После определения таких параметров, как материал, охлаждающая жидкость, тепловое сопротивление и распределение потока, проектирование Пластина с жидкостным охлаждением AI далека от завершения. Для обеспечения стабильной, эффективной и долговременной работы охлаждающей пластины в практических системах необходимо сосредоточиться на решении следующих трех ключевых технических вопросов:
1) Оптимизация сопротивления потоку: Убедитесь, что охлаждающая жидкость может проходить через охлаждающую пластину с достаточной скоростью, чтобы удовлетворить требования по рассеиванию тепла и избежать недостаточного потока в системе.
2) Конструкция, устойчивая к давлению: предотвращает деформацию охлаждающей пластины под рабочим давлением, что может привести к серьезным проблемам, таким как нарушение герметичности (протечка) и плохое сцепление с нагревательным элементом (повышенное тепловое сопротивление).
3) Долгосрочная эксплуатационная надежность: Обеспечение стабильной и не ухудшающейся работы охлаждающей пластины в течение всего срока ее службы, при этом основное внимание уделяется предотвращению засорения ребер, коррозии и образования накипи.
В данной статье основное внимание будет уделено этим трем аспектам, а также будут даны идеи и практические рекомендации по оптимизации дизайна.
Оптимизация сопротивления потоку холодной пластины
Цель: Уменьшить сопротивление потоку и гарантировать, что поток системы соответствует требованиям охлаждения.
Задача: Поскольку мощность графических процессоров/микросхем ASIC превышает 1000 Вт, а плотность мощности увеличивается (~150 Вт/см²), необходимо использовать более тонкие ребра (зазор ≤ 0.15 мм), что приводит к значительному увеличению сопротивления потоку охлаждающей пластины.
1.1 Традиционные решения и ограничения:
Традиционная конструкция: жидкость поступает как с одной, так и с другой стороны ребра.
Применимые условия: если зазор между ребрами ≥ 0.2 мм, сопротивление потоку относительно низкое (обычно <10 кПа), что является приемлемым.
Проблема: Если зазор между ребрами ≤ 0.15 мм, сопротивление потоку в этой схеме слишком велико.
1.2 План оптимизации: верхний вход, двухсторонний выход Принцип: поток между ребрами холодной пластины обычно ламинарный, а сопротивление потоку △ P приблизительно пропорционально скорости потока V и длине ребра L, △ P ∝ K * V * L
Подробности плана:
Переместите входное отверстие непосредственно над зоной ребер.
Установите отверстия для выхода жидкости по обеим сторонам области ребер.
Эффект оптимизации:
Длина пути потока L уменьшается вдвое (что эквивалентно изменению направления потока от одного конца к центральному).
При том же общем расходе скорость потока V через ребра уменьшается вдвое.
Таким образом, сопротивление потоку △ P в области ребер снижается примерно до 1/4 от односторонней схемы входа и выхода.
Преимущества: Значительно снижает сопротивление потоку охлаждающих пластин с высокой плотностью мощности и малым зазором между ребрами, обеспечивая поток в системе.
Таким образом, разработанный инженерами Kenfa Tech канал с расположением трубок 1 вход/2 выход позволяет решить проблему чрезмерного сопротивления потоку в жидкостных охлаждающих пластинах AI.
Улучшение сопротивления давлению холодной пластины
Для предотвращения деформации охлаждающей пластины под давлением, когда подложка охлаждающей пластины очень тонкая (1-2 мм), обеспечивая надежную герметизацию и хороший контакт с чипом.
Обычная структурная проблема: Типичная медная охлаждающая пластина с зубьями лопатки: Верхняя часть ребер не приварена к крышке.
Механическая модель: эквивалентна плоской пластине с размерами длина (a) x ширина (b), края которой ограничены и подвергаются равномерно распределенному давлению (P).
Теория сопротивления давлению (классическая теория оболочек):
Формула максимально допустимого давления: P=β * σ * (t/b) ²
P: Давление (МПа)
σ: Допустимое напряжение материала (МПа)
t: Толщина крышки (мм)
b: Ширина пластины перпендикулярно направлению армирования (мм) – критический размер
β: Коэффициент формы (в зависимости от соотношения сторон a: b)
Формула для требуемой толщины покрытия: t=b * √ (β * P/σ)
Коэффициент формы β (влияние соотношения сторон a: b):
1:1,β=0.307
2:1,β=0.497
3:1,β=0.616
4:1,β=0.697
6:1,β=0.750
Итак, при определении размера (axb) области ребра холодной пластины, уменьшение ширины b может значительно улучшить максимальное сопротивление давлению P. Добавление средних ребер жесткости: добавление опорных конструкций в середине области ребра. Сварите подложку холодной пластины, ребра жесткости и крышку в жесткую конструкцию в целом. (Оставьте зазор 0.05 ~ 0.1 мм между ребрами и крышкой). Эффект: эффективно уменьшает критический размер b (который становится расстоянием между ребрами жесткости) при расчете сопротивления давлению, значительно улучшая способность сопротивления давлению. В то же время, Сварка верхних ребер: приварите верхнюю часть ребер к крышке в целом. Эффект: использование плотных микроканальных ребер в качестве опорных точек значительно повышает жесткость конструкции и сопротивление деформации. При превосходном мастерстве использование ребер жесткости может быть заменено или уменьшено. Значительно улучшает способность сопротивления давлению.
Долгосрочная надежность работы холодильной плиты
Предотвращают ухудшение производительности (увеличение теплового сопротивления, снижение расхода, утечку) и обеспечивают долгосрочную стабильную работу. Металлический мусор, посторонние предметы в сборке, продукты коррозии и отложения накипи/биопленки в небольших зазорах между ребрами, затрудняющие поток и теплопередачу. Медь медленно и равномерно истончается в чистой воде. Локальная коррозия: более вредная, включая эрозионную коррозию (значительно ускоряется при скорости потока более 1.5 м/с), микробную коррозию
Кислотная коррозия. Последствия: приводит к истончению ребер, снижению прочности, нарушению герметичности (протечке) и ухудшению производительности. В то же время он также склонен к образованию накипи, при этом на поверхности ребер откладываются неорганические накипи, такие как карбонат кальция (CaCO3), карбонат магния (MgCO3) и биообрастания. Значительно увеличивают сопротивление теплопередаче и снижают производительность рассеивания тепла.
Мы в Kenfa Tech обычно предоставляем клиентам проектные решения и рекомендации, которые обеспечивают конфигурацию системы с точностью ≤ 50 мкм (300 ячеек) для фильтрации крупных частиц, таких как металлический мусор и сварочный шлак.
Все компоненты очищаются перед отправкой с завода, чтобы гарантировать отсутствие остатков крупных частиц, а все интерфейсы трубопроводов оснащены концевыми заглушками для герметизации. В то же время качество воды контролируется, и значения pH<9 должны хорошо контролироваться и отслеживаться. Ингибиторы коррозии<10ppm, фунгициды<12ppm, сульфиды<15ppm, сульфаты<100ppm, хлориды<50ppm и проводимость<0.2-20us/см добавляются в охлаждающую жидкость в соответствии с пропорцией.
Вывод:
Надежность конструкции пластин жидкостного охлаждения AI является ключевым звеном в успехе высокопроизводительных систем рассеивания тепла и не является простым расширением расчетов производительности. В этой статье рассматриваются три основных измерения:
1) Оптимизация сопротивления потоку: В ответ на проблему повышенного сопротивления потоку, вызванного суженными зазорами между ребрами при высокой плотности мощности, была предложена и продемонстрирована схема оптимизации «верхний вход и два боковых выхода». Эта схема может значительно снизить падение давления в области микроканала примерно до 1/4 от традиционной схемы одностороннего входа и выхода за счет сокращения вдвое эффективной длины пути потока и скорости потока.
2) Повышение устойчивости к давлению: На основе классической теории оболочек были выяснены решающие эффекты толщины покрытия (t), критической ширины (b), допустимого напряжения материала (σ) и соотношения сторон (β) на максимальное сопротивление давлению (P) холодной пластины. Были предложены два эффективных инженерных решения: добавление промежуточных ребер жесткости и использование технологии сварки вершин зубцов. Первое улучшает сопротивление давлению за счет уменьшения критического размера b, в то время как последнее использует сами ребра и крышку для формирования интегрированной опорной конструкции, что является предпочтительным решением для повышения жесткости и сопротивления давлению.
3) Долгосрочная эксплуатационная надежность: Систематически определены три основных риска, которые угрожают долгосрочной надежности: засорение, коррозия и образование накипи. Для контроля этих рисков необходимо реализовать строгий контроль качества воды для циркулирующего охладителя (TCS) внутри холодной пластины, со стандартами, намного превышающими стандарты для первичной воды (FWS). Согласно рекомендациям ASHRAE, технические требования к основным параметрам качества воды (pH, ингибиторы коррозии, фунгициды, концентрация ионов, взвешенные твердые частицы, микроорганизмы и т. д.) подробно изложены.
Только благодаря тщательному проектированию и строгому контролю по этим трем параметрам охлаждающая пластина может поддерживать превосходные характеристики рассеивания тепла, структурную целостность и стабильность системы при высоких нагрузках и длительной эксплуатации, обеспечивая надежную гарантию охлаждения для мощных электронных устройств.