热地板数据中心的制作方法

专利名称：热地板数据中心的制作方法
热地板数据中心技术领域
本文档涉及为包含电子设备的区域提供冷却的技术，诸如计算机服务房间或计 算机数据中心的服务器机架。
背景技术：
随着使用计算机的消费者越来越需要重载在线应用，大大地增加多计算机数据 中心的要求。数据中心是集中计算设施，包括几百、几千、甚至数千台计算机，通常布 置成多个计算机机架。数据中心对于现代计算十分重要且建设和运营也非常昂贵。
对于建设数据中心的开支包括征用土地及设施标准的建设成本。另外，必须购 买和安装数千台计算机和配套设备。需要电子和机械设备来对这些设备进行供电和冷 却。
数据中心的运营十分昂贵，原因在于需要速度快的计算机且速度快的计算机需 要电能。作为一个不幸的必然结果，速度快的计算机将电能转化成热，需要更多电能来 消除热。例如，许多建筑物使用冷却器、冷凝器、蒸发器和其他能源消耗设备来冷却设 施。这种设备需要风扇、泵和其他配套供电设备。发明内容
本文档公开了从支持电子设备的区域(诸如在数据中心中)有效率地去除热的系 统和技术。在此描述的许多示例涉及在热空气通风室(plenum)中捕获电子设备加热的 大部分或全部空气，其中，热空气通风室位于数据中心中的地板之下。然后，可以将热 空气聚集到该空间，将其冷却，并且重新循环回到数据中心的主工作空间，在这里空气 可以再次通过电子设备循环。其他热空气通风室或者地板下通风室的扩展可以位于容纳 电子设备的计算机机架的后面，从而从工作空间的机架中的计算机抽取空气，排到通风 室，然后通过机架后通风室向下到地板下空间。
在这种系统中，可以按照各种方式来布置空气循环和冷却设备。作为一个示 例，可以向每个计算机主板或者主板的小组提供小循环风扇，并且可以在地板下空间或 地板下空间附近设置主循环风扇。所述较小风扇可被用来保持对每个板循环的控制，以 防止出现热点，并且保证每个板具有紧密控制。更紧密且更具有响应性的控制帮助防止 响应太慢或(也许带有过度校正的)响应太快，其中响应太慢可能引起板过热，而响应 太快可能使得一个板不成比例地占用设施中的冷却资源。较大的风扇可以用于使空气移 动到工作空间并在其内分发，并且克服冷却来自地板下空间的空气的冷却卷管的压力落 差。
可以采用各种布置的风扇和冷却卷管。例如，风扇和卷管这两者可以位于地板 下空间，其中，风扇可以抽取空气通过卷管或者推动空气通过卷管。另外，卷管可以水 平放置在风扇之上或之下的地板水平面处，或者可以垂直地或成一定角度地完全放置在 地板下空间内。另外，可以提供加压通风室，其中多个风扇向单个通风室提供空气并且多个卷管允许空气通过通风室。风扇可以采用各种结构，包括轴向和离心风扇。
在特定实现中，提供与大规模的冷空气通风室(例如，填充数据中心工作空间) 分离的大规模的热空气通风室(例如，在数据中心地板下)可以提供一个或更多个益处。 例如，在两个通风室都很大且共享来自系统的多个部分的空气的情况下，空气在热和冷 两侧会具有大的热质量，并且可能因此抵制操作条件的变化，从而可以展现更一致的操 作。大型共享通风室允许对板出口温度的改变效果进行平均化。另外，在多个计算机 机架、多个卷管和/或多个风扇向公共通风室送入空气或抽取空气的情况下，其他冷却 单元可以取代发生故障的一个冷却单元，诸如风扇或冷却卷管。尽管这种情况下空气的 温度可以比故障之前的温度稍微高点，但是来自故障设备的热空气可以与来自许多其他 区域的空气混合，从而整体效果可以忽略，并且全部或大多数计算机可以保持在线和操 作。当对设施执行维修时可以利用类似的积极效果。此外，通过在空气进入工作空间之 前将其冷却，在工作空间可以需要较少的混合或没有混合，从而空气进入计算机时的温 度更加一致，并且可以在没有热点危险的情况下设计整个系统用于较高进入空气温度。 可以在仅使用冷却塔而不使用冷却机的情况下，实现这种较高进入空气温度。
另外，当在计算机处设置附加小风扇或其他气流控制机构时，可以安全地提高 跨越这些计算机的空气温度上升，从而在热空气通风室中引起特别高的温度。这种高温 可以允许系统更加有效率地操作，原因在于，在给定的温度，通过给定的冷却水量，更 多的热可以从高温空气中被抽出。这将导致，与具有类似的能力但是以较低的热空气温 度运行的冷却装置相比，该冷却装置总体规模较小。
通过在系统中操作较大的风扇来辅助这种慢循环，所述较大的风扇从热空气通 风室抽出空气并驱动空气通过冷却卷管，从而每个托板面临跨越其的恒定压力差。这 样，计算机上的风扇将经历可预测的操作参数并且可以以非常低的速度和量相对可靠地 操作。另外，控制各个单元(诸如托板或托板组)以维持设定出口温度(并且通过扩展， 设定温度上升)和控制更一般的风扇以维持可以为0的设定压力差(而不是对那些风扇进 行温度或温度差的温度控制)，可以帮助防止整个系统的这两个部件彼此“冲突”。
最终，捕获在热空气通风室中的服务器排出以及在将其释放到设施之前进行处 理(冷却)在服务器的入口导致更可预见的且统一的空气温度。这允许设计更高的平均 入口温度，而不是与释放来自服务器的未冷却空气返回到设施相关联的峰值。另外，热 空气区与冷空气区的隔离可以帮助防止热短路，其中，局部的热空气可以被拉回通过机架。
在一些实现中，公开了一种数据中心冷却系统，包括地板结构，所述地板结 构限定地板下热空气通风室和地板上冷空气通风室；多个地板上计算机组件，所述多个 地板上计算机组件被布置成将热空气排出到热空气通风室；以及一个或多个风扇-卷管 布置，所述一个或多个风扇-卷管布置从热空气通风室抽取空气、冷却该空气，并向冷 空气通风室提供该空气。所述系统可以包括垂直通风室，通过地板结构中限定的开口将 计算机组件流体连接(fhiidly connect)到热空气通风室。所述一个或多个风扇-卷管布置 包括一个或多个封装的风扇-卷管，并且热空气通风室和冷空气通风室的容量大小以及 截面形状可以被调整以基本上消除由于风扇-卷管布置的故障造成的温度热点。在一些 方面，热空气通风室限定的容量至少与冷空气通风室限定的容量的百分之二十一样大。
在其他特定方面，多个计算机组件包括按行布置的多个垂直机架，所述多个垂 直机架将热空气排出到与地板下热空气通风室流体连通(influid communication)的垂直通 风室。所述系统还包括与计算机组件邻近的空气循环风扇和被配置为维持来自计算机组 件的设定出口空气温度的风扇控制器。此外，所述系统可以包括与计算机组件邻近的空 气循环风扇和被配置为维持计算机组件上的部件的最大安全操作温度的风扇控制器。另 夕卜，所述系统可以包括风扇-卷管组件控制器，所述风扇-卷管组件控制器被配置为维持 热空气通风室和冷空气通风室之间的设定压力差。例如，设定压力差可以大致为0。在另一实现中，公开了一种操作数据中心的冷却系统的方法。所述包括跨越 多个计算机循环空气以消除计算机积累的热；捕获地板上热空气通风室中的空气并且将 所述空气向下引导到地板下热空气通风室；以及捕获热空气，将热空气冷却，并且将冷 却的空气提供给地板上工作空间。所述方法还包括跨越所述计算机连续地使空气循环进 入地板下热空气通风室，通过循环和冷却设备，并且返回到工作空间。提供冷却的空气 可以包括使用地板下风扇使热空气循环通过地板下冷却卷管，以及跨越所述多个计算机 循环空气可以包括使用邻近所述计算机放置的风扇跨越所述多个计算机抽取空气。在特定方面，所述方法还包括控制邻近计算机放置的风扇以维持来自计算机的 设定出口空气温度。另外，在特定方面，地板下热空气通风室至少是地板上冷空气通风 室的容量的百分之二十。在另一实现中，公开了一种数据中心冷却系统。所述系统包括数据中心工作空 间，所述数据中心工作空间向大量多个计算机组件提供冷却空气；热空气通风室，所述 热空气通风室接收循环经过计算机组件且变热的空气；以及数据中心地板，所述数据中 心地板至少部分地限定数据中心工作空间与热空气通风室之间的屏障。所述系统还可以 包括热空气通风室中的多个空气循环风扇以及与位于热空气通风室的边缘的空气循环风 扇相关联的多个冷却卷管。空气循环风扇可以被配置为抽出热空气通风室的空气并且在 通过冷却卷管冷却空气之后提供给工作空间。另外，数据中心工作空间可以包括在包含 计算机组件的一个或多个模块化计算框架中，以及热空气通风室包括在被配置为加入到 所述一个或多个第一模块化框架的一个或多个模块化机械框架中。此外，所述系统可以 包括在第二模块化工作空间框架顶部上堆叠的第一模块化工作空间框架，所述第二模块 化工作空间框架堆叠在机械框架顶部上。在附图和下面的描述中，阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图 以及权利要求，其他特征、目的和优点将是明显的。


图Ia示出数据中心空气循环布局的平面图。图Ib示出图Ia中的数据中心的前视截面图。图Ic示出图Ia中的特定风扇-卷管单元的侧视截面图。图Id示出图Ia的数据中心的管道布局的平面图。
图Ie示出图Id的数据中心的前视截面图。图2a示出具有聚集的风扇-卷管单元的数据中心的平面图。图2b示出图2a的数据中心的截面图。
图3a示出具有多种空气循环和冷却子系统的数据中心的平面图。图3b示出图3a的数据中心的截面图。图3c示出图3b的特定单元的截面图。图4a示出模块化、堆叠的数据中心的等 距视图。图4b示出图4a的数据中心的端截面图。图4c示出图4a的数据中心的提升连接器的详细视图。图4d示出图4a的数据中心的局部平面图。图5是多级固定数据中心的截面图。图6是使用共享高压热空气通风室的数据中心的平面图。图7是具有地板下空气循环和冷却单元的数据中心的截面图。各个附图中相同的附图标记指示相同的部件。
具体实施例方式图Ia示出数据中心100空气循环布局的平面图，而图Ib示出图Ia中的数据中 心100的前视截面图。通常，在此示出的系统提供多个风扇-卷管单元组合，可以位 于标准数据中心100的地板下。在此示例中将数据中心100示出为类似于仓库的设施 或者不昂贵且快速建成的其他设施中单层数据中心。所述设施可以被建设成板块叠层 (slab-on-grade)设施，或者可以被设置为两层设施，其中，板块上组件包括计算机，板 块下(地板下)组件包括各种冷却和其他机械设备，诸如管道。其中，设施是板块叠层， 管道和机械设备可以位于标准活动地板之下。用于计算机的电子设备(未示出)又可以 位于计算机之上或之下，而用于机械设备的电子设备可以位于地板之下。在支持多个计算机的机架的平行行中布置数据中心100中的计算机，如在此示 例中通过图Ia的平面图中的虚线所示。计算机可以是从机架滑进和滑出的水平托板上的 计算机母板的形式，就像自助餐厅的托板或面包房的托板。还可以使用安装计算机的其 他机构，诸如通过垂直布置计算机以及在计算机的背板提供用于计算机联接的机构。每 个机架可以包括多个计算机的垂直部分，诸如通过在一个机架中包括三个部分。机架本 身可以安装在轮或用于将其移动到其他机架位置的其他机构。在此示例中，以背对背的布置成对示出行中的机架。具体地，主机架行106包 括两个平行行的机架106a，通过热空气通风室106b将它们的后边缘稍微分开。在操作 中，将空气从工作空间104抽取到机架106a的前面，穿过机架中的计算机，其中，通过 计算机设备使其变热，并且可以将空气从机架的后面直接输出到通风室106b。可以在每 个这种通风室106b的底部处的数据中心的地板中设置开口 105，从而可以将热空气从通 风室106b向下抽取到地板下空间108。地板下空间108本身还可以用作热空气通风室， 并且尺寸可以相对较大。例如，在使用活动地板的情况下，地板下空间108高度大约为2 英尺或4英尺或者更高。在使用地板下空间或类似空间的情况下，地板下空间108高度 可以大约为8英尺至10英尺或者更高。如所示，可以用多个风扇-卷管单元(诸如单元107)填充地板下空间108。这 种风扇-卷管单元可以采用各种形式，并且不需要是在贸易中通常被称为风扇-卷管单元 的单包装单元，并且也不需要具有风扇与卷管的特定比。例如，多个风扇可以服务包括单个卷管或不同数量或多个卷管的单个区域。风扇和卷管的具体布置可以依赖于实现系 统的方式。在此示例 中，示出风扇-卷管单元具有服务各个卷管的各个风扇。具体地，例 如，在单元107中，示出风扇100安装到隔离基底，并且将空气从地板下空间108抽出， 以驱动空气向上通过冷却卷管114。卷管114安装到地板结构的底部且通过过渡件流体连 接到风扇110。相对于计算机设备，冷却卷管114可以位于工作空间104的工作空间过 道。可以调整卷管114的大小以便接近工作空间过道的宽度且充分长，以便为空间提供 适合的冷却等级。例如，冷却卷管114可以大约3英尺宽且大约6英尺长。格栅115可以位于卷管114之上以保护卷管，且允许工作空间104中的用户和设 备在卷管之上通过。格栅115可以是可移动的，诸如通过将金属格栅定位在其周围具有 凸缘的孔，就像人孔盖，从而格栅115可以被去除且卷管114可以被访问用于维修或其他 目的。另外，可以邻近格栅115和卷管114设置访问面板(未示出)，诸如对将冷却卷管 114连接到冷却系统的阀门或其他管道提供便利的访问。在其他布置中，单个风扇可以流体连接到多个卷管。例如，可以从风扇的顶 部设置管道系统，且管道系统可以向上向下扩展数据中心的通道，从而单个风扇可以服 务彼此间隔开的卷管。另外，单个风扇可以服务相邻行中的卷管，诸如，在风扇可以位 于计算机行之下且处于相邻工作空间行之间的情况下。例如，通过风扇-卷管单元116 示出这种布置。单个单元给相邻行供能的这种布置可以在冷却系统中导致有益的分集 (diversity)。例如，如果风扇-卷管单元116发生故障，则这个问题将仅导致对每个过道 中的一个卷管失去服务，而不是对每个过道中的多个卷管失去服务。其结果是，问题可 能扩展到整个数据中心，并且相同工作空间行中的其他卷管冷却的空气可以与故障的风 扇_卷管单元附近具有相对热的空气的上一行和下一行混合。还可以采用风扇与卷管的其他布置。例如，多个风扇可以服务单个卷管，以便 在一个风扇停止服务的情况下提供冗余。同样地，多个风扇可以服务多个卷管。这种布 置可以在通风设备和冷却系统中提供更大的冗余和分集。这种系统中的诸如风扇110的风扇中每个可以与诸如马达112的驱动风扇的特 定马达相关联。在此处示出的特定情况下，诸如在数据中心100左侧开始的第二个过道 中，单个马达可以用于驱动多于一个风扇。这种布置可以允许系统更加节能地操作，并 且允许为较大的马达调整尺寸，所述较大的马达去除每单位空气将使用较少电量。另 夕卜，使用多个风扇的马达可以降低系统中需要的维护和修理量，并且降低系统的安装成 本和启动时间。还可以对目前为止描述的数据中心设备提供辅助服务。例如，在图IA中，可以 设置数据中心办公室102，其中，数据中心设备的操作者可以跟踪计算机终端或类似机构 上的操作。例如，可以向操作者示出系统中的温度和系统中的空气流速，以确定数据中 心100中的设备是否被充分冷却。另外，当设备故障或者温度超过特定等级时，可以向 操作者提供报警，从而操作者可以快速诊断并改正任何问题。另外，尽管没有示出，可以向数据中心100提供其他辅助系统，诸如补充空气 系统和用于给各个设备供能的电子系统。可以通过公知技术提供补充空气，诸如通过外 部空气引入口，空气被过滤且可以被潜在地冷却和进行湿度调节。在一个示例中，可以通过具有使用压缩器的冷却单元、冷却机或类似供能的冷却系统的办公室102来提供补 充空气。这样，可以使用冷却塔水对数据中心的主工作工件104进行自由冷却，并且数 据中心的主工作工件104可以保持在高温，而可以使用更能源密集型的冷却设备将办公 室102保持在较低温度。然而，整个能源消耗仍可以急剧下降，原因在于办公室102与 数据中心100的其他区域相比具有低得多的热负荷，其中，可以放置高密度和高热产生 计算设备。作为仅对要求人舒适度的特定区域使用较高操作成本的设备的结果，数据中 心100可以以大幅降低的成本来操作。图Ic示出图Ia的特定风扇-卷管单元的侧视截面图。该视图更好地示出需要 在卷管的长尺度方向将风扇出风口连接到卷管114的管道系统过渡。另外，该视图还示 出数据中心的一行机架106中的多个机架106a。在此示例中，机架的每个垂直部分大约 19英寸宽，而卷管大约是三部分机架的宽度，或者大约60英寸宽。在此，风扇-卷管单 元108包括隔离基底上的风扇110，隔离基底具有通过带连接到风扇的驱动马达112，并 且金属片过渡区从风扇110向上延伸以连接到卷管114。在正常操作中，如附图的箭头所 示，空气将被抽取到风扇110的一侧或两侧，通过卷管向上驱动且进入通过上面站了工 作人员的工作空间。附图还示出冷却管道119。这种管道119可以沿地板之下的路径或其他位置被路 由，以便接近系统中的各种冷却卷管。可以包括弹性管道部分的管道起点(takeoff)可以 设置在主管道(main pipe rans)与冷却卷管(诸如卷管114)之间。可以布置由供给管道 和回流管道组成的冷却管道119以便引导回到一个或多个总管(header pipe)。总管的大 小可以随着它们接近一个或多个冷却机而增加。图Id示出图Ia的数据中心的管道布局的平面图，而图Ie示出图Id的数据中心 的前视截面图。管道系统通常包括冷却水供给集管(header) 130和冷却水回流集管132。 通常，将水从外部源(诸如连接到冷却塔的蒸发冷却环)泵到系统中以达到供给集管 130 (或通过热交换器连接到蒸发环路的环路)。然后，在阶梯布置或其他布置中，水可 以压下一系列供给管道，诸如供给管道134。这种冷却供给水可以接着被提供给起点，所 述起点可以弹性或其他方式连接到各个卷管，诸如起点138连接到冷却卷管114。在通过 卷管114循环之后，此时已经通过经过了卷管114的空气变热的冷却水可以通过起点140 从卷管出来且到达回流管道136。然后，水通往回流集管132，并且排出系统(诸如蒸发 冷却系统)，并且在被冷却后再次循环回来。
如技术人员所理解，还可以在这种系统中提供没有示出的各种辅助组件。例 如，可以在每个管道起点设置切断阀，并且对于每个卷管，允许卷管被去除并允许系统 的其他部分被去除用于维护。另外，集管切断阀可以允许系统的连续调试，其中，最初 可以安装主集管，然后可以安装计算设备，连接到计算设备且联机，而系统的其他部分 还没有安装。另外，系统可以包括其他组件，诸如平衡阀，可以用于确保充分的水流到 系统的所有部分，包括将面对额外摩擦和来自流的限制的系统的远距离部分，并且如果 没有适当地平衡系统，则会因此缺乏冷却水。如技术人员所理解，还可以根据需要提供 泵、过滤器和其他类似组件。图Id所示的特定管道布置可以对于在数据中心冷却系统中提供分集操作是有益 的。具体地，系统的供给管道与管道之上系统中的服务器行成一定角度地运行。其结果是，每个供给管道和回流管道可以服务系统中不同行机架中的且在系统中彼此间隔开的 冷却卷管。因此，如果一行管道必须停止服务，则系统中通过多行的计算机而间隔的卷 管将感到这种影响。例如，如果管道134、136停止服务，则计算机行中间隔开三行的 两个卷管将需要被拆除。那些卷管服务的空气远远地间隔开，并且来自相同行的其他卷 管的冷却空气能够容易地服务“下”卷管前的计算机。相反，如果管道已经沿着行运行 并且每个管道仅服务单个行，则特定行的所有卷管需要停止服务，并且可以导致局部热 的热点，或者面对该行的计算机可能需要离线。通过使每组管道服务不同行机架的卷管 (例如，通过在管道的两个方向具有管道的短起点和长起点)，可以使用与机架行平行地 运行的管道来获得类似的分集(diversity)效果。在此示出在这些附图中示出的数据中心100的具体大小和为数据中心提供的冷 却单元和风扇单元的数量仅是说明性的。通常，数据中心需要更多散布普遍较大区域的 这种冷却卷管。如技术人员所理解，可以根据中心中的具体加热负荷以及设备的能力来 改变适用于整个数据中心上的设备的单元和其他件的具体数量以及单元的样式。图2a示出具有聚集的风扇-卷管单元的数据中心的平面图，而图2b示出图2a 的数据中心的截面图。通常，这些附图示出特定类型的风扇-卷管布置。在此示例中， 相对于风扇的相应冷却卷管来确定风扇的方向，从而风扇聚集(cluster)在一个区域中， 并且可以更容易地向这个集群提供电力服务、一般维护和其他维修服务。通过服务卷管 204的风扇202示出一个这种集群。在示例中，示出对 准的各个卷管204，诸如与上述数 据中心中的工作空间过道对准。如从图2b的截面看出，在此示例中，卷管204不像先前 的示例中那样位置与上述空间的地板平齐或者与上述空间的地板几乎平齐，而是与内部 卷管通风室212成一定角度。可以通过架设从地板下空间的地板延伸到地板下空间的天 花板的金属片的矩形盒来建立卷管通风室212，其可以位于数据中心200的工作空间的地 板或者在数据中心200的工作空间的地板附近。卷管204可以在通风室212内成一定角 度，以便允许表面积较大的卷管服务用于冷却的区域。具体地，如果卷管204与上述地 板平齐，则它们的宽度将被限制到上述数据中心的工作空间的过道的宽度。通过在垂直 尺度调整卷管204的角度，可以使用较宽的卷管。另外，如果可以将卷管204放置到更 接近地板下空间的地板，则在地板下空间可以更加容易访问卷管204。通过卷管通风室212中的卷管204的压力差可以仅是需要克服通过卷管204的压 力落差加上空气向上移动通过地板且到达上述工作空间中的计算机机架前面的轻微的附 加压力落差。由于卷管204的位置使得通风室212包括两个区域。具体地，卷管204的上游 侧的区域可以是热空气区域或热空气通风室，而卷管的下游侧的区域可以是冷空气区域 或冷空气通风室，包括与上述工作空间流体连通的通风室。可以在卷管周围提供诸如垫 圈的适当封闭或其他机构，以防止从热空气侧到冷空气侧的空气泄漏。如所示，诸如风扇202和马达的机械设备在单个区域中聚集可以提供有效的电 力服务。例如，单个电力服务面板214可以设置在风扇202的集群附近，且可以包括服 务风扇202的必要设备。例如，根据操纵马达和风扇202所需要，面板214可以包括断 路器、关闭机构、其他隔离机构、接地设备和马达控制。其结果是，安装者可以更加容 易提供这种设备，并且技术人员可以更加容易访问设备以维修。服务面板的一个或多个部分，诸如关闭机构，可以位于更加容易访问的位置。图3a示出具有多种空气循环和冷却子系统的数据中心的平面图，而图3b示出图 3a的数据中心300的截面图，以及图3c示出图3a的特定冷却单元306的截面图。这些 附图通常示出数据中心冷却系统中提供地板下热空气通风室的风扇-卷管单元的多种不 同布置。在此示出的示例再次涉及周围布置平行行的背对背计算机单元的数据中心，计 算机单元将它们的热空气排到垂直通风室，然后将空气通过数据中心的地板释放到地板 下空间。当然，也可以采用其他布置。通过行304示出这种计算机布置。行304可以包括第一行计算机机架和第二行 计算机机架，它们通过机架之间相对窄的开放区域在后边缘处间隔开。在定位计算机机 架的情况下，可以将空气从数据中心300的工作空间302抽到机架中的计算机单元前面， 并从计算机单元的背面出去，然后向下到达地板下空间。在这种示例中，机架的行之间 的空间用作垂直热空气通风室，而工作空间用作冷空气通风室。作为提供数据中心300中的空气冷却和循环的布置的第一示例，在行304中示出 成直线提供冷却机架的冷却单元306。特定冷却单元306包括一个或多个冷却卷管310， 并且可以具有位于一个或多个卷管310之上的轴向循环风扇308。这种冷却单元306可以 直接放置在数据中心的地板上，在位于卷管310之下的地板中切口之上。以这种方式， 风扇308可以将热空气从地板下的区域向上抽并通过卷管31 0，然后将空气排出行304的 两侧并进入工作空间302，其中，空气可以通过系统再次循环。单元306可以是数据中心中机架的特定配备部分的一部分，其中，可以用卷管 310和风扇308来代替通常为机架中的计算机的组件。通过这种布置，在数据中心300的 操作者认为需要附加冷却的情况下，可以灵活定位冷却单元306。在这种情况下，可以 去除行304的任何一侧上的一对计算机机架，并且单元306可以放置在机架先前放置的位 置。还可以去除到地板下空间的访问面板，以便增加空气可以从位于计算机机架之间的 热空气通风室下面的先前的窄区域开始流动通过的区域，以包括将空气充分提供给卷管 310的区域。可替选地，热空气通过进入到机架下的地板下空间的开口可以过大，如开口 340 所示，用于空气向下通过。开口 340的过大的部分通常可以通过支撑开口 340上的计算 机单元的托板或机架以及通过计算机机架的底部与地板之间的封闭机构而被阻挡，从而 来自工作空间302的空气不能与加热的地板下空气混合。对于诸如单元306的风扇-卷 管单元，开口 340可以适当地调整大小，从而当计算机机架被去除且用风扇-卷管单元替 换时，开口可以与风扇-卷管单元正常地操作。如从图3c可以更加清晰地看出，单元306可以与其他计算机机架成一直线布 置，并且还可以在单元306之上的区域中设置计算机307。这种计算机可以位于需要将冷 空气循环出单元306并且远离单元306的水平面之上，并且在定位数据中心300内的计算 机时可以允许附加密度。通过冷却单元314示出向数据中心300提供循环和冷却的可替选方法。在此示 例中，封装的商业风扇-卷管单元位于地板下空间的地板上。封装的单元可以包括以熟 悉的方式布置的冷却卷管314a和风扇314b。封装的风扇-卷管单元314可以是能够从如 TRANE、CARRIER等公司获得的多种类型商业可用的风扇-卷管单元的任意一个。又可以在风扇-卷管单元314的入口向地板下空间开放风扇-卷管单元314，但是风扇-卷 管单元314在其开口处可以包括过滤器(诸如在粗糙或预过滤器水平处操作的过滤器)， 并且可以用管道通往地板中的开口，以便将冷却的空气返回工作空间302。在完整实现 中，多个封装的风扇-卷管单元将散布地板下区域。以这种 方式，单元314可以方便地提供与本文档的其他部分描述的机构类似的 空气循环和冷却，但是在设施需要快速开机时间的情况下可以更加容易获取和安装单元 314。单元316示出可以用于将空气从地板下空间提供给工作空间并冷却空气的另一 风扇-卷管布置。在此，垂直定位冷却卷管322作为计算机机架的替换的部分。例如， 可以将卷管322定位到框架的侧面，卷管322被移动并调整大小以滑动到通常为计算机机 架保留的空间。这种布置可以允许卷管具有非常大的表面区域，并因此对气流具有低阻 抗。可以在每个卷管之上设置保护面板，以防止卷管被工作空间302的人损坏。风扇318从地板下空间抽取热空气，并且将空气引导到卷管322之间创建的通风 室320中。风扇310产生的高压可以迫使空气通过卷管，在卷管中空气被冷却，并且额 外的空气可以从地板下空间被抽入。在可选布置中，风扇318可以位于地板水平面之上 的卷管322之间，并且可以与卷管322之间的空间交换空气。在这种布置中，风扇318 的空气入口可以向下通往地板下空间，以便抽入热空气并维持通风室320中的正压。通过单元326示出与单元316相类似的布置。然而，在此布置中，仅在一行背 对背的服务器一侧设置通风设备。因此，单元326包括与单元316的风扇318类似布置 的风扇328，并且还包括在一行计算机机架正面处的冷却卷管330。然而，单元326不将 空气引导到计算机机架的另一侧，而是充满计算机机架。从计算机抽出空气的热空气通 风室332与卷管330后面的加压通风室之间的隔板防止这种空气混合且允许两区的适当加 压。再次，风扇328可以放置在卷管330后面空间中的地板之上，并且在此示例中，风 扇328可以包括一组轴向流风扇，类似于在单元306中，可以倚着地板设置。图3c还示出用于诸如单元306的单元的示例管道连接。如所示，冷却水管道340 在地板水平面之下操作，具有向上运行到冷却卷管的起点或水龙头。在特定实现中，一 个或多个小泵可以位于冷却卷管附近，以对通过卷管冷却水的循环提供辅助或更好的控 制。另外，尽管没有示出，可以设置切断阀，以在不干扰系统的操作的情况下容易地连 接和断开卷管，并且还可以设置控制阀以控制提供给卷管的冷却水量。可以在任何切断 阀附近的地板中设置访问面板，从而人可以在不需要进入地板下空间的情况下容易地接 触到阀。在地板下空间与地板上空间之间存在压力差的情况下，可以在访问面板周围和 沿地板水平面的其他点提供封闭材料。在一个示例中，还可以在数据中心的工作空间中设置温度传感器，并且可以对 各种冷却卷管进行节流或增压以维持工作空间的温度设定点。可以依次控制风扇的速度 以维持系统中的特定压力差。例如，可以控制提供有计算机单元的风扇，以提供通过板 的特定温度上升或者在工作空间与板的排气部分之间维持特定压力。然后，可以控制服 务地板下空间的风扇，以维持计算机背板与工作空间之间的设定压力差(即，克服热空 气通风室、冷却卷管和诸如过滤器等的任何其他设备的压力落差)。图4a示出模块化、堆叠的数据中心400的等距分解视图，以及图4b示出相同数据中心400的端截面图。通常，数据中心400已经展示了讨论的许多特征，但是按照可 以在工厂建设、运到现场并迅速在现场竖立的形式。在此示例中，数据中心400包括三 个模块机械基底模块404和两个计算模块402。还可以使用更高级别的模块。计算模 块402可以采取支持由中央过道间隔开的两行计算机机架的盒形梁框架的形式。每个计算模块402可以接近标准航运集装箱的大小，从而它们可以容易地装入 商业拖拉机挂车的挂车上(或者实际上可以用作挂车的结果，如使用航运集装箱)。以这 种方式，模块402可以容易运到现场，并且还可以用帆布或其他材料覆盖，从而在运输 过程中其中的设备可以被遮蔽。通常，可以用标准焊接钢盒形梁或滚压或形成的通道来形成计算模块402的框 架。支撑件(为了清晰，未示出)可以根据需要沿模块402的端或侧放置用于结构支 撑。在此示例中，示出模块402、404具有匹配的尺寸，从而它们可以按照模块化的方式 堆叠在彼此顶部，包括通过在水平尺度形成模块的矩形网格且在垂直尺度堆叠模块，就 像LEGO块的堆叠一样。为了将类推进一步扩展到LEGO块，且为了在彼此的顶部提供 模块的适当对准和封闭，可以沿模块的上部分(例如，沿周边)提供圆柱形扩展，并且沿 其他模块的下部分应用匹配的圆柱形插入物(见图4c)。可以用任何适当的材料做成扩展 和插入物，并且可以使用特定的强硬的塑料，从而随着模块在彼此顶部上滑动可以经历 一些“给”。另外，特定塑料可以被颜色编码(例如，蓝色、红色或黄色)，从而本领 域的装配工可以更加容易与被设计为结合在一起的模块匹配。可替选地，可以使用标准 集装箱角件，并且可以提供铲车叉槽用于机动(未示出)。模块402还可以在输送到现场之前部分或全部被覆层(skinned)。例如，如果 当安装模 块时模块想要成为堆叠中的顶模块，则可以在装运之前对其施加一个顶部-可 以对端模块的壁使用类似的方法。其他内部区域可以保留不被覆层并且对邻接的模块开 放。因此，在安装模块之后，模块可以对模块网格内移动的人和空气开放，这与在安装 时关闭每个模块的实现不同。另外，尽管两个计算模块402示出从模块402的一端一直 到另一端运行的计算机，但是计算机机架可以以不达到模块的一端的形式被停止，以便 允许工作人员沿一端从一个模块移动到下一模块。因此，全面安装可以包括两个方向上的一打或更多模块的网格。在纵向方向， 可以在行之间建立长的计算机行和长的过道。在横向方向，可以设置多行计算机和多个 工作空间过道。然后，数据中心的内部空间可以相对例如图Ia所示的布局区别开。模块402、404可以安装在室外或室内。对于室外安装，可以在现场或者在场外 对模块402、404覆层，并且可以封闭模块402、404以维持适当的压力并且保持各个部件 露出。可以向模块402、404提供各种公共设施，包括空气、水和电。另外，可以邻近 模块402、404设置公共设施工厂，诸如以冷却塔和拥有泵、热交换器和其他机械和电子 设备的模块的形式。这种设备可以位于与模块402、404形式类似的模块中。这些将被 称为服务模块。例如，泵和热交换器可以位于邻近模块402安装的模块中(如在高温天 气时预计是必要的冷却机)，管道集管可以安装到位于邻近模块402安装的模块中。然 后，在管道集管模块连接到通过模块104操作的管道，且冷却塔安装在其他服务模块的 顶部之上的情况下，可以将所有模块连接在一起。在图4b中最好地看出模块402、404中的特定组件以及它们的布置。(为了清晰，已经从图4a去除了特定细节，包括模块404中的设备。)示出这样的计算机机架406 行，并且它们的前边缘形成工作人员可以通过的中央走廊，以及它们的后边缘在模块402 的周边形成垂直热空气通风室410。在操作中，空气可以从过道412抽出，跨越这些计算 机，并且进入垂直热空气通风室410。顶部计算模块402的地板和底部计算模块402的顶 板可以被打孔、保持开放或者是其他流体连通方式，从而热空气可以一直向下流到计算 模块402的外壁并进入机械模块404。如此示例所示，下部模块中的机架406可以比上 部模块402中的机架406的位置更加向内，原因在于，下部模块402的热空气通风室410 需要承载两个模块中计算机排出的空气。通过在下部模块中建立附加区域，下部模块的 过道比上部模块中的过道稍微窄一点，但是热空气通风室中空气的速度可以保持相当平 稳，并且压力落差可以被最小化。另外，示出可选循环辅助风扇416，以向从上部模块 402下来的热空气提供附加动力。控制系统可以与风扇416结合使用以正确管理气流。 在适当的情况下，可以将这样的风扇行沿模块402的长度放置。当热空气向下循环到机械模块404时，在每一侧被一行风扇422吸纳。尽管可 以容易地使用其他形式的风扇，但是在此示例中，风扇422是离心风扇。一对挡板426 将地板下空间分割成风扇422周围的低压区和风扇出口点前面的高压区。冷却卷管424 位于较高压区的另一侧，从而空气通过卷管424，被冷却，然后向上移动到下部计算模块 402的过道412中。模块402的地板可以被打孔或打眼，以便允许冷却的空气更加自由地 向上通过。可以在中央过道412中提供各种布置，以辅助数据中心的操作。首先，可以在 上部计算模块402和下部计算模块402相遇的情况下，可以提供循环辅助风扇414，以便 帮助更冷的空气从卷管424到达上部模块，并且防止空气短路通过下部计算模块402的底 部附近的计算机。另外，卷管424上的虚线示出去除卷管用于维修或替换的区域。具体地，如 果卷管424失效或者需要维修，则在技术人员可以容易地向上拉卷管的情况下，诸如通 过提升卷管424上的环或柄，可以提供卷管之上的区域。另外，可以调整访问面板的大 小，从而可以通过工作空间去除风扇422，诸如通过在轨道上向前滑动风扇，然后在去除 干扰卷管并断开风扇电子设备之后将风扇从单元404提升。在可替选的布置中，并且因 为风扇通常比卷管需要更多的维修，所以风扇422可以位于卷管424之间且在中央过道 412之下。在这种情况下，风扇422可以抽取通过卷管的空气(可以把热空气通风室和低 压冷空气通风室之间封锁起来，所述热空气通风室位于卷管与单元404外壁之间，所述 低压冷空气通风室位于卷管之间)。图4c示出图4a的数据中心的提升连接器的详细视图。所述连接器包括钩环 434，钩环434可以安装在单元的每个角且被定位，以便由起重器钩住用于将单元提升到 位。然后，在放置单元之后可以通过松开来去除环434，从而，例如，可以将附加单元放 置在第一单元的顶部。另外，在此附图中，沿单元框架的周围示出单元之间的圆柱形类 似LEGO的连接器。还可以将吊钩凹入到模块的结果中，以便不需要在安装之后去除。 如上所述，还可以使用类似于在标准联合运输的航运集装箱使用的角件。
图4d示出图4a的数据中心的局部平面图。具体地，该视图示出可以在计算数 据中心402的地板中设置的具体详细结构。沿单元的外边缘是对单元之下的空间开放的热空气通风室410，从而热空气可以自由地向下运动到地板下空间。即使特定单元是堆叠 中的底部单元且因此需要通过多个单元的空气，也可以调整通风室410的大小以通过足 够的空气。单元中的特定机架可以被定位并且沿着轨道432向后或向前滑动。具体地，在 下部单元中，机架可以向前滑动以便露出所有通风室410，并且在上部单元中，机架可以 向后滑动以阻挡部分通风室410，但是又使单元的中央过道更宽。轨道432可以采用各种 形式，诸如机架底部的轮子可以沿其滚动的地板中的上升肋。(当机架到位且可以在机架 的顶部和底部固定机架以放置其倾斜，特别是在地震、运输等期间时，可以锁定轮子。) 轨道432还可以是单元地板中的凹痕，机架底部上的轮子或其他结构可以被放置在该凹 痕中并且可以向前或向后滑动。访问面板430可以提供到计算单元地板之下的阀门和卷管的快速访问。例如， 可以松开或去除位于面板430的每一端或角处的接头或螺钉，可以向上提升访问面板 430，并且一旦断开，那么可以从地板下空间升起下面的卷管。地板格栅420可以同样允许到地板下空间的访问，更具体地，可以允许冷空气 从地板下空间向上流动进入单元的过道中。在风扇位于格栅420之下的情况下，格栅可 以被拿出以提供访问用于维修和替换风扇、风扇马达或其他设备。图5是多级固定数据中心500的截面图。通常，除了为双层之外，这个数据中心 500在布置上 与上面描述和示出的其他数据中心类似，以便在相同的范围容纳更多的计算 能力。在此示例中，数据中心500布置得就像图书馆的“堆叠”中的架子，其中，机架 从层到层向上连续通过。如在先前的附图中，行可以包括位于热空气通风室512每一侧 的一对机架510。中心500的计算区域包括上层502和下层504，并且还设置地板下区域 506用于接收通过机架中的计算机变热的空气。为了清晰，已经省略了循环和冷却空气的 机械设备，但是可以采取各种形式和布置，包括上述那些。通过走道508提供对上层机架的访问。走道可以是计算机机架的相邻行之间提 供和支撑的高架步道(elevatedwalk)。可以垂直定位走道，以便允许该设施中的工作人员 方便地访问该设备的所有层的计算机。图6示出使用共享高压热空气通风室的数据中心的平面图。在此示例中，在地 板下空间构建多个通风室，诸如通过从地板下空间的地板到地板下空间的顶部建立墙壁 并且将通风室的边缘封闭。一个示例通风室是通风室608，其室内空间可以位于多个冷 却卷管下面，诸如位于数据中心的地板或数据中心的地板附近。按照与上述其他系统类 似的方式，可以向上引导进入通风室608中的压缩空气通过卷管610并进入上面的工作空 间。组件可以被定位在上述空间中的计算机机架602的行正下方。通过诸如风扇606的各种风扇将空气驱动到通风室608。风扇606从地板下通 风室的主区域抽取热空气，并且在压力下将其传送到通风室608。在此示例中，风扇606 是服务三个不同通风室的组604中的四个风扇之一。按照与上述其他系统类似的方式， 这种重复允许系统中的附加分集。具体地，如果组中的一个风扇故障或者不提供服务， 则剩余风扇可以保持通风室加压，以使得空气继续通过冷却卷管循环。另外，可以在四 个风扇全部操作的级和风扇中的仅仅三个风扇操作的级，在风扇曲线上选择风扇和调整 风扇大小以更好操作。马达控制中心614可以与控制系统交互，以便即使在一个风扇故障时也能提供一致的空气流，并且中心614的特定方向可以位于更容易访问的位置，诸 如为了安全目的。 作为另一示例，沿数据中心600的侧壁示出单独的通风室616。通风室616包括 其上表面处的单行卷管620，并且通过包括风扇618的两个风扇对通风室616加压。再 次，可以通过在一个公共通风室上具有多个风扇和多个卷管来获得系统的分集，从而如 果一件设备故障，则其他风扇或卷管可以代替。图7示出使用模块化地板下风扇-卷管单元710的系统的截面图。可以按照与 图Ia-图Ib中所示类似的方式来布置此系统使用的组件。具体地，风扇_卷管单元710 可以是用作接收来自地板上的计算机机架706的加热的空气的热空气通风室的地板下空 间。可以定位并布置风扇-卷管单元710，以使得将冷却的空气向上引导到数据中心700 的工作空间过道708中。 在此示例中，风扇-卷管单元710的每一个可以包括位于其上表面的具有轴向风 扇712的矩形框架以及所述框架内的ν型的冷却卷管714。风扇可以从地板下空间716抽 出空气通过卷管，并且可以作为冷却的空气排出到工作空间。每个单元具有方便场外构 建、随后的运输以及现场安装的长度。例如，每个单元710可以大约5-10英尺宽，并且 在其底部边缘上可以设置有制动器，从而很容易被叉车抬起，从卡车上搬上搬下并且移 动到数据中的位置。每个这种单元可以是例如单个卷管下的单独单元。在这种布置中， 需要覆盖和封闭卷管的下游部分附近的单元的侧，以防止冷却的空气重新进入热空气通 风室。可替选地，可以在上述工作空间过道下方按照平行运行的行设置单元。然后， 单元的端可以彼此保持开放，从而冷空气可以在卷管之上的行向上和向下流动。在这种 布置中，如果一个单元中的风扇停止，则通过该行的邻近单元中的风扇向外且向上抽出 进入该单元的卷管的空气。再次，这种布置可以在系统中提供附加分集，从而系统可以 更好地处理单独的设备故障。对于上面描述的每种形式的单元，可以在适当的情况下使用自动挡板，以防止 在单元不操作时空气通过。还可以提供其他这类附件，以改善空气循环以及提高空气循 环效率。已经描述了多个实施例。然而，在不脱离本文档中公开的精神和范围的情况 下，可以进行各种修改。例如，可以将附加组件添加到上述示出，或者可以去除或重新 布置组件。还可以改变特定温度值和其他这样的值。此外，可以适当地重新布置、添加 或去除处理步骤。因此，其他实施例落入权利要求的范围内。
权利要求
1.一种数据中心冷却系统，包括地板结构，所述地板结构限定地板下热空气通风室和地板上冷空气通风室； 多个地板上计算机组件，所述多个地板上计算机组件被布置成将热空气排出到所述 热空气通风室；以及一个或多个风扇-卷管布置，所述一个或多个风扇-卷管布置从所述热空气通风室抽 取空气、冷却所述空气并向所述冷空气通风室提供所述空气。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括垂直通风室，所述垂直通风室通过所述地板结构中限定的开口将所述多个计算机组 件流体连接到所述热空气通风室。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个风扇-卷管布置包括一个或多个封装的风扇-卷管单元。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，调整所述热空气通风室和所述冷空气通风室的容量大小，以基本上消除由所述风 扇_卷管布置的故障造成的温度热点。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热空气通风室限定的容量至少与由所述冷空气通风室限定的容量的百分之 二十一样大。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个计算机组件包括按行布置的多个垂直机架，所述多个垂直机架将热空气排 出到与所述地板下热空气通风室流体连通的垂直通风室。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括空气循环风扇，所述空气循环风扇与所述多个计算机组件邻近；以及风扇控制器，所述风扇控制器被配置为维持来自所述多个计算机组件的设定出口空气温度。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括空气循环风扇，所述空气循环风扇与所述多个计算机组件邻近；以及 风扇控制器，所述风扇控制器被配置为维持所述多个计算机组件上的部件的最大安 全操作温度。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括风扇_卷管组件控制器，所述风扇_卷管组件控制器被配置为维持所述热空气通风室 和所述冷空气通风室之间的设定压力差。
10.根据权利要求9所述的系统，其中， 所述设定压力差大致为0。
11.一种操作数据中心的冷却系统的方法，包括跨越多个计算机循环空气，以消除由所述多个计算机积累的热； 捕获地板上热空气通风室中的空气并且将所述空气向下引导到地板下热空气通风 室；以及捕获热空气，将所述热空气冷却，并且将冷却的空气提供给地板上工作空间。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括跨越所述多个计算机连续地使空气循环进入所述地板下热空气通风室，通过所述循 环和冷却设备，并且返回到所述工作空间。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，提供冷却的空气包括使用地板下风扇来使所述热空气循环通过地板下冷却卷管。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，跨越多个计算机循环空气包括使用邻近所述多个计算机放置的风扇来跨越所述多个 计算机抽取空气。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括控制邻近所述多个计算机放置的风扇，以维持来自所述多个计算机的设定出口空气温度。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述地板下热空气通风室的容量至少是所述地板上冷空气通风室的容量的百分之
17.—种数据中心冷却系统，包括数据中心工作空间，所述数据中心工作空间向大量多个计算机组件提供冷却空气；热空气通风室，所述热空气通风室接收循环通过所述多个计算机组件且变热的空 气；以及数据中心地板，所述数据中心地板至少部分地限定所述数据中心工作空间与所述热 空气通风室之间的屏障。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括所述热空气通风室中的多个空气循环风扇；以及多个冷却卷管，所述多个冷却卷管与位于所述热空气通风室的边缘的空气循环风扇 相关联。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述空气循环风扇被配置为抽出所述热空气通风室的空气，并且在所述冷却卷管冷 却所述空气之后提供所述空气给所述工作空间。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述数据中心工作空间被包括在包含所述计算机组件的一个或多个模块化计算框架 中，并且所述热空气通风室包括在被配置为接合到所述一个或多个第一模块化框架的一 个或多个模块化机械框架中。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述系统包括第一模块化工作空间框架，所述第一模块化工作空间框架堆叠在第二 模块化工作空间框架的顶部上，所述第二模块化工作空间框架又堆叠在机械框架的顶部
全文摘要
一种数据中心冷却系统包括地板结构，所述地板结构限定地板下热空气通风室和地板上冷空气通风室；多个地板上计算机组件，所述多个地板上计算机组件被布置成将热空气排出到热空气通风室；以及一个或多个风扇-卷管布置，所述一个或多个风扇-卷管布置从热空气通风室抽取空气，冷却空气并向冷空气通风室提供空气。地板上冷空气通风室和地板下热空气通风室的容量可以都很大以便最小化系统中组件故障在温度上的改变。
文档编号F24F11/02GK102027296SQ200980117359
公开日2011年4月20日 申请日期2009年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者吉米·克里达拉斯, 威廉·哈姆伯根, 安德鲁·B·卡尔森 申请人:埃克弗洛普公司