用于地?zé)崂鋮s安裝在地下環(huán)境中的電子裝置的設(shè)備和方法
【專利說(shuō)明】用于地?zé)崂鋮s安裝在地下環(huán)境中的電子裝置的設(shè)備和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本專利申請(qǐng)要求2012年9月7日提交的名稱為“設(shè)計(jì)成用于地下安裝的地?zé)崂鋮s的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/698，365的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種用于地?zé)崂鋮s電子裝置(包括但不限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng))的系統(tǒng)和方法，其通過(guò)將電子裝置安裝在地下環(huán)境(例如鉆孔、挖掘洞穴或水體)中而實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0004]大型數(shù)據(jù)中心通常在地上建筑中以高密度的構(gòu)造(并排架，每個(gè)架上具有多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn))容納數(shù)百或數(shù)千個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。某些來(lái)源估計(jì)，數(shù)據(jù)中心的電力消耗中高達(dá)50%用來(lái)冷卻計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行所處的環(huán)境。
[0005]計(jì)算裝置的內(nèi)部電子部件產(chǎn)生的熱長(zhǎng)久以來(lái)一直是確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)的重要因素。在早期個(gè)人計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中，最常用的熱耗散形式是發(fā)熱的集成電路芯片與諸如鋁的傳遞熱的質(zhì)量體之間直接物理接觸，沒(méi)有通常由電風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣紊流來(lái)使冷卻空氣循環(huán)通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)殼體的內(nèi)部空間。在20世紀(jì)40年代和50年代的早期大型計(jì)算系統(tǒng)中，熱耗散主要包括殼體中的通風(fēng)孔，之后是周圍空氣風(fēng)扇和吹風(fēng)機(jī)，它們通過(guò)強(qiáng)制空氣對(duì)流而進(jìn)行冷卻。
[0006]Zelina在美國(guó)專利號(hào)3，566，958 (1971年)中描述了一種將熱導(dǎo)體熱聯(lián)接到集成電路芯片的手段，但是沒(méi)有解決如何將傳熱材料中所含的熱傳遞離開(kāi)電氣裝置周圍的空間的問(wèn)題。在Rathjen的美國(guó)專利號(hào)3，648，113 (1972年)中描述了疊堆平面電子裝置的手段(平面之間具有間距)，以及利用跨越平坦表面的流體流冷卻整個(gè)組件的手段；冷卻流體離開(kāi)整個(gè)組件，由此將熱傳遞離開(kāi)發(fā)熱的電子器件。Austin在美國(guó)專利號(hào)3，737，728(1973年)中公開(kāi)了一種安裝結(jié)構(gòu)，用于易碎的發(fā)熱裝置(例如在計(jì)算機(jī)設(shè)備中使用的裝置)，以及傳熱的均勻性和熱遠(yuǎn)離核心組件區(qū)域的良好熱耗散。在美國(guó)專利號(hào)3，865，183(1975年)中將這些理念進(jìn)行了組合，在該專利中，Roush描述了一種更加綜合性的手段，利用流體流從組件移除熱能，而將整個(gè)計(jì)算機(jī)組件構(gòu)造成模塊中的各個(gè)電路板具有良好的熱耗散特性。
[0007]隨著計(jì)算裝置中的半導(dǎo)體密度持續(xù)增大，裝置逐漸地產(chǎn)生更多的熱。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，主要通過(guò)使用液體而在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的除熱能力方面取得了一系列的進(jìn)展。Oktay在1980年(美國(guó)專利號(hào)4，203，129)描述了將散熱器粘接到發(fā)熱電子裝置的表面，并且將散熱器的其它表面浸沒(méi)在液體中，該液體循環(huán)通過(guò)散熱器材料中的通道。這種創(chuàng)新技術(shù)被其他人用得太多，因此發(fā)明人并不提及專利號(hào)，包括:使計(jì)算機(jī)的CPU設(shè)置有夾套并且將液體冷卻劑與CPU夾套直接接觸，利用或者不利用泵來(lái)使得液體進(jìn)行循環(huán)；用于一個(gè)或多個(gè)(PU或其它發(fā)熱電子部件的越來(lái)越復(fù)雜的閥以及其它電子控制的多余冷卻部件；用于輸送液體冷卻劑的通道和管道的各種設(shè)計(jì)；閉環(huán)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，在環(huán)外殼之間具有物理接觸并且在它們之間具有不同程度的流體交換。
[0008]地表以下的冷卻能力長(zhǎng)久以來(lái)被認(rèn)為是冷卻居住環(huán)境的系統(tǒng)的潛在的節(jié)能特征。因?yàn)榈乇硪韵略谥付ㄉ疃忍幓旧媳３趾愣ǖ臏囟?，并且地面以下的巖石和/或自流出的質(zhì)量和體積是巨大的，所以熱可以與較熱的地面流體進(jìn)行交換以提供冷卻，或者可以與較冷的地面流體進(jìn)行交換以提供加熱。Vignal和Chapuis在美國(guó)專利號(hào)3，965，694 (1976年)中描述了經(jīng)由埋在地里鉆出的深孔中的U形管線或管道與地面以下進(jìn)行熱交換的手段；它們的設(shè)計(jì)涉及用于加熱或冷卻地面以上的空氣的系統(tǒng)。于是，許多裝置已經(jīng)公開(kāi)了在空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面的改進(jìn)，并且在地面以上的流體與地下巖石或液體之間提供更加有效的熱傳遞。
[0009]使用地下熱容量以控制電子設(shè)備的操作溫度公開(kāi)于以下專利:Enlund的美國(guó)專利號(hào)6，397,933(2002年)，其中設(shè)備安裝在工位中；Kidwell和Fraim的美國(guó)專利號(hào)7，363，769 (2008年)，其中在電磁信號(hào)傳輸/接收塔的基部處進(jìn)行電子設(shè)備的冷卻。Kidwell和Fraim公開(kāi)的主題描述了利用同軸流動(dòng)熱交換結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)安裝在電磁信號(hào)傳輸/接收塔的基部殼體中的發(fā)熱電子器件的溫度的方法和設(shè)備。利用從地面到地下環(huán)境并返回到地面的流體流回路來(lái)實(shí)現(xiàn)熱傳遞。Chainer在美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?013/0081781中描述了用于數(shù)據(jù)中心冷卻的系統(tǒng)，其中熱傳遞流體被從數(shù)據(jù)中心的室內(nèi)空間移除并經(jīng)由環(huán)境空氣和地?zé)釤峤粨Q過(guò)程進(jìn)行冷卻。
[0010]Attlesey等人在美國(guó)專利號(hào)7，724，517(2010)中公開(kāi)了一種用于液體浸沒(méi)冷卻式電子裝置的外殼的設(shè)計(jì)；這里所述的實(shí)施例包括用于包圍電子設(shè)備的防漏液體的外殼，其中一個(gè)壁的至少一部分由半透明的或透明的材料構(gòu)成以便能夠看到外殼的內(nèi)部。在若干后續(xù)的專利中，Attlesey描述了借助于電介質(zhì)液體在防漏液體的容器中循環(huán)通過(guò)而對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。Tufty等人在美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?013/0081790 (2013年4月)中公開(kāi)了類似的方法。Campbell等人在美國(guó)專利號(hào)7,961,475(2011年6月)中描述了用于一個(gè)或多個(gè)電子子系統(tǒng)的浸沒(méi)式冷卻的設(shè)備和方法，其中冷卻流體流入和流出駐留在電子架中的一個(gè)或多個(gè)容器。
[0011]總之，計(jì)算機(jī)和其它電子硬件產(chǎn)生的熱導(dǎo)致在諸如數(shù)據(jù)中心的以高密度構(gòu)造配置系統(tǒng)的環(huán)境中顯著的冷卻成本。
[0012]因此，除非特別聲明，否則前面的描述不被認(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)，并且在這一部分中出現(xiàn)的聲明不應(yīng)當(dāng)解釋為所列的任何特征或改進(jìn)的權(quán)利放棄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本文所述的至少一個(gè)實(shí)施例提供安裝在地下環(huán)境中的用于電子裝置和裝置的系統(tǒng)(包括但不限于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng))的地?zé)崂鋮s機(jī)構(gòu)。通過(guò)不需要從安裝有硬件的工廠的人員居住環(huán)境移除熱，該設(shè)計(jì)在長(zhǎng)期電子設(shè)備操作成本方面提供了顯著的改進(jìn)。地下環(huán)境的增大的冷卻能力可能導(dǎo)致較低的硬件操作溫度，這將轉(zhuǎn)換為硬件的較長(zhǎng)平均操作壽命。該設(shè)計(jì)還導(dǎo)致用于電子設(shè)備系統(tǒng)的非常高的安全物理安裝。
[0014]計(jì)算機(jī)硬件或其它電子設(shè)備可以安裝成單體單元，或者安裝成高密度構(gòu)造。這些設(shè)計(jì)被優(yōu)化以有效且高效地將熱能從發(fā)熱電子器件直接傳遞到周圍環(huán)境。通過(guò)直接接觸，或者利用傳熱流體與設(shè)施內(nèi)的單體部件或子系統(tǒng)的外表面的至少某個(gè)部分接觸，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將內(nèi)部產(chǎn)生的熱從封裝件的表面耗散到地下或大型水體的近乎無(wú)線的冷卻質(zhì)量。貫穿該公開(kāi)和所附權(quán)利要求的是，流體將包括氣體(例如大氣空氣、氦氣、氮?dú)獾?、液體(例如礦物油、硅油、水)等，或者氣體和液體的組合。封裝件的外表面優(yōu)選地由有利于熱傳遞的材料構(gòu)成。封裝件具有優(yōu)選地防漏液體的入口，用于電力、網(wǎng)絡(luò)以及其它控制和監(jiān)測(cè)信號(hào)和功能。熱可以經(jīng)由被動(dòng)的或強(qiáng)制的循環(huán)而從液體直接傳遞到地下環(huán)境，或者流體可以循環(huán)離開(kāi)計(jì)算機(jī)硬件封裝件或容納容器，在遠(yuǎn)程位置冷卻，然后以較低的溫度再次循環(huán)返回到計(jì)算機(jī)硬件封裝件或容納容器。
[0015]多種構(gòu)造選項(xiàng)描述為被優(yōu)化，以用于安裝到各種地下環(huán)境中，例如但不限于天然形成的或人工的鉆孔、挖掘洞穴、結(jié)構(gòu)、井孔或水體(例如漿池、水庫(kù)、湖、水塘、江河、海、洋、溪流、濕地等)。安裝可以是任何取向，并且可以定位在地面處或者定位在地面以下任何距離處，與地面上方的環(huán)境直接接觸或者不直接接觸。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外殼可以是實(shí)心構(gòu)造，或者其可以是中空構(gòu)造，該中空構(gòu)造提供增大的表面積，并且提供流體可以流過(guò)以進(jìn)行熱傳遞的通道。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外殼單元可以疊堆或組合在一起，以形成單個(gè)結(jié)構(gòu)單元，或者它們可以近乎為不與其它單元直接接觸的單一單元。
[0016]從本文提供的說(shuō)明中，本發(fā)明公開(kāi)主題的這些和其它方面以及額外的新穎特征將會(huì)變得明顯。
【發(fā)明內(nèi)容】
的目的并不是要求保護(hù)的主題的理解性描述，而是提供該主題的某些功能的簡(jiǎn)短概述。在審查以下的附圖和詳細(xì)說(shuō)明的情況下，本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將會(huì)是或變得清楚。期望的是，包含在本說(shuō)明書中的所有這些額外的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)處于所附權(quán)利要求和任何后交的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]在所附的權(quán)利要求以及任何后續(xù)提交的權(quán)利要求中將列出據(jù)信為本發(fā)明公開(kāi)的主題的特性的新穎特征。然而，結(jié)合附圖，參考以下圖示實(shí)施例的詳細(xì)描述，將最佳地理解本發(fā)明公開(kāi)的主題自身以及優(yōu)選使用模式、其它的目的及其優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0018]圖1示出了本發(fā)明公開(kāi)主題的實(shí)施例的設(shè)計(jì)成用于地下設(shè)施的對(duì)流型地?zé)崂鋮s式計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的概念性橫截面圖。
[0019]圖2示出了本發(fā)明公開(kāi)主題的實(shí)施例的設(shè)計(jì)成用于地下設(shè)施的熱交換器型地?zé)崂鋮s式計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的概念性橫截面圖。
[0020]圖3示出了本發(fā)明公開(kāi)主題的實(shí)施例的設(shè)計(jì)成用于人員可進(jìn)入的地下設(shè)施的熱交換器型地?zé)崂鋮s式計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的概念性橫截面圖。
[0021]圖4示出了本發(fā)明公開(kāi)主題的實(shí)施例的設(shè)計(jì)成用于地下設(shè)施的計(jì)算機(jī)集群的概念性橫截面圖，該計(jì)算機(jī)集群包括由外部冷卻流體循環(huán)進(jìn)行冷卻的計(jì)算機(jī)部件組件。
[0022]圖5示出了本發(fā)明公開(kāi)主題的實(shí)施例的設(shè)計(jì)成用于地下設(shè)施的計(jì)算機(jī)集群的概念性橫截面圖，該計(jì)算機(jī)集群