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CN101253826B - 用于计算机架外壳的自适应冷却方法 - Google Patents

用于计算机架外壳的自适应冷却方法 Download PDF

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CN101253826B
CN101253826B CN2006800317833A CN200680031783A CN101253826B CN 101253826 B CN101253826 B CN 101253826B CN 2006800317833 A CN2006800317833 A CN 2006800317833A CN 200680031783 A CN200680031783 A CN 200680031783A CN 101253826 B CN101253826 B CN 101253826B
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Abstract

本发明提供一种用于冷却含有例如计算机等多个个别装置的设备架的技术，所述个别装置每一者具有其自身的内部冷却风扇。空气通路(“分流管”)置于所述架内部的隔室与所述架外部的环境空气之间，或置于所述架内部的隔室之间。所述空气通路内部的传感器检测空气在所述通路内部的移动，且因此间接测量差压的存在。优选的传感器实施例使用温度传感器，且利用所述计算机架内部与所述计算机架外部(或内部计算机架隔室之间)的空气温度的差异来确定空气是否正移动穿过所述空气通路，以及空气正移动的方向。响应于所述测量，控制系统经配置以将压力通风区(plenum)驱动为轻度真空，并接着缓慢地减慢排气风扇直到所述压力通风区被轻度加压为止，此时所述风扇加速并再次产生轻度真空。这允许架外壳随着计算机利用率的变化而不断适应冷却要求的任何变化。

Description

用于计算机架外壳的自适应冷却方法
相关申请
本申请案主张申请于2005年8月5日的第60/705,793号美国临时申请案的权益。以上申请案的全部教示以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明是关于一种用于计算机架外壳的自适应冷却方法。
背景技术
据估计，在如今大多数数据中心，电子设备架产生5到12千瓦(KW)之间的热量。数据中心所使用的最新的计算机(服务器)较小且功能更强大，并允许在设备架外壳内部非常密集地放置机器。一些估计是，将来设备架内部的热负荷可超过20KW。这些设备架中所使用的冷却系统对这些数据中心的可靠性显然很重要。
效率是架冷却系统的最重要的方面之一。空气调节的高成本阻碍了简单地制造和分布比冷却所需的冷空气更多的冷空气。最有效的系统将向计算机架传递适当量的冷空气——不多也不少。
确定用于设备架的理想冷却速率是困难，因为所产生的热量的量可较大程度地变化。举例来说，闲置不用的计算机产生的瓦特数远少于那些正重荷使用的计算机。因此，如果整个架闲置，那么冷却需求将显著低于整个架在努力工作时的冷却需求。另外，架中所安装的设备的数目和类型可随时间变化。今天仅有一半满的服务器的架下星期可能完全充满。
另一相关挑战是由于以下事实：所产生的内部热量通过每一计算机内部的冷却风扇而从计算机的每一者的后部排出。显然，必须适当地管理这些冷却风扇所产生的组合气流。如果此气流管理不当，那么从计算机后部排出的热空气可能迁移到机箱前方，在那里其将与冷空气供应混合并对冷却具有不利影响。
最后，计算机制造商通常公布其设备设计所针对的“环境”条件。因此，理想的设备架冷却系统将维持内部受监视计算机的所需环境条件，同时使用所必需的最小冷却量。为了实现此目的，冷却系统不仅必须提供适当空气温度，而且其还必须确保内部计算机的入口与排出口之间不存在压差。换句话说，当计算机的所有内部风扇正在运作时，决不能允许计算机对设备架的后部加压。否则这可能导致计算机内部以每分钟立方英尺(CFM)计的气流下降，从而产生升高的内部温度。同样，决不能允许计算机风扇在架前方抽出真空，否则计算机内部的CFM可能再次下降。或者，冷却系统不应对架前方加压，也不应在架的后部产生真空，因为这些条件中的任一者将迫使比必需的冷却空气多的冷却空气进行循环，从而导致效率降低。
发明内容
我们已开始了解，实施理想的设备架冷却技术涉及考虑个别计算机/服务器本身监视其自身的内部温度，并基于其自身的冷却需要而调节其内部冷却风扇。当其变热时，其使其内部冷却风扇加速，且当其变凉时，风扇减慢。个别计算机的制造商已建立每一计算机基于其当前用途所需要的理想冷却量，这并不令人惊讶。
因此，设备架冷却系统需要与架中所有个别计算机的CFM需求匹配。这将确保通过服务器上不存在压差，且将允许计算机使其本身正确冷却，如同其正搁置在开放的环境室条件下。
一种实施此效果的方式是通过使用压力传感器(Pressure transducer)来测量架前方和/或架后方的压力。因此，如果计算机使其内部风扇加速，且对机箱后方的排放不够快，那么将检测到压力略微增加，从而指示冷却系统排气风扇需要加速。接着当后方压力再次均衡时，排气风扇CFM已与架中计算机的组合的CFM需求匹配。
使用压力传感器的问题是，所观察到的压差通常非常小，0.1英寸的水(0.0036PSI)或更小的级别。可准确地测量这一低压力范围的压力传感器相对较昂贵。另外，所选择的任何压力传感器均具有最小压力感测能力，传感器在所述最小压力感测能力以下将不能工作。指定的最小值越低，则传感器越昂贵。随后，存在稳健性的问题。非常灵敏的压力传感器往往不如没有如此灵敏的压力传感器那样稳健。构建非常稳健、非常灵敏的压力传感器非常昂贵。这种方法的高成本从若干角度来看对于计算机架系统设计者是一项难题。其使得使用多个压力传感器来获得较好的或冗余的信息行不通。
并且，存在用于设备架冷却的竞争性技术，例如简单地测量架排气温度。且虽然这些技术中的一些可能较为低级，但它们提供价格点量度，且可运作得“足够好”。这些低成本、已经可实现的解决方案使得难以将高成本方法成功地推向市场。
所需要是一种低成本且稳健的方式来测量冷却系统气流是否与个别计算机的冷却风扇的组合的CFM匹配。因此，如果计算机的内部风扇因为需要较多或较少冷却而改变速度，那么架冷却系统可感测所述变化并适于提供与计算机所需求的CFM相同的CFM。
更明确地说，本发明描述一种用于通过使用架内部和/或架外部区域内存在的温度的差异来检测计算机/服务器的内部风扇与设备架冷却系统(空气处理系统)之间的CFM差异的技术。所述技术涉及在这些区域之间插入空气通路，其中温度传感器定位在空气通路内部或在空气通路的任一端(或两端)。通过监视空气通路内或任一端的空气的温度，并接着测量空气通路内部空气的温度，可检测出进入区域的空气与离开所述区域的空气之间的流动速率(CFM)的失配。这是因为CFM的差异将促使空气流动穿过空气通路，可通过了解哪一气团(空气通路的哪一端)正流动穿过空气通路来了解流动的方向。本发明接着教示用于冷却计算机架的系统中的此CFM差检测方法的使用。
附图说明
从如附图中说明的以下对本发明示范性实施例的更具体描述中将了解以上内容，附图中所有不同视图中类似参考标号表示相同部件。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的实施例上时。
图1是不同检测技术的高级图。
图2是经编码以控制外壳排气风扇的电路的示意图。
图3说明将内部进口与排放区域隔离的设备架。
图4说明仅将排放区域隔离的设备架。
具体实施方式
以下是对本发明的优选实施例的描述。
图1中展示根据本发明的一种基本的CFM差检测方法。所述技术涉及设备架或外壳(108)，其具有至少一件设备(例如，计算机)，所述设备具有将空气吹进共同压力通风区域(103)中的风扇(101)。所述设备还产生热量(102)，使得进入共同压力通风区域中的空气被加热到环境温度以上。设备外壳还具有排气风扇(104)，其旨在通过设备风扇(101)以与引入共同压力通风区域中的CFM相同的CFM，从共同压力通风区域排出经加热的空气。温度传感器包含：压力通风传感器(105)，其用于测量共同区域(103)中的空气的温度；环境传感器(107)，其用于测量环境室空气的温度(100)；以及传感器(106)，其用于测量共同区域(103)与外部环境室之间的小空气通路(“分流管”)(109)内部的空气的温度。
传感器(106)通常放置在外壳(108)内部的分流管(109)与处于外壳(108)外部的管(109)的另一端上的环境传感器(107)中间，所述外壳允许单一分流管(109)承载所有三个传感器。然而，可在外壳(108)中和外部的其它位置个别地监视传感器(105、107)。CFM差检测方法起作用是因为，如果排气风扇(104)排出的空气少于设备风扇(101)正引入的空气，那么结果是共同压力通风区域(103)中的压力略微增加，这接着将推动经加热的压力通风空气(plenum air)穿过分流管(109)到达外壳(108)外部。相反，如果排气风扇(104)排出的空气多于设备风扇(101)正引入的空气，那么结果是共同压力通风区域(103)中的压力略微减小。这将促使较冷的环境空气从设备外壳(100)外部进入排气分流管(109)。离开排气分流管的温暖的压力通风空气或进入管的冷环境空气之间的相对较大的温度差(可由传感器(105、106和/或107)检测)使得容易确定设备风扇与排气风扇之间是否存在CFM差，以及所述差为正还是负(排出太少，还是排出太多)。
图1说明用于通过测量共同压力通风区域的内部与外部的空气温度并将此与正移动穿过分流管的空气的温度进行比较来确定设备风扇与排气风扇之间的气流差异的基本配置。更明确地说，CFM差检测组合件和方法因此使用简单的温度传感器和空气通路(“分流管”)。因此可生产出成本非常低且稳健的CFM检测感测组合件以与设备架一起使用。此方法的另一重要方面是，因为其感测出流动穿过分流管的气团的温度，所以可检测到实质上为零的差压。所有必需的是刚好能移动穿过分流管的恰好最微小的空气移动量，且容易并快速地检测到空气温度的较大差异。当用于计算机架冷却应用中时，这种CFM差检测方法通过差压传感器提供显著的性能改进以及显著的价格缩减。
应注意，通过将温度传感器的数目从三个减少到两个或甚至一个来进一步缩减CFM差检测组合件的成本为可能的。这可通过观测出共同压力通风区域(103)内部的空气将始终比环境空气(100)热来实现。所有必需的是了解共同压力通风区域(103)或环境空气(100)的温度，并接着将此与分流管(109)内部的温度传感器进行比较。举例来说，在两个传感器的布置中：一个传感器(106)处于分流管(109)的中间内部且一个传感器(107)处于环境空气(100)端，如果所述传感器处于相同温度，那么排气风扇(104)排出的CFM必定多于设备风扇(101)正引入的CFM。相反，如果排气风扇(104)排出的空气少于设备风扇(101)正引入的空气，那么来自共同压力通风区域(103)的经加热空气将穿过分流管(109)排出。再次，共同压力通风区域(103)中的空气与环境空气(100)之间相对较大的温度差使得CFM检测方法的两个传感器实施方案成为可能。另外，如果环境温度已经持续并精确地控制在大多数商业数据中心中普遍的已知温度，那么所有必需的是放置在分流管(109)内部的单一温度传感器(106)。分流管(109)内部的温度(106)简单地与已知(经编程)的环境空气温度(100)进行比较以确定气团正行进穿过管(109)的方向。
图2展示当一个传感器(106)处于分流管(109)的中间且第二传感器(107)处于环境空气(100)端时提供两个传感器配置的基础操作的模拟电路。在此实例中，两个温度传感器(200和201)是匹配(可互换)的负系数热敏电阻。每一者连接到接地电阻器(207和208)以形成分压器。电阻值在一定程度上是任意的，但出于示范性目的，热敏电阻在25摄氏度下可为10K欧姆，且接地电阻器为10K欧姆。接地电阻器(208)的值优选略大于电阻器(207)，以使得当两个热敏电阻(200和201)处于完全相同的温度时，保证比较器(202)断开。
因此，如果两个传感器均处于25摄氏度，那么其电阻相同(10K欧姆)，且其将5V源电压一分为二，因此向电压跟随器(209和210)的“+”输入产生2.5V信号。如果假定两个电压跟随器(209和210)向比较器(202)的输入供应完全相同的电压(环境空气电压跟随器(210)将由于电阻器(208)的缘故而略高)，那么比较器(202)的输出将断开，且功率运算放大器(203)将断开。一旦分流管(109)中的热敏电阻(200)感测的温度高于环境温度热敏电阻(201)，比较器(202)的“+”输入就将接收高于“-”输入的电压，且比较器的输出将接通(变高＝“1”)。接着用R/C电路(205和206)给比较器(202)的输出求平均(滤波)。这意味着离开电容器(206)的电压非常缓慢地充电，其接着缓慢地增加通过功率运算放大器(203)传递到排气风扇马达(204)的电压。只要分流管热敏电阻(200)热于环境热敏电阻(201)，此情形就会持续，且排气风扇马达(204)上的电压继续增加，这促使风扇(204)运转得更快。当排气风扇马达(204)最后已达到使计算机架内部均衡的CFM时，外部室环境空气将开始被抽到分流管(109)中，从而促使两个温度传感器(200和201)读取相同温度，从而导致比较器(202)断开。R/C电路(205和206)的长时间常数将导致排气风扇马达(204)的速度缓慢减小。这会持续到排气风扇马达(204)不再排出足够的CFM为止，此时分流管热敏电阻(200)将再次热于环境热敏电阻(201)，且整个过程重复。
上文描述的基本CFM检测方法可通过提供图3所示的布置而进一步整合到用于计算机架外壳的自适应冷却系统中：
·架外壳(1)，其含有一个或一个以上计算单元(8)；
·对架外壳(1)的冷空气供应(16)，其用于冷却计算单元(8)的目的；
·来自架外壳(1)的排出口(2)，其用于从计算单元(8)去除排出空气的目的；
·测量装置，其用于测量传入的冷空气供应与计算单元进气风扇(分流管11与(例如)温度传感器12)之间的气流(CFM)差；
·测量装置，其用于测量计算单元(8)、内部风扇(10)与离开架外壳排出口的空气(传感器13与分流管14)之间的气流(CFM)差；
·调节机构(15)，其用于调节进入架外壳(1)中的冷空气供应的气流(CFM)；
·调节机构(3)，其用于调节离开架外壳(1)的排出空气的气流(CFM)。
本发明的此实施例将架外壳的传入的冷空气供应(CFM)与计算单元的内部进气风扇的组合效果匹配，并将架外壳排气(CFM)与组合的计算单元排气风扇匹配，以用于维持计算机内部进口(7)与计算机内部排出口(9)处的环境压力的目的。这模拟了将计算机(8)简单地设置在空气调节室(7)内部而没有架外壳(1)的情形。通过确保冷空气无限制地到达计算机空气进口(即，进气不产生低压区域)且通过确保计算机无限制地排出(9)的空气(即，排出空气不产生高压区域)，计算机(8)内部风扇(10)正常工作(如其被设计的那样)。另外，如果冷却不足，且计算机使其内部冷却风扇(10)加速以进行补偿，那么架外壳(1)将适于且继续维持计算机进口与排出口处的环境压力。
如图3所示的架外壳设计(1)优选将内部计算机进口区域(7)与内部计算机排出口区域(9)隔离。架的经隔离进口区域(5)与架的调节冷空气入口机构(15)以及内部计算机进口区域(7)共用(连通)。同样，架的经隔离排出口区域(6)与架的调节排气机构(3)以及内部计算机排出口区域(9)共用(连通)。这两个经隔离架区域(进口(5)和排出口(6))与架(4)的外部隔离。
计算机架冷却系统的性质允许简单化改良，其中可规定已知供应到调节进口机构(16)的空气冷于外部环境空气温度(4)，且已知由调节排出机构(3)排出的空气的温度(18)暖于外部环境温度(4)。这允许通过(经由传感器12和13)测量两个小分流管(11和14)内部的空气温度来测量两个经隔离区域(5和6)中的差压(本文早先称为“CFM差检测”)的简化的方法，小分流管(11和14)将这些经隔离区域(5和6)的每一者独立地连接到架的外部(4))。
因此，例如，如果调节排出机构(3)排出的空气太少，从而导致经隔离排出区域(6)中累积的压力略微增加(与环境相比)，那么这将推动经加热的排出空气(18)穿过排气分流管(14)到达架(1)的外部(4)。相反，如果调节排出机构(3)排出的空气多于计算机单元(9)，从而导致经隔离排出区域(6)中的压力略微减小(与环境相比)，那么这将促使环境空气(4)从架(1)的外部(4)进入排气分流管(14)。离开排气分流管(14)的暖空气(18)或进入进气管(11)的冷环境空气(4)之间相对较大的温度差提供一种廉价且稳健的温度感测方法，其用于确定是否存在差压(相对于环境)以及所述差为正还是负。
同样，如果调节入口机构(15)将太多冷却空气提供到架(1)，从而导致经隔离进口区域(5)中累积的压力略微增加(与环境相比)，那么这将推动冷的冷却空气(17)穿过排气分流管(11)到达架(1)的外部(4)。相反，如果调节入口机构(15)不将足够的冷却空气提供到计算机单元，从而导致经隔离进口区域(5)中的压力略微减小(与环境相比)，那么这将促使环境空气(4)从架(1)的外部进入进气分流管(11)。进入进气分流管(11)的环境空气(4)或离开所述管(11)的冷的冷却空气(17)之间相对较大的温度差提供一种廉价且稳健的温度感测方法，其用于确定是否存在差压(相对于环境)以及所述差为正还是负，
图4所示的本发明的另一实施例使用架外壳设计(20)，其也使内部计算机进口区域(25)与内部计算机排出口区域(28)分离，但仅将架排出口区域(29)与室(23)隔离。架进口区域(33)可与计算机室(23)以及内部计算机进口区域(25)共用(连通)。经隔离排出口区域(29)与架的调节排气机构(22)以及内部计算机排出口区域(28)共用(连通)，并与架的外部(23)隔离。
通过再次规定由调节排出机构(22)排出的空气的温度(30)暖于外部环境空气温度(23)，可能实现一种测量差压(本文早先称为“CFM差检测”)的简化的方法。
因此，举例来说，如果调节排出机构(22)排出的空气太少，从而导致经隔离排出区域(29)中累积的压力略微增加(与环境相比)，那么这将推动经加热的排气(30)穿过排气分流管(32)到达架的外部(23)。相反，如果调节排出机构(22)排出的空气多于计算机单元排出(28)，从而导致经隔离排出区域(29)中的压力略微减小(与环境相比)，那么这将促使较冷的环境空气(23)从架的外部(23)进入排气分流管(32)。离开排气分流管(32)的暖空气(30)或进入所述管的冷环境空气(23)之间相对较大的温度差提供一种廉价且稳健的温度感测(31)方法，其用于确定是否存在差压(相对于环境)以及所述差为正还是负。
在实际实施方案中，可能发现使用多个分流管来代替任何单一分流管，或者修改分流管的形状和尺寸，或者提供阻挡或过滤或其它机械自适应性是有利的。不认为这些修改对于本文陈述的基本思想来说是重要的。并且，还可能发现额外的分流管放置是有利的，尤其是放置在架外壳(1)中的两个经隔离区域(5和6)之间。这同样被认为是本描述内容中提供的基本思想的延伸。
对于分流管温度测量概念的另一改良可以是除了在中间放置传感器外还在分流管的任一端或两端包含温度传感器。这可提供优于单一传感器分流管的测量益处。明确地说，接着有可能确定环境空气冷于经加热的排气但暖于对于计算机架的冷空气供应的简单化规定是否真实。通过对分流管的两端进行测量，不再需要关于哪一气团较热或较冷的假定，因为气团的实际温度是已知的。接着有可能在不考虑温度的情况下计算CFM差。并且，有可能在分流管内部包含自动加热元件，其可向控制系统提供关于机箱中的压力和温度的更多信息。这些同样被认为是本描述内容中提供的基本思想的延伸。
虽然已参照本发明的优选实施例具体展示和描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离由所附权利要求书涵盖的本发明范围的情况下在其中作出形式和细节上的各种变化。

Claims (15)

1.一种用于封围一个或多个计算机系统的架外壳，所述架外壳包括：
至少一个内部压力通风区，其提供气流的封围空间；
分流管，其设置在内部压力通风区与所述外壳外部的环境之间，或设置在两个内部压力通风区之间；
至少一个温度传感器，其设置在所述分流管内，用于确定所述分流管内部的所测量的分流空气温度；
压力确定电路，其用于依据所述测量的分流温度与所测量的或假定的环境或压力通风区温度中的至少一者的差异来确定压力；以及
调节气流装置，其用于响应于所述确定的压力来控制气流进入或离开所述外壳。
2.根据权利要求1所述的架外壳，其中所述分流管设置在内部压力通风区与所述外壳外部的环境之间。
3.根据权利要求2所述的架外壳，其包括：
压力通风区温度传感器，其额外地设置在延伸到所述压力通风区的一者中的所述分流管的一端中。
4.根据权利要求2所述的架外壳，其额外包括：
环境温度传感器，其设置在延伸到所述外壳外部的环境中的所述分流管的一端中。
5.根据权利要求1所述的架外壳，其中所述分流管设置在所述外壳内的两个内部压力通风区之间。
6.根据权利要求5所述的架外壳，其中所述两个压力通风区是分别将所述计算机系统内部的进气与排气风扇隔离的进气压力通风区和排气压力通风区。
7.根据权利要求1所述的架外壳，其中温度梯度存在于所述分流管中；且所述温度梯度的一测量值用于确定所述压力。
8.一种用于控制经布置以对架外壳进行冷却空气供应或排出的气流调节装置的方法，所述方法包括以下步骤：
将开口设置在所述外壳内部的区域与所述外壳外部的区域之间；
测量在与所述开口进行热交流的位置处的第一温度，其中气流通过所述开口来影响所述测量第一温度，所述气流产生自通过所述开口上的压力差；
依据所述温度测量确定气流穿过所述开口的方向；以及
响应于所述方向确定步骤来控制所述气流调节装置。 
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定气流方向的步骤进一步包括：
测量在与所述开口热连通的第二位置处的第二温度，所述第二位置在所述外壳外部的位置处；以及
通过比较所述测量的第一温度测量值与第二温度测量值来确定所述气流方向。
10.根据权利要求8所述的方法，其中分流管设置在所述开口中，且所述第一温度测量值测量于所述分流管内部的位置处。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述外壳内部的位置处测量第三温度，且其中依据所述测量的第一、第二与第三温度来确定所述气流方向。
12.根据权利要求9所述的方法，其中于经设置在所述开口中的分流管的一端处测量所述第二温度。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述外壳进一步包括进气压力通风区和排气压力通风区，且所述分流管设置在所述进气与排气压力通风区之间。
14.根据权利要求10所述的方法，其中在所述外壳外部的位置处测量第二温度且在所述外壳内部的位置处测量第三温度，其中通过比较所述第二及第三温度的一平均值与所述第一温度来确定所述气流方向。
15.一种用于对计算机架外壳进行空气供应或排出的设备，其包括：
一架外壳，其用于封闭多个内部计算机，且每个内部计算机具有其所拥有的相应个别控制的内部风扇，每个个别控制的内部风扇依据其所述个别内部计算机来提供排气空气；
一经隔离排出区域，其经设置以接收来自个别内部计算机的至少两者的排气空气；
一架风扇，其经耦合以供应空气至所述经隔离排出区域；
一开口，其形成在所述架外壳中，假如所述架风扇无法提供足够空气以匹配多个内部计算机的气流请求时暖空气将通过所述开口而排出，且假如所述架风扇提供超过足够空气以匹配多个内部计算机的气流请求时冷空气将通过所述开口而引入；
一温度感测器，其经设置以便由穿过所述开口的气流所影响；
一调节器，其经耦合至所述温度感测器及所述架风扇，且响应于所述温度感测器来控制所述架风扇。 
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