CN100584168C

CN100584168C - 数据中心冷却系统

Info

Publication number: CN100584168C
Application number: CN200580021256A
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·R·芬克; 小约翰·H·比恩; 斯蒂芬·F·海尔德; 理查德·J·约翰逊; 罗林·R·约翰逊
Original assignee: American Power Conversion Corp
Current assignee: Schneider Electric IT Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: CN101686629B; US20040223300A1; US7046514B2; JP2009104650A; CN1977575A; US7881057B2; EP1774842B2; PT1774842E; US20090195977A1; ES2355574T3; EP1774842A1; PL1774842T3; JP2010169392A; US8780555B2; US8432690B2; JP2008502082A; HK1107742A1; ES2355574T5; US20110103014A1; JP5113203B2

Abstract

一种用于支撑和冷却电子设备的模块化数据中心，所述数据中心包括多个支架，支架的第一部分经过配置用于支撑产生热的电子设备，支架的第二部分经过配置用于支撑至少一个冷却元件，支架的每一个第一部分具有正面和背面，并配置用于支撑产生热的电子设备，以致气体从设备的正面被吸入到设备中，并被设备加热为热气体，然后电子设备将加热气体从支架的背面排出，至少一个面板与成对的支架耦合，以在成对的支架之间形成间隙，其中支架和至少一个面板被布置和被耦合以形成水平封闭的排列，该排列水平地封闭热区并限定允许气体能垂直地从热区中排出的顶部开口，支架的第一部分的背面邻近热区布置，以致当产生热的设备被装配到机架上时，将加热气体排放到热区中。

Description

数据中心冷却系统

技术领域

本发明的各个实施方案着重于机架装配式装置的冷却，而且更具体而言，着重于带有冷却系统的数据中心的基础结构。

背景技术

通讯和信息技术设备通常设计为安装于机架和支撑在机壳内部。在小型布线舱以及设备室和大规模的数据中心中，设备机架和机壳通常用于容纳和排列通讯和信息技术设备，例如，服务器、CPU、互联网设备和存储装置。设备机架可以是开放式的结构和封闭在机架的机壳内部。标准机架通常包括前置式安装轨，其中设备的多个元件，例如，服务器和CPU，被装配于前置式安装轨上，并且垂直堆叠于机架中。标准机架的设备容量与安装轨的高度有关。在标准增量1.75英寸的范围内设定高度，用单位“U”或机架高度容量“U”表示。机架的典型U高度或数值是42U。在任何既定时间内，标准机架可以是稀疏或密集地与各种不同的部件以及不同制造商生产的部件进行板上组装。

大部分的机架装配式通讯和信息技术设备需要消耗电能并且产生热量。机架装配式设备产生的热量不利于设备部件的性能、安全性和使用寿命。特别是，支撑在机壳内的机架装配式设备在操作期间特别容易受到产生的热量和该设备在机壳的限定范围内产生的热点的影响而遭到损坏。机架产生的热量取决于操作期间机架中的设备消耗的电能。机架的热输出可以在机架容量的几个瓦特/U到500瓦特/U的范围内变化，甚至更高，这取决于机架中装配部件的数量和类型。通讯和信息技术设备的用户根据他们的需要的改变和新需求的发展来增加、减少和重新排列机架装配式部件。因此，既定机架或机壳产生的热量也相应地从几十瓦特增加到10,000瓦特，和10,000瓦特以上。

通常，机架装配式设备通过沿着机架或机壳的正面或入口侧吸入流动的空气进行自行冷却，使空气流过该设备的部件，随后从机架或机壳的背面或通风口的侧边排出气体。气流需要提供足够的空气进行冷却，因此，气流可以根据机架装配式部件的数量和类型以及机架和机壳的结构相应地变化。

典型地，设备室和数据中心配备有为机架装配式设备和机壳提供冷空气和循环冷空气的空调或冷却系统。大多数的空气调节和冷却系统，例如，美国专利第6,494,050号专利所公开的系统，要求设备室或数据中心配备有活动地板结构，以方便实现系统空气的调节和循环功能。这些系统通常使用开放式的地砖和地面格栅或通风口，用于释放来自安装在设备室活动地板下部的空气通道的冷空气。开放式的地砖和地面格栅或通风口通常安装在设备机架和机壳的前方，并沿着机架排和机壳之间的通道并行排列。

冷却系统和方法所要求的活动地板结构通常不能有效地满足机架装配式装置的冷却要求。尤其是，包括热排气输出量大约为5,000瓦特到10,000瓦特的高功率设备的机架对这种系统和方法提出了特殊的挑战。活动地板结构通常提供开放式的地砖和地面格栅或面积为12×12英寸的通风口，以及可以释放大约200立方英寸到500立方英寸冷空气的活动地板结构。高功率设备的机架可以提升到10,000瓦特或超过10,000瓦特，并且要求空气流到达大约1,600立方英寸，所以，需要沿着机架周边设置大约3.5到8个开放式地砖、地面格栅或通风口，以提供足够的冷空气满足机架的冷却要求。在密集地排列着机架和机壳的设备室中，很难得到这样的地面结构，而且如果机架和机壳是并行排列成行的，则不可能实现。因此，结合活动地板构造的空气冷却系统和方法通常只有在机架和机壳在空间上分离时使用，以提供足够的地板面积容纳为数众多的开放式地砖、地面格栅或通风口。对于典型的机架空间来说，以上要求造成了对设备密度的限制。如果不使用活动地板，由于冷空气通常必须被分配和穿过容纳有机架排的房间，则如何分配来自一个或一个以上的中央空调系统的冷空气的问题更加严重。

设备室和数据中心经常重新构建以满足的需要，所述的新的和/或不同设备要求个别机架和机壳需要重新定位和/或重新放置。在这样的背景下，活动地板空调冷却系统和方法是固定的，并且，通常为满足重新排列、重新定位和/或最新安装设备机架的需要只能对活动地板空调冷却系统和方法重新构建和/或改型，需要花费相当大的费用。活动地板的结构不能简便地、便宜地满足用户为满足通过活动地板结构来配置设备机架和重新构建设备室以及数据中心的方式的新的和不断变化的需求。

另外，要求活动地板结构的冷却系统和方法缺乏物理适应性和可携带性，以有效解决在同一设备室中不同的机架和机壳之间的，以及尤其是，安装在同一排的机架和机壳之间的电能消耗的大幅度变化的问题。依赖活动地板的空气通道和开放式地砖、地面格栅或通风口的冷却系统和方法不能简便地和低成本地改变，或将冷气集中到高功率机架中，这些高功率机架消耗相对大量的电能以及具有高的热排气输出。另外，最新安装的设备可能比被代替的或现存的设备需要更多的电能，并在机能设备室内产生热问题区域。

更进一步地，现存的空气调节方案中的特殊问题是：由于缺少合适的再循环过程使机架排出的气体回流到室内空调的返回边，以致室内的热点升高。这会导致机架吸入不需要的热空气。为试图解决空气循环问题，许多室内空调被设计为提供大约华氏58度的冷空气，并且接收典型温度大约为华氏78度的回流空气。这样的空气循环的一个问题是：输出华氏58度的冷空气，和出现潜在的冷却空气以获得所述温度，经常需要增加湿度调节系统以增加数据中心的空气湿度。这样的湿度调节系统的安装和运行需要支出费用。

因此，需要为冷却机架装配式通讯和信息技术设备提供一种系统和方法，以有效地、经济地满足安装有活动地板的数据中心和没有安装活动地板的数据中心的冷却要求。机架冷却系统和方法是便宜的，而且能够支持特别高功率的机架和/或机壳，或希望能够克服设备室或数据中心中的热问题区域。

发明内容

本发明的第一方面是侧重于模块化数据中心。所述模块化数据中心包括多个机架，每一个机架都有正面和背面，其中多个机架安置为第一排和第二排，以致第一排机架的背面对着第二排，第二排机架的背面对着第一排。数据中心还包括在第一排的第一机架和第二排的第一机架之间耦合的第一末端面板，第一末端面板带有底边和顶边。更进一步地，数据中心包括在第一排的第二机架和第二排的第二机架之间耦合的第二末端面板，第二末端面板带有顶边和底边，以及包括在第一面板的顶边和第二面板的顶边之间耦合的顶部面板。

模块化数据中心可以设计为顶部面板与至少第一排中的一个机架的顶端和至少第二排中的一个机架的顶端耦合，这样以来，顶部面板、第一末端面板、第二末端面板以及第一排和第二排机架沿着在第一机架排和第二机架排之间的区域的周边形成机壳。多数机架进一步包括从区域内吸入空气、冷却空气以及从其中之一的机架的正面回流经过冷却的空气的冷却设备。至少第一末端面板和第二末端面板的其中之一包括一扇门。更进一步，至少顶部面板的一部分是透明的。模块化数据中心的多个机架中的至少一个包括不间断电源的机架，以为至少多个机架中的其它另外的机架设备提供不间断的电源。模块化数据中心的第一机架排完全平行于第二机架排。另外，模块化数据中心可以设计为多数机架中的一个机架，该机架包括冷却设备，所述设备从第一排和第二排之间的区域吸入空气，冷却空气以及从一个或更多的机架的其中一个机架的正面回流冷空气。

本发明的另一方面侧重于含在数据中心的机架中的电子设备的冷却方法。该方法包括将机架排列成两排，这两排包括第一排和与第一排完全平行的第二排，至少第一排机架中的一个机架的背面对着至少第二排中的一个机架的背面。该方法还包括在第一排和第二排之间的区域周边形成外壳，并且从该区域吸入空气传送到其中的一个机架中以及从其中一个机架的正面输出空气。

所述方法包括在将空气从正面输出之前，先冷却吸入到其中一个机架的空气的进一步的步骤。形成机壳的步骤包括将第一和第二侧边面板和第一排和第二排之间的顶部面板进行耦合。至少第一侧边面板和第二侧边面板的其中之一包括一扇门，并且顶部面板包括透明部分。另外，方法包括使用不间断电源为机架中的设备提供电源。

本发明的另一方面侧重于包括多个机架的模块化数据中心，每一个机架都有正面和背面，其中多数机架安置在第一排和第二排，以致第一排机架的背面对着第二排，并且第二排机架的背面对着第一排。模块化数据中心进一步包括用于封闭第一排和第二排之间的第一区域的装置、从封闭区域吸入空气、冷却空气和将冷空气回流到第二区域的装置。

吸入空气的装置进一步包括通过其中一个的机架的正面输送冷却的空气的装置。模块化数据中心也可以由为机架中的设备提供不间断电源的装置组成。允许进入第一区域的通道装置可以设计成为模块化数据中心的特征。

而且，本发明另外一个方面侧重于具有多个设备机架的模块化数据中心，每一个设备机架构建成从第一区域吸入冷空气并且向第二区域提供排出的气体，以及至少一个机壳面板在多个的设备机架中的第一机架和第二机架之间耦合的模式。至少其中一个设备机架包括用于从第二区域吸入排出的气体和为第一区域提供冷却空气的冷却设备结构，以及多个设备机架和至少一个机壳面板充分封闭第二区域。

至少一个机壳面板可以是从一个设备机架的顶端耦合到另一个设备机架的顶端的顶部面板。数据中心进一步包括至少一个安装在多个设备机架的其中一个设备机架和另一个设备机架之间的末端面板，至少一个末端面板包括一扇门，该门提供从第一区域到第二区域的通道。顶部面板的至少一部分可以是透明的，以及至少多数设备机架中的一个可以包括不间断电源。

本发明的另一方面侧重于多个设备机架中的冷却设备的方法。方法包括从第一区域吸入冷空气到至少其中一个设备机架中，并且从至少其中一个设备机架提供排出的气体到第二区域，提供围绕第二区域周边的机壳，从第二区域排出气体到多个设备机架中的第二机架，冷却排出的气体以产生冷却的空气，并且向第一区域提供冷却的空气。方法也包括将多个设备机架排列成两排并且在这两排之间形成的第二区域。

一般而言，在另一方面，本发明提供了一种支撑和冷却电子设备的模块化数据中心，该数据中心包括多个支架，支架的第一部分经过配置用于支撑产生热的电子设备，支架的第二部分经过配置用于支撑至少一个冷却元件，支架的每一个第一部分具有正面和背面，并配置用于支撑产生热的电子设备，以致气体从设备的正面被吸入到设备中，并被设备加热为热气体，然后电子设备将加热气体从支架的背面排出，至少一个面板与成对的支架耦合，以在成对的支架之间形成间隙，其中支架和至少一个面板被布置和被耦合以形成水平封闭的排列，该排列水平地封闭热区并限定允许气体能垂直地从热区中排出的顶部开口，支架的第一部分的背面邻近热区布置，以致当产生热的设备被装配到机架上时，将加热气体排放到热区中。

本发明的实现可以包括一个或更多的以下特征。数据中心进一步包括至少一个冷却元件，所述至少一个冷却元件被配置用于将加热气体从热区中吸入到至少一个冷却元件中，将加热气体冷却为相对冷的气体，并将加热气体从至少一个冷却元件中排放到冷区，所述冷区与支架中的热区是间隔开的。所述至少一个冷却元件被配置用于将冷气体引导到支架的第一部分的正面。至少一个冷却元件被配置用于将冷气体引导到支架的第一部分的正面的底部。至少一个冷却元件被配置用于冷却气体，并在大约华氏72度时排出气体。数据中心进一步包括不间断电源，该不间断电源供应与至少一个冷却元件耦合并配置用于向至少一个冷却元件提供备用电源。

本发明的实现也可以包括一个或更多的以下特征。至少一个面板是一扇门，该门经过配置用于打开时通向热区，关闭时限制热区中的加热气体通过间隙水平地从热区中排出数据中心。所述至少一个面板的高度至少接近支架的第一和第二部分之一的最短高度。多个支架排列为并行的两排，而且其中至少一个面板包括在排的末端相对放置的两扇门，并在各自的末端将所述两排彼此耦合。

一般而言，在另一方面，本发明提供了容纳和冷却在操作期间产生热的电子设备的系统，所述系统包括多个支架，支架的第一部分经过配置用于允许气体从支架的正面通过，然后穿过支架的内部，并从支架的背面排出，支架的第一部分进一步被配置用于将电子设备包括在排列中，以致设备可以从支架的正面吸入气体，穿过加热气体的设备以产生被加热的气体，并从支架的背面排出气体，多个支架被布置为水平地围绕热区的水平机壳的实质部分，闭合装置水平地耦合至少多个支架中的两个支架，以完善围绕热区的水平机壳，闭合装置和多个支架提供了顶部开口，以致系统向热区提供实质上非上部的边界，而冷却装置被布置在至少支架之一上，用于冷却加热的气体以产生相对冷的气体，并向支架的第一部分的正面提供相对冷的气体，在操作的过程中，多个支架被布置，以致电子设备将加热气体排入到热区中。

本发明的实现可以包括一个或更多的以下特征。冷却装置经过配置用于将相对冷的气体引导到支架的第一部分的正面的底部。冷却系统经过配置用于将气体冷却到大约华氏72度，以产生相对冷的气体。闭合装置包括至少一扇绝热门，该绝热门经过配置用于在打开时通向热区，关闭时限制热区中的加热气体水平地从位于支架之间的热区中排出，在支架中闭合装置是耦合的。机架被布置为并排的两排，其中闭合装置包括在排的末端相对放置的两扇门，并在各自的末端将所述两排彼此耦合。系统进一步包括不间断电源，该不间断电源与冷却装置耦合并配置用于向冷却装置提供备用电源。

一般而言，在另一方面，本发明提供一种操作和冷却机架装配式电子设备的方法，该方法包括向机架装配式电子设备提供电能以将气体吸入到通过支架的正面支撑设备的支架中，加热气体以产生被加热的气体，并将加热的气体排出到热区，除了进入冷却机构以外，该方法限制加热的气体从热区中水平地排出，该方法使用支撑设备的支架和至少一个耦合到至少多个支架中的两个支架上的面板，同时允许加热的气体实质上没有受到阻碍地向上排出热区，至少直到气体上升到支架的顶部，从热区中吸入至少部分加热的气体到冷却机构中，并冷却被吸入的气体以产生冷却气体，并向支架的正面提供冷却气体。

本发明的实现可以包括一个或更多的以下特征。限制包括将更多的加热气体注入到热区中，通过至少成对的支架之间的间隙耦合的一个护栏来阻碍加热气体的水平流动。供应包括将冷却气体引导到支架的正面的底部。

在参考下面的附图、详细说明书和权利要求之后可以更全面地理解本发明。

附图说明

为更好地理解本发明，对附图进行一些说明作为引述明确并入本文，其中包括：

附图1是对应于本发明的一个实施方案的机架装配式装置的模块化数据中心冷却系统的透视图。

附图2是与附图1中的系统相似的另一个模块化数据系统的顶视图。以及

附图3是在本发明的一个实施方案中，安装在模块化数据中心的冷却系统的处理过程的流程图。

附图4是对应于本发明的包括机架装配式装置和冷却元件的系统的透视图。以及

附图5是使用了附图4的系统中的冷却元件的冷却设备的处理过程的流程图。

具体实施方式

本发明的各个实施方案提供配备有为冷却机架装配式电子设备的冷却系统的数据中心的基础结构。本发明的各个实施方案提供机架装配式装置的模块化数据中心，其中模块化数据中心提供电能配置、冷却和机架装配式装置的支撑结构。在某些实施方案中，通过备用系统提供电能配置元件和冷却，以防止由于电能和机器故障引起的停工检修。正如本领域内普通技术人员所理解的，其它实施方案，例如用于提供非电子设备的基础结构的实施方案也在本发明的范围内。

在美国第10/038,106号专利申请中公开的，题目是“Adjustable Scalable Rack Power System and Method”，为机架安装设备提供电能配置的系统可以适用于本发明的各个实施方案，该专利申请的内容作为引述明确并入本文。

参考附图1，展示的是模块化数据中心10的透视图。所述模块化数据中心10包括电源分配元件14、电能保护元件12、地面装配冷却元件16、设备机架18和加热室22。模块化数据中心10配备带有窗54的门52、顶部面板56、冷却水的补给和回流管60和电压馈电58。如果冷却元件16是液态冷却直接制冷类型，那么供给的和回流的冷却水60可以由冷凝器水组成；如果冷却元件16是冷凝水类型，那么供给和回流的冷却水60由冷凝器组成；或者如果冷却元件16是空气冷却直接制冷类型，那么冷却水的补给和回流管60是制冷水供应和回流。数据中心10是包括电源分配元件14、电能保护元件12、地面装配冷却元件16和设备机架18的模块化元件，将这些元件彼此相邻安装形成排32和排34。排32和排34完全平行。电源分配元件14和电能保护元件12直接相邻安装，可以安装在其中一排的末端。地面装配冷却元件16可以与电源分配元件14相邻安装。其它的围栏，即设备机架18，在数据中心10形成至少一个附加的排。加热室22安装在32排和34排之间，32排和34排包括模块化数据中心10的两道周边墙。

电源分配元件14通常包括变压器和电源分配电路，例如断路开关，该电源分配电路为模块化数据中心10的每一个机架提供分配电源。电源分配元件14为机架18提供备用电源并且可以监控最大电流总量。不间断电源可以为电源分配元件14提供连续电源。更优选的是，电源分配元件14包括带有N+1冗余度的40千瓦不间断电源，并有能力增加另一个电源模块提供N+1冗余度。在本发明的一个实施方案中，电源分配元件14通过机架顶部接收来自电压馈电58的输入电源。在一个实施方案中，电压馈电58为240伏特馈电(三相时为208伏特馈电)与从顶部面板56接入的电源分配元件14耦合。可以选择的是，输入电源可以从机架下端，如通过活动地板或机架的背面接收。

电能保护元件12为集中的信息技术设备提供备用电能保护，电能保护元件12安装在设备机架18的内部。电能保护元件12带有为满足不同安装需要可以单独增加或去除的个别电源模块和电池模块。多种电源模块和电池模块的使用，可以在无论任何一个电源模块和电池模块出现故障时实现继续操作并提供备用。例如，电能保护元件可以包括具有三相输入和三相输出的可从West Kingston，Rhode Island的美国电能转换公司获得的不间断的、大小可调的电源的

，或者电能保护元件可以包括美国第5,982,652号专利中描述的其中一种不间断电源，题目为“Method and Apparatus for Providing Uninterruptible Power”，其内容作为引述明确并入本文。

地面装配冷却元件16通过使用冷凝水排出热量，冷凝水经过补给管60进入元件。可以选择的是，冷却元件可以通过使用直接蒸发的制冷剂-基础元件采用DX压缩冷却提供热排出，直接蒸发的制冷剂-基础元件可以是元件本身。冷却元件可能在同一结构中包括主要的冷凝水管和次要的直接蒸发管。冷却元件可以设计为使用空气、水或乙二醇。冷空气可以通过元件的底部或顶部释放。在本发明的一个实施方案中，冷空气从冷却元件16的正面释放，以致来自机架背面的气流从机架的正面流出。冷却元件16进一步可以设计为一个、两个或三个模块的结构。在附图1中所展示的实施方案是使用了三个模块的冷却元件。

在附图1的实施方案中，排32和排34都由六个机架组成。在本发明的实施方案中，机架的数量和机架中的设备功能可以改变。在本发明的一个实施方案中，机架18是经过修正的标准19英寸机架，标准机架可以NETSHEL VX的商标名称从West Kingston，RI的美国电能转换公司获得。

每一个电源分配元件14的背面，电能保护元件12、地面装配冷却元件16和设备机架18面对模块化数据中心10的内部，或加热室22。实质上，排32机架的背面对着排34机架的背面。在一个实施方案中，设备机架18的后门被删减了，以致每一个机架18对加热室的内部保持敞开。正如实施方案所示，模块化数据中心包含七个设备机架18。可选择的是，在另一个实施方案中，六个设备机架18组成排，但是超过的七个设备机架18可以在数据中心10中组成排并且可以彼此相邻或与数据中心10中的其它机壳相邻，例如，电源分配元件14、电能保护元件12或地面装配冷却元件16。

通过铰链53将安装在机架排末端的门52链接于可分离的结构55上。可分离的结构55安装在电能保护元件12的后部。可分离的结构可定位于电能保护元件12、电源分配元件14或设备机架18的后部，这取决于是哪一种元件定位在数据中心10中的机架末端。如果需要，可分离结构55使得门52可以被快速去除，用于替换电能保护元件12。可以通过门52到达加热室并且通过观测窗54进行监控。更加优选的是，门52安装在每一个加热室22的末端。一般情况下，门52是面积为2×36英寸的、绝热的、有锁的并且带有绝热观测窗54的钢门。

水或制冷剂的补给和回流管60可以通过补给管进入顶部面板56或直接进入机架顶部。电压馈电58也可以通过顶部面板56或机架顶部进入。可以选择的是，水或制冷剂的补给和回流管60和电压馈电58通过活动地板进入加热室，模块数据中心构建在活动地板之上；或者，水或制冷剂的补给和回流管60和电压馈电58来自某一个加热室外的位置并进入加热室，例如，进入机架的侧边。

顶部面板56可以优选半透明的树脂玻璃，顶部面板由沿着数据中心10的长度72的间隔定位的钢结构62支撑。顶部面板56延伸并覆盖了安置在机架排中间的加热室22的顶部。顶部面板56是可以可拆下的，从而，在需要时机架18或电能保护元件12可以除去。顶部面板56是半透明的树脂玻璃结构，并允许室内光线进入加热室22的限定空间。另外，树脂玻璃顶部面板56优选的是充分密闭的。

加热室22是完全封闭的，而且有由机架18的背面形成的墙和附在加热室22每一个末端的门52组成的墙。可以选择的是，不带有门的面板可以作为墙以形成加热室。当顶部面板56在适当位置时，加热室22是充分密闭的通道。所以，模块化数据中心10是一种封闭的计算机的基础结构，这种结构由每一个机架18的正面的外部周长，电能保护元件12、电源分配元件14或冷却元件16，以及在结构的中央部分带有加热室22来限定。加热室的外墙由门52组成，该外墙是模块化数据中心10的两道外墙的一部分。

参考附图2，展示的是本发明的一个实施方案中模块化数据中心10的顶部视图。附图2中的模块数据中心与附图1中模块数据中心相似，但是排32和排34都有五个机架，而不是如附图1中的每一排都有六个机架。相同数量涉及相同的实施方案，附图2中的模块化数据中心10由电源分配元件14、电能保护元件12、地面装配冷却元件16、设备机架18和加热室22组成。电能保护元件12直接与电源分配元件14的一边相邻定位，而地面装配冷却元件16与电源分配元件14的另一边相邻定位。维护清除区域20围绕在模块化数据中心10的周边。在附图2中，本发明的一个实施方案展示了带有六个设备机架18和具有两个模块的冷却元件16。

模块数据中心10的尺寸取决于包括每一个机架排的机架数量。例如，具有六个设备机架18的数据中心10带有由箭头28标识的宽度120英寸，由箭头29标识的长度120英寸，和由箭头24标识的宽度为36英寸的加热室(排的间隔)，以及维护清除区域的优选宽度26是36英寸。在维护清除区域26的范围内，数据中心10的地板表面积优选的是长度30为192英寸，宽度31为192英寸。参考附图1可以选择，带有七个设备机架18的数据中心10的宽度为120英寸和长度为144英寸。在维护清除区域26的范围内，交替的数据中心的地板表面积为192英寸×216英寸。给定的模块数据中心的尺寸只是一个例子，可以在设计数据中心时使用的机架类型和大小的基础上进行重大改变。

在提供了冷水源、冷凝水或制冷剂管道60和电压馈电58后，就可以操作模块数据中心10。数据中心可以包括不同的电源输入设计，但是优选的是40千瓦的设计方案，例如，允许带有六个设备机架18的系统中6.7千瓦/机架，或带有七个设备机架18的系统中5.7千瓦/机架。冷却水或制冷剂通过补给管60进入地面安装的冷却元件16。由于冷却元件16与普通补给管60通过极易断开的柔性软管连接，普通的补给管60可以同时为一个或者一个以上的冷却元件提供冷却水。

模块化数据中心10为数据中心的设备提供冷却如下所述。室内空气或周围的空气通过机架18的正面过滤以冷却安装在机架18上的设备。空气通过机架18的正面进入并且从机架18的后部排出。当空气经过设备机架18时，空气温度升高。分别将暖空气排入加热室22。加热室22维持暖空气的温度并防止暖空气与周围室内空气混合。冷却元件16从加热室吸入暖空气并且使冷空气回流到数据中心10的外室。暖空气从加热室22直接进入冷却元件16。冷却元件降低空气温度，并且将冷空气释放到周围区域。在充分冷却的温度下，空气再循环到周围空间。例如，通常冷却元件16从加热室接收华氏95度的空气后，在空气释放到数据中心10的周围区域之前，将空气冷却到大约华氏72度。地面安装的冷却元件16在较高的补给和回复温度的条件下操作，在没有潜在的热排出时允许实现高效率。

参考附图3并进一步参考附图1-2，数据中心10经过配置用于完成安装在封闭机架内的冷却设备的处理过程，所述封闭机架使用带有独立电源和冷却剂的基础结构。处理过程100包括显示的步骤，尽管处理过程可能会被改变，例如对应于所示步骤进行增加、删除或移动。

附图3的处理过程100包括步骤102，其中电源分配元件为多数设备机架18提供电源，设备机架18可能包括多种电子设备，因此要求提供稳定的电源以避免系统停工检修。电压馈电58与电源分配元件14相连接，而且电能保护元件12与电源分配元件14相邻安装以确保备用电源供应。

在步骤104中，机架18从其正面的周围空间内吸入冷空气。在机架和/或机架内的设备中，可能存在一个例如空气配置元件，该元件将室内空气排入机架18并通过机架分配空气以冷却机架内的部件。当空气通过机架18，空气温度升高。

在步骤106中，机架18将温度升高的空气排入加热室22。空气从机架18的背面排出。如前所述，在本发明的一个实施方案中，机架18没有后门。在其他的实施方案中，后门可能包括在机架上，暖空气通过门上的通风口排入加热室。在加热室22中，空气维持升高的温度，并防止与周围空气混合。在本发明的一个实施方案中，设计模块化数据中心能够维持加热室内的空气压力，室内压力几乎与加热室外的空气压力相同。允许打开其中一扇门并防止冷空气进入热室。在这样的实施方案中，冷却元件提供160立方英尺/千瓦的冷气。

在步骤108中，冷却元件从加热室22吸入暖空气。冷却元件16用冷水补给管60输出的冷空气冷却来自加热室的暖空气。在步骤110中，冷却元件将冷却的气体释放到周围空间中以完成冷却循环。周围空间的空气再次被吸入到机架18中，循环继续。

其它实施方案在附属权利的范围内并符合本发明的主旨。例如，设备机架18迫使空气上升。空气包括热空气在流经机架18后可以改变温度。数据中心10可以设计用于分配其它气体而不只是空气。另外，可以使用制冷剂或其它冷冻剂而不只是使用冷水。更进一步，可以将控制器与数据中心耦合用于监控空气温度和流速，以及电源供应以致可以向每一个机架提供充足的稳定的电源。数据中心可以包括单独的带有独立冷却元件16的设备机架18，独立冷却元件16产生独立数据中心，由此将电源同时分配到独立数据中心10或多个单独机架的数据中心。

在本发明的一个实施方案中，一个或一个以上冷却元件集中安装在模块数据中心用于补偿从每一个机架吸入到冷却元件的热空气。在其它的实施方案中，冷却元件可能安置在另一位置，而且在一个实施方案中，一个或更多冷却元件可以安装在最接近机架或模块化数据中心中产生大量热量的机架的位置。

更进一步地，在本发明的各个实施方案中，在热区域上方覆盖的顶部面板可以包括大量风扇，在模块化数据中心的空调单位出现故障，和/或热区域的空气温度超过预先设定值或热区域的空气压力超过预先设定值时，可以通过控制风扇来排出热区域的空气。

在前述的本发明的各个实施方案中，模块化数据中心的机架被描述为排列成两排。在另一些实施方案中，机架可以排列成其它集合结构。进一步说，在模块化数据中心的一边以及在面板的一边或两边的地方可以使用一个或更多的机架。

其它实施方案在本发明的范围内并符合本发明的主旨。参考附图4，系统210包括电源保护元件212，电源分配元件(PDU)214，地面装配式冷却系统215，该地面装配式冷却系统215包括多个冷却元件216，设备机架218和门220，222。在本发明中的使用如下，装置212，214，216，218指向功能性元件(适当地)，装配托架，和/或包括托架和设备的机壳/支架。因此，在本发明中使用的机架218是指装配托架(用于装配产生热的电子设备)和/或是指包括装配托架的支架，并允许气体通道穿过支架。系统210与布置在通过门220，222连接的排224，226上的装置212，214，216，218进行配置。与形成热区228的另外两个侧壁的门220，222一起，装置212，214，216，218的背面相互靠近(和尽可能连接)布置，以形成热区228的另外两侧壁。门220，222有利于控制通向机架218中的设备，例如，通过锁定以限制通向热区228。当冷却元件216如同显示的那样与邻近PDU214布置的末端元件相互靠近布置时，则不需要，而且冷却元件216的相对于其他的装置212，214，218的其他位置是可以接收的。

尽管显示的系统210被排列为通过门220，222连接的两排224，226，其他的排列也是可以接收的。举例来说，系统210可以配置为三角形，环形，或矩形/正方形等等。更进一步，可以使用如图所示的两扇门220，222，其他数量的门，例如，一扇或三扇等也可以使用。而且，没有打开的面板可以在位置上用作门的部分或全部(尽管优选的是部分)。系统210提供水平或垂直的限制环境来限定热区228，并除了通过冷却系统215之外，阻碍气体从热区228中水平排出。

系统210有助于保持热区228中的加热气体，并将从机架218中排出的加热气体与冷却系统215提供的冷却气体隔离开。机架218中的设备从机架218的正面230，232吸入冷却气体，并将机架218的背面排出的加热气体排入到热区228中。通过设备的气流阻碍来自热区228的气体通过机架218，并流向正面230，232。更进一步，门220，222是热绝缘的门，有助于维持热区228中的气体的热。装置212，214，216，218和门220，222提供了顶部开口229，允许气体从热区228中垂直地排到热区228，即，通过上升的方式。门220，222至少与装置212，214，216，218的最短高度之一一样高，以有利于维持热区228中的加热气体。优选的是，装置212，214，216，218和门220，222的高度一致。门220，222和流经机架218的气流有利于维持区域228中的加热气体并将区域228中的加热气体与系统210之外的气体隔离开。隔绝和维持加热的气体有利于帮助阻碍加热的气体垂直地流动并与由冷却系统215提供的被冷却的气体相结合。诸如电源保护元件212和PDU214之类的装置将少量的加热气体排放到热区228中。

冷却系统215经过配置用于从热区228中吸入加热的气体，冷却该加热的气体，并将冷却的气体提供到系统210的外部，靠近机架218的正面230，232的底部。系统215通过电压馈电240供电并使用来自供应线242的冷却水或其他的制冷剂来冷却吸入的空气。所述的水或其他的制冷剂的温度被升高后通过回流线244离开系统215以再次循环使用。优选的是，冷却元件216被布置和配置用于在加热气体上升和排出热区228之前，从热区228中吸入大量的加热空气/气体。被加热的气体通常在华氏95度左右，由元件216冷却到大约华氏72度后从元件216的正面234靠近机架218的正面230，232排出。如果在设备机架218的相同的排224或226中没有布置冷却元件216，自然发生的对流效果导致冷却气体从元件216中的一个或更多的区域流到位于其他的排224，226中的机架218的正面232中。优选的是，冷却元件216在地面(靠近机架218的底部)大量提供冷却的气体，以致大部分的冷却气体被吸入到设备机架218中。元件216能够引导冷却的气体按照需要使用，例如，风扇、输送管、通风孔、叶片、管道等等。元件216冷却气体而无需重要的潜在加热去除(减湿冷却)和无需加湿气体。

冷却系统215是靠近设备机架218上的产生热的设备布置的电脑房空调(CRAC)。靠近机架218定位的冷却系统215减少和/或消除了由实质上远离产生热的设备布置的具有CRAC的系统所产生的问题，在特定的问题中，使来自CRAC的冷却气体输送到产生热的设备中。举例来说，与安装的系统相比，冷却系统215可以使用较低的空气/气体速度，减少压力降(扇动线圈CRAC的压力损失)，从而使用较低的扇动功率来推动空气/气体。

系统210的各种实施方案可能由与附图1所示的数据中心10相同的尺寸。举例来说，具有七个设备机架218的系统210的长度为216英寸，包括位于两个末端的36英寸的维护清除区域，宽度为192英寸，包括位于两边的36英寸的维护清除区域。

系统210的各种实施方案可能包括对于系统210来说没有特别涉及的系统10的特征。举例来说，门220，222可以具有经过配置的用于成人观测的窗口。更进一步，系统210可以包括通过PDU214连接的UPS以向系统210中的设备提供电能，从而帮助确保系统210中需要的装置的不间断电源供应。其他的特征也可以包括在系统210中。

在进一步参考附图4的基础上解读附图5，系统210经过配置用于完成冷却设备的程序250，存储在使用具有独立供电和冷却剂供应的基础结构中的密封机架中。程序250包括所示的步骤，尽管程序250可能被修改，例如，通过相对于所示步骤，增加、删减或移动步骤。

在步骤252，电源从电源分配元件214提供给设备机架218。设备机架218可能包括各种电子设备，所述电子设备使用连续的电源以避免系统停机。电源通过与电源分配元件214相连接的电压馈电240提供，电源保护元件212优选靠近电源分配元件214布置，并经过配置用于确保备用的电源供应。

在步骤254，机架218通过机架218的正面230、232从周围空间吸入冷空气。因此，举例来说，在机架218之内和/或机架218中包括的设备之内布置有空气分配元件，用于将室内的空气吸入到机架218中，并经过机架218分配空气，以冷却机架218中的部件。当空气流经机架218时，空气的温度升高。

在步骤256，机架18排出温度升高的空气到热区228中。空气从机架218的背面排出，例如，则通过后门上的狭槽或通风孔排出，或者如果机架218没有后门，则直接排入到区域228中。空气在热区228中被装置212，214，216，218，门220，222阻止，而且空气流入区域228中，从而防止温暖的空气与周围的空气混合。

在步骤258，冷却元件216从热区228中吸入温暖的空气。冷却元件16使用来自冷却水供应242的冷却水来冷却来自热区域228的空气。

在步骤260，冷却的空气从冷却元件216上升到周围空间。冷却空气从元件216中排出并被引导到机架218的正面230，232。在周围空间中的空气被再次吸入到机架218中，而且循环开始。优选的是，元件216和机架被配置，以致元件提供的冷却空气，和机架218吸入冷却空气，从而大量的冷却空气被吸入到机架218中，例如，以有利于减少冷却空气和来自热区228的加热空气的混合。

本发明的各种实施方案可以提供一种或更多的以下功能。减少数据中心中的冷却气体与排出的空气的混合。高功率机架的周围的热点可以通过如上文中所述的包含在模块化数据中心的高功率机架来减少。定点冷却的使用允许包括在模块化数据中心的数据中心的空调元件，以更加有效地操作和在较高温度时产生冷却空气，从而消除对加湿系统的需要。与现有的系统相比，温度梯度可能会降低。与现有的设备/冷却排列相比，设备的可靠性可以被改进。冷却元件可以高效操作并接近它们的设计能力。与早先的系统相比，设备可以使用较少的能量进行冷却。与现有的系统相比，冷却元件的效率可以提高，而且与现有的用于提供相似的冷却效果的系统(例如，由于冷却较小面积的区域)相比，冷却元件更加小型和/或具有较低的容量。可以在数据中心中使用标准的防火墙保护和照明。与现有技术相比，实际的安全性得到提高。

本发明还提供进一步的性能，例如，可以获得接近1的可测定的热比率。可测定的热比率(SHR)是可以测定的冷却容量QS除以全部的冷却容量QT(SHR＝QS/QT)。在BTU中的可测定的和全部的冷却容量表示为：

QS＝(T₁-T₂)×CFM×1.08

QT＝(H₁-H₂)×CFM×4.45

其中，T₁是进入冷却元件216中的气体温度，T₂是从冷却元件216中排除的气体温度，H₁是进入冷却元件216中的气体的热含量，H₂是从冷却元件216中排出的气体的热含量，1.08是当乘以CFM时将标准空气的转变增量温度为BTU的常数，4.45是当乘以CFM时标准空气转变增量热容量为BTU的常数，而CFM是立方英尺/分的气体数量(分别从元件216中吸入和排出的)。举例来说，在36％RH(相对湿度)时，对于逐渐增加的温度T₁华氏80度，逐渐增加的热容量H₁是27.82but/磅，在95％相对湿度时，华氏50度的排出温度T₂，和19.89but/磅的排出的热容量H₂，SHR是大约0.92。

在这样地描述下，对于本领域内普通技术人员可以容易地联想到至少本发明的一个用于解释说明的实施方案的各种改变、修正和改进。这样的改变、修正和改进在本发明的范围内并符合本发明的主旨。相应地，正面的说明只是举例说明而非限制。本发明的限制只在于如下权利要求以及相等内容。

Claims

1.一种用于支撑和冷却电子设备的模块化数据系统，所述模块化数据系统包括：

多个支架，支架的第一部分经过配置用于支撑产生热的电子设备，支架的第二部分经过配置用于支撑至少一个冷却元件，支架的每一个第一部分具有正面和背面并被配置用于支撑产生热的电子设备，以致气体从设备的正面被吸入到设备中，并被设备加热使成为加热气体，然后电子设备将加热气体从支架的背面排出；

至少一个面板，所述面板与成对的支架耦合以在成对的支架之间形成间隙；

其中支架和至少一个面板被布置和耦合以形成水平封闭的排列，该排列从水平地封闭热区并限定允许气体能垂直地从热区中排出的顶部开口；以及

至少一个冷却元件，所述至少一个冷却元件经过配置用于从热区中吸入加热的气体到至少一个冷却元件中，冷却加热的气体以变为相对的冷却气体，并将来自至少一个冷却元件的加热气体排放到冷区中，所述冷区通过支架与热区间隔开。

其中支架的第一部分的背面邻近热区布置，以致当产生热的设备被装配到支架上时，将加热气体排放到热区中。

2.根据权利要求1的模块化数据系统，其中至少一个冷却元件经过配置用于引导冷却气体流向支架的第一部分的正面。

3.根据权利要求2的模块化数据系统，其中至少一个冷却元件经过配置用于将冷却气体引导到支架的第一部分的正面的底部。

4.根据权利要求1的模块化数据系统，其中所述至少一个冷却元件经过配置用于冷却气体，并在大约华氏72度时排出气体。

5.根据权利要求1的模块化数据系统，进一步包括不间断电源，该不间断电源与至少一个冷却元件耦合并经过配置用于向至少一个冷却元件提供备用电源。

6.根据权利要求1的模块化数据系统，其中至少一个面板是门，该门经过配置用于在打开时通向热区，在关闭时阻止热区中的加热气体从模块化数据系统水平地经过间隙从热区中排出。

7.根据权利要求1的模块化数据系统，其中至少一个面板的高度至少与支架的第一和第二部分之一的最低高度一样高。

8.根据权利要求1的模块化数据系统，其中多个支架被布置为并行的两排，而且其中至少一个面板包括两扇门，所述两扇门在排的末端相对布置并在各自的末端将所述两排连接。

9.一种用于容纳和冷却在操作过程中产生热的电子设备的系统，所述系统包括：

多个支架，支架的第一部分经过配置用于允许气体从支架的正面通过，穿过支架的内部，并从支架的背面排出，支架的第一部分进一步被配置用于将电子设备包括在排列中，以致设备从支架的正面吸入气体，穿过设备以加热气体从而产生被加热的气体，并从支架的背面排出加热的气体，多个支架被布置为水平地围绕热区的水平机壳的实质部分；

闭合装置水平地耦合至少多个支架中的两个支架，以完善围绕热区的水平机壳，闭合装置和多个支架提供了顶部开口，以致系统向热区提供实质上非上部的边界；以及

冷却装置，所述冷却装置被布置在至少一个支架上，用于冷却被加热的气体以产生相对冷的气体，并向支架的第一部分的正面提供相对冷的气体；

其中在操作的过程中，多个支架被布置以致电子设备将加热气体排放到热区中。

10.根据权利要求9的系统，其中冷却装置经过配置用于引导相对冷的气体到支架的第一部分的正面的底部。

11.根据权利要求9的系统，其中冷却装置经过配置用于将气体冷却到大约华氏72度，以产生相对冷的气体。

12.根据权利要求9的系统，其中闭合装置包括至少一扇绝热门，该绝热门经过配置用于在打开时通向热区，关闭时限制热区中的加热气体水平地从位于支架之间的热区中排出，在支架中闭合装置是耦合的。

13.根据权利要求9的系统，其中支架被布置为并排的两排，其中闭合装置包括在排的末端相对放置的两扇门，并在各自的末端将所述两排彼此耦合。

14.根据权利要求9的系统，进一步包括不间断电源，该不间断电源与冷却装置耦合并配置用于向冷却装置提供备用电源。

15.一种操作和冷却机架装配式电子设备的方法，该方法包括：

向机架装配式电子设备提供电能以将气体吸入到通过支架的正面容纳设备的支架中，通过加热气体来产生被加热的气体，并将加热的气体排放到热区中；

限制加热的气体从热区水平地排出，除非加热的气体进入冷却机构，使用容纳设备的多个支架和至少一个面板，所述至少一个面板与多个支架中的至少两个支架耦合，同时允许加热的气体实质上没有受到阻碍地向上排出热区，至少直到气体上升到支架的顶部；

从热区中吸入至少部分加热的气体到冷却机构中，并冷却被吸入的气体以产生冷却气体；以及

向支架的正面供应冷却气体。

16.根据权利要求15的方法，其中所述限制步骤包括将更多的加热气体注入到热区中，并通过与成对的支架之间的间隙耦合的至少一个护栏来阻碍加热气体的水平流动。

17.根据权利要求15的方法，其中所述向支架的正面供应冷却气体的步骤包括将冷却气体引导到支架的正面的底部。