Спосіб підтримання робочої температури іт-обладнання модульного центру обробки даних

Реферат: Спосіб підтримання робочої температури ІТ-обладнання модульного центру обробки даних шляхом подання повітря до ІТ-обладнання, охолодження ІТ-обладнання повітрям з одночасним нагрівом повітря. Перед поданням до ІТ-обладнання змінюють рух часток, з яких складається повітря з хаотичного на направлений потік з безперервною його циркуляцією по замкнутому колу через ІТ-обладнання шляхом охолодження і нагріву. Після охолодження прямим потоком, після нагріву зворотним потоком, прямий потік повітря подають до ІТ-обладнання, зворотний потік - на охолодження. UA 108689 U (54) СПОСІБ ПІДТРИМАННЯ РОБОЧОЇ ТЕМПЕРАТУРИ ІТ-ОБЛАДНАННЯ МОДУЛЬНОГО ЦЕНТРУ ОБРОБКИ ДАНИХ UA 108689 U UA 108689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до обчислювальної техніки, а точніше до модульних обчислювальних центрів. Для функціонування обчислювальних центрів потрібні умови: по-перше, технологічне приміщення, що ізольоване від впливу небажаних умов зовнішнього середовища; по-друге, відповідні температура повітря, відносна його вологість, чистота і т. п., найбільш сприятливі і слушні для ведення технологічних процесів, роботи обладнання і пристроїв; по-третє, автоматичне підтримання відповідні температуру повітря, відносну його вологість, чистоту і т. п.; у четверте, відгородження і захист від доступу сторонніх осіб. У зв'язку з цим на створення обчислювальних центрів або обчислювальних середовищ, які сьогодні трансформувалися в центри обробки даних (надалі - ЦОД або дата-центр), завжди йшли роки. Між тим є нові технології та технічні рішення, що дозволяють скоротити строки запуску проекту удвоє в порівнянні з традиційними ЦОД або дата-центрами. Вони об'єднуються словом "модульні" (надалі - МЦОД). Концепція МЦОД була розроблена Google ще в 2003 році, але отримала широку популярність в 2007-му. Під терміном "модульний" ЦОД мають на увазі повністю укомплектований центр обробки даних з ІТ-обладнанням. ІТ-обладнання є чутливим до підвищених температур, пилу і інших небажаних часток, які є складовими повітря. І для електронних систем спостерігається відома закономірність - при збільшенні температури скорочується термін їх роботи, а при температурі понад 60 градусів за шкалою Цельсія можливий і початок незворотних процесів, аж до виходу з ладу обладнання. Таким чином підтримання робочої температури ІТ-обладнання забезпечує надійність МЦОД, його продуктивність і залежить від системи охолодження МЦОД, а розробка нових систем охолодження, які дають можливість збільшити коефіцієнт тепловіддачі є актуальною задачею. Відомим аналогом є спосіб підтримання робочої температури ІТ-обладнання модульного центру обробки даних під найменуванням "проект Blackbox" шляхом подання повітря до ІТобладнання, охолодження ІТ-обладнання повітрям з одночасним нагрівом повітря (flHB.https://docs.oracle.com/cd/E19115-01/mod.dc.d20/820-5770-10/820-5770-10.pdf). Проектом Blackbox перед поданням повітря до ІТ-обладнання здійснюють його охолодження у два етапи: попередній теплообмін за допомогою кондиціонерних блоків і кінцевий теплообмін за допомогою холодильної машини. Холодне повітря до ІТ-обладнання подається знизу, відбирає тепло від ІТ-обладнання і густина повітря зменшується, тепле повітря стає легше за холодне і воно вільним самопливом піднімається догори ІТ-обладнання. При підйомі температура повітря підвищується, його рух перетворюється на безладний хаотичний і вверху гаряче повітря відбирається кондиціонерними блоками на повторне його охолодження. Рух гарячого повітря вільний самопливом знизу вверх не потребує затрат енергії. Але таке рішення не забезпечує звільнення ІТ-обладнання від гарячого повітря. В зоні ІТ-обладнання зустрічаються холодне і гаряче повітря. Здійснюється теплообмін між суміжними частками повітря, його рух перетворюється на безладний хаотичний. Відбувається їх змішування. На кількість тепла, що перейшло від ІТ-обладнання до повітря, впливає температура цього повітря і час протягом якого відбувається процес. Чим вища температура повітря, яким охолоджують ІТобладнання, тим коефіцієнт тепловіддачі менше. Є небажаним змішування холодного повітря, що подається знизу з гарячим повітрям, що вільним рухом піднімається вверх. Це призводить до зниження ефективності охолодження ІТ-обладнання і підтримання його робочої температури. Відомим аналогом є спосіб за патентом США № 7738251 від 15.06.2010 р., МПК Н05К 7/20, B60F 1/00, G06F 15/16, F25D 23/12, F28F 7/00, G06F 13 / 00. За патентом США підтримання робочої температури ІТ-обладнання здійснюють шляхом подання повітря до ІТ-обладнання, охолодження ІТ-обладнання повітрям з одночасним нагрівом повітря. За патентом США подання холодного повітря безпосередньо до місця розміщення ІТобладнання здійснюють знизу вгору. Від ІТ-обладнання гаряче повітря відбирають за допомогою вентиляторів. При обертанні лопаті вентиляторів переміщують повітря вздовж осі лопатей вниз, створюючи тиск на повітря попереду і зону підвищеного тиску, а позаду - зону розрідження. Змінюється рух гарячого повітря з хаотичного на направлений вниз. Гаряче повітря відбирають на охолодження знизу з найбільш холодного місця зони ІТ-обладнання. Таким рішенням від ІТ-обладнання гаряче повітря вимушено переміщується направленим рухом під впливом вентиляторів, які змінюють рух часток повітря з хаотичного на направлений. Але в зоні ІТ-обладнання гаряче повітря зустрічається з холодним і відбувається їх змішування як описано вище. Відбір гарячого повітря з найбільш холодного місця зони ІТ-обладнання зводить до максимуму змішування з холодним повітрям, що подається знизу. Це призводить до 1 UA 108689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зниження ефективності охолодження і ефективності підтримання робочої температури ІТобладнання. Таким чином, між поданням холодного повітря безпосередньо до місця розміщення ІТобладнання знизу вгору, а відбором гарячого повітря на охолодження знизу і підвищенням ефективності підтримання робочої температури ІТ-обладнання, надійності роботи МЦОД виникають певні суперечності. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу підтримання робочої температури ІТ-обладнання модульного центру обробки даних шляхом проведення нових операцій, послідовністю у часі операцій, використанням певних пристроїв без яких неможливе проведення операцій забезпечити підвищення ефективності підтримання робочої температури ІТ-обладнання і надійністі роботи МЦОД. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб підтримання робочої температури ІТобладнання модульного центру обробки даних шляхом подання повітря до ІТ-обладнання, охолодження ІТ-обладнання повітрям з одночасним нагрівом повітря, згідно з корисною моделлю, перед поданням до ІТ-обладнання змінюють рух часток, з яких складається повітря з хаотичного на направлений потік з безперервною його циркуляцією по замкнутому колу через ІТ-обладнання шляхом охолодження і нагріву, після охолодження прямим потоком, після нагріву зворотним потоком, прямий потік повітря подають до ІТ-обладнання, зворотний потік на охолодження. При цьому циркуляцію повітря через ІТ-обладнання здійснюють по замкнутому колу у вертикальній площині поданням прямого потоку зверху вниз і відбиранням зворотного потоку знизу вверх. При цьому циркуляцію повітря через ІТ-обладнання здійснюють по замкнутому колу у горизонтальній площині поданням прямого потоку зліва-направо справа-наліво і відбиранням зворотного потоку зліва-направо справа-наліво. При цьому циркуляцію повітря через ІТ-обладнання здійснюють одночасно по замкнутих колах у вертикальній площині поданням прямого потоку зверху вниз і відбиранням зворотного потоку знизу вверх і у горизонтальній площині поданням прямого потоку зліва-направо справаналіво. При цьому безперервну циркуляцією повітря по замкнутому колу через ІТ-обладнання прямим і зворотним потоками здійснюють за допомогою модулів модульного центру обробки даних. При цьому охолодження повітря здійснюють за допомогою повітряних кондиціонерів. При цьому охолодження повітря здійснюють з одночасним очищенням повітря від часток пилу і випадкових домішок фільтруванням. Таким чином корисна модель, що заявляється, розв'язує протиріччя між поданням холодного повітря безпосередньо до місця розміщення ІТ-обладнання і незмішуванні холодного з нагрітим повітрям у МЦОД. Першим аспектом цього винаходу є перед поданням до ІТ-обладнання зміна руху часток, з яких складається повітря з хаотичного на направлений потік з безперервною його циркуляцією по замкнутому колу через ІТ-обладнання шляхом охолодження і нагріву - після охолодження прямим потоком, після нагріву зворотним потоком, прямий потік повітря подають до ІТобладнання, зворотний потік - на охолодження, що усуває змішування гарячого і холодного повітря, підвищення ефективності підтримання робочої температури ІТ-обладнання і надійністі роботи МЦОД. Другим аспектом цього винаходу є циркуляція повітря через ІТ-обладнання по замкнутому колу тільки у вертикальній площині, або тільки у горизонтальній площині, або одночасно у вертикальнійі горизонтальній площинах, і подання прямого потоку зверху вниз і відбиранням зворотного потоку знизу вверх, і здійснення безперервної циркуляції повітря по замкнутому колу через ІТ-обладнання прямим і зворотним потоками за допомогою модулів модульного центру обробки даних, що усуває змішування гарячого і холодного повітря, підвищення ефективності підтримання робочої температури ІТ-обладнання і надійності роботи МЦОД. Третім аспектом цього винаходу є здійснення охолодження повітря за допомогою повітряних кондиціонерів, і з одночасним очищенням повітря від часток пилу і випадкових домішок фільтруванням, що усуває змішування гарячого і холодного повітря, підвищення ефективності підтримання робочої температури ІТ-обладнання і надійності роботи МЦОД. Корисна модель пояснюється кресленням, де на фіг. 1 схематично зображений модульний центр обробки даних, вигляд зверху в розрізі; на фіг. 2 - схематично зображена циркуляція повітря через ІТ-обладнання по замкнутому колу тільки у вертикальній площині; переріз А-А фіг. 2 UA 108689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1; на фіг. 3 - схематично зображена циркуляція повітря через ІТ-обладнання по замкнутому колу тільки у горизонтальній площині; переріз А-А фіг. 1. Корисну модель виконують наступним чином. Спосіб підтримання робочої температури ІТ-обладнання модульного центру обробки даних (див. фіг. 1) за допомогою модулів 1 і 2 здійснюють шляхом подання робочого тіла, яким є повітря до ІТ-обладнання в шкафах 3, охолодження ІТ-обладнання повітрям з одночасним нагрівом цього повітря (див. фіг. 2, 3). Перед поданням до ІТ-обладнання змінюють рух часток, з яких складається повітря з хаотичного на направлений потік з безперервною його циркуляцією по замкнутому колу через ІТ-обладнання шляхом охолодження і нагріву. Після охолодження прямим потоком, після нагріву - зворотним потоком (на фіг. зображені у вигляді стрілок). Охолодження здійснюють за допомогою кондиціонерів з зовнішніми 4 і внутрішніми 5 блоками і щонайменше одного міжшкафного кондиціонера з зовнішнім 6 і внутрішнім 7 блоками. Нагрів здійснюється передачею тепла від ІТ-обладнання. Поширення тепла від ІТ-обладнання до повітря, зумовлене різницею температур між ними. Нагнітання холодного повітря до ІТобладнання здійснюється вентиляторами ІТ-обладнання (на фіг. не зображені). При обертанні лопаті вентиляторів ІТ-обладнання переміщують повітря вздовж осі. Циркуляцію повітря через ІТ-обладнання в шкафах 3 здійснюють по замкнутому колу у вертикальній площині поданням прямого потоку зверху донизу після охолодження внутрішніми блоками 5 кондиціонерів у холодний коридор в модулі 1, нагнітанням холодного повітря до ІТобладнання вентиляторами ІТ-обладнання, викидом гарячого повітря вентиляторами ІТобладнання у гарячий коридор в модулі 2 і відбиранням зворотного потоку після нагріву з гарячого коридору в модулі 2 знизу вверх (див. фіг. 2) до внутрішніх блоків 5 кондиціонерів. І також циркуляцію повітря через ІТ-обладнання здійснюють по замкнутому колу у горизонтальній площині поданням прямого потоку зліва-направо справа-наліво після охолодження внутрішнім блоком 7 міжшафового кондиціонера у холодний коридор в модулі 1, нагнітанням холодного повітря до ІТ-обладнання вентиляторами ІТ-обладнання, викидом гарячого повітря вентиляторами ІТ-обладнання у гарячий коридор в модулі 2 і відбиранням зворотного потоку зліва-направо справа-наліво після нагріву з гарячого коридору в модулі 2 внутрішнім блоком 7 міжшафового кондиціонера (див. фіг. 3). Безперервну циркуляцією повітря по замкнутому колу через ІТ-обладнання прямим і зворотним потоками здійснюють за допомогою модулів 1 і 2 модульного центру обробки даних. Охолодження повітря здійснюють за допомогою повітряних кондиціонерів з одночасним очищенням повітря від часток пилу і випадкових домішок фільтруванням. Модульний центр обробки даних (див. фіг. 1) відповідно до корисної моделі містить технічне приміщення, що ізольоване від впливу небажаних умов зовнішнього середовища, інженерну інфраструктуру для автоматичного підтримання повітря з температурою, відносною вологістю, чистотою і т.п., що є найбільш сприятливими і слушними для ведення відповідних технологічних процесів, роботи обладнання і пристроїв, для відгородження і захисту від доступу сторонніх осіб, обладнання і пристрої для ведення відповідних технологічних процесів. Ізольоване приміщення являє собою модуль 1 у вигляді основного модульного ізотермічного кожуха і модуль 2 у вигляді додаткового модульного ізотермічного кожуха. Ці модулі 1 і 2 виконані у вигляді функціональних блоків, кожний з блоків не є самостійним, а є частиною загального модуля у зібраному положенні. Інженерна інфраструктура такого модуля складається з обладнання телекомунікаційних систем, системи безперебійного електропостачання, системи охоронної сигналізації та контролю доступу, системи пожежогасіння, автоматизованої системи диспетчерського управління, кабельного та мережевого обладнання для власних потреб, системи охолодження і шаф 3 для встановлення в них ІТ-обладнання замовника - обчислювального обладнання та системи зберігання даних. Шкафи 3 для ІТ-обладнання встановлені на підлозі основного модульного ізотермічного кожуха 1 вздовж і в зоні пограничній з додатковим ізотермічним модульним кожухом 2. Між шкафами 3 і боковою стінкою основного модульного ізотермічного кожуха 1 виконаний холодний коридор (див. фіг. 2, 3), а між шафами 3 і боковою стінкою додаткового модульного ізотермічного кожуха 2 - гарячий коридор. Система охолодження МЦОД являє собою систему для примусового повітряного охолодження і складається з ряду кондиціонерів, виконаних з зовнішніми 4 і внутрішніми 5 блоками, і щонайменше одного міжшафного кондиціонера, виконаного з зовнішнім 6 і внутрішнім 7 блоками. Зовнішні блоки 4 кондиціонерів змонтовані на одній з торцевих стінок основного ізотермічного модульного кожуха 1. Внутрішні блоки 5 цих кондиціонерів змонтовані на стелі 3 UA 108689 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 основного ізотермічного модульного кожуха 1 над холодним коридором (див. фіг. 1, 2, 3). На іншій з торцевих стінок основного ізотермічного модульного кожуха 1 змонтований зовнішній блок 6 щонайменше одного міжшафового кондиціонера, а його внутрішній блок 7 змонтований на підлозі основного модульного ізотермічного кожуха 1 між шафами 3. Для автоматичного підтримання повітря з найбільш сприятливими температурою, відносною вологістю, чистотою і т.п. системою для примусового повітряного охолодження холодне повітря подають зверху донизу. Внутрішні блоки 5 кондиціонерів нагнітають холодне повітря у холодний коридор в основному ізотермічному модульному кожуху 1. Холодне повітря у холодному коридорі займає весь його простір зверху донизу, у тому числі безпосередньо у місці розміщення шкафів 3 з ІТ-обладнання. З холодного коридору холодне повітря відбирається вентиляторами ІТ-обладнання. Здійснюється обдув холодним повітрям ІТ-обладнання. Холодне повітря нагріваться від ІТ-обладнання, охолоджуючи його, і завдяки відібраному теплу стає гарячим. Гаряче повітря примусово подається вентиляторами ІТ-обладнання у гарячий коридор у додатковому ізотермічному модульному кожуху 2. З гарячого коридору гаряче повітря відбирається внутрішніми блоками 5 кондиціонерів, охолоджується ними і подається вже холодним у холодний коридор у модульному кожуху 1 знову на повторне охолодження ІТобладнання. Таким чином, фактично здійснюється зворотний термодинамічний цикл, що використовується для штучного охолодження. Об'єктом охолодження є ІТ-обладнання в шафах 3, робочим тілом є повітря замкнутого ізольованого приміщення МЦОД, холодний і гарячий коридори є „прямий" і „зворотний" трубопроводи відповідно, шафи 3 для ІТ-обладнання є „випарником". Від ІТ-обладнання холодне повітря відбирає тепло і нагрівається без зміни агрегатного стану. Кондиціонери системи для примусового повітряного охолодження являють собою високої продуктивності кондиціонери повітря типу „спліт". Вони працюють протягом 24 годин кожного дня цілі роки у діапазоні температур мінус 30 °C до плюс 50 °C. За рахунок організації розподілу повітря і розміщення блока випарника у зоні гарячого повітря, а саме в гарячому коридорі МЦОД досягається висока ефективність цих кондиціонерів. А випарник має велику площу теплообміну, завдяки чому внутрішній блок 5 кондиціонера є компактним. Кондиціонери подають холодне повітря зверху донизу у робочу зону, з якої обладнання забирає його по всій висоті технологічної шафи 3 з ІТ-обладнанням. Забір гарячого повітря здійснюється з найбільш гарячої зони приміщення - з під стелі модульного кожуха 1, до якої піднімається від ІТобладнання гаряче повітря. Так зводиться до мінімуму змішування холодного повітря, що подається кондиціонерами, і гарячого повітря від ІТ-обладнання. Таким чином забезпечується потрібна температура всередині шаф 3 з ІТ-обладнанням, висока ефективність охолодження ІТобладнання і відсутність його перегріву. Таким чином забезпечується автономна без участі персоналу робота у ізольованому приміщенні МЦОД і підтримання постійно потрібних кліматичних умов. Відповідні конструктивні компоненти кондиціонерів, геометрія теплообмінників і потоку повітря забезпечують безперебійну роботу кондиціонерів. А використання додаткового альтернативного джерела енергії додатково підвищує надійність. Крім того, використання додаткового режиму вільного озонотворення дозволяє зупиняти компресор кондиціонера і використовувати зовнішнє повітря для охолодження в холодний період року. При цьому суттєво зменшуються витрати електроенергії на підтримання кліматичних умов. Крім того, система для примусового повітряного охолодження МЦОД містить, щонайменше один міжшафовий автономний кондиціонер з блоками 6 і 7 для підтримання точних параметрів мікроклімату, які також працюють круглі сутки цілі роки. Все обладнання кондиціонера: випарник, вентилятор, компресор, ресивер, власний електрощит з автоматами захисту, контролер управління і інше - розміщені в кожній шафі 3 для ІТ-обладнання і мають зручний доступ для обслуговування. Таким чином, МЦОД являє собою один модуль або комплекс модулів заводської готовності, що дозволяють швидко зводити ефективний з точки зору використання простору, енергії і надійності функціонування центр обробки даних в умовах безперервного функціонування і готовністю до використання практично відразу по прибуттю до місця постійної експлуатації. Втручання людини відбувається під час встановлення ІТ-обладнання і під час його сервісного обслуговування. Часто це роблять окремі адміністратори серверів з вищою кваліфікацією. МЦОД має вбудовану систему прямого охолодження, яка дозволяє знизити витрати енергії до 20 відсотків у порівнянні з звичайними холодильними машинами для дата-центрів. МЦОД має унікальну особливість - модульний принцип. Додатковий модульний ізотермічний кожух 2 пристиковується до основного модульного ізотермічного кожуха 1 з можливістю їх 4 UA 108689 U 5 10 15 роз'єднання для окремого перевезення. Таке конструктивне рішення ізольованого приміщення МЦОД є суттєвим для розв'язання складностей, що пов'язані з траспортуванням МЦОД до місця постійної експлуатації і не потребує спеціального дозволу на перевезення. Основною характеристикою способу, що заявляється, є відносний рух потоків повітря прямого холодного й зворотного гарячого, геометрія цих течій, наявність перепаду тиску, що забезпечує безперервну циркуляцію повітря, тобто змінений характер протікання холодного і гарячого повітря, що звільняє ІТ-обладнання від зворотного гарячого повітря, що дає можливість збільшити коефіцієнт тепловіддачі. Це дозволяє підтримувати робочу температуру ІТ-обладнання без його перегріву і підвищити надійність МЦОД. Наявність креслень і ескізів, що додаються підтверджують промислову придатність МЦОД, що заявляється. Доповнення описаної вище способу по відомим правилам будь-яким вдосконаленням, що відомі автору не призведуть до досягнення технічного результату, яким є забезпечення підвищення ефективності підтримання робочої температури ІТ-обладнання і надійністі роботи МЦОД. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 1. Спосіб підтримання робочої температури ІТ-обладнання модульного центру обробки даних шляхом подання повітря до ІТ-обладнання, охолодження ІТ-обладнання повітрям з одночасним нагрівом повітря, який відрізняється тим, що перед поданням до ІТ-обладнання змінюють рух часток, з яких складається повітря з хаотичного на направлений потік з безперервною його циркуляцією по замкнутому колу через ІТ-обладнання шляхом охолодження і нагріву, після охолодження прямим потоком, після нагріву зворотним потоком, прямий потік повітря подають до ІТ-обладнання, зворотний потік - на охолодження. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що циркуляцію повітря через ІТ-обладнання здійснюють по замкнутому колу у вертикальній площині поданням прямого потоку зверху донизу і відбиранням зворотного потоку знизу вверх. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що циркуляцію повітря через ІТ-обладнання здійснюють по замкнутому колу у горизонтальній площині поданням прямого потоку зліванаправо справа-наліво і відбиранням зворотного потоку зліва-направо справа-наліво. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що замкнуту циркуляцію повітря через ІТ-обладнання здійснюють одночасно по замкнутих колах у вертикальній площині і у горизонтальній площині. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що безперервну циркуляцію повітря по замкнутому колу через ІТ-обладнання прямим і зворотним потоками здійснюють за допомогою модулів модульного центру обробки даних. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що охолодження повітря здійснюють за допомогою повітряних кондиціонерів. 7. Спосіб за пп. 1, 6, який відрізняється тим, що охолодження повітря здійснюють з одночасним очищенням повітря від часток пилу і випадкових домішок фільтруванням. 5 UA 108689 U 6 UA 108689 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7