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CN102217432B - 调节设备机箱中冷却气体的方法和传感器装置 - Google Patents

调节设备机箱中冷却气体的方法和传感器装置 Download PDF

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CN102217432B CN200980145545.9A CN200980145545A CN102217432B CN 102217432 B CN102217432 B CN 102217432B CN 200980145545 A CN200980145545 A CN 200980145545A CN 102217432 B CN102217432 B CN 102217432B
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Abstract

为了改善在设备机箱，尤其是在计算机中心和服务器机房中的机箱装置中用于气体冷却的能量平衡，提出了对冷却气体回路的风扇的调节，通过这种方式可在设备机箱中对电子模块单元，尤其是服务器，的导入区域中精确地提供可用的所需冷却气体量。依据本发明，至少一种漏气流在冷空气通道和排出气体通道之间形成，并且配备了温度传感器。温度测量间接地测量流体方向，并起到调节风扇转速的参考变量的作用，风扇被布置在排出气体通道内。风扇转速的调节使冷却气体回路的容积流量匹配电子模块单元实际需要的容积流量，并因此减少电消耗。

Description

调节设备机箱中冷却气体的方法和传感器装置
本发明涉及依据权利要求1中前序部分的用于在设备机箱中(尤其是在计算机房的机箱中)对冷却气体进行调节的方法，并涉及依据权利要求10中前序部分的用于在计算机房的设备机箱中调节冷却气体的传感器装置。
本发明尤其适合用于服务器室或者计算机中心的服务器机箱，其中布置有多个机箱。
计算机和服务器的处理能力的增加在计算机中心中带来日益增长的热负荷。电子模块单元或结构元件，尤其是在密集结构形式下的高性能处理器和服务器，展现出了相当大的功率耗散，这些功率耗散必须被移除。要冷却电子模块单元需要输送气体流，这消耗掉了操作整个系统所需的电能的相当大的一部分。风扇消耗的电力与所需容积流量的立方成正比例增加，因此高容积流量意味着非常高的功率消耗。
为了保持在例如计算机房的服务器机箱的设备机箱内循环的气体量在各个操作状态下尽量低，已知的是对冷空气或冷却气体与承载电子模块单元的热损耗的热空气或排出气体执行严格的分离。对将要馈送给在机箱内的电子模块单元的冷却气体与将要移除的加热排放的气体严格的分离防止了冷却气体与排放气体的混合以及因此增加的移除热损耗的气体需求。混合气体降低了对于材料/热传递的可用气体的温度差异，并因此降低了每容积单位传递的热量。
为了对在服务器内，尤其是设备机箱内的电子模块单元进行能量有效的冷却，已知的是对封闭的冷却气体回路使用速度调节风扇(EP 1 614 333 B1)。
从空调技术获知了方法，其中在热和冷侧之间的压差作为通过可变的风扇转速对气体容积流量进行调节的参考变量使用。但是，这些方法相对昂贵并且对于较高的流速和涡旋流不够精确。
US 2003/0147216A1公开了一种方法，用于在一个或一排设备机箱中进行冷却气体调节，其中，在至少一个热交换器中冷却并且借助鼓风机馈送给冷却气体通道的冷却气体通过喷嘴形状的壁上开口进入用于电构件的收纳区域，被导引通过所述构件，并且用热损耗加载地通过壁上开口或壁上喷嘴进入排气通道，并且之后再次馈送到热交换器中以进行冷却。温度传感器如电构件和调节器那样安装在承载板上，使得能够调节鼓风机和/或侧向的空气喷嘴和/或用于冷却剂的阀，所述冷却剂被引入热交换器以向外排出热损耗。
WO 2007/019304A2公开了一种方法，用于使从周围环境馈送到机架的冷却气体与机架收纳区域内的配设有通风设备的单独设备的冷却气体馈送适配，以及用于使机架对周围环境的热空气排出与从单独设备的气体排出适配。为了避免周围环境空气与机架中的空气入口区域或空气出口区域之间的压差，借助温度传感器对用于将空气馈送到机架的通风设备和用于将空气从机架内排出的通风设备进行调节，这些温度传感器设置在机架的排出气体区域和机架周围环境之间的空气通道内。
本发明的目的是提供一种方法和传感器装置，用于尤其是在计算机房的设备机箱内冷却气体调节，这保证了对尽量低的循环气体量的尽量精确的调节，并从而节省了相当大的能量。
注意到，该方法通过权利要求1的特征达到了目的，并且注意到，传感器装置通过权利要求9的特征获得。在从属权利要求中以及在对附图的描述中包含了有用的实施例。
本发明的用于计算机中心内气体冷却机箱的调节概念的核心在于对风扇进行控制，使得在气体导入区域可用于例如服务器的电子模块单元的冷却气体量正好是所需的冷却气体量。如果气体量太低，则不能保证服务器热损耗所要求的移除并出现过热。如果气体量太大，则消耗过多的能量，而且考虑运行成本和对环境来说这都是缺点。
在本发明的方法和传感器装置中，需要传递的用于冷却机箱的气体容积流量适应于主要是服务器的电子模块单元的冷却气体容积流量。服务器的必要容积流量因此基本上通过这些服务器的构造预定义。
在设备机箱内，尤其是计算机房中的设备机箱内用于冷却气体调节的方法中，冷却气体在封闭的冷却气体回路中被馈送给布置在例如服务器的设备机箱中的电子模块单元，并且服务器热损耗产生的排出气体在气体/流体热交换器中被冷却，从而热损耗由冷却流体吸收，并排放到计算机房外，并且该封闭冷却气体回路需要的冷却气体量经由依从冷却气体的温度调整的风扇转速传递。依据本发明，使所需冷却气体量适应于由该电子模块单元的通风设备传递的容积流量，并在漏气流中测量被馈送给服务器的冷却气体的温度。
依据本发明，漏气流在冷却气体区域(例如设备机箱或具有至少一个设备机箱的机箱装置的冷却气体通道)与冷却单元之间形成，其中冷气体通道优选地在冷却单元，以及被具体布置成侧向邻接设备机箱或在两个设备机箱之间布置的排出气体区域(例如设备机箱的排出气体通道或冷却单元的热气体通道)中形成，而漏气流的温度被测量并被用作风扇的转速调节的参考变量。
调节的概念或测量原理包括对机箱的冷和热区域之间的至少一个漏气流的温度的测量，其中所测量的温度被用于调整冷却气流回路的风扇。
依据本发明在机箱内或在具有至少一个设备机箱和冷却单元的机箱装置中为了形成漏气流，有目的地在气体分离装置(例如分隔冷空气通道与排出气体区域的气体分离壁)中设置开口。温度传感器被插入或穿过该开口，经由该开口对例如被布置在设备机箱的后侧排出气体通道中的风扇或在机箱装置的冷却单元中作为风扇的模块进行调节。
依据基础测量原理，漏气流的温度TL通过被传递的气体容积和流动方向确定，或受其影响。如果传递的气体太少，电子模块单元或服务器的通风设备将气体从热排出气体区域抽取到冷却气体通道，这样做导致温度升高，并使得排出气体区域中的风扇的转速加快。风扇速度调整的参考变量是漏气流的温度TL，其由流体方向确定，并因此由在冷却气体通道中可用的气体容积流量确定。通过调整风扇转速，冷却气体的容积流量适应于服务器实际需要的容积流量。
本发明的方法和本发明的传感器装置可有利地被用到设备机箱中，这在EP1 614 333 B1中有所描述。在这样的设备机箱中，可有效地形成穿过冷却气体通道区域中的分离壁上的开口的漏气流，并配备了温度传感器。
在具有设备机箱的机箱装置中，设备机箱被按行布置，并且其中冷却单元被布置成具有侧向邻接设备机箱或在两个设备机箱之间的热交换器和风扇，从而风扇被收纳在风扇模块中，并在冷却单元的前面形成了用于在热交换器中冷却并通过风扇模块导出的冷空气的冷空气通道，且在其后侧形成用于受到热耗损影响的来自一个或两个设备机箱的热空气的热空气通道，本发明的方法和本发明的传感器装置可同样被有利地使用。从而利用在冷空气通道和热空气通道之间的分离壁上的开口可形成至少一个漏气流并配备温度传感器。如果将漏气流提供给每个风扇模块，则可获得尤其有利的调节。对于设备机箱的布置以及包括热交换器和可插入风扇模块中的风扇的至少一个冷却单元，可参考第10 2007 061 966.0号德国专利申请和对应的PCT/EP2008/008908号国际专利申请。
在最高的服务器上方进行用于漏气流的有目的地安装的开口的定位，从而开口可有效地形成所需的尺寸，使得其尽量小但同时又足够大，使得气体量不会积聚在最高服务器的上方，尤其使得不会形成热空气池。
理论上，开口的直径依赖于机箱以及在其中布置和操作的模块单元的尺寸。
已经发现的是，用于漏气流的开口直径可位于从大约5mm至15mm的范围内，例如可以是8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm。而且该直径可通过少数的实验确定，并且还可以在现场改变该直径，以适应对机箱的调节以及所产生的热量，例如可提供不同的管路、管子或用于改变直径的可调节开口插入件或滑入元件。
在本发明的用于设备机箱的调节概念中，有利的是，经由流经热交换器的水可同步调节进入布置在前面的冷却空气通道的冷却空气入口温度。
已经证实了对于第二温度传感器还调节在冷却气体通道底部区域中和接近气体/流体热交换器的气体/流体热交换器的冷却流体供应温度的有利性。
理论上，流经量调节和/或对冷却流体的供应温度的调节还可以在漏气流中的温度传感器的辅助下发生。如果温度传感器被布置在设备箱或冷却气体通道的上部区域的漏气流中，并且第二温度传感器被布置在接近热交换器的底部区域，则有效避免了调节回路的相互影响，并考虑到冷却气体在从热交换器排出之后稍微有所变热。因此对于将在用于对排出气体区域中的风扇进行调节的漏气流中传感器的温度参考值设定为高于在第二温度传感器上的参考值是有效的。
在此布置的用于温度传感器的漏气流还可有利地在管子或管道的辅助下形成。管子或管道因此必须被铺设在冷却气体通道和排出气体区域或通道之间。管子或管道可有利地被铺设在不同的位置变量处，漏气于是可被从优选的机箱区域移除，而所测量出的该漏气的温度以及相对应的信号被用于调节风扇。
还可以证实在设备机箱中形成多于一个漏气流和在开口和/或在管子和/或管道中用于各自的漏气流而分别布置的温度传感器的有效性。在多个漏气流中设置多个温度传感器可额外有利地对单独的风扇或通风设备进行单独调节。
在进行定位时，可考虑具有很高热损耗的电子模块单元或服务器的占据空间，并且这对于冷却整个装置的能量平衡具有有利的作用。
本发明的调节方法和传感器装置的优点包括：由于在机箱或计算机中心中精确适应的所需气体量而节省了相当可观的能量，可减少冷却气体的应用，并且可最佳地利用在计算机中心或服务器机房中的空间。除了花费较低的用于驱动电扇的能量以外，还保证了向这些服务器供应适当的气体温度。总而言之，冷却时可获得特定的能量效率。
以下参考高度系统化的附图进一步详细地揭示了本发明，其中：
图1示出了具有本发明的传感器装置的设备机箱的纵向截面图；
图2示出了依据图1的具有可选的传感器装置的机箱的纵向截面图；
图3示出了依据图1中的箭头III的放大视图；以及
图4示出了依据图3中的线IV-IV的纵向截面图。
图1示出了具有收纳区域3和电子模块单元4的设备机箱2，电子模块单元4布置成一个在另一个顶部。该设备机箱2在本实施例中为服务器机箱，而电子模块单元4例如可以是以机架为单元的大功率服务器。在服务器4的区域中的气体传递由箭头指示。在服务器4的壳体中的每一个内布置有通风设备13，其使气体穿过服务器13并通过前侧的进气口(未示出)吸入冷却气体6，将其经由生成热损耗的电子元件(未示出)传递并经由后侧的出气口(未示出)供应给排出气体通道8。
在收纳区域3下面布置了气体/流体热交换器7，所述气体/流体热交换器7在此为气体/水的热交换器并且被连接到该建筑的冷水供给上。
将在气体/流体的热交换器7中冷却的气体作为冷却气体6馈送给布置在前侧上的冷却气体通道5，冷却气体通道5实际上在设备机箱2的整个高度上延伸，并被连接到服务器4的进气口(未示出)。由服务器4加热的排出气体9经由后侧的排出气体通道8、在该排出气体通道8中的风扇12的辅助下传递进入热交换器7。
在分离壁11的辅助下，将所供应的冷却气体6与加热的排出气体9在收纳区域的前侧区域发生气体相关的分离，分离壁11例如可以是成角度的金属板并且被垂直布置，使得分离壁11、前门16和服务器4的壳体前侧与机箱2的上盖与下盖一起限定冷却气体通道5。
依据图1，为了调节设备机箱2内的闭合冷却气体回路，以使要被循环的所需冷却气体量适应由独立的服务器4的通风设备13传递的容积流量，在漏气流中测量被馈送给服务器4的冷却气体的温度。在依据图1的实施例中，漏气流形成在最高的服务器4上方的上分离壁17的区域中，并将冷却气体通道5连接到冷却气体通道5另一侧的排出气体通道8或排出气体区域。
在图1中，通过上分离壁17上的开口15形成了有目的地形成特定尺寸的漏气流，开口15形成适当尺寸，使得其相对较小但同时又足够大到使得在冷却气体通道5的上部区域中不能形成热气体池。
如果由服务器4或其它在收纳区域3中的结构元件产生的热损失尤其大，并且经由金属壳体被转移到在冷却气体通道5中的冷却气体中，在冷却气体通道5的上部区域中会产生热气体池或热气层。为了防止热气体池达到服务器4的区域，开口15对于漏气流相应地形成特定尺寸，使得在上部区域中的热气池被转移到排放气体通道8，并且不能被服务器4的通风设备13抽取进来。
一个重要的特征是，通过服务器前面的两个侧面上的分离壁11，并通过分离元件，例如在布置成一个在另一个顶部和/或一个在另一个旁边的服务器4之间保持自由的位置处的挡板(blind plate)(未示出)，使冷空气区域或冷却气体通道5与排放气体区域或排放气体通道8严格分离。如果需要，要被检测的漏气流还可在用于冷却气体调节的挡板上形成。
为了使可用于服务器4的气体量对应于服务器4所需的冷却气体量或适应服务器4的通风设备13的功率，在开口15的区域中检测漏气流，这需要安装温度传感器10，并被用于调节在后侧排放气体通道8中的风扇12。温度传感器10可被插入到开口15中，使得通过温度测量可测定是否有过多气体或过少气体被传递到冷却气体通道5中可用于服务器4。如果所传递的气体过少，服务器4的通风设备13从排放气体区域或排放气体通道8抽取被加热的排放气体9进入冷却气体通道5，使得在排放气体通道8中的风扇12的转速增加，且反之亦然。
在开口15处，管道或管子(未示出)也可被布置在气体分离或分离壁11或挡板(未示出)的区域中，用于漏气流的温度传感器10。漏气流的温度TL被用于对排放气体通道8的区域中风扇12进行速度调节，并因此形成用于对风扇12进行转速调节的参考变量。
图2示出了基本上与图1中的设备机箱2相对应的设备机箱2的上部区域中具有温度传感器10的备选传感器装置。相同的参考数字指示相同的特征。附加的第二温度传感器20被布置在冷却气体通道8中并接近气体/流体热交换器7，而在漏气流中的温度传感器10调节在排放气体通道8的区域中的风扇12，同时使用第二温度传感器可调节气体/流体热交换器7的冷却流体的流通量(through-flow quantity)和/或供给温度。
图3和图4示出了依据图1和图2的冷却气体通道5的上分离壁17，此处具有分别用于漏气流和将温度传感器10安装在线缆18上的两个开口15。
在该实例中，所形成的两个开口15相同，均为圆形并大致具有10mm的直径。
横截面也可有利地选择为方形或矩形，并且在冷却气体通道上的开口的横截面或多个开口的横截面的总和可适应各种条件，例如机箱尺寸，尤其是冷却气体通道的容积、收纳区域的占据空间和模块单元以及调速风扇的放热。

Claims (9)

1.用于在计算机房的设备机箱中调节冷却气体的方法，其中冷却气体(6)被馈送给布置在该设备机箱(2)中的电子模块单元(4)，并且受到电子模块单元(4)的热损耗影响的排放气体(9)在气体／流体热交换器(7)中被冷却，其中冷却气体(6)在布置在后侧上的排放气体通道(8)中的风扇(12)的辅助下，通过被布置在前侧上的冷却气体通道(5)经由前侧开口被馈送给所述电子模块单元(4)，并且被加热的排放气体(9)通过电子模块单元(4)的后侧出气口被馈送给排放气体通道(8)，之后被馈送给布置在底侧上的所述气体／流体热交换器(7)，其中该热损耗被冷却流体吸收并释放到该计算机房外，并且其中为对所述冷却气体(6)与所述排放气体(9)进行气体相关的分离，在冷却气体通道(5)的区域中布置分离壁(11，17)，其中传送一漏气流穿过在最高的电子模块单元(4)上方且位于冷却气体通道(5)和排放气体通道(8)之间的上分离壁(17)上有目的地设置的开口(15)，并且其中基于该冷却气体(6)的温度，通过风扇(12)的转速调节传送封闭冷却气体回路所需的冷却气体量，
其特征在于
所需冷却气体量适应于由该电子模块单元(4)的通风设备(13)传送的容积流量，并且在冷却气体通道(5)和排放气体通道(8)之间的漏气流中的温度被测量，用作对风扇(12)的速度调节的参考变量，其特征还在于温度传感器(10)被布置在上分离壁(17)中有目的地设置的开口(15)中，并且漏气流的温度TL由漏气流的流动方向确定，并因此由在冷却气体通道(5)中可用的气体容积流量确定，测量漏气流的温度TL，将其用于在所述排放气体通道(8)的风扇(12)的转速调节，其中在漏气流中温度增加的情况下，风扇(12)的转速被增加，而在温度下降的情况下，风扇(12)的转速被降低，并且冷却气体(6)的容积流量因此适应于模块单元(4)实际需要的容积流量。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于
所述有目的地设置的开口(15)的尺寸被设置成，使得对于所述冷却气体通道(5)和所述排放气体通道(8)之间的漏气流，避免在冷却气体通道(5)中最高的电子模块单元(4)上方已积聚一气体量，具体是热气池，或将该气体量持续移走，所述热气池是通过将热损耗经由金属壳体传输到所述冷却气体通道(5)中的冷却气体而形成的。
3.如权利要求1所述的方法，
其特征在于
所述气体／流体热交换器(7)的冷却流体的流通量和／或供应温度使用在所述有目的地设置的开口(15)中的所述温度传感器(10)调节。
4.如权利要求1所述的方法，
其特征在于
使用接近所述气体／流体热交换器(7)被布置在所述冷却气体通道(5)中的第二温度传感器(20)，冷却气体(6)的温度被测量并被用于调节所述气体／流体热交换器(7)的流通量和／或供应温度。
5.如权利要求4所述的方法，
其特征在于
在所述漏气流中用于所述排放气体通道(8)的区域中的所述风扇(12)的转速调节的所述温度传感器(10)的温度参考值被设置成高于接近所述气体／流体热交换器(7)用于调节所述气体／流体热交换器(7)的冷却流体的流通量和／或供应温度的第二温度传感器(20)的温度参考值。
6.如权利要求1所述的方法，
其特征在于
所述漏气流在布置在所述冷却气体通道(5)和所述排放气体通道(8)之间的管子或管道中被传送。
7.如权利要求6所述的方法，
其特征在于
在设备机箱(2)中形成多于一个的漏气流，在用于漏气流的所述开口(15)中或在所述管子或管道中分别布置有温度传感器。
8.如权利要求7所述的方法，
其特征在于
所述漏气流依从具有电子模块单元(4)的所述设备机箱(2)的占据空间及其热损耗形成，并设置有用于调节所述风扇(12)的温度传感器。
9.一种温度传感器装置，用于调节计算机房的设备机箱中的冷却气体，所述设备机箱包括用于电子模块单元(4)具体是大功率服务器的收纳区域(3)，布置在前侧用于把冷却气体(6)从布置在底侧上的气体／流体热交换器(7)馈送到电子模块单元(4)的冷却气体通道(5)，以及布置在后侧的排放气体通道(8)，受到热损耗影响的电子模块单元(4)的排放气体(9)能够从该排放气体通道(8)被馈送给气体／流体热交换器(7)，其中对气体而言该冷却气体通道(5)通过分离壁(11，17)与排放气体通道(8)分离，在最高的电子模块单元(4)上方的上分离壁(17)上形成开口(15)，用于冷却气体通道(5)和排放气体通道(8)之间的漏气流，调速风扇(12)布置在排放气体通道(8)中且在电子模块单元(4)的通风设备(13)旁边，在封闭回路中传送气体，具体用于执行权利要求1至8中的任一项所述的方法，
其特征在于
温度传感器(10)被布置在漏气流区域中，漏气流的温度TL由漏气流的流动方向确定，并因此由在冷却气体通道(5)中可用的气体容积流量确定，漏气流的温度TL是风扇(12)的转速调节的参考变量，其中在漏气流的温度增加的情况下，风扇(12)的转速被增加，而在漏气流中温度下降的情况下，风扇(12)的转速被降低，并且冷却气体(6)的容积流量因此适应于模块单元(4)实际需要的容积流量。
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