CN115061550A - 一种基于热电制冷器的分布式热管理装置和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于服务器和数据中心液冷散热领域，公开了一种基于热电制冷器的分布式热管理装置和控制方法，包括底座、热电制冷器、第一冷板、第二冷板、总入口、总出口和管道；所述底座平放于监测目标上，所述热电制冷器和第一冷板并排平放于底座上，所述第二冷板叠放于热电制冷器上，所述热电制冷器的冷端朝向底座、热端朝向第二冷板，所述管道用于总入口、第一冷板、第二冷板和总出口之间的相互连接，冷却液从总入口进入装置、从总出口离开装置，所述管道上具有多个电动阀门用于控制冷却液的流向。本发明通过控制电动阀门实现两块冷板的串并联切换，避免热电制冷器工作时热端产生的热量反向传导给处理器，提高了制冷效率。
Description
技术领域
本发明属于服务器和数据中心液冷散热领域，尤其涉及一种基于热电制冷器的分布式热管理装置和控制方法。
背景技术
随着算力需求提升，服务器和数据中心运行负载增大，对散热***的要求越来越高。液冷作为一种高性能、低能耗的散热方式，越来越多的得到关注和应用。液冷***利用封闭管路内的液体为介质进行服务器内部和外界热交换，调节换热量的方式有两种：调节液体流量和调节液体温度。我们知道，一般服务器只有一个CDU（Cooling DistributionUnit，液冷分配装置），数据中心甚至是多个服务器共用一个CDU，只能统一调节服务器入口液体流量和温度，无法针对服务器内部每个处理器单元实现独立调节。然而，大多数情况下各处理器的工作载荷是不同的，发热量也不同，统一调节必然导致局部制冷量不足而局部制冷量溢出。
专利US20180275730A1发明了一种内置泵的冷却器，每个处理器上安装一个该冷却器，内置的泵体可以独立调节该路的冷却液流量。该装置缺点在于，微型泵成本较高、体积较大。
专利CN112650373A发明了一种带半导体除湿装置的异构液冷服务器，该半导体装置位于服务器冷却液总入口，是一种用于集中冷却并除湿的装置，无法实现分布式热管理。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于热电制冷器的分布式热管理装置和控制方法，以解决上述的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于热电制冷器的分布式热管理装置和控制方法的具体技术方案如下：
一种基于热电制冷器的分布式热管理装置，包括底座、热电制冷器、第一冷板、第二冷板、总入口、总出口和管道；所述底座平放于监测目标上，所述热电制冷器和第一冷板并排平放于底座上，所述第二冷板叠放于热电制冷器上，所述热电制冷器的冷端朝向底座、热端朝向第二冷板，所述管道用于总入口、第一冷板、第二冷板和总出口之间的相互连接，冷却液从总入口进入装置、从总出口离开装置，所述管道上具有多个电动阀门用于控制冷却液的流向。
进一步的，所述第一冷板和第二冷板各带有一对冷却液出入口，分别为第一入口、第一出口和第二入口、第二出口；所述总入口和第一入口、第一出口和总出口、总入口和第二入口、第二出口和总出口、第一出口和第二入口皆通过管道连接；所述总入口和第二入口之间、第一出口和总出口之间、第一出口和第二入口之间各有一电动阀门，每个电动阀门通过电信号分别控制其开或关。
进一步的，冷却液通过第一入口流入、通过第一出口流出第一冷板；冷却液通过第二入口流入、通过第二出口流出第二冷板；所述总入口与第一入口、第二入口连通，所述总出口与第一出口、第二出口连通，所述第一出口与第二入口连通；第一电动阀门位于总入口与第二入口之间，第二电动阀门位于第一出口与总出口之间，第三电动阀门位于第一出口与第二入口之间。
进一步的，所述热电制冷器和第一冷板之间具有间隙。
进一步的，所述底座和监测目标接触面、热电制冷器和底座接触面、第一冷板和底座接触面、热电制冷器和第二冷板接触面填充导热界面材料。
进一步的，所述底座、第一冷板和第二冷板为导热性金属材料。
进一步的，所述底座的尺寸大于等于监测目标的尺寸，底座完全覆盖CPU表面。
进一步的，所述热电制冷器底面积小于底座表面积。
进一步的，所述装置安装于服务器内每个处理器上，根据每个处理器的使用率和温度变化，控制对应的热电制冷器和电动阀门开关，实现分布式热管理。
本发明还公开了一种基于热电制冷器的分布式热控制方法，包括如下步骤：
监测目标为“初始状态”或温度低于安全线时，热电制冷器保持断电，第一电动阀门和第二电动阀门关闭，第三电动阀门开启，冷却液依次流过第一冷板和第二冷板，监测目标产生的热量通过底座传导给第一冷板和第二冷板，再由流经冷板的冷却液带走；
当监测目标使用率上升、温度达到安全阈值时，热电制冷器通电，第一电动阀门和第二电动阀门开启，第三电动阀门关闭，冷却液分为两股分别流过第一冷板和第二冷板、最后再汇合流出，冷端通过底座吸收监测目标产生的热量，再由热端传递给第二冷板，由冷却液将热量带走。
本发明的一种基于热电制冷器的分布式热管理装置和控制方法具有以下优点：
（1）利用热电制冷器通电即制冷的特性，实现处理器精准、快速控温；
（2）针对性地开启部分过热处理器对应的热管理装置，提高能效，节省能耗输入；
（3）通过控制电动阀门实现两块冷板的串并联切换，避免热电制冷器工作时热端产生的热量反向传导给处理器，提高制冷效率。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置冷却液管道和阀门布置的示意图；
图3是本发明热电制冷器断电时冷却液流动的示意图；
图4是本发明热电制冷器断电时冷却液流动的示意框图；
图5是本发明热电制冷器通电时冷却液流动的示意图；
图6是本发明热电制冷器通电时冷却液流动的示意框图；
图中标记说明：1、底座；2、热电制冷器；3、第一冷板；4、第二冷板；5、总入口；6、总出口；7、第一电动阀门；8、第二电动阀门；9、第三电动阀门；10、管道；31、第一入口；32、第一出口；41、第二入口；42、第二出口。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于热电制冷器的分布式热管理装置和控制方法做进一步详细的描述。
本发明采用体积小、成本低的热电制冷器，与传统冷板组合成液冷装置，可独立控制各CPU/GPU的温度，实现服务器和数据中心的分布式热管理。
如图1所示，本发明的一种基于热电制冷器的分布式热管理装置，包括底座1、热电制冷器2、第一冷板3、第二冷板4、总入口5、总出口6、第一电动阀门7、第二电动阀门8、第三电动阀门9和管道10。底座1平放于监测目标（CPU/GPU）上，热电制冷器2和第一冷板3并排平放于底座1上，第二冷板4叠放于热电制冷器2上。其中，热电制冷器2的冷端朝向底座1、热端朝向第二冷板4。所述管道10用于总入口5、第一冷板3、第二冷板4和总出口6之间的相互连接，冷却液从总入口5进入装置、从总出口6离开装置。第一冷板3和第二冷板4各带有一对冷却液出入口，分别为第一入口31、第一出口32和第二入口41、第二出口42。总入口5和第一入口31、第一出口32和总出口6、总入口5和第二入口41、第二出口42和总出口6、第一出口32和第二入口41皆通过管道10连接。总入口5和第二入口41之间、第一出口32和总出口6之间、第一出口32和第二入口41之间各有一电动阀门，每个电动阀门通过电信号分别控制其开或关。
热电制冷器2和第一冷板3之间具有间隙，防止热传递。
每个需导热的接触面，如底座1和CPU接触面、热电制冷器2和底座1接触面、第一冷板3和底座1接触面、热电制冷器2和第二冷板4接触面等，填充导热界面材料，如导热硅脂、导热凝胶等。
底座1、第一冷板3和第二冷板4为导热性能良好的金属材料，如铝或铜。
底座1的尺寸大于等于监测目标的尺寸，底座1完全覆盖CPU表面。
热电制冷器2底面积小于底座1表面积，优选地，热电制冷器2底面积占底座1表面积的一半。
在本实施例中，结合图2，所述第一冷板3和第二冷板4通过管道10连通，冷却液在管道10内流动。冷却液通过总入口5流入装置、通过总出口6流出装置。冷却液通过第一入口31流入、通过第一出口32流出第一冷板3。冷却液通过第二入口41流入、通过第二出口42流出第二冷板4。总入口5与第一入口31、第二入口41连通，总出口6与第一出口32、第二出口42连通，第一出口32与第二入口41连通。第一电动阀门7位于总入口5与第二入口41之间，第二电动阀门8位于第一出口32与总出口6之间，第三电动阀门9位于第一出口32与第二入口41之间。
电动阀门可以是任何可利用电信号控制开关的阀门，此处不限定阀门种类。
本实施例通过以下方式实现监测目标的温度控制：
假定监测目标（CPU/GPU）低使用率状态为“初始状态”或温度低于安全线时，，热电制冷器2保持断电，第一电动阀门7和第二电动阀门8关闭，第三电动阀门9开启，此时冷却液流动路线如图3所示，冷却液依次流过第一冷板3和第二冷板4。为使行文简便，该流动方式在后文称为“串联”。如图4所示，监测目标产生的热量通过底座1传导给第一冷板3和第二冷板4，再由流经冷板的冷却液带走。当监测目标（CPU/GPU）使用率上升、温度达到安全阈值时，热电制冷器2通电，第一电动阀门7和第二电动阀门8开启，第三电动阀门9关闭，此时冷却液流动路线如图5所示，冷却液分为两股分别流过第一冷板3和第二冷板4、最后再汇合流出，如图6所示，该流动方式在后文称为“并联”。业内人士应知，热电制冷器通电时，会在一端吸热另一端放热，从而形成冷端和热端。在本实施例中，冷端通过底座1吸收监测目标产生的热量，再由热端传递给第二冷板4，由冷却液将热量带走。在本实施例中，通过PWM（Pulse width modulation，脉冲宽度调制）控制热电制冷器的功率，使其吸热量与监测目标使用率上升带来的发热增加量保持平衡，使监测目标温度控制在安全阈值内。
在本实施例中，下面论述控制冷却液“串联”和“并联”带来的有益效果：
热电制冷器断电状态下热阻较大，热量从监测目标经过热电制冷器传导到第二冷板存在较大损耗，而直接传导到第一冷板的损耗较小，因此第一冷板换热效率高、第二冷板换热效率低。因此采用“串联”形式，冷却液先流经第一冷板完成充分换热、再流入第二冷板辅助换热。若采用“并联”， 一半的冷却液进入第一冷板，另一半进入第二冷板，换热不充分，冷却效率低。热电制冷器通电状态下，热量从冷端吸收、从热端释放，热端释放的热量为冷端吸收的热量与输入的电能之和，即热端释放的热量大于CPU释放的热量。因此，若采用“串联”方式，热电制冷器热端产生的热量会通过冷却液反向传回给监测目标，降低冷却效率；采用“并联”方式，使两个冷板之间的传热互不影响。
本发明装置安装于服务器内每个CPU/GPU上，根据每个CPU/GPU的使用率和温度变化，控制对应的热电制冷器和电动阀门开关，实现分布式热管理。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，包括底座（1）、热电制冷器（2）、第一冷板（3）、第二冷板（4）、总入口（5）、总出口（6）和管道（10）；所述底座（1）平放于监测目标上，所述热电制冷器（2）和第一冷板（3）并排平放于底座（1）上，所述第二冷板（4）叠放于热电制冷器（2）上，所述热电制冷器（2）的冷端朝向底座（1）、热端朝向第二冷板（4），所述管道（10）用于总入口（5）、第一冷板（3）、第二冷板（4）和总出口（6）之间的相互连接，冷却液从总入口（5）进入装置、从总出口（6）离开装置，所述管道（10）上具有多个电动阀门用于控制冷却液的流向。
2.根据权利要求1所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，所述第一冷板（3）和第二冷板（4）各带有一对冷却液出入口，分别为第一入口（31）、第一出口（32）和第二入口（41）、第二出口（42）；所述总入口（5）和第一入口（31）、第一出口（32）和总出口（6）、总入口（5）和第二入口（41）、第二出口（42）和总出口（6）、第一出口（32）和第二入口（41）皆通过管道（10）连接；所述总入口（5）和第二入口（41）之间、第一出口（32）和总出口（6）之间、第一出口（32）和第二入口（41）之间各有一电动阀门，每个电动阀门通过电信号分别控制其开或关。
3.根据权利要求2所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，冷却液通过第一入口（31）流入、通过第一出口（32）流出第一冷板（3）；冷却液通过第二入口（41）流入、通过第二出口（42）流出第二冷板（4）；所述总入口（5）与第一入口（31）、第二入口（41）连通，所述总出口（6）与第一出口（32）、第二出口（42）连通，所述第一出口（32）与第二入口（41）连通；第一电动阀门（7）位于总入口（5）与第二入口（41）之间，第二电动阀门（8）位于第一出口（32）与总出口（6）之间，第三电动阀门（9）位于第一出口（32）与第二入口（41）之间。
4.根据权利要求1所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，所述热电制冷器（2）和第一冷板（3）之间具有间隙。
5.根据权利要求1所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，所述底座（1）和监测目标接触面、热电制冷器（2）和底座（1）接触面、第一冷板（3）和底座（1）接触面、热电制冷器（2）和第二冷板（4）接触面填充导热界面材料。
6.根据权利要求1所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，所述底座（1）、第一冷板（3）和第二冷板（4）为导热性金属材料。
7.根据权利要求1所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，所述底座（1）的尺寸大于等于监测目标的尺寸，底座（1）完全覆盖CPU表面。
8.根据权利要求1所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，所述热电制冷器（2）底面积小于底座（1）表面积。
9.根据权利要求1所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置，其特征在于，所述装置安装于服务器内每个处理器上，根据每个处理器的使用率和温度变化，控制对应的热电制冷器和电动阀门开关，实现分布式热管理。
10.一种利用如权利要求1-9任一项所述的基于热电制冷器的分布式热管理装置进行热电制冷器的分布式控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
监测目标为“初始状态”或温度低于安全线时，热电制冷器（2）保持断电，第一电动阀门（7）和第二电动阀门（8）关闭，第三电动阀门（9）开启，冷却液依次流过第一冷板（3）和第二冷板（4），监测目标产生的热量通过底座（1）传导给第一冷板（3）和第二冷板（4），再由流经冷板的冷却液带走；
当监测目标使用率上升、温度达到安全阈值时，热电制冷器（2）通电，第一电动阀门（7）和第二电动阀门（8）开启，第三电动阀门（9）关闭，冷却液分为两股分别流过第一冷板（3）和第二冷板（4）、最后再汇合流出，冷端通过底座（1）吸收监测目标产生的热量，再由热端传递给第二冷板（4），由冷却液将热量带走。
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