循環氣體架冷卻結構的製作方法

2023-05-29 10:34:46 1

專利名稱：循環氣體架冷卻結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及冷卻系統，尤其涉及適合於如在設備室(如在電信中心辦公或計算機 數據中心)中所見到的電子系統的冷卻系統。
背景技術：
在例如電信中心辦公和計算機數據中心等的設施裡的設備室容納電子系統、光 電系統、光子系統、計算系統等(通常來說，設備)。所述設備安裝在櫃的架中，所述櫃被 布置成由設備室中的活動板上方的通道分離開的列。冷空氣從「冷通道」流出活動板，且 由風扇吸入而穿過櫃。空氣從所述櫃流出進入到「熱通道」，在「熱通道」中空氣被室級 (room-level)空氣吹風機吸入而通過中心地設置的熱交換器。熱交換器冷卻空氣且將空氣 送回至在設備室的活動板的冷通道下面的隔間。對熱/冷通道配置的各種修改是已知的。例如，一種修改例使用流體冷卻的熱交 換器來確保從所述櫃流出的空氣在進入設備室熱通道中之前被一定程度地冷卻。這種方法 的主要目的是防止由於有限的設備室空氣流控制，來自「熱通道」的已加熱的空氣意外地從 前面進入到另一櫃中。流動平衡問題也可能在設備室內產生熱點。隨著進入活動板的空氣 的溫度降低，設備室HVAC系統上的冷卻負擔被增加；然而，由於有限的空氣流動分布效率， 所述空氣不必通過櫃中的設備架子冷卻至用於使用的足夠低的水平。另外，已知使用製冷 劑抽吸環和外部製冷器來擴充標準系統。這些單元可以被安裝到所述柜上方的頂板上或直 接安裝到所述柜上，從而朝所述架子進入通口引導冷卻空氣。另外，可以使用複雜的管道裝 置將冷卻的流體提供給單個電路組件或電路組件部件。

發明內容
通過本發明的用於冷卻諸如在電信中心辦公或計算機數據中心的設備室內的熱 量產生裝備的設備和方法，解決了現有技術中的多個缺陷。另外，公開了用於設備室中的櫃 的一種布置。根據本發明的一個實施例的設備，該設備適合於容納熱量產生部件，該設備包括: 外罩，用於基本上包括與所述熱量產生部件熱連通的循環氣體冷卻媒介；和多個冷卻器，每 個冷卻器與一個或更多個對應的熱量產生部件相關，每個冷卻器包括第一熱交換器，所述 第一熱交換器用於從所述氣體冷卻媒介吸取由對應的熱量產生部件傳遞給所述循環氣體 冷卻媒介的熱量的至少一部分。根據本發明的一個實施例的方法，該方法包括在封閉的櫃中使與多個熱量產生 部件組熱連通的氣體冷卻媒介循環；用包括第一媒介的各自的第一熱交換器冷卻靠近每個 熱量產生部件組的所述氣體冷卻媒介；用包括第二媒介的各自的第二熱交換器冷卻所述第 一熱交換器中的每個的第一媒介；以及用冷卻裝置冷卻所述第二熱交換器的第二媒介。


通過結合附圖思考下述的詳細描述，可以容易地理解本發明的教導，在附圖中圖1示出顯示根據本發明的實施例的冷卻設備的方塊圖；圖2示出對圖1中的冷卻設備進行的改進；圖3A示出例如在設備室內根據本發明的櫃的布置的側視圖；圖3B示出例如在設備室內根據本發明的櫃的布置的頂視圖；和圖4示出對圖1或圖2的冷卻設備的改進。為了便於理解，在可能的情況下使用相同的參考標記來表示各個附圖共有的相同 元件。
具體實施例方式在適合於例如電氣系統、電子系統、光電系統、光子系統、計算系統等房屋設備的 櫃的情況下，對本發明進行主要描述。可以在電信中心辦公或計算機數據中心的設備室中 找到這種類型的設備。本領域中技術熟練的且知悉此處的教導的技術人員將會意識到本發 明也可以應用於任何櫃、外殼或外罩(或它們的組合)，其中期望對包含在它們中的熱量產 生部件進行冷卻。在此處對存放在架中的特定設備(例如熱量產生部件、電路插件等)的任何參考 意欲廣義地解釋為對任何類型(電氣、光學、計算等)的設備的參考。此外，在此處對中心 辦公、數據中心等的任何參考應當廣義地解釋為對設備室或例如可能在中心辦公、數據中 心等任何地方可能發現的類似設施的參考。通常來說，本發明的關注在於新型的櫃設計和相關的方法，該方法採用在封閉的 櫃中循環空氣(或其它氣體)來冷卻從櫃中的每個平臺或架子流出的空氣。在本發明的一 個實施例中，在封閉的櫃內(或其外部)設置了增加的聲學阻尼。在本發明的另一實施例 中，霧化的霧引入到循環的空氣或氣體，用於在封閉的櫃中提供改善的基於蒸發的冷卻。圖1示出顯示根據本發明的實施例的冷卻設備的方塊圖。具體地，冷卻設備100 包括大體封閉的櫃110，該櫃包括多個架子112-1至112-3(統稱為架子112)，用於容納說 明性地被插入到共同的底板中的諸如電子電路組件或其它熱量產生部件的熱量產生部件。架子112-1至112-3中的每一個與對應的冷卻器114_1至114_3(說明性地位於 架子的上方)相關聯。每個架子112接收來自前一的冷卻器114的冷卻空氣C，且使得加熱 的空氣H通入到下一冷卻器114。每一冷卻器114接收來自前一架子112的加熱的空氣且 使冷卻的空氣C通入到下一架子112。來自最上面的冷卻器114-3的冷卻空氣被循環通過 空氣返回區115進入到底部架子112-1。在一個實施例中，替代地，與頂部架子相關的冷卻 器設置在底部架子的下方。每個冷卻器包括熱交換器，該熱交換器適合於從對應的架子112接收到的暖空氣 中吸收熱量。來自暖空氣的熱量轉移到冷卻器114中的媒介上，從而提供可以用於冷卻下 一架子的冷空氣流。媒介可以包括諸如水、各種介電材料等的流體。媒介還可以包括兩相 材料(例如在諸如水的流體中的蠟分散體)。因此，每個冷卻器114依賴於所選擇的設計和 所使用的第一媒介的類型包括內部氣體至液體或氣體至液體加蒸汽類型的熱交換器。在一個實施例中，冷卻器114包括在其上設置有翅片的熱管，從被吸入通過翅片
4的暖空氣吸收熱量。在一個實施例中，冷卻器114包括毛細抽吸迴路。每個冷卻器114-1至114-3與對應的第二熱交換器118-1至118-3相關。第二熱 交換器118經由管道102與外部冷卻裝置130熱連通且彼此熱連通，從而用於形成包括第 二媒介的外部流體冷卻迴路。第二媒介可以是流體或兩相材料。依賴於所選擇的設計或所 使用的第二媒介的類型，第二熱交換器118可以包括液體-液體、液體-液體+蒸汽或液體 +蒸汽-液體類型的熱交換器。第二熱交換器118與他們的各自的冷卻器分離地或者一起被安裝在櫃110中或櫃 110上。冷卻器可以分離地或與熱交換器一起(例如作為單個單元)被安裝。外部冷卻裝置130說明性地包括設置在不同於櫃的室中的冷卻裝置(例如室外冷卻 塔、熱交換器、壓縮機等)。在壓縮機或其它的製冷系統的情形中，外部進出適合於防止冷凝。櫃可以被設想成具有三個區S卩(1)包括與不同的架子112相關的電子裝置或其 它熱量產生裝置的電子裝置區；(2)空氣返回區；和(3)包含熱交換器的流體區。有利地， 因此所描述的封閉的櫃實施例獨立於由設備室中的HVAC系統所施加的熱量負載限制進行 工作，這是因為結合流體冷卻迴路在內部進行冷卻。也就是，熱量被通過特別布置的冷卻機 構從每個櫃移除，而不是經由大的室冷卻機構從整個室移除。在本發明的一個實施例中，每個架子都有風扇盤。在本發明的另一實施例中，整個 櫃具有一個風扇盤。在每種情形中，風扇盤包括適於驅使空氣或氣體循環跨過熱量產生部 件的風扇。有利地，本發明設置封閉的櫃，使得聲學發射被極大地減小。因此，通過減小噪聲 發射，可以改善內部產生的噪聲，而不超過設備室中的環境噪聲閾值且保持在各種安全規 格內。這樣的改善的噪聲可能有助於增加風扇速度。通過增加與上文所述的冷卻系統相關 的風扇速度，實現了增加的氣流且因此實現了對電子電路組件或其它熱量產生部件的改善 的冷卻。在一個實施例中，第一流體包括單相流體或蒸發/冷凝流體和蒸汽。在一個實施 例中，通過熱管中的表面張力和/或毛細抽吸迴路被動地使流體或流體/蒸汽循環。在另 一實施例中，通過繞組(未顯示出)主動地將流體或流體/蒸汽抽吸到櫃中和到櫃的外面。 流體還可以包含聚合物包覆的相變材料(例如蠟)。蠟的使用通過利用相變(熔化)的餘 熱，來增加流體的熱容第二流體(由第二熱交換器118和外部冷卻裝置130形成的冷卻迴路中運送的) 和外部或建築物(設施)源的冷凍水之間的任何熱交換器可以是櫃的一部分或是CO內的 櫃之外的且通過管道(未顯示)連通的部分。圖1顯示出從櫃突出的第二熱交換器118。然而，應當注意發明人設想了這些熱交 換器118將不從櫃突出，否則改變櫃的覆蓋區(footprint)。此外，在各實施例中第二熱交 換器118與冷卻器114是一體的。圖2顯示出對圖1中的冷卻設備的改進。具體地，圖2顯示出圖1中的櫃110，而 為了清楚起見省略了所有的其它部件。通過在櫃中或附近選擇性地應用聲學吸收/隔音材 料，可以進一步降低聲學發射。因此，圖2顯示出內襯(內部)有聲學屏蔽材料120的櫃 110，使得來自櫃110中的風扇和其它部件的聲學發射在離開櫃110之前被進一步減弱。這 樣，可以實現風扇速度的另外的提高。
圖3A顯示出例如在設備室內的根據本發明的櫃的布置的側視圖。具體地，圖3A 顯示出說明性地標記為櫃C1-C6的多個櫃的布置300A。注意，在這種配置中的櫃彼此非常 靠近地設置，僅有的分隔是對於櫃中的電路進出所需要的。作為一個實際的問題，如果不需 要進出或如果設置了將櫃移動到服務位置的機構，櫃C1-C6可以彼此臨靠。這種布置收益 於上述的發明提供的冷卻優點，極大地減小了實施設置室所需要的區域，使得實現了對於 給定數目的櫃的底板空間的顯著的節省。因為現有技術布置中的熱通道和冷通道結構(和 與空氣流管道系統相關的活動板)在本發明的情形中是不需要的，所以圖3中的布置是可 以的。圖3B顯示出例如在設備室內的根據本發明的櫃的布置的頂視圖。具體地，圖3B 顯示出關於圖3A在上文顯示出的櫃布置的頂視圖。圖3B的櫃布置300B非常適合於設備 室，這是因為所述布置減小支撐櫃所需要的區域(與目前的方案相比)。此外，通過防止對 活動板和各種室大小的冷卻系統的需要，可以實現另外的節省。圖3B的櫃布置300B說明性地顯示出顯示為列R1-R6的六列櫃。在列Rl中的每 個櫃顯示為包含冷卻區域C，該冷卻區域表示冷卻設備在櫃中的放置。通過檢查可以看到具 有櫃的冷卻設備可以直接地靠近鄰近櫃的冷卻設備設置。主要為了服務進出櫃中的各電子 裝置架子，而設置了各個列之間的間隔。櫃本身是具有參考圖1-2如上文所述的內部循環 空氣冷卻機構、空氣流體冷卻機構以及流體_流體冷卻機構的封閉的櫃。在一個實施例中，兩個或更多個櫃中的第二熱交換器彼此流體連通。在一個實施 例中，每個櫃中的第二熱交換器與鄰近櫃的第二熱交換器流體連通。在一個實施例中，列中 的每個櫃的第二熱交換器與所述列中的每個其它櫃的第二熱交換器流體連通。圖4顯示出對參考圖1至2上文所述的冷卻設備的改進。具體地，圖4A顯示出電 路組件冷卻布置400A，其中稠密型電路組件400 (例如在圖1的櫃100中的架子112上看到 的)接收來自下方的冷空氣流C且在頂部產生熱空氣流H。來自熱空氣流H熱量的熱量由 翅片型的熱管420(如在圖1中的櫃100中的冷卻器114上看到的)移除，用於產生冷空氣 流C。圖4A顯示出的空氣/熱量流基本上與參考各圖在上文描述的相一致。圖4B顯示出對上文描述的布置的改進。具體地，圖4B顯示出電路組件冷卻布置 400B，其中通過將霧(例如霧化的流體)注射到冷卻空氣流來提供改善的冷卻。在這個實 施例中，霧或霧化的流體通過例如機械、超聲或其它類型的噴霧器的噴霧器470被注射到 冷卻空氣流中。霧滴吸收來自稠密的電路組件的熱量，且之後蒸發。蒸發的霧滴被冷卻器 114冷凝成流體，該流體在收集器430進行收集。通過重力使得冷凝物在收集器(偏離熱管 懸掛的矩形或三角形橫截面(開口)的容器)中聚集，對冷凝物進行收集。可選擇地，收集 器略微傾斜，便於朝泵排放冷凝物。泵450經由管子440從收集器430吸取流體且將已吸 取的流體經由管子460傳送至噴霧器470。噴霧器470使流體霧化，用於重新引入到上文所 述的冷卻空氣流中。操作霧，防止流過架子的空氣的溫度增加。因此，空氣是冷卻劑且如熱 量轉移媒介一樣更加有效。通過增加空氣流(例如增加的風扇速度)來實現類似的效果。在一個實施例中，霧(或冷卻流體本身)通過重力反饋或泵反饋管或噴嘴直接引 導至或朝單個部件引導，用於提供單個部件的改善的冷卻。這種有意的引導對於容納高功 率的部件是極其有用的，而不管霧是否通常用於冷卻空氣流本身。還注意到，霧能夠在水或 其它流體管線或風扇故障的情形下提供後備的冷卻，之後霧由於缺少冷卻流體將會停止冷凝，但霧的池將延遲櫃中的硬體所不能忍耐的操作條件。因為霧在冷卻系統時具有顯著的 優點，如果風扇故障，那麼噴灑霧，收集冷凝物以及再次噴灑冷凝物。下文將更加詳細地描 述一些故障防止機構。在圖4B的實施例中，電路組件的進口和出口之間的溫度變化與圖4A的實施例中 的對應的溫度變化小。例如，在一種情形中發明人已經確定，當圖4中的任一實施例的電 路組件410的進口溫度是大約20°C時，電路組件410的出口溫度是大約35°C (圖4A)或 27. 5 0C (圖 4B)。上文描述的霧化的霧可以以三種方式(單獨地或任意地結合)使用，用於(1)增 加空氣流的整體冷卻容量；(2)在空氣向上(向上遊)流過櫃中的架子/電路組件時，防止 空氣溫度像其通常地那樣快速地升高，和/或(3)直接噴灑到部件上用於提供額外的局部 地冷卻。上文示出的本發明的各實施例還可以被結合。也就是，圖1中的封閉的櫃循環實 施例可以通過參考圖2描述的聲學屏蔽進行加強(從而允許更高的風扇速度)，和/或通過 參考圖4描述的霧循環和/或霧/流體的直接應用來提供改善的冷卻。在本發明的封閉系 統中使用霧是可行的，其中在敞開的系統中霧將會消散。在本發明的一個實施例中，空氣被顯示為循環通過櫃的冷卻媒介。然而，在另外的 實施例中，其它氣體用作循環冷卻媒介。這樣的其它氣體可以包括例如氦。通常來說，近似 於或大於普通空氣的熱容的任何氣體可以用於這種目的。熱管是包含流體的管子，該流體在熱端(上文例子中的空氣側)蒸發且在冷端 (例如水側)冷凝，用於將熱量從熱端轉移至冷端。冷凝物通過表面張力被動地被從冷端抽 進行抽吸而返回至熱端，例如由於在熱管內部的毛細芯。熱管典型地具有非常低的熱阻，相 同直徑的純銅的十分之一或更小，但可以僅轉移限制量的熱量，因為表面張力具有受限制 的強度等。在本發明的一個實施例中，如上文所述熱管用於實施將空氣至流體側熱量轉移功 能。在本發明的其它實施例中，使用了抽吸的致冷劑(例如具有用於發生冷凝的遠端熱交 換器，而不是架中的流體區域)。在另外的其它實施例中，毛細抽吸迴路(類似於熱管，但具 有更高的容量且成封閉的迴路的形式而不是管子)或抽吸水被使用。在本發明的一個實施例中，「故障防止」模式操作被提供用於防止在風扇故障、冷 凍水故障、噴霧器故障等情形中造成有害的後果。注意到，如果水不是冷的或如果泵故障， 制冷機可能發生故障。因為在本發明的情形下使用的櫃是封閉的櫃，這樣的故障可能很快 造成悲慘的後果。一種故障防止模式包括只要風扇停止(或者泵或其它與冷卻相關的裝置故障) 就自動地打開的一大組百葉窗。該百葉窗優選地設置在櫃的底部用於使冷的室空氣進入， 和設置在櫃的頂部用於使加熱的空氣流出。第二風扇或一組風扇可以可選擇地被包含，用 於通過櫃吹送空氣(例如在頂部的一個大風扇，可選地由電池進行供電)。在建築物冷凍水 側上，故障防止機構是較不重要的且較容易布置。流體本身優選地具有合理的熱容使得它 可以繼續吸收熱量，例如說明性地吸收幾分鐘。在一個實施例中，第二管道系統和具有冷凍 水儲存箱(例如重力供給)的(可選地)電池操作的抽吸系統被設置，例如在頂板或屋頂 上。這樣，如果主泵故障，通常封閉的閥打開用於允許冷凍水的流被重力地供給和/或被在
7短的時間期間抽吸到系統中。在建築物冷凍水泵故障時，相變材料(PCM)是另一種選擇。因此，在一個實施例 中，返回導管被內襯有例如粉末的相變材料，該相變材料在例如40度的特定溫度(例如返 回空氣永遠不會達到的溫度除非冷卻水/製冷劑關閉情形發生)熔化。由於包覆的PCM熔 化將需要一些時間(例如30分鐘)，由於它們的熔合潛熱很大，空氣在它從最後的架子的出 口循環返回至第一架子的進口時，將被冷卻。PCM還可以分散在重力供給的冷卻水中，該冷 卻水將僅在緊急情況才被使用，進一步提高其熱能吸收容量。在還一實施例中，提供了防止在櫃中冷凝的裝置。在這一實施例中，使用了在冷凍 水(或冷凍流體)進入埠上的調節閥。如果調整設備是空轉且冷凍水需要很低，那麼閥 限制流速並且因此限制系統的冷卻容量。這樣，櫃中的空氣溫度不會降低至形成冷凝的點。在還一實施例中，在流體側上提供額外的熱交換器。在這一實施例中，不是在翅片 的流體側上方循環水，而是在被建築物(或其它)冷凍水源冷卻後，使介電流體(油或碳氟 化合物)循環。尤其是在碳氟化合物的情形中，由於不經意的洩露造成的消防安全被內在 地消除。在任一情形，介電流體優選地被控制且被過濾，從而減小了流體側翅片上的維護。 用於這樣的應用的感興趣的一些流體包括Paratherm、Dynalene、HFE7100和HFC245fa。在本發明的還一實施例中，提供中間熱交換器。這種中間熱交換器具有其自己的 冷卻容量(例如基於壓縮機的)且如果建築物冷凍水(或與它交換熱量的介電流體)期望 比CO可利用的建築物冷凍水溫度低，則可選擇地提供了增加的冷卻容量。作為設備的功能性在上文所述的各種工藝還可以被解釋為用於冷卻的方法。因 此，例如，本發明的一個實施例包括在封閉的櫃中使與多個熱量產生部件組熱連通的氣體 冷卻媒介循環；用包括第一媒介的各自的第一熱交換器冷卻靠近每個熱量產生部件組的氣 體冷卻媒介；用包括第二媒介的各自的第二熱交換器冷卻每個第一熱交換器的第一媒介； 以及用冷卻裝置冷卻第二熱交換器的第二媒介。在本發明的另一實施例中，製冷循環的蒸發器部起到架或櫃中的冷卻器的功能。 也就是，在蒸發器部中蒸發的流體(製冷劑)是吸收架子冷卻器中的熱量的媒介。這種吸 收的熱量在同一製冷循環的冷凝器部被釋放。這種製冷循環說明性地包括第二熱交換器， 且可選擇地安裝到櫃的後面或側面，以及安裝到櫃的外部(例如與櫃中的氣體冷卻流分離 開)。這種製冷循環的相關的壓縮機和膨脹閥安裝到架的外部的一些地方上。在一個實施例中，蒸發器部的溫度是可控制的。在一個實施例中，在膨脹閥的出口 處的壓力是可調節的，該調節提供了用於控制蒸發器部中的溫度的機構。因此，如果冷凝變 成可能的，那麼閥的調節被提供用於提高蒸發器部的溫度且防止冷凝。可替代地，通過控制 由壓縮機進行致冷劑加壓，來控制出口壓力。雖然上面的描述針對於本發明的各個實施例，但是在不背離本發明的基本範圍的 情況下可以設計本發明的其它和另外的實施例。同理，根據隨附的權利要求來確定本發明 的適合的範圍。
權利要求
一種適合於容納熱量產生部件的設備，該設備包括外罩，用於基本上包含與所述熱量產生部件熱連通的循環氣體冷卻媒介；和多個冷卻器，每個冷卻器與一個或更多個對應的熱量產生部件相關，每個冷卻器包括第一熱交換器，用於從所述氣體冷卻媒介吸取由對應的熱量產生部件傳遞給循環氣體冷卻媒介的熱量的至少一部分。
2.根據權利要求1所述的設備，還包括多個第二熱交換器，每個第二熱交換器包括第二媒介，並且從各自的冷卻器吸取熱量， 所述第二熱交換器中的每個與外部冷卻裝置流體連通，所述外部冷卻裝置適合於從所述第 二流體吸取熱量。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述外部冷卻裝置包括冷卻塔、熱交換器和壓縮 機中的一個。
4.根據權利要求1所述的設備，還包括噴霧器，該噴霧器用於將介電流體霧化成霧，用於引導進所述循環氣體冷卻媒介中。
5.根據權利要求4所述的設備，還包括 用於將蒸發的霧冷凝成介電流體的裝置；和 泵，該泵用於將介電流體抽吸到所述噴霧器中。
6.根據權利要求4所述的設備，還包括用於將介電流體和霧化的介電流體中的一種或兩者朝具體的的被加熱部件引導的裝置。
7.根據權利要求1所述的設備，還包括故障防止機構，該故障防止機構適合於在冷卻故障時延遲過熱條件，所述故障防止機 構包括適合於響應於故障打開的至少一個櫃百葉窗、適合於響應於故障操作的一個或更多 個備用風扇、冷卻導管以及重力供給流體備用裝置。
8.一種包括多個櫃的設備室，所述多個櫃由權利要求2的設備形成，其中所述多個櫃 被布置成多個列，至少兩個櫃中的所述第二熱交換器彼此流體連通。
9.根據權利要求8所述的設備室，其中所述設備室位於中心辦公設施和數據中心設施 中的一個內。
10.一種方法，該方法包括在封閉的櫃中使與多個熱量產生部件組熱連通的氣體冷卻媒介循環； 用包括第一媒介的各自的第一熱交換器冷卻靠近每個熱量產生部件組的所述氣體冷 卻媒介；用包括第二媒介的各自的第二熱交換器冷卻每個所述第一熱交換器的第一媒介；以及 用冷卻裝置冷卻所述第二熱交換器的第二媒介。
全文摘要
一種用於容納且用內部循環空氣冷卻電子部件的櫃，該內部循環空氣在多個設備架子中的每一個處被冷卻。
文檔編號H05K7/20GK101904231SQ200880109573
公開日2010年12月1日 申請日期2008年9月22日 優先權日2007年9月30日
發明者威廉·哈樂德·斯科菲爾德, 艾倫·麥克·裡昂, 馬克·史考特·荷德斯 申請人:朗訊科技公司