitskühlung mit Racks der Rechenanlage verbunden ist .
9. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Kältemaschine, über welchen Prozesswärme abführbar ist, mit dem Heizsystem eines Gebäudes, einer Warmwasserversorgung und/oder einem
Stromerzeuger verbunden ist .
O.System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine über zumindest zwei
Kühlmittelanschlüsse jeweils bestehend aus Vor- und Umlauf mit der Rechenanlage verbunden ist.
1. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem
vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich Vorlauftemperatur eines ersten Kühlkreislaufes um zumindest 10, vorzugsweise zumindest 20 °C von der Vorlauftemperatur eines weiteren Kühlkreislaufes unterscheidet .
2. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf mit
Flüssigkeit betreibbar und ein weiterer Kühlkreislauf mit einem Gas betreibbar ist.
3. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine in ein Rack und/oder in einen
Server, insbesondere einen Blade-Server und/oder andere Komponenten (Stromversorgungen,
Telekommunikation) integriert ist.
4. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine unmittelbar an einen Server oder an ein Rack angrenzt .
5. System zur Kühlung, insbesondere System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden
Ansprüche, umfassend eine Kältemaschine, der über einen Kühlkreislauf Abwärme als Antriebsenergie zuführbar ist, wobei ein Fluid des Kühlkreislaufs nach Durchlaufen eines Warmteils der Kältemaschine über einen Wärmetauscher, insbesondere über eine weitere Kühlmaschine kühlbar ist, und wobei das Fluid nach Durchlaufen des Wärmetauscher einem Kaltteil der Kältemaschine zuführbar ist .
26. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme einer Mehrzahl an Prozessoren der
Kältemaschine als Antriebsenergie zuführbar ist, wobei die Prozessoren zumindest teilweise thermisch verbunden sind, insbesondere mittels einer Heatpipe .
27. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenanlage zur Erwärmung des Fluids in einen Kühlkreislauf zumindest ein Heizelement, insbesondere ein elektrisches Heizelement aufweist.
28. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem
vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heizelement in einem Server und/oder einem Rack der Rechenanlage angeordnet ist.
29. System zu Kühlung einer Rechenanlage nach dem
vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionskältemaschine als ein im Server
einsetz-, insbesondere einsteckbares Modul
ausgebildet ist .
3 O.System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Prozessorkühlung umfasst und
Prozessoren, RAM' s , Chipsets, Speicherbauteile,
Leistungsbauteile von Stromversorgungen,
Stromversorgungen, Telekommunikationseinrichtungen und/oder Festplatten and einem Prozessorkühlkreislauf angeschlossen sind.
1. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem
vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessorkühlkreislauf auf einer Flüssigkeit und/oder auf Wärmeleitung, insbesondere mittels Heatpipes, basiert.
2. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine als Mehrfacheffekt - Sorptionskältemaschine ausgebildet ist.
3. System zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Rechenanlage und die Kältemaschine in einem Raum anordnet ist, insbesondere die Kältemaschine in einer Komponente der Rechenanlage integriert ist oder an eine Komponente der Rechenanlage angrenzt und wobei keine Klimaanlage zum Abkühlen der Raumluft vorhanden ist .
4. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage,
insbesondere mit einem System zur Kühlung einer
Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Rechenanlage mit einer
Sorptionskältemaschine gekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Sorptionskältemaschine Abwärme der Rechenanlage als Antriebsenergie zugeführt wird.
5. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessoren und/oder Leistungsbauteile der
Rechenanlage über eine Flüssigkeit und/oder
Wärmeleitung gekühlt werden, welche einen
Warmkreislauf der Sorptionskältemaschine durchläuft.
36. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach dem
vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Kaltteil der Kältemaschine die
Rechenanlage kühlbar ist.
37. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise die Temperatur
einzelner Komponenten der Rechenanlage gemessen wird und ein Kühlfluid, insbesondere eine Flüssigkeit basierend auf den gemessenen Temperaturen variabel verteilt wird.
38. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenanlage, insbesondere die Prozessoren der Rechenanlage, zeitweise, insbesondere beim Abfall der Rücklauftemperatur eines Kühlkreislaufs der
Rechenanlage, über eine Software einer höheren
Auslastung ausgesetzt wird, um die Temperatur
und/oder die Wärmemenge in einem Kühlkreislauf zu erhöhen.
Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur des Warmteils der
Kältemaschine über einen Bypass eines Kühlkreislaufs der Rechenanlage regelbar ist .
0. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklauftemperatur des Warmteils der
Kältemaschine über einen Bypass regelbar ist, insbesondere zur Erhöhung der Durchflussmenge durch einen Bypass, um Temperaturen in Rechenanlagen zu homogenisieren und/oder um lokale Überhitzungen zu vermeiden.
1. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von Servern oder Prozessoren ausgewählt wird, wobei bei der ersten Gruppe die Rechenlast erhöht und gleichzeitig bei der zweiten Gruppe die Rechenlast verringert wird, um die Temperatur eines Rücklaufs einer Prozessorkühlung zu erhöhen.
2. Verfahren zur Kühlung einer Rechenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Prozesswärme der Sorptionskältemaschine für Nutzwärme zur Verfügung gestellt wird, insbesondere zur Gebäudeheizung und/oder Warmwasserbereitung.
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