Инновации в жидком охлаждении для энергоблоков высокой мощности

Закрытый цикл и прямое охлаждение жидкостей

Вместо того, чтобы погружать весь блок, системы с замкнутым контуром прикрепляют холодные пластины непосредственно к самым горячим компонентам - обычно первичным боковым MOSFET, выпрямительным диодам и магнитным компонентам.

• Микроканальные холодные пластины с шириной канала до 200 мкм, которые увеличивают отношение поверхности к объему и повышают конвективные коэффициенты теплопередачи. Недавние исследования из Национальной лаборатории Ок-Риджа продемонстрировали, что микроканальные холодные пластины могут снизить термостойкость перехода к жидкости ниже 0,05 °C/W для модуля питания мощностью 3 кВт.
• Миниатюрные диафрагменные насосы с электронно-коммутированными двигателями, которые обеспечивают точные скорости потока (0,5-5 л/мин) при потреблении менее 2 Вт мощности. Эти насосы могут быть интегрированы внутри шасси PSU, обеспечивая автономные контуры жидкостного охлаждения, которые требуют только внешнего радиатора или соединения охлаждаемой воды с оборудованием.
• Умные регуляторы потока и датчики температуры, которые используют алгоритмы PID для модуляции скорости насоса и положения обходного клапана в режиме реального времени. Когда PSU работает в режиме холостого хода, контроллер уменьшает циркуляцию до почти нуля, экономя энергию и продлевая срок службы насоса. При внезапных всплесках нагрузки (например, рендеринг GPU или разрыв базы данных) он увеличивает поток в течение миллисекунд, чтобы предотвратить перерасход тепла.

Также появляются гибридные конструкции, сочетающие погружение основной стороны с воздушным охлаждением конденсаторов вторичной стороны, балансируя стоимость и производительность.

Преимущества современного жидкого охлаждения для ПГУ

Улучшенная производительность под пиковыми нагрузками

Жидкостные ПГУ поддерживают регулирование выходного напряжения и подавление ряби даже во время импульсов нагрузки 100%. Поскольку жидкость содержит большой тепловой резервуар, переходные температурные экскурсии постоянно влажняются - МОПЭТ остаются в пределах своей безопасной рабочей зоны (SOA). Напротив, блоки с воздушным охлаждением часто заглушают обратную мощность (например, от 3 кВт до 2,5 кВт) после нескольких минут полной нагрузки из-за нагрева. Независимые испытания показали, что ПГУ с жидкостным охлаждением 4 кВт может выдерживать 4 кВт неограниченно в среде 45 ° C, тогда как эквивалент с воздушным охлаждением разрушает до 3,2 кВт всего через 90 секунд.

Повышение надежности и продление срока службы

Единственным крупнейшим драйвером отказа ПГУ является тепловой цикл. Каждый перепад температуры 10-20 °C ускоряет усталость припоя и высыхание конденсатора. Жидкое охлаждение сохраняет внутренние температуры стабильными в пределах ± 2 °C заданной точки, даже во время суточных изменений окружающей среды или сброса нагрузки. Данные поля из крупномасштабных центров обработки данных с погружением (таких как те, которые управляются LiquidStack ) показывают, что частота отказа ПГУ падает на 60-70% по сравнению с установками с воздушным охлаждением, а средняя продолжительность жизни простирается от 5 лет до более 10 лет. Кроме того, отсутствие вибрации, вызванной вентилятором, устраняет механический износ соединителей и трансформаторов.

Энергоэффективность и общая стоимость владения

В то время как сама петля жидкого охлаждения потребляет энергию (насосы, чиллеры), общая энергоэффективность установки улучшается по нескольким причинам:

• Инфраструктура охлаждения ЦОД (блоки CRAC, вентиляторы) может быть уменьшена, потому что отработанное тепло PSU захватывается непосредственно у источника и отбрасывается в высокотемпературную жидкостную петлю.
• Насосы намного эффективнее, чем вентиляторы для того же теплоотвода: насос мощностью 10 Вт может перемещать столько же тепловой энергии, сколько 50-100 Вт мощности вентилятора.
• Отработанное тепло может быть восстановлено для отопления здания или горячей воды, повышая значения PUE (эффективность использования энергии) ниже 1,2 во многих развертываниях. На каждые 1 кВт потерь PSU жидкое охлаждение позволяет использовать до 0,8 кВт полезного тепла.

Общая стоимость владения (TCO) в течение 10-летнего горизонта обычно благоприятствует жидкостному охлаждению для установок мощностью более 10 кВт, учитывая экономию на электроэнергии, обслуживании и замене оборудования.

Компактный дизайн и плотность более высокой мощности

Устраняя громоздкие радиаторы и высокоскоростные вентиляторы, жидкостное охлаждение позволяет ПГУ уменьшаться в объеме на 30-50% при одновременном увеличении выходной мощности. Это особенно ценно в лопаточных серверах, модульных системах ИБП и зарядных устройствах электромобилей, где имеет значение каждый кубический дюйм. Жидкостно-охлажденный ПГУ 4,8 кВт от ведущего производителя (]Artesyn Embedded Technologies) занимает тот же 1U высоту, что и блок воздушного охлаждения 2,5 кВт, эффективно удваивая плотность мощности.

Проблемы и смягчения последствий осуществления

Риск утечки и совместимость с жидкостью

Основным барьером для широкого внедрения жидкого охлаждения является предполагаемый риск утечки охлаждающей жидкости, повреждающей электронику. Современные системы решают эту проблему с помощью нескольких слоев защиты: двухстенные трубки, датчики обнаружения утечки и предохранительные клапаны насоса. Диэлектрические жидкости выбираются как непроводящие и не коррозионные; они не вызывают коротких замыканий, даже если они объединяются на платах. Тем не менее, производители должны обеспечить, чтобы все материалы (конструкции, уплотнения, изоляция проводов) совместимы с выбранным охлаждающим веществом - этиленгликоль / смеси воды могут набухать определенные эластомеры, в то время как некоторые эфиры атакуют разъемы поликарбоната. Правильный выбор материала и испытание давления при рабочем давлении 2 × стандартны.

Сложность обслуживания

Системы замкнутого цикла требуют периодических проверок уровня охлаждающей жидкости и периодической замены (каждые 3-5 лет) для поддержания антикоррозионных добавок. Погружение резервуаров нуждается в фильтрации для удаления загрязнения твердыми частицами, а диэлектрическая жидкость может со временем ухудшаться из-за окисления. Однако современные герметичные петли с фильтроваторами и клапанами передышки сокращают интервалы обслуживания до ежегодных или двухгодичных посещений, что сопоставимо с заменой воздушных фильтров в системах с воздушным охлаждением. Некоторые поставщики теперь предлагают автоматические системы пополнения охлаждающей жидкости, которые извлекают из центрального резервуара, еще больше снижая эксплуатационные расходы.

Первоначальные затраты и задачи модернизации

Предварительная премия за жидкостное охлаждение - готовые ПГУ обычно на 20-40% выше, чем эквиваленты с воздушным охлаждением. Для центров обработки данных в зеленом поле эта премия компенсируется экономией в инфраструктуре охлаждения, поднятых полах и электропроводке. Обновление существующих ПГУ, установленных на стойке, сложнее, потому что в корпусе может отсутствовать водопроводные соединения и точки крепления для холодных пластин. Такие решения, как внешние теплообменники с жидкостью в воздух, которые крепятся к задней двери стойки, позволяют постепенно внедрять без замены каждого ПГУ.

Будущие направления

Диэлектрические жидкости следующего поколения

Исследователи активно разрабатывают наножидкости — диэлектрические жидкости, наполненные наночастицами, такими как графен или глинозем, — которые могут повысить теплопроводность на 20-50%, не влияя на электрическую изоляцию. Ранние прототипы из Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США показывают перспективы для бортовых источников питания в электромобилях, где ограничения пространства и веса являются экстремальными. Одновременно эфиры биопроизводства из растительных масел тестируются как недорогие, биоразлагаемые альтернативы синтетическим жидкостям.