使用热管的数据中心冷却

其它申请的交叉引用

本申请要求2020年1月16日提交的标题为“DATA CENTER COOLING USING A HEATPIPE”的美国临时专利申请号62/961,903的优先权，该申请出于所有目的通过引用并入本文。

发明背景

数据中心中的计算机服务器、网络器件和其它设备在工作时产生热量。需要移除该热量，以使数据中心设备正常运行。数据中心的性能受其工作温度的影响。如果没有充分冷却部件，则它们通常表现不佳。数据中心通常被组织成一排排机架，这些机架包含生成热量的电子设备。热量能够显著地降低数据中心的性能，例如，导致请求处理速度缓慢、消耗大量能量并导致部件过早发生故障。现有的数据中心冷却解决方案经常消耗大量的电力和水资源。需要用于数据中心的更高效的冷却解决方案。

附图简述

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1A是示出数据中心通道的示例的俯视图的图。

图1B是示出数据中心通道的示例的侧视图的图。

图2A是示出具有排内热管热交换器单元(in-row heat pipe heat exchangerunit)的数据中心的实施例的俯视图的图。

图2B是示出图2A的具有排内热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。

图3A是示出具有高架的热管热交换器单元(overhead heat pipe heatexchanger unit)的数据中心的实施例的俯视图的图。

图3B是示出图3A的具有高架的热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。

图4A是示出具有热通道内热管热交换器单元(in-hot-aisle heat pipe heatexchanger unit)的数据中心的实施例的俯视图的图。

图4B是示出图4A的具有热通道内热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。

图5A是示出具有机架面板热管热交换器单元(rack panel heat pipe heatexchanger unit)的数据中心的实施例的俯视图的图。

图5B是示出图5A的具有机架面板热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。

图6是示出具有热管热交换器的数据中心的排热室的实施例的侧视图的图。

图7是示出使用外部热管热交换器的数据中心的实施例的侧视图的图。

图8A是示出使用热管热交换器的具有分开的机械室部分的数据中心的实施例的侧视图的图。

图8B是示出图8A的数据中心的利用辅助冷却源的替代实施例的图。

图9是示出热管热交换器单元的简化原理图的图。

详细描述

本发明可以以多种方式实现，包括作为过程；装置；系统；物质的组成；体现在计算机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置为执行存储在耦合到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实现方式或者本发明可以采取的任何其他形式可以被称为技术。通常，在本发明的范围内，可以改变所公开的过程的步骤顺序。除非另有说明，否则被描述为被配置为执行任务的诸如处理器或存储器的部件可以被实现为在给定时间被临时配置为执行任务的通用部件或者被制造为执行任务的特定部件。如本文所使用的，术语“处理器”指的是被配置为处理数据(诸如计算机程序指令)的一个或更多个设备、电路和/或处理核心。

下面提供了本发明的一个或更多个实施例的详细描述以及说明本发明原理的附图。结合这些实施例描述了本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限定，并且本发明包括许多替代、修改和等同物。为了提供对本发明的全面理解，在以下描述中阐述了许多具体细节。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且本发明可以根据权利要求来实施，而不需要这些具体细节中的一些或全部。为了清楚起见，没有详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，以便不会不必要地模糊本发明。

热管可以将热量从热源传递到热量可以消散的另一个地方。例如，利用导热性、蒸发冷却和/或相变原理，热管将热量从一个热界面传递到另一个热界面。当热管内的与较热的热界面接触的液体变成蒸气并从较热的热界面吸收热量时，热量可以从热管的一个热界面传递到另一个热界面。该蒸气在热管内被引导到另一个热界面，在此该蒸气可以释放热量并且冷却，允许蒸气冷凝回液体，该液体行进回到另一个初始的较热的热界面，以重复该循环。热管已经被部署在小型电子设备中，以将热量从产生热量的处理器传递到散热器。除了小型使用之外，在一些实施例中，热管以更大的规模部署在数据中心内。例如，与典型的机械空气冷却相比，利用热管冷却数据中心可以更节能，这应归于它将热量从空气中传递出去的效率。在另一个示例中，与典型的液体冷却相比，通过减少或消除在数据中心的液体冷却系统中常见的蒸发冷却的使用，利用热管可以实现显著减少水的使用。

在一些实施例中，热管被配置为从数据中心的环境空气中吸收热量并将热量传递出去，以冷却在数据中心中循环的环境空气，从而冷却数据中心的设备，并且流体界面被热耦合到热管，并且被配置为经由在数据中心中循环的冷却剂流体(coolant fluid)来冷却热管。例如，空气-液体热交换器包括热管，该热管将热量从流过热交换器的空气传递给冷却剂流体。在一些实施例中，热管被配置为向空气释放传递的热量，并且流体界面热耦合到热管，并且被配置为向热管交换热量，以冷却在数据中心中循环的冷却剂流体，以冷却数据中心的设备。例如，液体-空气热交换器包括热管，该热管将热量从冷却剂流体传递给流过热交换器的室外气流。在一些实施例中，第一热管被配置为吸收来自数据中心的环境空气的热量并且将其传递出去，以冷却在数据中心中循环的环境空气，从而冷却数据中心的设备，并且第二热管被热耦合到第一热管，并且被配置为释放所传递的热量，以冷却第一热管。例如，空气-空气热交换器系统包括热管，这些热管有效地将热量从一个热管传递到另一个热管。

图1A是示出数据中心通道的示例的俯视图的图。图1B是示出数据中心通道的示例的侧视图的图。排102中的数据中心机架/机柜中的联网、储存、计算、电力和服务器设备(例如，交换机、路由器、网络附属存储设备、处理器、机器学习处理器、电源、备用电池等)从冷通道101吸入冷却后的空气，并将变热的空气排入热通道103。排104中的设备从冷通道105吸入冷却后的空气，并将变热的空气排入热通道103。排106中的设备从冷通道105吸入冷却后的空气，并将变热的空气排入热通道107。排108中的设备从冷通道109吸入冷却后的空气，并将变热的空气排入热通道107。热通道103中的热空气被向上吸入到高架的增压室(plenum)110中，在此处热空气可以被进一步引导，以从数据中心排出和/或被冷却，然后返回冷通道。

图2A是示出具有排内热管热交换器单元的数据中心的实施例的俯视图的图。排内热管热交换器单元202被放置在数据中心的设备机架/机柜的各排内。例如，将装有排内热管热交换器单元的底架(chassis)放置于在数据中心内形成排的机架/机柜的同一行中。这些排内热管热交换器单元包括一个或更多个热管，这一个或更多个热管从数据中心的热通道的空气中吸收热量并将热量传递出去，以冷却空气，并将冷却后的空气返回到数据中心的冷通道。如图2A所示，每一个排内热管热交换器单元202包括热交换器(例如，空气-液体热交换器)，该热交换器在该单元的箱底架内放置在对角线上(例如，为了使面向通道的侧面积最大)。通过热管热交换器单元的热管的第一热界面和/或热耦合到第一热界面的空气界面部件(例如导热金属翅片)的空气被第一热界面和/或空气界面部件冷却。热管将热量从第一热界面带离到热管的不同的第二热界面，该第二热界面热耦合到流体界面部件(例如，热管到液体热交换器(heat pipe to liquid heat exchanger))，该流体界面部件被配置为与循环的冷却剂流体相接(interface)，该循环的冷却剂流体将热量从热管带离以冷却热管。例如，来自冷通道201和205的空气分别被排207和209中的计算设备吸入和加热，并被迫使进入热通道203。来自热通道203的热空气穿过排207中的排内热管热交换器单元202的空气界面部件，并变得冷却，然后排出到冷通道201中以重复空气交换循环。来自热通道203的热空气还穿过排209中的排内热管热交换器单元202的空气界面部件，并变得冷却，然后排出到冷通道205中。

图2B是示出图2A的具有排内热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。由图2A的排内热管热交换器单元202从经过空气界面部件的空气中吸收的热量由所包括的热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)传递到其它热界面，以用于液体冷却。例如，热管连接到与循环的冷却剂流体相接的流体界面部件。因热管携带的热量而变热的冷却剂流体被抽走(例如，经由连接到排内热管热交换器单元的热流体管道204)以被冷却并返回以用于继续冷却(例如，经由连接到排内热管热交换器单元的冷流体管道206)。冷却剂流体的冷却可以经由另一个热管热交换器来实现，和/或经由制冷剂和/或蒸发冷却来机械地冷却。

图3A是示出具有高架的热管热交换器单元的数据中心的实施例的俯视图的图。图3B是示出图3A的具有高架的热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。高架的热管热交换器单元302被放置在数据中心的热通道303和305的高架空间中。如所示的，高架的热管热交换器单元放置在热通道的上方并沿热通道的长度成行放置。这些高架的热管热交换器单元包括一个或更多个热管，这一个或更多个热管从数据中心的热通道的空气中吸收热量并将热量传递出去，以冷却空气并将冷却后的空气返回到数据中心的冷通道。如图3B中所示，每个高架的热管热交换器单元302包括热交换器304(例如，空气-液体热交换器)，热交换器304具有彼此成一定角度布置以形成V形(例如，具有位于顶部的点和位于底部的V的开口)的部分，这允许在高架空间中可用的有限垂直高度内使面对下方热通道的侧面积最大。穿过热交换器304的热管的第一热界面和/或热耦合到第一热界面的空气界面部件(例如，翅片)的空气被第一热界面和/或空气界面部件冷却。热管将热量从第一热界面带离到热管的不同的第二热界面，该第二热界面热耦合到流体界面部件(例如，热管到液体热交换器)，该流体界面部件被配置为与循环的冷却剂流体相接，该循环的冷却剂流体将热量从热管带离以冷却热管。例如，来自冷通道的空气被计算设备吸入和加热，迫使进入热通道。来自下方热通道的空气经由单元302的风扇306被吸入，并穿过热交换器304的空气界面部件，并且变得冷却，然后排出到增压室中，被冷却的空气在增压室中经由导管被引导回到冷通道，然后在冷通道中重复该循环。

由高架的热管热交换器单元302从经过空气界面部件的空气中吸收的热量由所包括的热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)传递到其它热界面，以用于液体冷却。例如，热管连接到与循环的冷却剂流体相接的流体界面部件。因热管携带的热量而变热的冷却剂流体被抽走以进行冷却，然后返回以用于继续冷却。冷却剂流体的冷却可以经由另一个热管热交换器来实现，和/或经由制冷剂和/或蒸发冷却来机械地冷却。

图4A是示出具有热通道内热管热交换器单元的数据中心的实施例的俯视图的图。图4B是示出图4A的具有热通道内热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。热通道内热管热交换器单元402放置在数据中心的热通道403和405内。如所示的，热通道内热管热交换器单元被放置在热通道内并沿着热通道的长度成行放置。尽管这些热通道内热管热交换器单元占据了热通道内的空间，但是这可以允许它们更大，并允许安装和维护更容易，因为它们由于不在高架空间中而可以更容易够到。这些热通道内热管热交换器单元包括一个或更多个热管，这一个或更多个热管从数据中心热通道的空气中吸收热量并将热量传递出去，以冷却空气并将冷却后的空气返回到数据中心的冷通道。如图4B所示，每个热通道内热管热交换器单元402包括热交换器404(例如，空气-液体热交换器)，该热交换器404具有彼此成一定角度布置以形成V形(例如，具有位于底部的点和位于顶部的V的开口)的部分，与平坦的单平板(slab)设计相比，这可以允许面向热通道的侧面积增加。经过热交换器404的热管的第一热界面和/或热耦合到第一热界面的空气界面部件(例如，翅片)的空气被第一热界面和/或空气界面部件冷却。热管将热量从第一热界面带离到热管的不同的第二热界面，该第二热界面热耦合到流体界面部件(例如，热管到液体热交换器)，该流体界面部件被配置为与循环的冷却剂流体相接，该循环的冷却剂流体将热量从热管带离以冷却热管。例如，来自冷通道的空气被计算设备吸入和加热，迫使进入热通道。来自热通道的空气经由热通道内热管热交换器单元402的风扇406被吸入到热通道内热管热交换器单元402中，并且被吸入的热空气穿过热交换器404的空气界面部件并且变得冷却，然后排出到增压室中，冷却后的空气在增压室中经由导管被引导回到冷通道，然后在冷通道中重复该循环。

由热通道内热管热交换器单元402从经过空气界面部件的空气中吸收的热量由所包括的热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)传递到其它热界面，以用于液体冷却。例如，热管连接到与循环的冷却剂流体相接的流体界面部件。因热管携带的热量而变热的冷却剂流体被抽走以进行冷却，然后返回以用于继续冷却。冷却剂流体的冷却可以经由另一个热管热交换器来实现，和/或经由制冷剂和/或蒸发冷却来机械地冷却。

图5A是示出具有机架面板热管热交换器单元的数据中心的实施例的俯视图的图。图5B是示出图5A的具有机架面板热管热交换器单元的数据中心的实施例的侧视图的图。机架面板热管热交换器单元502放置在每个数据中心机架/机柜的后面。例如，每个机架面板热管热交换器单元502机械地联接到数据中心机架/机柜，以覆盖空气排出/排放的后侧。这些机架面板热管热交换器单元包括一个或更多个热管，这一个或更多个热管从离开数据中心机架/机柜(例如，离开数据中心机架的器件的排气扇)的热空气中吸收热量并且将热量传递出去，以立即冷却热空气并将冷却后的空气返回到数据中心的通道。由于离开机架面板热管热交换器单元的空气已经被冷却，所以传统“热通道”中的空气在返回数据中心之前可以不需要进一步被冷却。经过每个热交换器单元502的热管的第一热界面和/或热耦合到第一热界面的空气界面部件(例如，翅片)的空气被第一热界面和/或空气界面部件冷却。热管将热量从第一热界面带离到热管的不同的第二热界面，该第二热界面热耦合到流体界面部件(例如，热管到液体热交换器)，该流体界面部件被配置为与循环的冷却剂流体相接，该循环的冷却剂流体将热量从热管带离以冷却热管。由机架面板热管热交换器单元502从经过空气界面部件的空气中吸收的热量由所包括的热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)传递到其它热界面，以用于液体冷却。例如，热管连接到与循环的冷却剂流体相接的流体界面部件。因热管携带的热量而变热的冷却剂流体被抽走以进行冷却，然后返回用于继续冷却。冷却剂流体的冷却可以经由另一个热管热交换器来实现，和/或经由制冷剂和/或蒸发冷却来机械地冷却。

图6是示出具有热管热交换器的数据中心的排热室的实施例的侧视图的图。排热室热管热交换器单元602被放置在排热室(例如，具有数据中心设备的数据中心室上方的室)内，以从数据中心移除热量。热流体管道604是液体冷却系统的一部分，该液体冷却系统提供变热的(例如，在用于冷却数据中心空气之后而变热的)冷却剂流体，该冷却剂流体将要使用热管热交换器单元602进行冷却(例如，提供将热量从以下地方带走的液体：其它传统的热交换器和/或其它排内热管热交换器单元202、高架的热管热交换器单元302、热通道内热管热交换器单元402和/或机架面板热管热交换器单元502等)。例如，排热室热管热交换器单元602包括与来自热流体管道604的变热的冷却剂流体相接的流体界面部件(例如，液体到热管热交换器(liquid to heat pipe heat exchanger))。流体界面部件热耦合到排热室热管热交换器单元602的热管的第一热界面，并且经由热管将变热的冷却剂流体冷却，该热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)将热量从耦合到流体界面部件的第一热界面带到热管的第二热界面。到达热管的第二热界面的热量经由外部冷空气或机械冷却的空气冷却，该外部冷空气或机械冷却的空气被迫使或自然地允许流过热管的第二热界面(例如，热管盘管(coil)部分)和/或热耦合到第二热界面的空气界面部件(例如，翅片)。由流体界面部件冷却的冷却剂流体经由冷流体管道606返回，以冷却将源自数据中心的设备的热量冷却的其它热交换器单元。

图7是示出使用外部热管热交换器的数据中心的实施例的侧视图的图。外部热管热交换器单元702直接暴露于外部和自然流动的空气(例如，经由风和对流)，允许利用冷的室外温度以经由外部热管热交换器单元702将热量从数据中心移除。热流体管道704是液体冷却系统的一部分，该液体冷却系统提供变热的冷却剂流体(例如，在用于冷却数据中心空气之后变热)，该冷却剂流体将要使用热管热交换器单元702进行冷却(例如，提供将热量从以下地方带走的流体：其它传统的热交换器和/或其它排内热管热交换器单元202、高架的热管热交换器单元302、热通道内热管热交换器单元402和/或机架面板热管热交换器单元502等)。例如，外部热管热交换器单元702包括与来自热流体管道704的变热的冷却剂流体相接的流体界面部件(例如，液体到热管热交换器)。流体界面部件热耦合到外部热管热交换器单元702的热管的第一热界面，并且经由热管将变热的冷却剂流体冷却，该热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)将热量从耦合到流体界面部件的第一热界面带到热管的第二热界面。到达热管的第二热界面的热量经由外部冷空气冷却，该外部冷空气被允许流过热管的第二热界面(例如，热管盘管部分)和/或热耦合到第二热界面的空气界面部件(例如，翅片)。通过直接暴露于外部，外部热管热交换器702能够利用任何自然存在的冷的温度和风。由流体界面部件冷却的冷却剂流体经由冷流体管道706返回，以冷却将源自数据中心的设备的热量冷却的其它热交换器单元。如图7所示，外部热管热交换器702被配置为水平方向的长度长于它的垂直方向的高度，以允许额外的水平面积用于更多的自然的空气/热对流。在一些实施例中，基于天气状况选择性地利用外部热管热交换器单元702。例如，仅在满足关于高效冷却的标准(例如，基于温度、风况、降水、一天中的时间、季节等)时使用热管热交换器单元702。热管热交换器单元702的使用可以使用一个或更多个阀来选择性地打开和关闭，该阀选择性地允许或不允许冷却剂流体经由热流体管道704和/或冷流体管道706流动。外部热管热交换器702可以与作为补充和/或备用冷却源(例如，当室外状况不满足使用外部热管热交换器702的标准时)的图6的排热室热管热交换器单元602和/或其它机械冷却(例如，制冷冷却器)结合使用。

图8A是示出使用热管热交换器的具有分开的机械室部分的数据中心的实施例的侧视图的图。数据中心的屋顶房间(penthouse)的机械室部分装有冷却来自装有数据中心设备的数据中心层的空气所需要的器件。图8A中所示的屋顶房间仅仅是示例，并且所示的各种部件和配置可以在数据中心的其它类型的机械室中的各种其它实施例中使用。图8A中的屋顶房间被划分为具有两个不同功能的部分：左部分处理设备冷却气流，右部分处理外部气流。

对于设备冷却气流，因数据中心中的设备而变热的暖空气(例如，来自热通道)经由回风增压室返回到机械屋顶房间的左部分，并经由回风竖井(shaft)返回到空气被过滤的过滤室。使用设备气流热管热交换器单元802冷却过滤后的空气，并且冷却后的空气经由供气竖井被迫使到达数据中心层(例如到冷通道)以用于在冷却设备时使用。设备气流热管热交换器单元802包括一个或更多个热管，这一个或更多个热管从经过热管的第一热界面和/或热耦合到热管的第一热界面的空气界面部件(例如，翅片)的热空气吸收热量并将热量传递出去。热管将热量从第一热界面传递到热管的不同的第二热界面，该第二热界面热耦合到流体界面部件(例如，热管到液体热交换器)。流体界面部件被配置为与循环的冷却剂流体相接，该循环的冷却剂流体吸收来自第二热界面的热量并且将该热量带走以冷却热管。因此，由设备气流热管热交换器单元802吸收的热量通过所包括的热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)传递到第二热界面，以用于液体冷却。因热管的热量而变热的冷却剂流体被抽走，以由机械屋顶房间的右部分通过外部气流热管热交换器单元804进行冷却并返回，以用于设备气流热管热交换器单元802的继续冷却。

对于外部气流部分，冷的外部空气经由进气室的增压室进入并被过滤。该过滤后的空气可以可选地在蒸发器室中经由蒸发冷却进一步冷却。在各种其它实施例中，不执行蒸发冷却。然后，冷空气经过外部气流热管热交换器单元804以对其进行冷却。来自外部气流热管热交换器单元804的变热的空气经由鼓形罩(dog house)百叶窗被吹扫到外部。如果外部空气太冷(例如，冷冻的室外状况)以至于不能直接在外部气流部分中使用(例如，图8B中所示)，则此变热的空气中的一些可以可选地经由一个或更多个风门(damper)再循环回到进气室。热交换器单元804的冷却使得能够经由要返回到设备气流热管热交换器单元802的冷却剂流体的冷却来间接排出数据中心的废热。外部气流热管热交换器单元804包括与来自设备气流热管热交换器单元802的变热的冷却剂流体相接的流体界面部件(例如，液体到热管热交换器)。流体界面部件热耦合到单元804的热管的第一热界面，并且经由热管将变热的冷却剂流体冷却，该热管(例如，经由热管内的导热性、蒸发冷却和/或相变)将热量从耦合到流体界面部件的第一热界面带到热管的第二热界面。到达热管的第二热界面的热量经由冷空气冷却，该冷空气被允许流过热管的第二热界面(例如，热管盘管部分)和/或热耦合到第二热界面的空气界面部件(例如，翅片)。

图8B是示出图8A的数据中心的利用辅助冷却源的替代实施例的图。辅助冷却源(例如，调温制冷站(trim chiller plant))806被配置为对来自设备气流热管热交换器单元802的变热的冷却剂流体进行机械冷却(例如，制冷剂冷却)。例如，当冷却剂流体的充分冷却不能仅通过外部气流热管热交换器单元804来实现时，辅助冷却源806被激活以对因单元802变热的冷却剂流体提供额外的冷却。在一些实施例中，来自辅助冷却源806的热量经由外部气流热管热交换器单元804被吹扫(例如，来自辅助冷却源806的变热的冷却剂流体被循环到单元804以进行冷却)。

图9是示出热管热交换器单元的简化原理图的图。例如，热管热交换器单元900是先前讨论的热管热交换器单元202、302、402、502、602、702、802和/或804的简化原理图示例。热管热交换器单元900包括热管902。热管可以将热量从热源传递到可以消散/排出热量的另一个地方。例如，利用导热性、蒸发冷却和/或相变原理，热管将热量从一个热界面传递到另一个热界面。当热管内的与较热的热界面接触的液体变成蒸气并从较热的热界面吸收热量时，热量可以从一个热界面传递到热管的另一个热界面。该蒸气在热管内被引导到另一个热界面，在此该蒸气可以释放热量并且冷却，允许蒸气冷凝回液体，该液体行进回到另一个初始较热的热界面以重复该循环。热管902包括第一热界面部分904和第二热界面部分906，并且热量在它们之间传递。空气可以经过第一热界面部分904(例如热管盘管部分)，以将热量传递到第一热界面部分904或从第一热界面部分904传递出去。在一些实施例中，空气界面部件热耦合到第一热界面部分904，以增加有效空气接触表面积。例如，导热金属翅片围绕并附接到第一热界面部分904。第二热界面部分906热耦合到流体界面部件908。流体界面部件908用作在热管902的第二热界面部分906与经由输入流体管道910提供的流体之间的热交换器。经由流体界面部件908冷却或变热的流体经由输出流体输入管道912排出。

尽管为了清楚理解的目的已经详细描述了前述实施例，但是本发明不限于所提供的细节。有许多实现本发明的替代方式。所公开的实施例是说明性的，而不是限制性的。