Sukeljahutus

Sukeljahutus, tuntud ka kui vedelikkümblusjahutus (inglise keeles Immersion cooling), on arvutite, akude ja mootorite jahutamiseks kasutatav tehnika, mille puhul elektroonilised komponendid on sukeldatud osaliselt või täielikult elektrit mitte juhtivasse dielektrilisse vedelikku, nagu mineraalõli või tehisvedelikud. Sukeljahutus võimaldab luua energiasäästlikumaid süsteeme elektroonikaseadmete jahutamiseks, kuna vedelik juhib soojust palju tõhusamalt kui õhk. Lihtsam näide selleks on tavalise õhkjahutusega arvuti riistvara mineraalõlisse uputamine. Kuna õli ei ole elektrit juhtiv, siis ei kujuta see elektroonikale ohtu. Vedeliku valimisel ei saa lähtuda ainult selle soojusjuhtivusest. Keemiline kokkusobivus kiipide ja ülejäänud komponentidega on ülimalt oluline, mistõttu peetakse üldiselt kõige sobivamateks fluorosüsivesinikvedelikke (nt FC-72, FC-86, FC-77).

Eelised

Väiksem kulu 
Peamine eelis sukeljahutusel on selle väiksem energia kulu. Teatud tüüpi sukeljahutustes pole vaja ventilaatoreid ning soojus on hästi reguleeritud. Konventsionaalsed jahutusmeetodid vajavad palju ruumi. Sukeljahutus võimaldab serveri komponendid paigutada tihedamalt, mis võimaldab kaks sukeljahutusega süsteemi paigutada kohta, kuhu muidu mahuks ainult üks konventsionaalse jahutusega süsteem. Lisaks võimaldab sukeljahutus maha keerata või välja lülitada ruumide kliimaseadmeid.

Vähem seadmeid 
Konventsionaalsed jahutusmeetodid toovad endaga kaasa vältimatuid seadmeid, mis toovad omakorda kaasa suurema elektrikasutuse. Sukeljahutus on lihtne ega vaja nõuetekohaseks toimimiseks keerukaid lisaseadmeid, mis aitab energiatarbimist, paigalduse ja hooldustööde kulusid vähendada. Sukeljahutus on kolm korda väiksem kui konventsionaalsete kliimaseadmetega jahutatud arvutiruum.

Lihtne paigaldus ja hooldus 
Süsteemipaigaldus on oluliselt lihtsam tänu süsteemi kompaktsusele. Süsteemi olemus vähendab selle hoolduse nõudeid, sest jahutamiseks kasutatakse kahjutut ja mittesüttivat vedelikku. Vedeliku kasutamisega lahendatakse ka tulekahju probleem. Suurim eelis on vedeliku torustiku, vedelikpistikute ja suletud kestade puudumine. Lihtne paigaldus ja hooldus tagavad töökindluse säilitamise ning aitavad vältida paigaldus- ja hooldustöödest tingitud energiatarbimise hüppeid.

Keskkonnasõbralikkus 
Sukeljahutus tekitab väga vähe müra. Suured serveriruumid tekitavad palju müra ning tarbivad 40% rohkem energiat kui samaväärne sukeljahutusega süsteem. Lisaks ei vaja sukeljahutus külmutusaineid, nagu R22 ja R113, mis kahjustavad osoonikihti ja tugevadavad kasvuhooneefekti.

Stabiilne ja ühtlane temperatuur 
Sukeljahutus võimaldab stabiilseid ja ühtlase temperatuuriga jahutuslahendusi. See on oluline, et tagada ühtlane soojuse jaotumine ja eraldumine väliskeskkonda ning vältida komponentide ülekuumenemist

Puudused 
Sukeljahutus on energiasäästlikum, kuid üks suurim puudus on süsteemi kõrge seadmete ja paigalduse hind. Spetsiaalsed mahutid, jahutusvedelikud, pubmad, torustik ning muud seadmed võivad olla sukeljahutuse algseadistamisel väga kulukad. Täiendavalt tuleb valida riistvaraseadmed, mis on spetsiaalselt testitud sukeljahutuse süsteemiga sobilikuks. Sukeljahutuse lisakulud võivad hinnanguliselt ulatuda 130 000 - 280 000 euroni megavati kohta. Lisaks toob sukeljahutuse paigaldus kaasa uusi hooldusprobleeme. Jahutusvedelikku tuleb pidevalt jälgida ja vajadusel vahetada. See nõuab eriteadmisi vedelikuga käitlemiseks. Vedelik võib muutuda elektrit juhtivaks, kui see saastub tolmu või muude aine osakestega. Võimalikud lekkeriskid võivad riistvara kahjustada või tekitada keskkonnaprobleeme. Vedeliku auru sissehingamine võib tekitada soovimatud tervisehäireid. Jahutussüsteemi keerukus võib tekitada raskuseid tõrgete leidmisel ja probleemide lahendamisel. Sukeljahutuse piiratud kättesaadavus muudab selle tavakasutajale raskesti kättesaadavaks ning toob esile mitmeid takistusi. Tarnijate ja tootjate nappus võib mitmekordistada komponentide hinda ning täiendava informatsiooni leidmine võib olla raskendatud. Ruumi ja asukoha sobilikkus on samuti väga oluline. Sukeljahutuse paigaldamisel tuleb jälgida, kas ruumi struktuur vastab süsteemi kriteeriumitele ning asukoht peab vastama keskkonnakriteeriumitele.

Kasutusvaldkonnad

Päiksepaneelid. 
Et vältida päikesepaneelide efektiivsuse vähenemist võib nende üks jahutusviis olla sukeljahutus. Päikesepaneelide elemendid võib sukeldada vette ühe sentimeetri sügavusele. See võimaldab neid aktiivselt jahutada. Päikesepaneelide sukeljahutus võib olla eriti efektiivne kõrge temperatuuriga piirkondades, kus paneelide ülekuumenemine võib olla aktuaalne probleem. Sukeljahutuse kasutamine päikesepaneelidega võib nende tootlust tõsta kuni 17%.

Andmekeskused. 
Andmekeskused vajavad stabiilset jahutussüsteemi, et tagada soobiv töökindlus. Temperatuuri tõustes väheneb andmekeskuste arvutite ja serverite arvutuskiirus, mistõttu hakkavad seadmed tarvitama rohkem energiat sama töökoormuse juures. Sukeljahutus on energiatõhusam ja efektiivsem kui konventsionaalne jahutussüsteem. Sukeljahutus võimaldab ehitada kompaktsemaid andmekeskuseid, kus elektroonikaseadmed on tihedamalt koos ning vähendada andmekeskustes jahutusest tingitud müra.

Elektriautode akude jahutus. 
Aku võimsus väheneb, kui seda kasutada kõrgetel temperatuuridel, sest kõrgetel temperatuuridel väheneb akude poorsus ja pooride ühenduvus, mis omakorda vähendab aku voolu ühtlust. Sama mõju on ka liiga jahedatel temperatuuridel. Oluline on hoida akut optimaalsel töötemperatuuril, ~20°C. Sukeljahutus võimaldab paremini jahutada kogu akuelemendi pinda ja parandada temperatuuri ühtlust akuelemendis.

Ajalugu 
19. ning 20. sajandil algas sukeljahutuse süsteemi avastamine Michael Faraday ja Joseph Henry poolt. Faraday leiutatud seade oli algeline trafo, mis suutis avada ja sulgeda ainult alalisvoolu, kuna sellel ajal polnud vahelduvvoolu. Esimene suletud südamikuga trafo ehitati 16. septembril 1884 M. Dery', O. Blathy' ja K. Zipernovski juhendamisel GANZi tehases. Elektrisüsteemide, eriti trafode, sukeldamist dielektrilisse vedelikku kasutati soojusjuhtimiseks enne 1887. aastat.

1899. aastal patenteeriti esimene süsteem, milles kasutati isolaatornia ja jahutusvedelikuna õli. Patendi esitas Richard Fleming.

1966. aastal viis Oktay Sevgin, IBM'ist läbi esimesed uuringud, milles kasutati spetsiaalselt vedelaid dielektrikuid "arvutite" jahutamiseks. 1968. aastal patenteerisid C. Chu ja John H. Seely IBM'ist sukeljahutussüsteemi modulaarselt pakendatud komponentidele.

1980. aastate keskel hakkas mikroelektrooniliste komponentide jahutamine vedelikega tõsist tähelepanu köitma, kui IBM, Honeywell, Sperry-Univac, Control Data ja Hitatchi võtsid kasutusele kaudse vesijahutusega suurarvutid.

1995. aastal avaldati Cray T90, mis kasutas ühe- või kahefaasilist sukeljahutusüsteemi soojuse eemaldamiseks. Kiipide suurenenud soojusomaduste tõttu hakkas sukeljahutus taas tähelepanu köitma.

2006. aastal asutati Hardcore Computer Inc, mis põhines mängimiseks mõeldud suletud šassii tüüpi personaalarvutite kontseptsioonil.

2009. aastal taaskäivitas Green Revolution Cooling avatud vannikümblusjahutuse kontseptsiooni tuues kaubanduslikud vannikümblussüsteemid HPC tööstusesse.

2010. aastal rajas Midas Green Technologies maailma esimese sukeljahutusega kaubandusliku andmekeskuse. 2011. aastal tõi Icetope turule esimese räki tüüpi šassiipõhise tehnoloogia, mis oli spetsiaalselt loodud andmekeskustes kasutamiseks.

2016. aastal lõi Asperitas esimese pumbata avatud vannikümblussüsteemi. Edasine krüptoboom oli peamine tegur sukeljahutuse süsteemi arengus, mille jooksul paljud krüptopõhised idufirmad täiendasid oluliselt sukeljahutuse süsteemi.

2019. aastal San Jose OCP tippkohtumisel kirjutati esimesed tööstusstandardid sukeljahutuse süsteemile.

Erinevad sukeljahutuse tüübid

Avatud vannikümblusjahutus 
Avatud vannikümblusjahutus, hõlmab elektroonilise seadme sukeldamist avatud konteineri spetsiaalsesse dielektrilisse vedelikku. Jahutusvedelik puutub otseselt kokku elektroonikaseadmetega eemaldades soojuse ja hoides neid jahedana. Avatud süsteem võimaldab ka paremat soojuse hajumist. Süsteem töötab atmosfäärirõhuga ning seda saab täielikult sulgeda. Süsteem on avatav ülevalt, et tagada lihtne kättesaadavus komponentidele. See võimaldab tagada parema õhuvoolu ja vähendada jahutusvedeliku rõhku. Seadmed on kättesaadavamad ja lihtsamini hooldatavad, sest jahutusvedelikku on lihtne lisada ja asendada. Vannikümblusjahutus on üks populaarsemaid sukeljahutuse meetodeid elektroonikaseadmete jahutamisel, eriti andmekeskustes, kus soojuse hajutamine võib olla kriitilise tähtsusega. Vannikülmblusjahutusega kaasneb oht, et vedelik võib määrduda ning vedeliku väheneda aurustumise tõttu.

Ühefaasiline sukeljahutus 
Ühefaasiline sukeljahutus on ringlev jahutussüsteem, kus vedelik ei kuumene keemiseni. Elektroonilised komponendid on uputatakse dielektrilisse vedelikku ning server paigutatakse vertikaalselt soojust juhtivasse dielektrilise vedelikuga jahutusvanni. Komponentide soojus kantakse üle vedeliku otsese kontaktiga, mida jahutatakse läbi jahutusvedeliku jaotusseadme soojusvaheti ja lõpuks juhitakse soojus jahutustorni kaudu väliskeskkonda. Ühefaasiline sukeljahutuse head omadused on: hea jahutusvõimekus, madala müratase, lihtne hooldus ning väiksem energiatarbimine. Ühefaasilist sukeljahutust saab kasutada erinevate elektroonikaseadmete ja komponentide jahutamiseks, nagu trafod, serverid, arvutid, andmekeskused ja paljud muud.

Kahefaasiline sukeljahutus 
Kahefaasiline sukeljahutus on üks arenenumaid sukeljahutuse meetodeid. Sarnaselt ühefaasilisega on elektroonilised komponendid uputatud suletud kasti või spetsiaalsesse vedelikvanni.  Vedeliku keemistemperatuur peab olema madalam kui elektroonikaseadmete töötamise temperatuur. Elektroonikakomponendi temperatuur ületab vedeliku aurustumise temperatuuri, mis võimaldab ümbritseval vedelikul keeda ja muutuda auruks, põhjustades seeläbi aineoleku muutumise vedelast olekust auruks ning seeläbi tõhusamalt eemaldada süsteemist soojust. Aur tõuseb üles ning kondenseerub vanni kohal oleval veepõhisel kondensaatoril ning seejärel tilgub tagasi vedelikuvanni. Kahefaasiline sukeljahutus on efektiivsem viis soojuse eemaldamiseks elektroonikaseadmetest ning see tagab parema kontrolli temperatuuri üle. Sellist meetodit on kasutatud aastakümneid näiteks trafode, veomuundurite, arvutussüsteemide ja klüstronite jahutamiseks. Peamiselt eelistatakse kahefaasilist sukeljahutust selle lihtsuse, töökindluse, võimsustiheduse ja jõudluse tõttu.

Viited