ความคืบหน้าการวิจัยการระบายความร้อนด้วยการเปลี่ยนเฟสที่จมอยู่ใต้น้ำในศูนย์ข้อมูล

ด้วยการปรับปรุงประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์และการรวมอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ ความหนาแน่นของการไหลของความร้อนของศูนย์ข้อมูลเพิ่มขึ้น และข้อกำหนดสำหรับระบบระบายความร้อนก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เนื่องจากปัญหาน้ำร้อนและปัญหาการใช้พลังงานสูงของระบบระบายความร้อนด้วยน้ำแบบดั้งเดิมและการระบายความร้อนด้วยอากาศ เป็นการยากที่จะแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นใหม่

ข้อกำหนดในการระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีการทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสแบบจุ่ม ระบบทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสแบบจุ่มส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนการระเหย ส่วนควบแน่น และระบบหมุนเวียน

อุปกรณ์ทำความร้อนแช่อยู่ในฉนวนเฉื่อย สัมผัสโดยตรงกับตัวแทนเพื่อระบายความร้อน

วิธีนี้มีข้อดีคือมีประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดีและใช้พลังงานต่ำ ปัจจุบัน เทคโนโลยีการทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสแบบจุ่มอยู่ในขั้นเริ่มต้น ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี เช่น อุตสาหกรรมอัจฉริยะและคลาวด์คอมพิวติ้ง เทคโนโลยีการกระจายความร้อนแบบใหม่ที่แสดงโดยการระบายความร้อนด้วยการเปลี่ยนเฟสแบบจุ่ม จะกลายเป็นเทคโนโลยีการกระจายความร้อนกระแสหลักสำหรับศูนย์ข้อมูลอย่างแน่นอน

บทความนี้ใช้โครงสร้างหลักและหลักการของระบบทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสแบบจุ่มเป็นจุดเริ่มต้น วิเคราะห์จุดเน้นการวิจัยในปัจจุบันและสถานะการพัฒนาจากการเลือกวัสดุทำความเย็นและกลไกการถ่ายเทความร้อนเดือด และแนวโน้มสำหรับเทคโนโลยีการทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสที่แช่ .

นักวิชาการได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับวิธีการกระจายความร้อนของศูนย์ข้อมูลเป็นจำนวนมาก: การกระจายความร้อนด้วยอากาศเย็นแบบดั้งเดิมได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับองค์กรการไหลของอากาศ เซิร์ฟเวอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำได้รับการติดตั้งด้วยแบ็คเพลน เทคโนโลยีการกระจายความร้อนของท่อความร้อน การเปลี่ยนเฟสที่จมอยู่ใต้น้ำ ระบายความร้อนและนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่

วิจัยเทคโนโลยีต่างๆ เพื่อลดการใช้พลังงาน ในขณะเดียวกัน ผู้ผลิตเซิร์ฟเวอร์รายใหญ่ทั้งในและต่างประเทศก็กำลังสำรวจวิธีการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพด้วยเช่นกัน บริษัท Sugon แห่งประเทศจีน' เคยเปิดตัวเซิร์ฟเวอร์ระบายความร้อนแบบฝังดังแสดงในรูปที่ 2

เซิร์ฟเวอร์นี้สามารถใช้ในศูนย์ข้อมูล ค่า PUE ของห้องคอมพิวเตอร์ลดลงเหลือ 1.05 และการใช้พลังงานลดลงมากกว่า 30% เมื่อเทียบกับศูนย์ข้อมูลแบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบเดิม ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจมีความสำคัญ"คิริน" เซิร์ฟเวอร์ที่เปิดตัวโดยอาลีบาบาไม่ต้องใช้เครื่องปรับอากาศ พัดลม และอุปกรณ์เสริมอื่นๆ และสามารถติดตั้งได้ทุกที่ ประหยัดพื้นที่มากกว่า 75% และระดับความแน่นหนาของอากาศสูงช่วยให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อยู่ห่างจากฝุ่น ความชื้น และปัจจัยอื่นๆ และได้รับการปกป้องจากการรบกวนจากภายนอก นอกจากอุปกรณ์กระจายความร้อนแล้ว บางบริษัทมุ่งมั่นที่จะวิจัยและพัฒนาสารทำความเย็นที่พัฒนาโดย 3M ในสหรัฐอเมริกา A Novec coolant ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนพื้นฐานที่สุด มีจุดเดือดต่ำกว่าสารทำความเย็นทั่วไป (เช่น น้ำบริสุทธิ์ ของเหลวที่มีฟลูออรีน และน้ำมันแร่)

ในการวิจัยทิศทางต่างๆ การแช่ เนื่องจากข้อดีของมันเช่นประสิทธิภาพการกระจายความร้อนสูง การบำรุงรักษาที่สะดวก และเสียงรบกวนต่ำ เทคโนโลยีการทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสจึงกลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยในปัจจุบัน

การเลือกสื่อทำความเย็น อุปกรณ์ระบบทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสแบบจุ่มต้องการประสิทธิภาพการปิดผนึกสูงและข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกด้านฮาร์ดแวร์ ในขณะเดียวกัน การเลือกสื่อทำความเย็นก็เป็นกุญแจสำคัญสำหรับเทคโนโลยีการทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสแบบจุ่ม สารทำความเย็นที่ผ่านการรับรองควรมีลักษณะดังต่อไปนี้

(1) มีความร้อนแฝงสูงของการกลายเป็นไอ นั่นคือ การกระจายความร้อนในปริมาณเท่ากันใช้สื่อทำความเย็นน้อยกว่า ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อนในขณะที่ลดการใช้พลังงานเพิ่มเติมของปั๊ม หอทำความเย็น และอุปกรณ์อื่น ๆ

(2) เป็นไปตามข้อกำหนดของฉนวนในสถานะผสมของเหลว ก๊าซ และของเหลวของแก๊ส

(3) ควรมีจุดเดือดต่ำ เมื่ออุณหภูมิของเซิร์ฟเวอร์ไม่สูงมาก สารหล่อเย็นยังสามารถได้รับการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เสถียรเพื่อกำจัดความร้อนเพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิของเซิร์ฟเวอร์มีเสถียรภาพและการทำงานปกติของศูนย์ข้อมูล

(4) ไม่กัดกร่อนวัสดุเซิร์ฟเวอร์

(5) เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมปลอดสารพิษและไม่เป็นอันตรายและใช้งานง่าย

(6) เศรษฐกิจสูง ในปัจจุบัน สารอะโรมาติก ซิลิเกต และฟลูออโรคาร์บอนรวมอยู่ในขอบเขตการวิจัยของสื่อทำความเย็นของระบบทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสที่จมอยู่ใต้น้ำ น้ำมันแร่และของเหลวที่มีฟลูออรีนเป็นสื่อกลางในการทำความเย็นแบบสัมผัสโดยตรงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น น้ำมันแร่มีราคาถูก ､เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ไม่เป็นพิษและไม่เป็นอันตราย แต่ย่อยสลายได้ง่ายและเป็นสารที่ติดไฟได้ซึ่งมีอันตรายมากกว่า ราคาของฟลูออไรด์จะสูงขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับน้ำมันแร่ แต่คุณสมบัติของฟลูออไรด์นั้นเสถียร หน่วงการติดไฟ และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่เหมาะสม สื่อทำความเย็นที่ได้รับความนิยมสูงสุดในปัจจุบัน Xu Yongsheng และคนอื่นๆ ใช้อิเล็กโทรดแบบแผ่นเข็มเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมของสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างยิ่ง และสร้างแพลตฟอร์มการตรวจจับการคายประจุบางส่วนโดยใช้ระบบทดสอบแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสูง 50Hz เพื่อสำรวจผลกระทบของการเดือดของสารทำความเย็นต่อการปล่อยบางส่วน อิทธิพลของ ค่าเกณฑ์ ผลการวิจัยพบว่าการเดือดของสารทำความเย็นจะลดค่าเกณฑ์ฉนวนของสภาพแวดล้อมฉนวน โม เสิ่นหยางและคนอื่นๆ ใช้อุปกรณ์ทดสอบฉนวนเพื่อทำการศึกษาอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับลักษณะการสลายของสารทำความเย็น FC-72 ในสถานะของเหลว ก๊าซ และสองเฟส , ค่าความเป็นฉนวนของไอระเหย FC-72 ได้มาจากการทดสอบการสลายแรงดันไฟฟ้าด้วยความถี่ไฟฟ้า และได้รับรู้การทดสอบความเป็นฉนวนแบบหลายแรงดันของไอสารทำความเย็นที่มีจุดเดือดต่ำ Wu Xilei และคนอื่น ๆ ได้จำลองของเหลวฟลูออไรด์ที่ใช้กันทั่วไป 4 ชนิด (FC-72, อิทธิพลของ Novec649, HFE-7100 และ D-1) ต่อผลการกระจายความร้อนของระบบระบายความร้อนด้วยการเปลี่ยนเฟสที่จมอยู่ใต้น้ำ ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนที่จำเป็นสำหรับการถ่ายเทความร้อนเดือดของ D-1 นั้นน้อยที่สุด แต่ความสามารถในการกระจายความร้อนสูงสุดนั้นใกล้เคียงกับ Novec649 ซึ่งต่ำกว่า FC-72 และ HFE-7100 เล็กน้อย จึงสามารถแทนที่ฟลูออรีนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอยู่ได้ ของเหลว Novec649 ในการระบายความร้อนด้วยการเปลี่ยนเฟสที่แช่ Dong Jinxi และคนอื่นๆ วิเคราะห์สารหล่อเย็นที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนสังเคราะห์ (PAO) และ #65 เอทิลีนไกลคอลผ่านการทดลอง คุณสมบัติทางกายภาพและทางอุณหพลศาสตร์ของสารหล่อเย็นที่คล้ายกัน (ต่อไปนี้จะเรียกว่า #65) #65 มีความสามารถในการกระจายความร้อนสูงกว่า PAO แต่ ความเสถียรทางกายภาพและการไม่นำไฟฟ้าของ PAO สูงกว่า #65 ขณะนี้มีงานวิจัยเกี่ยวกับสื่อทำความเย็นน้อยลงและจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมและพบสื่อทำความเย็นที่มีคุณสมบัติทางกายภาพที่มั่นคงและความสามารถในการกระจายความร้อนสูง

การเพิ่มประสิทธิภาพเพิ่มเติมของเทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยการเปลี่ยนเฟสที่จมอยู่ใต้น้ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำความเย็นได้ แนวทางการวิจัยต่อไปมีดังนี้

(1) เตรียมสารทำความเย็นที่มีคุณสมบัติคงที่ ศึกษาอิทธิพลของสภาพแวดล้อมสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอต่อคุณสมบัติของของเหลวหล่อเย็น และทำการทดสอบความเป็นฉนวนของสื่อทำความเย็นภายใต้ความเข้มสนามสูง

(2) ของเหลวที่มีฟลูออรีนมีความผันผวนสูง การวิจัยและพัฒนาวัสดุปิดผนึกระบายความร้อนที่เข้าชุดกัน

(3) จากการทดลอง ให้สำรวจอิทธิพลของปัจจัยต่างๆ ต่อการก่อตัวของฟองอากาศในไมโครแชนเนลต่อไป ศึกษากลไกการถ่ายเทความร้อนเดือดบนพื้นผิวของเซิร์ฟเวอร์ และสร้างแบบจำลองการถ่ายเทความร้อนเดือดที่เป็นตัวแทนมากขึ้น

(4) ทดสอบเวลาวัสดุโพลีเมอร์บรรจุภัณฑ์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้แน่ใจว่าอายุการใช้งาน ลดต้นทุนการบำรุงรักษาระหว่างการใช้เซิร์ฟเวอร์ และลดความน่าเชื่อถือที่เกิดจากการบำรุงรักษาบ่อยครั้ง