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用于检测冷却系统中冷却剂泄漏的系统和方法
    本公开的背景
     1. 本公开的领域
     本公开的实施方式一般涉及冷却系统， 比如用于处理数据中心、 设备间或布线室 中空气的冷却系统， 并且更加特别地涉及用于检测冷却系统中冷却剂泄漏的系统和方法。
     2. 对相关技术的讨论
     用于安置电子设备比如数据处理设备、 联网设备和电信设备的设备机壳或机架已 使用了很多年。这些机架通常被用于在较大的设备间和数据中心里容纳并且布置设备。多 年来， 已经开发出了大量不同的标准以使得设备制造商能够设计可在机架上安装的设备， 这些可在机架上安装的设备能够被安装在由不同制造商制造的标准机架上。 标准的机架典 型地包括前部的安装轨道 (mounting rails)， 电子设备中的多个单元， 比如服务器和 CPU， 在该机架内被竖直地安装和堆放到所述安装轨道上。示例性的工业标准的机架约 6 英尺 到 6.5 英尺高， 约 24 英寸宽， 以及约 40 英寸深， 并且该机架通常被称为如电子工业协会的 EIA-310-D 标准所规定的 “十九英寸” 机架。
     已经开发出了一些管理系统用于管理包括了机架的数据中心的配电 (power distribution) 系 统 和 冷 却 系 统。 已 知 一 个 这 样 的 管 理 系 统 是 由 本 公 开 的 受 让 人， 即 罗 德 岛 州 西 金 斯 顿 市 的 American Power Conversion Corporation 所 提 供 的 InfraStruXureTM(“ISX” ) 管理器， 该管理器被特别设计用于控制大型数据中心的运营。
     由安装在机架上的设备所产生的热量能够对设备组件的性能、 稳定性和使用寿命 产生不利的影响。 特别是， 被封装在机壳内的、 安装在机架上的设备可能容易受到工作期间 在机壳范围内所产生的疲劳生热 (heat build-up) 和热点 (hot spot) 的影响。设备的机 架所生成的热量依赖于工作期间由机架中的设备所抽取的电功率的量。另外， 电子设备的 用户可随着他们需求的改变和新需求的产生来添加、 移除并且重新布置安装在机架上的组 件。
     以前， 在某些配置中， 通过具有计算机机房的空气调节器 ( “CRAC” ) 单元的数据中 心的冷却系统来冷却数据中心， 这些空气调节器单元通常是位于数据中心间边缘的周围的 硬管 (hard piped) 的， 不能移动的单元。CRAC 单元从单元的前面的吸入空气并向上朝着 数据中心间的顶棚输出较冷的空气。在其他实施方式中， CRAC 单元从数据中心间的顶棚附 近吸入空气并在活动地板 (raised floor) 以下释放出较冷的空气， 用于传递至设备机架的 前面。一般来说， 这些 CRAC 单元吸入室温下的空气 ( 在大约 72 ℉左右 ) 并且释放冷空气 ( 在大约 55 ℉左右 )， 该冷空气被吹入数据中心间并且在设备机架处或在设备机架附近与 室温下的空气混合。
     在其他实施方式中， CRAC 单元可以是模块化的并且可调整的， 使得这些单元可依 赖于数据中心内的冷却需要被放置在数据中心内的任何位置。 这些冷却单元在于 2006 年 1 月 19 日所提交的、 标题为 “COOLING SYSTEM AND METHOD” 的待定的第 11/335,874 号美国 专利申请中有所描述。
     一个与已知的冷却单元相关的缺点是， 一般不可能或几乎不可能检测在冷却单元
     内的或在冷却系统内的冷却剂损失。此外， 已知还没有系统可警告数据中心的操作员冷却 剂的损失。
     本公开的概述
     本公开的一个方面是针对检测一种类型的冷却系统中冷却剂损失的方法， 所述类 型的冷却系统具有 ： 冷凝器 ； 冷却剂接收器， 其与冷凝器流体连通 ； 传感器， 其被配置成检 测接收器中冷却剂的水平 ； 蒸发器， 其与接收器流体连通 ； 以及， 泵或压缩机， 其与蒸发器 和冷凝器流体连通。 在一个实施方式中， 该方法包括 ： 在将一定的功率负载施加到冷却系统 期间， 使用传感器建立接收器中所容纳的冷却剂质量的基线测量 ； 在一定的功率负载被施 加到冷却系统上时、 使用传感器监控接收器中的冷却剂的质量 ； 以及， 确认在预定的时间段 上， 受监控的冷却剂的质量是否小于冷却剂质量的基线测量。
     检测冷却剂损失的方法的实施方式可包括 ： 当建立冷却剂质量的基线测量时， 开 始冷却系统的启动并且在冷却系统上施加恒定的负载。 建立冷却剂质量的基线测量还可包 括从传感器获得数据以确定接收器中冷却剂的体积， 并且其中通过使用接收器中冷却剂的 体积来计算在接收器中冷却剂的质量。 监控在接收器中的冷却剂的质量可包括从接收器中 的传感器连续获得数据以确定在接收器中的冷却剂的体积。 该方法还可包括在预定的时间 段上， 当在一定的功率负载上的受监控的冷却剂的质量小于在一定的功率负载期间内冷却 剂质量的基线测量时生成警报。该方法可在预定的时间间隔之后连续地重复。
     本公开的另一个方面是针对检测一种类型的冷却系统中冷却剂损失的系统， 所述 类型的冷却系统具有 ： 冷凝器 ； 冷却剂接收器， 其与冷凝器流体连通 ； 传感器， 其被配置成 检测接收器中冷却剂的水平 ； 蒸发器， 其与接收器流体连通 ； 以及， 泵或压缩机， 其与蒸发 器和冷凝器流体连通。 该系统包括 ： 控制器， 其被配置成在将一定的功率负载施加到冷却系 统期间， 使用传感器建立接收器中所容纳的冷却剂质量的基线测量 ； 在一定的功率负载被 施加到冷却系统上时、 使用传感器监控接收器中的冷却剂的质量 ； 以及， 确认在预定的时间 段上， 受监控的冷却剂的质量是否小于冷却剂质量的基线测量。
     系统的实施方式可包括在建立冷却剂质量的基线测量时配置控制器以开始启动 冷却系统， 并且在冷却系统上施加恒定负载。 当建立起冷却剂质量的基线测量时， 控制器可 被配置成从接收器中的传感器获得数据以确定接收器中冷却剂的体积。 通过使用接收器中 冷却剂的体积来计算接收器内冷却剂的质量。在监控接收器中冷却剂的质量时， 控制器可 被配置成识别接收器中冷却剂的水平和 / 或连续获得关于接收器中冷却剂的体积的数据。 系统还可包括耦合到控制器的报警器。在预定的时间段上， 当在一定的功率负载上的受监 控的冷却剂的质量小于在一定的功率负载期间冷却剂质量的基线测量时触发报警器。
     本公开的另一方面是针对冷却系统， 该冷却系统包括 ： 冷凝器 ； 冷却剂接收器， 其 与冷凝器流体连通 ； 传感器， 其被配置成检测在接收器内冷却剂的水平 ； 蒸发器， 其与接收 器流体连通 ； 泵或压缩机， 其与蒸发器和冷凝器流体连通 ； 以及， 控制器。所述控制器被配 置成 ： 在将一定的功率负载施加到冷却系统期间， 使用传感器建立接收器中所容纳的冷却 剂质量的基线测量 ； 在一定的功率负载施加到冷却系统上时、 使用传感器监控接收器中的 冷却剂的质量 ； 以及， 确认在预定的时间段上， 受监控的冷却剂的质量是否小于冷却剂质量 的基线测量。
     冷却系统的实施方式可包括当建立冷却剂质量的基线测量时配置控制器， 开始冷却系统的启动并且在冷却系统上施加恒定的负载。当建立冷却剂质量的基线测量时， 控制 器可被配置成从接收器中的传感器获得数据， 以便确定接收器中冷却剂的体积。通过使用 接收器中冷却剂的体积来计算接收器内冷却剂的质量。当监控接收器中冷却剂的质量时， 控制器可被配置成确认接收器中冷却剂的水平和 / 或连续获得关于接收器中冷却剂量的 体积的数据。冷却系统还可包括耦合到控制器的报警器。在预定的时间段上， 当在一定的 功率负载上的受监控的冷却剂的质量小于在一定的功率负载期间冷却剂质量的基线测量 时触发该警报器。
     附图简述
     不旨在将附图按比例绘制。在这些图中， 在各张图中示出的每个相同的或近似相 同的组件通过相同的数字来表示。出于简洁的目的， 没有在每张图中标示每个组件。在这 些图中 ：
     图 1 是包含了冷却系统的数据中心的一部分的透视图 ；
     图 2 是本公开的实施方式的冷却系统的框图 ；
     图 3 是在图 2 中所示的冷却系统的一个实施方式的冷却模块的框图 ；
     图 4 是本公开的另一个实施方式的冷却模块的组件的透视图 ； 图 5 是表示四个冷却模块的冷却剂质量与输出功率的关系的图示 ；
     图 6 是表示两个冷却模块的冷却剂质量与输出功率的关系的图示 ； 以及
     图 7 是表示一个冷却模块的冷却剂质量与输出功率的关系的图示。详述
     本公开的应用不限制于通过以下说明书所阐明或者通过附图所示出的结构和组 件布置的细节。在本公开中所描述的概念能够有其他的实施方式， 并且能够以各种方式来 实现或实施。 此外， 此处所使用的措辞和术语是出于描述的目的， 并且不应被视为是限制性 的。 “包括 (including)” 、 “包括 (comprising)” 、 “具有” 、 “包含” 、 “涉及” 、 以及其在此处的 变体的使用， 意味着涵盖其后所列出的项目及其等价物， 以及附加的项目。
     本公开的至少一个实施方式针对可配置成用于冷却被安置在设备机壳或数据中 心的机架中的电子设备的冷却系统的使用。如此处所使用的， “机壳” 和 “机架” 用于描述 被设计为支撑电子设备的装置。 这样的冷却系统可在需求的基础上包含一个或多个冷却单 元， 以便提供在数据中心内的局部冷却。 在一个实施方式中， 多个冷却单元可散布在一排设 备机架中以便更加有效地冷却数据中心。在另一个实施方式中， 热通道封闭系统可被用于 捕获并处理在热通道中所容纳的热空气。使用每种方法， 由电子设备所生成的温空气的循 环路径被缩减， 以便减少在数据中心内的热空气和冷空气的混合。
     在某些情况下， 数据中心一般被设计为大的房间， 以容纳在数据中心内成排布置 的几百个电子设备机架。这些成排的设备机架以存在冷通道和热通道的方式来布置。冷通 道提供了到机壳前面的通道， 一般会在此处到达电子设备。热通道则提供了到设备机架背 面的通道。根据需要的改变， 设备机架的数量可以依赖于数据中心的功能需求来增加或减 少。冷却系统的至少一个实施方式是模块化的并且可升级的， 并且可以采用被设计以满足 变化的需要的工具箱 (kit) 的形式。此外， 虽然作为这样的冷却系统预期的用途讨论了相 对大型的数据中心， 但是如上所述， 该系统是可升级的， 并且可按较小的规模用于较小的房 间并且用于除数据中心以外的应用。
     在一个实施方式中， 冷却系统可包括多个冷却单元， 每个冷却单元具有适合支撑
     冷却系统的组件的外壳。例如， 冷却单元的组件可包括至少一个耦合到导管系统的热交换 器， 所述导管系统被配置成将冷却剂传送到热交换器。可提供风扇以移除穿过热交换器的 空气。这样的冷却单元可被称为抽吸冷却剂的冷却系统或 PRCS。冷却单元可被布置在一 排设备机架中或在包围热通道的顶盖结构内， 并且配置成从热通道抽入数据中心内的热空 气， 例如， 用于将该空气冷却至略低于环境温度。 这种配置消除了将热空气与室温下的空气 进行混合以获得温的空气混合物的低效率性。 这种配置还可以降低由数据中心的空调系统 所提供的不易察觉的冷却， 由此降低了对加湿的需要。
     一般的数据中心包括被设计成容纳多个设备机架的房间。在一个实施方式中， 可 根据于 2004 年 11 月 17 日所递交的、 标题为 “EQUIPMENT ENCLOSURE KIT AND ASSEMBLY METHOD” 的第 10/990,927 号美国专利申请所披露的教导来构造每个设备机架， 上述专利申 请由本公开的受让人所有， 并且在此处通过引用被并入。此外， 在设备机架之间敷设电缆 (cabling)， 可通过使用包含在机架的顶部上的配线槽来实现， 如第 6,967,283 号美国专利 中所披露的， 上述专利在此处通过引用并入并且被转让给本公开的受让人。
     特别地， 设备机架包括适用于支撑电子组件， 比如数据处理、 联网和电信设备的框 架或外壳。 每个设备机架的前面可包括前门， 以便使得能够到达设备机架的内部。 每个设备 机架的侧面可包括至少一个面板， 其被配置覆盖一个侧面以围住机架的内部区域。每个设 备机架的背面还可包括至少一个面板或后门， 以提供从机架背面到设备机架内部的通道。 在某些实施方式中， 侧面和背面的面板， 以及前门和后门， 可以用有孔的金属板来制造， 例 如， 允许空气流入和流出设备机架的内部区域。否则， 面板可以用固体材料制成。 设备机架在结构上是模块化的， 并且被配置成滚入和滚出例如在数据中心的一排 上的位置。小脚轮固定在每个设备机架的底部以使得机架能够沿着数据中心的地板滚动。 一旦被定位， 可部署调平脚 (leveling feet) 以便将设备机架稳固地放在排中的适当位置。 在这样的设备机架上采用小脚轮和调平脚的例子在第 10/990,927 号美国专利申请中有详 细的披露。
     电子设备可定位在设备机架的内部区域中。例如， 在将设备机架放置在数据中心 内之前或之后， 可将设备放置在固定在设备机架内部区域里的排架上。提供了电通信和数 据通信的电缆， 其可被穿过设备机架的顶部提供， 即穿过在设备机架顶部处所提供的覆盖 物 ( 或如第 6,967,283 号美国专利中所描述的 “顶 (roof)” )。所述覆盖物具有在其中形成 的开口以容纳电缆， 或者设备机架的顶部可保持打开， 使得电缆穿过打开的顶部直接进入 设备机架。在该实施方式中， 电缆可以沿着机架的顶捆扎， 或者提供在前述配线槽中。在另 一个实施方式中， 电缆可以布置在活动地板内， 并且穿过设备机架的底部连接到电子设备。 使用这两种配置， 将电力线和通信线提供至设备机架。
     如以上所讨论的， 数据中心一般配置有多排设备机架， 布置这些设备机架使得冷 空气从冷通道抽入机架， 并且温的和热的空气则从机架排到热通道中。设备机架可被布置 成两排， 其中在较近的一排中的设备机架的前面被布置在朝前的方向上， 并且在较远的一 排中的设备机架的背面被布置到朝后的方向上。然而， 如上所述， 在一般的数据中心中， 有 多排设备机架， 其中这些排可以被布置成使设备机架的前面彼此相对以限定冷通道， 并且 设备机架的背面彼此相对以限定热通道。
     为了定位在数据中心内的疲劳生热点和热点， 可提供多个冷却单元。在一种实施
     方式中， 布置可以是这样的 ： 对于在数据中心内所提供的每两个设备机架存在一个冷却单 元。 然而， 可基于数据中心的环境条件提供或多或少的冷却单元。 此外， 在一些实施方式中， 冷却单元的密度和位置可基于数据中心内最热的机架位置来调整， 或者基于由数据中心信 息管理系统获得和分析的信息来调整。另外， 本公开的实施方式的冷却单元可以和其他类 型的冷却系统结合使用， 比如在于 2006 年 2 月 10 日所递交的、 标题为 “COOLING SYSTEM AND METHOD” 的第 11/335,874、 11/335,856 和 11/335,901 号美国专利申请中所公开类型的冷却 系统组合使用， 上述美国专利申请由本公开的受让人所有， 并且此处通过引用将其并入
     在一个实施方式中， 控制器适于基于由控制器所获得的环境参数来控制冷却系统 的操作。一般来说， 使用之前的冷却系统， 单独的冷却单元不能够彼此通信。然而， 对于本 文公开的实施方式的冷却系统， 控制器可包括在冷却单元中所提供的多个控制器， 这些控 制器通过控制器的局域网 (CAN) 总线彼此通信。在其他实施方式中， 可提供主控制器以控 制冷却单元的控制器的操作。 每个冷却单元可配有显示装置， 其被可操作地耦合到控制器。 显示装置适于显示数据中心的环境状况， 例如但不限于， 在冷却单元的数据中心的温度和 湿度、 进入和离开冷却单元的空气的温度、 进入和离开冷却单元的冷却剂的温度、 进入冷却 单元的冷却剂的流速、 以及冷却单元的冷却能力。可提供适合的监视器、 传感器和 / 或测量 仪器以便获得这样的信息。 可供选择地， 或除了上述实施方式之外， 环境条件可在装配有集 成的数据中心控制和监视系统的单元上显示。 在某些情况下， 可能需要控制在热通道和冷通道内的空气流， 尤其是要控制在热 通道内的空气流。一般地， 从封装在设备机架内的电子组件所生成的热被排出设备机架的 背面并进入热通道。还可能需要容纳由冷却单元， 比如以上所描述的模块化的冷却单元所 调节的热空气。已知使用为特定的设备机架配置所设计的顶棚部件来围住热通道。一般在 把设备机架安装在数据中心内时安装这种已知的顶棚部件， 并且这种已知的顶棚部件由设 备机架的制造商制造。
     现在转到附图， 并且特别地是转到图 1， 其中显示了典型的数据中心 ( 一般由 10 标 示 ) 的一部分。 如所示， 数据中心 10 包括了由地板 12、 墙壁 ( 每个都用 14 标示 )、 以及天花 板 16 所限定的房间。数据中心 10 被设计成容纳多个设备机架 ( 一般每个都用 18 标示 )。 此外， 虽然未在图 1 中特别显示， 但是在设备机架 18 之间敷设电缆可使用如以上所描述的 机架的顶上所包含的配线槽来实现。
     数据中心 10 一般配置有多排设备机架 18， 这些设备机架被布置使得冷空气从冷 通道 C 抽入机架， 并且温的或热的空气从机架排出进入到热通道 H 中。仅出于说明目的， 在 图 1 中将设备机架 18 布置成两排， 其中在较近的一排中的设备机架的前面 22 被布置在如 图 1 中所见的朝前的方向上， 并且在较远的一排中的设备机架的背面 24 被布置在如图 1 中 所见的朝后的方向上。
     为了定位在数据中心 10 内的疲劳生热点和热点， 并且为了解决在数据中心内的 气氛控制 (climate control) 问题， 一般来说要提供冷却系统 ( 用 30 标示 )。如图 1 中所 示， 冷却系统 30 包括布置在数据中心 10 内的多个冷却模块 ( 一般每个都用 32 标示 )。数 据中心 10 优选地具有适于从适当的源， 比如制冷单元传送和返回冷冻剂 ( 例如， 水或者水 / 乙二醇的溶液 ) 的入口和出口。特别地， 入口适于通过供应线路 34 将冷藏的冷冻剂传送 到数据中心 10， 而出口则适于通过返回线路 36 将加热的冷冻剂从数据中心排出。 供应线路
     和返回线路 34、 36 与歧管 (manifold) 或分配单元 ( 一般用 38 标示 ) 流体连通。分配单元 38 包括位于数据中心 10 内的机壳， 并且例如被设计成分配冷藏的冷却剂 ( 例如， R-134a、 CO2、 R-407c 或 R-410a) 到每个冷却模块和通过过顶的管道从每个冷却模块 32 接收被加热 的冷却剂。在一个实施方式中， 分配单元 38 用作热交换机， 其冷却从冷却模块 32 返回的被 加热的冷却剂， 并且将被冷却的冷却剂分配回冷却模块。来自制冷单元的冷冻剂实现了这 一热传递。
     应当注意到的是， 在某些实施方式中分配单元 38 可方便地提供在数据中心 10 内。 例如， 分配单元 38 可以附接到在数据中心 10 以内或以外的墙壁 14 或者其他表面 ( 例如， 天花板 16)。提供可移动的分配单元 38， 这使得本公开的冷却系统 30 能够更好地适应各种 形状和大小的房间， 以及需要的变化的冷却需求的房间。 另外， 应当注意的是， 例如， 或者在 需要过度冷却的情况下， 可在较大的资料室中提供多于一个的分配单元 38 以便容纳许多 冷却模块 32。在某些实施方式中， 并且参考图 2， 分配单元 38 包括冷凝器 26 和与冷凝器的 出口流体连通的接收器 28。冷凝器 26 是在分配单元 38 与冷却模块 32 之间所提供的冷却 剂回路的一部分。接收器 28 被配置成容纳离开冷凝器 26 的液体冷却剂。正如下面将更详 细地讨论的， 可以在接收器 28 内提供传感器， 以便获得在接收器内的冷却剂的水平测量结 果。
     现在转到图 2， 下面显示和描述了示例性的抽吸冷却剂的冷却系统或 PRCS 40 的 示图。由于抽吸冷却剂的冷却系统 40 包括了在图 1 中所描述的冷却系统 30 中使用的类似 的或相同的组件， 类似的参考编号用于标示这些类似的或相同的组件。抽吸冷却剂的冷却 系统 40 通过供应线路 34 连接到被冷藏的冷冻剂 42 的源。被加热的冷冻剂通过返回线路 36 从抽吸冷却剂的冷却系统 40 回到源 42。系统 40 包括冷却剂分配单元 38， 其被配置成抽 吸液体冷却剂 ( 例如， R-134a、 CO2、 R-407c 或 R-410a) 通过液体冷却剂供应线路 44 到达若 干冷却模块 32。虽然在图 2 中示出了六个冷却模块 32， 但应当理解的是， 可提供任何数量 的冷却模块作为抽吸冷却剂的冷却系统 40 的一部分或者专用子系统的一部分。被加热的 汽化冷却剂通过汽化冷却剂返回线路 46 从冷却模块 32 返回分配单元 38。 被加热的冷却剂 通过由制冷源 42 所提供的冷冻剂在分配单元 38 内冷却和凝结。
     冷却模块 32 可被定位在用于 HACS 配置的热通道封闭系统的热通道上方， 或者可 选择地按照以上所描述方式能够被置于用于 HACS 或 HA/CA 配置的设备机架 18 附近。冷却 模块 32 被配置成通过液体冷却剂供应线路 44 从分配单元 38 接收被冷藏的液体冷却剂， 以 便通过在每个冷却模块内提供的蒸发器 ( 未在图 2 中显示 ) 将来自负载 ( 每个都用 48 标 示 ) 的热 ( 例如， 由设备机架所产生的热 ) 传递至冷却剂中。每个冷却模块 32 的操作将在 下面参考图 3 更详细地描述。在该过程中， 冷却剂经历了从液态到汽态的相变。汽化的冷 却剂通过汽化冷却剂返回线路 46 返回分配单元 38。在一个实施方式中， 将传感器 50 布置 在分配单元 38 的接收器 28 内以便测量在分配单元内所容纳的冷却剂的量。该信息可被发 送至冷却系统的控制器 40， 或者被发送至与分配单元 38 相关的微处理器。另外， 正如下面 将以更多细节讨论的， 冷却模块的传感器包包括传感器例如以测量冷却模块的风扇速度， 测量冷却模块中的供气温度和返回空气的温度， 并且测量进入和离开冷却模块的蒸发器的 冷却剂的压力。
     仍然参考图 2， 抽吸冷却剂的冷却系统 40 还包括大量环境传感器 ( 每个都用 52 标示 )。 这些环境传感器 52 可被配置成提供温度数据和湿度数据， 其被用于监控热负载 48 的 周边空气温度， 并且计算冷却模块 32 工作环境的露点。 系统 40 还包括通信网络 54， 其提供 分配单元 38、 冷却模块 32 和传感器 52 用来彼此通信的物理介质。
     现在转到图 3， 每个冷却模块 32 包括 ： 蒸发器 56， 其被用于将热从 IT 设备传递到 穿过蒸发器的冷却剂 ； 以及， 一个或多个风扇 58， 其被用于提供穿过蒸发器的空气流。如所 示， 风扇 58 被配置成将热负载 48( 来自容纳在设备机架内的 IT 设备 ) 朝着蒸发器 56 引导， 用于蒸发在蒸发器内所提供的冷却剂。每个冷却模块 32 包括用于控制冷却模块的操作的 控制器 60。 特别地， 在一个实施方式中， 控制器 60 是基于微处理器的设备， 其包括此处所描 述的控制或处理算法， 负责执行冷却模块 32 的操作。在其他实施方式中， 控制器 60 可以是 在冷却系统 40 内所提供的主控制器的一部分， 或者是通过管理系统的通信网络与主控制 器通信的控制器的一部分。
     每个冷却模块 32 还包括 ： 蒸发器压力调节阀 62， 其用于控制穿过蒸发器 56 的冷 却剂的饱和温度 ； 以及， 电子膨胀阀 64， 其用于维持在蒸发器的离开端口的适当的过热温 度。 冷却模块 32 还装备有传感器包 66， 其在一个实施方式中可包括以下传感器中的一个或 多个 ： 风扇转速计 ； 返回空气温度计 ； 供气温度计 ； 蒸发器压力传感器 ； 以及， 机架入口温度 计。在其他实施方式中， 传感器包 66 可形成关于系统 40 所描述的传感器 52 的一部分。如 所示， 传感器包 66 与控制器 60 通信以提供关于冷却模块 32 的操作参数的连续的反馈给控 制器。基于由传感器包 66 所获得的信息， 可按以下所描述的方式来控制冷却模块 32 的操 作。 在某些实施方式中， 每个风扇 58 配备了转速计， 其测量风扇速度。可提供分开控 制来控制风扇 58 的速度。返回空气温度计测量被吸入蒸发器 56 中的空气的温度。一些实 施方式可包括提供若干温度计， 所述温度计均匀地分布在蒸发器 56 上。控制器 60 被配置 成使用这些传感器的平均值作为返回空气温度。供气温度计测量在空气通过蒸发器 56 之 后该空气的温度。一些实施方式可包括提供若干传感器， 所述传感器均匀地分布在蒸发器 56 上。与返回空气温度计一样， 控制器 60 被配置成使用这些传感器的平均值作为供气温 度。蒸发器压力传感器测量在冷却剂离开蒸发器 56 的位置处的冷却剂压力。一个或多个 机架入口温度计测量在设备吸入冷空气的位置处的 IT 设备的温度。
     控制器 60 可被配置成停止风扇 58 的工作， 以便在冷却系统出故障的情况下阻止 热空气由冷却模块 32 排出。控制器 60 还可配置成一般在灾难性事件发生时停止冷却系统 的操作。 例如， 在按照下面所描述的方式检测到冷却剂泄漏的情况下， 可在关闭冷却系统或 者冷却系统的某个组件之前触发与冷却剂分配单元 38 相关的警报器 68。 警报器 68 可以是 视觉警报器、 听觉警报器、 或者是二者兼有的视觉 / 听觉警报器。
     在其他实施方式中， 冷却模块可以是可扩展的和模块化的， 比如在以上所参考的 第 11/335,874、 11/335,856 和 11/335,901 号美国专利申请中所披露的冷却模块， 或者在每 个都于 2006 年 8 月 15 日所递交的、 标题为 “COOLING SYSTEM AND METHOD” 的第 11/504,370 和 11/504,382 号美国专利申请中所披露的冷却模块， 上述美国专利申请由本公开的受让 人所有， 并且此处通过引用将其并入。
     例如， 如图 4 所示， 在另一个实施方式， 冷却模块 70 包括压缩机 72 以将加压的热 气体冷却剂传送到冷却模块的组件。加压的冷却剂穿过排出管道 74， 该排出管道将压缩机
     72 连接到冷凝器 76。温度传感器和压力转换器可以被提供在冷凝器 76 的附近， 以便在冷 却剂进入冷凝器的时候测量冷却剂的温度和压力。还可提供高压开关以使压缩机 76 断开 电源， 由此在冷却剂经历超出需要将压缩机 72 的电力断开的容限压力条件时停止将冷却 剂传送到冷凝器。 冷凝器 76 包括具有热传导性的散热片的线圈 78， 所述热传导性的散热片 被配置成冷却在冷凝器的线圈内的被加热的冷却剂。一旦冷却剂在冷凝器 76 内冷却 ( 例 如， 冷却剂从蒸发状态过渡到凝聚状态 )， 冷却剂穿过另一个液体管道 80 到达接收器 82， 该 接收器 82 收集凝聚的冷却剂。在接收器 82 内布置传感器 50 以测量在接收器内的冷却剂 的量。接收器 82 通过管道 80 连接到蒸发器 84 ； 然而， 在到达蒸发器之前， 冷却剂首先穿过 过滤干燥器 86， 以便去除冷却剂内的杂质并且移除冷却剂内不需要的非冷凝物质。一旦通 过过滤干燥器 86， 则冷却剂穿过热膨胀阀 88 以便在冷却剂进入蒸发器 84 之前调节冷却剂。
     接下来， 低压冷却剂进入分配器 90， 并且通过若干条 ( 例如 3 条 ) 管道中的一条分 配给蒸发器 84， 在图 4 中每条管道都用 92 标示。一旦由通过蒸发器 84 上的线圈 94 的温的 空气加热， 则被蒸发的冷却剂经由一段吸入管道 96 回到压缩机 72。然而， 在进入压缩机 72 之前， 冷却剂通过压缩机的吸入累积器 98， 该吸入累积器 98 保证冷却剂以蒸发状态进入压 缩机。可在压缩机的附近提供另一个温度传感器和另一个压力传感器。可将冷凝盘 100 布 置到蒸发器以下， 以便收集由蒸发器所生成的冷凝物。 该布置是使得高温冷却剂从压缩机 72 流到冷凝器 76。 在冷却剂进入冷凝器 76 之 前获取冷却剂的压力读数和温度读数。冷凝器 76 借助于通过冷凝器线圈 78 上方的相对冷 的空气来冷却冷却剂。一旦被冷却， 则冷却剂经由接收器 82 移动到蒸发器 84。可提供旁通 阀 102， 以便经由排出管道 104 将通常从压缩机 72 引导至冷凝器 76 的冷却剂换向到蒸发 器 84。通过打开旁通阀 102， 一部分移动到冷凝器 76 的冷却剂通过分配器 90 被换向回到 蒸发器 84。有时可被称为热气体旁通阀的旁通阀 102 的操作， 其可以被操纵以调节冷却模 块 70 的容量。通过密切监控进入冷凝器 76 的冷却剂的压力和 / 或温度， 冷却模块 70 的效 率可通过分流从冷凝器移动到蒸发器 84 的冷却剂来优化。
     本公开的系统和方法是针对检测冷却系统 ( 比如此处所描述的冷却系统 ) 中的冷 却剂损失。在一个实施方式中， 公开了一种检测如下类型的冷却系统中的冷却剂损失的方 法， 所述类型的冷却系统具有 ： 冷凝器 ； 冷却剂接收器， 其与冷凝器流体连通 ； 传感器， 其被 配置成检测接收器内的冷却剂的水平 ； 蒸发器， 其与接收器流体连通 ； 以及， 泵或压缩机， 其与蒸发器和冷凝器流体连通。 该方法包括在将一定的功率负载施加到冷却系统期间建立 在接收器中所容纳的冷却剂质量的基线测量。一旦建立起基线测量， 则监控了在一定的功 率负载施加到冷却设备上时接收器中的冷却剂的质量。在预定的时间段上， 当受监控的冷 却剂的质量小于冷却剂质量的基线测量时， 冷却系统中的泄漏被识别。
     在某些实施方式中， 测试了具有 1 个、 2 个或 4 个冷却模块的冷却系统。这些测试 被用于建立在实时冷却能力条件下关于功率相对冷却剂质量的曲线的数据点， 所述曲线与 每个冷却系统的配置相关。在开发这些系统和方法时， 作出某些要求和假设。例如， 一个要 求是该系统和方法应当能够检测到在冷却系统内的冷却剂的泄漏， 即在二十分钟内冷却剂 最快以每小时 10 磅 (10lb) 的速度的泄漏。另一个要求是该系统和方法应当能够检测到在 冷却系统内的冷却剂的泄漏， 即在一年内冷却剂最慢以每年 1 磅 (1Ib) 的速度的泄漏。此 处所公开的例子限于从具有某些容量限制的某些类型的系统所获得的值。
     一个假设是下面将会更详细地描述的功率与冷却剂质量的关系曲线， 其在分配单 元或冷凝器推送冷却剂 ( 例如， R-134a、 CO2、 R-407c 或 R-410a) 时是有效的。另一个假设 是功率与冷却剂质量的关系曲线不对 80kW 以上的热负载起作用。又一个假设是功率与冷 却剂质量的关系曲线对于 10kW 以下的负载不是有效的或者不以其他方式起作用。另一个 假设是功率与冷却剂质量的关系曲线的形状对于具有不同数量的冷却模块但是使用相同 类型的冷却模块的冷却系统是不变的。如上面所指出的， 此处开发的系统和方法采用了各 种数量的冷却模块 ( 例如， 4 个、 2 个和 1 个 ) 以便建立在冷却模块的实时操作期间的数据 点。 并且最终， 假设当冷却剂分配单元或冷却模块处于空闲模式下， 在接收器中测量冷却剂 水平。
     在建立冷却系统的接收器内的冷却剂的基线测量之前， 利用施加到冷却系统上的 恒定负载来开始冷却系统的启动。 为了开始该过程， 在接收器内提供传感器时， 通过确定接 收器中的冷却剂的水平来获得在接收器内所容纳的冷却剂质量的基线测量。 传感器被配置 成向系统的控制器发送数据， 以便确定接收器中冷却剂的量关于接收器的体积的比率。使 用等式 1 将接收器中冷却剂的水平转换到量。
     RM ＝ -0.2342×(0.08RL)3+3.0394×(0.08RL)2+6.024×(0.08RL)-1.267(1) 其中 RM- 冷却剂 (R-134a) 在 52 ℉以磅 (lb) 为单位的质量 ； 以及
     RL- 接收器中冷却剂量的比率。
     应当注意的是， 等式 1 假设接收器中的冷却剂的温度是 52 ℉。也假设在计算冷却 剂质量时由于冷却剂中的温度差所导致的误差在特定实施方式的预期的操作范围上被忽 略不计。
     如所讨论的， 可以获得关于具有 1 个、 2 个、 4 个和 6 个冷却模块的系统的功率与冷 却剂质量的关系曲线。在启动冷却系统之后， 施加到冷却模块的热负载以 10kW 的步长从 0kW 步进至 80kW。对于每一负载设置， 获得近似 45 分钟的实时数据， 其中以 1 秒的间隔从 提供在接收器中的传感器获得数据。被记录的数据点为 ： (1) 每个冷却模块中以千瓦 (kW) 为单位的输出功率 (POUT) ； 以及， (2) 作为接收器 (RL) 中冷却剂容量的、 从零到 100％的百分 比的接收器中冷却剂的水平。
     如上所述， 使用等式 1 计算关于冷却剂 (RL) 的量的每一比率的冷却剂质量 (RM)。 输出功率 (POUT) 和冷却剂的质量 (RM) 的数据点随后使用等式 2 所确定的 1 阶无限输入响应 (“IIR” ) 低通滤波器来进行滤波。
     y(n) ＝ 0.995y(n-1)+0.005x(n) ； (fs ＝ 1Hz ； …… fc ＝ 0.0008Hz) (2)
     POUTF 定义了经过滤波的输出功率 (POUT)， 并且 RMF 描述了经过滤波的冷却剂的质量 (RM) 的值。
     把经过滤波的输出功率 (POUTF) 和经过滤波的冷却剂的质量 (RMF) 制成一个表格， 其中行指明了采样时间， 而列则包含了经过滤波的输出功率 (POUTF) 和经过滤波的冷却剂的 质量 (RMF)。基于经过滤波的输出功率 (POUTF) 将该表格整理成按照经过滤波的输出功率的 值 (POUTF) 变大的顺序。随后分析该经整理的表格以产生简化的表格， 其对经过滤波的输出 功率 (POUTF) 在 1kW 以内的、 经过滤波的冷却剂的质量的值 (RMF) 求均值。以下 MATLABTM 函 数被用来生成如下定义的简化的数据集 ：
     function[Y， Status] ＝ AveragedDataSet(X)
     AveragedDataSet 接受根据第一列整理的二维矩阵， 并且将所重复的元素的系列 用 Y 的第一列出现的元素及与 Y 的第二列中重复的元素相对应的 X 的值的平均值代替。
     POUTR 定义了经过滤波的输出功率 POUT 的简化值， 并且 RMR 描述了经过滤波和简化的 冷却剂的质量 RM 的值。作为独立变量的、 经过滤波的输出功率的简化值 (POUTR) 随后相对于经过滤波和简化的冷却剂的质量的值 (RMR) 进行作图。如图 5 中所示， 曲线 500 适合于表示 所收集的关于 4 个冷却模块系统的数据的结果。 类似地， 经过滤的输出功率的简化值 (POUTR) 以及冷却剂的质量的简化值 (RMR) 对于所收集的关于 2 个冷却模块系统的数据来作图以生 成曲线 600， 该曲线 600 在图 6 中示出， 并且对于所收集的关于 1 个冷却模块系统的数据来 作图以生成曲线 700， 该曲线 700 在图 7 中示出。
     分别地， 如图 5-7 中所示， 曲线 500、 600 和 700 全部表现为具有大体上相同的形 状。针对给定的一组初始条件， 根据需要通过选择曲线并且通过调整 Y- 截距 C， 提供由点 (POUT 和 RMR) 所组成的数据集。
     通过选择在该数据集中的任何一对点并且求解关于 C 的等式， 提供一条一组所有 可能的曲线中的一条曲线。例如， 如果选择了关于 4 个冷却模块的数据的曲线， 通过利用等 式 3， 其结果如下 ：
     RM ＝ -0.000003571P2out+0.00072977P3out-0.052869P2out+1.92Pout+C(3)
     接下来， 在数据集以外的单个点被代入等式 4 以求解 C。因此， 获得来自该组所有 可能的曲线的特定曲线。
     C ＝ RM-(-0.000003571P4out+0.00072977P3out-0.052869P2out+1.92Pout) (4)
     在一个实施方式中， 选择为从 4 个冷却模块收集的实时数据所提供的曲线 500， 因 为曲线覆盖了最大范围的功率。虽然其他曲线 600、 700 也提供了可接受的结果， 但是这两 条曲线 600 和 700 在被应用到获得数据的范围以外的功率上时不能够提供精确的预测。这 表明， 当使用关于较少数量的冷却模块的曲线时， 必须为能够支持较大的功率范围的生产 系统重新计算特定的曲线。
     关于检测冷却剂损失的过程可包括获得 Y- 截距 C。 该步骤可在试运行冷却系统期 间执行， 或者在每当将冷却剂添加到系统或从系统去除时执行， 或者当将冷却模块添加到 冷却系统或者从冷却系统去除时执行。当这些情况中的一种发生时， 将活动的冷却模块置 于待机模式。
     获得 Y- 截距 C 的方法包括 ： 起动系统 ； 施加至少 10kW 的恒定负载 ； 以及如果有的 话等待启动瞬态现象过去 ( 例如， 大约 20 分钟 )。对于小于 10kW 的热负载， 曲线可能不会 产生精确的结果。
     系统还包括通过使用等式 5， 按 1 分钟的间隔在 30 分钟测量并滤波输出功率 (POUT) 以及冷却剂 (RL) 的比率。
     y(n) ＝ 0.9765625y(n-1)+0.0234375x(n) ； (fs ＝ 0.2Hz， fc ＝ 0.000753165Hz) (5)
     接下来， 回过来参考等式 1， 可计算冷却剂的质量。 之后， 通过使用经过滤波的输出 功率 (POUT) 的值来计算 Y- 截距 C， 并且通过使用等式 4 来计算冷却剂的质量 (RM)。C 的值 可存储在非易失性存储器中。
     关于检测冷却剂损失的过程可包括通过等待一预定的时间， 例如在系统启动之后 的至少 20 分钟， 监控在冷却系统的操作期间的冷却剂质量， 使得任何启动瞬态现象都被消 除。接收器具有已知的几何形状， 并且冷却剂具有已知或假设的密度。通过观察接收器中 冷却剂的高度， 例如可以相对于已知的接收器的体积来计算冷却剂的体积。通过确定在接 收器内的冷却剂的体积， 则冷却剂的质量可以通过应用冷却剂的密度和其体积的乘积来计算。 如上所述， 输出功率应当大于 10kW。通过使用等式 1， 可计算冷却剂的质量。通过 使用等式 5， 可计算所测量和滤波的输出功率和冷却剂质量。通过使用输出功率和等式 3， 可计算预测的冷却剂质量 (RMP)。冷却剂质量的平均值 (ΔR) 通过从预测的量 (RMP) 中减去 冷却剂质量 (RM) 来得到， 将其表示在等式 6 中。
     ΔR ＝ RMP-RM (6)
     如果冷却剂质量的平均值 (ΔR) 超过预定的量 ( 例如， 5 磅 ) 一段预定的时间 (tF) ( 如在等式 7 中具体指明的 )， 则产生警告。该程序以一分钟的间隔来重复。
     其中 ASENS 是 lb X 最小阈值 ； 以及
     默认情况下， lb*min 是 10/6lbs-min。
     冷却模块的不同操作可导致功率与冷却剂质量的关系曲线发生改变。例如， 可从 被配置成在某个设定点操作的冷却模块收集到数据样本。当该设定点改变时， Y- 截距 C 的 结果可能改变。 如果这种改变发生， 那么在绘制功率与冷却剂质量的关系曲线时， 必须要考 虑。
     应当理解的是， 冷却系统的控制器可被配置成执行此处所披露的关于检测冷却系 统内的冷却剂泄漏的处理步骤。还可提供专用的控制器或处理器以执行这一功能。
     因此， 应当注意到的是， 提供了确定影响接收器中的冷却剂的质量的一组系统变 量的系统和方法。该系统和方法产生了一配置文件， 该配置文件关于接收器中的冷却剂的 质量如何受到系统变量在系统的操作范围和一段时间上的改变的影响。 该配置文件在控制 器或者与冷却系统相关的一些其他微处理器中进行编程。 该布置是使得在冷却系统的设置 期间， 当系统已填充了冷却剂之后， 控制器获得在处理实时数据之后接收器内的冷却剂的 质量的基线。 在冷却系统操作期间， 控制器继续监控接收器内的冷却剂的质量， 并且通过使 用配置文件将冷却剂的质量与冷却剂的质量的基线进行比较。 如果接收器中冷却剂的质量 小于预期， 如上所示， 那么控制器通过警报器比如警报器 68 向冷却系统的操作员指示这一 情况。在其他实施方式中， 检测泄漏的指示可通过与冷却系统的控制器相关的一个或多个 显示装置来产生。
     应当理解的是， 虽然检测冷却系统内的冷却剂泄漏的系统和方法是关于此处披露 的特定的冷却系统公开的， 但是本公开的原理可应用到对于操作员而言识别这种泄漏很重 要的其他冷却系统。
     因此， 已经描述了本公开的至少一个实施方式的若干方面， 将领会到的是， 本领域 中的技术人员将轻易地想出各种改变、 修正以及改进。意在这些改变、 修正、 以及改进是本 公开的一部分， 并且意在其落入本公开的精神和范围内。 相应地， 前述说明书和附图也仅仅 是举例说明。