RU2790200C1 - Liquid for immersion cooling of computer equipment - Google Patents
Liquid for immersion cooling of computer equipment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790200C1 RU2790200C1 RU2021134984A RU2021134984A RU2790200C1 RU 2790200 C1 RU2790200 C1 RU 2790200C1 RU 2021134984 A RU2021134984 A RU 2021134984A RU 2021134984 A RU2021134984 A RU 2021134984A RU 2790200 C1 RU2790200 C1 RU 2790200C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boiling
- liquid
- low
- cooling
- heat
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, конкретно к области охлаждения вычислительной техники путем погружения ее в жидкость.The present invention relates to the field of computer technology, specifically to the field of cooling computer technology by immersing it in a liquid.
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.An analogue of the proposed invention should be considered an installation for immersion cooling of semiconductor devices, described in [1] and using a low-boiling dielectric liquid, such as freon, as a cooling medium.
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.This technical solution has a lot of advantages, in particular, it allows to provide a sufficiently low cooling temperature of the heat exchange surfaces. The installation does not need a pump, the circulation of the coolant in it is provided by the Archimedean force that occurs when gas bubbles form. The temperature of all heat-loaded nodes of the computing device is the same, constant in time, weakly dependent on power changes and practically equal to the boiling point of the liquid.
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.However, this solution is not without drawbacks. In particular, low-boiling liquids have low thermal conductivity and low evaporation heat, which leads to a rather weak heat removal from the cooled surfaces, an increase in the likelihood of film boiling and, as a result, fatal overheating of heat exchange surfaces and accidents. In table. Table 1 shows the properties of one of the low-boiling liquids used for immersion cooling of electronics (perfluoro(ethyl-isopropylketone, commercial names: fluoroketone FK-5-1-12, Novec1230) in comparison with water and base synthetic polyalphaolefin oil PAOM-2, also used as non-boiling in the operating temperature range (so-called single-phase) liquid for immersion cooling of electronics.
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.In addition, low-boiling liquids usually have a very low viscosity in both liquid and gaseous states, which leads to their leakage through the slightest leaks. And, finally, they are very expensive, their price can exceed the price of non-boiling liquids for immersion cooling by more than an order of magnitude.
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.That. The properties of liquid heat carriers pose significant limitations for equipment developers. Heat transfer during liquid boiling is a very intensive process that ensures high temperature constancy in space and time and is therefore widely used in technology, for example, in foundry and hardening machines. But the properties of low-boiling dielectric liquids are such that these advantages of the boiling process are minimized.
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.Obviously, water can provide very efficient heat removal due to the high heat of evaporation, heat capacity, and thermal conductivity (see Table 1), but the use of water for immersion cooling of computing devices is hindered by its electrical conductivity and unacceptably high boiling point. Consideration of the properties presented in Table. 1 of liquids shows that it is advisable to use low-boiling and non-boiling dielectric liquids simultaneously for cooling computer equipment.
Такое решение реализовано в изобретении [4], которое следует считать наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению прототипом.Such a solution is implemented in the invention [4], which should be considered the prototype closest in technical essence to the proposed invention.
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.This solution has significant advantages over its counterpart. It uses the advantages of both coolants - the low boiling point of a low-boiling liquid, the high heat capacity and thermal conductivity of a non-boiling liquid. Liquids in it are arranged in layers, a low-boiling heavy liquid at the bottom (cooled equipment is directly immersed in it), a non-boiling light liquid at the top. Bubbles of a boiling heavy liquid enter a forcedly cooled light liquid and condense there. In such a design, there are no volumes filled with low-viscosity vapors of a low-boiling liquid, and therefore the leakage of the latter cannot be significant.
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.However, this device has disadvantages. In any case, the amount of expensive low-boiling liquid must be large enough to completely cover the surfaces to be cooled. Also, due to the low heat capacity, thermal conductivity and heat of evaporation of a low-boiling liquid, there is a risk of boiling transition to a film mode. In addition, the same reasons lead to a rather weak heat dissipation.
Исходя из изложенного выше, предлагаемое изобретение должно решать следующие задачи:Based on the foregoing, the proposed invention should solve the following problems:
- интенсифицировать отвод тепла от охлаждаемой вычислительной техники;- to intensify heat removal from the cooled computer equipment;
- обеспечить постоянство температуры охлаждаемых поверхностей в пространстве и времени;- to ensure the constancy of the temperature of the cooled surfaces in space and time;
- исключить пленочное кипение и связанные с ним ситуации аварийного перегрева;- eliminate film boiling and related situations of emergency overheating;
Все эти задачи решаемы при условии, что на поверхностях теплообмена имеет место пузырьковое кипение, поскольку именно оно обеспечивает интенсивный и стабильный отвод тепла.All these problems can be solved on the condition that nucleate boiling takes place on the heat exchange surfaces, since it is this boiling that ensures intensive and stable heat removal.
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.But in addition, for economic reasons, it is necessary to minimize the amount of low-boiling liquid and minimize leakage of low-boiling liquid, and the second does not contradict the first - the less low-boiling liquid in the system, the less its losses.
Технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого изобретения, может быть сформулирован следующим образом: обеспечение пузырькового кипения при минимальном количестве низкокипящей жидкости.The technical result achieved by the present invention can be formulated as follows: ensuring nucleate boiling with a minimum amount of low-boiling liquid.
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.To achieve the desired technical result, it is certainly necessary to use evaporative cooling and, consequently, to use low-boiling liquids, but to combine the properties of low-boiling and non-boiling liquids. Since such liquids are usually insoluble in each other, it is advisable to use emulsions consisting mainly of a non-boiling liquid forming a continuous phase in which fine droplets of a low-boiling liquid are suspended.
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.The essence of the present invention lies in the use of such emulsions. Liquid for immersion cooling of computers, according to the invention, works as intended as follows. An emulsion is made from a non-boiling liquid and a low-boiling liquid by any of the known methods. The emulsion is pumped through a cuvette in which the cooled computer equipment is located and through a heat exchanger in which the heat of the emulsion is discharged into the environment, and the heated emulsion is taken into the heat exchanger at the lower point of the cuvette, and the cooled emulsion is returned from the heat exchanger at the upper point of the cuvette.
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].On the cooled surfaces, the dispersed phase boils, drops of low-boiling liquid evaporate. In this case, the well-known process of destruction of the boundary layer by vapor bubbles occurs. Constant mixing and destruction of the boundary layer by bubbles leads to the fact that new portions of the cold liquid, previously unaffected by heat transfer, constantly come into contact with the cooled surface, due to which, in fact, very high values of the heat transfer coefficient are achieved during bubble boiling [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.But in this case, the low-boiling liquid performs only the function of the destroyer of the boundary layer, and the heat from the cooled surface is removed mainly by the non-boiling liquid, which has a higher heat capacity and thermal conductivity.
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.The transition to film boiling in this case is practically impossible: since the bulk of the emulsion is a non-boiling liquid, even with the complete evaporation of a low-boiling liquid, the liquid will still contact the cooled surface, not vapor.
Капли маловязкой низкокипящей жидкости со всех сторон окружены в эмульсии высоковязкой жидкостью, поэтому утечка низкокипящей жидкости через неплотности незначительна.Drops of a low-viscosity, low-boiling liquid are surrounded on all sides in an emulsion by a high-viscosity liquid, so the leakage of a low-boiling liquid through leaks is negligible.
Немаловажно и то, что количество дорогостоящей низкокипящей жидкости в предлагаемом решении невелико, ее объем может быть меньше, чем объем охлаждаемого оборудования.It is also important that the amount of expensive low-boiling liquid in the proposed solution is small, its volume may be less than the volume of the equipment to be cooled.
Работу предлагаемого изобретения поясняют приведенные ниже примеры.The work of the invention is illustrated by the following examples.
Электрический нагреватель с прикрепленным к нему ребристым теплообменником суммарной площадью ребер 120 см2, помещенный в кювету объемом 1,6 дм3, охлаждали эмульсией, состоящей из Novec1230 и ПАОМ-2. Эмульсию прокачивали через паяный медный радиатор с площадью поверхности теплообмена 0,9 м2. Радиатор охлаждали осевым вентилятором мощностью 35 Вт при температуре воздуха 18°С. Мощность на нагревателе плавно повышали, регистрируя температур радиатора.An electric heater with a finned heat exchanger attached to it with a total fin area of 120 cm 2 , placed in a cuvette with a volume of 1.6 dm 3 , was cooled with an emulsion consisting of Novec1230 and PAOM-2. The emulsion was pumped through a brazed copper radiator with a heat exchange surface area of 0.9 m 2 . The radiator was cooled by a 35 W axial fan at an air temperature of 18°C. The power on the heater was gradually increased by recording the temperature of the radiator.
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.The fact of nucleate boiling was registered by the appearance of the so-called. “shelves” on the radiator heating curve, when an increase in the power consumed by the heater did not lead to an increase in the radiator temperature; while the temperature of the latter stabilized at a level close to the boiling point of Novec1230, i.e. 49.2°C.
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.After reaching the “shelf”, the power was increased until the temperature of the radiator rose above 50.1°C. Since the indicated figure was metrologically significantly higher than the boiling point of Novec1230, the indicated temperature increase meant the degeneration of nucleate boiling and its transition to film boiling; at the moment of reaching this temperature, the maximum allowable heat flux removed from the radiator for a given emulsion composition was reached, equal to the electric power consumed by the heater. Examples of the work of the emulsion of various compositions are given in table. 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.Table data. 2 show that at a concentration of Novec1230 below 2 wt%, nucleate boiling (and boiling in general) is practically not observed, the emulsion works as if it did not contain a low-boiling phase at all. A non-boiling emulsion is unable to provide stable, intensive and uniform cooling of heat-stressed surfaces.
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.Above 42 wt % Novec1230, the power at which the heatsink reaches 50.1°C begins to decrease, i.e. The degeneration of nucleate boiling and its transition to film boiling occurs at lower heat flux densities. That. the use of emulsions with a concentration of Novec1230 above 42% of the mass. impractical, especially since an increase in the concentration of Novec230 leads to an increase in the cost of the emulsion.
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.Comparison of these examples shows that in the present invention at a concentration of low-boiling liquid from 2 to 42% of the mass. the required technical result is achieved - providing nucleate boiling with a minimum amount of low-boiling liquid.
Источники информацииInformation sources
1. Pat. GB 1028363 A The cooling of semi-conductor devices. 17.01.1962.1.Pat. GB 1028363A The cooling of semi-conductor devices. 01/17/1962.
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 2021.2. 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.3. Anisimov G.I. etc. Fuels, lubricants and technical liquids. range and application. Directory. M.: Tekhinform, 1999. - 596 p.
4. Pat. US 3406244 A. Multi-liquid heat transfer. 07.06.1966.4.Pat. US 3406244 A. Multi-liquid heat transfer. 06/07/1966.
5. Мастрюков Б.С.Теплофизика металлургических процессов. Учебник для вузов. - М.: МИСИС, 1996. - 268 с.5. Mastryukov B.S. Thermal physics of metallurgical processes. Textbook for high schools. - M.: MISIS, 1996. - 268 p.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2790200C1 true RU2790200C1 (en) | 2023-02-15 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9195282B2 (en) * | 2013-02-01 | 2015-11-24 | Dell Products, L.P. | Vertically-oriented immersion server with vapor bubble deflector |
| US9773526B2 (en) * | 2013-02-01 | 2017-09-26 | Dell Products, L.P. | System for cooling hard disk drives using vapor momentum driven by boiling of dielectric liquid |
| RU2643173C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-01-31 | Общество с ограниченной ответственностью "НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров" | Immersion cooling system for electronic devices |
| WO2018224908A1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-12-13 | 3M Innovative Properties Company | Fluids for immersion cooling |
| WO2021150801A1 (en) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | The Chemours Company Fc, Llc | Synthesis of (e)-1,1,1,4,5,5,5-heptafluoro-4-(trifluoromethyl)pent-2-ene |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9195282B2 (en) * | 2013-02-01 | 2015-11-24 | Dell Products, L.P. | Vertically-oriented immersion server with vapor bubble deflector |
| US9773526B2 (en) * | 2013-02-01 | 2017-09-26 | Dell Products, L.P. | System for cooling hard disk drives using vapor momentum driven by boiling of dielectric liquid |
| RU2643173C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-01-31 | Общество с ограниченной ответственностью "НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров" | Immersion cooling system for electronic devices |
| WO2018224908A1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-12-13 | 3M Innovative Properties Company | Fluids for immersion cooling |
| WO2021150801A1 (en) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | The Chemours Company Fc, Llc | Synthesis of (e)-1,1,1,4,5,5,5-heptafluoro-4-(trifluoromethyl)pent-2-ene |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11116113B2 (en) | Cooling electronic devices in a data center | |
| You et al. | Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool boiling heat transfer | |
| El-Genk et al. | Experimental investigation of saturation boiling of HFE-7000 dielectric liquid on rough copper surfaces | |
| US6658861B1 (en) | Cooling of high power density devices by electrically conducting fluids | |
| WO2016075838A1 (en) | Cooling system and cooling method for electronic apparatus | |
| JPWO2016157397A1 (en) | Electronic equipment cooling system | |
| Campbell et al. | Numerical prediction of the junction-to-fluid thermal resistance of a 2-phase immersion-cooled IBM dual core POWER6 processor | |
| TWI837731B (en) | Fluid immersion cooling system and method of cooling electronic system | |
| US20190107333A1 (en) | Heat pipes, methods for transferring heat using heat pipes, and heat transfer fluids for use in heat pipes | |
| RU2790200C1 (en) | Liquid for immersion cooling of computer equipment | |
| CN115066157A (en) | Liquid cooling heat dissipation system and data center | |
| JP7126279B2 (en) | Electronic device with bubble release device | |
| Chakraborty et al. | A review on coolant selection for thermal management of electronics and implementation of multiple-criteria decision-making approach | |
| Efeovbokhan et al. | Comparison of the cooling effects of a locally formulated car radiator coolant with water and a commercial coolant | |
| JP2005126480A (en) | Heat transfer hydraulic fluid comprising fluorinated ketone | |
| CN110536586A (en) | A kind of immersion cooling device | |
| CN104216490B (en) | A kind of computer chip liquid cooled cooling system | |
| WO2023064129A1 (en) | Immersion cooling dielectric working fluids | |
| EP2587535A1 (en) | Ceramic radiation heat dissipation structure | |
| WO2022030464A1 (en) | Immersion cooling device, heat pipe, and cold plate | |
| JPH04226057A (en) | Coolant for cooling dip liquid and boiling liquid cooled electric apparatus | |
| TWM347807U (en) | Cooling system with high power thyristors | |
| Swarnkar et al. | Pressure influence on saturated boiling of R141b over Cu and Si-coated surfaces | |
| Arik | Enhancement of pool boiling critical heat flux in dielectric liquids | |
| TWM589293U (en) | Heat dissipation module and electronic device |