CN114642088A - 具有至少一个it机架或开关柜壳体和至少一个冷却设备的开关柜装置以及相应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关柜装置，具有至少一个IT机架或开关柜壳体(1)和至少一个冷却设备(2)，该冷却设备具有用于利用冷却空气来冷却容纳在所述IT机架或开关柜壳体(1)中的组件(4)的空气‑液体‑热交换器(3)，其中，所述空气‑液体‑热交换器(3)具有用于冷却液体的第一供给管线(5)和用于加热液体的第一回路管线(6)，其特征在于，所述冷却设备(2)具有液‑液‑热交换器(7)，在其第二供给管线(8)上连接了所述空气‑液体‑热交换器(3)的第一回路管线(6)。还记载了一种相应的方法。

Description

具有至少一个IT机架或开关柜壳体和至少一个冷却设备的开 关柜装置以及相应的方法

技术领域

本发明基于一种开关柜装置，其具有至少一个IT机架或开关柜壳体和至少一个冷却设备，该冷却设备具有用于利用冷却空气来冷却容纳在IT机架或开关柜壳体中的组件的空气-液体-热交换器，其中，空气-液体-热交换器具有用于冷却液体的第一供给管线和用于加热液体的第一回路管线。这种开关柜装置例如从DE 10 2015 101 022B3中已知。

背景技术

布置在开关柜壳体或IT机架中的组件通常具有与构造方式非常相关的功率损耗以及相应地因组件而明显不同的冷却能力要求。另一方面，在普通开关柜装置中，独立于组件利用相同温度的冷却空气提供冷却能力，该冷却空气围绕需要冷却的组件流动。因此，冷却空气温度及其流速总是以这样一种方式设定，即可以为具有最高冷却能力要求的组件提供足够的冷却能力。然而，相反，这会导致冷却需求较小的组件被过度冷却，因此开关柜装置的整体冷却方案是低能效的。

发明内容

因此，本发明的目的是，进一步改进上述类型的开关柜装置，从而可以对同一开关柜装置的具有不同冷却能力要求的组件进行节能冷却。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的开关柜装置来实现。从属权利要求均涉及本发明的有利实施方式。

据此规定，冷却设备具有液-液-热交换器，在其第二供给管线上连接了空气-液体-热交换器的第一回路管线。

因此，本发明的构思在于，除了标准的空气-液体-热传递之外，还借助附加的液-液-热交换器在两种液体之间提供第二热传递。由于液体相比于空气具有更好的导热性，因此可以提供冷却液体，用于冷却需要较高冷却能力的组件。此外，与空气相比，液体的提高的导热性可以实现，为了对组件进行液体冷却，把液体的供应温度选择得高于冷却空气的温度，因此从空气-液体-热交换器的回路管线中流出的加热的液体仍然足以，在馈入到液-液-热交换器的供给管线中时对第二液体提供充分冷却，用于直接冷却组件。因此，根据本发明的开关柜装置能够实现冷却到至少两个不同的温度水平，即其一为，从空气-液体-热交换器流出的冷却空气的温度水平，另一为，由液-液-热交换器提供的冷却液体的温度水平，其中，由液-液-热交换器提供的冷却液体可以比冷却空气明显更热，例如至少高20K。

根据本发明的原理可以任意调整。代替液-液-热交换器，可以由空气-液体-热交换器的回路管线对多个液-液-热交换器进行馈送。通过适当地选择用于直接冷却组件的第二液体，通过适当地选择流经液-液-热交换器的相应液体的流速，并且必要时通过另外改变操作参数，可以调节分别提供的第二液体的温度，从而可以为根据本发明原理的开关柜装置提供大量不同的冷却液体供应温度，用于直接冷却需要冷却的具有不同冷却能力需求的组件。

空气-液体-热交换器可以是第一冷却回路的组成部分，并且液-液-热交换器可以是与第一冷却回路分开的第二冷却回路的组成部分。第一和/或第二冷却回路可以具有至少一种冷却剂或制冷剂或另一种冷却介质，其至少部分地为液体，并且在相应的回路中循环。这两种冷却介质可以尤其在它们的冷凝温度方面有所不同，在该冷凝温度下，它们从至少部分气相转变为液相。

被引导通过空气-液体-热交换器的液体可以是水，或者是具有大部分水的液体。

被引导通过液-液-热交换器的两种液体中的第一液体，在标准条件下可以具有比被引导通过液-液-热交换器的第二液体的沸点低的沸点，在第二液体的沸点以下优选至少20K，特别优选至少30K，更特别优选至少40K。

被引导通过液-液-热交换器的两种液体中的第二种，可以是或具有全氟化的化合物，优选由乙基异丙基酮衍生的化合物，特别优选全氟(2-甲基-3-戊酮)、C₆F₁₂O。

被引导通过液-液-热交换器的两种液体中的第二种，可以从液-液-热交换器的第三回路管线引入到引导液体的热导体中，用于传导冷却。

被引导通过液-液-热交换器的两种液体中的第二种，可以从引导液体的热导体引入到液-液-热交换器的第三供给管线中。

液-液-热交换器可以是热管的或分配管的冷却区。液-液-热交换器可以一体地构造，或者由多个串联或并联地流体连接的液-液-热交换器构成。

热管或分配管可以具有下降管和上升管，它们被设计为彼此流体分离的竖直管线，或者在热管或分配管的最下部区域中通过虹吸管和/或冷却液收集容器彼此流体连接。液体冷却剂可以通过泵从冷却剂收集容器引入到热导体的供给管线中，用于对半导体部件进行传导冷却。

热管或分配管可以具有下降管，从液-液-热交换器冷却的第二液体被引入该下降管中。

热管或分配管可以具有上升管，加热的第二液体被引入到该上升管中。

从再冷却器，例如从冰机，冷却的液体可以通过用于冷却液体的第一供给管线被引入空气-液体-热交换器中。

冷却的液体可以作为来自液-液-热交换器的加热液体被引入到再冷却器中。

冷却设备可以是排列在一系列IT机架或开关柜壳体中的冷却设备，通过其后侧或前侧，热空气从热通道被吸入，并作为冷空气沿着与后侧或前侧相对的一侧被吹出到冷通道中。

冷却设备可以容纳在开关柜壳体内，并且具有侧向的冷却空气出口和同侧开口的暖空气入口，在它们之间设置有多个发热组件。在开关柜壳体内，从冷却空气出口排出的冷却空气可以经过组件，或通过这些组件作为热空气进入到暖空气入口中。

第一回路的空气-液体-热交换器和第二回路的液-液-热交换器可以布置在IT机架或开关柜壳体的单壁或双壁设计的后门或前门中。在此，空气-液体-热交换器和液-液-热交换器可以被空气流过，所述空气在与后门或前门相对地布置的一侧进入IT机架或开关柜壳体中。为了空气输送，可以设置至少一个风扇，优选多个风扇。

根据本发明的另一方面，开关柜装置设置有至少一个IT机架或开关柜壳体，其中，空气被引导通过IT机架或开关柜壳体，用于冷却容纳在IT机架或开关柜壳体中的组件。在这种情况下，由空气对第二冷却回路的第二空气-液体-热交换器加载，并且，被引导通过空气-液体-热交换器的液体，被供应给至少一个组件，用于从组件到液体的热传递，并且从组件被引导返回到空气-液体-热交换器中。

空气可以从开关柜装置的外部，部分地引入到至少一个IT机架或开关柜壳体中，并且部分地引入到冷却设备壳体中，该冷却设备壳体分配给IT机架或开关柜壳体并与其流体分离，在该冷却设备壳体中容纳有空气-液体-热交换器。为此，空气-液体-热交换器可以布置在分配给IT机架或开关柜壳体的冷却设备壳体中。在冷却设备壳体中还可以设置另一个制冷剂回路例如水回路的空气-液体-热交换器，其中，通过再冷却器例如冰机提供冷却水，用于借助另一空气-液体-热交换器提供冷却空气。可以把两个空气-液体-热交换器中的一个—通过它提供用于直接冷却组件的冷却液体，在气流中布置在空气-液体-热交换器的下游，其提供冷却的空气，用于组件的空气冷却。特别地，以上述方式，对组件的液体直接冷却可以使用制冷剂来实现，与空气相比，制冷剂具有更高的沸点，该空气通常用于例如IT环境的组件的空气冷却。例如，对组件加载的冷却空气可能具有25℃的温度，而制冷剂的沸点高于50℃。

空气可以从开关柜装置的外部引入到至少一个IT机架或开关柜壳体中，其中，开关柜装置具有空气引导部，其中，空气沿其流动方向在进入IT机架或开关柜壳体后对组件加载，然后作为被组件部分地加热的空气对空气-液体-热交换器加载。如前所述，由于用于组件液体冷却的制冷剂的沸点较高，经过组件后已经预热的空气也可以仍用于冷凝制冷剂。例如，冷却空气在进入IT机架或开关柜壳体中时，可以具有25℃的温度。经过组件后，冷却空气可以具有35℃的温度。在经过空气-液体-热交换器后，空气可以具有50℃以上的温度。

第二回路的空气-液体-热交换器可以布置在IT机架或开关柜壳体的单壁或双壁设计的后门或前门中，其中，空气-液体-热交换器被空气流过，所述空气在与后门或前门相对地布置的一侧进入IT机架或开关柜壳体中。

IT机架或开关柜壳体可以具有空气引导部，具有空气引导部，其中，空气沿其流动方向在进入IT机架或开关柜壳体后对组件加载，然后作为被组件部分地加热的空气进入后门或前门中，并且对第二回路的空气-液体-热交换器加载。

第二空气-液体-热交换器可以具有壳体，该壳体带有在外壁和管状内壁之间形成的环形间隙，液体在至少与内壁的热接触中被引导通过该环形间隙。在这种情况下，内壁可以包围风扇，该风扇被设计用于把空气引导经过内壁而穿过壳体。

一种用于对开关柜装置予以空调的方法，可以具有以下步骤：

-对容纳在开关柜装置的IT机架或开关柜壳体中的组件施加空气，其中，把空气加热到第一温度；和

-把加热到第一温度的空气引导通过空气-液体-热交换器，其中，对液体予以冷却，用于组件的液体冷却，并且将空气加热到大于第一温度的第二温度。

在这种情况下，空气可以在被引导通过热交换器后，以第二温度排放到开关柜装置的周围环境中，或者可以通过另一个热交换器进行冷却，并为了重新对组件施加空气而再循环。

空气可以在被引导通过热交换器之后，以第二温度通过烟囱从开关柜装置中排出。烟囱可以通入另外的空气-液体-热交换器中，例如通入如下另外的空气-液体-热交换器中：经冷却的液态冷却介质通过水冷却器或冰机被供应给该热交换器。

用于对开关柜装置予以空调的替代方法可以具有以下步骤：

-对容纳在开关柜装置的IT机架或开关柜壳体中的组件施加空气，其中，把空气加热；

-把加热的空气引导通过空气-液体-热交换器，其中，把空气冷却，并且加热被引导通过空气-液体-热交换器的第一液体；

-把加热的第一液体引导通过液-液-热交换器，其中，对被引导通过液-液-热交换器的第二液体予以冷却，用于对组件予以液体冷却，并且进一步加热被加热的第一液体。

被进一步加热的第一液体可以从液-液-热交换器中导出，在开关柜装置外部冷却，并作为冷却液体再循环到空气-液体-热交换器中。

为了从待冷却的组件到冷却剂的热传递，可以设置用于直接冷却组件的冷却装置，例如用于直接冷却半导体元件比如CPU的冷却装置，该冷却剂尤其可以设计为冷却液体。该装置可以具有至少一个冷却体，该冷却体具有空腔，并且该冷却体被冷却剂流过且被设计用来利用其底面与半导体元件进行导热接触。在此，冷却体可以具有通入空腔中的冷却剂输入管线和通入空腔中的冷却剂回路管线。冷却剂输入管线在此可以有利地布置在冷却剂回路管线上方。

冷却剂输入管线可以具有可调节的封闭构件，利用该封闭构件可调节冷却剂输入管线的竖直的开口横截面。封闭构件可以具有可线性移调的滑动件，其中，该滑动件优选地可在竖直方向上移调，并且在最低位置开通开口横截面，并且在最高位置至少部分地封闭该开口横截面。

冷却剂输入管线可以通过冷却剂泵被施加冷却剂。该泵可以将冷却剂作为液态冷却剂从冷却剂收集容器并沿着冷却剂供应管线供应给冷却剂输入管线。

多个冷却体可以并联地流体连接，其方式为，冷却体通过它们相应的冷却剂输入管线与同一个冷却剂供应管线连接。至少一个冷却体可以通过其冷却剂回路管线与冷凝区连接，在该冷凝区中冷却通过冷却剂回路管线流出的并且至少部分蒸发的冷却剂。冷凝区可以具有液-液-热交换器，沿着第一冷却剂回路管线，被引导通过至少一个冷却体的冷却剂引导通过该热交换器。被引导通过液-液-热交换器的第二冷却剂回路的液体，可以是水，或者是具有大部分水的液体。在标准条件下，被引导通过至少一个冷却体的冷却剂，可以具有比被引导通过液-液-热交换器的第二冷却剂回路的液体的沸点低的沸点，在液体沸点以下优选至少20K，特别优选至少30K，更特别优选至少40K。

至少一个冷却剂回路管线通入到冷凝区中，该冷凝区可以具有落差，其中，冷却剂收集容器布置在全部的冷却体下方，冷却剂从该冷却剂收集容器经由冷却剂供给管线被供应给冷却剂输入管线。

冷却剂可以是或具有全氟化的化合物，优选由乙基异丙基酮衍生的化合物，特别优选全氟(2-甲基-3-戊酮)、C₆F₁₂O。

冷却剂回路管线可以具有大于冷却剂输入管线的最大开口横截面的竖直开口横截面。

冷却剂回路管线可以是无压力的，从而冷却剂可以通过冷却剂回路管线不受阻碍地流出。

冷却剂回路管线可以布置在距空腔的下边界壁一定距离处，其中，空腔中的冷却剂在下边界壁上方的填充高度通过该距离来设定，并且其中，通过冷却剂回路管线相距与下边界壁相对布置的上边界壁的另一距离，确定空腔的蒸发体积。

附图说明

参考以下附图解释本发明的其它细节。这些附图仅示出示例性的实施方式，这些实施方式不应限制本发明。在此：

图1示出了根据现有技术的开关柜装置；

图2示出了根据本发明的开关柜装置的示例性实施方式；

图3示出了根据本发明的开关柜装置的另一个实施方式；

图4a-4c示出了根据本发明的开关柜装置的三个示例性实施方式，其中，冷却设备相对于开关柜壳体的相对布置不同；

图5以示意图示出空气-液体-热交换器与液-液-热交换器的互连的不同变型；

图6示出了根据第一实施方式的在待冷却组件和热导体之间的热传递的示意图；

图7示出了根据第二实施方式的在待冷却组件和热导体之间的热传递的示意图；

图8示出了根据第三实施方式的在待冷却组件和热导体之间的热传递的示意图；

图9以示意图示出了根据本发明的开关柜装置的另一实施方式；

图10以示意图示出了根据本发明的开关柜装置的又一实施方式；

图11以示意图示出了收集管的一种示例性实施方式；

图12以示意图示出了收集管的其它实施方式；

图13以示意图示出了收集管的又一实施方式；

图14以示意图示出了收集管的另一实施方式；

图15以示意图示出了收集管的另一实施方式；

图16以示意图示出了收集管的另一实施方式；

图17以立体图示出了液-液-热交换器的示例性实施方式；

图18以立体图示出了根据图17的朝向截面C观察的热交换器；

图19示出了根据图17的朝向截面B观察的热交换器；和

图20示出了根据图17的朝向截面A观察的热交换器；

图21以示意图示出了根据图3的实施方式的流体流的视图；

图22示出了根据本发明的开关柜装置的另一实施方式；

图23以示意图示出了根据图23的实施方式的流体流的视图；

图24示出了根据本发明的开关柜装置的另一实施方式；

图25以示意图示出了根据图24的实施方式的流体流的视图；

图26示出了根据本发明的开关柜装置的另一实施方式；和

图27以示意图示出了根据图26的实施方式的流体流的视图；

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的开关柜装置。第一冷却液体，在这种情况下是水，通过设置在建筑物例如计算中心外部的再冷却器15—其例如可以设计为冰机—被提供，并且供设置在计算中心内的冷却设备2使用。冷却设备2具有空气-液体-热交换器3，通过该热交换器提供冷却空气，该冷却空气被吹入计算中心的双层地板中。冷却空气从双层地板被吹到开关柜壳体或IT机架1的前面，从而可以由布置在其中的组件例如服务器托架吸入冷却空气。替代地或附加地，开关柜1可以形成一排开关柜，其将计算中心的热通道与冷通道隔开，其中，通过布置在双层地板中的风扇在冷通道中提供冷空气过压，该冷空气过压把冷空气通过机柜1输送进入热通道中成为加热空气，并在此冷却布置在机柜1中的组件。

除了空气冷却之外，还提供液体冷却，例如CPU液体冷却，包括另外的再冷却器15，其液化例如可以具有沸点温度的制冷剂，该沸点温度可以接近需要冷却的组件的优选工作温度。因此如果将制冷剂供应给需要冷却的组件，则由这些组件产生的功率损失会导致制冷剂蒸发，从而由于从液相到气相的相变，发生从组件到制冷剂的特别高的热传递，进而进行有效的冷却。在热导体10的帮助下，促进了从制冷剂到组件的热传递，这些热导体与待冷却的组件直接接触。热导体10基本上可以由导热能力非常好的材料例如金属构成，该材料形成冷却体，制冷剂被引导穿过该冷却体，并且制冷剂必要时在热导体10内经历已经描述的液相到气相的相变，其中，优选地为制冷剂提供通过速度或通过流量和温度，其选择方式为，使得被引导通过的制冷剂体积流量的仅仅一部分蒸发，而另一部分保持液态，从而蒸发的部分可以从后续流动的制冷剂的液体部分中输出，以便在再冷却器15中再次液化。

相反，图3至5示出了根据本发明的开关柜装置的示例性实施方式。对于该开关柜装置，第一冷却液体例如水通过第一供给管线5被引向冷却设备2，并且流过热交换器3。为此，热交换器3具有第一回路管线6，现在根据本发明，与根据图1的解决方案相反，该第一回路管线并非直接通入到再冷却器15中，而是与液-液-热交换器7的供给管线8连接。热交换器7具有第二回路管线16，类似于根据图1的实施方式，该第二回路管线被引向再冷却器15。通过液-液-热交换器7，在空气-液体-热交换器的液体回路和与其流体分离的第二制冷剂回路之间进行热量传递，该第二制冷剂回路例如可以具有不同沸点的制冷剂，如已经参考图1进行了描述。由于第二制冷剂回路可以在比具有空气-液体-热交换器3的第一制冷剂回路的温度水平高的温度水平上运行，所以通过第一回路管线6提供的加热液体可以用作冷却液，该冷却液被引入到液-液-热交换器7中。

图4a至4c示出了冷却设备壳体2相对于开关柜壳体1的三种不同的相对布置。由两个组件1、2彼此间的互不相同的相对布置，产生了不同的气流。特别地，根据本发明因而既可以想到如下实施方式：通过空气-制冷剂-热交换器3冷却的、并且流过需要冷却的组件4的空气仅在冷却设备和开关柜壳体之间循环，即与开关柜装置的环境流体隔离地形成闭合的空气回路。另一方面，存在这样的布置：根本不同的气流一方面流过开关柜壳体1，另一方面流过冷却设备2，其中，这些布置特别用于计算中心内的所谓的冷通道-热通道-布局等。

详细地，图4a示出了如下布置：空气仅在冷却设备2和开关柜1的壳体之间循环，这些壳体彼此直接相邻并且流体地相互连接。通过空气-制冷剂-热交换器3冷却的空气被风扇19抽吸通过热交换器3，并被压入开关柜壳体1中，为此该空气在开关柜壳体1的后侧被横向吹入到开关柜壳体1中。冷却空气以大致水平的方向流过开关柜壳体1，并在这种情况下围绕需要冷却的组件10流动，然后该冷却空气在开关柜壳体1的前侧作为加热空气又通过侧向的流体的空气过渡部进入冷却设备2中，以便再次流过空气-制冷剂-热交换器3。

以已经描述的方式，空气-制冷剂-热交换器3的制冷剂回路管线连接到制冷剂-制冷剂热交换器7的供给管线8上，其中，作为部分加热的制冷剂KM1离开空气-制冷剂-热交换器3的制冷剂，在穿过液-液-热交换器7之后通过回路管线16离开后者，以便例如通过外部的再冷却器(参见图2)被再冷却。制冷剂KM1例如可以是水。

与图4a中所示的实施方式不同，在图4b所示的实施方式中，在开关柜1和冷却设备2的壳体之间没有设置空气流体的过渡部，其中，这两个壳体反向平行地被环境空气流过。环境空气例如可以是容纳在多排开关柜之间的冷通道-热通道-装置中的空气。于是例如可以按由现有技术已知的方式，通过后侧吸入的冷空气作为加热空气通过其前侧流出开关柜壳体。在根据图4b的根据本发明的装置中，现在可以规定，来自热通道的热空气通过冷却设备壳体2的前侧进入到冷却设备中，在那里，热空气通过液体-空气-热交换器3，并作为冷却空气在装置的后侧进入冷通道中。冷通道中的冷却空气可以反复地通过开关柜壳体的后侧进入开关柜壳体中，以便流过需要冷却的组件4。

根据图4c的实施方式与根据图4b的实施方式的不同之处在于，冷却设备2的和开关柜1的壳体在水平方向上错开，其中，在冷却设备壳体2的后侧侧向地排出的冷却空气沿后侧进入开关柜1中。以已经描述的方式，冷却的空气流过需要冷却的组件4，并且在此过程中被加热。在开关柜壳体的前侧，加热的空气又侧向地从开关柜1中流出，以便直接被吹到冷却设备壳体2的前侧，在那里该空气可以通过风扇19又被抽入到壳体2中，并且通过空气-制冷剂-热交换器3被输送，以便空气然后又作为冷却空气侧向地在冷却设备壳体2的后侧直接被吹出到开关柜壳体1的后侧之前。

在另外的图5至20中示范性地示出了对在一个基本封闭的包壳中的发热的电动组件的冷却，其中，介质G1经过组件A1利用空气或气体冷却器Wü1、冷却介质KM1被冷却，并且G1主要在位于包壳内的电动物体之间来回流动而冷却。在此，G1在与包壳邻接的和/或处于包壳中的和/或通过利用包壳基本上封闭的管道(金属板管道、软管或还有刷子)连接的设备或组件(A1)被冷却。一个或多个包壳例如IT机架或开关柜壳体可以使用A1进行冷却。

KM1可以由固态或液态或气态或多相的或完全或部分地改变物相的较冷材料构成，该材料由一种或多种物质组成。KM1可以优选地是水，或具有添加剂的水，或与水相比具有降低的冷凝温度的制冷剂。

除了G1的冷却之外，还对经过组件A1的第二冷却介质KM2进行进一步的冷却。KM2可以由固态的或液态的或气态的或多相的或完全或部分地改变物相的较冷的基本上介电的材料构成，该材料由一种或多种物质组成。它可以优选是具有不同的可能的纯度(高纯度或不纯)的1,1,1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮或1,1,1,2,2,3,3-七氟-3-甲氧基丙烷。KM2的冷却由KM1使用热交换器

在KM1和KM2混合或不混合的情况下进行。KM1可以首先冷却组件或设备G1，然后对冷却介质KM2冷却，或者相反或者并行冷却。

在另一个设计中，G1或KM2也可以在单独的回路中由冷却介质KM3冷却。KM3可以由固态的或液态的或气态的或多相的或完全或部分地改变物相的较冷的基本上介电的材料构成，该材料由一种或多种物质组成。KM3可以优选地是水或具有添加剂或制冷剂的水。

KM2然后作为又冷却的物质被提供给至少一个电动的设备或这样的组件，它们可以通过合适的通道特别是至少一个管和/或软管变得比KM2(特别是半导体元件，例如CPU)甚至更热。

在此，至少一个待冷却的电动设备或组件位于包壳中，并使用KM2冷却，其中，其他电动设备或组件可位于相同的或另一个壳体中，并使用G1冷却。

冷却介质特别是通过液压连通的管、金属丝网或泵，特别是电动或气动驱动的泵或热驱动的气囊泵或它们的组合来提供。在这种情况下，在特殊的设计中，KM2的冷却温度与待冷却组件的最大允许的或经济上最佳的冷却温度相匹配。尤其可以通过旨在改变冷凝温度的改变压力，或通过选择冷却介质KM2，来调整冷却温度。

冷却介质KM2通过至少一个待冷却的物体被加热或不被加热。KM2的物相完全或部分地改变(特别是完全或部分蒸发)，再通过同一通道或一个或多个其他通道排出。如果组件不发热，则可以通过任何方式的控制来全部或部分地停止或继续提供KM2。KM2可以在通道中运行、静止，或线路可以排空。KM2的供应可以不受控地进行，确切地说，KM2始终流过冷却器并蒸发，或流过溢流边缘。

在半导体元件上安置了导热性良好的中空体，该中空体填充有不导电的具有合适蒸发温度的液体。为了确保在被设置用于散热的芯片表面上方始终有足够的液位，空心体可以设计如下：

空心体具有入口和出口，其中，出口被设计成在正常运行中在出口开口上方保持未填充冷却剂的体积。为此，入口由管道中的合适的挡板限制，使得进入空心体中的冷却液体总是多于在最大热输入情况下会蒸发的冷却液体。而出口设计得如此之大，以至于与通过入口引入的冷却剂相比，始终都有更多的冷却剂可以以液相以及气相排出。

冷却体的入口管路和出口管路设计为始终存在竖直落差，以确保空心体中的蒸发不受在出口中积存的冷却剂的妨碍。

本发明主要用于间接或直接地冷却包壳中的发热组件，特别是一个或多个服务器(尤其是在服务器集群中)，从而其中的一些组件由相应的KM2冷却，且其他组件(尤其是那些具有更高耐温性的组件)通过冷却的G1予以冷却，其中，由于冷却的这种分离，G1可以在比以前需要的更高的入口温度下使用，特别是以便实现KM1的更高的入口和出口温度。

在另一种变体中，用于间接或直接地冷却在包壳中的发热物体，特别是一个或多个服务器(尤其是在服务器集群中)，从而一些组件由相应的KM2冷却，而其他组件由冷却的空气予以冷却，其中，由于冷却的这种分离，可以使用具有比以前通常的或以前常见的入口温度更高的入口温度的空气，特别是以便实现KM1的更高的出口温度。

另一种变体用于间接或直接地冷却在包壳中的发热物体，特别是一个或多个服务器(尤其是在服务器集群中)，从而一些组件由相应的KM2冷却，而其他组件由冷却的空气予以冷却，其中，在这种分离情况下，可以使用具有比以前通常的或以前常见的入口温度更高的入口温度的空气，特别是以便通过在KM2的冷凝温度与以前通常冷的KM1之间的高温差来实现冷却的特别高的热传递性能，进而实现每个半导体元件或每个组件A1的特别高的冷却能力，或者减小组件A1的体积。

所描述的解决方案由于其冷却方式而提供了新的可能性，特别是用于在可能需要的地方选择性地提高热流密度，或用于减小发热物体。对于其他发热物体，本发明能够实现选择性地提高冷却温度，以便节省成本，或能够在更高的温度水平下更容易地将在KM1中吸收的能量释放到环境中，或能够继续使用该能量，特别是用于加热和/或干燥目的和/或用于对热运行的制冷机的加热。

与此不同的是，当从待冷却的物体返回至热交换器时，KM2可能包含液相和/或气相，其中，其一部分会在途中冷凝。在此，由于重力，液相在收集器底部汇集。液相可以通过以下机制从收集器被输送到液体管线或

中，而无需使用电机驱动的调节泵：

使用相应的编织物通过毛细作用排放，使用热能蒸发，或者借助气泡泵或文丘里泵。可以规定形成液柱，该液柱触动(浮子)阀，并允许液体排入液体管线中。

可以规定，将加热的且部分蒸发的KM2的液体部分通过收集管输送，在该收集管中携载有气体，并(通过使管线变窄)对气体予以加速，从而该气体克服重力也夹带液体。

可以规定，加热的KM2直接流入

中，用KM1冷却KM2，因此不需要收集器，也不必克服重力输送液体成分。特别地，这可以通过管束式或盘管式热交换器或管式和叠片式热交换器来实现，或者也可以通过板式热交换器来实现，其中，KM2的流入被分配到板通道上。

如今，计算机、服务器和IT设备被构造得越来越小。但在CPU/GPU中产生的热量并没有以相同的程度减少，而是在某些情况下甚至会增加。对计算中心运营商而言，节省成本的巨大潜力在于服务器超频的可能性。在这种操作模式下，可以提高服务器的计算能力，从而减少必须运行的服务器，但由此也进一步提高了每个CPU/GPU的热负载。因此，冷却解决方案必须在单位面积上消散更高的负载，同时也必须紧凑。采用主动空气冷却无法实现足够的传热系数，就像采用水-液冷却或制冷剂-蒸发冷却一样。此外，空气-热交换器需要大的传热表面和额外的风扇，这增加了空间需求、电力消耗和噪音的产生。当使用导电液体比如水进行冷却时，存在泄漏可能导致服务器严重损坏的风险，因此许多用户不喜欢这种冷却。因此，使用介电流体进行冷却是有意义的。除了风扇通过大的传热表面的高空气速度外，空气冷却还需要较大的温差以散发热量。这种温差可以通过制冷剂冷却来减小，因为传热系数要大得多。但是，服务器和服务器机柜中的其他组件仍然必须用空气冷却，因为用制冷剂冷却成本太高，而且单位面积的热负荷也不是很大。但是，这些组件也可以使用较热的空气(例如40-50℃)进行冷却，或者为此而设计，而不是为了CPU/GPU-空气冷却通常需要的大约24到28℃。

这样，可以大大提高冷却的整体温度水平。来自介电制冷剂2(KM2)的热量以及来自空气的热量于是可以在高得多的温度水平上消散。这发生在空气-水-服务器机柜空调设备或空气-制冷剂-服务器机柜空调设备中，它们利用冷却水或制冷剂(通常为KM2)也冷凝或冷却介电的制冷剂(KM1)，该制冷剂对CPU/GPU予以冷却。然后，所有热能都以非常高的温度水平提供给设备中的KM1，从而例如冷却水温度达到供给管线为38℃，且回路管线为45℃(而不是大致例如供给管线18℃并且回路管线25℃)。在这个温度水平上，即使在许多国家的夏天，热量也可以散发到环境中，也可以在冬天用于加热建筑物或浴室等。因此，对于许多应用而言，购买制冷机可能是多余的。

也可以规定，通过KM2将热量直接传递到环境空气中。但是，必须为此铺设特殊线路，因为例如介电的制冷剂1,1,1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮或1,1,1,2,2,3,3-七氟-3-甲氧基丙烷相对于其他制冷剂具有较小的蒸汽密度，并且相对于其他制冷剂而言，蒸发温度对压力非常敏感。因此，具有较高蒸汽密度和较低蒸发温度压力敏感性的水或另一种制冷剂更适合在较长距离上传输热量。通过提高也在供应空气中的温度水平，来自冷却空气的热量也可以在这个高温水平上传递到KM1。由于现在无论KM2还是冷却空气都不必冷却到低于40-50℃，因此通常不需要制冷机。由于所述热空气停留在机柜中，因此计算中心中的工作条件对员工来说更加舒适。

图21示出了根据图3的实施方式的流体引导。因此，描述了一种封闭的空气引导系统，其中，空气仅在开关柜壳体1和冷却设备2之间循环。特别地，没有规定从开关柜装置外部供应空气。相比之下，冷却的液体，例如通过冰机提供的冷却水，经由供给管线5从外部被供应给该装置。加热的液体通过回路管线16又被供应给再冷却器，例如提到的冰机。

在离开空气-液体-热交换器3之后，通过空气-液体-热交换器3提供的冷却空气在其流动方向上首先被供应给组件4，这些组件例如可以是服务器装置的组件。空气作用在服务器组件4上，其中，热量从组件4传递到空气，因而加热空气。在空气已通过组件4后，空气又被供应给空气-制冷剂-热交换器3进行再冷却。

经由供给管线5提供和冷却的液体，利用穿过空气-液体-热交换器3的空气被加热，并且经由热交换器3的回路管线6从热交换器3作为加热的液体引入到液-液-热交换器7的供给管线8中。通过液-液-热交换器7，对制冷剂回路予以再冷却，至少部分液态的制冷剂经由该制冷剂回路被供应给特别需要冷却的组件4，因而供应给具有高热流密度的组件。这些组件4例如可以是CPU。对于这些组件的冷却，在该制冷剂回路中引导的液体具有明显高于在开关柜壳体1中循环的空气的温度可能就足够了。例如，液体可以具有大约50℃的温度。由于空气-液体-热交换器的返回温度例如可以是35℃，因此这种已经部分加热的液体仍然足够冷，以便对液体进行再冷却，用于直接冷却组件。

因此，从热交换器3经由供给管线8引入到热交换器7中的液体在经过热交换器7时被进一步加热，并且可以被加热到例如50℃，在该温度下，液体随后经由回路管线16又离开装置1，以便例如供应给冰机，用于重新再冷却和馈送到供给管线5中。

与根据图3和21的实施方式不同，在图22和23中示出了一个实施方式，在该实施方式中，装置中的空气不循环，而是从装置的后侧被引导穿过该装置，并且在该装置的前侧又离开该装置。在此，通过后侧进入装置中的气流被分成第一部分流和第二部分流，其中，第一部分流作用在冷却设备2上，而第二部分流作用在开关柜装置上，特别是作用在容纳于其中的不需要液体冷却的组件4上，以便冷却这些组件。

在冷却设备2中设置了另一个空气-液体-热交换器18，它被穿过冷却设备2的空气加载。风扇19可以被设置用来驱动空气以可调节的流速通过热交换器18。液体-空气-热交换器18所连接的液体回路，被设计用于对组件进行直接液体冷却，如已经参照前述实施方式原则性地描述的。

与前述实施方式不同，在冷却设备2或开关柜壳体1中没有直接设置用于冷却空气的空气-液体-热交换器，利用该空气例如对另外的空气-液体-热交换器18和组件4加载。确切地说，它可以安置在装置之外，例如在安置在计算中心的双层地板中，在该计算中心中放置有开关柜装置。

另一个实施方式在图24和25中示出。在该实施方式中又规定，空气被引导通过开关柜壳体1，用于冷却容纳在IT机架或开关柜壳体1中的组件4。被引导通过壳体的空气，现在继续作用在空气-液体-热交换器18上，其中，通过空气-液体-热交换器18被引导的液体，被供应给组件4中的至少一个，用于把热量从组件4传递到液体，并且从组件4被传递回到空气-液体-热交换器18中。

因此，空气又从开关柜装置外部引入开关柜壳体1中，例如通过其后侧引入。再次，空气首先通过组件4，其中，特别是那些不具有过高热流密度的组件已经可以充分冷却。在该过程中被加热的空气在离开组件4之后，例如在离开其中容纳有组件4的服务器壳体之后，通过现在容纳于开关柜壳体1的门20中的液体-空气-热交换器18。在双壁设计的门20中还设置有风扇19，该风扇将空气通过壳体1的后侧吸入壳体1中，使空气通过组件4，然后空气进而进入门20中，并穿过热交换器18。在下游，热交换器18具有直到通过开关柜门前侧的通道的流体过渡部，进一步加热的空气可以通过该前侧离开开关柜壳体1或门20。替代地，通道也可以例如构造在门20的上侧。

可选地但不是必须地可以规定，加热的空气经由烟囱27被供应给另外的空气-液体-热交换器26，以用于再冷却。离开壳体2的空气例如可以具有50℃的温度，因为如已经参照前述实施方式解释的那样，由于用于组件4的液体直接冷却的液体具有的较高温度水平，该空气相应地远地被加热。

图26和27描述了与根据图3和21的实施方式类似地设计的实施方式，其中，冷却设备2现在被布置在门20中而不是侧壳体中。特别地，液体-空气-热交换器3和与其流体连接的液-液-热交换器7二者都布置在门20中。此外，不同于根据图3和21的实施方式，在该实施方式中，类似于根据图24和25的实施方式规定，空气并非在封闭的系统中循环，而是通过开关柜壳体的前侧，特别是通过门20又从开关柜壳体1排出。

另外的液体-空气-热交换器26例如可以被设计为布置在计算中心墙壁中的热交换器，并且该热交换器例如使得计算中心的空间与计算中心的环境分隔开，或者与另一个空间分隔开，在该另一个空间中提供了计算中心空调系统的热通道或热通道。

本发明的在上面的说明书、附图和权利要求中公开的特征，无论单独地还是以任何组合，对于实现本发明都是必不可少的。

附图标记列表

1 开关柜壳体

2 冷却设备

3 空气-液体-热交换器

4 组件

5 第一供给管线

6 第一回路管线

7 液-液-热交换器

8 第二供给管线

9 第三回路管线

10 热导体

11 第三供给管线

12 热管

13 下降管

14 上升管

15 再冷却器

16 第二回路管线

17 暖空气入口

18 第二空气-液体-热交换器

19 风扇

20 后门或前门

21 冷却设备壳体

22 壳体

23 外壁

24 内壁

25 环形间隙

26 其它的热交换器

27 烟囱

Claims (24)

1.一种开关柜装置，具有至少一个IT机架或开关柜壳体(1)和至少一个冷却设备(2)，该冷却设备具有用于利用冷却空气来冷却容纳在所述IT机架或开关柜壳体(1)中的组件(4)的第一空气-液体-热交换器(3)，其中，所述第一空气-液体-热交换器(3)具有用于冷却液体的第一供给管线(5)和用于加热液体的第一回路管线(6)，其特征在于，所述冷却设备(2)具有液-液-热交换器(7)，在其第二供给管线(8)上连接了所述第一空气-液体-热交换器(3)的第一回路管线(6)。

2.根据权利要求1所述的开关柜装置，其中，所述第一空气-液体-热交换器(3)是第一冷却回路的组成部分，并且所述液-液-热交换器(7)是与所述第一冷却回路分开的第二冷却回路的组成部分。

3.根据权利要求1或2所述的开关柜装置，其中，被引导通过所述第一空气-液体-热交换器(3)的液体是水，或者是具有大部分水的液体。

4.根据前述权利要求中任一项所述的开关柜装置，其中，被引导通过所述液-液-热交换器(7)的两种液体中的第一液体，在标准条件下具有比被引导通过所述液-液-热交换器(7)的第二液体的沸点低的沸点，在所述第二液体的沸点以下优选至少20K，特别优选至少30K，更特别优选至少40K。

5.根据权利要求4所述的开关柜装置，其中，被引导通过所述液-液-热交换器(7)的两种液体中的第一液体，是或具有全氟化的化合物，优选由乙基异丙基酮衍生的化合物，特别优选全氟(2-甲基-3-戊酮)、C₆F₁₂O。

6.根据权利要求4或5所述的开关柜装置，其中，被引导通过所述液-液-热交换器(7)的两种液体中的第一液体，从所述液-液-热交换器(7)的第三回路管线(9)引入到引导液体的热导体(10)中，用于传导冷却。

7.根据权利要求6所述的开关柜装置，其中，被引导通过所述液-液-热交换器(7)的两种液体中的第一液体，从引导液体的所述热导体(10)引入到所述液-液-热交换器(7)的第三供给管线(11)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的开关柜装置，其中，所述液-液-热交换器(7)是热管(12)或分配管的冷却区。

9.根据权利要求8所述的开关柜装置，其中，所述热管(12)或分配管具有下降管(13)和上升管(14)，它们被设计为彼此流体分离的竖直管线，或者在所述热管的最下部区域中通过虹吸管彼此流体连接。

10.根据权利要求8或9所述的开关柜装置，其中，所述热管(12)具有下降管(13)，从所述液-液-热交换器(7)冷却的第一液体被引入该下降管中。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的开关柜装置，其中，所述热管(12)具有上升管(14)，加热的第一液体被引入到该上升管中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的开关柜装置，其中，从再冷却器(15)例如冰机，冷却的液体通过用于冷却液体的所述第一供给管线(5)被引入所述空气-液体-热交换器中(3)。

13.根据权利要求12所述的开关柜装置，其中，所述冷却的液体作为加热的液体从所述液-液-热交换器(7)引入到所述再冷却器(15)中。

14.根据前述权利要求中任一项所述的开关柜装置，其中，所述冷却设备(2)是排列在一系列IT机架或开关柜壳体(1)中的冷却设备(2)，通过其后侧或前侧，热空气从热通道被吸入，并作为冷空气沿着与所述后侧或前侧相对的一侧被吹出到冷通道中。

15.根据前述权利要求中任一项所述的开关柜装置，其中，所述第一回路的所述空气-液体-热交换器(3)和所述第二回路的所述液-液-热交换器(7)容纳在所述IT机架或所述开关柜壳体(1)的后门或前门(20)中，其中，所述空气-液体-热交换器(3)和所述液-液-热交换器(7)被空气流过，所述空气在与所述后门或前门(20)相对地布置的一侧进入所述IT机架或所述开关柜壳体(1)中。

16.一种开关柜装置，具有至少一个IT机架或开关柜壳体(1)，空气被引导通过该IT机架或开关柜壳体，用于冷却容纳在所述IT机架或开关柜壳体(1)中的组件(4)，其中，由所述空气对第二冷却回路的第二空气-液体-热交换器(18)加载，并且，被引导通过所述第二空气-液体-热交换器(18)的液体，被供应给至少一个组件(4)，用于从所述组件(4)到所述液体的热传递，并且从所述组件(4)被引导返回到所述第二空气-液体-热交换器(18)中。

17.根据权利要求16所述的开关柜装置，其中，所述空气从所述开关柜装置的外部，部分地引入到所述至少一个IT机架或所述开关柜壳体(1)中，并且部分地引入到冷却设备壳体(21)中，该冷却设备壳体分配给所述IT机架或所述开关柜壳体(1)并与其流体分离，在该冷却设备壳体中容纳有所述第二空气-液体-热交换器(18)。

18.根据权利要求16或16所述的开关柜装置，其中，所述空气从所述开关柜装置的外部引入到所述至少一个IT机架或所述开关柜壳体(1)中，其中，所述开关柜装置具有空气引导部，其中，所述空气沿其流动方向在进入所述IT机架或所述开关柜壳体(1)后对所述组件加载，然后作为被所述组件部分地加热的空气对所述第二空气-液体-热交换器(18)加载。

19.根据权利要求17或18所述的开关柜装置，其中，所述第二回路的所述第二空气-液体-热交换器(18)布置在所述IT机架或所述开关柜壳体(1)的后门或前门(20)中，其中，所述第二空气-液体-热交换器(18)被空气流过，所述空气在与所述后门或所述前门相对地布置的一侧进入所述IT机架或所述开关柜壳体(1)中。

20.根据权利要求19所述的开关柜装置，其中，所述IT机架或所述开关柜壳体(1)具有空气引导部，其中，所述空气沿其流动方向在进入所述IT机架或所述开关柜壳体(1)后对所述组件(4)加载，然后作为被所述组件(4)部分地加热的空气进入所述后门或所述前门中，并且对所述第二回路的所述空气-液体-热交换器(18)加载。

21.一种用于对开关柜装置予以空调的方法，其具有以下步骤：

-对容纳在所述开关柜装置的IT机架或开关柜壳体(1)中的组件(4)施加空气，其中，把所述空气加热到第一温度；和

-把加热到所述第一温度的空气引导通过第二空气-液体-热交换器(18)，其中，对液体予以冷却，用于所述组件(4)的液体冷却，并且将所述空气加热到大于所述第一温度的第二温度。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述空气在被引导通过所述第二空气-液体-热交换器(18)后，以所述第二温度排放到所述开关柜装置的周围环境中，或者通过另一个热交换器(26)进行冷却，并为了重新对所述组件(4)施加空气而再循环。

23.一种用于对开关柜装置予以空调的方法，其具有以下步骤：

-对容纳在所述开关柜装置的IT机架或开关柜壳体(1)中的组件(4)施加空气，其中，把所述空气加热；

-把加热的所述空气引导通过第一空气-液体-热交换器(3)，其中，把所述空气冷却，并且加热被引导通过所述第一空气-液体-热交换器(3)的第一液体；

-把加热的所述第一液体引导通过液-液-热交换器(7)，其中，对被引导通过所述液-液-热交换器(7)的第二液体予以冷却，用于对所述组件(4)予以液体冷却，并且进一步加热被加热的所述第一液体。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，把被进一步加热的所述第一液体从所述液-液-热交换器(7)中导出，在所述开关柜装置外部冷却，并作为冷却液体再循环到所述第一空气-液体-热交换器(3)中。

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