ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ИММЕРСИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
LIQUID FOR IMMERSION COOLING OF COMPUTER EQUIPMENT

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, конкретно к области охлаждения вычислительной техники путем погружения ее в жидкость.
Аналогом предлагаемого изобретения следует считать установку для иммерсионного охлаждения полупроводниковых приборов, описанную в [1] и использующую в качестве охлаждающей среды низкокипящую диэлектрическую жидкость, например фреон.
Данное техническое решение имеет массу достоинств, в частности оно позволяет обеспечить достаточно низкую температуру охлаждения поверхностей теплообмена. Установка не нуждается в насосе, циркуляция охлаждающей жидкости в ней обеспечивается за счет архимедовой силы, возникающей при образовании газовых пузырьков. Температура всех теплонагруженных узлов вычислительного устройства одинакова, постоянна во времени, слабо зависит от изменений мощности и практически равна температуре кипения жидкости.
Однако такое решение не лишено недостатков. В частности, низкокипящие жидкости имеют низкую теплопроводность и низкую теплоту испарения, что приводит к довольно слабому отводу тепла от охлаждаемых поверхностей, повышению вероятности пленочного кипения и, как следствие, к фатальному перегреву поверхностей теплообмена и авариям. В табл. 1 приведены свойства одной из низкокипящих жидкостей, применяющихся для иммерсионного охлаждения электроники (перфтор(этил-изопропилкетон, коммерческие названия: фторкетон ФК-5-1-12, Novec1230) в сравнении с водой и базовым синтетическим полиальфаолефиновым маслом ПАОМ-2, также используемым как некипящая в рабочем диапазоне температур (т.н. однофазная) жидкость для иммерсионного охлаждения электроники.
Кроме того, низкокипящие жидкости обладают как правило весьма низкой вязкостью как в жидком, так и в газообразном состоянии, что приводит к их утечкам через малейшие неплотности. И, наконец, они весьма дороги, их цена более чем на порядок может превышать цену некипящих жидкостей для иммерсионного охлаждения.
Т.о. свойства жидких теплоносителей ставят перед разработчиками оборудования существенные ограничения. Теплообмен при кипении жидкости - весьма интенсивный процесс, обеспечивающий высокое постоянство температуры в пространстве и времени и потому широко применяющийся в технике, например в литейных и закалочных машинах. Но свойства низкокипящих диэлектрических жидкостей таковы, что сводят к минимуму указанные преимущества процесса кипения.
Очевидно, вода способна обеспечить очень эффективный отвод тепла в силу высокой теплоты испарения, теплоемкости и теплопроводности (см. табл. 1), но применение воды для иммерсионного охлаждения вычислительных устройств затруднено ее электропроводностью и недопустимо высокой температурой кипения. Рассмотрение свойств представленных в табл. 1 жидкостей показывает, что для охлаждения вычислительной техники целесообразно применять низкокипящие и некипящие диэлектрические жидкости одновременно.
Такое решение реализовано в изобретении [4], которое следует считать наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению прототипом.
Это решение имеет существенные достоинства по сравнению с аналогом. Оно использует достоинства обоих теплоносителей - низкую температуру кипения низкокипящей жидкости, высокую теплоемкость и теплопроводность некипящей жидкости. Жидкости в нем расположены послойно, низкокипящая тяжелая жидкость внизу (в нее непосредственно погружено охлаждаемое оборудование), некипящая легкая жидкость вверху. Пузыри кипящей тяжелой жидкости попадают в принудительно охлаждаемую легкую жидкость и там конденсируются. В такой конструкции нет объемов, заполненных маловязкими парами низкокипящей жидкости, а потому утечка последней не может быть значительной.
Однако указанное устройство имеет недостатки. В любом случае количество дорогостоящей низкокипящей жидкости должно быть достаточно большим, чтобы полностью покрыть охлаждаемые поверхности. Также вследствие малой теплоемкости, теплопроводности и теплоты испарения низкокипящей жидкости отвод существует риск перехода кипения в пленочный режим. Кроме того, те же причины ведут к достаточно слабому отводу тепла.
Исходя из изложенного выше, предлагаемое изобретение должно решать следующие задачи:
- интенсифицировать отвод тепла от охлаждаемой вычислительной техники;
- обеспечить постоянство температуры охлаждаемых поверхностей в пространстве и времени;
- исключить пленочное кипение и связанные с ним ситуации аварийного перегрева;
Все эти задачи решаемы при условии, что на поверхностях теплообмена имеет место пузырьковое кипение, поскольку именно оно обеспечивает интенсивный и стабильный отвод тепла.
Но кроме того из экономических соображений следует минимизировать количество низкокипящей жидкости и минимизировать утечки низкокипящей жидкости, причем второе не противоречит первому - чем меньше в системе будет низкокипящей жидкости, тем меньше будут ее потери.
Технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого изобретения, может быть сформулирован следующим образом: обеспечение пузырькового кипения при минимальном количестве низкокипящей жидкости.
Для достижения требуемого технического результата безусловно необходимо использовать испарительное охлаждение и, следовательно, применять низкокипящие жидкости, но сочетать свойства низкокипящих и некипящих жидкостей. Поскольку обычно такие жидкости нерастворимы друг в друге, то целесообразно использовать эмульсии, состоящие преимущественно из некипящей жидкости, образующей сплошную фазу, в которой взвешены мелкодисперсные капли низкокипящей жидкости.
В использовании таких эмульсий и заключается суть предлагаемого изобретения. Жидкость для иммерсионного охлаждения вычислительной техники, согласно предлагаемому изобретению, работает по назначению следующим образом. Из некипящей жидкости и низкокипящей жидкости изготавливают эмульсию любым из известных способов. Эмульсию прокачивают через кювету, в которой располагается охлаждаемая вычислительная техника и через теплообменник, в котором происходит сброс тепла эмульсии в окружающую среду, причем забор нагретой эмульсии в теплообменник производят в нижней точке кюветы, а возврат охлажденной эмульсии из теплообменника производят в верхней точке кюветы.
На охлаждаемых поверхностях происходит кипение дисперсной фазы, капли низкокипящей жидкости испаряются. При этом происходит широко известный процесс разрушения пузырьками пара пограничного слоя. Постоянное перемешивание и разрушение пограничного слоя пузырьками приводит к тому, что с охлаждаемой поверхностью постоянно входят в контакт новые порции холодной жидкости, до того незатронутые теплообменом, за счет чего, собственно, при пузырьковом кипении и достигаются очень большие значения коэффициента теплоотдачи [5].
Но низкокипящая жидкость при этом выполняет только функцию разрушителя пограничного слоя, а тепло от охлаждаемой поверхности отводит преимущественно некипящая жидкость, обладающая большей теплоемкостью и теплопроводностью.
Переход к пленочному кипению в данном случае практически невозможен: поскольку большую часть эмульсии составляет некипящая жидкость, то даже при полном испарении низкокипящей жидкости с охлаждаемой поверхностью все равно будет контактировать жидкость, а не пар.
Капли маловязкой низкокипящей жидкости со всех сторон окружены в эмульсии высоковязкой жидкостью, поэтому утечка низкокипящей жидкости через неплотности незначительна.
Немаловажно и то, что количество дорогостоящей низкокипящей жидкости в предлагаемом решении невелико, ее объем может быть меньше, чем объем охлаждаемого оборудования.
Работу предлагаемого изобретения поясняют приведенные ниже примеры.
2
3
2
Электрический нагреватель с прикрепленным к нему ребристым теплообменником суммарной площадью ребер 120 см, помещенный в кювету объемом 1,6 дм, охлаждали эмульсией, состоящей из Novec1230 и ПАОМ-2. Эмульсию прокачивали через паяный медный радиатор с площадью поверхности теплообмена 0,9 м. Радиатор охлаждали осевым вентилятором мощностью 35 Вт при температуре воздуха 18°С. Мощность на нагревателе плавно повышали, регистрируя температур радиатора.
Факт пузырькового кипения регистрировали по появлению т.н. «полки» на кривой нагрева радиатора, когда рост потребляемой нагревателем мощности не приводил к росту температуры радиатора; при этом температура последнего стабилизировалась на уровне, близком к температуре кипения Novec1230, т.е. 49,2°С.
После достижения «полки» мощность повышали до тех пор, пока температура радиатора не поднималась выше 50,1°С. Поскольку указанная цифра метрологически достоверно превышала температуру кипения Novec1230, то указанное повышение температуры означало вырождение пузырькового кипения и переход его в пленочное; в момент достижения этой температуры достигался максимально допустимый для данного состава эмульсии отводимый от радиатора тепловой поток, равный электрической мощности, потребляемой нагревателем. Примеры работы эмульсии различного состава приведены в табл. 2.
Данные табл. 2 показывают, что при концентрации Novec1230 ниже 2% масс, пузырькового кипения (да и кипения вообще) практически не наблюдается, эмульсия работает так, как если бы она вообще не содержала низкокипящей фазы. Некипящая эмульсия неспособна обеспечить стабильное, интенсивное и равномерное охлаждение теплонапряженных поверхностей.
При концентрации Novec1230 выше 42% масс, мощность, при которой радиатор достигает температуры 50,1°С, начинает снижаться, т.е. вырождение пузырькового кипения и переход его в пленочное происходит при меньших плотностях теплового потока. Т.о. использование эмульсий с концентрацией Novec1230 выше 42% масс. нецелесообразно, тем более что повышение концентрации Novec230 ведет к удорожанию эмульсии.
Сопоставление данных примеров показывает, что в предлагаемом изобретении при концентрации низкокипящей жидкости от 2 до 42% масс. достигается требуемый технический результат - обеспечение пузырькового кипения при минимальном количестве низкокипящей жидкости.
Источники информации
1. Pat. GB 1028363 A The cooling of semi-conductor devices. 17.01.1962.
2. 3M Novec 1230. Fire Protection Fluid. Technical Data. Electronics Materials Solutions Division. 3M Center, Building 224-3N-11. St. Paul, MN 55144-1000. August 2021.
3. Анисимов Г.И. и др. Топлива, смазочные материалы и технические жидкости. Ассортимент и применение. Справочник. М.: Техинформ, 1999. - 596 с.
4. Pat. US 3406244 A. Multi-liquid heat transfer. 07.06.1966.
5. Мастрюков Б.С.Теплофизика металлургических процессов. Учебник для вузов. - М.: МИСИС, 1996. - 268 с.