CN103890692A - 冷却单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了有助于通过冷却剂回路的冷却剂冷却的冷却单元(500)。该冷却单元(500)包括一个或多个排热单元(510a，510b)和高架冷却剂罐(520)。排热单元(510a，510b)将热量从通过冷却剂回路(501)的冷却剂排放到穿过排热单元(510a，510b)的空气。排热单元(510a，510b)包括一个或多个热交换组件(600)，该一个或多个热交换组件(600)耦接至冷却剂回路(501)以使至少一部分冷却剂通过一个或多个热交换组件(600)。高架冷却剂罐(520)高架在冷却剂回路(501)的至少一部分之上，与排热单元(510a，510b)的一个或多个热交换组件(600)流体相通地耦接，并且有助于冷却剂以基本上恒定的压力返回到冷却剂回路(501)。

Description

冷却单元
背景技术
集成电路芯片以及包含芯片的模块的功耗在不断增加以便实现处理器性能上的提高。这种趋势在模块级别和系统级别上出现了冷却难题。需要增加气流速度来有效地冷却高功率模块且限制在计算机中心排放的空气的温度。
在很多大服务器应用中，处理器及其相关的电子元件(例如，存储器、磁盘驱动装置、电源等)一起封装在可移动节点构造中，堆叠在包括信息技术(IT)设备的电子设备机架或结构内。在其它情况下，电子设备可在机柜或结构内的固定位置。通常，该部件由运动在平行气流通道中的空气冷却，通常从前至后，由一个或多个空气运动装置(例如，风扇或吹风机)推动。在某些情况下，它可能通过采用更大功率的空气运动装置或提高现有空气运动装置的旋转速度(即，RPMs)提供较大的气流来处理单一节点内增加的功耗。然而，该方法在计算站(即，数据中心)环境中的支架层级处变得有问题。
由排出支架的空气带来的敏感热负荷可能加重房间空调有效处理负荷的能力。这对于具有“服务器区”的大型站点或者靠在一起的计算机机柜的大型计算机库(large banks of computer racks close together)尤其如此。在这样的装置中，液体冷却(例如，水冷却)是处理较高热通量的有潜力的技术。液体以有效方式吸收由部件/模块散发的热量。通常，该热量最终从液体传输到外部环境，无论是空气或其它液体。
发明内容
本文公开的是不同的冷却单元和有助于冷却例如数据中心的冷却单元的制造方法。在一个方面中，提供的冷却单元包括至少一个排热单元和高架冷却剂罐。所述至少一个排热单元有助于从通过冷却剂回路的冷却剂将热量排放到穿过至少一个排热单元的空气。所述至少一个排热单元包括耦接到冷却剂回路以使至少一部分冷却剂从其中通过的至少一个热交换组件。高架冷却剂罐与至少一个排热单元的至少一个热交换组件流体相通地耦接，且有助于冷却剂以基本上恒定的压力返回到冷却剂回路，其中高架冷却剂罐高架在冷却剂回路的至少一部分之上。
在另一个方面中，提供的数据中心包括：多个电子机柜；冷却设备，有助于从多个电子设备机架的至少一个电子设备机架取出热量；以及冷却单元。冷却设备包括至少一个冷却剂回路，并且冷却单元包括至少一个排热单元和高架冷却剂罐。至少一个排热单元将热量从通过冷却设备的至少一个冷却剂回路的一个冷却剂回路通过的冷却剂排放到穿过至少一个排热单元的空气。至少一个排热单元包括至少一个热交换组件，其耦接到冷却剂回路，使至少部分冷却剂通过冷却剂回路。高架冷却剂罐与至少一个排热单元的至少一个热交换组件流体相通地耦接。高架冷却剂罐有助于冷却剂以基本上恒定的压力返回到冷却剂回路，其中高架冷却剂罐高架在一个冷却剂回路的至少一部分之上。
在进一步的方面中，提供了用于数据中心的冷却单元的制造方法。该方法包括：提供至少一个排热单元，其构造为从通过冷却剂回路的冷却剂排热到穿过至少一个排热单元的空气，至少一个排热单元包括至少一个热交换组件，构造为耦接到冷却剂回路，使至少一部分冷却剂通过该冷却剂回路；以及提供高架冷却剂罐，其流体相通地耦接到至少一个排热单元的至少一个热交换组件，高架冷却剂罐有助于冷却剂以基本上恒定的压力返回到冷却剂回路，其中高架冷却剂罐高架在冷却剂回路的至少一部分之上。
通过本发明的技术实现其他的特征和优点。本发明的其它实施例和方面在本文详细描述且看作本发明要求的一部分。
附图说明
现在，参考下面的附图借助于示例描述本发明的实施例，其中：
图1A示出了空冷数据中心的传统抬升地板布置的一个实施例；
图1B示出了根据本发明一个或多个方面用于例如如图1A所示的空冷数据中心的冷却设备的一个实施例，并且该冷却设备修改为包括冷却单元；
图1C是根据本发明一个或多个方面通过图1B的冷却设备传热的一个实施例的示意图，该传热从与数据中心(包括一个或多个电子柜)相关的一个或多个计算机室空调(CRAC)单元至设置在数据中心外面的冷却单元；
图2示出了根据本发明一个或多个方面的用于数据中心的一个或多个电子柜的液体冷却的冷却剂分配单元的一个实施例；
图3是根据本发明一个或多个方面的电子子系统布置的一个实施例的平面图，示出了用于电子系统(或子系统)的冷却部件的空气和液体冷却系统；
图4示出了根据本发明一个或多个方面的部分装配电子系统布置的一个具体实施例，其中该电子系统包括要冷却的八个发热电子部件或装置，其每一个具有与其关联的各自的流体冷却的冷板；
图5是根据本发明一个或多个方面包括多个电子柜、冷却设备和冷却单元的数据中心的另一个实施例的示意图；
图6A是根据本发明一个或多个方面用于图5的数据中心的冷却单元一个实施例的放大平面图；
图6B是根据本发明一个或多个方面的图6A的冷却单元沿着其线6B-6B剖取的正视图；
图7A是根据本发明一个或多个方面的冷却单元的排热单元的一个实施例的平面图；
图7B是根据本发明一个或多个方面的图7A的排热单元的平面图，示出其热交换器旋转为垂直于周围气流的感知方向；
图7C示出了根据本发明一个或多个方面的一个控制过程，作为示例，该控制过程由与冷却单元相关的控制器执行，以响应于感知的周围气流方向上的变化自动调整(一个或多个)排热单元的一个或多个热交换器的方位；
图8是根据本发明一个或多个方面的图6B的冷却单元的选择性实施例的正视图，其中可控的空气移动装置与热交换器关联；以及
图9示出了根据本发明一个或多个方面的数据中心(包括多个空冷电子柜和一个或多个计算机室空调)、制冷单元和冷却单元的选择性实施例。
具体实施方式
如这里所用，术语“电子设备机架”、“机柜安装的电子设备”和“机柜单元”可交替地使用，并且另有规定，包括任何的壳体、框架、支架、间隔间、刀片服务器系统等，具有计算机系统或电子系统的一个或多个发热部件，并且例如可为具有高、中或低端处理能力的独立的计算机处理器。在一个实施例中，电子设备机架可包括电子系统的一部分、单一的电子系统或者多个电子系统，例如在一个或多个子机架(sub-housings)、刀片、书、抽屉、节点、间隔间等中，其中设有一个或多个发热电子部件。电子设备机架内的(一个或多个)电子系统可相对于电子设备机架移动或固定，多抽屉机架单元的机架安装电子抽屉和刀片中心系统的刀片是要冷却的电子设备机架的系统(或子系统)的两个示例。
“电子部件”是指例如需要冷却的计算机系统或其它电子系统的发热电子部件。作为示例，电子部件可包括一个或多个要冷却的包括一个或多个处理器芯片、存储器芯片和存储器支撑芯片(memory support dies)的集成电路芯片和/或其它电子装置。作为进一步的示例，电子部件可包括设置在共同载体上的一个或多个裸芯片或者一个或多个封装芯片。
除非本文另有规定，术语“液体冷却的结构”和“液体冷却的冷板”是指具有形成在其中或从中通过的一个或多个通道(或者过道)或腔体的导热结构，其便于冷却剂从其中流过。在一个示例中，可设置延伸进入或通过液体冷却的结构(或液体冷却的冷板)的管路。
如这里所用，“液体至空气热交换器”是指如本文所述的特征为液体冷却剂可通过其循环的任何热交换机构；并且包括串联或并联连接的一个或多个分立的液体至空气热交换器。液体至空气热交换器例如可包括一个或多个冷却剂流动通道，由与多个空冷冷却鳍片热或机械接触的导热管路(例如，铜或其它管路)形成。液体至空气热交换器的尺寸、构造和结构可变化而不脱离本文公开的本发明的范围。此外，本文所用的“数据中心”是指例如包含要冷却的一个或多个电子设备机架的计算站。作为具体示例，数据中心可包括一个或多个电子设备机架，例如，服务器机架。
本文所用的冷却剂的一个示例是水。然而，本文公开的概念容易适合于采用其它类型的冷却剂。例如，一个或多个冷却剂可包括盐水、电介质液体、碳氟化合物液体、液体金属或其它类似的冷却剂或制冷剂，而仍保持本发明的优点和特色。
下面描述附图，为了便于对其理解没有按比例绘制，其中不同附图上通篇所用的相同的附图标记表示相同或类似的部件。
图1A示出了现有技术中通常的空冷数据中心100的抬升地板布置，其中多个电子设备机架110设置成一行或多行。诸如图1A所示的数据中心可容纳几百甚或几千个微处理器。在图示的设置中，凉空气从供应空气室145通过有孔地板砖160进入计算机室，供应空气室145限定在计算机室的抬升地板140和底部或子地板165之间。冷空气通过百叶窗式盖板在电子设备机架的空气进口侧120引入且通过电子设备机架的后侧(即，空气出口侧130)排出。每个电子设备机架110可具有一个或多个空气移动装置(例如，风扇或吹风机)以提供进口至出口的强制气流，从而冷却机柜的(一个或多个)子系统内的电子装置。供应空气室145通过计算站的“冷”通道中设置的有孔地板砖160提供调节且冷却的空气到电子设备机架的空气进口侧。调节且冷却的空气由同样设置在数据中心100内的一个或多个计算机室空调(CRAC)单元150提供到供应空气室145。室内空气在靠近空调单元的上部吸进每个空调单元150。该室内空气部分地包括从计算站的“热”通道排放的空气，该热通道例如通过与电子设备机架110的空气出口侧130相对而限定。
图1B示出了设备级冷却的一个实施例，该设备级冷却有助于从数据中心100的电子设备机架向周围的户外空气177的传热，所述周围的户外空气177经由一个或多个空气移动装置176抽吸通过诸如湿式冷却塔的冷却塔175。如结合图1A的上文描述，数据中心100包括设置成一行或多行以形成通道的一个或多个电子(或IT)设备机架。凉空气经由例如一个或多个有孔的地板砖进入地板，通过机架，在该过程中变热，然后抽吸到数据中心100内设置的计算机室空调单元的进口。计算机室空调单元冷却热空气且提供凉空气到地板下室。在一个实施例中，计算机室空调单元通过连接到设备冷却剂回路171的设备冷却剂变冷，设备冷却剂回路171与制冷单元170和数据中心100的计算机室空调单元流体连通。变冷的设备冷却剂，例如冷水，使得计算机室空调单元能够向数据中心的地板下室提供凉空气，通常在15℃-32℃的范围，24℃-27℃为推荐的长期温度范围。
图1C是通过例如本文描述的数据中心冷却系统传热的一个实施例的高级图示。在该实施例中，热量从数据中心100内的一个或多个电子设备机架传输到设备区域101，并且最终传输到设备区域和数据中心之外的区域102。具体而言，诸如计算机室空调单元150之类的一个或多个冷却单元，每一个都有助于将热量从电子设备机架传递到设备冷却剂回路171，设备冷却剂回路171(在该实施例中)耦接为在CRAC150和制冷单元170之间传热。冷却剂泵173通过设备冷却剂回路171抽吸设备冷却剂以便利热量从CRAC150内的空气至液体热交换器传递到制冷单元170内的蒸发器180。蒸发器180从流过设备冷却剂回路171的设备冷却剂提取热量且将热量传递到流过制冷剂回路181的制冷剂。制冷剂回路181流体相通地连接蒸发器180、压缩机182、冷凝器183和膨胀阀184。制冷单元170在一个实施例中执行传统的蒸发-压缩制冷循环。冷凝器183散热到例如冷凝器水回路172，冷凝器水回路172设置在制冷单元170和冷却塔103之间，冷却塔103例如位于设备区域101和数据中心100之外102。一部分水在冷却塔103内蒸发，并且余下部分经由水泵174通过制冷单元170的冷凝器183再循环。
因此，整个冷却系统从IT设备(即(一个或多个)电子柜)传热到户外周围空气。(一个或多个)电子设备机架内产生的热在热流方向上移动，(在一个实施例中)经由(一个或多个)计算机室空调单元传递到设备冷却剂回路。设备冷却剂回路携带热量到制冷单元，该热量在其蒸发器被吸入制冷单元且在其冷凝器排放到冷凝器水回路。冷凝器水通过设备区域外部，例如，至一个或多个冷却塔以将热量传递至外部的周围空气。通常，冷却塔103是湿式冷却塔。在湿式冷却塔103内，水流过鳍型结构，户外空气也强制在此通过。该水的小部分蒸发，因此将热量传递在周围空气中，将热从冷却塔排出。
制冷单元(或装置)170以及计算机室空调单元150通常约消耗诸如图1A和1B所示传统数据中心冷却系统冷却能量的75％。有利地，这里公开的是用于数据中心的冷却系统，其(在一个实施例中)可包括全冷却剂冷却的数据中心与“干式”冷却单元结合，其不采用如上文结合图1B所示和描述的湿式冷却塔。在下面参考图5-9公开的冷却方法中，没有蒸发冷却塔，并且因此不需要更换由于塔内蒸发冷却损失的水。在一个实施例中，这里公开的冷却方法采用干式冷却单元或塔内的冷却剂(例如水)的空冷，用于便利冷却数据中心内的液体冷却电子(或IT)设备机架。
由于不断增加通过电子设备机架的气流的要求以及典型数据中心站内空气分布的限制，液体基冷却与空冷相结合或替代空冷使用。图2-4示出了数据中心实现的一个实施例，其采用液体基冷却系统，该液体基冷却系统具有耦接到电子设备机架内设置的高发热电子装置的一个或多个冷板。
图2部分地示出了用于数据中心的冷却剂分配单元200的一个实施例。冷却剂分配单元传统上是大单元，其占据可被认为是全部电子设备结构的空间。冷却剂分配单元200内是电源/控制元件212、贮液器/膨胀罐213、热交换器214、泵215(通常伴随着备用的第二泵)、设备水提供管的进口216和出口217、经由连接器220和管线222提供水或系统冷却剂到电子设备机架110的供应总管218、以及经由管线223和连接器221从电子设备机架110接收水的返回总管219。每个电子设备机架(在一个示例中)包括用于电子设备机架的电源/控制单元230、多个电子子系统240、系统冷却剂供应总管250和系统冷却剂返回总管260。如所示，每个电子设备机架110设置在数据中心的抬升地板140上，管线222向系统冷却剂供应总管250提供系统冷却剂，且管线223有利于系统冷却剂从系统冷却剂返回总管260返回，管线222和管线223设置在抬升地板之下的供应空气室中。
在所示的实施例中，系统冷却剂供应总管250经由柔性软管连接251向电子子系统的冷却系统(特别是到其液体冷却的冷板)提供系统冷却剂，柔性软管连接251设置在供应总管和机柜内各电子子系统之间。类似地，系统冷却剂返回总管260经由柔性软管连接261连接到电子子系统。在柔性软管251、261和各电子子系统之间的接口可采用快速连接连接器。作为示例，这些快速连接连接器可包括各种类型的市售连接器，例如位于美国明尼苏达州圣保罗的Colder Products Company,或者位于美国俄亥俄州Cleveland的Parker Hannifin销售的连接器。
尽管没有示出，但是电子设备机架110还可包括设置在其空气出口侧的空气至液体热交换器，其也从系统冷却剂供应总管250接收系统冷却剂且返回系统冷却剂至系统冷却剂返回总管260。
图3示出了电子子系统313部件布置的一个实施例，其中一个或多个空气移动装置311提供强制气流315以冷却电子子系统313内的多个部件312。冷空气通过子系统的前面331吸入且从后面333排出。要冷却的多个部件包括耦接有液体冷却的冷板320(液体基冷却系统的)的多个处理器模块以及耦接有空冷散热器的多个存储器模块阵列330(例如，双列直插式存储器模块(DIMMs))和多行存储器支撑模块332(例如，DIMM控制模块)。在所示实施例中，存储器模块330和存储器支撑模块332部分地排列为靠近电子子系统313的前面331且部分地排列为靠近电子子系统313的后面333。再者，在图3的实施例中，存储器模块330和存储器支撑模块332由穿过电子子系统的气流315冷却。
所示的液体基冷却系统还包括多个连接到液体冷却的冷板320且与其流体相通的冷却剂传输管。冷却剂传输管包括成套的冷却剂传输管，其每一套包括(例如)冷却剂供应管340、桥管341和冷却剂返回管342。在该示例中，每套管提供液体冷却剂到串联连接的成对冷板320(连接到一对处理器模块)。冷却剂经由冷却剂供应管340流入每对冷板的第一冷板且经由桥管或管线341从第一冷板流到第二冷板，桥管或管线341可为导热的或可不是导热的。从该对冷板的第二冷板，冷却剂通过各冷却剂返回管342返回。
图4更加详细地示出了包括八个处理器模块的选择性电子子系统布置，其每一个具有与其耦接的液体基冷却系统的各液体冷却的冷板。液体基冷却系统示为还包括用于有助于液体冷却剂通过液体冷却的冷板的相关冷却剂-传输管以及有助于液体冷却剂分配到液体冷却的冷板且从其返回的集流管组件(header assembly)。作为具体示例，通过液体基冷却子系统的液体冷却剂是被冷却且被调节的水。
图4是电子子系统或抽屉以及单体冷却系统的一个实施例的等轴视图。所示的平面服务器组件包括多层印刷电路板，要冷却的存储器DIMM插脚和各种电子装置物理连接且电连接到该多层印刷电路板。在所示的冷却系统中，供应集流管设置为从单一进口向多个并联的冷却剂流道分配液体冷却剂，并且返回集流管将从多个并联的冷却剂流道排放的冷却剂收集到单一出口中。每个并联的冷却剂流道包括串联流动布置的一个或多个冷板，以有助于冷却一个或多个机械耦接以及热耦接有冷板的电子装置。平行通道的数量和串联连接的液体冷却的冷板的数量例如取决于所希望的装置温度、有效的冷却剂温度和冷却剂流速、以及从每个电子装置分散的总热负荷。
更具体而言，图4示出了部分装配的电子子系统413和耦接到要冷却的主要发热部件(例如，包括处理器芯片)的装配的液体基冷却系统415。在该实施例中，电子系统构造为用于(或作为)电子设备机架的电子抽屉，并且作为示例包括支撑基板或平板405、多个存储器模块插脚410(其中未示出存储器模块(例如，双列直插式存储器模块))、多行存储器支撑模块432(每一个具有与其耦接的空冷散热器434)、以及设置在液体基冷却系统415的液体冷却的冷板420之下的多个处理器模块(未示出)。
除了液体冷却的冷板420外，液体基冷却系统415包括多个冷却剂传输管，其包括与各液体冷却的冷板420流体相通的冷却剂供应管440和冷却剂返回管442。冷却剂传输管440、442还连接到集流管(或总管)组件450，有助于将液体冷却剂分配到冷却剂供应管440且从冷却剂返回管442返回液体冷却剂。在该实施例中，耦接到靠近电子子系统413的前面431的存储器支撑模块432的空冷散热器434在高度上短于耦接到靠近电子子系统413的后面433的存储器支撑模块432的空冷散热器434'。该尺寸差是要容纳冷却剂传输管440、442，因为，在该实施例中，集流管组件450位于电子抽屉的前面431处，并且多个液体冷却的冷板420位于抽屉的中间。
液体基冷却系统415包括预制单体结构，其包括多个(预装配的)液体冷却的冷板420，这些冷板以分隔关系构造且设置以与各发热电子装置相互作用。在该实施例中，每个液体冷却的冷板420包括液体冷却剂进口和液体冷却剂出口以及连接子组件(即冷板/负载臂组件)。每个连接子组件用于连接其各液体冷却的冷板420到相关的电子装置以形成冷板和电子装置组件。对齐开口(即通孔)设置在冷板的侧面上以在装配工艺中容纳对齐销或定位销。另外，连接器(或引导销)包括在连接子组件内以有助于采用连接组件。
如图4所示，集流管组件450包括两个液体总管，即冷却剂供应集流管452和冷却剂返回集流管454，在一个实施例中，这两个液体总管通过支撑架耦接在一起。在图4的单体冷却结构中，冷却剂供应集流管452流体相通地冶金连接到每个冷却剂供应管440，而冷却剂返回头454流体相通地冶金连接到每个冷却剂返回管442。单一冷却剂进口451和单一冷却剂出口453从集流管组件延伸以耦接到电子设备机架的冷却剂供应总管和返回总管(未示出)。
图4还示出了预制的冷却剂传输管的一个实施例。除了冷却剂供应管440和冷却剂返回管442外，桥管或管线441设置为例如将一个液体冷却的冷板的液体冷却剂出口耦接到另一个液体冷却的冷板的液体冷却剂进口，以流体流串联连接各冷板，成对的冷板通过各套冷却剂供应和返回管接收和返回液体冷却剂。在一个实施例中，冷却剂供应管440、桥管441和冷却剂返回管442的每一个都是预制的、由例如铜或铝之类的导热材料形成的半刚性管子，并且该管子分别以流体密封方式铜焊(brazed)、锡焊(soldered)或熔焊(welded)到集流管组件和/或液体冷却的冷板。管子对于特定的电子系统是预制的以有助于以与电子系统相互作用的关系安装单体结构。
应注意，图5-9示出了根据本发明一个或多个方面用于数据中心的冷却设备的各种实施例，例如如上文结合图1A-1C或图2-4所描述，其例如采用自然对流、具有重力辅助冷却剂流动的干式冷却单元。
首先参见图5，数据中心201示为包括多个电子设备机架110，其成行设置且由一个或多个例如上文结合图2-4所描述的冷却剂分配单元200提供的系统冷却剂液体冷却。设备冷却剂回路501流体相通地将冷却单元500耦接至冷却剂分配单元200，并且冷却剂泵502有助于冷却的设备冷却剂流动到数据中心201的冷却剂分配单元200。应注意，在该实施例中，没有如图1A-1C的实施例中的制冷装置，并且如果不是全部，则大部分数据中心地板上的电子设备(即IT设备)机架为液体冷却(例如，水冷)。另外，在该实施例中没有湿式冷却塔，其冷却单元500是干式冷却单元(或塔)。应注意，该上下文中所用的词语“干式”是指没有用于将热负荷排放到周围空气的水蒸发以及冷却剂流动回路(例如，设备回路501)和穿过排热单元的周围气流(敞开)回路之间的物理隔离。设备回路501有助于将热负荷从数据中心内的冷却剂分配单元传递到冷却单元500，并且返回周围空冷设备冷却剂(例如，水)到用于冷却电子设备机架110的(一个或多个)冷却剂分配单元200。
共同参见图5、6A和6B，在一个实施例中，冷却单元500示为包括多个排热单元510a、510b，围绕高架冷却罐(或塔)520径向地排列。在所示的实施例中，排热单元和冷却塔是分立的、独立的结构，并且排热单元510a设置在高架冷却剂罐520上游，排热单元510b设置在高架冷却剂罐520下游。每个排热单元510a、510b包括一个或多个热交换组件600，在所示的实施例中，其每一个包括热交换器601的n x m阵列，每一个可旋转地安装在由结构框架支撑620支撑的旋转轴602上。应注意，每个热交换组件600的热交换器的3x3阵列是仅作为示例而给出的。选择性构造可包括单一热交换器或热交换器的n x m阵列，其中n和m包括相同或不同的热交换器数。此外，根据特定应用的需要，不同的排热单元510a、510b可包括热交换组件600的不同构造。在一个实施例中，每个热交换器601是液体至空气热交换器，其中变热的设备冷却剂通过排热单元510a、510b的热交换组件用于其周围空气冷却。
在所示实施例中，示出了热交换器601的三个列610。再次通过示例方式，在每一列内，热交换器601流体相通地并联连接，并且热交换组件600的热交换器601的列610串联连接。每个热交换器单元510a的输出与高架冷却剂罐520的冷却剂罐进口632流体相通地耦接。自然空气对流方式640通过排热单元510a、510b建立以有助于将热从设备冷却剂回路501流过的设备冷却剂传递到穿过排热单元510a、510b内各热交换组件600的热交换器601的周围气流640。
一个或多个泵(未示出)设置在高架冷却剂罐520上游以有助于抽吸周围空气冷却的设备冷却剂631至由柱子630支撑的高架冷却剂罐520中。高架冷却剂罐设置在地面上某一垂直高度处，并且在所示实施例中，如图6B所示，高架在热交换单元510a、510b的热交换组件600之上。还应注意，在该实施例中，热交换组件600是垂直定向的热交换组件(或塔式热交换组件)。例如，在一个实施例中，排热单元510a、510b的每个垂直定向的热交换组件600的垂直高度可大于热交换组件的宽度或深度。还应注意，当设备冷却剂在重力方向上通过高架冷却剂罐520的冷却剂罐出口633抽出以通过与高架冷却剂罐520流体相通地耦接的下游排热单元510b时，抽吸设备冷却剂(例如，水)到高架冷却剂罐520中所消耗的能量部分地被恢复。如所示，高架冷却剂罐520还包括排气阀634用于排放从冷却单元产生的任何过剩的蒸汽。
还应注意，根据该实施，这里设置的冷却单元可包括设置在高架冷却剂罐上游或下游的单一排热单元或与高价冷却剂罐流体相通耦接的单一上游排热单元和单一下游排热单元。(一个或多个)上游排热单元和(一个或多个)下游排热单元的径向排列设置(例如，如图5和6A所示)有助于通过冷却单元的设备冷却剂的周围空气冷却，用于返回到(例如)数据中心的(一个或多个)冷却剂分配单元。应注意，来自高架冷却剂罐520的冷却剂的重力辅助流动以基本上恒定的压力向设备回路提供冷却剂。再者，因为图5-6B中公开的冷却单元是封闭系统，在正常运行中很少或不发生设备冷却剂的蒸发。
在运行中，设备冷却剂回路501内加热的设备冷却剂抽吸到冷却单元500，并且首先通过上游排热单元510a，且特别是容纳在上游排热单元510a中的热交换组件600(通过示例仅示出图5-6B所示的热交换器的3x3矩阵)。随着设备冷却剂流过上游排热单元510a，它通过热交换器的各矩阵，并且由穿过热交换器的自然对流气流冷却。如所指出的，在一个实施例中，热交换器包括具有鳍和管结构的液体至空气热交换器，例如具有垂直定向的鳍从其延伸的多个水平的冷却剂传输管。管子将设备冷却剂从各热交换器的进口总管传输到出口总管，并且垂直定向的鳍热耦接到水平管。当加热的表面与周围空气接触时产生自然的空气对流。靠近表面的空气变热且其密度增加，使其比相邻的冷空气更轻。该变热的空气上升，并且较冷的空气将其置换，并且因此建立自然对流的气流方式640。在通过空气对流冷却方式冷却后，冷却剂抽吸到高架冷却剂罐520中。冷却剂随后从高架冷却剂罐520流出且(在一个实施例中)抽吸通过一个或多个下游排热单元510b用于通过排热单元510b内类似的自然空气对流冷却的液体至空气热交换器。应注意，在该构造中，当冷却剂在重力方向上抽吸出来通过下游排热单元时，抽吸冷却剂到存储罐的高架高度中所消耗的能量部分地被恢复。还有利地，自然空气对流冷却意味着在冷却单元中没有必要消耗风扇能量，并且“干式”设计意味着不需要提供额外的设备冷却剂弥补蒸发损耗的冷却剂(在湿式冷却塔设计中是必须的，例如如图1B所示)。
如所指出的，在一个实施例中，排热单元510a、510b的一个或多个热交换组件600的一个或多个热交换器601可安装在可旋转支撑602上，可旋转支撑602耦接到各排热单元510a、510b的结构框架支撑620。液体至空气热交换器的可旋转安装使得可以(如图7A-7C所示)相对于碰撞在热交换器(一个或多个)上的变换气流方向调整一个或多个液体至空气热交换器定向的能力。
特别是，一个或多个气流方向传感器(例如速度传感器)700可用在每个排热单元510a、510b的一侧或两侧，以便感测碰撞在排热单元上，或者更具体而言碰撞在其中设置的(一个或多个)热交换器上的局部周围空气的方向。在所示实施例中，控制器705与每个排热单元510a、510b关联，以通过(一个或多个)气流方向传感器700监测气流701的方向，且通过可枢转地旋转一个或多个热交换器601而自动调整热交换组件，例如垂直地面向碰撞在排热单元上的实时的气流方向，其进而提高通过液体至空气热交换器的冷却剂的气流冷却。本领域的技术人员将注意到可采用本概念的各种修改。液体至空气热交换器的自动控制、可旋转特征有利地有助于热交换器(一个或多个)的面垂直于当前气流方向的动态排列，使得在户外环境有风的情况下鳍702平行于气流方向定向。例如，在控制器705感测到气流方向后，各液体至空气热交换单元的一个或多个可采用相关的步进电机基致动单元旋转(或转体)以旋转选择的(一个或多个)热交换器，从而气流方向垂直于其平面尺度(或平面表面)。
图7C示出了该控制过程的一个实施例，其中，例如，在液体至空气热交换器710的一侧或多侧上决定(或测量)速度的方向。控制器然后自动地、动态地旋转一个或多个排热单元的一个或多个液体至空气热交换器以垂直于感测的气流方向720，在等待时间间隔“t”730前通过确定当时气流方向而重复该过程。
图8是冷却单元500'的选择性实施例的正视图，与上面结合图5-7C所描述类似。在该选择性实施例中，空气移动装置800与排热单元510a、510b内的热交换组件600的各热交换器601关联。空气移动装置800可自动调整，例如通过与各排热单元关联的控制器705(图7A和7B)或可控制冷却单元内多个空气移动装置活动的居中设置的控制器。此外，空气移动装置可在给定的排热单元内个别或全部或在全部排热单元内致动。因此，通过提供穿过各热交换器(一个或多个)的附加气流提高了自单一液体至空气热交换器601或自排热单元内多个液体至空气热交换器的传热。空气移动装置例如可在热天致动以促进冷却单元的干式冷却性能，并且减小户外周围空气和离开冷却单元的冷却剂之间的温度差。在冷天，空气移动装置可关闭以节约能量。在一个实施例中，空气移动装置800的每一个都物理地连接到各液体至空气热交换器601，并且可随着各液体至空气热交换器相对于周围空气的气流方向的自动、动态调整而旋转，如上面结合图7A-7C所描述。通过将空气移动装置800附接到热交换器601，空气移动装置随着热交换器旋转，并且因此任何风驱动气流可由风扇驱动气流选择性地增强。
图9示出了用于数据中心的冷却设备的选择性实施例。如所示，该选择性冷却设备采用例如如上面结合图5-8所描述的冷却单元，并且数据中心包括空冷数据中心，例如如上面相对于图1A-1C所描述。诸如水的液体冷却剂有助于数据中心100的计算机室空调单元150的冷却，其设备冷却剂回路171流体相通地耦接计算机室空调单元150和制冷单元170的蒸发器。泵173有助于设备冷却剂流过设备冷却剂回路171。制冷单元170，可实施为如上面结合图1C所描述，使设备冷却剂冷却且从设备冷却剂排热到冷凝器侧冷却剂回路172，其流体相通地将冷却剂单元500耦接到制冷单元170。一个或多个冷却剂泵174与冷凝器侧冷却剂回路172关联，有助于冷却剂在制冷单元170和冷却单元500之间的流动。在一个实施例中，冷却单元500可包括例如如上所述的干式-冷却单元，其中多个排热单元510a、510b径向地排列在高架冷却剂罐520的上游和下游，例如如上文所述。应注意，在该实施例中，具有重力辅助流动的基于自然空气对流的干式冷却单元500对制冷单元的冷凝器侧提供冷却，取代例如如图1B所示的湿式冷却塔方法。
有利地，冷却单元以及本文公开的其变型提供了比传统方法更加有效的数据中心的冷却。此外，传统的湿式冷却塔设计在冷却过程中使用大量的水，必须弥补。本文公开的“干式”冷却单元方法不需要由于蒸发冷却损耗而弥补冷却剂，因为冷却单元是封闭系统。根据本文公开的实施例，数据中心采用周围空气冷却的冷却剂冷却，该周围空气冷却的冷却剂被直接提供到(例如)数据中心内的一个或多个冷却剂分配单元或者被提供到制冷单元，该制冷单元(例如)向数据中心内设置的一个或多个计算机室空调单元提供冷却的设备冷却剂。
本文采用的术语仅为了描述特定实施例的目的而不意味着限制本发明。如本文所用，单数形式“一个”或“一种”以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有说明。还应理解，术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”是开放式系动词。结果，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个步骤或元件的方法或装置拥有该一个或多个步骤或元件，但是不限于仅拥有该一个或多个步骤或元件。同样，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个特征的方法步骤或装置元件拥有该一个或多个特征，但是不限于仅拥有该一个或多个特征。此外，以一定方式构造的装置或结构至少以该方式构造，但是也可以以没有列出的方式构造。
所附的权利要求中所有方法或步骤加功能的元件的对应的结构、材料、动作和等同物，如果有的话，旨在包括与特定要求保护的其它要求保护的元件结合执行该功能的任何结构、材料或动作。为了图示说明和描述的目的已经给出了本发明的描述，但是不意味着是穷尽的或限制本发明于所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，很多修改和变化对本领域的普通技术人员是显而易见的。

Claims (28)

1.一种冷却单元，包括：
至少一个排热单元，构造为将热量从通过冷却剂回路的冷却剂排放至穿过该至少一个排热单元的空气，该至少一个排热单元包括至少一个热交换组件，该至少一个热交换组件耦接到该冷却剂回路，使至少一部分冷却剂从该冷却剂回路通过；以及
高架冷却剂罐，流体相通地与该至少一个排热单元的该至少一个热交换组件耦接，该高架冷却剂罐有助于冷却剂以基本上恒定的压力返回到该冷却剂回路，其中该高架冷却剂罐高架在该冷却剂回路的至少一部分之上。
2.如权利要求1所述的冷却单元，其中该至少一个热交换组件包括至少一个垂直定向的热交换组件。
3.如权利要求2所述的冷却单元，其中该高架冷却剂罐高架在该至少一个垂直定向的热交换组件之上。
4.如任一前述权利要求所述的冷却单元，其中该至少一个排热单元独立于该高架冷却剂罐。
5.如任一前述权利要求所述的冷却单元，其中该至少一个排热单元的该至少一个热交换组件的一个热交换组件包括多个热交换器的阵列，耦接为使该冷却剂回路的至少一部分冷却剂从其通过。
6.如权利要求5所述的冷却单元，其中该一个热交换组件的该多个热交换器的阵列包括多列热交换器，该多列流体相通地串联连接，该多列热交换器的每列热交换器包括流体相通地并联耦接的至少两个热交换器。
7.如任一前述权利要求所述的冷却单元，其中该至少一个排热单元的该至少一个热交换组件的一个热交换组件可旋转地安装到支撑结构，并且其中该冷却单元还包括控制器，耦接为响应于在该一个热交换组件处周围气流方向上的变化而自动旋转该一个热交换组件的至少一部分，以有助于将热量排放至穿过该一个热交换组件的空气。
8.如任一前述权利要求所述的冷却单元，还包括多个排热单元，构造为将热量从通过该冷却剂回路的该冷却剂排放到穿过该多个排热单元的空气，该多个排热单元的每个排热单元包括热交换组件，每个热交换组件包括至少一个热交换器，耦接为使该冷却剂回路的至少一部分冷却剂从其通过。
9.如权利要求8所述的冷却单元，其中该多个排热单元的一个排热单元在该高架冷却剂罐的上游与该高架冷却剂罐流体相通地耦接，并且该多个排热单元的另一个排热单元在该高架冷却剂罐的下游与该高架冷却剂罐流体相通地连接。
10.如权利要求8所述的冷却单元，其中该多个排热单元的至少两个排热单元流体相通地并联耦接，且在该高架冷却剂罐的上游与该高架冷却剂罐流体耦接，并且该多个排热单元的至少两个其它排热单元流体相通地并联耦接，且在该高架冷却剂罐的下游与该高架冷却剂罐流体相通。
11.如权利要求10所述的冷却单元，其中该多个排热单元绕该高架冷却剂罐径向地设置且独立于该高架冷却剂罐，该多个排热单元的每个热交换组件包括垂直定向的热交换组件，并且其中该高架冷却剂罐高架在该多个排热单元的该多个热交换组件之上。
12.如任一前述权利要求所述的冷却单元，其中该至少一个排热单元的一个排热单元还包括与其热交换组件关联且构造为提供穿过该热交换组件的气流的至少一个空气移动装置，该至少一个空气移动装置由该冷却单元的控制器自动控制。
13.如任一前述权利要求所述的冷却单元，其中该冷却单元流体相通地与耦接到数据中心的至少一个冷却剂分配单元的设备冷却剂回路耦接，该数据中心包括多个液体冷却的电子设备机架和系统冷却剂回路，该系统冷却剂回路有助于将热量从该多个液体冷却电子设备机架经由该至少一个冷却剂分配单元排放至该设备冷却剂回路中的设备冷却剂，并且其中该冷却单元设置在该数据中心的外部，且从通过该设备冷却剂回路的该设备冷却剂排热。
14.如任一前述权利要求所述的冷却单元，其中该冷却单元流体相通地与制冷单元的冷凝器侧冷却剂回路耦接，用于将热量从该制冷单元的冷凝器侧冷却剂排放至穿过该至少一个排热单元的空气。
15.一种数据中心，包括：
多个电子设备机架；
冷却设备，有助于从该多个电子设备机架的至少一个电子设备机架吸取热量，该冷却设备包括至少一个冷却剂回路；以及
冷却单元，包括：
至少一个排热单元，构造为将热量从通过该冷却设备的该至少一个冷却剂回路的一个冷却剂回路的冷却剂排放至穿过该至少一个排热单元的空气，该至少一个排热单元包括至少一个热交换组件，其耦接到该冷却剂回路，使至少一部分冷却剂从该冷却剂回路通过；以及
高架冷却剂罐，流体相通地与该至少一个排热单元的该至少一个热交换组件耦接，该高架冷却剂罐有助于冷却剂以基本上恒定的压力返回到该冷却剂回路，其中该高架冷却剂罐高架在该一个冷却剂回路的至少一部分之上。
16.如权利要求15所述的数据中心，其中该至少一个热交换组件包括至少一个垂直定向的热交换组件，并且该高架冷却剂罐高架在该至少一个垂直定向的热交换组件之上，并且其中该至少一个排热单元独立于该高架冷却剂罐。
17.如权利要求15或16所述的数据中心，其中该至少一个排热单元的该至少一个热交换组件的一个热交换组件包括多个热交换器的阵列，耦接为使该一个冷却剂回路的至少一部分冷却剂从其通过，并且其中该一个热交换组件的该多个热交换器阵列包括多列热交换器，该多列流体相通地串联耦接，该多列热交换器的每列热交换器包括并行流体相通地耦接的至少两个热交换器。
18.如权利要求15至17任何一项所述的数据中心，其中该至少一个排热单元的该至少一个热交换组件的一个热交换组件可旋转地安装到支撑结构，并且其中该冷却单元还包括控制器，耦接为响应于在该一个热交换组件处周围气流方向上的变化而自动旋转该一个热交换组件的至少一部分，以有助于将热排放至穿过该一个热交换组件的空气。
19.如权利要求15至18任何一项所述的数据中心，还包括多个排热单元，构造为将热量从通过该冷却剂回路的该冷却剂排放到穿过该多个排热单元的空气，该多个排热单元的每个排热单元包括热交换组件，每个热交换组件包括至少一个热交换器，其耦接为使该一个冷却剂回路的至少一部分冷却剂从其通过，并且其中该多个排热单元的一个排热单元在该高架冷却剂罐的上游与该高架冷却剂罐流体相通地耦接，该多个排热单元的另一个排热单元在该高架冷却剂罐的下游与该高架冷却剂罐流体相通地耦接。
20.如权利要求15至19任何一项所述的数据中心，还包括多个排热单元，构造为将热量从通过该一个冷却剂回路的该冷却剂排放到穿过该多个排热单元的空气，该多个排热单元的每个排热单元包括热交换组件，每个热交换组件包括至少一个热交换器，耦接为使该一个冷却剂回路的至少一部分冷却剂从其通过，并且其中该多个排热单元的至少两个排热单元流体相通地并联耦接且在该高架冷却剂罐的上游与该高架冷却剂罐流体相通，该多个排热单元的至少两个其它排热单元流体相通地并联耦接且在该高架冷却剂罐的下游与该高架冷却剂罐流体相通。
21.如权利要求20所述的数据中心，其中该多个排热单元绕该高架冷却剂罐径向地设置且独立于该高架冷却剂罐，该多个排热单元的每个热交换组件包括垂直定向的热交换组件，并且其中该高架冷却剂罐高架在该多个排热单元的该多个热交换组件之上。
22.如权利要求15至21任何一项所述的数据中心，其中该冷却单元流体相通地与耦接到数据中心的至少一个冷却剂分配单元的设备冷却剂回路耦接，该数据中心包括多个液体冷却的电子设备机架和系统冷却剂回路，该系统冷却剂回路有助于将热从该多个液体冷却的电子设备机架经由该至少一个冷却剂分配单元排放至该设备冷却剂回路中的设备冷却剂，并且其中该冷却单元设置在该数据中心外部且从通过该设备冷却剂回路的该设备冷却剂排热。
23.如权利要求15至22任何一项所述的数据中心，其中该冷却单元流体相通地与制冷单元的冷凝器侧冷却剂回路耦接，用于将热从该制冷单元的冷凝器侧冷却剂排放至穿过该至少一个排热单元的空气。
24.一种用于数据中心的冷却单元的制造方法，该方法包括：
提供至少一个排热单元，该至少一个排热单元构造为将热从通过冷却剂回路的冷却剂排放到穿过该至少一个排热单元的空气，该至少一个排热单元包括至少一个热交换组件，构造为耦接到该冷却剂回路以使至少一部分冷却剂从其通过；以及
提供高架冷却剂罐，该高架冷却剂罐流体相通地与该至少一个排热单元的该至少一个热交换组件耦接，该高架冷却剂罐有助于冷却剂以基本上恒定的压力返回到该冷却剂回路，其中该高架冷却剂罐高架在该冷却剂回路的至少一部分之上。
25.如权利要求24所述的方法，还包括提供多个排热单元，该多个排热单元构造为将热量从通过该冷却剂回路的该冷却剂排放到穿过该多个排热单元的空气，该多个排热单元的每个排热单元包括热交换组件，每个热交换组件包括至少一个热交换器，耦接为使该一个冷却剂回路的至少一部分冷却剂从其通过，其中该多个排热单元的至少两个排热单元流体相通地并联耦接且在该高架冷却剂罐的上游与该高架冷却剂罐流体相通，并且该多个排热单元的至少两个其它排热单元流体相通地并联耦接且在该高架冷却剂罐的下游与该高架冷却剂罐流体相通，并且其中该多个排热单元绕该高架冷却剂罐径向地设置且独立于该高架冷却剂罐，该多个排热单元的每个热交换组件包括垂直定向的热交换组件，并且其中该高架冷却剂罐高架在该多个排热单元的该多个热交换组件之上。
26.一种冷却单元，基本上如参考附图的图1B至9之前所描述。
27.一种数据中心，基本上如参考附图的图1B至9之前所描述。
28.一种用于数据中心的冷却单元的制造方法，基本上如参考附图的图1B至9之前所描述。
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