浸沒式冷卻 Immersion Cooling -1U Server Flotherm 散熱分析實例

浸沒式冷卻Immersion Cooling 是什麼？

浸沒式冷卻(Immersion Cooling)是液冷技術(liquid cooling)中的一種，透過將伺服器直接浸泡在不導電的液體中，直接將零組件產生的熱能傳導給流體，不需要其他主動式的冷卻零件，譬如散熱鰭片、導熱銅管或風扇等等，溫度上升的液體透過循環冷卻方式再回流繼續吸收熱能。理論上可以大幅提升能源效率。

浸沒式冷卻分為兩種類型，各自有不同的運作原理

●單相浸沒式冷卻運作方式
伺服器及其他IT設備浸沒至導熱的介電液體槽中，流體以碳氫化合物合成具有高沸點，低黏度的特性不會改變其形態，無論是沸騰還是凍結，始終保持為液態。液體槽內安裝冷卻劑分配控制器 (Coolant Distribute Unit)推動液體槽內的流體循環，可因應需求再進一步將導熱液抽送到水箱外的熱交換器，將熱量傳遞到第二級冷卻迴路，例如建築物冷水。

●兩相浸沒式冷卻運算系統

將伺服器浸沒至低黏度、不導電的冷卻液中，透過冷卻液與發熱零件的直接接觸以及液體循環來帶走運算設備中的熱；同時由於液體低溫蒸發的過程將熱從液體池內轉移到池外空間，通過熱交換，例如冷凝管，水蒸氣再次冷卻凝結流回冷卻液池中，如此週而復始，不斷循環。(參考下圖)

●為何需要浸沒式冷卻技術Immersion Cooling ？

透過浸沒式冷卻技術直接將硬體置入特殊的不導電電子工程液中，因為不用再考慮傳統空氣熱對流的因素，伺服器可以設計的極為緊密，創造出最佳的硬體密度，而去除傳統風扇的優勢就在大幅降低資料中心的室內噪音，穩定提升PUE效率，因為捨棄外部冷卻的零件所以也相對減少了需要維修的零組件。

以上資料來源https://www.gigabyte.com/tw/Glossary/immersion-cooling

伺服器Server浸沒式冷卻Flotherm散熱分析實例

相關應用:Simcenter FloEFD 在浸沒式冷卻電動車電池系統之應用

隨著電子元器件功率的上升，散熱成為技術發展的瓶頸之一。單純的風冷在一些情況下無法滿足散熱需求，直接式液冷和間接式液冷因其可以提供更大量級的對流換熱係數，帶走更多的熱量，成為散熱方式上的更佳選擇。直接式液冷，又稱浸沒式冷卻，是將電子設備直接放入充滿諸如氟化液、矽油、合成油等之類的絕緣性液體中，通過絕緣液體的流動來帶走元器件產生的熱量，絕緣液體通過換熱器與外部冷源進行熱量交換，通過泵提供動力形成迴圈冷卻系統。由於浸沒式冷卻的眾多優勢，越來越多的被工程師們關注，尤其是在伺服器行業，已經有了非常多的應用。資料中心液冷與風冷的比較分析、資料中心製冷的模式分析分別見下兩表，表引用自“綠色資料中心”。

浸沒式冷卻系統包括液冷機櫃、管路部件、水泵、換熱器、冷卻塔及多個類型的感測器等部分，浸沒式液冷機櫃見上兩圖。在進行系統設計時，需要考慮到很多方面的內容，設計的精准控制也成為難點之一。隨著模擬技術的發展，為工程師的散熱設計提供了便利，在不需要實際運行的情況下便可得到一定精度的結果。對於整個液冷系統模擬，可以使用像Flowmaster之類的一維模擬軟體。對於局部單個機櫃或單台伺服器的散熱模擬可以使用FloTHERM軟體。通過FloTHERM軟體的模擬我們大致得到伺服器中CPU、HDD、PSU、Heat sink等部件的溫度值，通過模擬結果可以對冷卻系統的設計提供可靠的依據。單台1U伺服器的3D模型如下兩圖所示。

1U Server Flotherm 浸沒式冷卻模擬步驟如下：

1、依據3D模型的相關尺寸、位置資訊，在Flotherm中建立模擬模型：

在使用浸沒冷卻方式時，機架內部的風扇及風罩等部分可直接拆除。實際模型及簡化後的模擬外殼及內部部件模型圖分別如上兩圖所示。主要組成部分包括：CPU、HDD、PSU、DIMM、PCB、Enclosure、Cradle、Heat sink等。CPU為底部的基板、中心的陶瓷晶片封裝及頂部的IHS（金屬外殼），HDD為金屬外殼和2.5英寸硬碟，DIM為卡槽及記憶體條，PSU部分用阻尼模型及熱源替代；

2、各部件的的模擬參數如下：

PSU的阻尼模型參數如下圖所示，HDD外殼的格柵部分用70%開孔的平面阻尼模型替代，在CPU及IHS之間、IHS與Heat sink之間分別添加導熱矽脂的熱阻2.5e-05 K.m^2/W，分別對各部件及進出口區域設置溫度監測點；

3、設置各部件的參數後，定義模擬環境溫度35℃。

定義冷卻介質為3M Fluorinert Electronic Liquid FC-40，進口冷卻流體溫度35℃，屬性參數如下：密度1855 m^3/kg,粘度0.00275 kg/(m.s)，比熱容1100 J/(kg.K)，導熱係數0.065 W/(m.K)，膨脹係數0.00012 1/℃。通過Fixed Flow定義冷卻液的流量0.46 m^3/h，由Q=C M ∆T確定，Q是整個系統的功耗，C是冷卻液的比熱容，M冷卻液的品質流量（kg/s），∆T是進口溫升，一般取3-5℃，再取一定裕量，再定義重力方向,如下圖所示；