用于地熱冷卻安裝在地下環(huán)境中的電子裝置的設(shè)備和方法
【專利說明】用于地熱冷卻安裝在地下環(huán)境中的電子裝置的設(shè)備和方法
[0001]相關(guān)申請
[0002]本專利申請要求2012年9月7日提交的名稱為“設(shè)計成用于地下安裝的地熱冷卻的計算機硬件系統(tǒng)”的美國臨時申請61/698，365的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種用于地熱冷卻電子裝置(包括但不限于計算機系統(tǒng))的系統(tǒng)和方法，其通過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，每個架上具有多個計算節(jié)點)容納數(shù)百或數(shù)千個計算機系統(tǒng)。某些來源估計，數(shù)據(jù)中心的電力消耗中高達50%用來冷卻計算機系統(tǒng)運行所處的環(huán)境。
[0005]計算裝置的內(nèi)部電子部件產(chǎn)生的熱長久以來一直是確定計算機系統(tǒng)的整體設(shè)計的重要因素。在早期個人計算機設(shè)計中，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，沒有通常由電風扇產(chǎn)生的空氣紊流來使冷卻空氣循環(huán)通過計算機系統(tǒng)殼體的內(nèi)部空間。在20世紀40年代和50年代的早期大型計算系統(tǒng)中，熱耗散主要包括殼體中的通風孔，之后是周圍空氣風扇和吹風機，它們通過強制空氣對流而進行冷卻。
[0006]Zelina在美國專利號3，566，958 (1971年)中描述了一種將熱導體熱聯(lián)接到集成電路芯片的手段，但是沒有解決如何將傳熱材料中所含的熱傳遞離開電氣裝置周圍的空間的問題。在Rathjen的美國專利號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組件的手段；冷卻流體離開整個組件，由此將熱傳遞離開發(fā)熱的電子器件。Austin在美國專利號3，737，728(1973年)中公開了一種安裝結(jié)構(gòu)，用于易碎的發(fā)熱裝置(例如在計算機設(shè)備中使用的裝置)，以及傳熱的均勻性和熱遠離核心組件區(qū)域的良好熱耗散。在美國專利號3，865，183(1975年)中將這些理念進行了組合，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，而將整個計算機組件構(gòu)造成模塊中的各個電路板具有良好的熱耗散特性。
[0007]隨著計算裝置中的半導體密度持續(xù)增大，裝置逐漸地產(chǎn)生更多的熱。從20世紀80年代開始，主要通過使用液體而在計算機系統(tǒng)的除熱能力方面取得了一系列的進展。Oktay在1980年(美國專利號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在液體中，該液體循環(huán)通過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，包括:使計算機的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使得液體進行循環(huán)；用于一個或多個(PU或其它發(fā)熱電子部件的越來越復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；閉環(huán)和開環(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久以來被認為是冷卻居住環(huán)境的系統(tǒng)的潛在的節(jié)能特征。因為地表以下在指定深度處基本上保持恒定的溫度，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行交換以提供冷卻，或者可以與較冷的地面流體進行交換以提供加熱。Vignal和Chapuis在美國專利號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行熱交換的手段；它們的設(shè)計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)公開了在空氣調(diào)節(jié)設(shè)計的各個方面的改進，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)備的操作溫度公開于以下專利:Enlund的美國專利號6，397,933(2002年)，其中設(shè)備安裝在工位中；Kidwell和Fraim的美國專利號7，363，769 (2008年)，其中在電磁信號傳輸/接收塔的基部處進行電子設(shè)備的冷卻。Kidwell和Fraim公開的主題描述了利用同軸流動熱交換結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)安裝在電磁信號傳輸/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實現(xiàn)熱傳遞。Chainer在美國專利申請?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)境空氣和地熱熱交換過程進行冷卻。
[0010]Attlesey等人在美國專利號7，724，517(2010)中公開了一種用于液體浸沒冷卻式電子裝置的外殼的設(shè)計；這里所述的實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)通過而對電子設(shè)備進行冷卻。Tufty等人在美國專利申請?zhí)?013/0081790 (2013年4月)中公開了類似的方法。Campbell等人在美國專利號7,961,475(2011年6月)中描述了用于一個或多個電子子系統(tǒng)的浸沒式冷卻的設(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或多個容器。
[0011]總之，計算機和其它電子硬件產(chǎn)生的熱導致在諸如數(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)當解釋為所列的任何特征或改進的權(quán)利放棄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本文所述的至少一個實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)(包括但不限于計算機硬件系統(tǒng))的地熱冷卻機構(gòu)。通過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)計在長期電子設(shè)備操作成本方面提供了顯著的改進。地下環(huán)境的增大的冷卻能力可能導致較低的硬件操作溫度，這將轉(zhuǎn)換為硬件的較長平均操作壽命。該設(shè)計還導致用于電子設(shè)備系統(tǒng)的非常高的安全物理安裝。
[0014]計算機硬件或其它電子設(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部分接觸，計算機系統(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線的冷卻質(zhì)量。貫穿該公開和所附權(quán)利要求的是，流體將包括氣體(例如大氣空氣、氦氣、氮氣等)、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)測信號和功能。熱可以經(jīng)由被動的或強制的循環(huán)而從液體直接傳遞到地下環(huán)境，或者流體可以循環(huán)離開計算機硬件封裝件或容納容器，在遠程位置冷卻，然后以較低的溫度再次循環(huán)返回到計算機硬件封裝件或容納容器。
[0015]多種構(gòu)造選項描述為被優(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、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。計算機系統(tǒng)外殼可以是實心構(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以進行熱傳遞的通道。計算機系統(tǒng)外殼單元可以疊堆或組合在一起，以形成單個結(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]從本文提供的說明中，本發(fā)明公開主題的這些和其它方面以及額外的新穎特征將會變得明顯。
【發(fā)明內(nèi)容】
的目的并不是要求保護的主題的理解性描述，而是提供該主題的某些功能的簡短概述。在審查以下的附圖和詳細說明的情況下，本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將會是或變得清楚。期望的是，包含在本說明書中的所有這些額外的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點處于所附權(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，參考以下圖示實施例的詳細描述，將最佳地理解本發(fā)明公開的主題自身以及優(yōu)選使用模式、其它的目的及其優(yōu)點，其中:
[0018]圖1示出了本發(fā)明公開主題的實施例的設(shè)計成用于地下設(shè)施的對流型地熱冷卻式計算機硬件系統(tǒng)的概念性橫截面圖。
[0019]圖2示出了本發(fā)明公開主題的實施例的設(shè)計成用于地下設(shè)施的熱交換器型地熱冷卻式計算機硬件系統(tǒng)的概念性橫截面圖。
[0020]圖3示出了本發(fā)明公開主題的實施例的設(shè)計成用于人員可進入的地下設(shè)施的熱交換器型地熱冷卻式計算機硬件系統(tǒng)的概念性橫截面圖。
[0021]圖4示出了本發(fā)明公開主題的實施例的設(shè)計成用于地下設(shè)施的計算機集群的概念性橫截面圖，該計算機集群包括由外部冷卻流體循環(huán)進行冷卻的計算機部件組件。
[0022]圖5示出了本發(fā)明公開主題的實施例的設(shè)計成用于地下設(shè)施的計算機集群的概念性橫截面圖，該計算機集群