將數(shù)據(jù)中心機(jī)房的環(huán)境溫度提高到65°C(149°F)可以幫助企業(yè)大大降低冷卻成本。然而，在這樣的高溫狀況下維持操作也會帶來相應(yīng)的挑戰(zhàn)，而且這還不包括在如此嚴(yán)酷的環(huán)境下工作對于工作人員而言是多么的恐怖。風(fēng)扇被內(nèi)置于機(jī)架內(nèi)部，以防止他們的運(yùn)行操作溫度高于70°C(158°F)。有了這樣的結(jié)構(gòu)安排，風(fēng)扇的進(jìn)氣口必須經(jīng)過縝密的設(shè)計(jì)，以保證其可以容納一個防塵過濾器。排氣裝置是相當(dāng)重要的，以防止當(dāng)空氣接近卡籠時所帶來的大的速度變化，因?yàn)檫@種變化會使得任何一個卡均可以被放置在機(jī)架的任何插槽的要求難以滿足。
我們?yōu)榭蛻粼O(shè)計(jì)了一款機(jī)架，使其可以在65°C的環(huán)境下無限期運(yùn)行，并能消散到2千瓦。該設(shè)計(jì)的目標(biāo)是降低壓力下降和濾塵器的維修頻率，以及提供相對均勻的氣流分布，使高功率卡可以被安置在任何槽。
數(shù)據(jù)中心的高溫操作不但會帶來潛在的操作問題，同時也可能導(dǎo)致某些訪問和維護(hù)問題。雖然65℃的機(jī)房操作環(huán)境要顯著低于一間桑拿浴室的溫度，但人的舒適度和安全則是一個相當(dāng)嚴(yán)重的問題。機(jī)架設(shè)計(jì)必須允許快速能夠更換所有部件，包括風(fēng)扇和過濾器。此外，維修頻率必須保持不變或降低。更頻繁地更換風(fēng)扇顯然增加了成本和停機(jī)時間。
管理氣流和壓力下降
在操作過程中，大多數(shù)風(fēng)扇都會被限制在70°C。在65°C時，“平均故障間隔時間”并不會真正允許一個可接受的更換頻率。較高的空氣流量可以減少空氣經(jīng)過風(fēng)扇之前的溫度，但是這將增加噪聲，而性能更高的風(fēng)扇將需要補(bǔ)償壓力下降的增加。
實(shí)際的解決方案是在機(jī)架的進(jìn)氣口安裝風(fēng)扇。空氣流量僅由機(jī)架的負(fù)載決定，風(fēng)扇始終面對的是65°C的最高溫度。
實(shí)施一個設(shè)計(jì)在進(jìn)氣口安裝的風(fēng)扇需要動態(tài)的管理壓力下降。在風(fēng)的出口處，動態(tài)壓力與氣流速度有關(guān)。如果我們能夠在高動態(tài)壓力區(qū)域放置關(guān)鍵部件，動態(tài)壓力將是非常有用的。但我們的客戶的規(guī)格要求是為每個插槽產(chǎn)生均勻的空氣流。在每一個插槽從前至后的氣流也必須是均勻的。氣流的均勻性簡化了新的卡和將新的卡放置在機(jī)箱的設(shè)計(jì)。我們必須以盡可能小的體積管理動態(tài)壓力下降，同時保持較低的壓力下降，這樣，高性能、高成本的風(fēng)扇將是不必要的。
保持芯片冷卻
65°C高溫的操作環(huán)境會影響芯片的散熱冷卻。我們可以考慮兩種方案，以對付這個問題：增加操作環(huán)境的空氣流通和優(yōu)化散熱器。我們專注于散熱器的壓降優(yōu)化，以增加通過這些設(shè)備的空氣流量，不讓風(fēng)扇達(dá)到自己的極限，也不會產(chǎn)生跨卡殼的高壓降。因此，我們決定保持空氣的流量，其相當(dāng)于上一代機(jī)架的空氣流量。
組織冷卻系統(tǒng)
冷卻系統(tǒng)的組織，是為了使其符合機(jī)架供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，其顯示了我們最終的設(shè)計(jì)草圖。進(jìn)氣口是在前端的底部，而空氣的排出口是在頂部的背面或頂部。空氣流是從機(jī)架的底部流到頂部。最小空氣流量為每秒0.2立方米(m3/s)或420立方英尺每分鐘(cfm)。這一空氣流被定義了，以便該系統(tǒng)將能夠與現(xiàn)有的卡和機(jī)架向后兼容。機(jī)架的大小被固定在大約0.4 m x 0.44 m x 0.25 m (H x W x D)，這意味著系統(tǒng)中的空氣每秒將被替換約四次。
圖1：在機(jī)架和氣流方向上的不同模塊的位置。
定位風(fēng)扇
我們實(shí)現(xiàn)了一個水平風(fēng)扇托盤設(shè)計(jì)，因?yàn)樗试S安裝足夠數(shù)量的風(fēng)扇，以使最小空氣流量要求可以得到滿足。風(fēng)扇托盤安置了八個92 mm x 92 mm x 38 mm的風(fēng)扇。而垂直方向后面有足夠的空間，將允許風(fēng)扇能夠容易地管理動態(tài)壓降(250 mm)，其將僅允許四個并排側(cè)風(fēng)扇放置。增加風(fēng)扇的數(shù)量將需要增加底盤高度92毫米(接近4英寸)。我們的分析顯示，管理動態(tài)壓力而無需添加額外的增壓室高度將是可行的。
進(jìn)氣口高度
因?yàn)槲覀儾坏貌幌拗聘叨纫员M可能的提高計(jì)算密度，我們需要確定進(jìn)氣口的高度能夠降低多少而不影響系統(tǒng)的壓降。我們模擬了不同高度的空氣進(jìn)入量，并繪制了一幅壓降曲線與高度的關(guān)系圖(圖2)。當(dāng)該曲線的導(dǎo)數(shù)接近于零時，這意味著增加高度將無法再顯著降低壓降。我們選擇的高度為50毫米(2英寸)，以該選項(xiàng)為基準(zhǔn)，通過增加進(jìn)氣口的高度，以減少相關(guān)的壓力下降(如果需要的話)。
圖2：壓降與進(jìn)氣口高度曲線為0.2立方米/秒。
處理粉塵
在設(shè)計(jì)過程的開始，我們曾希望使用過濾器作為一種工具，將其放置在風(fēng)扇的排氣口來管理動態(tài)的壓力下降。但我們后來意識到由于動態(tài)壓力的因素，粉塵會迅速堵塞風(fēng)扇葉片的表面。其結(jié)果是，空氣流對于設(shè)備的冷卻將隨時間而變化。
在進(jìn)氣口的垂直方向上安裝過濾器也不是一個選項(xiàng)，因?yàn)閺囊粋€相對較小的進(jìn)氣口通過或減少進(jìn)氣入口的橫截面會造成較高的空氣流通速度。通過過濾器的壓力下降將要求高性能的風(fēng)扇。此外，過濾器會更迅速的堵塞，因?yàn)闇p少了過濾面積。在我們的模擬中，我們專注于通過過濾器實(shí)現(xiàn)空氣的壓力下降和均勻分布。
我們這個項(xiàng)目的客戶選擇了Mentor Graphics公司的FloTherm三維計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)模擬軟件進(jìn)行空氣流動和熱模擬。有多種可能性來模擬過濾器，例如使用折疊電阻。當(dāng)來自風(fēng)扇的過濾器的范圍是在0到25毫米的時候，靠近過濾器捕獲復(fù)雜流動變得更加關(guān)鍵，所以我們采用一個厚電阻模型，我們所選擇的是0.25英寸Quadrafoam過濾器。我們還采用了過濾器供應(yīng)商提供的一個先進(jìn)的阻力模型。
保持過濾器與風(fēng)扇的平行是一大擁有其主要優(yōu)勢的選擇：過濾器的提取非常符合人體工程學(xué)。我們不得不增加系統(tǒng)高度至25毫米，同時將過濾器的尺寸被限制為系統(tǒng)的深度和寬度。增加表面應(yīng)減少壓力下降，同時增加維修的次數(shù)。使用進(jìn)氣口對角線來增加表面的空氣進(jìn)入量。這個概念在空調(diào)系統(tǒng)中經(jīng)常被使用。我們證實(shí)了這一定位，如圖3所示，其可以說是最好的模擬。
我們想確保傾斜過濾器將有助于空氣的流通，使進(jìn)氣口空氣在內(nèi)部的轉(zhuǎn)動。我們還想確認(rèn)所有的表面都會均勻的保持灰塵。仿真結(jié)果表明，壓降很低(圖4 6)。風(fēng)扇的工作壓力為平均95帕(最低86帕，最高106帕)。而如果過濾器被水平安置在風(fēng)扇前25毫米的自由空間，我們得到了相同的結(jié)果，但不會在系統(tǒng)的總高度中增加25毫米。在一個均勻的速度，傾斜的過濾器使整個過濾器的表面被均勻地使用。該過濾器的傾斜位置仍然允許快速維修。
圖4：風(fēng)扇進(jìn)氣口的靜態(tài)壓力(0.2立方米/秒)。
圖5：靜態(tài)壓力，垂直切割(0.2立方米/秒)。
圖6：垂直切割速度(0.2立方米/秒)。
圍繞電磁干擾屏工作
一種蜂窩電磁干擾(EMI)是6.35毫米厚(0.25英寸)，位于卡盤前。EMI屏蔽部分直氣流(圖7)。不幸的是，其是由一部分封閉的細(xì)胞材料，也限制了空氣氣流進(jìn)入。在一個封閉的容積環(huán)境中的空氣流動產(chǎn)生壓力下降(如在一個內(nèi)部死流區(qū))，我們觀察到的旋渦和流動的干擾，難以模擬。
圖7：蜂窩EMI過濾器(Parker Chomerics)。
在創(chuàng)建一個組件，使每個插槽的氣流均勻統(tǒng)一之前，我們決定看看仿真模擬空氣流量，而不考慮漩渦。我們觀察到在遠(yuǎn)離風(fēng)扇75毫米的一定距離，速度變化仍然非常重要(圖8)。
圖8：風(fēng)扇后的速度分布后;頂部垂直切割，具有兩條線設(shè)置50和75毫米的位置(約2和3英寸。)，底部是水平橫剪為50毫米(0.2立方米/秒)。
我們創(chuàng)建了一個多孔板，其具有兩個主要功能：1)在沒有插槽的地方停止氣流流動，以避免將空氣吹入封閉的EMI屏蔽物;2)在我們觀察到較高的氣流速度的區(qū)域減少氣流流動。這個多孔流體分配板(FDP)，如圖9所示，必須是與該EMI屏蔽接觸。其將從而在入口處關(guān)閉，由卡機(jī)架的另一側(cè)已經(jīng)關(guān)閉了蜂窩孔格封閉。因?yàn)榘宀恍枰S護(hù)，它可以連接到EMI屏蔽代替風(fēng)扇機(jī)架。風(fēng)扇和該多孔板之間的距離是至關(guān)重要的。氣流必須能夠被通過開口槽而不產(chǎn)生不可接受的壓力下降。
圖9：空氣流量調(diào)度板。
我們從三個模擬的壓降與距離的相關(guān)數(shù)據(jù)繪制了一幅曲線圖(圖10)，這表明30毫米(1.2英寸)是空間相對于具有良好的空氣流動分布的壓降的良好折衷。該板未產(chǎn)生充分均勻的流動(圖11)，而是由卡的改進(jìn)產(chǎn)生的壓降改進(jìn)了氣流分布。在每個卡插槽進(jìn)氣口的最終模擬和全球模擬的空氣流量測量顯示來自從左到右，由前向后可接受的分布。
圖10：壓力下降曲線與FDP的距離(0.2立方米/秒)。
圖11：EMI屏蔽進(jìn)氣口的距離與風(fēng)扇的進(jìn)氣氣流分布：30毫米(0.2立方米/秒)。
結(jié)論
將數(shù)據(jù)中心的操作室溫增加至65°C可以通過在進(jìn)氣安裝風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)。我們使用了一個在空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)眾所周知的解決方案，以確定灰塵過濾器的位置，通過模擬實(shí)驗(yàn)，我們證明了該解決方案可以減少機(jī)箱容積。我們在CFD模擬中使用了一個各向同性的先進(jìn)的過濾器模型，優(yōu)化了靠近風(fēng)扇的過濾器的位置。該設(shè)計(jì)還部署了一個簡單的板，在動態(tài)壓力太高的地區(qū)控制氣流流動的阻力。這些優(yōu)化的結(jié)果，使我們能夠創(chuàng)建一個機(jī)架，其所有卡插槽的空氣流量是統(tǒng)一均勻的。進(jìn)氣口和風(fēng)扇機(jī)架的總高度僅為120毫米。
由于所有的部件都能夠很容易從前面訪問，維護(hù)操作時間減少到最低限度。將風(fēng)扇和過濾器整合在一起，以進(jìn)一步減少維護(hù)時間也成為可能。每個風(fēng)扇保持低于20%的最大吞吐量，以避免早期風(fēng)扇故障，并最大限度地提高設(shè)備的使用壽命。所有過濾器的表面區(qū)域被同等使用，避免空氣流量分布隨時間變化，及隨著時間的推移過濾器被堵塞。
關(guān)于作者
本文作者Guy Diemunsch是法國Institut Vendecom的熱專家。當(dāng)他還在準(zhǔn)備Univesite de Franche-Comt UFC的物理學(xué)博士學(xué)位期間，就開始對散熱設(shè)計(jì)產(chǎn)生了興趣。在1994年，他加入惠普，開始建立一個新的事業(yè)部，專門為工作站處理器開發(fā)高端散熱解決方案。在2004年，Guy加盟電力電子行業(yè)，以解決增加逆變器和轉(zhuǎn)換器功率密度的相關(guān)問題。稍后，施耐德電氣公司旗下的MGE UPS，雇用了Diemunsch負(fù)責(zé)開發(fā)由Aavid Thermalloy公司制造的新的氣流解決方案。Guy于2013年加入電子冷卻解決方案公司(Electronic Cooling Solutions)。自2015年以來，他一直在為混合動力和電動汽車創(chuàng)造解決方案，其中包括如何從高功率密度電力發(fā)動機(jī)中提取熱量的解決方案。
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