CN112105221B - 用于数据中心的冷却系统设计 - Google Patents

Abstract

在一个实施方式中，数据中心冷却系统包括具有多个产生热量的多个电子机架的一个或多个信息技术(IT)室。外部冷却单元位于信息技术室上方，并配置为提供冷却流体，并交换冷却流体携带的热量。外部冷却单元具有供应线，用于将冷却流体向下分配至信息技术室。随着冷却流体冷却电子机架，冷却流体加热并且至少部分地变为由于对流而上升的蒸汽。外部冷却单元还具有返回线，用于使上升的蒸汽返回至外部冷却单元，外部冷却单元冷却蒸汽。蒸汽相变为液相，然后再循环至信息技术室。

Description

用于数据中心的冷却系统设计

技术领域

本发明的实施方式大体涉及数据中心。更具体地，本发明的实施方式涉及冷却数据中心中的电子机架。

背景技术

散热是计算机系统和数据中心设计中的重要因素。诸如封装在服务器内部的高性能处理器之类的高性能电子组件的数量稳步增加，从而增加了服务器正常运行期间所产生和散发的热量。数据中心内使用的服务器的可靠性随着环境温度升高而降低。维护适当的热环境对于数据中心中这些服务器的正常运行以及服务器的性能和寿命至关重要。散热方案对于冷却这些高性能服务器和IT设备是必不可少的。

功耗密集型处理器支持诸如深度学习的密集型计算解决方案。具有那些处理器的电子服务器，即具有大功率中央处理器(CPU)和/或通用或图形处理器(GPU)的电子服务器，每体积空间具有非常高的功率密度。对于高功率密度，液体冷却是一种可行的热管理方案。

在液体冷却中，歧管用于通过主入口端口/出口端口和流体子端口分配和调节流体。主入口端口和出口端口连接至外部冷却源，以及子端口连接至服务器回路或冷却设备回路。传统的歧管设计在某些应用场景中效率不高。靠近城市的大型数据中心几乎没有空间。可用土地昂贵。用于信息技术室的多层数据中心是新的设计标准化。传统的数据中心通常会占用庞大的单层仓库。将这样的数据中心放置在大城市的中部会非常昂贵。同样，为单层数据中心设计的冷却系统使用大量的功率将冷空气或冷液体推入信息技术室。

发明内容

根据本申请的一方面，提供了一种数据中心冷却系统，包括：第一信息技术(IT)室，具有第一组多个电子机架，所述第一组电子机架中的每个中均容纳多个IT组件，其中，所述IT组件的至少部分附接至冷板；外部冷却单元，位于所述第一信息技术室上方，配置为提供冷却流体，并交换由所述冷却流体携带的热量；供应线，用于从所述外部冷却单元接收所述冷却流体，并将所述冷却流体向下分配至所述第一信息技术室中的所述冷板中的每个，以交换由附接在所述冷板上的相关IT组件产生的热量，其中，所述冷却流体在热交换期间从液态蒸发成汽态；以及返回线，用于将汽态的冷却流体向上返回至所述外部冷却单元，由于所述外部冷却单元内的热交换，所述汽态的冷却流体转换回液态。

根据本申请的另一方面，提供了一种数据中心冷却系统，包括：第一信息技术(IT)室，具有第一组多个电子机架，所述第一组电子机架中的每个中均容纳多个IT组件，其中，所述IT组件的至少部分附接至冷板；第二信息技术室，位于所述第一信息技术室下方，所述第二信息技术室具有第二组多个电子机架，所述第二组多个电子机架中的每个电子机架中均容纳多个IT组件，其中，所述第二组电子机架中的IT组件的至少部分附接至冷板；外部冷却单元，位于所述第一信息技术室上方，配置为提供冷却流体，并交换由所述冷却流体携带的热量；第一供应线，用于从所述外部冷却单元接收所述冷却流体的至少部分，并将所述冷却流体向下分配至所述第一信息技术室中的所述冷板中的每个，以交换由附接在至所述第一信息技术室中的所述冷板上的相关IT组件产生的热量，其中，所述冷却流体在热交换期间从液态蒸发成汽态；第一返回线，用于将所述第一信息技术室的汽态的冷却流体向上返回至所述外部冷却单元，由于所述外部冷却单元内的热交换，所述第一信息技术室的所述汽态的冷却流体转换回液态；第二供应线，用于从所述外部冷却单元接收所述冷却流体的至少部分，并将所述冷却流体向下分配至所述第二信息技术室中的所述冷板中的每个，以交换由附接在第二信息技术室中的所述冷板上的相关IT组件产生的热量，其中，所述冷却流体在热交换期间从液态蒸发成汽态；以及第二返回线，用于将所述第二信息技术室的汽态的冷却流体向上返回至所述外部冷却单元，由于所述外部冷却单元内的热交换，所述第二信息技术室的汽态的冷却流体转换回液态。

附图说明

在附图的图中以示例而非限制的方式示出了本发明的实施方式，在附图中，相似的附图标记指示相似的元件。

图1是示出根据一个实施方式的用于数据中心的冷却系统设计的示例的框图。

图2是示出根据一个实施方式的电子机架的示例的框图。

图3是示出根据一个实施方式的示例性外部冷却单元的框图。

图4是示出根据一个实施方式的示例性外部冷却单元的框图。

图5是示出使用热虹吸技术的示例性冷却系统的框图。

图6是示出热虹吸技术和热交换器的框图。

图7是示出热虹吸技术以直接冷却发热组件的框图。

图8是示出根据一个实施方式的用于数据中心的冷却系统设计的示例的框图。

具体实施方式

将参考下面讨论的细节描述本发明的各种实施方式和方面，并且附图将示出各种实施方式。以下描述和附图是本发明的说明，并且不应解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施方式的透彻理解。但是，在某些情况下，为了提供对本发明实施方式的简要讨论，没有描述众所周知的或常规的细节。

在说明书中对“一个实施方式”或“一个实施方式”的引用是指结合该实施方式描述的特定特征，结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施方式中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施方式中”并不一定全都指同一实施方式。

根据一些实施方式，提供了一种竖直定向的数据中心，其具有位于数据中心上方的冷却单元。在一个实施方式中，冷却系统包括外部冷却单元和一个或多个冷却回路，冷却回路将冷却流体运送至发热的IT组件。外部冷却单元位于容纳IT组件的信息技术室上方。使用重力作为唯一或主要的移动力，将冷却流体输送至IT组件附近的冷板。当冷却流体到达IT组件时，吸收IT组件产生的大量热量。吸收的热量导致冷却流体加热并变成蒸汽。然后，蒸汽通过对流通过返回线自然上升，并返回至外部冷却单元。然后，蒸汽冷却并回到液态，在此再次用作冷却流体以冷却IT组件。这样，由于信息技术室彼此堆叠，因而减少了数据中心所需的空间量。另外，由于冷却流体的主要运动力是重力和对流，而不是电动机或任何机械冷却设备，因此降低了冷却数据中心所需的功率。

根据本发明的一方面，数据中心冷却系统包括第一信息技术(IT)室，该第一信息技术室具有第一组多个电子机架，第一组电子机架中的每个中均包括IT组件阵列，其中IT组件的至少部分由服务器液体冷却系统通过例如冷板、后门热交换器、诸如CRAH/CRAC的室液体冷却单元或任何其他合适机构进行冷却。数据中心冷却系统还包括外部冷却单元、供应线和返回线，其中外部冷却单元位于第一信息技术室上方，且配置为提供冷却流体，并交换由冷却流体携带的热量。供应线将接收来自外部冷却单元的冷却流体，并将冷却流体向下分配至第一信息技术室中的冷板中的每个，以交换由其上附接的相关IT组件产生的热量，在这里，在在热交换过程中，冷却流体从液态蒸发成汽态。返回线用于将汽态的冷却流体向上返回至外部冷却单元，由于外部冷却单元内的热交换，冷却流体转换回液态。

根据一个实施方式，数据中心冷却系统还包括位于第一信息技术室下方的第二信息技术室，第二信息技术室具有第二组多个电子机架，第二组机架中的每个电子机架中均包括多个IT组件。第二组中的IT组件的至少一部分通过任何合适的冷却单元，诸如冷板、后门热交换器、诸如CRAH/CRAC(机房空气处理器/机房空调)的室液体冷却单元或任何其他合适的机构附接至服务器液体冷却系统。供应线还用于将冷却流体向下分配至第二信息技术室中的每个冷板，以交换由附接在其上的相关IT组件产生的热量。在热交换期间，冷却流体从液态蒸发成蒸汽态，从而经由返回线返回至外部冷却单元。

在一个实施方式中，外部冷却单元包括第一流体箱，该第一流体箱联接至外部冷却单元，以接收冷却流体，并存储足够量的冷却流体，从而提供足够的液体压力，以将冷却流体向下分配至信息技术室。第二流体箱联接至第一流体箱，其中当第一流体箱中的冷却流体下降到预定阈值以下时，第二流体箱向第一流体箱提供额外的冷却流体。第一流体箱包括液位传感器，以感测第一流体箱内的液位，从而响应于检测到第一流体箱中的冷却流体下落低于预定阈值或超过上限而导致第一流体箱和第二流体箱之间的阀打开。

根据一个实施方式，室冷却单元设置在第一信息技术室内，其中室冷却单元包括液体-气体热交换器，该液体-气体热交换器联接至供应线以接收冷却流体，以从第一信息技术室的循环空气交换热量，并通过返回线以汽态返回外部冷却单元。循环的空气将行进通过电子机架的至少一部分的空气空间，以交换从关联的IT组件产生的热量的至少一部分。

根据本发明的另一方面，数据中心冷却系统包括具有第一组多个电子机架的第一信息技术(IT)室，第一组电子机架中的每个中均包括多个IT组件，其中IT组件的至少部分由服务器液体冷却系统通过例如冷板、后门热交换器、诸如CRAH/CRAC的室液体冷却单元或任何其他合适机构进行冷却。数据中心冷却系统还包括位于第一信息技术室下方的第二信息技术室，第二信息技术室具有第二组多个电子机架，第二组电子机架中的每个机架中均包括多个IT组件，其中第二组中的IT组件的至少一部分附接至冷板。数据中心冷却系统还包括外部冷却单元，外部冷却单元位于第一信息技术室上方，配置成提供冷却流体，并交换由冷却流体携带的热量。

数据中心冷却系统还包括第一供应线，用于接收来自外部冷却单元的至少一部分冷却流体，并将冷却流体向下分配至第一信息技术室中的冷却单元或冷却设备，以交换由附接在其上的相关IT组件产生的热量，其中，在热交换过程中，冷却流体从液态蒸发成汽态。数据中心冷却系统还包括第一返回线，用于将处于汽态的第一信息技术室的冷却流体向上返回至外部冷却单元，由于外部冷却单元内的热交换，冷却流体转换回液态。数据中心冷却系统还包括第二条供应线，用于接收来自外部冷却单元的至少一部分冷却流体，并将冷却流体向下分配至第二信息技术室中的冷却单元或冷却设备中的每个，以交换通过附接在其上的相关IT组件产生的热量，其中冷却流体在热交换过程中从液态蒸发成汽态。数据中心冷却系统还包括第二返回线，用于将处于汽态的第二信息技术室的冷却流体向上返回至外部冷却单元，由于外部冷却单元内的热交换，冷却流体转换回液态。例如，当相变流体从外部单元输送至机架时，可：1.直接输送至刀片服务器的冷板；2.输送至机架级冷却装置，例如附接至机架背部的后门热交换器；和/或3.输送至机架安装式热交换器，然后使用两相流体通过热交换来冷却机架内部流体，机架内部流体可为单相水冷却循环。

根据一个实施方式，外部冷却单元包括第一流体箱，该第一流体箱联接至外部冷却单元，以接收冷却流体，并存储足够量的冷却流体，从而提供足够的液体压力，以将冷却流体向下分配至冷板。第二流体箱联接至第一流体箱，其中当第一流体箱中的冷却流体下降到预定阈值以下时，第二流体箱向第一流体箱提供额外的冷却流体。第一室冷却单元布置在第一信息技术室内，以执行液-空气热交换操作，以冷却第一信息技术室的循环空气。第三供应线联接在外部冷却单元与第一室冷却单元之间，以将第一冷却流体供应至第一室冷却单元。第三返回线联接在外部冷却单元与第一室冷却单元之间，以将处于汽态的第一冷却流体返回至外部冷却单元。

根据一个实施方式，第二室冷却单元布置在第二信息技术室内，以执行液-空气热交换操作，从而冷却第二信息技术室的循环空气。第四供应线联接在外部冷却单元与第二室冷却单元之间，以将第二冷却流体供应至第二室冷却单元。第四返回线联接在外部冷却单元与第二室冷却单元之间，以将处于汽态的第二冷却流体返回至外部冷却单元。尽管本发明描述了具有4个供应线和4个返回线的液体冷却系统，但是本公开设想了任何合适数量的供应线和返回线。通常，供应线和返回线的数量取决于冷却负荷(即，IT组件产生的热量的数量和密度)、外部冷却单元容量、系统设计、建筑物和基础设施设计等。

图1是示出根据一个实施方式的用于数据中心的冷却系统设计的示例的框图。在该示例中，图1示出了数据中心的至少一部分的侧视图，该数据中心具有第一信息技术室120、第二信息技术室130和顶部上的外部冷却单元110。根据一个实施方式，数据中心系统包括信息技术(IT)机架122。电子机架122容纳IT组件、设备或仪器，例如计算机服务器或计算节点，其通过网络(例如，因特网)向各种客户端提供数据服务。电子机架122可布置成排或任何其他合适的配置，例如，在两个相邻的排之间形成用于空气/液体冷却布置的冷通道和热通道。尽管在图1中示出了两个信息技术室，但是本公开考虑由位于信息技术室中的至少一个上方的外部冷却单元对任何数目的信息技术室进行维修，包括单个信息技术室。

在一个实施方式中，每个电子机架122均包括壳体，以容纳在其中操作的多个IT组件。电子机架122可包括除热液体歧管、多个服务器插槽以及能够插入服务器插槽且从服务器插槽中去除的多个刀片服务器。每个刀片服务器均代表具有一个或多个处理器、存储器和/或永久性存储设备(例如，硬盘)的计算节点。在一种情况下，处理器中的至少一个附接至冷板(也称为冷板组件)，以接收冷却流体。另外，室冷却单元121中的一个或多个可选冷却风扇与刀片服务器相关联，以向其中容纳的计算节点提供空气冷却。注意，外部冷却单元110可联接至多个信息技术室，诸如信息技术室120和信息技术室130。图1所示的冷却系统将数据中心内产生的大量热量散发到大气中。这由两个元件完成：外部冷却单元110，其通过供应线111、112向电子机架122的冷却装置(诸如冷板)提供冷却流体；以及室冷却单元121，其也从外部冷却单元110接收冷却流体，并向信息技术室120、130排放冷空气。

外部冷却单元110可包括但不限于蒸发冷却、自由空气以及拒绝大热质量和废热回收设计。在本公开中，外部冷却单元110也可称为外部冷却系统。外部冷却单元110能够可选地包括冷却液体源，诸如具有有助于冷却冷却系统中的蒸汽和液体的蒸发器和冷凝器的制冷循环，其。

在一个实施方式中，每个刀片服务器均可选地模块化地联接至除热液体歧管，使得可从电子机架上去除刀片服务器，而不会影响电子机架和除热液体歧管上其余刀片服务器的操作。在另一实施方式中，每个刀片服务器均通过快速释放联接组件联接至除热液体歧管(也称为冷却流体歧管)，该快速释放联接组件具有与柔性软管相联接的第一液体入口连接器和第一液体出口连接器，将除热液体分配给处理器。第一吸液连接器经由第二吸液连接器从安装在电子机架的后端上的除热液体歧管接收除热液体。第一液体出口连接器将通过第二液体出口连接器排放较暖或较热的液体，这些液体携带从处理器交换到除热液体歧管的热量，然后返回电子机架内的冷却剂分配单元(CDU)。

在一个实施方式中，流体供应线111、112可选地联接至外部冷却单元110，以向室冷却单元121和电子机架122提供冷却流体。供应线111可将冷却流体供应至室冷却单元121，以及供应线112可将冷却流体供应至电子机架122。供应线111-112可直接联接至外部冷却单元110，或替代地，一个供应线可从直接联接至外部冷却单元110的另一供应线分支。返回线113、114可将热蒸汽或热流体(例如，呈汽态或蒸汽形式的流体)返回外部冷却单元110。类似地，返回线113-114可直接联接至外部冷却单元110，或替代地，一个返回线可在到达外部冷却单元110之前与另一返回线合并。

在一些实施方式中，冷却流体在加热时完全变成蒸汽。在其他实施方式中，冷却流体只有一部分在加热时变成蒸汽，以及冷却流体变成流体-蒸汽混合物。在这种情况下，热蒸汽或流体-蒸汽混合物会由于对流而上升。为简洁起见，本公开主要涉及热蒸汽，但涵盖热蒸汽、热流体和热流体-蒸汽混合物。返回线113可使热蒸汽从电子机架122返回至外部冷却单元110。返回线114可使热蒸汽从室冷却单元121返回至外部冷却单元110。在一些实施方式中，能够可选地使用阀117停止流体或蒸汽或进行部分堵塞。例如，如果在任何供应线或返回线中发生泄漏并且需要维修线，则可激活阀117。作为另一示例，可通过激活特定的阀117将更多的冷却流体引导至信息技术室120、130中的各个区域。通过调节组装在返回线上的阀，可实现室120、130之间的流体流动和压力平衡。

在一些实施方式中，冷却系统设计可使用热虹吸技术来使冷却流体循环并传递热量，而无需使用机械泵。使用重力将冷却流体从外部冷却单元110输送至信息技术室120和130。当被发热的电子元件加热时，流体变成蒸汽。在一些实施方式中，流体变成流体-蒸汽混合物，即，部分为流体，部分为蒸汽。在这两种情况中的任一种中，加热的流体或蒸汽的密度都会降低。它变轻并膨胀，并通过返回线113、114上升返回外部冷却单元110。这是根据自然对流原理进行的，这是由冷流体和热流体/蒸汽之间的流体密度变化引起的。然后，能够向供应线111、112补充更多的冷却流体并且形成循环。在闭环中，重力作用在流体上，以使冷却系统中的流体再循环。在加热侧，流体通过吸收热量而变成蒸汽。在外部冷却单元110中，蒸汽冷却而变回液体，以及外部冷却单元110提取热量，并将热量排放到外部环境108中。

在一个实施方式中，布置在每个电子机架的后端上的除热液体歧管联接至液体供应线111、112，以从外部冷却单元110接收冷却流体。冷却流体通过液体分配回路分配，液体分配回路附接至冷板组件，处理器安装在冷板组件上，以去除处理器中的热量。冷板的配置类似于附接或嵌入有液体分配管或通道的散热器。携带从处理器交换来的热量的所得较暖或较热的蒸汽或流体通过液体返回线113、114传输回外部冷却单元110。液体供应线/返回线111至114称为数据中心或室内液体供应线/返回线(例如，全局液体供应线/返回线)，其向所有电子机架122供应除热液体。经由供应线111、112输送至电子机架122的流体可理解为使用服务器/IR液体冷却或机架级热交换。当捕获热量并将其相转变为蒸汽时，冷却流体返回至外部冷却单元110。在完全系统中可能没有使用机械泵，并且热负荷越大，系统再循环越快。另外，在返回线上可使用阀117，用于调节系统阻力，以控制循环流体的速度。

在一个实施方式中，图1所示的冷却系统设计可进一步包括可选的室冷却单元121(例如，液体-空气热交换器)，以产生气流，从而使气流流过电子机架的刀片服务器的空气空间，以交换由于计算节点(例如，服务器)的操作而由计算节点产生的热量，并将气流交换的热量排到房屋/室/建筑物外部的外部环境108。例如，室冷却单元121产生凉/冷空气流，以从电子机架122之间的过道循环，从而带走交换的热量。冷气流通过电子机架前端进入电子机架，暖/热气流从电子机架后端离开电子机架。带有交换的热量的暖/热空气从室/建筑物中排出。因而，在一个实施方式中，可认为冷却系统是混合液体-空气冷却系统，其中，由处理器产生的热量的一部分通过冷却流体经由相应的冷板去除，而处理器(或其他电子设备或处理设备)产生的热量的其余部分则通过气流冷却去除。一些IT组件可能不适合液体冷却(例如，本地机架电源)。在这种情况下，可经由室冷却单元121利用空气冷却。室冷却单元121可连接至外部冷却单元110，以将热量提取到大气中。室冷却单元121可为用于冷却数据中心室再循环空气的任何类型的冷却单元，诸如CRAC/CRAH、In-ROW、OCU等。室冷却单元121可理解为液体-空气热交换器。

图2是示出根据一个实施方式的电子机架的框图。电子机架200可代表电子机架122。参考图2，根据一个实施方式，电子机架200包括但不限于CDU 201、RMU 202和一个或多个刀片服务器203A至203E(统称为刀片服务器203)。可将刀片服务器203分别从电子机架200的前端204或后端205插入服务器插槽的阵列中。请注意的是，尽管这里显示了5个刀片服务器203A至203E，但可在电子机架中保持更多或更少的刀片服务器200。还应注意的是，CDU 201、RMU 202和刀片服务器203的具体位置仅出于说明目的而示出。还可实现CDU201、RMU 202和刀片服务器203的其他布置或配置。在一个实施方式中，只要冷却风扇可产生从前端至后端的气流，电子机架200就可对环境开放或部分于在机架容器中。

另外，对于刀片服务器203中的至少一个，可选的风扇模块(未示出)与刀片服务器相关联。风扇模块中的每个均包括一个或多个冷却风扇。风扇模块可安装在刀片服务器203的后端或电子机架上，以生成气流，该气流从前端204流出，流经刀片服务器203的空气空间，并存在于电子机架200的后端205。

在一个实施方式中，CDU 201主要包括热交换器211、液体泵212和泵控制器(未示出)以及一些其他组件，诸如储液器、电源、监视传感器等。热交换器211可为液-液热交换器。热交换器211包括具有入口和出口的第一回路，该入口和出口具有第一对液体连接器，该第一对液体连接器联接至外部液体供应/返回线131至132，以形成主回路。联接至外部液体供应/返回线131至132的连接器可布置或安装在电子机架200的后端205上。在图1中，外部液体供应/返回线131至132分别连接至返回线113和供应线112。液体供应/返回线131至132也称为室液体供应/返回线，联接至外部冷却单元，如上所述。另外，热交换器211还包括第二回路，该第二回路具有两个端口，该两个端口具有第二对液体连接器，该第二对液体连接器联接至液体歧管225以形成第二回路，该第二回路可包括供应歧管(也称为机架液体供应线)和返回歧管(也称为机架液体返回线)，供应歧管用于向刀片服务器203供应冷却液，返回歧管用于将较热的液体返回CDU 201。应注意的是，CDU 201可为可商购或定制的任何种类的CDU。因而，在此将不描述CDU 201的细节。

刀片服务器203中的每个均可包括一个或多个IT组件(例如，中央处理单元或CPU、图形处理单元(GPU)、存储器和/或存储设备)。每个IT组件均可执行数据处理任务，其中，IT组件可包括安装在存储设备中、加载至存储器中并由一个或多个处理器执行以执行数据处理任务的软件。刀片服务器203可包括联接至一个或多个计算服务器(也称为计算节点，诸如CPU服务器和GPU服务器)的主机服务器(称为主机节点)。主机服务器(具有一个或多个CPU)通常通过网络(例如Internet)与客户端接口，以接收对特定服务(例如，诸如备份和/或还原的基于云的存储服务)的请求，从而执行应用程序以执行某些操作(例如，作为软件即服务(software-as-a-service)或SaaS平台的一部分，执行图像处理、深度数据学习算法或建模等)。响应于该请求，主机服务器将任务分配给由主机服务器管理的性能计算节点或计算服务器(具有一个或多个GPU)中的一个或多个。性能计算服务器执行实际任务，这可在操作过程中产生热量。

电子机架200还可选地包括RMU 202，其配置成为服务器203和CDU 201提供电源，并管理该电源。RMU202可联接至电源单元(未显示)，以管理电源单元的功耗。电源单元可包括必要的电路(例如，交流电(AC)至直流电(DC)或DC至DC的电源转换器、电池单元、变压器或调节器等)，从而向电子机架200的组件的其余部分提供电源。

在一个实施方式中，RMU 202包括优化模块221和机架管理控制器(RMC)222。RMC222可包括监控器，以监测电子机架200内的诸如计算节点203、CDU 201和风扇模块131的各种组件的操作状态。具体地，监控器从代表电子机架200的运行环境的各种传感器接收运行数据。例如，监控器可接收表示处理器的温度、冷却液和空气温度的运行数据，这些数据可通过各种温度传感器捕获并收集。监控器还可接收代表由风扇模块131和液体泵212产生的风扇功率和泵功率的数据，该数据可与它们各自的速度成比例。这些操作数据称为实时操作数据。另外，监控器还可例如从泄漏检测器和/或传感器(例如，液体传感器、温度传感器)接收指示在任何刀片服务器中是否发生液体泄漏的信号。应注意的是，监视器可实现为RMU 202中的单独模块。

基于操作数据，优化模块221使用预定的优化功能或优化模型执行优化，从而导出用于风扇模块的一组最佳风扇速度和用于液泵212的最佳泵速度，以使得液体泵212和风扇模块的总功耗达至最小，同时与液体泵212和风扇模块的冷却风扇相关的操作数据在其各自的设计规格内。一旦确定了最佳泵速度和最佳风扇速度，RMC 222就基于最佳泵速度和风扇速度来配置液体泵212和风扇模块231的冷却风扇。

作为示例，基于最佳泵速，RMC 222与CDU 201的泵控制器通信，以控制液泵212的速度，液泵212的速转而控制供应给液体歧管225以分配至刀片服务器203中的至少一些的冷却液的液体流速。类似地，基于最佳风扇速度，RMC 222与风扇模块中的每个通信，以控制风扇模块中每个冷却风扇的速度，冷却风扇的速度转而控制风扇模块的气流速率。应注意的是，风扇模块中的每个均可通过其特定的最佳风扇速度来单独进行控制，以及同一风扇模块内的不同风扇模块和/或不同冷却风扇可具有不同的最佳风扇速度。

如上所述，刀片服务器中的每个都包括许多IT组件，诸如处理器或处理单元，其可在操作过程中产生热量。根据一个实施方式，每个刀片服务器的IT组件附接至集成冷却模块，该集成冷却模块具有布置在其中的冷板阵列，以附接至IT组件中的每个的外表面以进行热交换。

图3是示出根据一个实施方式的示例性外部冷却单元的框图。外部冷却单元110可包括热交换器311和冷却流体箱310。当热蒸汽经由返回线113、114返回并进入外部冷却单元110时，然后热蒸汽可进入热交换器311。热交换器311可包括冷凝器，冷凝器通过冷却将热蒸汽冷凝，并将蒸汽的相变回液体。因而，热蒸汽可作为蒸汽进入热交换器311，可通过热交换冷却，然后可作为液体离开热交换器311。一旦已变成液体，流体就可进入流体箱310。流体箱310可起到确保向冷却系统供应足够流体的作用。外部流体箱320可联接至流体箱310，以确保流体箱310具有足够的流体。流体传感器312可放置在流体箱312中或流体箱312上，并且可在流体箱310中的流体下降到阈值以下时与流体箱320通信。可通过液位传感器(例如，浮球机构)来感测液位，该液位传感器继而打开设置在箱310与箱320之间的连接部上的阀。外部流体箱320可联接至一个以上的流体箱。作为示例，外部流体箱320可联接至流体箱330以及流体箱310。流体箱330本身可具有液位传感器(未示出)，当流体箱330中的流体下降到阈值以下时，该传感器可与流体箱320通信。作为响应，打开箱320与箱330之间的液体阀或开关，其中外部流体箱320可向流体箱330供应额外流体。可能需要流体箱320来维持整个冷却系统中的液压。在没有流体箱320的情况下，流体箱310理论上可从流体箱330接收流体，或在没有流体箱330的情况下，流体箱330理论上可从流体箱310接收流体，但是以开放的流体连接部连接这两个流体箱可使流体再循环。因此，流体箱320可用于重新填充整个系统，以及用于系统流体的维护和保养。图3包括为两个内部流体箱310、330服务的一个外部流体箱320，但是本公开设想了为任意数量的外部流体箱服务的外部流体箱。

图4是示出根据一个实施方式的示例性外部冷却单元的框图。在该示例中，外部冷却单元110可选地包括蒸发器410和冷凝器420。蒸发器410和冷凝器420可使得能够进行直接膨胀(DX)制冷冷却循环的操作。DX冷却回路可冷却进入蒸发器410的热蒸汽。当外部冷却单元位于热区域中或环境条件不利于冷却热蒸汽时，外部冷却单元110内部的DX冷却回路可能是有益的。在这种情况下，可使用蒸发器410和冷凝器420来冷却热蒸汽并将其相变回液体，以便随后可通过供应线111、112在整个冷却系统中对其进行再循环。

图5是示出使用热虹吸技术的示例性冷却系统的框图。电子组件(未示出)可加热周围的空气，从而在信息技术室中产生热空气510。热空气510可加热线520中的冷却流体。冷却流体可变热并变成蒸汽。蒸汽525可通过线520上升，并通过外部冷却单元110，在外部冷却单元进行热交换540。可任选地引入来自DX冷却回路或外部环境的冷空气以冷却热蒸汽。可从热蒸汽510中除去热量，并且可将热量排放到环境中。热蒸汽可变成液相，可进一步冷却，并可用作冷却流体550。然后，可通过供应线530行进，并用于通过冷却数据中心空气(通过室内冷却)或与附接至发热电子设备上的冷板接触来冷却电子机架。

图6是示出热虹吸技术和室冷却单元121的框图。电子组件(未显示)加热冷却流体，从而在信息技术室中产生热流体640(图6表示使用室冷却单元121来冷却流体，图5表示使用室冷却单元121来冷却空气)。热流体640进入室冷却单元121。热流体640与冷却流体610接触，然后被冷却。随着冷却，流体下沉并作为冷流体641排回到信息技术室内，以冷却电子机架(未显示)。冷却流体610吸收来自热流体640的热量。随着吸收热量，流体至少部分地转变成蒸汽611，达到较低的密度，并通过线620上升。热蒸汽611经由返回线621通过外部冷却单元110，在外部冷却单元进行热交换640。引入来自DX(直接交换)冷却回路或外部环境的冷空气以冷却热蒸汽。从热蒸汽611中除去热量，并将其排入环境。热蒸汽变相为液体，进一步冷却并变成冷却流体610。然后，冷却流体通过供应线620，并通过室冷却单元121用于冷却电子机架。这时，流体已再循环，以及以上过程可再次开始。

图7是示出了用于直接冷却发热组件的热虹吸技术的框图。电子组件710与冷板720接触。冷板720通过吸收电子组件710产生的热量来充当散热器。冷板720还与IT冷却设备730接触，IT冷却设备730包括供应线731，供应线填充有冷却流体740。冷板720由冷却流体740冷却，冷板继而冷却电子组件710。冷却流体740吸收来自冷板720的热量。随着吸收热量，冷却流体至少部分变成蒸汽750，实现低密度，并通过线731上升。热蒸汽750通过返回线760到达外部冷却单元110，在外部冷却单元处进行热交换770。引入来自DX冷却回路或外部环境的冷空气以冷却热蒸汽。从热蒸汽750中除去热量，并将热量排入环境。热蒸汽变成液体，进一步冷却并变成冷却流体740。然后，冷却流体穿过供应线731，并用于通过IT冷却装置730冷却电子机架。这时，流体已再循环，并且以上过程可再次开始。在某些设计中，IT冷却设备730和冷板720可理解为单个单元、冷板或蒸发器，在其中吸收热量并且液体将相变为蒸汽。

图8是示出根据另一实施方式的用于数据中心的冷却系统设计的示例的框图。图8中所示的冷却系统可包括外部冷却单元110，其本身可包括流体箱310。外部流体箱320也可用于确保如上所述的系统中流体充足。在这种设计中，每个热虹吸回路均彼此不同。冷却流体可经由供应线801离开外部冷却单元110，然后可前进至任何供应线801a至801a d。如果进入供应线801a，则冷却流体可向下进入信息技术室130并进入室冷却单元121。从室冷却单元，冷却流体可通过吸收热量来冷却由室冷却单元121接收的热空气。然后，冷却流体可变成蒸汽，并且经由返回线803上升回到外部冷却单元。如果进入供应线801b，则冷却流体可向下进入信息技术室130，并进入电子机架122。冷却流体可使用就图7描述的方法来冷却电子机架122中的IT组件。随着冷却流体吸收电子组件产生的热量时，冷却流体则可变成蒸汽，并通过返回线802上升回到外部冷却单元。

如果进入供应线801c，则冷却流体可向下进入信息技术室120并进入室冷却单元121。从室冷却单元，冷却流体可通过吸收热量来冷却由室冷却单元121接收的热空气。然后，冷却流体可变成蒸汽，并且经由返回线803上升回到外部冷却单元。如果进入供应线801d，则冷却流体可向下进入信息技术室120并进入电子机架122。冷却流体可使用就图7描述的方法来冷却电子机架122中的IT组件。随着冷却流体吸收电子组件产生的热量，冷却流体则可变成蒸汽并经由返回线802上升回到外部冷却单元。系统供应线和返回线设计可根据实际使用情况进行更改。

在一些实施方式中，可针对不同的热虹吸回路将外部冷却单元分开。作为示例，第一外部冷却单元可负责包括供应线801a和801b的热虹吸回路，以及第二外部冷却单元可负责包括供应线801c和801d的热虹吸回路。这可使冷却系统能够对流体再循环具有更多的控制。在冷却流体和热蒸汽循环期间，数据中心内的IT组件产生的热量可使用对流和重力原理直接或间接驱动流体循环，如本文所述。热量可直接提取到流体中，也可通过数据中心空气间接提取到流体中。另外，由于外部单元安装在一个或多个信息技术室的上方，因而重力可足以帮助流体再循环。

在以上的说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施方式对本发明的实施方式进行了描述。将显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改。因此，应当在说明性意义而不是限制性意义上来理解本说明书和附图。

Claims (18)

1.一种数据中心冷却系统，包括：

第一信息技术(IT)室，具有第一组多个电子机架，所述第一组电子机架中的每个中均容纳多个IT组件，其中，所述IT组件的至少部分附接至冷板；

外部冷却单元，位于所述第一信息技术室上方，所述外部冷却单元包括热交换器，配置为提供冷却流体，并交换由所述冷却流体携带的热量；

供应线，用于从所述外部冷却单元接收所述冷却流体，并将所述冷却流体向下分配至所述第一信息技术室中的所述冷板中的每个，以交换由附接在所述冷板上的相关IT组件产生的热量，其中，所述冷却流体在热交换期间从液态蒸发成汽态；以及

返回线，用于将汽态的冷却流体向上返回至所述外部冷却单元，由于所述外部冷却单元内的热交换，所述汽态的冷却流体转换回液态，

其中，所述外部冷却单元包括第一流体箱，所述第一流体箱在所述热交换器外部，并流体联接至所述热交换器，以接收冷却流体并存储足量的冷却流体，从而提供足够的液压以通过所述供应线将所述冷却流体向下分配。

2.根据权利要求1所述的数据中心冷却系统，还包括：

第二信息技术室，位于所述第一信息技术室下方，所述第二信息技术室具有第二组多个电子机架，所述第二组多个电子机架中的每个电子机架中均容纳多个IT组件，其中，所述第二组多个电子机架中的IT组件的至少部分附接至冷板，

其中，所述供应线进一步将所述冷却流体向下分配至所述第二信息技术室中的所述冷板中的每个，以交换由附接在所述第二IT室中的所述冷板上的相关IT组件产生的热量，其中，所述冷却流体在所述热交换过程中从液态蒸发成汽态，从而通过所述返回线返回至所述外部冷却单元。

3.根据权利要求2所述的数据中心冷却系统，其中，所述返回线包括设置在所述第一信息技术室内的第一部分和设置在所述第二信息技术室内的第二部分，其中，所述第一部分包括用于调节蒸汽在所述第一部分中向上行进的阻力的第一阀，以及所述第二部分包括用于调节蒸汽在所述第二部分中向上行进的阻力的第二阀。

4.根据权利要求1所述的数据中心冷却系统，其中，还包括联接至所述第一流体箱的第二流体箱，其中，当所述第一流体箱中的所述冷却流体降到低于预定阈值时，所述第二流体箱向所述第一流体箱提供额外的冷却流体。

5.根据权利要求4所述的数据中心冷却系统，其中，所述第一流体箱包括液位传感器，以感测所述第一流体箱内的液位，这使得响应于检测到所述第一流体箱中的所述冷却流体降到所述预定阈值以下而打开所述第一流体箱与所述第二流体箱之间的阀。

6.根据权利要求4所述的数据中心冷却系统，其中，所述第二流体箱还联接至第二外部冷却单元的第三流体箱，所述第三流体箱配置成向第三信息技术室提供冷却流体。

7.根据权利要求1所述的数据中心冷却系统，其中，所述外部冷却单元、所述供应线和所述返回线是热虹吸回路的部分，而无需使用泵来循环所述冷却流体。

8.根据权利要求1所述的数据中心冷却系统，其中，所述外部冷却单元利用重力作为唯一力以移动所述冷却流体，以向下向所述冷板提供冷却流体，而不必使用泵。

9.根据权利要求1所述的数据中心冷却系统，其中，由于汽态的冷却流体的密度较低且重量较轻，因而无需使用泵，所述汽态的冷却流体向上返回至所述外部冷却单元。

10.根据权利要求1所述的数据中心冷却系统，其中，还包括布置在所述第一信息技术室内的室冷却单元，其中，所述室冷却单元包括液体-空气热交换器，所述液体-空气热交换器联接至所述供应线，以接收冷却流体，以从所述第一信息技术室的循环空气交换热量，并通过所述返回线以汽态返回所述外部冷却单元。

11.根据权利要求10所述的数据中心冷却系统，其中，所述循环空气将行进通过所述电子机架的至少部分的空气空间，以交换从相关联的IT组件产生的热量的至少部分。

12.根据权利要求10所述的数据中心冷却系统，其中，所述供应线包括第一供应线和第二供应线，其中所述第一供应线用于将所述冷却流体的第一部分供应至所述电子机架，以及所述第二供应线用于将所述冷却流体的第二部分供应至所述室冷却单元。

13.根据权利要求10所述的数据中心冷却系统，其中，所述返回线包括第一返回线和第二返回线，所述第一返回线用于使从所述电子机架接收的处于汽态的冷却流体的第一部分返回，以及所述第二返回线用于使从所述室冷却单元接收的所述冷却流体的第二部分返回。

14.根据权利要求1所述的数据中心冷却系统，其中，所述返回线包括阀，所述阀能够控制成调节向上行进的蒸汽的阻力，其进而调节向下流动的冷却流体的流速。

15.一种数据中心冷却系统，包括：

第一信息技术(IT)室，具有第一组多个电子机架，所述第一组电子机架中的每个中均容纳多个IT组件，其中，所述IT组件的至少部分附接至冷板；

第二信息技术室，位于所述第一信息技术室下方，所述第二信息技术室具有第二组多个电子机架，所述第二组多个电子机架中的每个电子机架中均容纳多个IT组件，其中，所述第二组电子机架中的IT组件的至少部分附接至冷板；

外部冷却单元，位于所述第一信息技术室上方，所述外部冷却单元包括热交换器，配置为提供冷却流体，并交换由所述冷却流体携带的热量；

第一供应线，用于从所述外部冷却单元接收所述冷却流体的至少部分，并将所述冷却流体向下分配至所述第一信息技术室中的所述冷板中的每个，以交换由附接在至所述第一信息技术室中的所述冷板上的相关IT组件产生的热量，其中，所述冷却流体在热交换期间从液态蒸发成汽态；

第一返回线，用于将所述第一信息技术室的汽态的冷却流体向上返回至所述外部冷却单元，由于所述外部冷却单元内的热交换，所述第一信息技术室的所述汽态的冷却流体转换回液态；

第二供应线，用于从所述外部冷却单元接收所述冷却流体的至少部分，并将所述冷却流体向下分配至所述第二信息技术室中的所述冷板中的每个，以交换由附接在第二信息技术室中的所述冷板上的相关IT组件产生的热量，其中，所述冷却流体在热交换期间从液态蒸发成汽态；以及

第二返回线，用于将所述第二信息技术室的汽态的冷却流体向上返回至所述外部冷却单元，由于所述外部冷却单元内的热交换，所述第二信息技术室的汽态的冷却流体转换回液态，

其中，所述外部冷却单元包括第一流体箱，所述第一流体箱在所述热交换器外部，并流体联接至所述热交换器，以接收冷却流体并存储足量的冷却流体，从而提供足够的液压以通过所述供应线将所述冷却流体向下分配。

16.根据权利要求15所述的数据中心冷却系统，其中，还包括联接至所述第一流体箱的第二流体箱，其中，当所述第一流体箱中的所述冷却流体降到低于预定阈值时，所述第二流体箱向所述第一流体箱提供额外的冷却流体。

17.根据权利要求15所述的数据中心冷却系统，还包括：

第一室冷却单元，其布置在所述第一信息技术室内，以执行液体-空气热交换操作，从而冷却所述第一信息技术室的循环空气；

第三供应线，其联接在所述外部冷却单元与所述第一室冷却单元之间，以将第一冷却流体供应至所述第一室冷却单元；以及

第三返回线，其联接在所述外部冷却单元与所述第一室冷却单元之间，以使处于汽态的第一冷却流体返回至所述外部冷却单元。

18.根据权利要求17所述的数据中心冷却系统，还包括：

第二室冷却单元，其布置在所述第二信息技术室内，以执行液体-空气热交换操作，从而冷却所述第二信息技术室的循环空气；

第四供应线，其联接在所述外部冷却单元与所述第二室冷却单元之间，以将第二冷却流体供应至所述第二室冷却单元；以及

第四返回线，其联接在所述外部冷却单元与所述第二室冷却单元之间，以使处于汽态的第二冷却流体返回至所述外部冷却单元。

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