Система иммерсионного охлаждения электроники

При работе любого электронного устройства неизбежно выделяется тепло, которое в том числе негативно сказывается на производительности оборудования. Современные высокопроизводительные вычислительные системы имеют высокую плотность расположения транзисторов, а также размещение электронных компонент на плате, что делает охлаждение воздушным способом затруднительным.

Также возрастает доля затрат электроэнергии на охлаждение электронным систем, что в масштабах крупных центров обработки данных приводит к экономической неэффективности. 

Еще одна проблема компактность размещения высокопроизводительных комплексов в помещении. Воздушное охлаждение требует организации протока воздуха, а само серверное оборудование оказывается громоздким из-за необходимости размещения массивных радиаторов и вентиляторов.

Применяемые жидкостные системы охлаждения требуют более высокотехнологичного изготовления для исключения рисков протечек воды на дорогостоящее электронное оборудование. При этом все равно применяются различные способы интенсификации теплоотвода, т.к. охлаждение от электронных компонентов осуществляется контактно на основе механизмов теплопроводности.

Опытные образцы с охлаждением на основе различных масел неизбежно сталкиваются с проблемой ограничения теплоотвода из-за неподвижности жидкости, деградации свойств масла и налипании осадка на горячих элементах.

Таким образом необходимо технологическое решение по охлаждению электроники с высоким уровнем отводимого теплового потока при низком уровне энергопотребления на охлаждение и с высокой компактностью и надежностью.

Одним из способов отведения теплоты высокой плотности является организация фазового перехода – кипения. Простое погружение в большой объем жидкости называют иммерсионным способом охлаждения, при наличии фазового перехода – двухфазным иммерсионным охлаждением.

Для решения задачи применяется двухфазное иммерсионное охлаждение, которое реализуется следующим образом: нагретые элементы размещаются в жидкости, где происходит кипение, испаряемый газ поднимается вверх в газовую область, где размещается холодный конденсатор, на котором происходит охлаждение газа, его конденсация и стекание в жидкую фазу. При этом температура кипения жидкости должна быть меньше температуры нагретого элемента.

Однако, вода и многие жидкости являются проводящими, а значит организация иммерсионного охлаждения в них нереализуема. Существуют жидкости с низкой диэлектрической проницаемостью, например, жидкости на основе гидрофторэфира или так называемая «сухая вода».

Для реализации такого принципа охлаждения на практике проведено эскизное проектирование и предварительный расчет всей системы, проведены пробные эксперименты для подтверждения возможности реализации. Из-за отсутствия ряда характеристик гидрофторэфира проведены работы по исследованию кривых кипения при различных давлениях. Проведены оценки по покрытию конденсаторов гидрофобными материалами для увеличения плотности теплового потока. Исследованы подходы по повышению плотности теплового потока при кипении на поверхностях различной формы. В ходе тестирования образцов зафиксирован максимальный отводимый тепловой поток на уровне 300 кВт/м3, что невозможно достичь любыми другими способами охлаждения.

Для демонстрации технологии двухфазного охлаждения разработаны и изготовлены три образца с различными габаритными размерами и количеством размещаемого вычислительного оборудования.

Первый образец - портативный или настольный сервер с размерами ШхВхГ 800х800х200 мм. В герметичной емкости расположена плата отечественного производителя АО "МЦСТ" с микропроцессорами "Эльбрус". Т.к. использовалась только плата без элементов корпуса сервера, то образец по габаритам лишь ненамного превышает размеры персонального компьютера. При этом охлаждение выполнено компактным способом с размещением конденсатора как элемента корпуса.

Второй образец представляет собой стойку с размерами ШхВхГ 900х900х1200 мм, в которой размещен вычислительный узел в герметичной полости. Сервер с высокопроизводительными видеокартами погружен в жидкость, а охлаждение осуществляется за счет кипения жидкости на нагретых элементах: процессорах, чипах и прочем. Пар поднимается вверх и конденсируется на теплообменном аппарате, через который прокачивается вода. Капли стекают в жидкую фазу и снова участвуют в охлаждении. В данном образце все необходимые инженерные узлы и агрегаты размещены компактно в одной стойке.

Третий образец - серверная стойка с возможностью установки двенадцати серверных плат с размерами ШхВхГ 900х900х1100 мм. Первый образец может быть извлечен из корпуса и вставлен в стойку третьего образца. Как и для предыдущих образцов охлаждение осуществляется с помощью диэлектрической жидкости, которая залита в раздельные герметичные емкости. Инженерная система располагается рядом в отдельной стойке с размерами ШхВхГ 900х900х1100 мм, но может быть заменена на подводящие трассы имеющихся систем охлаждения.

Четвертый концепт образца разработан с учетом полученного опыта проектирования для размещения стандартного серверного высокопроизводительного оборудования с обеспечением возможности «горячего» обслуживания и с возможностью быстрого подключения к имеющимся системам охлаждения или без них. Образец реализуется на унифицированной базе имеющихся серийно производимых комплектующих.