用于控制在抽吸冷却剂的冷却系统中的负载动态的系统和方法

专利名称：用于控制在抽吸冷却剂的冷却系统中的负载动态的系统和方法
用于控制在抽吸冷却剂的冷却系统中的负载动态的系统和
方法本公开的背景1.本公开的领域本公开的实施方式一般涉及用于冷却比如数据中心、设备间或布线室的房间的系统和方法，并且更加特别地涉及用于控制在抽吸冷却剂的冷却系统中的负载动态的系统和方法，所述冷却系统提供了对数据中心和类似房间的冷却。2.对相关技术的讨论用于安置电子设备比如数据处理设备、联网设备和电信设备的设备机壳或机架已使用了很多年。这些机架通常被用于在较大的设备间和数据中心里容纳并且布置设备。多年来，已经开发出了大量不同的标准以使得设备制造商能够设计可在机架上安装的设备， 这些可在机架上安装的设备能够被安装在由不同制造商制造的标准机架上。标准的机架典型地包括前部的安装轨道(mounting rails)，电子设备中的多个单元，比如服务器和CPU， 在该机架内被竖直地安装和堆放到所述安装轨道上。示例性的工业标准的机架约6英尺到6. 5英尺高，约M英寸宽，以及约40英寸深，并且该机架通常被称为如电子工业协会的 EIA-310-D标准所规定的“十九英寸”机架。已经开发出了一些管理系统用于管理包括了机架的数据中心的配电(power distribution)系统和冷却系统。已知一个这样的管理系统是由本公开的受让人， 艮口罗德岛州西金斯顿市的American Power Conversion Corporation所提供的 InfraStruXure ( “ISX”)管理器，该管理器被特别设计用于控制大型数据中心的运营。由安装在机架上的设备所产生的热量能够对设备组件的性能、稳定性和使用寿命产生不利的影响。特别是，被封装在机壳内的、安装在机架上的设备可能容易受到工作期间在机壳范围内所产生的疲劳生热(heat build-up)和热点(hot spot)的影响。设备的机架所生成的热量依赖于工作期间由机架中的设备所抽取的电功率的量。另外，电子设备的用户可随着他们需求的改变和新需求的产生来添加、移除并且重新布置安装在机架上的组件。以前，在某些配置中，通过具有计算机机房的空气调节器(“CRAC”)单元的数据中心的冷却系统来冷却数据中心，这些空气调节器单元通常是位于数据中心间边缘的周围的硬管(hard piped)的，不能移动的单元。CRAC单元从单元的前面的吸入空气并向上朝着数据中心间的顶棚输出较冷的空气。在其他实施方式中，CRAC单元从数据中心间的顶棚附近吸入空气并在活动地板(raised floor)以下释放出较冷的空气，用于传递至设备机架的前面。一般来说，这些CRAC单元吸入室温下的空气(在大约72下左右)并且释放冷空气 (在大约阳°F左右)，该冷空气被吹入数据中心间并且在设备机架处或在设备机架附近与室温下的空气混合。在其他实施方式中，CRAC单元可以是模块化的并且可调整的，使得这些单元可依赖于数据中心内的冷却需要被放置在数据中心内的任何位置。这些冷却单元在于2006年1 月19日所提交的、标题为“COOLING SYSTEM AND METHOD”的待定的第11/335，874号美国专利申请中有所描述。安装在机架上的设备一般通过沿着机架的前侧或进气口侧抽取空气，抽取通过其组件的空气，并且随后从机架的背侧或排气口侧排出空气来自我冷却。在某一实施方式中， 通过设备机架从“冷”通道抽取空气，所述“冷”通道一般位于设备机架的前部。被加热的空气从设备机架排放到“热”或“温”通道中，所述“热”或“温”通道一般位于设备机架的后部。CRAC类空调系统的缺点在于将冷空气与室温下的空气混合，这是低效率的。理想地，为了使系统尽可能地高效，并且为了尽可能少地使用能量和地板空间，则最高可行温度下的空气应当被抽入CRAC单元，并且由CRAC所生成的出口空气应当比室温低几度。另外，由于不同数量和类型的安装在机架上的组件以及机架和机壳的不同配置，空气流的要求能够显著地变化。在其他实施方式中，为了控制遍及数据中心的空气流，并且为了如以上所描述地优化空气流，可能需要容纳并冷却在热通道和冷通道内的空气，尤其是在热通道内的空气。 这样的热通道的空气封闭系统的例子可以在第6，859，366号和第7，046，514号美国专利中找到。热通道封闭系统的其他例子由本公开的受让人，即罗德岛州西金斯顿市的American Power Conversion Corporation 提供，其样品号为 ACDC1014、ACDC1015、ACDC1018 和 ACDC1019。在热通道/冷通道的配置中(“HA/HC”)及热通道封闭系统的配置(“HACS”)中， 可能需要使用模块化的冷却单元。使用这些冷却单元，需要调节冷却单元的冷却能力，使得冷却能力匹配由负载生成的热量。当前的手段不提供任何调节冷却单元的冷却能力的装置。本公开的概述本公开的一个方面是针对用于被配置成容纳电子设备的设备机架的抽吸冷却剂的冷却系统。在一个实施方式中，抽吸冷却剂的冷却系统包括通信网络和冷却剂分配单元， 所述冷却剂分配单元与冷冻的(chilled)冷却剂供应通道和加热的冷却剂返回通道流体连通。冷却剂分配单元耦合到通信网络。至少一个冷却模块通过供应线路和返回线路与冷却剂分配单元流体连通。冷却模块耦合到通信网络，并且包括蒸发器和至少一个风扇，所述风扇被配置成将空气引导到蒸发器上。传感器包耦合到通信网络。传感器包被配置成监控在抽吸冷却剂的冷却系统和设备机架中所提供的温度和压力参考点。抽吸冷却剂的冷却系统还包括形成冷却模块的一部分的控制器，其耦合到通信网络和传感器包。控制器，其基于从传感器包所获得的信息，被配置成通过控制冷却剂到蒸发器的传送以操纵通过蒸发器的冷却剂流，并且被配置成通过控制风扇速度以操纵在蒸发器上的空气流。系统的实施方式包括配置传感器包以获得针对饱和温度的信息。传感器包包括供气温度传感器和蒸发器压力传感器。冷却模块还包括被布置在蒸发器与冷却剂分配单元之间的返回线路中的压力调节阀。控制器，其基于针对饱和温度的信息，被配置成打开和关闭压力调节阀以实现冷却模块的预设饱和温度。冷却模块还包括被布置在冷却剂分配单元与蒸发器之间的供应线路中的膨胀阀。膨胀阀被配置成计量进入蒸发器的冷却剂质量流。控制器被配置成通过控制膨胀阀的操作来操纵进入蒸发器的冷却剂流。该布置是让控制器操纵膨胀阀以调节到达蒸发器的冷却剂质量流，使得冷却剂质量流与蒸发器的热需求一致， 以保证冷却剂在离开蒸发器之前被完全蒸发。传感器包包括紧靠在膨胀阀之前定位的压力传感器。传感器包包括压力传感器，其被放置以感测在蒸发器内正在蒸发的冷却剂的压力。 控制器被配置成计算冷却模块的蒸发器的冷却需求，并且确立冷却剂质量流要求以支持所需的蒸发器的冷却需求。控制器被配置成预测对于满足离开蒸发器所需的冷却空气的温度所必需的蒸发温度以及进入蒸发器内的冷却剂的相应饱和压力。控制器被配置成确定冷却模块的电子膨胀阀的位置，该电子膨胀阀被布置在冷却剂分配单元与蒸发器之间的供应线路中，电子膨胀阀被配置成基于所需的质量流、阀流特性和/或在冷却剂供应压力与预期蒸发压力之间的压力差计量进入蒸发器的冷却剂质量流。冷却模块还包括被布置在蒸发器与冷却剂分配单元之间的返回线路中的电子蒸发器压力调节阀。电子蒸发器压力调节阀被配置成调节蒸发器压力以维持从蒸发器离开的所需的冷却空气的离开温度。冷却模块的控制器还包括PID环，该PID环根据需要调节电子蒸发器压力调节阀的位置以维持预定的饱和蒸发温度。控制器被配置成允许冷却模块中的多组蒸发器共享公共的通信网络，而同时使得特定组的冷却模块中的蒸发器相互联系，以与相同组中的其他成员进行汇总和同步。 通信网络与多个蒸发器通信，使得在每个冷却模块中能够汇总所搜集的总的冷却需求并且在特定的通信网络中的各个成员蒸发器之间平等地分配冷却需求。本公开的另一方面是针对控制用于具有一排或多排设备机架的数据中心中的抽吸冷却剂的冷却系统的操作的方法。每个设备机架都被配置成容纳电子设备。在一个实施方式中，该方法包括确定数据中心内的一排或多排设备机架的配置；维持进入一排或多排设备机架内的设备机架中的空气的恒定的供气温度；以及，维持在供气温度与进入抽吸冷却剂的冷却系统的一个或多个冷却模块的空气之间的恒定的温度差。该方法的实施方式包括，当维持恒定的供气温度时，获得进入设备机架的空气的供气温度，并且控制该供气温度。维持恒定的温度差包括估算冷却模块内的实际空气流并且基于被用来获得恒定的温度差所需的冷却能力来控制冷却模块中的至少一个风扇。该方法还可包括通过控制膨胀阀的操作来操纵进入冷却模块的蒸发器的冷却剂流，使得冷却剂质量流与蒸发器的热需求相一致，以保证在离开蒸发器之前冷却剂被完全蒸发。该方法还可包括计算冷却模块的蒸发器的冷却需求，并且确立冷却剂质量流要求以支持蒸发器的所需的冷却需求。该方法还可包括计算对于满足离开冷却模块的蒸发器的所需的冷却空气的温度所必需的蒸发温度以及进入冷却模块的蒸发器内的冷却剂的相应饱和压力。该方法还可包括确定冷却模块中电子膨胀阀的位置。电子膨胀阀被布置在将冷却剂传送到冷却模块的蒸发器的供应线路中。电子膨胀阀被配置成基于所需的质量流、阀流特性和/或在冷却剂供应压力与预期的蒸发压力之间的压力差计量进入蒸发器的冷却剂质量流。该方法还可包括根据需要调节电子蒸发器压力调节阀的位置以维持预定的饱和蒸发温度。该方法还可包括允许冷却模块中的多组蒸发器共享公共的通信网络，而同时使得特定组的冷却模块中的蒸发器相互联系，以与相同组中的其他成员进行汇总和同步。附图简述不旨在将附图按比例绘制。在这些图中，在各张图中示出的每个相同的或近似相同的组件通过相同的数字来表示。出于简洁的目的，没有在每张图中标示每个组件。在这些图中

图1是本公开的实施方式的冷却系统的框图；图2是图1中所示的冷却系统的冷却模块的框图3是用于操作冷却模块的控制框图；图4是显示了冷却系统的控制策略的图示；图5是用于热通道封闭系统的控制算法的框图；以及图6是用于热通道/冷通道系统的控制算法的框图。详述本公开的应用不限制于通过以下说明书所阐明或者通过附图所示出的结构和组件布置的细节。在本公开中所描述的概念能够有其他的实施方式，并且能够以各种方式来实现或实施。此外，此处所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应被视为是限制性的。“包括(including)，，、“包括(comprising)”、或者“具有”、“包含”、“涉及”、以及其在此处的变体的使用，意味着涵盖其后所列出的项目及其等价物，以及附加的项目。本公开的至少一个实施方式针对可配置成用于冷却被安置在设备机壳或数据中心的机架中的电子设备的冷却系统。如此处所使用的，“机壳”和“机架”用于描述被设计为支撑电子设备的装置。这样的冷却系统可在需求的基础上包含一个或多个冷却单元，以便提供在数据中心内的局部冷却。在一个实施方式中，多个冷却单元可散布在一排设备机架中以便更加有效地冷却数据中心。在另一个实施方式中，热通道封闭系统可被用于捕获并处理在热通道中所容纳的热空气。不管使用哪一种方法，由电子设备所生成的温空气的循环路径被缩减，以便减少在数据中心内的热空气和冷空气的混合。在某些情况下，数据中心一般被设计为大的房间，以容纳在数据中心内成排布置的几百个电子设备机架。这些成排的设备机架以存在冷通道和热通道的方式来布置。冷通道提供了到机壳前面的通道，一般会在此处到达电子设备。热通道则提供了到设备机架背面的通道。根据需要的改变，设备机架的数量可以依赖于数据中心的功能需求来增加或减少。冷却系统的至少一个实施方式是模块化的并且可升级的，并且可以采用被设计以满足变化的需要的工具箱(kit)的形式。此外，虽然作为这样的冷却系统预期的用途讨论了相对大型的数据中心，但是如上所述，该系统是可升级的，并且可按较小的规模用于较小的房间并且用于除数据中心以外的应用。在一个实施方式中，冷却系统可包括多个冷却单元，每个冷却单元具有适合支撑冷却系统的组件的外壳。例如，冷却单元的组件可包括一个或多个耦合到导管系统的热交换器，所述导管系统被配置成将冷却剂传送到热交换器。可提供风扇以移除穿过热交换器的空气。这样的冷却单元可被称为抽吸冷却剂的冷却系统或PRCS。冷却单元可被布置在一排设备机架中，并且配置成从热通道抽入数据中心内的热空气，例如，用于将该空气冷却至略低于环境温度。这种配置消除了将热空气与室温下的空气进行混合以获得温的空气混合物的低效率性。这种配置还可以降低由数据中心的空调系统所提供的不易察觉的冷却，由此降低了对加湿的需要。在某些实施方式中，冷却单元的组件可按工具箱的形式来提供，使得安装冷却单元的人员不需要专门的工具。冷却单元的这种模块化的特性允许用户优化每个冷却单元的位置，因为每个冷却单元都包括感测和显示系统容量、流速、冷却剂和空气的入口温度和出口温度、以及从整个冷却单元中取得的压力读数所获得的压力差的能力。因此，可为了在数据中心内获得最大的效率以及最优的使用而使用和重新配置冷却单元。一般的数据中心包括被设计成容纳多个设备机架的房间。在一个实施方式中，可根据于 2004 年 11 月 17 日所递交的、标题为 “EQUIPMENT ENCLOSURE KIT AND ASSEMBLY METHOD”的第10/990，927号美国专利申请所披露的教导来构造每个设备机架，上述专利申请由本公开的受让人所有，并且在此处通过引用被并入。此外，在设备机架之间敷设电缆 (cabling)，可使用包含在机架的顶部上的配线槽来实现，如第6，967，283号美国专利中所披露的，上述专利在此处通过引用并入并且被转让给本公开的受让人。特别地，设备机架包括适用于支撑电子组件，比如数据处理、联网和电信设备的框架或外壳。外壳包括前面、背面、侧面、底面和顶面。每个设备机架的前面可包括前门，以便使得能够到达设备机架的内部。可提供锁以防止进入设备机架的内部和由机架所容纳的设备。设备机架的侧面可包括至少一个面板，其被配置覆盖一个侧面以围住机架的内部区域。设备机架的背面还可包括至少一个面板或后门，以提供从机架背面到设备机架内部的通道。在某些实施方式中，侧面和背面的面板，以及前门和后门，可以用有孔的金属板来制造，例如，允许空气流入和流出设备机架的内部区域。否则，面板可以用固体材料制成。设备机架在结构上是模块化的，并且被配置成滚入和滚出例如在数据中心的一排上的位置。小脚轮固定在每个设备机架的底部以使得机架能够沿着数据中心的地板滚动。 一旦被定位，可部署调平脚(leveling feet)以便将设备机架稳固地放在排中的适当位置。 在这样的设备机架上采用小脚轮和调平脚的例子在第10/990，927号美国专利申请中有详细的披露。一旦就位，电子设备可被定位到设备机架的内部区域。例如，设备可放置到被固定在设备机架的内部区域中的排架上。提供电通信和数据通信的电缆，其可以穿过设备机架的顶部，或者穿过在其中形成有开口的设备机架顶部上的覆盖物(或如第6，967，283号美国专利中所描述的“顶(roof)”)，或者穿过设备机架的开放式顶部提供。在该实施方式中， 电缆可以沿着机架的顶捆扎，或者提供在前述配线槽中。在另一个实施方式中，电缆可以布置在活动地板内，并且穿过设备机架的底部连接到电子设备。使用这两种配置，将电力线和通信线提供至设备机架。如以上所讨论的，数据中心一般配置有多排设备机架，布置这些设备机架使得冷空气从冷通道抽入机架，并且温的和热的空气则从机架排到热通道中。设备机架可被布置成两排，其中在较近的一排中的设备机架的前面被布置在朝前的方向上，并且在较远的一排中的设备机架的背面被布置到朝后的方向上。然而，如上所述，在一般的数据中心中，有多排设备机架，其中这些排可以被布置成使设备机架的前面彼此相对以限定冷通道，并且设备机架的背面彼此相对以限定热通道。为了定位在数据中心内的疲劳生热点和热点，并且为了解决在数据中心内的气氛控制(climate control)问题，一般来说要提供模块化的冷却单元。在一种配置中，布置是这样的冷却单元布置在成排的设备机架内，在所述成排的设备机架中，对于在数据中心内所提供的每两个设备机架存在一个冷却单元。然而，可基于数据中心的环境条件提供或多或少的冷却单元。此外，在一些实施方式中，冷却单元的密度和位置可基于数据中心内最热的机架位置来调整，或者基于由数据中心信息管理系统获得和分析的信息来调整。另外，冷却单元可以和其他类型的冷却系统结合使用，比如在于 2006 年 2 月 10 日所递交的、标题为 “COOLING SYSTEM AND METHOD” 的第 11/335，874、 11/335,856和11/335,901号美国专利申请中所公开类型的冷却系统组合使用，上述美国专利申请由本公开的受让人所有，并且此处通过引用将其并入。
在一个实施方式中，控制器适于基于由控制器所获得的环境参数来控制冷却系统的操作。一般来说，使用之前的冷却系统，单独的冷却单元不能够彼此通信。例如，控制器可包括在冷却单元中所提供的多个控制器，这些控制器通过控制器的局域网(CAN)总线彼此通信。在其他实施方式中，可提供主控制器以控制冷却单元的控制器的操作。每个冷却单元可配有显示装置，其被可操作地耦合到控制器。显示装置适于显示数据室的环境状况， 例如但不限于，在冷却单元的数据中心的温度和湿度、进入和离开冷却单元的空气的温度、 进入和离开冷却单元的冷却剂的温度、进入冷却单元的冷却剂的流速、以及冷却单元的冷却能力。可提供适合的监视器、传感器和/或测量仪器以便获得这样的信息。可供选择地， 或除了上述实施方式之外，环境条件可在装配有集成的数据中心控制和监视系统的单元上显不。在某些情况下，可能需要控制在热通道和冷通道内的空气流，尤其是要控制在热通道内的空气流。一般地，从封装在设备机架内的电子组件所生成的热被排出设备机架的背面并进入热通道。还可能需要容纳由冷却单元，比如以上所描述的模块化的冷却单元所调节的热空气。已知使用为特定的设备机架配置所设计的顶棚部件来围住热通道。一般在把设备机架安装在数据中心内时安装这种已知的顶棚部件，并且这种已知的顶棚部件由设备机架的制造商制造。本公开的空气封闭冷却系统的其他实施方式可包括空气封闭冷却系统，该空气封闭冷却系统用于容纳和冷却在两排设备机架之间的空气。在一个实施方式中，空气封闭冷却包括遮蓬部件，该遮蓬部件被布置成围住由两排设备机架所限定的热通道。空气封闭冷却系统还包括嵌入遮蓬部件内的冷却系统。在某一实施方式中，冷却系统被配置成冷却分布在热通道内的空气。可提供沿着热通道水平延伸的总线。总线的实施方式可包括配电总线、电缆管理总线、以及冷却总线中的一个，其中该总线限定了遮蓬部件的一个侧面。在其他实施方式中，遮蓬部件可包括具有多个竖直的和水平的支撑构件的框架结构，以及至少一个冷却面板，该冷却面板被配置成由框架结构所支撑。冷却面板可被配置成围住并且容纳在热通道内的空气。冷却系统的实施方式可包括在冷却面板内布置热交换器。为了将冷却剂传送到热交换器，可在多个竖直的和水平的支撑构件内布置管道。可提供由框架结构所支撑的风扇， 其将空气引向热交换器。在某一实施方式中，热交换器包括线圈。此处所公开的实施方式的空气封闭冷却系统可被配置成独立式的用于设备机架的扩展坞(docking station)，所述设备机架用于容纳设备，比如信息技术设备。系统被特别地配置成支持所有必需的数据中心需求，所述数据中心需求包括设备需求、电力需求、 电缆管理需求以及冷却需求。在一个实施方式中，系统可被设计成支持每个设备机架平均 20kff的需求。系统可被设计成接收设备机架，这些设备机架对接(dock)到沿着由系统形成的热通道扩展坞的开口槽内，由此消除了对所提供的空间是否适于特定的设备机架的需求进行确定的需要。如上所述，配电、电缆管理、以及空气封闭和冷却被整合到系统。因此，在数据中心内设备机架的现场安装被大大地简化。本公开的实施方式的系统使得能够提供一套整合的解决方案，该解决方案至今为止已经通过单独地解决机架、冷却、电力和电缆管理的需求而被分别解决。
在某些实施方式中，模块化的抽吸冷却剂的冷却系统包括单个或多个冷却模块， 这些冷却模块可连接到中央冷却剂分配单元。系统以这样一种方式配置，即使得饱和的冷凝温度在饱和的蒸发温度以下，并且蒸汽通过与不同的饱和温度相关的压力差而被吸回冷却模块。在某些实施方式中，模块化的抽吸冷却剂的冷却系统包括容纳在每个冷却模块内的单个或多个蒸发器，其中每个蒸发器装备有用于使用仪器计量冷却剂质量流的电子膨胀阀，以及用于直接调节蒸发器温度的出口蒸发器压力调节阀。提供一个或多个风扇以将要被冷却的空气引导到蒸发器上方。因此，随着空气穿越蒸发器的表面，待冷却的气体(例如，空气)的供气温度被间接地调节。系统还包括具有多个压力传感器的传感器包，所述多个压力传感器被用于直接测量每个蒸发器的冷却剂压力和在每个被电子控制的膨胀阀入口处的冷却剂压力。在进入和离开蒸发器的两侧上，传感器包还具有多个温度传感器，其感测要被冷却的空气在蒸发器之前的温度，以及感测当现在已经被冷却的空气离开蒸发器时该空气的温度。通信网络提供了在冷却模块、传感器包和控制器之间的通信，其中所述控制器也耦合到冷却模块。控制器，其基于从传感器包所获得的信息，被配置成通过控制冷却剂到蒸发器的传送来操纵通过蒸发器的冷却剂流，并且被配置成通过控制风扇速度来操纵在蒸发器上方的空气流。特别地，控制器被配置成打开和关闭压力调节阀以实现冷却模块的预设的饱和温度。控制器还被配置成通过控制膨胀阀的操作来操纵进入蒸发器的冷却剂流。该布置是让控制器操纵膨胀阀以调节到达蒸发器的冷却剂质量流，使得冷却剂质量流与蒸发器的热需求一致，以便保证冷却剂在离开蒸发器之前被完全蒸发。在一些实施方式中，控制器被配置成计算冷却模块的蒸发器的冷却需求，并且确立冷却剂质量流需要以支持所需的蒸发器的冷却需求。控制器被配置成预测对于满足离开蒸发器所需的冷却空气的温度所必需的蒸发温度以及进入蒸发器内的冷却剂的相应的饱和压力。控制器被配置成确定冷却模块的电子膨胀阀的位置。电子膨胀阀被配置成基于所需的质量流、阀流特性和/或在冷却剂供应压力与预期的蒸发压力之间的压力差测量进入蒸发器的冷却剂的质量流。冷却模块的控制器还包括PID环，该PID环根据需要调节电子蒸发器压力调节阀的位置以维持预定的饱和蒸发温度。传感器包获得信息使得控制器确立待冷却的空气内所包含的水蒸汽的露点(dew point)温度。控制器还被配置成确立在蒸发器的蒸发温度与待冷却的空气内所包含的水蒸汽的露点温度之间的必需的偏差，以防止在蒸发器上形成冷凝物。控制器被配置成以这样一种方式协调在水蒸汽的露点温度与实现被冷却的空气从蒸发器离开的温度所需的蒸发温度之间的差，以便实现所需的冷却空气的供气温度，前提是只要在蒸发器上没有形成冷凝物。另外，控制器被配置成允许冷却模块的多组蒸发器共享公共的通信网络，同时能够使特定组的冷却模块中的蒸发器相互联系，以与同组中的其他成员进行汇总和同步。在某些实施方式中，公开了用于控制在HA/CA配置和HACS配置中使用的PRCS的负载动态的方法。特别地，致力于控制冷却单元内的空气流的这些方法基于从通过冷却单元的冷却剂或冷冻剂的流获得的信息。依赖于配置，可使用两种控制算法中的一种。一种算法被公开用于HA/CA配置，而另一种算法被公开用于HACS配置。现在参考附图，并且尤其是参考图1，示例性的抽吸冷却剂的冷却系统或PRCS大体上由10标示。抽吸冷却剂的冷却系统10通过供应线路14连接到冷冻的水源12。被加热的水通过返回线路16从抽吸冷却剂的冷却系统10返回到源12。系统10包括冷却剂分配单元18，其被配置成通过液体供应线路将液态的冷却剂(例如，CO2, R-134a、R_407c和 R-410a)抽吸到若干冷却模块(每个都用22标示)。虽然在图1中示出了六个冷却模块 22，应当理解的是，可提供任何数量的冷却模块22作为抽吸冷却剂的冷却系统10的一部分或专用子系统。被加热的冷却剂以蒸汽的形式通过蒸汽返回线路M从冷却模块22返回分配单元18。冷却模块22可被定位在用于热通道封闭系统或HACS配置的热通道的上方，或者可供选择地能够以上所描述方式被置于用于HACS或HA/CA配置的设备机架(未在图1中显示)附近。冷却模块22被配置成通过液体冷却剂供应线路20从分配单元18接收被冷冻的冷却剂，以便通过在每个冷却模块22内提供的蒸发器(未在图1中显示)将来自负载 (每个都用26标示)的热量(例如，由设备机架所产生的热)传递至冷却剂中。每个冷却模块22的操作将在下面参考图2和3更详细地描述。在该过程期间，冷却剂经历了从液态到汽态的相变。汽化的冷却剂通过蒸汽冷却剂返回线路M返回分配单元18。仍然参考图1，抽吸冷却剂的冷却系统10还包括大量环境传感器(每个都用观标示)。这些环境传感器观可被配置成提供温度数据和湿度数据，其被用于监控热负载沈的周边空气温度，并且计算冷却模块22工作环境的露点。系统10还包括通信网络30，其提供分配单元18、冷却模块22和传感器观用来彼此通信的物理介质。现在转到图2，每个冷却模块22包括蒸发器32，其被用于将热从IT设备(未在图2中显示)传递到穿过蒸发器的冷却剂；以及，一个或多个风扇34，其被用于提供穿过蒸发器的空气流。如所示，风扇34被配置成将热负载26 (来自容纳在设备机架内的IT设备) 朝着蒸发器32引导，用于蒸发在蒸发器内所提供的冷却剂。提供控制器36以控制冷却模块22的操作。特别地，在一个实施方式中，控制器36是基于微处理器的设备，其包括此处所描述的控制算法，负责执行冷却模块22的操作。在其他实施方式中，控制器可以是在系统10内所提供的主控制器的一部分，所述控制器通过通信网络30与主控制器通信。每个冷却模块22还包括蒸发器压力调节阀38，其用于控制穿过蒸发器32的冷却剂的饱和温度；以及，电子膨胀阀40，其用于维持在蒸发器的离开端口的适当的过热温度。冷却模块22还装备有传感器包42，其在一个实施方式中可包括以下传感器中的一个或多个风扇转速计；返回空气温度计；供气温度计；蒸发器压力传感器；以及，机架入口温度计。在其他实施方式中，传感器包可形成关于系统10所描述的传感器观的一部分。如所示，传感器包42与控制器36通信以提供关于冷却模块22的操作参数的连续的反馈给控制器。基于由传感器包42所获得的信息，可按以下所描述的方式来控制冷却模块22的操作。在某些实施方式中，每个风扇34配备了转速计(传感器包42的一部分)，其测量风扇速度。可提供以下所描述的分开控制来控制风扇速度。返回空气温度计(传感器包42 的一部分)测量被吸入蒸发器32中的空气的温度。一些实施方式可包括提供若干温度计 (传感器包42的一部分)，所述温度计均勻地分布在蒸发器32上。控制器36被配置成使用这些传感器的平均值作为返回空气温度。供气温度计测量在空气通过蒸发器32之后该空气的温度。一些实施方式可包括提供若干传感器(传感器包42的一部分)，所述传感器均勻地分布在蒸发器22上。与返回空气温度计一样，控制器36被配置成使用这些传感器的平均值作为供气温度。蒸发器压力传感器(传感器包42的一部分)测量在冷却剂离开蒸发器32的位置处的冷却剂压力。一个或多个机架入口温度计(传感器包42的一部分) 测量在设备吸入冷空气的位置处的IT设备的温度。控制器36可被配置成停止风扇34的工作，以便在冷却系统出故障的情况下阻止热空气由冷却模块22排出。图3中，显示了冷却模块的控制结构的框图。应当注意的是，在使用抽吸冷却剂的冷却系统10之前，用户或操作员必须通过基于数据中心的配置来选择要使用哪一个控制算法(在下面有所描述)，以便配置控制器36。这种特定配置的选择在图3中以44标示。 如果选择了 HA/CA配置，则用户必须选择以46标示的所需的供气温度设定点和以48标示的机架入口温度设定点。如果用户选择了 HACS配置，则用户必须选择以46标示的所需的供气温度设定点和以50标示的所需的经过IT设备的温度上升量。如图3中所示，除了用户输入44、46、48和50以外，控制器52还被配置成接收并处理从冷却模块22和/或抽吸冷却剂的冷却系统10所取得的信息。这些信息可包括以下从传感器包所取得的信息返回空气温度52 ；供气温度M ；机架入口温度56 ；蒸发器压力 58 ；冷却能力需求60 ；返回供气温度62 ；对环境的考虑64、66 ；以及，风扇速度68。控制器 36被配置成执行从传感器观和传感器包42以及从其他冷却模块22的控制器36接收输入的连续的循环。基于该信息，控制器36根据需要调整由箭头70所标示的蒸发器压力调节阀38的位置以及由箭头72所标示的风扇速度34，以便维持预定的机架入口温度和到达IT 设备的空气流。在HACS环境中，在一个实施方式中，该配置由被定位在数据中心76中的热通道74 上(或者分布在设备机架中)的一个或多个冷却模块22所构成。图4示出了具有设备机架78和冷却模块22的示例性的总体配置，然而这种控制策略也可应用到其他配置。设备机架74被配置成封装IT或其他类型的电子设备(每个都用80标示)。冷却模块22与一个或多个顶棚面板82和门(未显示)的组合产生了一个被围住的热通道廊(vestibule)。 该被围住的廊仅允许一条主要的空气再循环路径，该路径通过箭头84示出。如所示，由设备机架78生成的热空气穿过冷却模块22，所述冷却模块位于热通道74上方。热空气由冷却模块22处理和冷却，并且在数据中心76内返回至设备机架78的前面。周围的环境空间差不多维持在一种中性的熵状态下，该熵状态关于预定的供气温度设定点。因此，供气温度接近机架入口温度。空气流通回到设备机架78的前面，在该处受到设备机架所容纳的电子设备80的加热。如所示，优选的或所需的温度差50可以由系统10的操作员设定，或者可以基于从数据中心76取得的信息由控制器36计算。在一个实施方式中，优选的温度为 68下。显然，依赖于被封装在数据中心76内的电子设备所指定的需要，可选择其他温度。参考图5，其示出了当用于热通道封闭系统配置时，抽吸冷却剂的冷却系统10的控制策略，该控制策略由通过利用了供气温度控制器的比例-积分-微分(“PID”)环86 与饱和温度控制器PID环88的控制操作以及各种各样的计算块构成。如前所述，该策略由两个部分构成。一个部分是维持进入设备机架的恒定的供气温度。另一个部分是维持经过由设备机架所封装的IT设备的恒定温度差，该温度差由热通道和冷通道内的空间所限定。 这种策略的细节将作如下描述。继续参考图5，维持恒定的供气温度的过程由供气温度控制器PID环86与饱和温度控制器PID环88执行。具体地，供气温度控制器PID环86负责消除在供气温度设定点 46与通过一个或多个传感器读取的供气温度M之间的偏差。PID环86通过调节饱和温度设定点90来实现该功能。当供气温度M升高到供气温度设定点46以上时，则要降低饱和温度设定点90。相反，当供气温度M降低到供气温度设定点46以下时，则要升高饱和温度设定点90。另外，供气温度控制器PID环86以使得饱和温度设定点总是在环境的露点以上而小于供气温度设定点46的方式来限制饱和温度设定点90。这就确保了在冷却模块22 的蒸发器32上永远不会有冷凝物形成，并且蒸发器将不会变成加热器。饱和温度控制器PID环88负责消除在饱和温度设定点90与冷却剂离开蒸发器的饱和温度92之间的偏差。根据冷却剂离开蒸发器32的蒸发压力58通过使用等式1，使用换算模块94计算饱和温度92。Tsat = 3 X KT5XEVAPpsia3-0. 0097XEVAPpsia2+1. 5813XEVAPpsia_4. 7709(1)其中 Tsat 为饱和温度；并且EVAPpsia为蒸发器压力。通过调节蒸发器压力调节阀38的开口，饱和温度控制器PID环88消除了误差，其经由在块98的步进控制被转换成一系列步进电机命令96。当饱和温度92升高到饱和温度设定点90以上时，蒸发器压力调节阀38通过步进命令信号96打开，因此导致饱和温度下降。这种下降提高了蒸发器32的冷却能力。当饱和温度92降低到饱和温度设定点90以下时，蒸发器压力调节阀38通过步进命令信号96关闭。因此，通过这种过程可维持恒定的供气温度。维持经过IT设备的恒定的温度差的过程，其通过在IT负载上耗散的热改变时调节通过IT设备的空气流来执行。仍然参考图5，该过程开始于使用CFM计算器100计算空气流，该CFM计算器100通过测量在冷却模块22中的每个风扇(用68标示)的速度并且应用线性变换来估算冷却模块风扇34所提供的实际空气流102，该实际空气流102通过等式2确定。
权利要求
1.一种用于被配置成容纳电子设备的一排设备机架的抽吸冷却剂的冷却系统，所述抽吸冷却剂的冷却系统包括通信网络；冷却剂分配单元，其与被冷冻的冷却剂供应通道和被加热的冷却剂返回通道流体连通，所述冷却剂分配单元耦合到所述通信网络；至少一个冷却模块，其通过供应线路和返回线路与所述冷却剂分配单元流体连通，所述冷却模块耦合到所述通信网络，所述冷却模块包括蒸发器和至少一个被配置成将空气引导到所述蒸发器上方的风扇；传感器包，其耦合到所述通信网络，所述传感器包被配置成监控在所述抽吸冷却剂的冷却系统和所述设备机架中提供的温度和压力参考点；以及控制器，其形成所述冷却模块的一部分并且耦合到所述通信网络和所述传感器包，基于从所述传感器包获得的信息，所述控制器被配置成通过控制所述冷却剂到所述蒸发器的传送来操纵穿过所述蒸发器的所述冷却剂流，并且被配置成通过控制所述风扇的速度来操纵在所述蒸发器上的空气流。
2.如权利要求1所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述冷却模块还包括布置在所述蒸发器与所述冷却剂分配单元之间的所述返回线路中的压力调节阀。
3.如权利要求2所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述传感器包被配置成获得关于饱和温度的信息，并且其中，所述控制器被配置成基于所述关于饱和温度的信息来打开和关闭所述压力调节阀以实现所述冷却模块的预设饱和温度。
4.如权利要求1所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述冷却模块还包括布置在所述冷却剂分配单元与所述蒸发器之间的所述供应线路中的膨胀阀，所述膨胀阀被配置成计量进入所述蒸发器的冷却剂质量流。
5.如权利要求4所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述控制器被配置成通过控制所述膨胀阀的操作来操纵进入所述蒸发器的所述冷却剂流，该布置是让所述控制器操纵所述膨胀阀以调节到达所述蒸发器的冷却剂质量流，使得所述冷却剂质量流与所述蒸发器的热需求一致，以便保证在离开所述蒸发器之前所述冷却剂被完全蒸发。
6.如权利要求5所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述传感器包包括被定位在紧靠所述膨胀阀之前的压力传感器；以及，被放置以感测在所述蒸发器内正在蒸发的冷却剂的压力的压力传感器。
7.如权利要求1所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述控制器被配置成计算所述冷却模块的所述蒸发器的冷却需求，并且确立冷却剂质量流要求以支持所需的所述蒸发器的冷却需求。
8.如权利要求1所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述控制器被配置成预测对于满足离开所述蒸发器的所需的冷却空气的温度所必需的蒸发温度以及预测进入所述蒸发器内的冷却剂的相应的饱和压力。
9.如权利要求1所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述控制器被配置成确定所述冷却模块的电子膨胀阀的位置，所述电子膨胀阀被布置在所述冷却剂分配单元与所述蒸发器之间的所述供应线路中，所述电子膨胀阀被配置成基于所需的质量流、阀流特性和/或在冷却剂供应压力与预期的蒸发压力之间的压力差计量进入所述蒸发器的冷却剂质量流。
10.如权利要求1所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述冷却模块还包括被布置在所述蒸发器与所述冷却剂分配单元之间的所述返回线路中的电子蒸发器压力调节阀，所述电子蒸发器压力调节阀被配置成调节蒸发器压力以维持从蒸发器离开的所需的冷却空气的离开温度。
11.如权利要求10所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述冷却模块的控制器还包括 PID环，该PID环根据需要调节所述电子蒸发器压力调节阀的位置以维持预定的饱和蒸发温度。
12.如权利要求1所述的抽吸冷却剂的冷却系统，其中所述控制器被配置成允许冷却模块中的多组蒸发器共享公共的通信网络，而同时使得特定组的冷却模块中的蒸发器相互联系，以与相同组中的其他成员进行汇总和同步。
13.一种用于控制抽吸冷却剂的冷却系统的操作的方法，所述抽吸冷却剂的冷却系统用于具有一排或多排设备机架的数据中心，每个设备机架被配置成容纳电子设备，所述方法包括确定所述数据中心内的所述一排或多排设备机架的配置；维持进入所述一排或多排设备机架内的设备机架的空气的恒定的供气温度；以及维持在所述供气温度与进入所述抽吸冷却剂的冷却系统的一个或多个冷却模块的空气之间的恒定的温度差。
14.如权利要求12所述的方法，其中维持恒定的供气温度包括获得进入所述设备机架的空气的供气温度和控制所述供气温度。
15.如权利要求13所述的方法，其中维持恒定的温度差包括估算所述冷却模块内的实际空气流并且基于用于获得所述恒定的温度差所需要的冷却能力来控制所述冷却模块中的至少一个风扇。
16.如权利要求13所述的方法，还包括通过控制膨胀阀的操作来操纵进入所述冷却模块的蒸发器的冷却剂流，使得冷却剂质量流与所述蒸发器的热需求一致，以保证在离开所述蒸发器之前冷却剂被完全蒸发。
17.如权利要求13所述的方法，还包括计算所述冷却模块的蒸发器的冷却需求，并且确立冷却剂质量流要求以支持所需的所述蒸发器的冷却需求。
18.如权利要求13所述的方法，还包括计算对于满足离开所述冷却模块的蒸发器的所需的冷却空气的温度所必需的蒸发温度以及计算进入所述冷却模块的蒸发器内的冷却剂的相应的饱和压力。
19.如权利要求13所述的方法，还包括确定所述冷却模块的电子膨胀阀的位置，所述电子膨胀阀被布置在将冷却剂传送到所述冷却模块的蒸发器的供应线路中，所述电子膨胀阀被配置成基于所需的质量流、阀流特性和/或在冷却剂供应压力与预期蒸发压力之间的压力差计量进入所述蒸发器的冷却剂质量流。
20.如权利要求13所述的方法，还包括根据需要调节电子蒸发器压力调节阀的位置以维持预定的饱和蒸发温度。
21.如权利要求13所述的方法，还包括允许冷却模块中的多组蒸发器共享公共的通信网络，而同时使得特定组的冷却模块中的蒸发器相互联系，以与相同组中的其他成员进行汇总和同步。
全文摘要
一种用于被配置成容纳电子设备的一排设备机架的抽吸冷却剂的冷却系统。该系统包括通信网络，以及与被冷冻的冷却剂供应通道和被加热的冷却剂返回通道流体连通的冷却剂分配单元。冷却模块通过供应线路和返回线路与冷却剂分配单元流体连通。冷却模块耦合到通信网络，并且包括蒸发器和风扇，所述风扇被配置成将空气引导到蒸发器上。传感器包被配置成监控在抽吸冷却剂的冷却系统和设备机架中提供的温度和压力参考点。系统还包括形成冷却模块一部分并且耦合到通信网络和传感器包的控制器。基于从传感器包获得的信息，控制器被配置成通过控制冷却剂到蒸发器的传送来操纵穿过蒸发器的冷却剂流，并且被配置成通过控制风扇速度来操纵蒸发器上的空气流。
文档编号G05B19/042GK102422230SQ201080021023
公开日2012年4月18日 申请日期2010年5月17日 优先权日2009年5月28日
发明者小约翰·H·比恩, 斯图尔特·李·迪尔, 智海·戈登·董, 詹姆斯·理查德·勒施 申请人:美国能量变换公司