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(huì)帶來(lái)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(duì)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(guò)縝密的設(shè)計(jì)，以保證其可以容納一個(gè)防塵過(guò)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(shí)所帶來(lái)的大的速度變化，因?yàn)檫@種變化會(huì)使得任何一個(gè)卡均可以被放置在機(jī)架的任何插槽的要求難以滿(mǎn)足。

我們?yōu)榭蛻?hù)設(shè)計(jì)了一款機(jī)架，使其可以在65°C的環(huán)境下無(wú)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(duì)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(huì)帶來(lái)潛在的操作問(wèn)題，同時(shí)也可能導(dǎo)致某些訪問(wèn)和維護(hù)問(wèn)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(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問(wèn)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(guò)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(shí)間。

管理氣流和壓力下降

在操作過(guò)程中，大多數(shù)風(fēng)扇都會(huì)被限制在70°C。在65°C時(shí)，“平均故障間隔時(shí)間”并不會(huì)真正允許一個(gè)可接受的更換頻率。較高的空氣流量可以減少空氣經(jīng)過(guò)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?jī)H由機(jī)架的負(fù)載決定，風(fēng)扇始終面對(duì)的是65°C的最高溫度。

實(shí)施一個(gè)設(shè)計(jì)在進(jìn)氣口安裝的風(fēng)扇需要?jiǎng)討B(tài)的管理壓力下降。在風(fēng)的出口處，動(dòng)態(tài)壓力與氣流速度有關(guān)。如果我們能夠在高動(dòng)態(tài)壓力區(qū)域放置關(guān)鍵部件，動(dòng)態(tài)壓力將是非常有用的。但我們的客戶(hù)的規(guī)格要求是為每個(gè)插槽產(chǎn)生均勻的空氣流。在每一個(gè)插槽從前至后的氣流也必須是均勻的。氣流的均勻性簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)壓力下降，同時(shí)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(huì)影響芯片的散熱冷卻。我們可以考慮兩種方案，以對(duì)付這個(gè)問(wèn)題：增加操作環(huán)境的空氣流通和優(yōu)化散熱器。我們專(zhuān)注于散熱器的壓降優(yōu)化，以增加通過(guò)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(huì)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(gè)水平風(fēng)扇托盤(pán)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(mǎn)足。風(fēng)扇托盤(pán)安置了八個(gè)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(dòng)態(tài)壓降(250 mm)，其將僅允許四個(gè)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(pán)高度92毫米(接近4英寸)。我們的分析顯示，管理動(dòng)態(tài)壓力而無(wú)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(shí)，這意味著增加高度將無(wú)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(guò)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(guò)程的開(kāi)始，我們?cè)Ｍ褂眠^(guò)濾器作為一種工具，將其放置在風(fēng)扇的排氣口來(lái)管理動(dòng)態(tài)的壓力下降。但我們后來(lái)意識(shí)到由于動(dòng)態(tài)壓力的因素，粉塵會(huì)迅速堵塞風(fēng)扇葉片的表面。其結(jié)果是，空氣流對(duì)于設(shè)備的冷卻將隨時(shí)間而變化。

在進(jìn)氣口的垂直方向上安裝過(guò)濾器也不是一個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)閺囊粋€(gè)相對(duì)較小的進(jìn)氣口通過(guò)或減少進(jìn)氣入口的橫截面會(huì)造成較高的空氣流通速度。通過(guò)過(guò)濾器的壓力下降將要求高性能的風(fēng)扇。此外，過(guò)濾器會(huì)更迅速的堵塞，因?yàn)闇p少了過(guò)濾面積。在我們的模擬中，我們專(zhuān)注于通過(guò)過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)空氣的壓力下降和均勻分布。

我們這個(gè)項(xiàng)目的客戶(hù)選擇了Mentor Graphics公司的FloTherm三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬軟件進(jìn)行空氣流動(dòng)和熱模擬。有多種可能性來(lái)模擬過(guò)濾器，例如使用折疊電阻。當(dāng)來(lái)自風(fēng)扇的過(guò)濾器的范圍是在0到25毫米的時(shí)候，靠近過(guò)濾器捕獲復(fù)雜流動(dòng)變得更加關(guān)鍵，所以我們采用一個(gè)厚電阻模型，我們所選擇的是0.25英寸Quadrafoam過(guò)濾器。我們還采用了過(guò)濾器供應(yīng)商提供的一個(gè)先進(jìn)的阻力模型。

保持過(guò)濾器與風(fēng)扇的平行是一大擁有其主要優(yōu)勢(shì)的選擇：過(guò)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(shí)將過(guò)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(shí)增加維修的次數(shù)。使用進(jìn)氣口對(duì)角線來(lái)增加表面的空氣進(jìn)入量。這個(gè)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(shuō)是最好的模擬。

圖3：風(fēng)機(jī)的擋板和托盤(pán)之間的濾塵器的位置。

我們想確保傾斜過(guò)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(dòng)。我們還想確認(rèn)所有的表面都會(huì)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(guò)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(huì)在系統(tǒng)的總高度中增加25毫米。在一個(gè)均勻的速度，傾斜的過(guò)濾器使整個(gè)過(guò)濾器的表面被均勻地使用。該過(guò)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(pán)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(gè)封閉的容積環(huán)境中的空氣流動(dòng)產(chǎn)生壓力下降(如在一個(gè)內(nèi)部死流區(qū))，我們觀察到的旋渦和流動(dòng)的干擾，難以模擬。

圖7：蜂窩EMI過(guò)濾器(Parker Chomerics)。

在創(chuàng)建一個(gè)組件，使每個(gè)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(gè)多孔板，其具有兩個(gè)主要功能：1)在沒(méi)有插槽的地方停止氣流流動(dòng)，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(dòng)。這個(gè)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(guò)開(kāi)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(gè)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(duì)于具有良好的空氣流動(dòng)分布的壓降的良好折衷。該板未產(chǎn)生充分均勻的流動(dòng)(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(gè)卡插槽進(jìn)氣口的最終模擬和全球模擬的空氣流量測(cè)量顯示來(lái)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(guò)在進(jìn)氣安裝風(fēng)扇來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們使用了一個(gè)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(guò)濾器的位置，通過(guò)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?cè)贑FD模擬中使用了一個(gè)各向同性的先進(jìn)的過(guò)濾器模型，優(yōu)化了靠近風(fēng)扇的過(guò)濾器的位置。該設(shè)計(jì)還部署了一個(gè)簡(jiǎn)單的板，在動(dòng)態(tài)壓力太高的地區(qū)控制氣流流動(dòng)的阻力。這些優(yōu)化的結(jié)果，使我們能夠創(chuàng)建一個(gè)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(wèn)，維護(hù)操作時(shí)間減少到最低限度。將風(fēng)扇和過(guò)濾器整合在一起，以進(jìn)一步減少維護(hù)時(shí)間也成為可能。每個(gè)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(guò)濾器的表面區(qū)域被同等使用，避免空氣流量分布隨時(shí)間變化，及隨著時(shí)間的推移過(guò)濾器被堵塞。

關(guān)于作者

本文作者Guy Diemunsch是法國(guó)Institut Vendecom的熱專(zhuān)家。當(dāng)他還在準(zhǔn)備Univesite de Franche-Comté UFC的物理學(xué)博士學(xué)位期間，就開(kāi)始對(duì)散熱設(shè)計(jì)產(chǎn)生了興趣。在1994年，他加入惠普，開(kāi)始建立一個(gè)新的事業(yè)部，專(zhuān)門(mén)為工作站處理器開(kāi)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(wèn)題。稍后，施耐德電氣公司旗下的MGE UPS，雇用了Diemunsch負(fù)責(zé)開(kāi)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(lái)，他一直在為混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)創(chuàng)造解決方案，其中包括如何從高功率密度電力發(fā)動(dòng)機(jī)中提取熱量的解決方案。

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