循环气体架冷却结构

摘要

一种用于容纳且用内部循环空气冷却电子部件的柜，该内部循环空气在多个设备架子中的每一个处被冷却。本发明公开了一种适合于容纳热量产生部件的设备，该设备包括外罩，所述外罩包含与所述热量产生部件热连通的循环气体冷却媒介；多个冷却器，每个冷却器与一个或更多个对应的热量产生部件相关，每个冷却器包括具有第一媒介的第一热交换器；多个第二热交换器，每个第二热交换器包括第二媒介且适合于从各自的冷却器吸取热量，所述第二热交换器中的每个与外部冷却装置流体连通，所述外部冷却装置适合于从所述第二媒介吸取热量；和调节阀，所述调节阀用于限制冷却容量，从而避免所述外罩内的冷凝。

权利要求

1.一种适合于容纳热量产生部件的设备，该设备包括：外罩，所述外罩包含与所述热量产生部件热连通的循环气体冷却媒介；

多个冷却器，每个冷却器与一个或更多个对应的热量产生部件相关，每个冷却器包括具有第一媒介的第一热交换器，用于从所述气体冷却媒介吸取由对应的热量产生部件传递给所述循环气体冷却媒介的热量的至少一部分；

多个第二热交换器，每个第二热交换器包括第二媒介且适合于从各自的冷却器吸取热量，所述第二热交换器中的每个与外部冷却装置流体连通，所述外部冷却装置适合于从所述第二媒介吸取热量；和调节阀，所述调节阀用于限制冷却容量，从而避免所述外罩内的冷凝。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述外部冷却装置包括冷却塔、热交换器和压缩机中的一个。

3.根据权利要求1所述的设备，还包括：

喷雾器，该喷雾器用于将介电流体雾化成雾，用于引导进所述循环气体冷却媒介中。

4.根据权利要求3所述的设备，还包括：

用于将蒸发的雾冷凝成介电流体的装置；和

泵，该泵用于将介电流体抽吸到所述喷雾器中。

5.根据权利要求3所述的设备，还包括：

用于将介电流体和雾化的介电流体中的一种或两者朝一具体的热量产生部件引导的装置。

6.根据权利要求1所述的设备，还包括：

故障防止机构，该故障防止机构适合于在冷却故障时延迟过热条件，所述故障防止机构包括适合于响应于故障打开的至少一个柜百叶窗、适合于响应于故障操作的一个或更多个备用风扇、冷却导管以及重力供给流体备用装置。

7.一种包括多个柜的设备室，所述多个柜由权利要求1的设备形成，其中所述多个柜被布置成多个列，至少两个柜中的所述第二热交换器彼此流体连通。

8.根据权利要求7所述的设备室，其中所述设备室位于中心办公设施和数据中心设施中的一个内。

9.一种冷却热量产生部件的方法，该方法包括：在封闭的柜中使与多个热量产生部件组热连通的气体冷却媒介循环；

用多个各自的第一热交换器冷却靠近每个热量产生部件的所述气体冷却媒介，每个第一热交换器包括第一媒介；

用多个各自的第二热交换器冷却每个所述第一热交换器的第一媒介，每个第二热交换器包括第二媒介；以及用外部冷却装置冷却每个所述第二热交换器的第二媒介，其中使用调节阀调节所述第二媒介的冷却，所述调节阀用于限制冷却容量，从而避免所述柜内的冷凝。

说明书

循环气体架冷却结构

技术领域

[0001] 本发明涉及冷却系统，尤其涉及适合于如在设备室(如在电信中心办公或计算机数据中心)中所见到的电子系统的冷却系统。

背景技术

[0002] 在例如电信中心办公和计算机数据中心等的设施里的设备室容纳电子系统、光电系统、光子系统、计算系统等(通常来说，设备)。所述设备安装在柜的架中，所述柜被布置成由设备室中的活动板上方的通道分离开的列。冷空气从“冷通道”流出活动板，且由风扇吸入而穿过柜。空气从所述柜流出进入到“热通道”，在“热通道”中空气被室级(room-level)空气吹风机吸入而通过中心地设置的热交换器。热交换器冷却空气且将空气送回至在设备室的活动板的冷通道下面的隔间。

[0003] 对热/冷通道配置的各种修改是已知的。例如，一种修改例使用流体冷却的热交换器来确保从所述柜流出的空气在进入设备室热通道中之前被一定程度地冷却。这种方法的主要目的是防止由于有限的设备室空气流控制，来自“热通道”的已加热的空气意外地从前面进入到另一柜中。流动平衡问题也可能在设备室内产生热点。随着进入活动板的空气的温度降低，设备室HVAC系统上的冷却负担被增加；然而，由于有限的空气流动分布效率，所述空气不必通过柜中的设备架子冷却至用于使用的足够低的水平。另外，已知使用制冷剂抽吸环和外部制冷器来扩充标准系统。这些单元可以被安装到所述柜上方的顶板上或直接安装到所述柜上，从而朝所述架子进入通口引导冷却空气。另外，可以使用复杂的管道装置将冷却的流体提供给单个电路组件或电路组件部件。

发明内容

[0004] 通过本发明的用于冷却诸如在电信中心办公或计算机数据中心的设备室内的热量产生装备的设备和方法，解决了现有技术中的多个缺陷。另外，公开了用于设备室中的柜的一种布置。

[0005] 根据本发明的一个实施例的设备，该设备适合于容纳热量产生部件，该设备包括：外罩，用于基本上包括与所述热量产生部件热连通的循环气体冷却媒介；和多个冷却器，每个冷却器与一个或更多个对应的热量产生部件相关，每个冷却器包括第一热交换器，所述第一热交换器用于从所述气体冷却媒介吸取由对应的热量产生部件传递给所述循环气体冷却媒介的热量的至少一部分。

[0006] 根据本发明的一个实施例的方法，该方法包括：在封闭的柜中使与多个热量产生部件组热连通的气体冷却媒介循环；用包括第一媒介的各自的第一热交换器冷却靠近每个热量产生部件组的所述气体冷却媒介；用包括第二媒介的各自的第二热交换器冷却所述第一热交换器中的每个的第一媒介；以及用冷却装置冷却所述第二热交换器的第二媒介。

附图说明

[0007] 通过结合附图思考下述的详细描述，可以容易地理解本发明的教导，在附图中：

[0008] 图1示出显示根据本发明的实施例的冷却设备的方块图；

[0009] 图2示出对图1中的冷却设备进行的改进；

[0010] 图3A示出例如在设备室内根据本发明的柜的布置的侧视图；

[0011] 图3B示出例如在设备室内根据本发明的柜的布置的顶视图；和

[0012] 图4示出对图1或图2的冷却设备的改进。

[0013] 为了便于理解，在可能的情况下使用相同的参考标记来表示各个附图共有的相同元件。

具体实施方式

[0014] 在适合于例如电气系统、电子系统、光电系统、光子系统、计算系统等房屋设备的柜的情况下，对本发明进行主要描述。可以在电信中心办公或计算机数据中心的设备室中找到这种类型的设备。本领域中技术熟练的且知悉此处的教导的技术人员将会意识到本发明也可以应用于任何柜、外壳或外罩(或它们的组合)，其中期望对包含在它们中的热量产生部件进行冷却。

[0015] 在此处对存放在架中的特定设备(例如热量产生部件、电路插件等)的任何参考意欲广义地解释为对任何类型(电气、光学、计算等)的设备的参考。此外，在此处对中心办公、数据中心等的任何参考应当广义地解释为对设备室或例如可能在中心办公、数据中心等任何地方可能发现的类似设施的参考。

[0016] 通常来说，本发明的关注在于新型的柜设计和相关的方法，该方法采用在封闭的柜中循环空气(或其它气体)来冷却从柜中的每个平台或架子流出的空气。在本发明的一个实施例中，在封闭的柜内(或其外部)设置了增加的声学阻尼。在本发明的另一实施例中，雾化的雾引入到循环的空气或气体，用于在封闭的柜中提供改善的基于蒸发的冷却。

[0017] 图1示出显示根据本发明的实施例的冷却设备的方块图。具体地，冷却设备100包括大体封闭的柜110，该柜包括多个架子112-1至112-3(统称为架子112)，用于容纳说明性地被插入到共同的底板中的诸如电子电路组件或其它热量产生部件的热量产生部件。

[0018] 架子112-1至112-3中的每一个与对应的冷却器114-1至114-3(说明性地位于架子的上方)相关联。每个架子112接收来自前一的冷却器114的冷却空气C，且使得加热的空气H通入到下一冷却器114。每一冷却器114接收来自前一架子112的加热的空气且使冷却的空气C通入到下一架子112。来自最上面的冷却器114-3的冷却空气被循环通过空气返回区115进入到底部架子112-1。在一个实施例中，替代地，与顶部架子相关的冷却器设置在底部架子的下方。

[0019] 每个冷却器包括热交换器，该热交换器适合于从对应的架子112接收到的暖空气中吸收热量。来自暖空气的热量转移到冷却器114中的媒介上，从而提供可以用于冷却下一架子的冷空气流。媒介可以包括诸如水、各种介电材料等的流体。媒介还可以包括两相材料(例如在诸如水的流体中的蜡分散体)。因此，每个冷却器114依赖于所选择的设计和所使用的第一媒介的类型包括内部气体至液体或气体至液体加蒸汽类型的热交换器。

[0020] 在一个实施例中，冷却器114包括在其上设置有翅片的热管，从被吸入通过翅片的暖空气吸收热量。在一个实施例中，冷却器114包括毛细抽吸回路。

[0021] 每个冷却器114-1至114-3与对应的第二热交换器118-1至118-3相关。第二热交换器118经由管道102与外部冷却装置130热连通且彼此热连通，从而用于形成包括第二媒介的外部流体冷却回路。第二媒介可以是流体或两相材料。依赖于所选择的设计或所使用的第二媒介的类型，第二热交换器118可以包括液体-液体、液体-液体+蒸汽或液体+蒸汽-液体类型的热交换器。

[0022] 第二热交换器118与他们的各自的冷却器分离地或者一起被安装在柜110中或柜110上。冷却器可以分离地或与热交换器一起(例如作为单个单元)被安装。

[0023] 外部冷却装置130说明性地包括设置在不同于柜的室中的冷却装置(例如室外冷却塔、热交换器、压缩机等)。在压缩机或其它的制冷系统的情形中，外部进出适合于防止冷凝。

[0024] 柜可以被设想成具有三个区：即(1)包括与不同的架子112相关的电子装置或其它热量产生装置的电子装置区；(2)空气返回区；和(3)包含热交换器的流体区。有利地，因此所描述的封闭的柜实施例独立于由设备室中的HVAC系统所施加的热量负载限制进行工作，这是因为结合流体冷却回路在内部进行冷却。也就是，热量被通过特别布置的冷却机构从每个柜移除，而不是经由大的室冷却机构从整个室移除。

[0025] 在本发明的一个实施例中，每个架子都有风扇盘。在本发明的另一实施例中，整个柜具有一个风扇盘。在每种情形中，风扇盘包括适于驱使空气或气体循环跨过热量产生部件的风扇。

[0026] 有利地，本发明设置封闭的柜，使得声学发射被极大地减小。因此，通过减小噪声发射，可以改善内部产生的噪声，而不超过设备室中的环境噪声阈值且保持在各种安全规格内。这样的改善的噪声可能有助于增加风扇速度。通过增加与上文所述的冷却系统相关的风扇速度，实现了增加的气流且因此实现了对电子电路组件或其它热量产生部件的改善的冷却。

[0027] 在一个实施例中，第一流体包括单相流体或蒸发/冷凝流体和蒸汽。在一个实施例中，通过热管中的表面张力和/或毛细抽吸回路被动地使流体或流体/蒸汽循环。在另一实施例中，通过绕组(未显示出)主动地将流体或流体/蒸汽抽吸到柜中和到柜的外面。流体还可以包含聚合物包覆的相变材料(例如蜡)。蜡的使用通过利用相变(熔化)的余热，来增加流体的热容

[0028] 第二流体(由第二热交换器118和外部冷却装置130形成的冷却回路中运送的)和外部或建筑物(设施)源的冷冻水之间的任何热交换器可以是柜的一部分或是CO内的柜之外的且通过管道(未显示)连通的部分。

[0029] 图1显示出从柜突出的第二热交换器118。然而，应当注意发明人设想了这些热交换器118将不从柜突出，否则改变柜的覆盖区(footprint)。此外，在各实施例中第二热交换器118与冷却器114是一体的。

[0030] 图2显示出对图1中的冷却设备的改进。具体地，图2显示出图1中的柜110，而为了清楚起见省略了所有的其它部件。通过在柜中或附近选择性地应用声学吸收/隔音材料，可以进一步降低声学发射。因此，图2显示出内衬(内部)有声学屏蔽材料120的柜110，使得来自柜110中的风扇和其它部件的声学发射在离开柜110之前被进一步减弱。这样，可以实现风扇速度的另外的提高。

[0031] 图3A显示出例如在设备室内的根据本发明的柜的布置的侧视图。具体地，图3A显示出说明性地标记为柜C1-C6的多个柜的布置300A。注意，在这种配置中的柜彼此非常靠近地设置，仅有的分隔是对于柜中的电路进出所需要的。作为一个实际的问题，如果不需要进出或如果设置了将柜移动到服务位置的机构，柜C1-C6可以彼此临靠。这种布置收益于上述的发明提供的冷却优点，极大地减小了实施设置室所需要的区域，使得实现了对于给定数目的柜的底板空间的显著的节省。因为现有技术布置中的热通道和冷通道结构(和与空气流管道系统相关的活动板)在本发明的情形中是不需要的，所以图3中的布置是可以的。

[0032] 图3B显示出例如在设备室内的根据本发明的柜的布置的顶视图。具体地，图3B显示出关于图3A在上文显示出的柜布置的顶视图。图3B的柜布置300B非常适合于设备室，这是因为所述布置减小支撑柜所需要的区域(与目前的方案相比)。此外，通过防止对活动板和各种室大小的冷却系统的需要，可以实现另外的节省。

[0033] 图3B的柜布置300B说明性地显示出显示为列R1-R6的六列柜。在列R1中的每个柜显示为包含冷却区域C，该冷却区域表示冷却设备在柜中的放置。通过检查可以看到具有柜的冷却设备可以直接地靠近邻近柜的冷却设备设置。主要为了服务进出柜中的各电子装置架子，而设置了各个列之间的间隔。柜本身是具有参考图1-2如上文所述的内部循环空气冷却机构、空气流体冷却机构以及流体-流体冷却机构的封闭的柜。

[0034] 在一个实施例中，两个或更多个柜中的第二热交换器彼此流体连通。在一个实施例中，每个柜中的第二热交换器与邻近柜的第二热交换器流体连通。在一个实施例中，列中的每个柜的第二热交换器与所述列中的每个其它柜的第二热交换器流体连通。

[0035] 图4显示出对参考图1至2上文所述的冷却设备的改进。具体地，图4A显示出电路组件冷却布置400A，其中稠密型电路组件400(例如在图1的柜100中的架子112上看到的)接收来自下方的冷空气流C且在顶部产生热空气流H。来自热空气流H热量的热量由翅片型的热管420(如在图1中的柜100中的冷却器114上看到的)移除，用于产生冷空气流C。图4A显示出的空气/热量流基本上与参考各图在上文描述的相一致。

[0036] 图4B显示出对上文描述的布置的改进。具体地，图4B显示出电路组件冷却布置400B，其中通过将雾(例如雾化的流体)注射到冷却空气流来提供改善的冷却。在这个实施例中，雾或雾化的流体通过例如机械、超声或其它类型的喷雾器的喷雾器470被注射到冷却空气流中。雾滴吸收来自稠密的电路组件的热量，且之后蒸发。蒸发的雾滴被冷却器
114冷凝成流体，该流体在收集器430进行收集。通过重力使得冷凝物在收集器(偏离热管悬挂的矩形或三角形横截面(开口)的容器)中聚集，对冷凝物进行收集。可选择地，收集器略微倾斜，便于朝泵排放冷凝物。泵450经由管子440从收集器430吸取流体且将已吸取的流体经由管子460传送至喷雾器470。喷雾器470使流体雾化，用于重新引入到上文所述的冷却空气流中。操作雾，防止流过架子的空气的温度增加。因此，空气是冷却剂且如热量转移媒介一样更加有效。通过增加空气流(例如增加的风扇速度)来实现类似的效果。

[0037] 在一个实施例中，雾(或冷却流体本身)通过重力反馈或泵反馈管或喷嘴直接引导至或朝单个部件引导，用于提供单个部件的改善的冷却。这种有意的引导对于容纳高功率的部件是极其有用的，而不管雾是否通常用于冷却空气流本身。还注意到，雾能够在水或其它流体管线或风扇故障的情形下提供后备的冷却，之后雾由于缺少冷却流体将会停止冷凝，但雾的池将延迟柜中的硬件所不能忍耐的操作条件。因为雾在冷却系统时具有显著的优点，如果风扇故障，那么喷洒雾，收集冷凝物以及再次喷洒冷凝物。下文将更加详细地描述一些故障防止机构。

[0038] 在图4B的实施例中，电路组件的进口和出口之间的温度变化与图4A的实施例中的对应的温度变化小。例如，在一种情形中发明人已经确定，当图4中的任一实施例的电路组件410的进口温度是大约20℃时，电路组件410的出口温度是大约35℃(图4A)或27.5℃(图4B)。

[0039] 上文描述的雾化的雾可以以三种方式(单独地或任意地结合)使用，用于(1)增加空气流的整体冷却容量；(2)在空气向上(向上游)流过柜中的架子/电路组件时，防止空气温度像其通常地那样快速地升高，和/或(3)直接喷洒到部件上用于提供额外的局部地冷却。

[0040] 上文示出的本发明的各实施例还可以被结合。也就是，图1中的封闭的柜循环实施例可以通过参考图2描述的声学屏蔽进行加强(从而允许更高的风扇速度)，和/或通过参考图4描述的雾循环和/或雾/流体的直接应用来提供改善的冷却。在本发明的封闭系统中使用雾是可行的，其中在敞开的系统中雾将会消散。

[0041] 在本发明的一个实施例中，空气被显示为循环通过柜的冷却媒介。然而，在另外的实施例中，其它气体用作循环冷却媒介。这样的其它气体可以包括例如氦。通常来说，近似于或大于普通空气的热容的任何气体可以用于这种目的。

[0042] 热管是包含流体的管子，该流体在热端(上文例子中的空气侧)蒸发且在冷端(例如水侧)冷凝，用于将热量从热端转移至冷端。冷凝物通过表面张力被动地被从冷端抽进行抽吸而返回至热端，例如由于在热管内部的毛细芯。热管典型地具有非常低的热阻，相同直径的纯铜的十分之一或更小，但可以仅转移限制量的热量，因为表面张力具有受限制的强度等。

[0043] 在本发明的一个实施例中，如上文所述热管用于实施将空气至流体侧热量转移功能。在本发明的其它实施例中，使用了抽吸的致冷剂(例如具有用于发生冷凝的远端热交换器，而不是架中的流体区域)。在另外的其它实施例中，毛细抽吸回路(类似于热管，但具有更高的容量且成封闭的回路的形式而不是管子)或抽吸水被使用。

[0044] 在本发明的一个实施例中，“故障防止”模式操作被提供用于防止在风扇故障、冷冻水故障、喷雾器故障等情形中造成有害的后果。注意到，如果水不是冷的或如果泵故障，制冷机可能发生故障。因为在本发明的情形下使用的柜是封闭的柜，这样的故障可能很快造成悲惨的后果。

[0045] 一种故障防止模式包括：只要风扇停止(或者泵或其它与冷却相关的装置故障)就自动地打开的一大组百叶窗。该百叶窗优选地设置在柜的底部用于使冷的室空气进入，和设置在柜的顶部用于使加热的空气流出。第二风扇或一组风扇可以可选择地被包含，用于通过柜吹送空气(例如在顶部的一个大风扇，可选地由电池进行供电)。在建筑物冷冻水侧上，故障防止机构是较不重要的且较容易布置。流体本身优选地具有合理的热容使得它可以继续吸收热量，例如说明性地吸收几分钟。在一个实施例中，第二管道系统和具有冷冻水储存箱(例如重力供给)的(可选地)电池操作的抽吸系统被设置，例如在顶板或屋顶上。这样，如果主泵故障，通常封闭的阀打开用于允许冷冻水的流被重力地供给和/或被在短的时间期间抽吸到系统中。

[0046] 在建筑物冷冻水泵故障时，相变材料(PCM)是另一种选择。因此，在一个实施例中，返回导管被内衬有例如粉末的相变材料，该相变材料在例如40度的特定温度(例如返回空气永远不会达到的温度除非冷却水/制冷剂关闭情形发生)熔化。由于包覆的PCM熔化将需要一些时间(例如30分钟)，由于它们的熔合潜热很大，空气在它从最后的架子的出口循环返回至第一架子的进口时，将被冷却。PCM还可以分散在重力供给的冷却水中，该冷却水将仅在紧急情况才被使用，进一步提高其热能吸收容量。

[0047] 在还一实施例中，提供了防止在柜中冷凝的装置。在这一实施例中，使用了在冷冻水(或冷冻流体)进入端口上的调节阀。如果调整设备是空转且冷冻水需要很低，那么阀限制流速并且因此限制系统的冷却容量。这样，柜中的空气温度不会降低至形成冷凝的点。

[0048] 在还一实施例中，在流体侧上提供额外的热交换器。在这一实施例中，不是在翅片的流体侧上方循环水，而是在被建筑物(或其它)冷冻水源冷却后，使介电流体(油或碳氟化合物)循环。尤其是在碳氟化合物的情形中，由于不经意的泄露造成的消防安全被内在地消除。在任一情形，介电流体优选地被控制且被过滤，从而减小了流体侧翅片上的维护。用于这样的应用的感兴趣的一些流体包括Paratherm、Dynalene、HFE7100和HFC245fa。

[0049] 在本发明的还一实施例中，提供中间热交换器。这种中间热交换器具有其自己的冷却容量(例如基于压缩机的)且如果建筑物冷冻水(或与它交换热量的介电流体)期望比CO可利用的建筑物冷冻水温度低，则可选择地提供了增加的冷却容量。

[0050] 作为设备的功能性在上文所述的各种工艺还可以被解释为用于冷却的方法。因此，例如，本发明的一个实施例包括在封闭的柜中使与多个热量产生部件组热连通的气体冷却媒介循环；用包括第一媒介的各自的第一热交换器冷却靠近每个热量产生部件组的气体冷却媒介；用包括第二媒介的各自的第二热交换器冷却每个第一热交换器的第一媒介；以及用冷却装置冷却第二热交换器的第二媒介。

[0051] 在本发明的另一实施例中，制冷循环的蒸发器部起到架或柜中的冷却器的功能。也就是，在蒸发器部中蒸发的流体(制冷剂)是吸收架子冷却器中的热量的媒介。这种吸收的热量在同一制冷循环的冷凝器部被释放。这种制冷循环说明性地包括第二热交换器，且可选择地安装到柜的后面或侧面，以及安装到柜的外部(例如与柜中的气体冷却流分离开)。这种制冷循环的相关的压缩机和膨胀阀安装到架的外部的一些地方上。

[0052] 在一个实施例中，蒸发器部的温度是可控制的。在一个实施例中，在膨胀阀的出口处的压力是可调节的，该调节提供了用于控制蒸发器部中的温度的机构。因此，如果冷凝变成可能的，那么阀的调节被提供用于提高蒸发器部的温度且防止冷凝。可替代地，通过控制由压缩机进行致冷剂加压，来控制出口压力。

[0053] 虽然上面的描述针对于本发明的各个实施例，但是在不背离本发明的基本范围的情况下可以设计本发明的其它和另外的实施例。同理，根据随附的权利要求来确定本发明的适合的范围。