將數(shù)據(jù)中神思房的環(huán)境溫度提高到65°C(149°F)可以輔助企業(yè)大大降低冷卻成本。然而，在這樣的高溫狀態(tài)下保持操作也會(huì)帶來相應(yīng)的挑釁，而且這還不包括在如斯殘酷的環(huán)境下工作對(duì)于工作職員而言是如許的可怕。風(fēng)扇被內(nèi)置于機(jī)架內(nèi)部，以避免他們的運(yùn)行操作溫度高于70°C(158°F)。有了這樣的構(gòu)造部署，風(fēng)扇的進(jìn)氣口必須經(jīng)由周密的設(shè)計(jì)，以保障其可以包容一個(gè)防塵過濾器。排氣安裝是相當(dāng)主要的，以預(yù)防當(dāng)空氣靠近卡籠時(shí)所帶來的大的速度變化，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意。

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)境下無窮期運(yùn)行，并能消失到2千瓦。該設(shè)計(jì)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(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)核心的高溫操作豈但會(huì)帶來潛在的操作問題，同時(shí)也可能導(dǎo)致某些拜訪和保護(hù)問題。固然65℃的機(jī)房操作環(huán)境要顯著低于一間桑拿浴室的溫度，但人的舒服度和保險(xiǎn)則是一個(gè)相稱重大的問題。機(jī)架設(shè)計(jì)必須許可快捷可以改換所有部件，包含風(fēng)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(diào)換風(fēng)扇顯然增加了本錢和停機(jī)時(shí)光。

治理氣流跟壓力降落

在操作過程中，大多數(shù)風(fēng)扇都會(huì)被限制在70°C。在65°C時(shí)，“平均故障距離時(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)過風(fēng)扇之前的溫度，然而這將增加噪聲，而性能更高的風(fēng)扇將需要彌補(bǔ)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�？諝饬髁績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)行一個(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)域放置要害部件，動(dòng)態(tài)壓力將是十分有用的。但我們的客戶的規(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)扇將是不用要的。

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。我們能夠斟酌兩種計(jì)劃，以湊合這個(gè)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，以增加通過這些裝備的空氣流量，不讓風(fēng)扇到達(dá)本人的極限，也不會(huì)產(chǎn)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(jī)架的空氣流量。

組織冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的組織，是為了使其合乎機(jī)架供給商的尺度。如圖1所示，其顯示了我們最終的設(shè)計(jì)草圖。進(jìn)氣口是在前真?zhèn)�底部，而空氣的排出口是在頂部的反面或頂部�？諝饬魇菑臋C(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概0.4 m x 0.44 m x 0.25 m (H x W x D)，這意味著系統(tǒng)中的空氣每秒將被調(diào)換約四次。

圖1：在機(jī)架和睦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)扇托盤設(shè)計(jì)，因?yàn)樗�答�?yīng)安裝足足數(shù)量的風(fēng)扇，以使最小空氣流量要求可以得到知足。風(fēng)扇托盤安置了八個(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)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(dòng)態(tài)壓力而無需增加額定的增壓室高度將是可行的。

進(jìn)氣口高度

因?yàn)槲覀儾坏貌幌薅雀叨纫员M可能的進(jìn)步盤算密度，我們需要斷定進(jìn)氣口的高度可能下降多少而不影響系統(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)聯(lián)圖(圖2)。當(dāng)該曲線的導(dǎo)數(shù)瀕臨于零時(shí)，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(xiàng)為基準(zhǔn)，通過增長進(jìn)氣口的高度，以減少相關(guān)的壓力下降(如果須要的話)。

圖2：壓降與進(jìn)氣口高度曲線為0.2立方米/秒。

處置粉塵

在設(shè)計(jì)進(jìn)程的開端，我們?cè)�盼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(dòng)態(tài)的壓力下降。但我們后來意識(shí)到因?yàn)閯?dòng)態(tài)壓力的因素，粉塵會(huì)迅速阻塞風(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)氣口的垂直方向上裝置過濾器也不是一個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)閺囊粋�(gè)絕對(duì)較小的進(jìn)氣口通過或減少進(jìn)氣進(jìn)口的橫截面會(huì)造成較高的空氣流通速度。通過過濾器的壓力下降將請(qǐng)求高機(jī)能的風(fēng)扇。此外，過濾器會(huì)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(shí)現(xiàn)空氣的壓力降低和平均散布。

我們這個(gè)項(xiàng)目標(biāo)客戶選擇了Mentor Graphics公司的FloTherm三維計(jì)算流體能源學(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)扇的過濾器的范疇是在0到25毫米的時(shí)候，靠近過濾器捕捉龐雜流動(dòng)變得更加癥結(jié)，所以我們采取一個(gè)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(yīng)商供給的一個(gè)先進(jìn)的阻力模型。

保持過濾器與風(fēng)扇的平行是一大領(lǐng)有其主要上風(fēng)的取舍：過濾器的提取無比契合人體工程學(xué)。我們不得不增加系統(tǒng)高度至25毫米，同時(shí)將過濾器的尺寸被制約為系統(tǒng)的深度和寬度。增加表面應(yīng)減少壓力下降,精密空調(diào)是是工藝性空調(diào)中的一種類型，通常我們把對(duì)室內(nèi)溫、濕度波動(dòng)和區(qū)域偏差控制要求嚴(yán)格的空調(diào)稱之為恒溫恒濕空調(diào)。恒溫恒濕廣泛應(yīng)用于電子、光學(xué)設(shè)備、化妝品、醫(yī)療衛(wèi)生、生物制藥、食品制造、各類計(jì)量、檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)室等行業(yè)。，同時(shí)增加維修的次數(shù)。使用進(jìn)氣口對(duì)角線來增加表面的空氣進(jìn)入量。這個(gè)概念在空調(diào)系統(tǒng)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(fēng)機(jī)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(jìn)氣口空氣在內(nèi)部的滾動(dòng)。我們還想確認(rèn)所有的名義都會(huì)平均的堅(jiān)持灰塵。仿真結(jié)果表明，壓降很低(圖4-6)。風(fēng)扇的工作壓力為均勻95帕(最低86帕,機(jī)房空調(diào)顧名思義其是一種專供機(jī)房使用的高精度空調(diào)，因其不但可以控制機(jī)房溫度，也可以同時(shí)控制濕度，因此也叫恒溫恒濕空調(diào)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)，另因其對(duì)溫度、濕度控制的精度很高，亦稱機(jī)房精密空調(diào)。，最高106帕)。而假如過濾器被程度安頓在風(fēng)扇前25毫米的自在空間，咱們得到了雷同的成果，但不會(huì)在體系的總高度中增添25毫米。在一個(gè)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(yīng)用。該過濾器的傾斜地位依然容許疾速維修。

圖4：風(fēng)扇進(jìn)氣口的靜態(tài)壓力(0.2破方米/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)。

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)�？蓱z的是，其是由一部門封閉的細(xì)胞資料，也限制了空氣氣流進(jìn)入。在一個(gè)關(guān)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)部逝世流區(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。我們視察到在闊別風(fēng)扇75毫米的一定距離，速度變化仍舊異常重要(圖8)。

圖8：風(fēng)扇后的速度分布后;頂部垂直切割，存在兩條線設(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，其擁有兩個(gè)重要功效：1)在不插槽的處所結(jié)束氣流流動(dòng)，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(qū)域減少氣流流動(dòng)。這個(gè)多孔流體調(diào)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(jī)架的另一側(cè)已經(jīng)關(guān)閉了蜂窩孔格關(guān)閉。因?yàn)榘宀恍枰�維護(hù)，它可以銜接到EMI屏蔽取代風(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啟齒槽而不產(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)模擬的壓降與間隔的相干數(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)具備良好的空氣流動(dòng)分布的壓降的良好調(diào)和。該板未發(fā)生充足均勻的流動(dòng)(圖11)，而是由卡的改良產(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(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)。

論斷

將數(shù)據(jù)中央的操作室溫增加至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(gè)在空調(diào)范疇已經(jīng)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(yàn)，我們證實(shí)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)各向同性的進(jìn)步的過濾器模型，優(yōu)化了湊近風(fēng)扇的過濾器的位置。該設(shè)計(jì)還安排了一個(gè)簡(jiǎn)略的板，在動(dòng)態(tài)壓力太高的地域把持氣流流動(dòng)的阻力。這些優(yōu)化的結(jié)果，使我們能夠創(chuàng)立一個(gè)機(jī)架，其所有卡插槽的空氣流量是同一均勻的。進(jìn)氣口微風(fēng)扇機(jī)架的總高度僅為120毫米。

因?yàn)樗�有的部件都能夠很輕易從前面訪問，維護(hù)操作時(shí)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(shí)間也成為可能。每個(gè)風(fēng)扇保持低于20%的最大吞吐量，以防止早期風(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)域被等同使用，避免空氣流量分布隨時(shí)間變更，及跟著時(shí)間的推移過濾器被擁塞。

對(duì)于作者

本文作者Guy Diemunsch是法國Institut Vendecom的熱專家。當(dāng)他還在籌備Univesite de Franche-Comté UFC的物理學(xué)博士學(xué)位期間，就開始對(duì)散熱設(shè)計(jì)產(chǎn)生了興致。在1994年，他加入惠普，開始樹立一個(gè)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(dòng)力和電動(dòng)汽車發(fā)明解決方案，其中包括如何從高功率密度電力發(fā)念頭中提取熱量的解決方案。