Метод снижения термического сопротивления погружной системы охлаждения супер ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Применение облачной обработки данных привело к росту вычислительной мощности супер ЭВМ.

Наращивание вычислительной мощности производится путем линейного масштабирования вычислительных процессоров и вычислительных ядер.

Основным ограничивающим фактором максимизации вычислительной мощности процессора служит тепловое решение, которое способна обеспечить система охлаждения процессора. Снижение качества термического менеджмента приводит к повышению температуры процессора и срабатыванию системы тепловой защиты процессора.

Перспективными системами охлаждения процессоров в современных суперкомпьютерах являются погружные системы охлаждени.

Погружной системой охлаждения называется система, в которой охлаждаемые электронные компоненты погружены в охлаждающую жидкую среду, процесс теплоотдачи в которую от электронных компонентов и приводит к охлаждению.

Недостатком однофазной системы охлаждения является низкий коэффициент теплоотдачи между твердотельным источником тепла и теплопередающей жидкостью, поэтому для таких систем охлаждения производят дополнительное охлаждение жидкости ниже температуры окружающей среды.

Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене стенка теплообменника - теплоноситель можно представить в виде зависимости функции числа Нуссельта от чисел Рейнольдса, Грасгофа и Прандтля:

.

Если считать, что физические свойства теплоносителя остаются неизменными при некотором изменении температуры, то коэффициент теплоотдачи между водой и плоской стенкой термического распределителя может быть описан как:

, (1)

где Cn - коэффициент подобия зависящий от свойств жидкости и характера течения; -коэффициент теплопроводности жидкости; - характерный размер, определяемый конструкцией теплообменника; Re - число Рейнольдса. Степенной коэффициент в формуле описывает характер течения. Для турбулентного течения он равен 0,8.

Погружная система охлаждения характерная большими объемами жидкости, поэтому скорость течения жидкости в такой системе охлаждения является низкой.

Согласно (1) увеличение коэффициента теплоотдачи возможно путем значительного увеличения числа Рейнольдса с переходом характера течения в турбулентный режим. Для случая течения по плоской стенке при повышении числа Рейнольдса до и более поток считается турбулентным.

Представим коэффициент Рейнольдса равный:

охлаждение твердотельный теплопередающий турбулизатор

.(2)

Из (1) и (2) следует, что с увеличением характерной скорости практически пропорционально увеличивается и коэффициент теплоотдачи .

Тепловой поток вычислительных микрочипов при максимальной нагрузке составляет от 153 до 458 кВт/ м2, поэтому интенсификация теплоотдачи необходимо только для данного вида электронных компонентов. Интенсификация возможна путем установки над компонентом активного турбулизатора, представляющего ротор с лопастями. Тогда, в качестве характерной скорости примем линейную скорость на внешнем диаметре турбулизатора, которая равна:

,

где R - радиус турбулизатора, м; n -частота вращения турбулизатора, . В качестве гидравлического диаметра примем диаметр турбулизатора. Тогда после преобразования получим:

или ,

где щ - угловая скорость, с-1.

Таким образом, изменение частоты вращения турбулизатора будет приводить к изменению числа Рейнольдса.

Для уменьшения влияния других электронных компонентов на результаты экспериментального исследования рассмотрим способ реализации погружной жидкостной системы охлаждения для процессора, изображенный на рис. 1. Система охлаждения микрочипа 1 включает теплообменник 2, накрывающий микрочип 1, внутри которого расположен турбулизатор 3. Охлаждение нагретой жидкости происходит в радиаторе 4 с применением принудительного охлаждения с помощью вентилятора 5. При работе, охлажденная жидкость подается в теплообменник 2. После теплообмена, она нагревается микрочипом 1 и становится нагретой. Поток нагретой жидкости поступает в радиатор 4, где она охлаждается.

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки исследования погружной системы охлаждения

Использованный в эксперименте теплообменник представлен на рис. 2. Теплообменник системы охлаждения состоит из корпуса 1, турбулизатора, который представляет собой вращающийся ротор с лопастями 2, и впускного 3 и выпускного 4 штуцеров. В стенке теплообменника есть канал для ввода охлаждающей жидкости. Диаметр турбулизатора равен 34 мм. Площадь микрочипа равна 120 мм2. Тепловая мощность микрочипа равна 65 Вт. Будем считать, что собственные потери теплообменника постоянны и не зависят от параметров течения жидкости.

Рис. 2. Экспериментальный теплообменник погружной системы охлаждения: проекция вида сверху (а) и разрезы (б, в)

Ключевым параметром, определяющим эффективность системы охлаждения, является термическое сопротивление системы охлаждения, определяемое для экспериментальной погружной системы охлаждения как:

,

где - температура крышки микрочипа, - температура окружающей среды, - тепловая мощность микрочипа. Существуют суммарные потери, определяемые физическими свойствами жидкости, конфигурацией теплообменника, произведем оценки через оценку влияния турбулизатора на суммарное термического сопротивления всей системы охлаждения.

Результаты экспериментального исследования зависимости общего термического сопротивления погружной системы охлаждения от числа Рейнольдса течения жидкости при конвективном теплообмене источник тепла - теплоноситель приведены на рис. 3.

Рис. 3. График зависимости общего термического сопротивления системы охлаждения от числа Рейнольдса в экспериментальной системе охлаждения

В эксперименте число Рейнольдса для исследуемого теплообменника изменялось в пределах путем изменения частоты вращения турбулизатора от 630 до 3960 .

В результате экспериментального исследования была получена зависимость общего термического сопротивления погружной системеы охлаждения от числа Рейнольдса для исследуемого теплообменника с турбулизатором.

Исследование показывает возможность локального снижения термического сопротивления погружных систем охлаждения для сохранения качества термического менеджмента элементов вычислительной техники, выделяющих значительную тепловую энергию. Определены диапазоны значений критерия Рейнольдса в системах, имеющих возможность технической реализации при текущей размерности упаковок микрочипов и размеров сокетов.

Размещено на Allbest.ru