案例剖析：高溫數據中神思架改進設計
時間：2022-05-28 來源：fzflxx.com 作者： 我要糾錯
將數據中神思房的環境溫度提高到65°C(149°F)可以輔助企業大大降低冷卻成本。然而，在這樣的高溫狀態下保持操作也會帶來相應的挑釁，而且這還不包括在如斯殘酷的環境下工作對于工作職員而言是如許的可怕。風扇被內置于機架內部，以避免他們的運行操作溫度高于70°C(158°F)。有了這樣的構造部署，風扇的進氣口必須經由周密的設計，以保障其可以包容一個防塵過濾器。排氣安裝是相當主要的，以預防當空氣靠近卡籠時所帶來的大的速度變化，因為這種變化會使得任何一個卡均可以被放置在機架的任何插槽的要求難以滿意。
我們為客戶設計了一款機架，使其可以在65°C的環境下無窮期運行，并能消失到2千瓦。該設計的目的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。
數據核心的高溫操作豈但會帶來潛在的操作問題，同時也可能導致某些拜訪和保護問題。固然65℃的機房操作環境要顯著低于一間桑拿浴室的溫度，但人的舒服度和保險則是一個相稱重大的問題。機架設計必須許可快捷可以改換所有部件，包含風扇和過濾器。此外，維修頻率必需保持不變或降低。更頻繁地調換風扇顯然增加了本錢和停機時光。
治理氣流跟壓力降落
在操作過程中，大多數風扇都會被限制在70°C。在65°C時，“平均故障距離時間”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過風扇之前的溫度，然而這將增加噪聲，而性能更高的風扇將需要彌補壓力下降的增加。
實際的解決方案是在機架的進氣口安裝風扇。空氣流量僅由機架的負載決定，風扇始終面對的是65°C的最高溫度。
實行一個設計在進氣口安裝的風扇需要動態的管理壓力下降。在風的出口處，動態壓力與氣流速度有關。如果我們能夠在高動態壓力區域放置要害部件，動態壓力將是十分有用的。但我們的客戶的規格要求是為每個插槽產生均勻的空氣流。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箱的設計。我們必須以盡可能小的體積管理動態壓力下降，同時保持較低的壓力下降，這樣，高性能、高成本的風扇將是不用要的。
保持芯片冷卻
65°C高溫的操作環境會影響芯片的散熱冷卻。我們能夠斟酌兩種計劃，以湊合這個問題：增加操作環境的空氣流通和優化散熱器。我們專注于散熱器的壓降優化，以增加通過這些裝備的空氣流量，不讓風扇到達本人的極限，也不會產生跨卡殼的高壓降。因而，我們決議保持空氣的流量，其相稱于上一代機架的空氣流量。
組織冷卻系統
冷卻系統的組織，是為了使其合乎機架供給商的尺度。如圖1所示，其顯示了我們最終的設計草圖。進氣口是在前真個底部，而空氣的排出口是在頂部的反面或頂部。空氣流是從機架的底部流到頂部。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，以便該系統將能夠與現有的卡和機架向后兼容。機架的大小被固定在大概0.4 m x 0.44 m x 0.25 m (H x W x D)，這意味著系統中的空氣每秒將被調換約四次。
圖1：在機架和睦流方向上的不同模塊的位置。
定位風扇
我們實現了一個水平風扇托盤設計，因為它答應安裝足足數量的風扇，以使最小空氣流量要求可以得到知足。風扇托盤安置了八個92 mm x 92 mm x 38 mm的風扇。而垂直方向后面有足夠的空間，將允許風扇能夠容易地管理動態壓降(250 mm)，其將僅允許四個并排側風扇放置。增加風扇的數目將需要增加底盤高度92毫米(親近4英寸)。我們的剖析顯示，管理動態壓力而無需增加額定的增壓室高度將是可行的。
進氣口高度
因為我們不得不限度高度以盡可能的進步盤算密度，我們需要斷定進氣口的高度可能下降多少而不影響系統的壓降。我們模擬了不同高度的空氣進入量，并繪制了一幅壓降曲線與高度的關聯圖(圖2)。當該曲線的導數瀕臨于零時，這象征著增加高度將無奈再明顯降低壓降。我們抉擇的高度為50毫米(2英寸)，以該選項為基準，通過增長進氣口的高度，以減少相關的壓力下降(如果須要的話)。
圖2：壓降與進氣口高度曲線為0.2立方米/秒。
處置粉塵
在設計進程的開端，我們曾盼望使用過濾器作為一種工具，將其放置在風扇的排氣口來管理動態的壓力下降。但我們后來意識到因為動態壓力的因素，粉塵會迅速阻塞風扇葉片的表面。其結果是，空氣流對于設備的冷卻將隨時間而變化。
在進氣口的垂直方向上裝置過濾器也不是一個選項，因為從一個絕對較小的進氣口通過或減少進氣進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請求高機能的風扇。此外，過濾器會更敏捷的梗塞，由于減少了過濾面積。在我們的模仿中，我們專一于通過過濾器實現空氣的壓力降低和平均散布。
我們這個項目標客戶選擇了Mentor Graphics公司的FloTherm三維計算流體能源學(CFD)模擬軟件進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。當來自風扇的過濾器的范疇是在0到25毫米的時候，靠近過濾器捕捉龐雜流動變得更加癥結，所以我們采取一個厚電阻模型，我們所挑選的是0.25英寸Quadrafoam過濾器。我們還采用了過濾器供應商供給的一個先進的阻力模型。
保持過濾器與風扇的平行是一大領有其主要上風的取舍：過濾器的提取無比契合人體工程學。我們不得不增加系統高度至25毫米，同時將過濾器的尺寸被制約為系統的深度和寬度。增加表面應減少壓力下降,精密空調是是工藝性空調中的一種類型，通常我們把對室內溫、濕度波動和區域偏差控制要求嚴格的空調稱之為恒溫恒濕空調。恒溫恒濕廣泛應用于電子、光學設備、化妝品、醫療衛生、生物制藥、食品制造、各類計量、檢測及實驗室等行業。，同時增加維修的次數。使用進氣口對角線來增加表面的空氣進入量。這個概念在空調系統中常常被使用。我們證明了這必定位，如圖3所示，其可以說是最好的模擬。
圖3：風機的擋板和托盤之間的濾塵器的位置。
我們想確保傾斜過濾器將有助于空氣的流暢，使進氣口空氣在內部的滾動。我們還想確認所有的名義都會平均的堅持灰塵。仿真結果表明，壓降很低(圖4-6)。風扇的工作壓力為均勻95帕(最低86帕,機房空調顧名思義其是一種專供機房使用的高精度空調，因其不但可以控制機房溫度，也可以同時控制濕度，因此也叫恒溫恒濕空調機房專用空調機，另因其對溫度、濕度控制的精度很高，亦稱機房精密空調。，最高106帕)。而假如過濾器被程度安頓在風扇前25毫米的自在空間，咱們得到了雷同的成果，但不會在體系的總高度中增添25毫米。在一個勻稱的速度，傾斜的過濾器使全部過濾器的表面被平勻地應用。該過濾器的傾斜地位依然容許疾速維修。
圖4：風扇進氣口的靜態壓力(0.2破方米/秒)。
圖5：靜態壓力，垂直切割(0.2立方米/秒)。
圖6：垂直切割速度(0.2立方米/秒)。
繚繞電磁煩擾屏工作
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屏蔽局部直氣流(圖7)。可憐的是，其是由一部門封閉的細胞資料，也限制了空氣氣流進入。在一個關閉的容積環境中的空氣流動產生壓力下降(如在一個內部逝世流區)，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)。
在創建一個組件，使每個插槽的氣流均勻統一之前，我們決定看看仿真模擬空氣流量，而不考慮漩渦。我們視察到在闊別風扇75毫米的一定距離，速度變化仍舊異常重要(圖8)。
圖8：風扇后的速度分布后;頂部垂直切割，存在兩條線設置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)。
我們創建了一個多孔板，其擁有兩個重要功效：1)在不插槽的處所結束氣流流動，以避免將空氣吹入封鎖的EMI屏蔽物;2)在我們察看到較高的氣流速度的區域減少氣流流動。這個多孔流體調配板(FDP)，如圖9所示，必須是與該EMI屏蔽接觸。其將從而在入口處封閉，由卡機架的另一側已經關閉了蜂窩孔格關閉。因為板不需要維護，它可以銜接到EMI屏蔽取代風扇機架。風扇和該多孔板之間的距離是至關重要的。氣流必須能夠被通過啟齒槽而不產生不可接受的壓力下降。
圖9：空氣流量調度板。
我們從三個模擬的壓降與間隔的相干數據繪制了一幅曲線圖(圖10)，這表明30毫米(1.2英寸)是空間相對具備良好的空氣流動分布的壓降的良好調和。該板未發生充足均勻的流動(圖11)，而是由卡的改良產生的壓降改進了氣流分布。在每個卡插槽進氣口的終極模擬和寰球模擬的空氣流量丈量顯示來自從左到右，由前向后可接收的分布。
圖10：壓力下降曲線與FDP的距離(0.2立方米/秒)。
圖11：EMI屏蔽進氣口的距離與風扇的進氣氣流分布：30毫米(0.2立方米/秒)。
論斷
將數據中央的操作室溫增加至65°C可以通過在進氣安裝風扇來實現。我們使用了一個在空調范疇已經家喻戶曉的解決方案，以肯定灰塵過濾器的位置，通過模擬試驗，我們證實了該解決方案可以減少機箱容積。我們在CFD模擬中使用了一個各向同性的進步的過濾器模型，優化了湊近風扇的過濾器的位置。該設計還安排了一個簡略的板，在動態壓力太高的地域把持氣流流動的阻力。這些優化的結果，使我們能夠創立一個機架，其所有卡插槽的空氣流量是同一均勻的。進氣口微風扇機架的總高度僅為120毫米。
因為所有的部件都能夠很輕易從前面訪問，維護操作時間減少到最低限度。將風扇和過濾器整合在一起，以進一步減少維護時間也成為可能。每個風扇保持低于20%的最大吞吐量，以防止早期風扇故障，并最大限度地提高設備的使用壽命。所有過濾器的表面區域被等同使用，避免空氣流量分布隨時間變更，及跟著時間的推移過濾器被擁塞。
對于作者
本文作者Guy Diemunsch是法國Institut Vendecom的熱專家。當他還在籌備Univesite de Franche-Comté UFC的物理學博士學位期間，就開始對散熱設計產生了興致。在1994年，他加入惠普，開始樹立一個新的事業部，專門為工作站處理器開發高端散熱解決方案。在2004年，Guy加盟電力電子行業，以解決增加逆變器和轉換器功率密度的相關問題。稍后，施耐德電氣公司旗下的MGE UPS，雇用了Diemunsch負責開發由Aavid Thermalloy公司制作的新的氣流解決方案。Guy于2013年參加電子冷卻解決方案公司(Electronic Cooling Solutions)。自2015年以來，他始終在為混雜動力和電動汽車發明解決方案，其中包括如何從高功率密度電力發念頭中提取熱量的解決方案。
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