数据中心机架上的电池单元的热管理

技术领域

本申请涉及电子领域，并且具体地涉及在服务器系统的数据中心机架上的模块化电池单元的热管理和冷却。当机架上的模块化电池单元和其它设备运行时，这些部件产生热量。这种热量会导致寿命降低和对部件的损坏。由于机架中的部件的紧密配置，所述部件的充分冷却可能是困难的。

背景技术

运营大规模计算系统的公司投入了大量资金来建立和维护包括所述计算系统的设备。这些计算系统通常存储在数据中心中，其需要昂贵的硬件和设备、以及不动产和人员来维护存储在所述数据中心中的设备。为了使成本最小化，数据中心机架和其上的设备被设计成紧凑的并且能够在延长的时间段上发挥功能，以及是模块化的以适应在所述计算系统内的部件的变化的架构和配置。

电池备用电源对于维持数据完整性是关键的。如果主交流(AC)电源故障，则驻留在电子存储器中的大量数据需要备用电源来防止丢失。由于掉电而导致的“硬”关机可能导致数据损坏和不能重启服务器或设备。类似地，所述系统中的硬盘驱动器可能被突然的掉电不可修复地损坏。

电池备用电源可用于在AC电源故障期间提供维持系统操作所需的电力。当电源故障发生时，所述计算系统被配置成自动切换到电池备用电源来为所述系统供电。电池备用单元旨在使服务器在备用发电机接管之前的几秒到几分钟的时间内保持全功率运行。电池备用单元将继续运行并为所述系统供电，直到公用电力返回到安全水平或所述电池完全放电。

一旦公用电力恢复了，电池备用电源可以自动充电以准备用于下一次断电，这个过程被称为放电周期。然而，电池在达到其使用寿命的终点之前仅能经历这么多次的放电/充电循环，因此必须被更换。

电池具有取决于规定条件的额定容量。典型的备用电池，诸如锂离子电池，是不间断电源(“UPS”)并且具有基于25℃(77°F)环境温度的额定容量。在这些条件下维持所述UPS电池的操作可以最大化电池的寿命并实现最佳性能。在电源故障期间的电池操作过程中，产生了大量的热，导致环境温度的显著升高。另外，来自周围设备的环境热量可以引起环境温度的升高。虽然UPS电池可继续在升高或降低的温度下工作，但这样做会降低电池的性能和寿命。因此，将UPS电池维持在恒定且期望的环境温度对于延长UPS电池的寿命和最佳性能是至关重要的。此外，由于电池备用单元的间歇使用，这种电池单元必须保持在允许所述电池单元一直以峰值性能工作的状态。

模块化电池备用单元可以分布在数据中心中的服务器机架之间。这些模块化电池单元提供UPS电池备用电源的一个示例，并且代表容纳在需要维护和保养的数据机架上的关键和必要的电子设备。在一个示例中，模块化电池单元包括壳体，并且电池和冷却风扇或其它内部冷却系统两者都可以设置在所述壳体内。

如上所述，热量降低了电池的寿命，使得电池的冷却极为重要。鉴于每个单独的和模块化的电池单元以及在数据机架中和在数据中心中的其它设备的高功率输出，产生大量热量。虽然模块化电池单元各自单独地包含内部冷却系统，诸如风扇，以从所述电池单元分配和排出热量，但是在所述电池壳体内和周围的大量热量仍然存在并且威胁所述UPS电池的寿命和操作。

发明内容

本公开的各方面对于分布在存储在数据机架上的备用电池单元的放电期间产生的热是有利的。

根据本公开的一个方面，数据机架系统包括：数据中心机架框架；位于所述数据中心机架框架内的搁板；以及设置在所述搁板上的模块化电池单元。所述模块化电池单元进一步包括具有外表面的壳体；多个相变材料(“PCM”)带和空气流动通道。所述多个带附着到所述外表面并且彼此间隔开。所述空气流动通道形成在所述多个带中的两个相邻带之间的空间中。所述空气流动通道可以由所述两个相邻带之间的空间的形状和尺寸限定。

在该方面的一个示例中，所述模块化电池单元的壳体包括相对的顶部外表面和底部外表面，以及在顶表面和底表面之间延伸的相对的侧表面。所述多个带中的至少一个带位于所述模块化电池单元的顶表面上。所述多个带中的至少一个带可以进一步包括在所述至少一个带的第一端到所述至少一个带的相对的第二端之间变化的宽度。可替换地，所述多个带可以是第一多个带，并且所述系统可以进一步包括设置在所述搁板的至少一个表面上的第二多个相变材料带。所述搁板的所述至少一个表面可以是面向所述模块化电池单元的底表面的内表面。

在该方面的另一示例中，所述空气流动通道在一个方向上引导空气。所述空气流动通道还可以在两个方向上引导空气。

在该方面的另一示例中，所述多个带中的每一个带具有外边缘，并且所述空气流动通道的形状进一步由所述外边缘的轮廓限定。所述轮廓可以包括直线，并且在一个示例中，所述多个带中的至少两个带是具有矩形形状的细长带。轮廓可以替代地是曲线，并且在一个示例中，所述多个带中的至少两个带具有抛物线形状。

在另一示例中，所述多个带是柔性带。可替换地，所述多个带是刚性的。

在另一个示例中，所述PCM包括生物基石蜡。

根据本公开的另一方面，一种用于数据中心机架的模块化电池单元，包括壳体、设置在所述壳体内的电池、多个相变材料(“PCM”)带和空气流动通道。所述壳体可以包括顶表面和相对的底表面。所述多个带可以附着到至少所述顶表面上并彼此间隔开。所述空气流动通道可以设置在所述多个带中的两个相邻带之间的空间中，所述空气流动通道由在所述两个相邻带之间的空间的形状和尺寸限定。

在该方面的另一示例中，所述空气流动通道在一个方向中引导空气。

在该方面的另一示例中，所述多个带中的每一个带具有外边缘，并且所述空气流动通道的形状进一步由所述外边缘的轮廓限定。所述多个带中的至少两个带可以是具有矩形形状的细长带。附加地或可替换地，所述多个带中的至少两个带具有抛物线形状。

附图说明

图1-2是根据本公开的各方面的机架架构的示例示意图。

图3是根据本公开的各方面的示例电源架构的示意图。

图4是图1所示的机架架构的搁板的示例的放大视图；

图5是根据本公开的各方面的定位在图4的搁板上的电池单元的示例；

图6是根据本公开的各方面的相变材料(“PCM”)带的侧视图的示意图；

图7是根据本公开的各方面的PCM带的俯视图的示意图；

图8是根据本公开的各方面的在数据机架的搁板上的多个电池单元的示例；

图9是根据本公开的各方面的电池单元的另一示例；

图10是根据本公开的各方面的PCM带的另一示例；

图11是根据本公开的各方面的PCM带的另一示例；

图12是根据本公开的各方面的PCM带的另一示例；

图13是根据本公开的各方面的PCM带的另一示例；以及

图14是根据本公开的各方面的服务器机架的搁板的另一示例。

具体实施方式

概述

根据本公开的各方面，用于电池单元的热管理的改进的设备和方法包括将相变材料直接实施到所述模块化单元的每一个，以及在所述电池单元的表面上形成空气流动通道。在一个示例中，相变材料的带可直接施加到电池单元壳体，以减少所述电池单元中的热量，并在相邻带之间形成空气流动通道，以进一步进行冷却过程。相变材料(“PCM”)被配置为在热循环过程期间在固态和液态之间交替。当PCM从固体转变为液体时，所述PCM吸收和释放大量的热能(潜热)，反之亦然。当PCM达到其相变温度(熔点)时，所述PCM在几乎恒定的温度下吸收大量热量，直到所有PCM熔化。当冷冻时，PCM在相对恒定的温度下释放能量作为潜热。PCM在电池停止放电并处于空闲状态之后从液相转变为固相时充能(并变冷)，但在电池放电时从固相转变为液相时放能(变热)。通过在相变温度下熔化和固化，PCM能够存储和释放一定量的能量。因此，控制PCM的熔化和再固化允许使用所述PCM来储存热。

PCM可以直接附着到各个电池单元的壳体。在一个示例中，PCM带附着到所述壳体。所述带可以是任何形状和尺寸。在一个示例中，所述带可以是沿着所述壳体的长度延伸的细长带或一系列较小的带。所述带可以彼此间隔开，以便在其间形成空气流动通道。所述空气流动通道允许在每个PCM带之间的空气流动，以提供增强的冷却和来自电池单元的热量的分布。所述带还可以被制造成不同的形状和尺寸，以及被布置成特定的图案，以最大化所述电池单元的冷却。

附加地或可替换地，可以通过在服务器机架的搁板的下表面处提供PCM来实现所述电池单元的冷却。PCM带和空气流动通道可以设置在所述搁板上以进一步控制所述电池单元的温度。

所述PCM的带可以是紧凑的，并且允许技术人员容易地从所述机架取出各个电池单元以进行维护，而所述PCM不会剪切或被无意地从所述电池单元壳体移除。由于所述尺寸，所述带不会阻碍所述搁板移入和移出所述机架。此外，通过将所述带直接设置在各个电池单元上并形成流动通道，可以实现增强的冷却。

示例服务器机架

图1和2是移动机架系统的示例。图1示出了服务器系统100，其可以包括移动数据中心机架110，所述机架具有地板102、天花板104、在所述地板102和天花板104之间延伸的侧壁106、用于保持部件的多个搁板114a-114q、用于监视所述机架的特征的状态的机架监视单元(RMU)111、多个整流器124、包括电池单元400的备用电池409、以及多个计算部件130-132。图2是图1的机架110的没有搁板114a-114q的示例。在该图中可以看出，所述机架110包括主母线134。

所述服务器系统100从电源向计算部件供电。例如，尽管在图中未示出，所述机架的每个搁板可以通过主母线134连接到电源，例如AC或DC电源。所述主母线134也可以连接到所述机架的每个搁板，以便向所述部件提供电力和数据。

图3是所述服务器系统100的电源架构的示例。AC电源202可以连接到整流器124。在该示例中，整流器124可以包括48伏AC到DC整流器204。所述整流器连接到主母线134并向负载208(包括图1的部件130-132)供电。负载208与多个不间断电源单元(UPS)206(图1中的电池单元400)并联连接，所述多个不间断电源单元组成备用电池电源409。所述电池单元400设置在搁板114a、114b和114c上。

如上所述，负载208可以包括多个部件。回到图1，所述机架110的搁板114a-114q可以容纳和支撑电子设备。例如，搁板114g-114i可以支撑部件130-132。在一个示例中，部件130可以是专用存储设备，例如包括能够存储可由处理器访问的信息的任何类型的存储器，诸如硬盘驱动器、存储卡、ROM、RAM、DVD、CD-ROM或固态存储器。在另一个示例中，部件131可以是预编程的负载，其从主母线汲取电力以便测试所述系统100的操作。

示例电池单元和服务器搁板

图4提供了机架110的下部的放大视图。如上所述，机架110是模块化的，并且可以在机架110内设置任何数量的搁板和部件。为了便于讨论和说明，仅示出机架110的单个行113。机架110的图示部分示出了底部搁板114a和多个分隔件115。多个分隔件115在行113中的每个所述分隔件115之间形成较小的隔室117。沿着行113设置有多个电池单元400，其中两个电池单元位于每个隔室117内。在该示例中，示出了十个电池单元400，但是可以包括任何数量的电池单元，包括更少数量的电池单元400，或者可替代地包括附加的电池单元，如果在服务器机架中实现更小的电池单元，则可以使其成为可能。

图5是示出了在搁板114a上的单个电池单元400的放大视图，以便于讨论。每个电池单元400是模块化单元，并且被配置为可移除地位于搁板114a上和在相应的隔室117内。如上所述，电池单元400可以是传统的不间断电源。除了用于允许电池单元400的操作并且超出本公开的范围的许多其它部件之外，电池单元可以容纳诸如锂电池的电池(未示出)以及诸如风扇的内部冷却单元(未示出)，以通过电池单元400中的开口408来消散电池单元400内的热量。电池壳体410可以包括顶表面412和底表面414，以及右边缘表面416和相对的左边缘表面418，这两个表面都在顶表面412和底表面414之间延伸并将它们相连接。

为了散布在电池放电期间在电池单元400内产生的热量，PCM和空气流动通道的组合可以设置在电池单元400的壳体410的一个或多个外表面上。生物基石蜡是一种具有成本效益的PCM，其可用于从电池单元400散热，因为其具有大的潜热、在熔化时的低蒸汽压以及经过多次加热和冷冻循环的良好化学稳定性。另外，石蜡是无腐蚀性的，与大多数材料相容，并且不与包封PCM的大多数材料反应。生物基石蜡可以与通常由金属形成的所述电池单元一起使用。然而，可以选择替代的PCM，诸如天然石蜡、纯脂肪酸、盐水合物和其它已知的相变材料。

设置在电池单元400的壳体410上的PCM的结构形式可以变化。在一个示例中，如图5所示，柔性PCM带420可以被附着到电池单元400的壳体410。PCM带420可以包括被构造成提供用于热管理目的高潜热储能密度的PCM。在PCM生物基石蜡的示例中，PCM带420可以具有范围在100-300J/g的潜热容量和范围在20-60℃的熔点。但在其它示例中，潜热容量和熔点可以小于或大于上述范围之一中的数值。

PCM带420可以是具有矩形形状的细长带。在该示例中，PCM带420具有连续且线性的边缘421。PCM带420在外壳体410的表面上彼此间隔开并且彼此平行地延伸。在其它示例中，且如下文所论述，PCM带420可以以不同配置及形状提供。

图6示出了示例PCM带。如图所示，PCM带420可包括具有顶表面424和底表面426的PCM载体422。所述载体422支撑主体429并且是可以用于将PCM附着到所述外壳体的结构。PCM材料，诸如生物基石蜡，可以被封装在基础材料中以形成所述主体429。为了进一步增强导热特性，所述生物基石蜡可以进一步与高导热材料结合或浸渍，这可以包括将高导热纳米颗粒分散在所述PCM中。

粘合剂基质428可设置在所述载体422的底表面426处。当被激活时，粘合剂基质428可以用于将PCM带420、特别是载体422和主体429附着到电池单元400的所述壳体的外表面。可替换地，可以省略粘合剂基质428，且当PCM带420被固定到电池壳体410时，可将分开的粘合剂或热胶等施加到所述带的底表面426。更进一步地，所述载体422可以是具有“粘性”特性的材料，并且可以在无需将单独的粘合剂施加到载体422的情况下粘附到电池单元400的所述壳体的外表面。

PCM带420可以从较大的PCM材料片切割或预先制造以满足定制规格。PCM带420优选地具有薄的轮廓，使得它们可以用在预先存在的电池单元上和现有的服务器机架结构内。在一个示例中，PCM带具有0.1英寸的厚度T、1英寸的宽度及24英寸的长度。另外，如图7所示，PCM带可具有1英寸的宽度W1。在其它示例中，长度可以在2-23英寸的任何范围内；厚度可以在0.01英寸到3英寸的任何范围内；宽度W1可以在0.50英寸到8英寸的任何范围内。应当理解，这些范围可以根据所选择的PCM材料的质量密度以及在搁板上的电池单元的形状、尺寸和数量而广泛地变化。在这点上，长度L、厚度T和宽度W也可以高于或低于上述范围。

在这方面，组合的电池单元400和PCM带420能够适配在预先存在的搁板114a和机架结构以及电池单元之间的预先存在的间隙内。例如，如图8所示，其中为了图示的目的，搁板114b被显示为半透明的，在右边缘和左边缘表面116、118与相邻的电池单元400或分隔件115之间存在预先存在的间隙。类似地，在搁板114a的内顶表面114b和PCM带420的顶表面424以及电池单元400的顶表面之间存在间隙。最后，具有预先存在的间隙以允许在电池单元400的底表面426和搁板114a之间的间隙。具有附着的PCM带420的电池单元400可以适配机架110的现有架构和布置，而不需要重新设计电池单元400或服务器机架架构110。

利用在此示例中具有低轮廓的PCM带420不会禁止电池单元400进出机架110的移动。这可以为技术人员提供容易地进行电池单元400的日常维护和检查的能力，而不必移除一个或多个PCM带420，或者在电池单元400被拉出机架110时不会无意地移除一个或多个PCM带。

可以基于需要被包括在所述PCM材料中的期望的PCM材料的量进一步优化所述带的尺寸，所述PCM材料旨在调节在特定搁板上的电池单元的冷却。在选择石蜡作为PCM材料并且具有900kg/m

PCM带420可以布置在壳体410的任何表面上。返回参考图5，在一个示例中，PCM带420被布置在壳体410的顶表面412、右边缘表面416和左边缘表面418上(未示出)上。PCM带420也可以设置在壳体410的底表面414上(未示出)。PCM带420可以被布置成沿电池单元400的壳体410的整个长度L1延伸。如图所示，PCM带420设置在壳体410的顶表面412上。在该示例中，PCM带的第一端420a邻近壳体410的第一端412a，且PCM带的第二端420b邻近壳体410的第二端412b。类似地，在右边缘表面416上的PCM带420沿壳体410的整个长度L1从壳体410的第一端412a延伸到第二端412b。尽管未示出，但位于左边缘表面418以及底表面414上的带420也可以延伸相似的长度L1。在该示例中，在壳体410的每个表面上设置两个PCM带420。但是，在其它示例中，PCM带420可以仅设置在壳体410的一个表面上。另外，且如下文将进一步论述，可以在任何一个表面上设置单个带，或可以在任何一个表面上出现两个以上的带，且所述PCM带420的尺寸(例如，长度、宽度、厚度)、形状可以不同。

流动通道430设置于在相邻的PCM带420之间的空间中。流动通道430提供了用于空气沿图5中所示的箭头A1的方向流动的路径。如图所示，流动通道430的形状由PCM带420的相邻外边缘421以及在相邻的流动通道430之间的距离限定。在该示例中，在PCM带420具有连续的平面外边缘421的情况下，流动通道430也将具有细长的和矩形形状的流动通道。

在替代示例中，PCM带和PCM带的放置可以被进一步设计以优化在电池放电期间的热分布。如图9所示，各个PCM带不是从第一端512a到第二端512b延伸电池壳体510的整个长度L2。可替代地，多个PCM带在长度上较短，并且设置在壳体510的表面上。例如，顶表面512包括六个PCM带：两个前带520-1、两个中间带520-2和两个后带520-3。PCM带520-1的第二端520b与中间PCM带520-2的第一端520a间隔开。类似地，PCM带520-2的第二端520b与后PCM带520-3的第一端520a间隔开。流动通道531沿壳体的长度L2和箭头A2的方向延伸。附加的流动通道531形成于在带520-1和520-2之间以及在520-2和520-3之间的空间中。所述附加的流动通道531允许空气在两个方向中流过所述顶表面512。因此，空气可以在箭头A2所示的方向行进经过流动通道530，从壳体510的第一端512a到第二端512b跨过顶表面512的长度。另外，由于在相邻的PCM带520的端部之间的间隔，空气可在第一外围边缘和第二外围边缘之间在横跨电池壳体510的宽度W2的方向中流动，如箭头A3所示。

图10-12示出了电池单元的一个或多个表面上的PCM带的另外的替换构造。图10-12示出了电池单元500的壳体的顶表面，但是应当理解，这种构造可以设置在所述壳体的任何一个表面上，并且不限于所述顶表面或任何一个表面。

首先转到图10，单个PCM带620延伸跨过所述顶表面612的整个长度L3。PCM带620包括具有抛物线形状和轮廓的相对的边缘表面621，使得所述带的宽度沿长度L3变化。如图所示，在PCM带620的最外边缘处的宽度W1

图11示出了PCM带720的另一种构造。PCM带的边缘具有与先前示例中的带620类似的抛物线形状，但是PCM带720较小，以允许在所述顶表面712上提供两个PCM带720。这将流动通道的数量增加到延伸跨过所述壳体表面的三个空气流动通道730。

图12示出了PCM带820a的另一种构造。在此示例中，PCM带820-1为药丸形并且被定位为跨过顶表面812A。每个药丸形PCM带820-1都包括部分线性的边缘821a以及弯曲边缘823。空气流动通道830a形成于PCM带820a的相对侧上，且空气流动通道830b位于在PCM带820a之间的空间中。PCM带的弯曲边缘的轮廓和在所述药丸形PCM带之间的空间便于空气围绕每个PCM带820流动。空气可以在水平方向中流动穿过顶表面812a的宽度，以及在垂直方向中流动跨过垂直于所述宽度延伸的长度。

图13示出PCM带820b的另一构造。在这个构造中，PCM带820b不是对称的且以特定图案布置。如图所示，大的药丸形PCM带820-2位于顶表面812b的中心部分上，以有助于在电池单元内的电池放电时散热。PCM带820-3与PCM带820-2间隔开并且位于其相对侧上。该间隔在PCM带820-2的外边缘821b与PCM带820-3的位于PCM带820-2左侧的边缘825之间、以及在PCM带820-2的外边缘821b与PCM带820-3的位于PCM带820-2右侧的边缘825之间形成了空气流动通道830c。这个构造可以允许PCM带的有意布置，以覆盖所述壳体的可能是热点或散发显著热量的部分，以及定位并形成可将热量从电池单元散发出去的空气流动通道。实际上，带820-3的弯曲边缘825将有助于增加跨过所述壳体的表面的气流的速度。

参照图14，示出了替代的搁板914a。搁板914a包括将搁板914a划分成五个隔室917-1至917-5的分隔件915。搁板914a与本文前面公开的搁板相同。每个隔室被配置为容纳两个电池单元，如前面的实施例所示，但是可以包括任何数量的隔室。另外，或者作为直接设置在本文所公开的电池单元上的PCM带的替代，PCM带920可以设置在搁板914A的顶表面919以及流动通道930上。流动通道930设置在直接相邻的PCM带920之间、在每个分隔件915和相邻的PCM带920之间、以及在外部搁板壁927和直接相邻的PCM带920之间。在此示例中，每个隔室设置了三个PCM带920，但在其它示例中，可以利用任何数量的带。另外，如本文所讨论的，PCM带可采用多种形状、构造和在搁板914a上的布置，并且不限于所示的布置。

PCM带的许多其它构造可以设置在搁板或电池单元的壳体的一个或多个表面上。本文所公开的所述PCM带可以是柔性的，以允许更容易地在电池单元的一个或多个表面上实现PCM带的期望形状、尺寸和布置。所述PCM带可以被制造成某些规格、从较大的材料片上切割、并且可以是柔性的或刚性的。另外，PCM带可以替代地为刚性面板，具有直接附着在所述电池单元的壳体的一个或多个表面上的表面和/或壳体。

利用本文公开的结构和方法，可以实现电池单元的热管理。在环境温度的任何变化期间，诸如在电池放电期间，在模块化电池单元内会产生大量的热量。在所述电池单元上的PCM带将在恒定温度下连续吸收由电池和/或在机架服务器内部产生的热量，直到发生相变为止。通过布置PCM材料而形成的空气流动通道允许进一步散布热量。所述PCM带和空气流动通道的组合允许对所述模块化电池单元进行更好的热管理控制。

除非另有说明，否则上述替换示例不是互相排斥的，而是可以以各种组合实施以实现独特的优点。由于可以在不背离权利要求所限定的主题的情况下利用以上讨论的特征的这些和其它变形以及组合，因此，前述描述应当以说明的方式而不是以限制由权利要求所限定的主题的方式进行。另外，在此描述的示例的提供以及用短语表达为“诸如”、“包括”等的用语不应被解释为将权利要求的主题限制于特定示例；而是，这些示例仅旨在说明许多可能的实施方式之一。此外，在不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。