用于地热冷却安装在地下环境中的电子装置的设备和方法
【专利说明】用于地热冷却安装在地下环境中的电子装置的设备和方法
[0001]相关申请
[0002]本专利申请要求2012年9月7日提交的名称为“设计成用于地下安装的地热冷却的计算机硬件系统”的美国临时申请61/698，365的优先权。
技术领域
[0003]本发明涉及一种用于地热冷却电子装置(包括但不限于计算机系统)的系统和方法，其通过将电子装置安装在地下环境(例如钻孔、挖掘洞穴或水体)中而实现。
【背景技术】
[0004]大型数据中心通常在地上建筑中以高密度的构造(并排架，每个架上具有多个计算节点)容纳数百或数千个计算机系统。某些来源估计，数据中心的电力消耗中高达50%用来冷却计算机系统运行所处的环境。
[0005]计算装置的内部电子部件产生的热长久以来一直是确定计算机系统的整体设计的重要因素。在早期个人计算机设计中，最常用的热耗散形式是发热的集成电路芯片与诸如铝的传递热的质量体之间直接物理接触，没有通常由电风扇产生的空气紊流来使冷却空气循环通过计算机系统壳体的内部空间。在20世纪40年代和50年代的早期大型计算系统中，热耗散主要包括壳体中的通风孔，之后是周围空气风扇和吹风机，它们通过强制空气对流而进行冷却。
[0006]Zelina在美国专利号3，566，958 (1971年)中描述了一种将热导体热联接到集成电路芯片的手段，但是没有解决如何将传热材料中所含的热传递离开电气装置周围的空间的问题。在Rathjen的美国专利号3，648，113 (1972年)中描述了叠堆平面电子装置的手段(平面之间具有间距)，以及利用跨越平坦表面的流体流冷却整个组件的手段；冷却流体离开整个组件，由此将热传递离开发热的电子器件。Austin在美国专利号3，737，728(1973年)中公开了一种安装结构，用于易碎的发热装置(例如在计算机设备中使用的装置)，以及传热的均匀性和热远离核心组件区域的良好热耗散。在美国专利号3，865，183(1975年)中将这些理念进行了组合，在该专利中，Roush描述了一种更加综合性的手段，利用流体流从组件移除热能，而将整个计算机组件构造成模块中的各个电路板具有良好的热耗散特性。
[0007]随着计算装置中的半导体密度持续增大，装置逐渐地产生更多的热。从20世纪80年代开始，主要通过使用液体而在计算机系统的除热能力方面取得了一系列的进展。Oktay在1980年(美国专利号4，203，129)描述了将散热器粘接到发热电子装置的表面，并且将散热器的其它表面浸没在液体中，该液体循环通过散热器材料中的通道。这种创新技术被其他人用得太多，因此发明人并不提及专利号，包括:使计算机的CPU设置有夹套并且将液体冷却剂与CPU夹套直接接触，利用或者不利用泵来使得液体进行循环；用于一个或多个(PU或其它发热电子部件的越来越复杂的阀以及其它电子控制的多余冷却部件；用于输送液体冷却剂的通道和管道的各种设计；闭环和开环系统，在环外壳之间具有物理接触并且在它们之间具有不同程度的流体交换。
[0008]地表以下的冷却能力长久以来被认为是冷却居住环境的系统的潜在的节能特征。因为地表以下在指定深度处基本上保持恒定的温度，并且地面以下的岩石和/或自流出的质量和体积是巨大的，所以热可以与较热的地面流体进行交换以提供冷却，或者可以与较冷的地面流体进行交换以提供加热。Vignal和Chapuis在美国专利号3，965，694 (1976年)中描述了经由埋在地里钻出的深孔中的U形管线或管道与地面以下进行热交换的手段；它们的设计涉及用于加热或冷却地面以上的空气的系统。于是，许多装置已经公开了在空气调节设计的各个方面的改进，并且在地面以上的流体与地下岩石或液体之间提供更加有效的热传递。
[0009]使用地下热容量以控制电子设备的操作温度公开于以下专利:Enlund的美国专利号6，397,933(2002年)，其中设备安装在工位中；Kidwell和Fraim的美国专利号7，363，769 (2008年)，其中在电磁信号传输/接收塔的基部处进行电子设备的冷却。Kidwell和Fraim公开的主题描述了利用同轴流动热交换结构以调节安装在电磁信号传输/接收塔的基部壳体中的发热电子器件的温度的方法和设备。利用从地面到地下环境并返回到地面的流体流回路来实现热传递。Chainer在美国专利申请号2013/0081781中描述了用于数据中心冷却的系统，其中热传递流体被从数据中心的室内空间移除并经由环境空气和地热热交换过程进行冷却。
[0010]Attlesey等人在美国专利号7，724，517(2010)中公开了一种用于液体浸没冷却式电子装置的外壳的设计；这里所述的实施例包括用于包围电子设备的防漏液体的外壳，其中一个壁的至少一部分由半透明的或透明的材料构成以便能够看到外壳的内部。在若干后续的专利中，Attlesey描述了借助于电介质液体在防漏液体的容器中循环通过而对电子设备进行冷却。Tufty等人在美国专利申请号2013/0081790 (2013年4月)中公开了类似的方法。Campbell等人在美国专利号7,961,475(2011年6月)中描述了用于一个或多个电子子系统的浸没式冷却的设备和方法，其中冷却流体流入和流出驻留在电子架中的一个或多个容器。
[0011]总之，计算机和其它电子硬件产生的热导致在诸如数据中心的以高密度构造配置系统的环境中显著的冷却成本。
[0012]因此，除非特别声明，否则前面的描述不被认为是现有技术，并且在这一部分中出现的声明不应当解释为所列的任何特征或改进的权利放弃。
【发明内容】
[0013]本文所述的至少一个实施例提供安装在地下环境中的用于电子装置和装置的系统(包括但不限于计算机硬件系统)的地热冷却机构。通过不需要从安装有硬件的工厂的人员居住环境移除热，该设计在长期电子设备操作成本方面提供了显著的改进。地下环境的增大的冷却能力可能导致较低的硬件操作温度，这将转换为硬件的较长平均操作寿命。该设计还导致用于电子设备系统的非常高的安全物理安装。
[0014]计算机硬件或其它电子设备可以安装成单体单元，或者安装成高密度构造。这些设计被优化以有效且高效地将热能从发热电子器件直接传递到周围环境。通过直接接触，或者利用传热流体与设施内的单体部件或子系统的外表面的至少某个部分接触，计算机系统将内部产生的热从封装件的表面耗散到地下或大型水体的近乎无线的冷却质量。贯穿该公开和所附权利要求的是，流体将包括气体(例如大气空气、氦气、氮气等)、液体(例如矿物油、硅油、水)等，或者气体和液体的组合。封装件的外表面优选地由有利于热传递的材料构成。封装件具有优选地防漏液体的入口，用于电力、网络以及其它控制和监测信号和功能。热可以经由被动的或强制的循环而从液体直接传递到地下环境，或者流体可以循环离开计算机硬件封装件或容纳容器，在远程位置冷却，然后以较低的温度再次循环返回到计算机硬件封装件或容纳容器。
[0015]多种构造选项描述为被优化，以用于安装到各种地下环境中，例如但不限于天然形成的或人工的钻孔、挖掘洞穴、结构、井孔或水体(例如浆池、水库、湖、水塘、江河、海、洋、溪流、湿地等)。安装可以是任何取向，并且可以定位在地面处或者定位在地面以下任何距离处，与地面上方的环境直接接触或者不直接接触。计算机系统外壳可以是实心构造，或者其可以是中空构造，该中空构造提供增大的表面积，并且提供流体可以流过以进行热传递的通道。计算机系统外壳单元可以叠堆或组合在一起，以形成单个结构单元，或者它们可以近乎为不与其它单元直接接触的单一单元。
[0016]从本文提供的说明中，本发明公开主题的这些和其它方面以及额外的新颖特征将会变得明显。
【发明内容】
的目的并不是要求保护的主题的理解性描述，而是提供该主题的某些功能的简短概述。在审查以下的附图和详细说明的情况下，本发明的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员而言将会是或变得清楚。期望的是，包含在本说明书中的所有这些额外的系统、方法、特征和优点处于所附权利要求和任何后交的权利要求的范围内。
【附图说明】
[0017]在所附的权利要求以及任何后续提交的权利要求中将列出据信为本发明公开的主题的特性的新颖特征。然而，结合附图，参考以下图示实施例的详细描述，将最佳地理解本发明公开的主题自身以及优选使用模式、其它的目的及其优点，其中:
[0018]图1示出了本发明公开主题的实施例的设计成用于地下设施的对流型地热冷却式计算机硬件系统的概念性横截面图。
[0019]图2示出了本发明公开主题的实施例的设计成用于地下设施的热交换器型地热冷却式计算机硬件系统的概念性横截面图。
[0020]图3示出了本发明公开主题的实施例的设计成用于人员可进入的地下设施的热交换器型地热冷却式计算机硬件系统的概念性横截面图。
[0021]图4示出了本发明公开主题的实施例的设计成用于地下设施的计算机集群的概念性横截面图，该计算机集群包括由外部冷却流体循环进行冷却的计算机部件组件。
[0022]图5示出了本发明公开主题的实施例的设计成用于地下设施的计算机集群的概念性横截面图，该计算机集群