利用热电元件增强电子冷却的方法和系统与流程

1.本公开的实施例总体上涉及使用热电冷却(tec)元件的冷却电子设备。


背景技术：

2.用于包括几个有源电子机架的数据中心的热管理对确保在机架中操作的服务器和其他信息技术(it)设备(例如，执行it数据处理服务)的适当性能至关重要。但是，如果没有适当的热管理，则机架内的热环境(例如温度)可能会超过热操作阈值，这可能会导致不利后果(例如服务器故障等)。管理热环境的一种方法是使用冷却空气冷却it设备。使用提取由冷却空气捕获的热量的冷却单元再循环冷却空气。一种常用的冷却单元是计算机房空调(crac)单元，crac单元是吸入热废气并将冷却空气供应到数据中心以维持数据中心的热环境的设备。crac是广泛用于现有空气冷却数据中心的空气冷却单元，并且还有许多其他类型的用于空气冷却数据中心的解决方案。另外，大多数现有数据中心是空气冷却的。
3.最近，数据中心已经在部署更多的高功率密度电子机架，其中更多的高密度芯片被更紧密地封装在一起以提供更多的处理能力。尤其是由于人工智能(ai)和基于云的服务的发展的情况，需要高性能和高功率密度的处理器，诸如控制处理单元(cpu)和图形处理单元(gpu)。通过维持适当的热环境冷却这些高密度机架可能是现有冷却系统(诸如crac单元)的问题。例如，尽管crac单元可以维持具有更常规的机架(或较低密度的机架)的热环境，但是它可能无法有效地冷却高功率密度的机架，因为高功率密度的机架可能由于较高密度的电子器件在较高速率下会产生热负荷。在一些情况下，液体冷却在高功率密度或高热通量的情形中成为一种更有效、更可行的冷却解决方案。
4.另一方面，浸入式冷却(其涉及将电子器件至少部分地浸没在介电溶液中)对于高密度电子器件是可行的解决方案。但是实施浸入式冷却具有挑战。例如，由于工作介质不再是空气，因此需要定制散热器结构用于获得良好的热性能。另外，不像空气冷却，浸入式冷却取决于几个因素，诸如特定介电流体的材料特性和进行浸入式冷却的高度。改变位置(例如高度)或使用不同流体可能会导致在浸入式冷却时的明显性能下降。


技术实现要素：

5.本技术的第一方面提供了一种浸入式冷却系统。系统包括冷却剂箱。冷却剂箱具有液体冷却剂并且包含至少部分浸没在液体冷却剂中的1)耦接到安装在信息技术it设备上的it组件的热电冷却tec元件，以及2)耦接到tec元件的散热器。tec元件被配置为将由it组件产生的热量经由散热器传递到液体冷却剂中。
6.本技术的第二方面提供了一种用于对信息技术it组件进行浸入式冷却的方法。方法包括，确定安装在it设备上的有源it组件的功率输入，有源it组件包含在具有液态冷却剂的冷却剂箱内，其中安装在it组件上的是堆叠的热电冷却tec元件和散热器，其中tec元件被设置在it组件和散热器之间，其中堆叠至少部分浸没在液体冷却剂内。方法还包括确定tec元件将根据第一操作模式还是第二操作模式进行操作。方法还包括响应于确定tec元
件将根据第一操作模式进行操作，计算tec元件的临界温度差；基于功率输入确定tec元件的温度差和电压，确定温度差是否大于临界温度差，以及响应于确定温度差大于临界温度差，跨tec元件施加电压。
7.本技术的第三方面提供了一种具有存储在其中的指令的非暂时性机器可读介质。指令在由处理器执行时使处理器执行根据本技术的第一方面所述的方法。
8.本技术的第四方面提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序。计算机程序在被处理器执行时实现根据本技术的第一方面所述的方法。
9.本技术的浸入式冷却系统可以基于不断变化的冷却要求调整冷却系统的热性能，更有效、更可行地冷却高功率密度的机架。
附图说明
10.在附图的图中以示例而非限制的方式示出各方面，其中相似的附图标记指示相似的元件。应当注意，对本公开的“一”或“一个”方面的引用不一定是相同的方面，并且它们意味着至少一个。另外，为了简洁和减少附图的总数量，可以使用给定的附图说明一个以上方面的特征，并且对于给定的方面，并非图中的所有元件都是必需的。
11.图1是示出根据一个实施例的热电冷却(tec)元件的示例的框图。
12.图2是示出根据一个实施例的包括tec元件的浸入式冷却系统的示例的框图。
13.图3是示出根据一个实施例的包括冷却分配单元(cdu)的浸入式冷却系统的框图。
14.图4是根据一个实施例的由浸入式冷却系统执行以以效率模式操作的过程的流程图。
15.图5示出根据一个实施例的示出tec元件的最大性能系数(cop)的效率模式图的示例。
16.图6是根据一个实施例的由浸入式冷却系统执行以以性能模式操作的过程的流程图。
17.图7示出根据一个实施例的性能模式图的示例。
18.图8是根据一个实施例的由浸入式冷却系统执行的过程的流程图。
具体实施方式
19.现在参考附图解释本公开的几个方面。每当未明确限定给定方面中描述的部件的形状、相对位置和其他方面时，本公开的范围在此不仅限于所示出的部件，其仅意在说明目的。另外，尽管阐述了许多细节，但是应当理解，可以在没有这些细节的情况下实践一些方面。在其他实例中，未详细示出公知的电路、结构和技术，以免混淆对本说明书的理解。此外，除非含义明显相反，否则此处阐述的所有范围均视为包含每个范围的端点。
20.在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全都指同一实施例。
21.本公开通过提供一种浸入式冷却系统解决了本文描述的问题，浸入式冷却系统部署一个或多个热电冷却(tec)元件(或热电元件)，tec元件可以被配置为以一个或多个操作模式操作。浸入式冷却系统包括包含安装到电子器件上的tec元件的冷却剂箱，特别是安装
在it设备(例如，印刷电路板(pcb))上的信息技术(it)组件(例如，处理器或芯片)，所有这些至少部分浸没在液体冷却剂中。在操作期间，tec元件配置为将it组件产生的热量(例如，经由安装在tec元件上的散热器)传递到液体冷却剂中。为了控制tec元件，冷却系统还可以包括tec控制器，tec控制器被配置为从电源(例如，从pcb或外部电源)汲取功率，并通过跨tec元件两端施加输入电压来控制热传递。另外，tec控制器可以被配置为以各种操作模式操作，以便适应it组件不断变化的冷却要求。例如，it组件使用的处理能力越强，可能产生的热量就越多，并因此it组件可能需要更多的冷却。tec控制器可以以第一操作模式操作(例如，效率模式)，在第一操作模式中，以最小的功率开销驱动tec元件，而所有(或大部分)产生的热量从it组件传递出去，并且组件的温度(例如维持)在最大允许温度阈值以下。作为另一示例，tec控制器可以以第二操作模式操作(例如，性能模式)，在第二操作模式中，驱动tec元件使得it组件的温度是最低可用温度。特别地，当tec元件由tec控制器驱动时，此模式提供it组件可达到的最低温度。因此，tec控制器能够基于it组件不断变化的冷却要求，调整冷却系统的热性能。
22.根据一个实施例，浸入式冷却系统包括冷却剂箱，冷却剂箱具有液体冷却剂并且包含至少部分地浸没在液体冷却剂内的1)热电冷却(tec)元件，tec元件耦接到安装在it设备上的信息技术(it)组件、和2)耦接到tec元件的散热器，其中tec元件被配置为将it组件产生的热量经由散热器传递到液体冷却剂中。
23.在一个实施例中，浸没冷却系统还包括tec控制器，tec控制器安装在it设备上并且电耦接到tec元件，其中tec控制器被配置为从it设备汲取功率并且被配置为通过跨tec元件施加输入电压来控制tec元件的热传递。在一些实施例中，tec控制器被配置为感测it组件的功率输入，并且被配置为基于it组件的功率输入是否超过功率阈值而以多个操作模式中的一个操作。在一个实施例中，响应于功率输入小于功率阈值，tec控制器被配置为以几个操作模式中的第一操作模式操作，其中输入电压是最小电压，最小电压在跨tec元件被施加时使tec元件将it组件产生的所有热量传递到散热器中，同时it组件的温度保持在最大温度阈值以下，以及响应于功率输入大于功率阈值，tec控制器被配置为以多个操作模式中的第二操作模式操作，其中所施加的输入电压使tec元件将it组件产生的所有热量传递到散热器中，同时it组件的温度为最低可用温度。
24.在一个实施例中，tec元件和散热器是一个集成单元。在一些实施例中，热界面材料(tim)被设置在以下中的至少一个之间：1)it组件和tec元件，以及2)tec元件和散热器。
25.根据另一实施例，一种用于对信息技术(it)组件进行浸入式冷却的方法包括，确定安装在it设备上的有源it组件的功率输入，有源it组件包含在具有液态冷却剂的冷却剂箱内，其中安装在it组件上的是堆叠的热电冷却(tec)元件和散热器，其中tec元件被设置在it组件和散热器之间，其中堆叠至少部分浸没在液体冷却剂内；确定tec元件将根据第一操作模式还是第二操作模式进行操作；以及响应于确定tec元件将根据第一操作模式进行操作，计算tec元件的临界温度差，基于功率输入确定tec元件的温度差和电压，确定温度差是否大于临界温度差，以及响应于确定温度差大于临界温度差，跨tec元件施加电压。
26.在一个实施例中，确定温度差和电压包括使用功率输入识别与温度差和电压相关联的tec元件的最大性能系数(cop)。在一些实施例中，电压是第一电压，方法还包括，响应于确定温度差小于临界温度差，基于临界温度差确定第二电压；以及跨tec元件施加第二电
压。
27.在一个实施例中，电压是第一电压，方法还包括，响应于确定tec元件将根据第二操作模式进行操作，基于功率输入，确定与it组件的最低可用温度相关联的用于tec元件的工作电流；确定最低可用温度是否小于it组件的最高温度；以及响应于确定最低可用温度小于it组件的最高温度，跨tec元件施加与工作电流相关联的第二电压。在一些实施例中，方法还包括，响应于确定最低可用温度大于it组件的最高温度，停用有源it组件。
28.在一个实施例中，确定tec元件将根据第一操作模式还是第二操作模式进行操作包括，当有源it组件的功率输入小于功率阈值时，选择第一操作模式；以及当有源it组件的功率输入大于功率阈值时，选择第二操作模式。在一些实施例中，确定tec元件将根据第一操作模式还是第二操作模式进行操作包括响应于用户输入选择第一操作模式和第二操作模式中的一个。
29.根据另一实施例，一种具有存储在其中的指令的非暂时性机器可读介质，指令在由处理器执行时使处理器执行与本文描述方法中执行的操作相似的操作。
30.在一个实施例中，如本文所使用的，“耦接”一个组件(或元件)到另一组件可以指的是“流体地”耦接两个组件，以便允许诸如冷却液或液态冷却剂的流体在两个组件之间流动。例如，将第一管耦接到第二管可以将两个管耦接在一起并且还允许流体从第一管流入第二管。
31.图1是示出根据一个实施例的tec元件(或tec设备)的示例的框图。该图示示出tec元件1，tec元件1具有(至少)具有不同电子密度(例如，n型＞p型)的两个半导体4(p型半导体和n型半导体)。这些半导体可以被布置为以彼此热并联地并且通过连接到热导体2的电导体3电串联的方式放置的柱。半导体的不连接到电导体3的每个端连接到单独的导体。具体地，p型半导体连接到电导体5，而n型半导体连接到与电导体5分离的另一电导体9。电导体5和9均连接导另一端子导体6。另外，电导体5电耦接到电压源7的负极端子以及电导体9电耦接到电压源的正极端子(例如，经由一根或多根导线8)。在一个实施例中，电压源可以是外部电压源(例如，与tec元件1分离)。在另一实施例中，电压源和tec元件可以彼此耦接。例如，两个元件可以是电子组件的一部分(例如，两者均安装在pcb板上)。在一些实施例中，电压源可以是一个或多个控制器的一部分，诸如图2所示的tec控制器12。
32.在一个实施例中，tec元件的组件中的任一个可以由任何(已知)材料组成。例如，热导体2和6可以由陶瓷材料制成，陶瓷材料可以导热但不导电。作为另一示例，电导体3、5和/或9可以由任何导体材料(例如，铜等)组成。
33.tec元件被布置为以附加外部电力为代价将热量从一个表面移动到另一表面。特别地，当电压源7跨两个电导体5和9施加电压(例如10伏)时，电流i(例如10安培)流过半导体，从而使tec元件从“冷侧”传递热量q0到“热侧”。因此，当电流流过时，由半导体4产生温度差，如t
0-t1所示。最终从热侧排出的热量是q1，q1可能大于q0因为q1可能包括q0和当tec激活时由tec元件产生的任何热量q’。换句话说，q1＝q0 q’。因此，在如本文描述的作为冷却系统的一部分的操作期间，热导体2可以耦接到(例如，安装在)it组件上，使得tec元件从该组件汲取出由it组件产生的q0并进入热导体6。因此，在it组件激活以及tec元件是操作的时从it组件汲取出热量对it组件进行冷却。
34.图2是示出根据一个实施例的包括tec元件的浸入式冷却系统的示例的框图。特别
地，该图示出浸入式冷却系统10(其在后文中可以称为冷却系统)，浸入式冷却系统10被配置为对耦接到一个或多个it设备11(或安装在一个或多个it设备11上)的一个或多个it组件进行浸入式冷却。如所示，系统包括it设备11、tec控制器12、it组件13、tec元件1、散热器15、冷却剂箱18和冷却剂19。在一个实施例中，系统可以包括更多或更少的元件(或组件)。例如，系统可以包括一个或多个it设备，每个it设备包括一个或多个安装的元件，如此处所示。作为另一示例，系统可以不包括冷却剂箱或冷却剂。在那种情况下，冷却系统可以是空气冷却的。本文描述更多关于可替代的空气冷却系统的内容。
35.在一个实施例中，it设备11可以是被布置为容纳一个或多个it组件和/或任何类型的电子组件(诸如，tec控制器12)的任何元件(诸如本文描述的pcb)。在一些实施例中，it设备可以是其被布置为(至少部分)浸没液体冷却剂中和/或被布置为安装在电子服务器机架中的刀片服务器。
36.it设备11可以包括一个或多个it组件13(例如，中央处理单元或cpu、图形处理单元(gpu)、存储器和/或存储设备)。it组件可以执行数据处理任务，其中it组件可以包括安装在存储设备中、加载到存储器中并且由一个或多个处理器执行用以执行数据处理任务的软件。在一个实施例中，it设备可以包括耦接到一个或多个计算服务器(也称为计算节点，诸如cpu服务器和gpu服务器)的主机服务器(称为主机节点)。(具有一个或多个cpu的)主机服务器通常通过网络(例如因特网)与客户端连接以接收用于具体服务(诸如存储服务)(例如基于云的存储服务(诸如备份和/或还原))的请求，从而执行应用程序以执行某些操作(例如，作为软件即服务或saas平台的一部分的图像处理、深度数据学习算法或建模等)。响应于该请求，主机服务器将任务分配给主机服务器管理的一个或多个性能计算节点或计算服务器(具有一个或多个gpu)。性能计算服务器(例如，it组件14)执行实际任务，这可能在操作期间产生热量。如本文描述，该热量需要从组件传递出去，以便确保其不会过热，否则可能导致故障。
37.tec元件1被布置为耦接到it组件13。本文描述的该图示出tec元件被安装在it组件上。耦接到tec元件的是散热器15，散热器15包括基底16和一个或多个散热片17。具体地，基底被布置为耦接到tec元件(例如，安装在tec元件上)。因此，it组件、tec元件和散热器被堆叠布置。在该示例中，元件中的每个可以是分离的元件，其可以可移除地耦接在堆叠内。例如，可以从it组件的顶部移除tec元件，并且可以将散热器与tec元件分离。结果，可以根据需要(例如，在元件故障的情况下)添加元件到堆叠/从堆叠中移除元件。在另一实施例中，元件中的至少一些可以被封装在一起作为一个集成单元。例如，散热器(例如，散热器的基底)和tec元件可以是一个集成单元。
38.tec元件1被配置为将由(例如，有源的)it组件产生的热量(例如，热量的至少一部分)(例如，q0)传递到散热器15的一个或多个散热片17中。例如，在该图中，tec元件的冷侧(例如，图1所示的热导体2)可以耦接到it组件13，以及tec元件的热侧(例如，图1所示的热导体6)可以耦接到散热器15，以便将热量从it组件传递出去，从而降低其温度。如本文描述，传递到散热片的热量然后可以被排放(或传递)到围绕散热片和/或在散热片之间流动的冷却剂19中。本文描述更多关于操作tec元件的内容。
39.在一个实施例中，被设置在元件(这些元件中的至少一些)之间的是热界面材料(tim)14，其可以是导热垫、导热胶带和/或导热膏。特别地，tim被设置在1)it组件13和tec
元件1之间，以及2)tec元件与散热器15(散热器的基底16)之间。在一个实施例中，tim 14可能不设置在元件中的至少一些之间。例如，tec元件和散热器可以直接彼此耦接。作为另一示例，如本文描述，tim可以不设置在形成一个集成单元的两个元件之间，就像当tec元件和散热器是一个集成单元时的情况一样。
40.tec控制器12可以是专用处理器，诸如专用集成电路(asic)、通用微处理器、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号控制器或硬件逻辑结构集合(例如，过滤器、算术逻辑单元和专用状态机)。在一个实施例中，tec控制器可以是具有模拟元件(例如，电阻器、电容器、电感器等)和/或数字元件(例如，基于逻辑的元件，诸如晶体管等)的组合的电路。tec控制器还可以包括存储器。如图所示，tec控制器和it组件13是耦接到it设备11(例如，安装在it设备11上)的单独的元件。在一个实施例中，tec控制器12可以是tec元件1的一部分(例如，在一个容器内)。在另一个实施例中，tec控制器可以是it组件13的一部分(或集成在其内)。在另一实施例中，tec控制器可以是另一it设备(例如，其包含在冷却剂箱18内或在另一位置，诸如安装在电子机架中)中的一个(或一部分)。
41.冷却剂箱18是被设计为容纳(或包含)冷却剂和一个或多个it设备的容器。在一个实施例中，箱可以由一种或多种材料形成，诸如塑料、金属等。在一个实施例中，箱可以具有一个或多个开口(例如，在箱的顶部)，以允许技术人员添加或移除it设备和/或补充箱内的冷却剂。如图所示，箱包含冷却剂19和本文描述的其余元件(例如，tec元件、it组件、it设备、tec控制器和散热器)，其余元件至少部分浸没在冷却剂内。在一个实施例中，(液体)冷却剂19可以是任何类型的热导介电液体。在另一实施例中，冷却剂可以是无毒的流体。在一些实施例中，冷却剂可以被设计和操作为具有高沸点(例如，高于it设备的主要组件中的至少一些的阈值操作温度(例如，最大温度阈值))。
42.如图所示，tec控制器12经由一根或多根导线8(例如，电耦接)到tec元件1。tec控制器被配置为激活(或操作)tec元件，使得tec元件可以如本文描述的，(例如，开始)将由it组件产生的热量(的至少一部分)传递到散热器15(的散热片17中的一个或多个)中，并最终排放到冷却剂19中。在一个实施例中，tec控制器可以包括电源或者可以电耦接到电源，电源可以是it设备11的一部分或者可以是外部电源。tec控制器可以被配置为从电源(例如，从it设备)汲取功率，并且可以被配置为向tec元件提供输入电流，以便激活该元件。特别地，tec控制器可以被配置为通过跨tec元件施加输入电压控制tec元件的热传递。因此，一旦激活，it组件产生的热量就会被tec元件吸收并传递到散热器中。然后，热量被传递到散热器的散热片中，然后被排放到冷却剂19中。
43.在一个实施例中，tec控制器被配置为以几个操作模式中的一个进行操作。具体地，如本文描述，tec控制器可以以效率模式操作或性能模式。在这些模式下，tec控制器可以调节跨tec元件施加的输入电压，从而控制热传递，以适应it组件不断变化的冷却要求。冷却要求可能会基于it组件正在执行的处理功率(或功率输入)的量而变化，以便执行一项或多项计算操作。作为一个示例，tec控制器可以以效率模式操作，而it组件的功率输入在功率阈值以下。在这种模式下，it组件由tec元件冷却，同时tec控制器驱动tec元件所需的功率开销量被最小化。另一方面，当功率超过功率阈值时，tec控制器可以切换到性能模式，这确保it组件保持尽可能低的温度。本文描述更多关于这些模式中的两个模式以及确定tec控制器将操作的模式的内容。
44.图3是示出根据一个实施例的包括冷却分配单元(cdu)的浸入式冷却系统的框图。特别地，该图示出冷却剂箱18耦接到cdu 25，从而创建热交换回路(例如，次级热交换回路)，如本文描述。包含在冷却剂箱内的是包括四个tec元件1a-1d的it设备11，每个tec元件安装在至少一个it组件(未示出)上，it组件安装在it设备上。另外，尽管未示出，但是tec元件中的每个可以包括安装在其上的一个或多个散热器。在一个实施例中，it设备可以包括更多或更少的tec元件(例如，基于具有四个以上的it组件)。例如，当it设备具有八个it组件时，冷却系统20可以包括八个tec元件，一个tec元件用于it组件中的每个。还示出，tec元件中的每个经由一根或多根导线8耦接到tec控制器12。在一个实施例中，tec控制器可以被配置为彼此独立地控制tec元件中的每个。
45.另外，it设备包括与tec控制器通信耦接的基板管理控制器(bmc)31。bmc被配置为与安装在it设备11上的一个或多个it组件进行通信。例如，bmc可以与it组件中的每个中的一个或多个传感器通信耦接，诸如温度传感器。bmc可以被配置为从温度传感器接收温度读数(例如，作为信号)，并且可以被配置为将(例如，与it组件中的每个相关联的一个或多个)温度读数传输到tec控制器12。作为另一示例，bmc可以从冷却剂箱18内的一个或多个温度传感器和/或从cdu感测冷却剂19的温度。在另一实施例中，bmc被配置为(例如，通过测量it组件的输入电压和/或输入电流)检测(感测)it组件中的每个的功率输入。bmc被配置为将it设备的it组件中的至少一个的该数据(例如，温度读数、功率读数等)传送给tec控制器12。在另一实施例中，tec控制器可以直接与it组件中的一个或多个和/或一个或多个传感器通信，如本文描述。
46.如图所示，冷却剂箱18包括供应端口21、返回端口22和多孔架30。供应端口21是被布置为经由供应线23耦接到cdu 25的入口。端口22是被布置为经由返回线24耦接到cdu的出口。在一个实施例中，端口可以被配置为可移除地耦接到它们各自的线。例如，端口可以是连接器，诸如无滴盲孔配合快速断开器。在这种情况下，端口中的每个可以是插座型无滴连接器，而它们各自的线包括被布置为连接到端口连接器的插头型端部。
47.cdu 25包括热交换器27、液体泵28和cdu控制器26(例如，泵)。在一个实施例中，cdu可以包括其他元件，诸如储液器、电源、监控传感器。注意，cdu可以是任何种类的市售或定制的cdu。
48.热交换器27可以是液-液热交换器。在一个实施例中，热交换器可以包括一个或多个热交换回路(或作为热交换回路的一部分)。例如，热交换器27包括具有冷却源29的热交换回路(例如，主热交换回路)，在冷却源29中(例如，经由供应线)从源接收冷却液体，并且(例如，经由返回线)将变暖的液体返回到源。在一个实施例中，冷却源可以是it液体冷却水系统或任何类型的冷却液体源。
49.在一个实施例中，由于来自次级热交换回路内的热传递，在主热交换回路内循环的冷却液变暖。次级热交换回路的工作原理如下。冷却剂19由cdu(例如，cdu的泵28)(经由供应线23)通过供应端口21供应到冷却剂箱中。冷却剂19流动通过多孔架30(其可以被设计为增加箱内的流体流速)。当冷却剂向上移动通过箱时，it组件产生的热量通过各自的tec元件1c和1d(经由散热器)传递到流动的冷却剂中。热传递使冷却剂变暖，然后冷却剂继续向上行进，以冷却安装tec元件1a和1b的it组件。在一个实施例中，安装在tec控制器12下方的it组件可能比安装在控制器上方的it组件具有较低的温度要求。变暖的冷却剂行进通过
返回端口22，并经由返回线24到达热交换器27。热交换器通过将其中包含的热量传递到流动通过主热交换回路(来自冷却源29)的冷却液体中来冷却变暖的冷却剂。热交换器将变冷的冷却剂提供给泵28，然后泵28使变冷的冷却剂通过次级回路进行再循环。
50.图4、图6和图8是包括由冷却系统执行以操作于几个操作模式中的一个的过程的流程图。特别地，过程中的至少一个可以由本文中图示和描述的(浸入式)冷却系统中的任一个的tec控制器12(和/或bmc 31)执行(例如，由在其上执行的一种或多种算法执行)。
51.图4是根据一个实施例的由浸入式冷却系统执行以以效率模式操作的过程的流程图。特别地，该图示出过程40，其中tec控制器12可以以效率(例如，第一操作)操作，其中跨tec元件1施加最小电压(例如，输入电压)，这导致tec元件将it组件13产生的所有热量传递到散热器15中(最终排放到冷却剂19中)，同时it组件温度保持在最大阈值温度以下。
52.过程40开始于确定有源it组件的功率输入，在有源it组件上安装tec元件和散热器(在框41处)。例如，当it组件执行一个或多个计算操作时，bmc 31可以感测it组件汲取的功率。bmc可以将功率数据传输到tec控制器12。过程40计算tec元件1的临界温度差δtc(在框42处)。在图2中，热传递力学可以表示为
53.t
hs,base-t
liquid,in
＝(q0 q’)*r
hs
ꢀꢀꢀ
(1)
54.其中，t
hs,base
是散热器15的基底16上的温度，t
liquid,in
是散热器(例如，散热器的入口)处冷却剂19的温度以及r
hs
是散热器的热阻。如本文描述，q0是由it组件13产生的热量，并且q’是由tec元件产生的热量，其中热量将被移除(例如，通过散热器排放到冷却剂中)。两个热量值可以从两个设备的功率输入产生。例如，
55.q＝r*i2ꢀꢀꢀ
(2)
56.其中，r是电阻以及i是功率输入的电流。因此，q0是基于it组件的功率输入产生的热量，以及q’是基于tec控制器12用于驱动tec元件的功率输入的热量。通过将温度差定义为
57.δt＝t
component
–
t
hs,base
ꢀꢀꢀ
(3)
58.其中t
component
是it组件13的温度以及t
hs,base
是散热器的基座16的温度，并且在用δt代替t
hs,base
之后，得出it组件的温度为
59.t
component
＝(q0 q’)*r
hs
δt t
liquid,in
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
60.在一个实施例中，当tec元件1激活(例如，将热量从it组件传递出去)时，δt《0。
61.为了确定δtc，t
componnet
＝t
max
(即it组件(例如，在过热之前)的最高(允许)温度，可以(例如由it组件的制造商)预先定义)并且q’＝0，这意味着临界温度表示对浸入式冷却系统中tec元件热性能的最低要求。结果，得出两个公式。第一，如果t
max
《q0*r
hs
t
liquid,in
，则
62.δtc＝|t
max
–
q0*r
hs
–
t
liquid,in
|
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
63.因此，如果t
max
《q0*r
hs
t
liquid,in
，则在tec元件未激活的情况下，系统不能处理热负荷q0。但是如果t
max
≥q0*r
hs
t
liquid,in
，则
64.δtc＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
65.因此，tec控制器12可以基于本文提及的不等式(不等式中的任一个)，从以上等式(5)或等式(6)计算δtc。
66.过程40基于it组件的功率输入确定tec元件1的温度差δt*和tec元件的第一电压u*(在框43处)。在一个实施例中，δt*可以是图1所示的温度差t0–
t1，其为两个导电表面之间
的负温度值。接触it组件的冷侧具有低于与散热器接触的热侧的温度的温度。在一些实施例中，tec控制器可以通过确定最大性能系数(cop)最小化功率开销，其中cop等于从it组件移除的热负荷(例如，q0)除以tec元件的功率输入。因此，随着cop的增长，需要较少的功率输入驱动tec元件，以移除it组件产生的相同热量。在一个实施例中，为了确定对应于最大cop的δt*和u*，tec控制器可以确定效率模式图，如图5所示。
67.图5示出根据一个实施例的示出tec元件的最大性能系数(max cop)的效率模式图50的示例。特别地，曲线图50示出相对于温度差从it组件移除的热量(和/或在激活时由tec元件产生的热量)。另外，该图示出最大cop曲线，其中沿曲线的任何点表示基于移除的热量值提供特定温度差所需的最小功率开销。该图还示出电压线u*，其表示tec元件的(例如，恒定的)输入电压。沿电压线的点表示在it组件产生的热量(将由tec元件移除)(沿y轴)变化时，如何跨tec施加恒定电压，tec元件的温度差也(沿x轴)变化。如所示，随着热量的增加，相同电压下的温度差减小。在一个实施例中，图50是预先定义的图。在另一实施例中，该图基于组件(例如，it组件和tec元件)。因此，不同的组件可能具有不同的效率图。
68.为了确定δt*和u*，tec控制器确定最大cop曲线在什么点处相交q0(例如，从q0绘制水平线)。水平线与最大cop相交的点定义δt*和u*，其中电压是通过该点的预定义线。在一个实施例中，如果来自q0的水平线将与最大cop相交一次以上(例如两次)，则可以在具有最低温度差(绝对值)的交点处定义δt*和u*。
69.在另一实施例中，为了确定这些值，tec控制器12可以使用(例如，热量)确定的it组件的功率输入执行对数据结构的表格查找，数据结构关联移除的热量、温度差、最大cop以及输入电压。特别地，tec控制器可以使用q0作为输入执行表查找，作为回报得到表格输出与q0处的最大cop相关联的δt*和u*。
70.返回图4，过程40确定(确定的)温度差是否大于临界温度差(在决策框44处)。特别地，tec控制器12确定|δt*|的绝对值是否大于δtc。如果是这样，则过程40跨tec元件1施加第一电压(在框45处)。特别地，tec控制器跨tec元件施加u*。但是如果确定的温度差不大于临界温度差，则该过程基于临界温度差确定第二电压u*’(在框46处)。在一个实施例中，tec控制器可以基于效率模式图50(和/或数据结构)确定u*’，如本文描述。例如，为了确定u*’，tec控制器可以识别出沿从q0的水平线的与曲线图50中的(-δtc)温度差相交的点。一旦找到相交点，tec控制器就可以确定与该点相关联(例如，基于表格查找)的u*’。在另一实施例中，tec控制器可以使用临界温度差执行对将临界温度差与电压值相关联的数据结构的表格查找。一旦确定，则过程40跨tec元件施加第二电压(在框47处)。
71.图6是根据一个实施例的由浸入式冷却系统执行以以性能模式操作的过程的流程图。特别地，该图示出tec控制器12可以以性能模式操作(例如，第二操作)的过程60，在第二模式中，由有源it组件产生的所有热量由tec元件传递到散热器，同时it组件的温度是最低可用温度，即浸入式冷却系统(的tec元件)在tec元件操作时可以设置it组件的最低可用温度。
72.过程60开始于通过确定其上安装tec元件和散热器的有源it组件的功率输入(在框61处)。在一个实施例中，控制器可以执行与图4的框41中类似的操作，以确定有源it组件的功率输入。
73.过程60基于功率输入确定用于tec元件的与it组件的最低可用温度t
low
相关联的
工作电流i*(在框62处)。特别地，给定常数q0和t
liquid,in
，取等式(4)中tec电流的导数，得到
[0074][0075]
其中，i是tec元件的工作电流以及r
tec
是tec元件的电阻。在一个实施例中，对应于随着tec元件的工作电流增加而it组件温度降低。在另一实施例中，对应于随着tec元件的工作电流增加而it组件温度升高。令获得it组件的最低可用温度，并且可以求解i(其中i＝i*)，这表示性能模式。
[0076]
在一个实施例中，tec控制器12被配置为通过分析性能模式图确定t
low
和i*，其对应于it组件的最低可用温度，如图7所示。
[0077]
图7示出根据一个实施例的性能模式图70的示例。曲线图70示出相对于tec元件的电流的it组件13的温度。特别地，该图包括作为以上等式(7)的图形表示的性能曲线。在另一实施例中，性能图(或更特别地，性能曲线)可以是预先定义的图。在另一实施例中，该图可以基于确定的it组件的功率输入。例如，tec控制器可以(例如，从本地存储器)取回曲线图70，其中曲线图与确定的功率输入相关联。换句话说，tec控制器可以在本地存储器中存储几个图70，每个图与不同的功率输入相关联。一旦确定了性能曲线图70(并取回)，tec控制器确定性能曲线的最低点，该最低点表示t
low
和i*，如所示。
[0078]
在一些实施例中，可以基于对数据结构执行表格查找来确定t
low
和i*，数据结构关联it组件的最低可用温度与tec元件的输入电流。
[0079]
返回图6，过程60确定最低可用温度是否小于it组件的最高温度(在决策框63处)。特别地，tec控制器确定it组件的最大可用温度，其可以是(例如，由it组件的制造商确定的)预定温度，并将该值与最低可用温度进行比较。因此，tec控制器可以从(例如，本地)存储器中取回该值。如果是这样，则过程60施加电压，使得确定的工作电流i*被供应给tec元件1(在框64处)。但是如果最低可用温度大于it组件的最高温度，则过程60停用激活的it组件(在框65处)。在一个实施例中，tec控制器12停用it组件，因为如果最低可用温度大于最高温度，则tec控制器可能无法充分冷却it组件，这最终可能导致组件过热和故障。
[0080]
如本文描述，tec控制器可以几个操作模式中的一个操作。在一个实施例中，tec控制器12可以被配置为确定待操作哪种模式。特别地，tec控制器12可以被配置为根据tec控制器待操作的是第一操作模式还是第二操作模式，确定tec元件是否待操作(例如，将热量从对应的it组件传递出去)。例如，tec控制器可以被配置为基于it组件的功率输入是否超过功率阈值(例如，预先定义的阈值)而以操作模式中的一个操作。例如，tec控制器可以被配置为在有源it组件的功率输入小于功率阈值(可以是预先定义的阈值)时选择第一操作模式。相反，tec控制器可以配置为在有源it组件的功率输入大于功率阈值时选择第二操作模式。因此，tec控制器可以被配置为响应于功率输入中的变化而以任一模式操作。在一个实施例中，tec控制器可以基于it组件的实时功率读数改变(或适应)操作模式。在另一实施例中，tec控制器可以被配置为基于用户输入以操作模式中的一个操作。例如，tec控制器可以被配置为接收用户输入(例如，经由诸如tec控制器与之通信耦接的台式计算机的用户界面)，并且作为响应，基于用户输入选择操作模式中的一个。
[0081]
图8是根据一个实施例的由浸没冷却系统执行的过程的流程图。过程80开始于确
定安装在it设备上的有源it组件的功率输入，有源it组件包含在具有液态冷却剂的冷却剂箱内，其中安装在it组件上的是堆叠的热电冷却tec元件和散热器，其中tec元件被设置在it组件和散热器之间，其中堆叠至少部分浸没在液体冷却剂内(在框81处)。过程80确定tec元件将根据第一操作模式还是第二操作模式进行操作(在框82处)。响应于确定tec元件将根据第一操作模式进行操作，过程80计算tec元件的临界温度差，基于功率输入确定tec元件的温度差和电压，确定温度差是否大于临界温度差，以及响应于确定温度差大于临界温度差，跨tec元件施加电压(在框83处)。
[0082]
到目前为止描述的冷却系统是被布置为使用至少部分浸没在冷却剂中的tec元件冷却电子器件的浸入式冷却系统。在一个实施例中，本文描述的冷却系统中的任一个可以被部署为空气冷却的冷却系统。例如，图2所示的冷却系统10可以被空气冷却，使得通过tec元件1传递到散热器15的散热片17的热量被排放到散热片上和散热片周围流动的空气中。在另一实施例中，对于空气冷却的解决方案，到目前为止示出的等式中的任一个也可以被修改。例如，在等式(5)中，为了确定临界温度差，可以使用环境空气的温度t
air,in
(例如，容纳冷却系统的房间内的空气)，而不是使用冷却剂的温度t
liquid,in
。另外，图3所示的cdu 25的液体泵28可以是一个或多个风扇，风扇由cdu控制并且被配置为将环境空气推(或拉)到一个或多个散热片上。
[0083]
一些实施例可以对本文描述的过程进行变化。例如，过程中的至少一些的特定操作可能未按照所示和所述的确切顺序执行。特定操作可能不是以一个连续系列操作的方式执行，并且可以在不同的实施例中执行不同的特定操作。在另一实施例中，一些操作可以是可选的，并因此可以不执行。例如，在框61中执行的操作可以是可选的，因为等式(7)将it组件的热量q0定义为由导数舍弃的常数。
[0084]
如先前所解释的，本公开的实施例可以是(或包括)其上存储有指令的非暂时性机器可读介质(诸如微电子存储器)，指令对一个或多个数据处理组件(在此一般称为“处理器”)进行编程以执行冷却操作，诸如选择并以几个操作模式中的一个操作于，以及根选择的操作模式控制(或驱动)一个或多个tec元件据，如本文描述的。在其他实施例中，这些操作中的一些可以由包含硬连线逻辑的特定硬件组件执行。这些操作可以可替代地通过编程的数据处理组件和固定的硬连线电路组件的任意组合执行。
[0085]
在前述说明书中，已经参考本公开的特定示例性实施例描述了本公开的实施例。显而易见的是，在不脱离所附权利要求书阐述的本公开的更广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改。因此，说明书和附图应被认为是说明性而不是限制性的。
[0086]
尽管已经描述并在附图中示出某些方面，但是应当理解，这些方面仅是对本公开的说明而不是对本公开的限制，并且本公开不限于所示的特定构造和布置，因为本领域普通技术人员可以进行各种其他修改。因此，该描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0087]
在一些方面中，本公开可以包括语言，例如“[元素a]和[元素b]中的至少一个”。该语言可以指元素中的一个或多个。例如，“a和b中的至少一个”可以指“a”、“b”或“a和b”。特别地，“a和b中的至少一个”可以指“a中的至少一个和b中的至少一个”或“a或b中的至少一个”。在一些方面中，本公开可以包括语言，例如“[元素a]、[元素b]和/或[元素c]”。该语言可以指元素中的任一个或其任何组合。例如，“a、b和/或c”可以指“a”、“b”、“c”、“a和b”、“a和c”、“b和c”或“a、b和c”。