CN103175356B - 用于冷却的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于计算冷却单元(10)的净可感的冷却能力的方法，该方法包括：测量从压缩机(30)中流出的液体的释放压力和来自蒸发器(44)的吸入压力，计算来自压缩机的液体流的冷凝温度和来自蒸发器的液体流的蒸发温度，计算来自压缩机的液体流的质量流动比率，计算来自压缩机的液体流的热函，来自热膨胀阀(48)的液体流的热函，以及来自蒸发器的液体流的热函，计算流经热气体旁路阀(64)的液体流的质量流动比率，以及计算净可感的冷却能力。冷却单元的各种实施方法和其他的方法将得到更进一步的揭示。

Description

用于冷却的方法和装置
本申请是2009年5月11日递交的申请号为200980129828.4，发明名称为“用于冷却的方法和装置”的分案申请。
本发明的背景情况
1.技术领域
一般地，本发明的各种不同的实施方案涉及的是用于对房屋，例如，数据中心、设备室或者配线室，进行冷却的设备和方法。尤其是，本发明的某些方面涉及的是安装有支架的和用于支撑数据处理、网络连接和电信设备的外壳的数据中心，而且，更为具体的是，本发明的某些方面涉及的是用于对由上述支架和外壳所支撑的设备进行制冷的冷却系统和方法。
2.对相关技术的讨论
这些年来，大量不同的标准规范的不断发展使得设备制造商能够设计出可以安装的支架设备，所述支架设备可以安装在由不同的制造商所生产制造的标准的支架上。一种标准的支架通常包括正面安装的轨道；在所述轨道上，可以安装和垂直堆栈电子设备中的为数众多部件，例如，服务器和CPU。可以效仿的工业化的标准支架的高度大约为6到6.5英尺，宽度大约为24英寸，深度大约为40英寸。这样的支架通常被称为“19英寸”的支架，其是由电子工业联合会的EIA-310-D章程所限定的。
19英寸的支架被广泛地运用在数据中心和其他的大型设备中。随着英特网的发展，容纳有好几百这样的支架的数据中心并非罕见。而且，随着计算机设备的尺寸的不断减小，以及尤其是，随着计算机服务器和叶片的尺寸的不断减小，安装在一个支架上的大量的电子设备的情况变得越来越多，这使得人们开始关注对设备进行充分制冷的问题。
由支架式安装设备所产生的热会对设备部件的性能、可靠性和使用寿命产生不利的影响。尤其是，被安装在壳体中的支架式安装的设备可能会受到在操作期间的壳体的边界处形成的热聚集和热点的损害。由设备支架所产生的热量取决于操作期间的支架中的设备所需的电功率的数量。除此之外，电子设备的用户可能会根据他们的要求和新发展的需要来对支架式安装的部件进行增添、移除和重新排列。
以前，在某些配置布局中，数据中心通过计算机室的空调系统(“CRAC”)单元进行冷却，空调系统通常是一种硬管道的，不可移动的单元，它们被布置在围绕于数据中心室的外围的位置上。这些CRAC单元从冷却单元的正面吸入空气和向上朝着数据中心室的天花板输出较冷的空气。在其他的实施方案中，CRAC单元从靠近数据中心室的天花板处吸入空气和在升高的地板之下释放较冷的空气以输送到设备支架的正面。一般来说，这样的CRAC单元吸入室温空气(大约72°F)和释放出冷空气(大约55°F)，冷空气被吹入到数据中心室中和与设备支架上的和周围的室温空气进行混合。
支架式安装的设备通常通过沿着支架的正面或空气吸入一侧吸入空气，使空气流经其部件，以及随后从支架的通风一侧或背面排出空气来进行自身的冷却。CRAC类型的空气调节系统的劣势在于，冷空气会与室温空气进行混合，这时效率是很低的。理想的是，使系统能够尽可能有效的工作和尽可能少的利用能量和地面的空间，可能的最高温度的空气被吸入到CRAC单元中和由CRAC产生的输出空气会稍微低于室温。除此之外，由于不同数量和类型的支架式安装的部件和支架和壳体之间的不同配置的结果会导致对空气流动的要求可能会有相当大的改变。
对于大型的数据中心而言，其要求CRAC单元在数据中心室的中间或中心位置上或靠近中间或中心位置，到CRAC单元的冷却液的输送必须位于升高的地板中，由于考虑到风险以及管道系统的连接可能出现失效的情况，将冷却液的管道系统布置在数据中心的天花板上是不符合要求的。特别是，在传统的CRAC系统中，单元的管道系统需要相当数量的管道切割和人工焊接。因此，泄漏是常见的以及数据中心中泄漏出来的水或冷却液会导致设备支架中的设备存在被损害的风险。鉴于至少以上原因，大部分的数据中心设计人员和操作人员不愿意考虑使用悬挂式的管道系统来冷却数据中心。
发明内容
本发明的一个方面涉及的是一种用于计算冷却单元的可感的冷却能力的方法。在某一个实施方案中，该方法包括：获取压缩机的能力；从压缩机的能力中减去压缩机的热损失；从压缩机的能力中减去潜在的冷却能力；以及从压缩机的能力中减去风扇的功率损失。该方法的各种不同的实施方案进一步包括：通过测量冷却单元的参数和在所测量的参数的基础上对冷却单元中的部件进行操作的方式来优化冷却单元的能力。该方法可以进一步包括对进入到冷却单元中的空气的温度进行感应和对从冷却单元中排出的空气的温度进行感应。该方法也可以包括对进入到冷却单元中的空气的流动速度进行控制。
本发明的另外一个方面涉及的是这样一种冷却单元，其包括用于在压力的作用下提供冷却液的压缩机，与压缩机流体连通的冷凝器，以及第一空气移动设备，该第一空气移动设备被配置用于移动通过冷凝器的空气体积。第一空气移动设备包括速度可变的风扇，其用以改变通过冷凝器传递的空气的体积。冷却单元进一步包括与冷凝器和压缩机流体连通的蒸发器，第一传感器被布置用于获取冷凝器的读数，以及与压缩机流体连通的控制器。冷凝器、第一空气移动设备、蒸发器和第一传感器、控制器可以被配置用于响应于由第一传感器所监测到的读数来控制第一空气移动设备的风扇的速度。冷却单元的各种实施方案可以进一步包括第二空气移动设备，其被配置用于移动通过蒸发器的空气，和第二传感器，其被布置用于获取蒸发器的读数。控制器可以被配置用于响应于由第二传感器所监测到的读数来控制第二空气移动设备的风扇的速度。
本发明的另外一个方面涉及的是这样一种冷却单元，其包括用于在压力的作用下提供冷却液的压缩机，与压缩机流体连通的冷凝器，与冷凝器和压缩机流体连通的蒸发器，以及第一空气移动设备，该第一空气移动设备被配置用于移动通过蒸发器的空气体积。第一空气移动设备包括速度可变的风扇，其用以改变通过蒸发器所传递的空气的体积。冷却单元进一步包括第一传感器，其被布置用于获取蒸发器的读数，和与压缩机流体连通的控制器。冷凝器、蒸发器、第一空气移动设备和第一传感器、控制器可以被配置用于响应于由第一传感器所监测到的读数来控制第一空气移动设备的风扇的速度。
本发明的其他方面涉及的是一种用于控制流经冷却单元中的冷凝器的冷却液的速度的方法。在一个实施方案中，该方法包括：测量冷凝器的参数；和当测量到的参数高于预定的临界值时，通过将冷却液从冷凝器转向到蒸发器中来降低流经冷凝器的冷却液的速度。在特定的实施方案中，参数是来自冷凝器的冷却液流动的压力。
本发明的进一步的方面涉及的是一种提供冷却单元中的冷凝器和蒸发器之间的快速的冷却液均压方法，冷凝器和蒸发器与冷却单元中的压缩机流体连通。在实施方案中，该方法包括：对压缩机在可操作和不可操作状态之间的操作进行控制；测量冷凝器和蒸发器的参数；以及当压缩机处于不可操作的状态时，将冷却液从冷凝器中转移到蒸发器中以维持参数低于预定的临界值。在某一个实施方案中，当压缩机处于不可操作的状态时，参数是冷凝器和蒸发器之间的冷却液的压力差。
本发明的其他方面涉及的是一种提高冷却液在冷却单元中流动的循环的方法，冷却单元被配置为具有从冷凝器流向蒸发器的冷却液的流动，从蒸发器流向压缩机的冷却液的流动，和从压缩机流回冷却单元中的冷凝器的冷却液的流动，通过布置在冷却单元中的冷凝器和蒸发器之间的旁路阀，以使冷却液从冷凝器转移到蒸发器中再回到冷凝器中。该方法包括：测量旁路阀的参数；以及当参数高于预定的临界值时，控制旁路阀的操作。在特定的实施方案中，参数是旁路阀的位置。
本发明的进一步的方面涉及的是一种控制空气流经冷凝器的方法，该方法包括：测量冷凝器的参数；当所测量到的参数高于第一预定临界值时，提高空气流经冷凝器的速度；以及当所测量到的参数低于第二预定临界值时，降低空气流经冷凝器的速度。在一个实施方案中，参数是来自冷凝器的冷却液流动的压力。
本发明的其他一个方面涉及的是一种控制空气流经蒸发器的方法，该方法包括：测量蒸发器的参数；当所测量到的参数低于第一预定临界值时，提高空气流经蒸发器的速度；以及当所测量到的参数高于第二预定临界值时，降低空气流经蒸发器的速度。在一个实施方案中，参数是来自蒸发器的冷却液流动的压力。
本发明的另外一个方面涉及的是一种控制具有冷凝器和蒸发器的冷却单元中的空气流动的方法。在一个实施方案中，该方法包括：测量来自冷凝器的冷却液流的参数；当所测量到的参数高于第一预定临界值时，提高空气流经冷凝器的速度；当所测量到的参数低于第二预定临界值时，降低空气流经冷凝器的速度。测量来自蒸发器的冷却液流动的参数；当所测量到的参数低于第一预定临界值时，提高空气流经蒸发器的速度；以及当所测量到的参数高于第二预定临界值时，降低空气流经蒸发器的速度。在某一个实施方案中，任何一个预定的临界值是压力和温度的其中之一。
本发明的又一个方面涉及的是一种用于控制模块式的自身设备齐全的冷却单元的方法。该方法包括：引导空气通过冷却单元的第一热交换器以对流经第一热交换器的冷却液进行制冷；将经制冷后的冷却液从第一热交换器中引导到第二热交换器中；引导空气通过第二热交换器以对空气进行制冷；将经过制冷的空气从冷却单元中排出；以及使一部分冷却液从第二热交换器转向到第一热交换器中再回到第二热交换器中。在一个实施方案中，引导空气通过第二热交换器并改变空气的速度。在其他的实施方案中，通过控制器的PID控制，使一部分冷却液转向和改变空气的速度。
本发明的进一步的方面涉及的是一种冷却单元，该冷却单元包括：壳体，与壳体相连接的压缩机，与壳体相连接的第一热交换器，至少一个第一空气移动设备，该第一空气移动设备与壳体相连接并被配置用于引导空气通过第一热交换器，与壳体相连接的第二热交换器；以及至少一个第二空气移动设备，该第二空气移动设备与壳体相连接并被配置用于引导空气通过第二热交换器。第二空气移动设备包括至少一个变速风扇。冷却单元进一步包括与压缩机、第一热交换器、第二热交换器和压缩机相连接的导管系统。在某一个实施方案中，冷却单元进一步包括导管系统中配置的旁路阀。旁路阀可以被配置用于使一部分冷却液从压缩机中转向到第二热交换器中。在又一个实施方案中，第一热交换器包括冷凝器单元和第二热交换器包括蒸发器单元。冷却单元可以进一步包括控制器，该控制器用于控制旁路阀的操作。
在此所揭示的内容的另外的方面涉及的是一种计算冷却单元的净可感的冷却能力的方法，其中的冷却单元包括压缩机，与压缩机流体连通的冷凝器，与冷凝器流体连通的热膨胀阀，与热膨胀阀流体连通的蒸发器，以及与压缩机和蒸发器流体连通的热气体旁路阀。在一个实施方案中，该方法包括：测量从压缩机中流出的液体的释放压力和来自蒸发器的吸入压力；计算来自压缩机的液体流的温度和来自蒸发器的液体流的蒸发温度；计算来自压缩机的液体流的质量流动比率；计算来自压缩机的液体流的热函，来自热膨胀阀的液体流的热函，以及来自蒸发器的液体流的热函；计算流经热气体旁路阀的液体流的质量流动比率；以及计算净可感的冷却能力。
该方法的各个实施方案可以包括通过以下的方程式来计算净可感的冷却能力：
Pc＝(Q总-Q压缩损失-1052.6×C×0.2928104-Pf)/1000
其中Pc-净可感的冷却能力(kW)；
Q总-总冷却能力(W)；
Q压缩损失-压缩机的热损失(W)；
C-冷凝反应率(1bs/hr)；
1052.6-用于冷凝1磅的水所需要的能量；
0.2928104-将BTU/小时换算为瓦特；以及
1000-将瓦特换算为千瓦。
总冷却能力可以通过以下方程式进行确定：
Q总＝M×(h输入气态-h混合蒸发器输入)；以及
h混合蒸发器输入＝(M旁路阀×h输出气态+(M-M旁路阀)×h液)/M，
其中Q总-总冷却能力(W)；
M-通过ARI-540质量流动比率的系数进行计算的制冷液的质量流动比率(kg/sec)；
h输入气态-在蒸发器的输入线圈上的气体制冷液的热函(W/kg)；
h混合蒸发器输入-在蒸发器的输入线圈上的混合制冷液的热函(W/kg)；
M旁路阀-通过旁路阀的制冷液的质量流动比率(kg/sec)；
h输出气态-在压缩机的输出端上的热气制冷液的热函(W/kg)；以及
h液-在膨胀阀的输入端上的液体制冷液的热函(W/kg)。
计算净可感的冷却可以包括计算总的冷却。该方法可以进一步包括测量旁路阀的参数，和在参数高于预定的临界值时，控制旁路阀的操作。参数可以是旁路阀的位置。在另外一个实施方案中，参数可以是压力差。压力差的确定可以通过测量流经释放压力的传感器的液体的压力和流经吸入压力的传感器的液体的压力来获得。
在此所揭示的内容的进一步的方面涉及的是一种冷却单元，该冷却单元包括：壳体，与壳体相连接的压缩机，与壳体相连接的第一热交换器，与壳体相连接的第二热交换器，被配置用于控制液体向第二热交换器的转向的热膨胀阀，与压缩机、第一热交换器、第二热交换器、热膨胀阀和压缩机流体连通的导管系统，安装在导管系统中的旁路阀，该旁路阀被配置用于将一部分的冷却液从压缩机中转送到第二热交换器中，以及控制器，该控制器用于控制热膨胀阀和旁路阀的操作。控制器可以被配置用于在采集自冷却单元的参数的基础上，计算冷却单元的净可感的冷却能力。
冷却单元的各种实施方案可以进一步包括至少一个第一空气移动设备，该第一空气移动设备与壳体相连接并被配置用于引导空气通过第一热交换器，和至少一个第二空气移动设备，该第二空气移动设备与壳体相连接并被配置用于引导空气通过第二热交换器。第二空气移动设备包括至少一个变速风扇。第一热交换器可以包括冷凝器单元和第二热交换器可以包括蒸发器单元。
在此所揭示的内容的进一步的方面涉及的是一种冷却单元，该冷却单元包括：压缩机，与压缩机流体连通的第一热交换器，与压缩机和第一热交换器流体连通的第二热交换器，热膨胀阀，其被配置用于控制液体到第二热交换器的转向，与压缩机和第一热交换器流体连通的旁路阀，旁路阀被配置用于使一部分的冷却液从压缩机转向到第二热交换器中，以及控制器，其用于控制热膨胀阀和旁路阀的操作。控制器可以被配置用于在采集自冷却单元的参数的基础上，计算冷却单元的净可感的冷却能力。
冷却单元的各种实施方案可以进一步包括至少一个第一空气移动设备，该第一空气移动设备与壳体相连接并被配置用于引导空气通过第一热交换器，和至少一个第二空气移动设备，该第二空气移动设备与壳体相连接并被配置用于引导空气通过第二热交换器，第二空气移动设备包括至少一个变速风扇。在一个实施方案中，第一热交换器可以包括冷凝器单元和第二热交换器可以包括蒸发器单元。
而且，在此所揭示的内容的另外一个方面涉及的是一种冷却单元，该冷却单元包括：压缩机，与压缩机流体连通的冷凝器，与冷凝器流体连通的热膨胀阀，与热膨胀阀流体连通的蒸发器，与压缩机和蒸发器流体连通的热气体旁路阀，以及控制器，该控制器与为数众多的位于压缩机和冷凝器和蒸发器和压缩机之间的温度和压力感应设备相连接。在一个实施方案中，该控制器被配置用于计算流经压缩机的液体的冷凝温度和流经蒸发器的液体的蒸发温度，计算来自压缩机的液体流动的质量流动比率，计算来自压缩机的液体流的热函，来自热膨胀阀的液体流的热函，以及来自蒸发器的液体流的热函，计算流经热气体旁路阀的液体流的质量流动比率。该方法可以计算净可感的冷却能力。处理器可以被进一步配置用于对压缩机的释放压力到蒸发器的吸入压力的测量值进行处理。
该方法的各种实施方案包括计算流经热气体旁路阀的液体流的质量流动比率，这是通过测量经过热气体旁路阀的压力差和采用由具有热气体旁路阀的冷却系统所形成的公式来实现。压力差的确定可以通过测量流经释放压力的传感器的液体压力和测量流经吸入压力的传感器的液体压力来实现。
在此所揭示的内容的另外一个方面涉及的是一种存储有指令序列的计算机可读介质，存储的指令序列包括将会导致处理器执行以下动作的指令：处理来自压缩机的液体的释放压力的测量值和来自蒸发器的吸入压力的测量值；计算来自压缩机的液体的冷凝温度和来自蒸发器的液体的蒸发温度；计算来自压缩机的液体流的质量流动比率；计算来自压缩机的液体流的热函，来自热膨胀阀的液体流的热函，以及来自蒸发器的液体流的热函；计算流经热气体旁路阀的液体流的质量流动比率；以及计算净可感的冷却能力。
计算机可读介质的各种实施方案包括计算流经热气体旁路阀的液体流的质量流动比率，这是通过测量经过热气体旁路阀的压力差和采用由具有热气体旁路阀的冷却系统所形成的公式来实现。压力差的确定可以通过测量流经释放压力的传感器的液体压力和测量流经吸入压力的传感器的液体压力来实现。
附图说明
对应的附图并不是严格按照比例进行绘制的。在这些附图中，在各个附图中举例说明的每一个相同或者几乎相同的元件都用相同的数字来表示。出于清楚描述的目的，并不是每一个元件都标示在每一个附图中。在这些附图中：
附图1显示的是本发明的实施方案的冷却单元的透视图；
附图2显示的是附图1中所示的冷却单元的各个部件的透视图；
附图3显示的是冷却单元中去除正面挡板后的冷却单元的正视图；
附图4显示的是类似于附图3的用于举例说明去除底部空气挡板的冷却单元的视图；
附图5显示的是附图4中所示的冷却单元的透视图，其具有部分从冷却单元中取出的风扇片组件；
附图6显示的是与附图1类似的透视图，其中冷却单元的侧面挡板被去除了。
附图7显示的是本发明的实施方案的冷却单元的系统方框图；
附图8显示的是冷却单元的操作状态和模式的系统方框图；
附图9显示的是冷凝状态的系统方框图；
附图10显示的是热气体旁路阀状态下的系统方框图；
附图11显示的是热气体旁路阀控制下的系统方框图；
附图12显示的是冷凝器风扇速度控制的系统方框图；
附图13显示的是蒸发器风扇速度控制的系统方框图；
附图14-18显示的是使用本发明的实施方案中的方程式计算冷却能力的流程图。
具体实施方式
本发明并没有将其应用限于在以下描述或用于举例说明的附图中所描述的部件的排列和结构的细节中。本发明可以具有其他的实施方案和可以通过不同的方式进行实践和实现。同样地，本文中所使用的术语和措辞只是出于描述的目的而不应该被认为是限制。术语“包括”、“具有”、“含有”、“包含”、“涉及”以及上述术语的结合使用是指包括或包含其后所列出的项目和等同物以及额外的项目。
本发明的至少一个实施方案涉及的是一种模块组件式的冷却系统，该系统可以选择地进行配置以用于对安装在设备壳体或数据中心的支架上的电子设备进行冷却。本文中所使用的术语“壳体”、“支架”是用于描述被设计用于支撑电子设备的装置。所述的冷却系统可以采用一种或更多的冷却单元，或根据需要的基础来提供数据中心内的局部制冷。特别的是，为数众多的冷却单元可以散布在设备支架的排中以便更有效的对数据中心进行冷却。由电子设备所产生的暖空气的循环路径被极大减少，从而几乎消除了数据中心中的冷却空气与热空气之间的混合。
通常情况下，数据中心是一种设计好的大房间，在某些情况下，这样的大房间设计用于放置在数据中心中成排排列的好几百个电子设备支架。设备支架的各排被以冷通道和热通道的方式进行排列。冷通道提供通向通常可以接近电子设备的壳体的正面的路径。热通道提供通向设备支架的背面的路径。根据要求所发生的变化，设备之间的数量可以增加或减少，这取决于数据中心的功能要求。本发明的至少一个实施方案是模块式的和可以升级的，而且可以采用设计用于满足上述变化需要的工具包的形式。同样地，尽管相对大的数据中心是出于使用所述的冷却系统而被讨论的，正如上文中所讨论的那样，本发明的系统可以升级，也可以以较小的规模在较小的房间中使用。
在一个实施方案中，冷却系统可以包括为数众多的冷却单元，每一个冷却单元都具有适于支撑冷却系统的部件的机架。举例来说，冷却单元的部件可以包括第一和第二热交换器，该第一和第二热交换器与导管系统相连接，导管系统被配置用于将冷却液输送到热交换器中。可以使用风扇来使空气移动通过热交换器。冷却单元可以布置在设备支架的排中和可以被配置用于通过热通道吸入数据中心中的热空气，例如，将空气冷却到稍微低于环境温度的温度。所述配置消除了将热空气与室温空气混合以获得暖的混合空气的低效率。所述配置也减少了要求由数据中心的空调系统来提供的潜在制冷，从而减少了对加湿的要求。
在某些实施方案中，冷却单元可以以成套工具包的形式来提供，以致安装冷却单元的操作人员不需要专门的工具。由于每一个冷却单元都具有感应和显示系统的冷却能力、流动速度、冷却液和空气的吸入和排出的温度，以及通过冷却单元所采集到的压力读数的压力差的能力，因此冷却单元的模块式的特征允许用户对每一个冷却单元的位置进行优化。所以，冷却单元可以被采用和重新布置以将效率最大化和在数据中心中优选使用。
一种典型的数据中心包括设计用于安装为数众多的电子支架的房间。在一个实施方案中，每一个设备支架都可以根据2004年11月17日提交的名称为“EQUIPMENT ENCLOSURE KITAND ASSEMBLY METHOD”的美国第10/990,927号专利申请中公开的教导进行配置，该发明由本发明的受让人所拥有并且通过引证被并入本文。更进一步说，设备支架之间的布线可以通过使用埋在屋顶中的电线分布槽来实现，正如第6,967,283号美国申请中所公开的支架一样，其通过引证被并入本文而且已转让给本发明的受让人。
特别的是，设备支架包括适于支撑电子部件的框架或机架，例如，数据处理设备、网络设备和电信联系设备。机架包括正面、背面、侧面、底面和顶面。每一个支架的正面都可以包括通向设备支架的内部的正门。锁可以防止进入到设备支架的内部和由支架所容纳的设备的内部。设备支架的侧面可以包括至少一块面板，该面板被配置用于覆盖侧面以关闭支架的内部区域。设备支架的背面上也可以包括至少一块面板或后门，以从支架的背面通向设备支架的内部。在某些实施方案中，侧面面板和背面面板，以及正门和后门都可由穿孔的金属片材制成，举例来说，以允许空气从中流入和流出设备支架的内部区域。在其他方面，面板可以由固体材料制成。
设备支架在结构上是模块式的和可以被配置用于可以从位置上，例如，在数据中心的排中，卷入或卷出。脚轮被固定到每一个设备支架的底部，以允许支架能够沿着地面或数据中心滚动。一旦确定位置，校准轮被固定以安全地将设备支架放置在排中的位置上。设备支架中采用的脚轮和校准轮的实施例的细节在美国第10/990,927号专利申请中有所公开。
一旦被确定位置，电子设备可以被布置在设备支架的内部区域中。举例来说，设备可以放置在设备支架的内部区域中的架子上。提供电能和数据交换的电线可以通过设备支架的顶面来提供，或者通过位于设备支架的顶面上的在其上具有开口的封盖(或者是第6,967,283号美国申请中公开的“屋顶”)来提供，或通过设备支架的敞开顶面来提供。在这一实施方案中，电线可以沿着支架的顶部排成一行或者由上文中所提到的电线分布槽来提供。在另一个实施方案中，电线可以被布置在升高地面中和通过设备支架的底面连接到电子设备上。在两种配置中，电能和通信电线被提供到设备支架上。
正如上文中的讨论，数据中心通常与设备支架的排一并进行配置，这样以来冷空气被从冷通道吸入到支架中和暖的或热的空气从支架中排出到热通道中。设备支架可以被安排为两排，设备支架的正面从箭头方向上看位于前排，设备支架的背面从箭头方向上看是位于向后的方向上的后排。然而，正如上文所述，在典型的数据中心中，有为数众多的设备支架的排，其中这些排可以被排列为设备支架的正面并面对另一支架以限定冷通道和设备支架的背面并面对另一支架以限定热通道。
为了解决数据中心中的热聚集和热点问题，以及解决数据中心中通常形成的气候控制问题，一个实施方案提供了一种模块式冷却单元。正如上文中所讨论的那样，由于数据中心或房间中的制冷要求，可能需要使用多个冷却单元。在一个实施方案中，需要这样的布置，以致为数据中心中的每两个设备支架提供一个冷却单元。然而，在受益于本公开的基础上，本领域内的普通技术人员都能理解，可以在数据中心中提供更多或更少的冷却单元，这取决于数据中心中的环境条件。更进一步，在另一些实施方案中，冷却单元的集中布置和位置可以基于数据中心中的最热的支架的位置进行调整，或基于由数据中心的信息管理系统所获得和分析的信息来进行调整。相应地，本发明中各种实施方案的冷却单元可以与其他类型的制冷系统结合使用，例如，在2006年2月10日提交的，发明名称均为“COOLING SYSTEM ANDMETHOD”的第11/335,874号，第11/335,856号和第11/335,901号美国专利中所揭示的制冷系统，该发明由本发明的受让人所拥有并且通过引证被并入本文。
本发明中的各种实施方案的冷却单元可以被配置为具有两个部分或模块，它们共同限定一种闭环制冷系统，所述闭环制冷系统可以配置在数据中心、设备室或者配线室中，以对由电子设备存储支架所支撑的电子部件进行冷却。在一个实施方案中，冷却单元中位于下层的模块包括一套蒸发器风扇，其被配置用于从“热”通道中吸入被加热的空气，举例来说，被加热的空气可以是由电子部件所产生的。被加热的热空气被吸入后流经具有线圈的蒸发器，线圈中有冷却液介质(例如，冷冻剂)以用于冷却空气。这样的布置可以使被蒸发器的风扇吸入到位于下层中的模块中的暖空气流经蒸发器来对空气进行冷却。被冷却的空气通过冷却单元的正面被压回到周围环境中。根据制冷的要求，可以使用其他的空气流动方式。
蒸发器的线圈中所含有的冷却液所吸收的热量被传递到位于上层的模块中，所述模块在位于下层的模块的之上。位于上层的模块包括冷凝器，其适用于对从位于下层的模块传送到位于上层的模块中的被加热的冷却液进行冷却。除了冷凝器之外，位于上层的模块还包括一组冷凝器风扇和第一，常用垂直高压舱，其与位于上层的模块的顶部中形成的开口流体连通，以将相对较冷的空气吸入到位于上层的模块中。第二，常用水平高压舱，其将由第一高压舱所引导的空气运送到冷凝器的风扇中，其引导空气通过冷凝器。在流经冷凝器的过程中，相对较冷的空气被加热。一旦被加热，空气将流经在位于上层的模块的顶部中形成的两个开口的其中之一。液态的冷却液被引导流回到蒸发器中，在此，循环再次开始。压缩机，例如，一种旋转式压缩机，将被蒸发的冷却液从蒸发器输送到冷凝器中。压缩机，蒸发器的风扇和冷凝器的风扇都是通过控制器进行控制的。在一个实施方案中，为了提高能力控制和有效性，被压缩机单元运送到冷凝器中的较暖的冷却液可以通过旁路阀转送到蒸发器中。
人们将会理解，在本发明的各种实施方案中，位于下层的模块可以被配置用于执行如上文所描述的冷凝功能，以及位于下层的模块可以被配置用于执行如上文所描述的蒸发功能。
在一个实施方案中，控制器适用于在由控制器所获得的环境参数的基础上对制冷系统的操作进行控制。一般对于现有的制冷系统来说，单个的冷却单元不能相互连通。例如，控制器可以具体表现为冷却单元中提供的多个控制器，其通过控制器区域网络(CAN)的数据总线来实现相互之间的连通。在其他的实施方案中，主控制器可以提供用于控制冷却单元中的多个控制器的操作。每一个控制器都配置有显示器，其是可操作地连接到控制器上的。显示器适用于显示数据室中的环境条件，例如，但不限于，数据中心的冷却单元的温度和湿度，进入冷却单元和从冷却单元中排出的空气的温度，进入冷却单元和从冷却单元中排出的冷却液的温度，进入冷却单元的冷却液的流动速度，以及冷却单元的冷却能力。合适的监视器和/或测量仪器可以用于获取所述信息。可以选择的是，或者说除了上文中所描述的实施方案之外，环境的条件可以显示在由集成的数据中心控制和监测系统所提供的单元中。
现在参考附图1-6，尤其是参考附图1，在此显示的是通常用数字10表示的本发明的实施方案中的冷却单元。正如附图所示，冷却单元10包括位于下层的模块12和位于上层的模块14，其被配置用于在房间中对空气进行处理。在一个实施方案中，冷却单元10包括框架或机架16，其可以被配置为两个形成位于上层的模块和位于下层的模块的框架的间隔开的机架，或者配置为单一的，整体的机架。冷却单元10包括正面18、背面20和相对侧面22、24、底面26和顶面28。冷却单元中的每一个相对侧面22、24可以包括至少一块面板(没有显示)，该面板被配置用于关闭支架的内部区域。冷却单元的正面和背面也可以包括至少一块可以移动的面板或后门，以提供通向冷却单元的内部的通道。在某些实施方案中，正面和背面面板可以由穿孔的金属片材料制成，举例来说，以允许空气从中流入和流出设备支架的内部区域。脚轮和校准轮(二者都没有显示)可以提供用于提高冷却单元的活动性并可以将冷却单元放置在安全的位置上。附图1中显示的冷却单元10的其他的细节将在下文中作为对冷却单元进行的描述中展开更为详细的讨论。
参考附图2，举例说明的是拆掉机架16和冷却单元的面板之后所看到的冷却单元10的内部部件。冷却单元10的部件通过本文中所显示和讨论的方式被适当地固定和安装在冷却单元中的机架16上。在冷却单元中流动的空气将在下文中结合其他附图，尤其是包括附图6，进行更为详细的讨论。附图2的其中一个目的在于，对流经冷却单元中的在工作部件的冷却液介质的流动(例如，液态的冷却液，例如R134A和R410A类型的冷却液)进行举例说明。
正如附图所示，压缩机30用于在压力的作用下将热气体的冷却液传送到冷却单元10中的各个部件上。被压缩的冷却液流经释放管32，该管将压缩机30连接到冷凝器34上。温度传感器(没有显示)和第一压力传感器36可以布置在冷凝器34的附近，以测量冷却液在进入冷凝器时的温度和压力。使用温度传感器和压力传感器36的目的将在下文中进行更为详细的讨论。可以进一步提供一种高压开关38以用于对压缩机进行去能操作，从而停止向压缩机传送冷却液，冷却液经历压力条件限度之外的条件，其要求切断向压缩机的供电被。冷凝器34包括线圈40，其具有传导热量的尾翼(没有显示)，被配置用于对冷凝器的线圈中的被加热的冷却液进行制冷。通过冷凝器线圈40的空气流动将在下文中结合附图进行更为详细的讨论，所述附图涉及冷却单元10的空气流动方式(例如，附图6)。一旦冷却液在冷凝器中被冷却(例如，将冷却液从蒸汽状态转变为被冷凝的状态)，冷却液通过其他的液体管道42流向蒸发器44。冷却液首先通过过滤干燥器46以消除杂质，和去除不需要的而且不能与冷却液进行冷凝的物质。一旦通过过滤干燥器46，冷却液将通过热膨胀阀48，以在进入到蒸发器44之前对冷却液进行调节。
下一步，低压的冷却液进入到分配器50中并通过若干导管(例如，三支导管)的其中之一被分配到蒸发器中，在附图2中，导管均用数字52表示。如图所示，一个导管52将冷却液传递到蒸发器44中靠近蒸发器顶部的位置上。第二导管52将冷却液传递到蒸发器44的中部。以及，第三导管52将冷却液传递到蒸发器44的底部上。这样的配置保证冷却液能够均匀地分布到蒸发器44中，其设计为包括与金属尾翼(没有显示)热连通的线圈54，以致可以从流经蒸发器的相对暖的空气中吸收热量。一旦被流经蒸发器44的暖空气加热，被蒸发的冷却液通过吸入管56的部分返回到压缩机30中。然而，在进入压缩机30之前，冷却液通过压缩机的吸收受液器58，该受液器确保冷却液以蒸发状态进入到压缩机30中。另外一个温度传感器60和另外一个压力传感器62可以布置在压缩机30的附近，这样布置的目的将在下文中进行更为详细的介绍。冷凝盘35可以布置在低于蒸发器44的位置上，以控制由蒸发器所产生的冷凝物。
如此布置能使高温的冷却液从压缩机30流向冷凝器34。冷却液的压力和温度的读数都是在冷却液进入到冷凝器34之前读取的。冷凝器34通过流经冷凝器的线圈40的相对冰冷的空气来对冷却液进行冷却。一旦被冷却，冷却液流回到蒸发器44中。旁路阀64可以提供用于通过释放管66将冷却液正常地从压缩机30转移到冷凝器34中。借助旁路阀上配置的步进式马达来开启旁路阀64，例如，流向冷凝器的一部分冷却液通过分配器50传送到蒸发器中。旁路阀64的操作，该阀有时是指热气体旁路阀，可以被控制用于调整冷却单元10的能力。正如将要在下文中进行详细描述的那样，通过严密监控进入到冷凝器34中的冷却液的压力和/或温度，冷却单元10的能力可以对通过的冷却液进行优化，该冷却液是从冷凝器流向蒸发器的。在其他的配置中，两个额外的压力传感器被布置在靠近热气体旁路阀64的输入端和输出端的附近，以便对流经热气体旁路阀的流动速度进行测量。
在一个实施方案中，压缩机可以具体表现为一种旋转式压缩机，例如，由New York的Carrier of Syracuse提供的208-230/1/50或者208-230/1/60类型的旋转式压缩机。当采用旋转式压缩机时，蒸发压力和冷凝压力之间的压力差，在某些实施方案中，必须小于预定的压力差，例如，7.2psig，以便再次启动压缩机。为了加快蒸发压力和冷凝压力之间的均压过程，热气体旁路阀64可以是打开的，直到压缩机再次启动。
参考附图3-6，尤其是附图6，位于下层的模块12具有为数众多的蒸发器风扇(有时，在本文中是指空气移动设备)，每一个都用数字68表示，这些风扇定位在冷却单元10的位于下层的模块的前面。如此布置以便能从冷却单元的位于下层的模块12的背面通过蒸发器44经由开口的背面或者经由背面面板上的穿孔中借助蒸发器的风扇68来吸入空气。在一个实施方案中，可以具有三个所述风扇68(没有显示)，用于通过在附图6中所示的方式来通过位于下层的模块12吸入空气。然而，可以使用任何数量的风扇68，这取决于风扇的大小以及需要通过蒸发器44吸入的空气的数量。在一个实施方案中，蒸发器的风扇68可以是由EBM Industries of Farmington，CT提供的200mm的混流风扇。蒸发器的风扇68可以被配置为风扇盘式布局中的一部分，其在垂直方向上牢固安装到冷却单元10的正面18上，或者是单独安装在制冷点单元的正面18上的机架16上。正如在附图6中所示，通过蒸发器的风扇68吸入的通过位于下层的模块的空气(用箭头A表示)流经线圈和蒸发器44的尾翼，以加热流经线圈的冷却液。结果是，冷却空气在冷却单元10的正面被蒸发器的风扇68吹出，以便对冷却单元的正面的附近的空间进行制冷。
在一个实施方案中，一个或更多的冷却单元10被布置，以致冷却单元的背面20位于靠近热通道的位置上。在数据中心的制冷要求的基础上，不止一个冷却单元10被用于通过设备围栏来冷却沉积在热通道中的暖空气。
在一种特定的配置中，冷却单元10的位于上层的模块14可以配置为包括冷却单元10的顶部28，在其上具有三个开口。特别是，在此提供的是，在冷却单元10的顶部28上具有吸入口70和两个排出口72，74。正如在附图6中得到最好的显示那样，内壁76和隔断板78限定了第一高压舱80，该高压舱沿着通常为垂直方向的轴延伸。第一高压舱80与吸入口70流体连通，以通过吸入口将空气吸入到第二高压舱82中，第二高压舱沿着位于上层的模块14的底部上的通常为水平方向的轴定位。
进一步提供的是，位于上层的模块14是一种浅盘84，其是可以释放地固定到冷却单元10的机架上的，浅盘具有三个固定在其中的冷凝器的风扇，每一个都用数字86表示。如此布置能是浅盘84和冷凝器的风扇86沿着通常为水平方向的面板定位，以限定第二高压舱82的上壁的位置。冷凝器的风扇86被配置用于将相对冷的空气从第一高压舱80中吸入到第二高压舱82中，然后吹动空气通过冷凝器34，以便冷却在冷凝器的线圈中流动的冷却液。空气流经冷凝器34，并从冷却单元10的位于上层的模块14的顶部28上形成的两个排出口72，74中排出。通过位于上层的模块14的空气流动路径在附图6中用箭头B表示。在一个实施方案中，排出口72，74与排出导管(没有显示)流体连通，以将暖空气从数据中心和数据室中排出。在另外一个实施方案中，空气可能被引导到数据中心或数据室的顶部，远离设备的围栏。在进一步的实施方案中，可以使用一个排出口或者是多于两个的排出口。鉴于本文所揭示的内容，人们将会理解，本领域内的任何一名普通技术人员都能够以与本文的教导相关的任何一种需要的方式来配置冷却单元。
正如在附图6中得到很好显示的那样，冷凝器的风扇86通过吸入口70沿着由第一和第二高压舱80，82所限定的第一流动路径吸入空气到排出口72，74，正如箭头B所示。如同附图中虚线所述，空气也可以从降落的天花板布置中吸入。冷凝器34相对于第一流动路径以锐角的方向布置在位于上层的模块14中。蒸发器的风扇68从由冷却单元10的位于下层的模块12的开口端20所限定的吸入口沿着第二流动路径吸入空气，第二流动路径用箭头A表示，吸入的空气流到由冷却单元的位于下层的模块的相对开口端18所限定的排出口中。蒸发器44以相对于第二流动路径的锐角方向在位于下层的模块12中定位。在这些要求中，位于上层的模块14可以是指第一模块，和位于下层的模块12可以是指第二模块。冷凝器34和蒸发器44的锐角可以被选定，以便分别使冷凝器和蒸发器的表面积最大化。
在一个实施方案中，控制器可以是可操作地连接到显示器单元88上(请参考附图1)，例如，在第11/35,874号，第11/335,856号和第11/335,901号美国专利申请中所揭示和展示的显示器单元。在某一个实施方案中，显示器单元88具有液晶显示器，例如，用于显示某些环境条件，举例来说，数据中心的温度和湿度，进入冷却单元和从冷却单元中排出的空气的温度，进入冷却单元和从冷却单元中排出的冷却液的温度，以及进入冷却单元的冷却液的流动速度。为数众多的控制按键和状态显示将进一步显示在显示器单元88上，以便操作人员可以分别控制制冷系统的操作和快速地确定某一种条件的状态。正如附图所示，显示器单元88可以通过密封垫圈和安装托架的方式固定在冷却单元10的正面18上，其上具有在冷却单元的正面上形成的开口，密封垫圈和安装托架中的螺钉紧固件可以用于将显示部件固定到具有开口的正面面板上。
附图3-5举例说明的是，具有冷凝器的风扇86的浅盘84的移除。尤其是，附图3举例说明了冷却单元10的正面目标和后门从冷却单元中移除。正如附图所示，显示器单元88被固定到冷却单元的机架16上。在仅仅具有一块面板的配置中，面板和显示器单元88可以一并移除或者分别移除，这取决于特定的设计。在所示的实施方案中，至少有两个空气隔断板90，92被固定到冷却单元10的机架16上，以将空气维持在冷却单元的位于上层的模块14中。附图4举例说明了下层的空气隔断板90被移除，以致冷却单元的第二高压舱82显露出来。一旦下层的空气隔断板90被移除，风扇浅盘84可以通过简单地将风扇浅盘从冷却单元10的正面上拖出的方式从冷却单元10的机架16上拆除。风扇浅盘84被配置为留驻在成对的支撑轨道94，96上，其被固定到冷却单元10的位于上层的模块14的机架16上。冷凝器的风扇86，以及蒸发器的风扇68可以是变速风扇，在控制器的控制作用下，这些风扇可以是独立操作的。如此布置能使风扇浅盘84容易地从冷却单元10中拆除，以进行诸如风扇的替换和维修工作等工作。
在其他的实施方案中，正如上文中所讨论的那样，面板90和面板92可以结合在一起形成单独的面板。在这样的配置中，显示器单元88必须是分别拆除的，以致能接触到风扇浅盘84。
正如上文中所讨论的那样，控制器可以被配置用于控制冷却单元10的操作，以提供与外部设备的通信。在一个实施方案中，控制器可以是一种独立的专用单元，其控制多个冷却单元10的操作。在另外一个实施方案中，控制器可以配置在多个冷却单元10的其中之一中，冷却单元具有控制器作为主冷却单元的功能，以及其他的冷却单元具有备用冷却单元的功能。在又一个实施方案中，冷却单元10的操作可以在集成的数据中心和监控系统的控制作用下进行操作，每一个具有控制器的冷却单元都通过网络与其他的冷却单元连通。在一个所述的实施方案中，控制器可以与数据中心的控制系统连通以提供制冷系统的各个部件的状态和为数据中心的控制系统接收控制命令。在一个特定的实施方案中，每一个冷却单元10都包括控制器，该控制器通过网络，例如，CAN数据总线的网络，与数据中心的控制器连通，而且在一个所述的实施方案中，数据中心的控制器可以使用集成的数据中心控制和监控系统来执行，例如，由West Kingston，RhodeIsland的American Power Conversion Corporation出售的InfraStruXureTM数据中心管理器，该公司是本发明的受让人。出了这种特定的配置，控制器也适用于控制从压缩机30流向冷凝器34和蒸发器44的冷却液的流动速度，这取决于冷却单元的温度和压力读数。
附图7举例说明的是冷却单元10的系统方框图，显示的是，冷却单元和潜在的外部设备之间的主要界面。正如附图所示，热负荷98适用到冷却单元10上，其中温度传感器100进行检测并将信号传递给冷却单元10中的内置的控制器102。在一个实施方案中，内置的控制器102可以是一种Philips XAG49型的微处理器(运行速度是16MHz，闪存512Kbytes，电池支持的静态RAM的128Kbytes，EEPROM的16Kbytes，以及具有实时时钟)。正如附图所示，内置的控制器102可以通过，例如，CAN，与网络管理器104进行连通。网络管理器104可以通过局域网110(LAN)与显示器单元88，新建管理系统106，如果提供的话，数据中心管理器108连通，例如，局域检测端口112。在某一个确定的实施方案中，网络管理器可以采用包含有ASIC4，Mbytes的静态RAM，EEPROM的16Kbytes，实时时钟，以及CAN控制器的网络管理卡。在一个实施方案中，ASIC包括Intel186微处理器，运行速度是50MHz，和10/100Base-T网络接口控制器(NIC)。
在操作过程中，冷却单元10可以被配置具有若干功能，包括但不限于，主操作状态，冷凝状态和热气体旁路阀状态。在主操作状态下，正如在附图8中所示，冷却单元的操作按如下步骤进行：(a)未供电；(b)启动延迟；(c)关闭/备用；(d)空转操作；(e)故障操作；(f)预热操作；(g)运行操作；(h)固件下载；以及(i)检测。特别的是，一旦供电，冷却单元就可以操作地从步骤114未供电的状态进行到步骤116的初始供电状态，在步骤116中，设定初始的状态变量。一旦被初始化，冷却单元进行到步骤118中的启动延迟状态，在该状态下，不进行任何动作。经过一段预定的时间周期(例如，由延迟计时器所确定的时间周期)和步进式马达的同步作用，冷却单元转变为步骤120中的关闭/备用状态，在该状态下，热气体旁路阀是完全打开的。在这一状态下，温度和释放压力的临界值警报失效(除了采用齿轮密封装置系统之外，其中只有温度临界值的警报失效)和风扇速度(蒸发器和冷凝器的风扇)被设定为空转(除了采用齿轮封闭装置系统或者是机械装置均点配置模式，其中的风扇以最小的速度保持运转)。在关闭/备用模式120，冷却单元10准备进行操作。
正如附图所示，操作的模式可以从关闭/备用状态120或者空转操作模式122转变为步骤124中的预先运转操作模式。如果以下的条件得以满足，将会发生转变：(1)延迟计时器没用计时；(2)设备接收来自控制器的命令；(3)吸入压力和释放压力是相等的；(4)由于泄漏，没有空转要求；以及(5)冷却单元的输入温度，当采用成排的或者是空气密封装置的配置，或者是返回的空气温度，当采用点式制冷配置，超过预定的制冷设定点和(参数值的)死区(即，防止不需要的转变回关闭/备用模式或者是空转模式的极限)。转变为预先运行的操作模式124也可以发生，当上述转变没有发生时，以及设备是通过控制器的命令进行操作的。当处于空转操作的模式122，转变也可能在以下情况下发生：当(1)延迟计时器没有计时，(2)吸入压力高于预定的临界值，例如，92psig，(3)冷凝盘不是满的，(4)由于泄漏，没有空转要求，(5)线性压力是均等的，以及(6)冷却单元的输入温度(对于成排的或者密封装置的配置而言)或者返回的空气温度(对于点式制冷配置而言)超过预定的制冷设定点和(参数值的)死区。
在预先运转的模式124中，热气体旁路阀是完全关闭的，以清除任何不再积极的事件。温度和释放压力的临界值的警报是可以使用的，而且蒸发器和冷凝器的风扇是全速(最大速度)运转的。延迟计时器被设定为预定的时间周期，例如，20秒。在126做预热准备时，冷却单元具有环境控制功能，其中压缩机是在运行当中的。在这一状态下，蒸发器和冷凝器的风扇是全速(最大速度)运转的，旁路阀关闭以允许系统变暖和在试图控制系统之前稳定下来。一旦变暖，冷却单元可以在128中开始操作，以提供上文中所描述的制冷操作。如果发生故障，将会在附图8中的130中显示，在124的预先运行，在126预热或者是在128运行模式下，预先运行的程序124可以再次启动。冷却单元可以进一步被配置用于在132中启动固件下载操作和在134中进行检测，在操作期间或者是供电期间都可以进行。
转变为空转模式122可以在出现以下情况时发生：(1)冷凝盘是全满的；(2)由于泄漏，要求空转；(3)当采用点式制冷配置时，返回的空气温度小于或者等于制冷设定点；(4)当采用成排的或者密封装置系统的配置，冷却单元输入温度低于制冷设定点，例如，90°F-sec；(5)如果要求高的初始压力输入(不是第三次，这样的事件是在30分钟内发生的)；或者(6)吸入压力低于预定的临界值，例如，92psig(不是第三次，这样的事件是在30分钟内发生的)。从变暖模式126或者运行模式128转变为故障模式130可能发生，当冷却单元是被控制器的命令操纵的和类似的传感器失效，或者有三个高的初始压力事件出现在30分钟内，例如，有三个低的吸入压力事件出现在30分钟内。
在一个实施方案中，从故障模式130到预先运行的模式124的转变可能发生，当以下的条件得以满足时：(1)冷却单元是通过控制器的命令进行控制的；(2)延迟计时器没有计时；(3)冷凝盘不是全满的；(4)没有类似的传感器失效；(5)例如，有三个高的初始压力事件出现在30分钟内的情况被清除；(6)例如，有三个低的吸入压力事件出现在30分钟内的情况被清除。转变回到关闭/备用模式120可能发生，当冷却单元是通过控制器的命令进行控制时。从变暖模式126到空转模式122的转变可能发生，一旦以下事件的其中之一发生时：(1)如果冷凝盘是全满的；(2)由于泄漏，要求空转；(3)当处于离散模式时，返回的空气温度低于或者等于制冷设定点，或者当处于比例模式时，支架的输入温度低于制冷设定点，例如，90°F-sec；(4)如果要求高的初始压力输入以及不是第三次，这样的事件是在30分钟内发生的。
参考附图9和附图10，在附图9中举例说明的是冷凝状态模式和在附图10中举例说明的是热气体的旁路阀状态模式。尤其是参考附图9，当涉及到冷凝状态时，冷却单元从140中的未供电条件转变为142中的供电条件。一旦被供电，通常的冷凝水平将在144中显示。当冷凝盘变满时，冷却单元的条件从通常的模式144转变为全满的模式146。当处于全满的模式146，信号将传递到控制器中或者传递到其他的可视或可听的警报中，以释放冷凝盘。当经过预定的时间周期，例如，10分钟，冷却单元的状态转变为在148中的全暂时休息模式。其他的全部故障将显示在附图9中的150中。例如，失效模式150可以被激发，当传感器，例如，漂浮传感器，不能将信号传递到控制器时。连同模式148，一旦接近预定的时间周期，例如，10分钟，冷却单元的状态将转变为在152的全部暂时休息模式。在146，148，150和152现实的故障可以在冷却单元返回到其通常状态模式144时得以修复。
参考附图10，当涉及到热气体旁路阀的状态，冷却单元从160中的未供电条件转变为162中的供电条件。一旦供电，将命令发送(例如，通过控制器或者通过网络管理器)到旁路阀中，以在164同步关闭位置，其中设定延迟计时器。一旦同步操作，正如在附图10的166所示，冷却单元将在模式168转变为后同步模式，其中旁路阀被重新设定位置，其在同步之前，如果是通过控制器或者是通过网络管理器进行命令控制的。一旦预定的延迟被延迟计时器所确定，例如，模式从168转变为170的准备模式，在此旁路阀的位置被记录和再次命令为同步。从该位置，冷却单元转变为模式166，在此旁路阀接收命令进行同步操作。该命令可以包括维持旁路阀关闭多长时间和是否在同步之后将阀旋转到之前的位置。
在操作过程中，冷却单元10被配置用于使系统的操作人员能够设定以下操作环境：空间中的点式制冷；位于设备支架的排的热通道中的制冷；或者支架空气密封装置的制冷，其在上文中所提到的第11/335,874号，第11/335,856号和第11/335,901号美国专利中有所描述。当配置用于点式制冷时，控制器可以选择为以下控制方法的其中之一：比例控制，其在某一设定点和死区中调整旁路阀和风扇的速度；或者间断控制(例如，为了节约能量)，其关闭旁路阀和压缩机的运转，当冷却单元中的返回和远程的空气温度超过某一临界值时。当采用远程的空气传感器是成排的布局时，传感器靠近支架的正面定位。当冷却单元中的温度低于或者等于临界温度时压缩机关闭。当为热通道和冷通道的环境进行配置时，可以采用比例控制的方法。同样地，当为支架空气的密封装置进行配置时，可以采用比例控制的方法。当在操作过程中，冷却单元可以被配置为保护压缩机的寿命和使压缩机的寿命最大化。
冷却单元10的控制器和/或系统管理器可以被配置用于监测和控制冷却单元的其他方面。例如，控制器和/或系统管理器可以被配置用于监测和控制电能的管理，事件的管理，用户界面，测试要求，冷凝监控，泄漏监控，运行时间计算，维护警报，故障警报和用户的输入和输出。
尤其是，在现有技术中的某一种制冷系统中，压缩机具有在操作期间循环进行开启和关闭的趋势，从而产生这样一种情形，即热空气从热通道中流到冷通道中，原因就在于蒸发器的风扇在压缩机关闭期间是运转的。正如上文中所讨论的那样，为了解决压缩机所不需要的循环的问题，冷却单元10包括旁路阀64和蒸发器的风扇68。在某一个实施方案中，旁路阀64是一种电控膨胀阀，该阀由Washington，MO的Sporlan Division ofParker-Hannifin Corporation提供的。进入到位于下层的模块12中的空气的温度可以被监控和用作设定温度。冷却能力的控制可以通过以下三种方法的其中之一获得。这三种方法是：(1)点式比例模式(例如，在数据室中)；(2)成排的模式(例如，应用在数据中心的热通道/冷通道中)；以及(3)支架空气密封装置系统(RACS；例如，在具有至少一个设备支架和至少一个冷却单元的封闭系统中)。
在制冷负载是最小的情况下，进入到冷却单元10中的空气的温度可能会降低，以致温度接近冷却单元的设定温度。在进入到位于下层的模块12中的空气温度接近设定温度的情况下，冷却单元的冷却能力会降低，是由于过路的热空气会通过导管66和旁路阀64流回到蒸发器44中。有两种方法可以用于降低(或者调整)冷却单元的冷却能力。这两种方法是：(1)使用热空气旁路阀；以及(2)一并使用变速的蒸发器风扇和热气体旁路阀。
在另外一个实施方案中，通过降低蒸发器风扇的速度，可以降低冷却单元10的能力。结果导致提供的空气温度的降低，和在比例模式中的旁路阀调整提供的空气温度。尤其是，在特定的实施方案中，点式比例模式中的默认的补给空气设定点可以是57°F。在另外一个特定的实施方案中，在成排的和密封装置的空气系统模式中的默认的补给空气设定点可以是68°F，根据ASHRAE章程，该温度是最小的空气温度。正如上文中所讨论的那样，温度传感器，例如，传感器60，安装在系统中靠近压缩机30的输入端，其可以监控冷却液进入到压缩机中的返回的气体温度。为了保持返回的冷却液小于预定的温度(例如，68°F)，以及保护压缩机30的温度，旁路阀64可以进行截留和蒸发器的风扇速度可以降低，即使是在需要有冷却液旁路的情况下。
根据某一种情况，当旁路阀64中流过热气体冷却液时，管道中的冷却液的速度会降低。冷却液速度的降低可能限制包含在从回流中到压缩机30中的冷却液的压缩机油的能力。众所周知的是，冷却液中含有的预定数量的机油是为了保护压缩机30的工作部件。在某一个实施方案中，旁路阀64可以被配置用于短时间的关闭，例如，大约10秒，每20分钟一次，或者当旁路阀是在打开位置上操作时。通过周期性地关闭旁路阀64一段时间，可以在管道中获得相对高的冷却液的速度，以致管道中的截留的任何机油被迫流回到压缩机30中。
在操作过程中，低的蒸发温度可以在系统中相遇，在该系统中，过滤干燥器46或者空气过滤器中会形成阻碍，从而降低冷却单元10的冷却能力。低的蒸发温度可以达到临界条件，并且由于进入到压缩机中的冷却液的作用可能导致对压缩机30产生损害。在一个实施方案中，为了缓解这一潜在的危害，冷却单元10中的蒸发器的风扇68，正如上文中所讨论的那样，其可以具体体现为多种(例如，3种)可变的速度，DC风扇与靠近受液器58定位的压力传感器62一并工作。压力传感器62被配置为用于获得冷却液在进入到压缩机30中的蒸发压力的读数。在一个实施例中，当蒸发温度降低到低于预定的温度，例如，40°F时，例如，当被压力传感器62监测到时，冷却液的饱和温度可以从显示在控制器的固件上的表格中确定。温度传感器60测量流向压缩机30的返回的气体的温度。冷却单元10可以通过借助写入到控制器的固件中的编程的操纵系统(例如，PID控制系统)来提高蒸发器的风扇68的速度的方式以提高蒸发器的空气流动速度。如果提高蒸发器的空气的流动速度(通过提高蒸发器的风扇的速度的方式)没有导致蒸发的冷却液的温度的提高，而且温度低于第二预定温度，例如，37°F，旁路阀64将会传递冷却液的热气体以提高蒸发温度。控制器可以被配置用于启动报警，如果蒸发温度降低到低于第三预定温度，例如，34°F时。
相反地，本发明的各个实施方案中的冷却单元10也可以被配置用于解决数据中心或者设备室中的高热负载所产生的当进入到压缩机30中的高的返回冷却液的气体温度的问题。如果时间拖延过久的话，所述高温可能会降低压缩机30的使用寿命，或者导致压缩机的损害。在一个实施方案中，冷却单元10可以被配置，以致靠近压缩机30的温度传感器60能够监测到进入压缩机中的冷却液的温度。当冷却液的气体温度达到预定的温度，例如，68°F时，控制器可以借助写入到控制器的固件中的编程的操纵系统(例如，PID控制系统)来降低蒸发器的风扇速度68的方式来减少蒸发器中的空气流动。
在某一环境下，由于在悬挂式天花板的配置中没有温度控制，因此，当数据中心或者设备室包括悬挂式天花板，或者当软管或者输送管被用于将空气输送到周围环境中，通过吸入口70来控制进入到冷凝器中的空气温度是困难的。这种限制将会导致低的空气温度被适用到冷凝器34中，从而冷凝器将会产生低的冷却液温度。在某一条件下，超低的冷凝温度可能导致冷却液以液态的方式涌回到压缩机30中，并且损害到压缩机。在一个实施方案中，冷凝器的风扇86可以有3种可变速度，DC冷凝器的风扇可以与靠近冷凝器34的压力传感器36配合操作。在其他的实施方案中，冷凝器的风扇可以是具有VFD的AC或者具有正弦波的断路器的SC PSC。冷凝温度可以通过采集自压力传感器36或者温度传感器的读数来计算。控制器可以被配置用于将温度维持在预定温度之上，例如，95°F，举例来说，可以通过写入到控制器的固件中的操纵系统(例如，PID控制系统)来实现。在其他的实施方案中，通过释放管道42的从冷凝器34中释放出来的冷却液的释放压力可以被监控，以控制冷凝器的风扇86的速度。特别的是，释放压力的设定点，例如，420psig，可以通过借助操纵系统(例如，PID控制系统)以调整风扇的速度来获得。
相反地，当在悬挂式的天花板中(或者在通过吸入口70来使用柔性软管将空气输送到冷凝器中的情况下，其可以空气流向冷凝器的流动速度)的空气温度高于预定的温度，例如，高于100°F时，举例来说，将会导致提高的冷凝压力。这将导致高压断路开关38关闭向压缩机30的供电，从而导致制冷的总损失。在一个实施方案中，冷凝压力可以通过压力传感器36来进行测量。例如，冷却单元10可以被配置，以致当冷凝压力达到预定的压力，例如，550psig时，高压断路开关38关闭向压缩机30的供电。在一个方法中(点离散模式)，如果冷凝的压力到达，例如，520psig时，旁路阀64打开，并通过导管66将冷却液输送到蒸发器44中。冷却液流向冷凝器34的减少的质量流动比率将会减少热损耗，以及冷凝压力被防止达到预定的关闭压力。然而，系统中微小的压力降低都可能导致，冷却单元10仍然在操作过程中，以提供所需要的制冷。在另外一种方法中(点比例，成排的和支架空气的密封装置)，如果冷凝压力达到预定压力，例如，520psig时，蒸发器的风扇68的速度将会降低，以减少冷却能力，和冷凝器中的热损耗将有助于降低释放压力。旁路阀64也可以被操作用于提高或者降低释放压力。减少蒸发器的空气流动将会降低提供的空气温度，其是通过旁路阀来进行调整的。
正如上文中所讨论的那样，在某一些实施方案中，以下的控制策略将在运行模式中使用，例如，附图8中的模式128。当将旁路阀控制在离散效率控制模式下时，旁路阀通常是保持关闭的。如果释放压力超过某一临界值，例如，520psig时，旁路阀可以线性打开为50％的最大量的提高的预定压力，例如，550psig。参考附图11，当将旁路阀控制在比例效率控制模式下时，旁路阀通过PID控制器进行调整，例如，调整为(1)将蒸发温度维持在安全的范围内，例如，在38°F和56°F之间，以及(2)将提供的空气温度维持在预定的，用户可以调整的提供空气设定点的范围内，例如，在52°F和73°F之间。
在某一些实施方案中，参考附图12，在全模式下(离散效率和比例效率模式)，冷凝器的风扇速度可以通过PID控制器进行调整，以维持预定的释放压力，例如，425psig。同样地，参考附图13，蒸发器的风扇速度，在离散效率的模式下，蒸发器的风扇通常是匀速运转的。用户可以通过在控制器的用户界面上，例如，显示器单元，设定性能参数来确定蒸发器的风扇速度。特别是，在一个实施方案中，用户可以选择点离散模式中的5种风扇速度的其中之一，例如，高速，中高速，中速，中低速和低速。在其他的实施方案中，风扇可以被配置为在多种风扇速度中进行操作。除此之外，如果部分释放温度超过预定的极限，例如，68°F，蒸发器的风扇速度可以线性降低为在预定温度，例如，75°F，50％的最小量。在比例效率控制模式，其可以是点制冷或者成排的配置，蒸发器的风扇速度可以通过PID控制器进行控制，以将制冷支架的输入温度维持在预定的用户可以配置的设定点上。此外，蒸发器的风扇速度可以按比例减少，以缓解某些反常的条件。特别是，蒸发器的风扇速度可以在以下条件下是后比例的。当监测到高的初始压力时，蒸发器的风扇速度可以被刻度为100％，上至预定的释放压力，例如，520psig，下至提高的预定温度，例如，550psig的50％的最小值。刻度的比例可以配置为线性的。当监测到高的吸入温度时，蒸发器的风扇速度可以被刻度为100％，上至预定的吸入压力，例如，68°F，下至提高的预定温度，例如，75°F的50％的最小值。由于高的吸入压力的监测，刻度的比例可以配置为线性的。可以同步监测高的初始压力和高的吸入温度的反常情况，数字上最小的刻度因素可以用于对蒸发器的风扇速度进行刻度。
在特定的实施方案中，具有比例效率控制配置或者在空气密封装置的配置中，蒸发器的风扇速度可以通过以下的方程式进行控制：
TR＝((Q实际×3415)/(CFM实际×1.08))+TS   (1)
其中TR-理论返回空气温度；
Q实际-以瓦特为单位的实际功率输出；
CFM实际-以立方英尺/分钟为单位的经由蒸发器的空气流速；
TS-以华氏度为单位的提供的空气温度；
3415-将kW转变为BTU/小时；以及
1.08-功率常数。
接下来，理论返回空气温度可以与实际的空气返回温度通过以下方程式进行平均：
接下来，空气密封装置系统中的功率需量通过以下方程式确定：
Q需量＝(ΔT×CFM实际×1.08)/3415   (3)
其中Q需量-功率需量；
T设定点-以华氏度为单位的提供的空气设定点；以及
CFM实际-以立方英尺/分钟为单位的经由蒸发器的空气流速。
接下来，空气密封装置系统中的空气流动需量通过以下方程式进行计算：
CFM需量＝(Q需量×3415)/(ΔT变数×1.08)   (4)
其中CFM需量-空气密封装置系统中的空气流动的功率需量；以及
ΔT变数-冷却单元中的理想的温度的变数的增值。
最后，理想的蒸发器风扇速度可以通过以下方程式进行计算：
速度百分比＝(CFM需量/1200)×100   (5)
其中，速度百分比-蒸发器的风扇速度；以及
1200-以立方英尺/分钟为单位的最大空气流动。
在以上对冷凝器的风扇和蒸发器的风扇的操作的基础上，冷却单元10可以配置用于对其冷却能力进行优化。特别是，冷却能力可以通过以下方程式进行计算：
冷却能力＝压缩机的冷却能力-蒸发器风扇的热量-潜在制冷                                  (6)
冷却单元10的控制器和部件可以通过采用多项方程式进行配置，所述多项方程式具有压缩机30，冷却液的蒸发温度和冷却液的冷凝温度所特有的系数。特别是，对于在数据中心或者设备室中所使用的每一个制冷来说，压缩机30具有一系列用于计算制冷输出量、质量流动比率、能量的有效比率和电流牵引的系数。每一组系数可能由最多10个系数，结果是，压缩机的冷却能力可以通过控制器中的固件进行计算。冷却液的压力通过压力传感器进行测量，以及蒸发和冷凝温度可以从冷却液的蒸发和冷凝压力进行计算和/或通过温度传感器进行测量。
通过ARI-540压缩机的冷却能力的系数进行净可感的冷却计 算
在一个实施方案中，为了基本方程式(6)的基础上进行确定的冷却能力，冷却能力可以通过采用以下的方程式来确定：
PC＝(Q压缩机-Q压缩损失-1052.6×CR×0.2928104-Pf)/1000  (7)
其中，PC-净可感的冷却能力；
Q压缩机-压缩机的性能；
Q压缩损失-压缩机的热损失；
1052.6-冷凝1磅水所需要的能量；
CR-冷凝产出率；
0.2928104-将BTU/小时转变为瓦特；以及
Pf-风扇的功率。
方程式(7)使用的是工业标准的ARI-540型压缩机制冷系数。特别是在参考附图14时，当采用方程式(7)，在200处，在压力传感器上的冷却液的压力以psig为单位的测量值，并且在202处可以操纵用于计算绝对的冷却液的吸入和释放压力(通过对测量压力增加14.7pisg的方式)。接下来，在204，压力的测量值从I-P单位转变为SI单位。在206，冷却液的蒸发和冷凝温度可以被计算。在208，ARI-540的多项方程式可以进行如下计算：
X＝C1+C2×(S)+C3×D+C4×(S2)+C5×(S×D)+C6×(D2)+C7×(S3)+C8×(D×S2)+C9×(S×D2)+C10×(D3)                               (8)
其中，X-可以是(1)压缩机的能力，(2)冷却液的质量流动比率，(3)压缩机的输入功率或流量，或者(4)是功率效率比(EER)；
C-代表压缩机性能的等式系数；
S-以℃为单位的吸入露点温度；以及
D-以℃为单位的释放露点温度。
接下来，在210，压缩机的性能(Q压缩机)可以通过插值选定的压缩机性能系数(以SI为单位)的方法来计算为ARI-540多项方程式(8)。在212，压缩机的功率输入可以通过插值选定的功率系数(以SI为单位)的方法来计算为ARI-540多项方程式(8)。在上述计算的基础上，理论上的热损耗部分可以在214通过加入Q压缩机和P压缩机以瓦特为单位进行计算。最后，在216，压缩机的热损失得以计算。基于以上讨论的结果，冷却单元的冷却能力得以确定。人们将会注意到压缩机的系数可以以米制单位和英制单位来提供。当蒸发温度和冷凝温度采用摄氏度(℃)为单位的温度读数时，压缩机的系数可以表示为米制单位。当蒸发温度和冷凝温度采用华氏度(°F)度为单位的温度读数时，压缩机的系数可以表示为英制单位。人们将会进一步认识到，如果压缩机不是处于蒸发器的空气流中，方程式(7)中的Q压缩损失部分将会被忽略。
实施例
使用多项式方程式(7)，其采用的是ARI-540多项式方程式(8)，冷却单元的能力可以通过以下进行计算。方程式(8)被采用时，假设下表1中的系数是用于60赫兹的压缩机：
系数 压缩机的冷却能力
C1 2.206E+04
C2 3.403E+02
C3 -2.265E+02
C4 4.067E+00
C5 -8.068E-01
C6 1.352E+00
C7 1.309E-02
C8 -1.900E-02
C9 -2.813E-03
C10 -3.881E-03
表1
以下估值适用于风扇的功率，冷凝产出率和压缩机的热损失：
Pf-300瓦特；
CR-1.6磅/小时；以及
Q压缩损失-150瓦特。
以及最后，以下实验测量值可以用于确定冷却液的吸入和释放露点的温度：
蒸发温度-136psig；
释放压力-438psig；
吸入露点温度-47.1°F；以及
释放露点温度-123.9°F。
鉴于以上讨论，冷却能力可以获得：
Q压缩机＝6393瓦特
Pc＝(6393-150-1052.6×1.6×0.2928104-300)/1000
Pc＝5.45千瓦
通过单元提供和返回的空气温度进行的净可感的冷却计算
在另外一个实施方案中，冷却能力可以通过以下的方程式来确定：
PC＝((SCFM×0.075×60)×Cp×DT空气/3.415-Q压缩损失-Pf)/1000                          (9)
其中，PC-净可感的冷却能力；
1000-将瓦特转换为千瓦；
Cp-以BTU/1b-°F的空气热量；
Q压缩损失-压缩机的热损失；
DT空气-提供和返回的空气温度差；
SCFM-给定的风扇速度下的估计的标准体积流动速度；
0.075-以1b/ft3为单位的标准空气的粘度；以及
Pf-风扇的功率。
参考附图15，在220，测量的是冷却单元的返回和补充的空气温度。接下来，在222，平均的返回和补充的温度被确定。在224，温度差(DT空气)是在返回和补充的温度的均值的基础上进行计算的。在226，蒸发器的线圈中标准空气流动速度是以给定速度进行计算的，以确定SCFM，假设特定的热量Cp是0.243BTU/1b-°F。在228，计算质量流动比率，之后在230和232计算可感的冷却能力。
通过冷凝器线圈的热损耗进行的净可感的冷却的计算
在另外一个实施方案中，冷却能力可以通过以下的方程式来确定：
Q热＝((SCFM×0.075×60)×Cp×DT空气/3.415  (10)
Q压缩机＝Q热-P压缩机    (11)
Pc＝(Q压缩机-1052.6CR×0.2928104-C压缩损失-Pf)/1000  (12)
其中，Q热-冷凝器线圈中的热损耗
PC-净可感的冷却能力；
Q压缩机-压缩机的性能；
Q压缩损失-压缩机的热损失；
1052.6-用于冷凝1磅的水所需要的能量；
0.2928104-将BTU/小时换算为瓦特；
Pf-风扇的功率；
CR-冷凝产物；
Cp-以BTU/1b-°F的空气热量；
DT空气-提供和返回的空气温度差；
P压缩机-压缩机的功率消耗；
1000-将瓦特转换为千瓦；
SCFM-给定的风扇速度下的估计的标准体积流动速度；
0.075-以1b/ft3为单位的标准空气的粘度。
参考附图16，采用方程式(10)-(12)计算冷却能力的方法如下。在240，测量进入到冷凝器中和从冷凝器中排出的空气的温度。在242，进入到冷凝器中的空气和从冷凝器中排出的空气之间的温度差经过计算为达到DT空气。接下来，在244，对冷凝器线圈中的标准流动速度(SCFM)进行估计，假设比热(Cp)为0.243BTU/1b-ft。在246，计算质量流动比率(以1b/hr为单位)。在248，对冷凝器的热损耗进行计算并通过将结果除以3.415转换为瓦特。压缩机的功率输出通过插值选出的压缩机的功率输出系数(以SI为单位)在250进行计算，到252的ARI-540多项方程式(8)。在254和256，压缩机的制冷输出和冷却能力被分别进行计算。对于冷却能力，潜在的能力，风扇的热量和压缩机的热损失都从压缩机的制冷输出中减去，以确定可感的冷却能力。
通过ARI-540压缩机的制冷剂的质量流动比率的系数进行的 净可感的冷却的计算
在又一个实施方案中，冷却能力可以通过采用以下的方程式来确定：
PC＝(Q总-Q压缩损失-1052.6×CR×0.2928104-Pf)/1000(13)
Q总＝M×(h输入气态-h液)     (14)
其中，PC-净可感的冷却能力；
Q总-总冷却能力；
Q压缩损失-压缩机的热损失；
1052.6-冷凝1磅水所需要的能量；
CR-冷凝产出率；
0.2928104-将BTU/小时转变为瓦特；
Pf-风扇的功率；
1000-将瓦特转换为千瓦；
Q总-总冷却能力；
M-冷却液的质量流动比率；
h输入气态-在蒸发器的线圈输出上的冷却液的热函；以及
h液-在热膨胀阀的输入端上的冷却液的热函。
参考附图17，在260，冷却液的测量吸入压力和释放压力分别在吸入管道和释放管道中进行测量。在262，绝对的冷却液的吸入压力(或者是指蒸发压力)和释放压力(或者是指冷凝压力)对在260获得的测量压力增加14.7pisg的方式进行计算。在264，单位转变为SI单位。接下来，计算露点的蒸发和冷凝温度。在268，ARI-540多项方程式(3)被采用。在270，压缩机中的冷却液的质量流动比率通过插值选定的压缩机的性能系数进行计算。在272，在热膨胀阀的输入端和蒸发器线圈的输出端上的冷却液的热函通过冷却液的压力和温度进行计算。最后，在274和276可以计算出总的冷却能力和净冷却能力。
通过具有电热气体旁路阀的ARI-540压缩机的制冷剂的质量 流动比率的系数进行的净可感的冷却的计算
在进一步的实施方案中，冷却能力可以通过采用以下的方程式来确定：
PC＝(Q总-Q压缩损失-1052.6×CR×0.2928104-Pf)/1000  (15)
Q总＝M×(h输入气态-h混合蒸发器输入)     (16)
h混合蒸发器输入＝(M旁路阀×h输出气态+(M-M旁路阀)×h液)/M(17)
其中，PC-净可感的冷却能力(kW)；
Q总-总冷却能力(W)；
Q压缩损失-压缩机的热损失(W)；
C-冷凝产出率(1bs/hr)；
Pf-风扇的功率；
M-通过使用ARI-540质量流动比率的系数计算出的制冷剂的质量流动比率(kg/sec)；
h输入气态-在蒸发器线圈的输入端上的气态制冷剂的热函(W/kg)；
h混合蒸发器输入-在蒸发器线圈的输入端上的最少的制冷剂的热函(W/kg)；
M旁路阀-通过旁路阀的制冷剂的质量流动比率(kg/sec)；
h输出气态-在压缩机的输出端上的气态制冷剂的热函(W/kg)；
h液-在膨胀阀的输入端上的液态制冷剂的热函(W/kg)；
1052.6-冷凝1磅水所需要的能量；
0.2928104-将BTU/小时转变为瓦特；
1000-将瓦特转换为千瓦。
并不是如同方程式(7)那样依靠工业标准的ARI-540压缩机制冷系数，方程式(15)可以在热气体旁路阀被打开时被采用。方程式(7)可以在旁路阀关闭时使用；然而，当热气体旁路阀打开时，这一方程式将会产生不可靠的结果。为了计算旁路阀打开时的冷却能力，制冷剂的流动速度和热函值需要用于计算冷却单元的总冷却能力。在一个实施方案中，质量流动比率可以通过使用读数进行确定，所述读数是来自吸入压力和释放压力的传感器和通过采用在以下的表格3中提供的方程式进行确定。在又一个实施方案中，有两个附加的压力传感器定位在热气体旁路阀64的输入端和输出端上，用于测量流经热气体旁路阀的流动速度。
正如上文中结合方程式(6)进行陈述的那样，净可感的制冷等于总冷却减去潜在的制冷减去与风扇和其他部件有关的热损失。为了计算出风扇的热损失，可以使用在以下的表格2中显示的假设条件：
风扇速度 热损失(风扇和MISC)
100 1037
95 914
90 799
85 723
80 674
75 638
70 605
65 574
60 548
55 509
50 469
45 437
40 406
35 375
30 346
25 324
表2
通过使用压缩机的质量流动比率ARI-540系数和制冷剂的蒸发和冷凝饱和温度进行计算的压缩机的质量流动比率。例如，在表1中显示的系数可以在使用60赫兹的压缩机时使用。特别是，可以使用以下的的多项方程式：
M压缩机＝{C1+C2×(TE)+C3×(TC)+C4×(TE)2+C5×(TE)×(TC)+C6×(TC)2+C7×(TE)3+C8×(TE)2×(TC)+C9×(TE)×(TC)2+C10×(TE)3}(18)
其中，M压缩机-压缩机的制冷剂的质量流动比率(1b/min)；
TE-蒸发温度(°F)；以及
TC-冷凝温度(°F)。
在热气体旁路阀打开之后，第一顺序公式可以形成：7.5％，10％，15％，20％，25％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％和100％。制冷剂通过热气体旁路阀的流动可以在7.5％打开时启动。
使用表格3，流经热气体旁路阀的制冷剂的质量流动比率可以进行如下计算：
HGBV 机开 公式
比例(％) 步骤 MHGBV[1b/m]
7.5 120 (0.0221988×PD+3.83034)×M压缩机/100
10 160 (0.0395686×PD+8.78194)×M压缩机/100
15 239 (0.09747769×PD+8.94475)×M压缩机/100
20 319 (0.0952355×PD+15.2806)×M压缩机/100
25 399 (0.108888×PD+15.6116)×M压缩机/100
30 479 (0.126575×PD+14.4788)×M压缩机/100
40 638 (0.12971×PD+18.8012)×M压缩机/100
50 798 (0.148736×PD+21.7109)×M压缩机/100
60 958 (0.141607×PD+28.5625)×M压缩机/100
70 1117 (0.127498×PD+35.1903)×M压缩机/100
80 1277 (0.157793×PD+29.5813)×M压缩机/100
90 1436 (0.114126×PD+46.1506)×M压缩机/100
100 1596 (0.135256×PD+43.7494)×M压缩机/100
表3
鉴于上文中的描述，吸入其他的热函值可以通过以下方程式进行计算：
H吸入＝0.0833088×T吸入+119.474   (19)
其中，H吸入-吸入气体的制冷热函(Btu/1b)；以及
T吸入-吸入气体的温度(°F)。
液态制冷剂的热函值可以通过以下方程式进行计算：
H液＝0.0833088×T液+119.474   (20)
其中，H吸入-液体的制冷热函(Btu/1b)；以及
T吸入-液体制冷剂的温度(°F)。
热气体的制冷剂的热函值可以通过使用以下的方程式进行计算：
当热气体旁路阀打开小于50％，或者当热气体的旁路阀打开大于50％，以及冷凝压力和蒸发压力之间的压力差小于220psi时，
H热气体＝0.036414×P冷凝+124.276   (21)
当热气体旁路阀打开大于50％，压力差小于220psi时，
H热气体＝0.036414×P冷凝+124.276-1.5   (21)
其中，H热气体-热气体制冷剂的热函值(psi)；以及
P冷凝-释放压力或者是冷凝压力(psig)。
参考附图18，一种用于计算净可感的冷却能力的方法通常用表示为300。正如附图所示，在302，测量制冷剂的标准吸入，液态和释放压力和温度。在304，制冷剂的吸入和释放压力的绝对值通过在标准压力中加入14.7psi进行计算获得。在306，IP单位被转换为SI单位(1psi＝6.8948kPa)。接下来，在308，制冷剂的露点蒸发和冷凝温度通过使用线性回归的多项式函数的其中之一进行计算。例如，在步骤310，多项式方程式(8)可以用于计算露点的蒸发压力和冷凝压力。接下来，在312，制冷剂的质量流动比率[kg/sec]可以通过插值所选定的压缩机的性能SI单位系数进行计算。在314，在压缩机的输出端上和阀的输入端上和蒸发器的线圈输出端上的制冷剂的热函既可以获得也可以通过使用制冷剂的压力和温度进行计算。在316，压缩机旁路的制冷剂的质量流动比率可以通过使用热气体旁路阀所产生的曲线配合的多项式进行计算。这些多项式可以是不同的阀门开启的曲线配合的多项式。在318，总的冷却能力可以通过使用方程式(16)进行计算。最后，在320，冷却单元的净可感的冷却能力可以通过使用方程式(15)获得。
在一个实施方案中，在附图18中显示的方法300可以通过SC冷却单元执行，该冷却单元是由West Kingston，RI的美国电能转换公司获得。InRow SC冷却单元尤其适用于较小的应用，例如，在服务器室和线盒中适用。在另外一个实施方案中，方法300可以由InRow RC冷却单元执行，其也可以由美国电能转换公司提供。InRow RC可以体现为冷却单元10，可以是成排的结构，从介质到大型的数据中心的冷水制冷方案，包括高密度的应用。在其他的实施方案中，方法300可以采用包括热气体旁路阀的任何一种冷却单元。
在某一个实施方案中，冷却单元可以被配置用于提供不间断的制冷。特别是，人们已经发现，在释放压力达到预定的关闭压力之前，使来自高压的热气体一侧的旁路中的冷却液的温度降低到压力吸入一侧的温度，可以降低流向冷凝器的冷却液的流动速度，从而以减小进入到冷凝器中的冷却液的释放压力。在某一个应用中，进入到冷凝器的线圈中的空气的温度相对高，例如，100°F或者更高，可能会发生空气流动回到冷凝器的情况。这将会导致非常高的冷凝温度，其要求高压截止开关用于激活，从而关闭向压缩机提供的电能。明显地是，提高的温度的暴露可能导致对设备存储支架上的电子设备产生损害。
在一个实施方案中，在释放管道中的压力传感器可以用于测量进入到冷凝器中的冷却液的温度。正如在上文中所讨论的那样，冷却单元可以配置有压力截止开关，例如，开关38，其可以截断电能，当冷凝压力达到预定的压力，例如，550psig。如果，例如，冷凝压力达到预定的压力的临界值时，例如，525psig，冷却单元可以被配置为具有旁路阀，其将打开以允许一部分的高压冷却液回流到冷凝器中。到冷凝器的线圈中的冷却液的质量流动比率与热损耗一并减低，以及冷凝器的压力被限制，以致在冷凝器中的压力低于550psig。其结果是，会导致冷却能力的降低，但是可以防止制冷的总损失，原因就在于压缩机仍保持在运行状态中。
因此，人们可以观察到，通过控制冷凝器的风扇速度，冷凝压力可以根据需要降低，因此可以避免极端的高或低的蒸发温度，以及吸入到压缩机中的高的吸入温度也可以避免。除此之外，冷却单元的能力也得以控制。通过操纵热气体旁路阀，冷凝温度可以减低以防止冷却单元达到高的临界(关闭)压力，蒸发温度可以被控制和空气的温度也可以被控制。同样地，为了更快和更安静地重启压缩机，在压缩机“离开循环”以排出冷却液压力均化时，可以操纵热气体旁路阀以便用于开启操作。通过周期性地关闭热气体旁路阀，向冷凝器进行的冷却液的运送可以是增加的，以迫使液压油的运送可以截留回到压缩机中。
正如所讨论的那样，冷却单元10是模块化和可以扩展的，以致为数据中心设计制冷系统的人员可以选择各种不同的部件。特别的是，这取决于配置在数据中心中的电子部件，和根据部件对操作条件进行优化，设计人员可以采用任何数量的冷却单元以便为特定的数据中心提供主制冷和备用制冷。在一个实施方案中，冷却单元在房间中的位置可以通过作为辅助设计的计算机来确定。第11/120,137号美国专利申请可以作为参考文件，该申请的发明名称是“METHODS AND SYSTEMS FOR MANAGINGFACILITY FOWER AND COOLING”，该申请是在2005年4月7日提交的。第60/719,356号临时专利申请也可以作为参考文件，该申请的发明名称是“MOTHODS AND SYSTEMS FORMANAGING FACILITY FOWER AND COOLING”，该申请是在2005年9月22日提交的，上述申请都已转让给本申请的受让人，在此通过引用并入本文。这些申请通常揭示的系统和方法是用于设计数据中心和用于管理安装在数据中心中的设备。
在一种配置中，冷却单元可以是集成化的并从制作或者分配工厂中运送到数据中心。一旦接收到，冷却单元可以进行组装和安装在数据中心中。特别是，冷却单元适合于连接到电源上(没有显示)和控制器上，以便完成安装。
正如上文中所提到的内容，在一个实施方案中，控制器可以是一种独立的专用单元，其控制一个或更多的质量单元的操作。在另外一个实施方案中，主控制器可以配置在冷却单元的其中之一上，以代替备用的控制器单元的其中之一，具有控制器的功能冷却单元作为主冷却单元和其他的冷却单元作为备用的冷却单元。在又一个实施方案中，冷却单元的操作可以是在集成的数据控制和监控系统下进行的，监控系统具有的每一个冷却单元轨道都有控制器，其通过网络与其他的冷却单元进行通讯。在一个所述的实施方案中，控制器可以与数控中心的控制系统进行通讯，以提供制冷系统的部件的状态和为数据中心的控制系统接收控制命令。在一个实施方案中，每一个冷却单元都包括控制器，其可以通过网络与数据中心的控制器进行通讯，例如，CAN数据总线的网络，和在一个所述的实施方案中，数据中心的控制器可以通过集成的数据中心控制和监控系统来执行，例如，InfraStruXureTM数据中心管理器，其由West Kingston，RhodeIsland的美国电能转换公司提供的，是本申请的受让人。
在某一个实施方案中，冷却单元可以采用成套工具的形式，以便为数据中心进行制冷。这取决于数据中心的空间体积，成套工具的部件可以是扩展的以符合数据中心的制冷要求。在一个实施方案中，成套工具包括预定数量的冷却单元，其适合于被布置在数据中心的设备机架的排中。冷却单元可以采用上文中所描述的冷却单元。
因此，人们将会注意到，本发明的各种实施方案中的冷却单元可以进行特殊的配置，以适应数据中心的可扩展的和模块化的应用。制冷系统可以具有成套工具的形式，其可以进行手动安装，而无需特殊的制冷系统安装方面的训练和无需特殊的工具。冷却单元的一个优势在于其可以在数据中心中移动，或者移动到另外一个数据中心中，当环境的条件发生改变或者数据中心中的需要发生改变时。其他的优势在于，每一个冷却单元都是独立的，因此仅有电源和通讯要求可以传递到每一个单元中。不需要外部的制冷系统。
除此之外，由于冷却单元可以提供为成排的形式，制冷电源可以布置用于吸入数据中心中最热的空气和对其进行冷却以降低到低于周围大气环境的温度。设计特征消除了室温的混合的热气体的无效性，从而获得暖的混合气体。这样的设计显著降低了由空调所提供的潜在的制冷，从而部分消除了对湿度的需要。对有效性的改进可以通过以下事实体现，即冷却单元(例如，冷却单元10)的底座可以减少(例如，通过提高30％)以获得相同的制冷性能。特别是，具有脚轮和校准轮的可以移动的冷却单元配置提高了制冷系统的有效性和扩展能力。为了帮助操作人员对冷却单元的位置进行优化，每一个单元的冷却能力都可以由操作人员进行监控，以及对流动速度、冷却液和输入和输出的空气温度和压力差进行监控。这些读数可以帮助操作人员放置冷却单元，每一个冷却单元可以平衡最大数量的热量，同时为操作人员在房间设计和布置中提供更高的灵活性，并去除需要在数据中心的周围安装空调的约束。从电源来看，每一个冷却单元是在直流电条件下进行操作的，因此能够提供输入的电能提高一些灵活性。所以，冷却单元不再需要特定伏特电压进行配置。
正如上文中所讨论的那样，本发明的各个实施方案中的冷却单元可以进一步作为集成的数据中心控制和监控系统的一部分来提供。当使用这样的集成控制和监控系统时，冷却单元可以非常容易地移除，以便进行维护和在数据中心的其他位置上进行重新定位。冷却单元也可以被集成到建立数据中心的现有的制冷系统中，例如，与一个或更多的CRAC单元结合在一起，以在数据中心中需要的地方提供额外的冷却空气。
通过优化一些因素，冷却单元可以具有预定失效的确定模块。特别是，当某些部分(例如，马达，风扇或者其他磨损部分)即将到达使用寿命的期限时，每一个冷却单元通过控制器都可以被设计为向操作人员发出警报。所述模块的配置可以进行定时的预防性维护并解除可能发生的停机。警报可以发送到冷却单元的布局中，或者通过集成的控制和监控系统提供给数据中心的操作人员。除此之外，冷却单元的控制器可以配置为主控制器，其可以通过提供在失效的冷却单元的位置附近的其他冷却单元的输出来补偿特定的冷却单元的失效。
根据本发明中的冷却单元的各种实施方案，人们可以清楚地了解到，不再需要活地板。由于避免了活地板的使用，与设计和提供活地板相关的费用也免除了。除此之外，由设备支架所支撑的设备可以更好地固定在数据中心的地板上，从而提高了抗震性。由于相对低的净空高度的房间可以使用，因此用于若干的房间和数据中心的合适的位置的数量将增加。此外，也不再需要使用用于活地板的斜坡。
本发明的各种实施方案中的冷却单元与现有的系统相比能够更快地进行安装。由于冷却单元包括闭环的制冷系统，仅仅需要将电源和通信连接到冷却单元中。因此，数据中心看起来会更加专业。
由于已经对本发明的至少一个实施方案的若干方面进行了讨论，人们将会理解，各种不同形式的改变，修改和改进对于本领域内的普通技术人员来说是显而易见的。这样的改变，修改和改进都是在此公开的内容的一部分，而且也是符合本发明的主旨并在本发明的范围之内的。

Claims (15)

1.一种操作具有一个或多个冷却单元的冷却系统方法，该方法包括：
在包括关闭/备用条件和供电条件的一个或多个操作条件之间，将冷却系统的冷却单元的操作转变为主操作状态，
其中经过一段预定的时间周期和冷却单元的步进式马达的同步作用，冷却单元从供电条件转变为关闭/备用条件，其中冷却单元的热气体旁路阀是完全打开的，
其中冷却单元的温度和释放压力的临界值警报失效并且冷却单元的蒸发器和冷凝器的风扇速度被设定为空转，以及
其中在关闭/备用条件下，冷却单元准备进行操作。
2.根据权利要求1的方法，其中操作条件从关闭/备用条件或空转操作条件转变为预先运转操作条件，满足以下被提供的条件：(1)延迟计时器没有计时，(2)冷却单元接收来自冷却系统的控制器的命令，(3)冷却单元的吸入压力和释放压力相等，(4)没有空转要求，以及(5)冷却单元的输入温度超过预定的制冷设定点和死区。
3.根据权利要求2的方法，其中当冷却单元是通过控制器的命令进行操作时，转变为预先运转操作条件也能够发生。
4.根据权利要求2的方法，其中在预先运转条件中，热气体旁路阀是完全关闭的。
5.根据权利要求4的方法，其中温度和释放压力的临界值的警报能够使用并且蒸发器和冷凝器的风扇全速运转。
6.根据权利要求1的方法，其中，当处于预先运转操作条件时，转变也能够在以下情况下发生：(1)冷却单元的延迟计时器没有计时，(2)冷却单元的吸入压力高于预定的临界值，(3)冷却单元的冷凝盘不是满的，(4)没有空转要求，以及(5)冷却单元的输入温度或冷却单元的返回的空气温度超过预定的制冷设定点和死区。
7.根据权利要求1的方法，其中，当预热准备时，冷却单元提供环境控制功能，其中冷却单元的压缩机运行。
8.根据权利要求7的方法，其中冷却单元的蒸发器和冷凝器的风扇全速运转并且旁路阀关闭以允许冷却系统变暖和稳定。
9.根据权利要求8的方法，其中，一旦变暖，冷却单元被操作用于提供上述的制冷操作，如果发生故障，预先运行程序被启动。
10.根据权利要求9的方法，其中冷却单元被进一步配置用于在操作期间或供电期间启动固件下载操作和进行检测。
11.根据权利要求1的方法，其中，当以下情况之一出现时，转变为空转操作条件：(1)冷凝盘是全满的，(2)要求空转，(3)返回的空气温度小于或等于制冷设定点，(4)当采用成排的或密封装置系统的配置时，冷却系统的冷却单元输入温度低于制冷设定点，(5)如果要求高的初始压力输入，或者(6)吸入压力低于预定的临界值。
12.根据权利要求11的方法，其中当冷却单元是被冷却系统的控制器的命令操作时，从变暖条件或运行条件转变为故障操作条件发生。
13.根据权利要求1的方法，其中当以下条件得以满足时，从故障条件转变为预先运行条件发生：(1)冷却单元通过冷却系统的控制器的命令控制，(2)冷却单元的延迟计时器没有计时，以及(3)冷却单元的冷凝盘不是全满的。
14.根据权利要求1的方法，其中一旦以下事件之一发生时，从变暖条件转变为空转条件发生：(1)如果冷却单元的冷凝盘是全满的，(2)要求空转，(3)冷却单元的返回的空气温度低于或者等于制冷设定点，或者冷却单元的支架的输入温度低于制冷设定点，或者(4)如果要求高的初始压力输入并且没有在预定时间超过预定数量。
15.根据权利要求1的方法，其中转变冷却单元的操作包括在一下操作条件的一个或多个之间转变：
(a)未供电条件，
(b)启动延迟条件，
(c)关闭/备用条件，
(d)空转操作条件，
(e)故障操作条件，
(f)预热操作条件，
(g)运行操作条件，
(h)固件下载条件，以及
(i)检测条件。
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