خنک کنندگی به وسیله غوطه وری

خنک کنندگی به وسیله غوطه وری

Immersion Cooling یا به عبارتی خنک کنندگی به وسیله غوطه وری، روشی است که از غوطه ور کردن اجزای کامپیوتر (یا سرورها) در یک مایع رسانای حرارتی غیر الکتریکی به انجام می رسد.


غوطه وری مایع یک روش معمول برای خنک کردن اجزای بزرگ توزیع برق مانند ترانسفورماتورها است. این روش هنوز به صورت جامع برای خنک‌سازی سخت‌افزار IT استفاده نمی‌شود، اما به آرامی در مراکز داده نوآورانه در سراسر جهان محبوب شده است.  سخت افزار IT یا سرورهایی که به این روش خنک می شوند نیازی به فن ندارند و تبادل حرارت بین نقطه گرمایش و آب خنک معمولاً از طریق یک مبدل حرارتی (یعنی هسته گرمکن یا رادیاتور) انجام می شود. برخی از ابررایانه‌های با چگالی بالا مانند Cray-2 و Cray T90 از مبدل‌های حرارتی مایع با ابعاد بسیار بزرگ برای حذف گرما استفاده می‌کنند.
مایع مورد استفاده باید به اندازه کافی رسانایی الکتریکی پایینی داشته باشد تا در عملکرد عادی کامپیوتر اختلال ایجاد نکند. اگر مایع تا حدودی رسانای الکتریکی باشد، ممکن است لازم باشد بخش‌های خاصی از اجزای حساس به تداخل الکترومغناطیسی مانند CPU عایق بندی شوند. به این دلایل، ترجیح داده می شود که مایع دی الکتریک باشد.

 

خنک کنندگی غوطه وری در مقابل خنک کنندگی آبی

با خنک کننده غوطه وری گرما مستقیماً از منبع گرما به سیال در حال حرکت منتقل می شود.  در خنک کننده های آبی سیال به طور بالقوه برای مدارات الکترونیک مضر است و بنابراین از طریق یک مسیر مهر و موم، به وسیله جریان آب گرما را از منبع آن دور می کند.  یک بلوک ضد آب برای انتقال غیر مستقیم گرما از منبع گرما به سیال در حال جریان استفاده می شود.  با خنک‌سازی غوطه‌وری یا Immersion Cooling، سیال باید نارسانا باشد که در این صورت به طور کلی ما را به چهار خانواده از سیالات محدود می‌کند:

  • آب دیونیزه شده
  • روغن مینرال
  • سیالات بر پایه فلوروکربن
  • مواد مصنوعی

سیستم های کولینگ غوطه وری هزینه سیال بیشتری نسبت به واتر کولینگ دارند اما به مرور این هزینه ها در حال تغییر است.
طیف گسترده ای از مایعات برای این منظور وجود دارد که مناسب ترین آنها روغن های ترانسفورماتور و سایر روغن های خنک کننده الکتریکی هستند. روغن های غیر منظوره، از جمله روغن های پخت و پز، روغن موتور و سیلیکون، با موفقیت برای خنک کردن رایانه های شخصی استفاده شده اند.

انواع مختلف کولینگ غوطه وری:

بسته به خصوصیات و ویژگی های خنک کننده، می توانیم تکنیک های خنک کنندگی غوطه وری را به شکل زیر دسته بندی کنیم:

 ۱- خنک کنندگی به روش تک فاز

در خنک کننده های تک فاز هرگز تغییر حالتی اتفاق نمی افتد، هرگز جوشش و یخ زدنی نداریم و سیال همیشه به صورت مایع باقی می ماند.  مایع خنک‌کننده به یک مبدل حرارتی پمپ می‌شود، جایی که گرما به یک مدار آب خنک‌تر منتقل می‌شود.  دراین روش از «حمام‌های باز» (open baths) استفاده می شود، زیرا خطر تبخیر مایع خنک‌کننده کمی وجود دارد:

۲- خنک کنندگی غوطه وری دو فاز (همچنین این روش با نام های دیگری از جمله: خنک کنندگی به وسیله بخار یا جریان در حال جوش نیز شناخته می شود)

در خنک‌سازی دو فاز، سیال عامل می‌جوشد و بنابراین در فاز مایع و گاز وجود دارد. این سیستم از مفهومی به نام "گرمای نهان" استفاده می کند که منظور از آن گرمای (انرژی گرمایی) مورد نیاز برای تغییر فاز یک سیال است.  سیال عامل فقط با جوشیدن خنک می شود و بنابراین در نقطه جوش ("دمای اشباع") باقی می ماند. انرژی از منبع گرما به سیال عامل منتقل می شود و این باعث می شود بخشی از آن به گاز تبدیل شود.  گاز از بالای حوضچه سیال بالا می رود و در آنجا با کندانسوری که خنک تر از دمای اشباع است تماس می گیرد. این باعث می شود که مایع دوباره به مایع تبدیل شود و دوباره به استخر (باران) برود.
در این روش از خنک کننده غوطه وری به "حمام های نیمه باز" نیاز است. این بدان معنی است که وقتی سیستم کار می کند، برای جلوگیری از تبخیر مایع خنک کننده، آب بندی می شود.

با روش دو فاز یا حتی برخی از مایعات خنک کننده غوطه وری روش تک فاز، تبخیر می تواند مشکل ایجاد کند و ممکن است مایع به طور منظم نیاز به پر کردن مجدد داشته باشد یا در داخل "محفظه حمام" مهر و موم شود. علاوه بر این، خنک‌کننده‌های دوفاز بسیار گران هستند و مشخص نیست که بخارات آنها چگونه می‌تواند بر افرادی که در حمام‌ها کار می‌کنند تأثیر بگذارد.

 

درسی که از استخراج کنندگان عرض دیجیتال گرفته شد

خنک کنندگی مایع یک فناوری اثبات شده است. اکثر خودروهای امروزی در جاده ها برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد موتورها به آن متکی هستند. چندین شرکت فناوری، از جمله مایکروسافت، در حال آزمایش با فناوری صفحه سرد هستند که در آن مایع از طریق لوله به صفحات فلزی می رسد تا سرور را خنک کند.
استخراج کنندگان در صنعت ارزهای دیجیتال پیشگام خنک‌سازی غوطه‌وری برای تجهیزات محاسباتی خود هستند و از این راهکار برای خنک کردن تراشه‌هایی که تراکنش‌های ارز دیجیتال را ثبت می‌کنند، استفاده کرده اند.
شرکت مایکروسافت غوطه وری را به عنوان یک راه حل خنک کنندگی برای برنامه های محاسباتی با کارایی بالا مانند هوش مصنوعی استفاده کرد. تحقیقات نشان داد که خنک کننده غوطه وری با روش دو فاز مصرف برق را برای هر سروری از 5 تا 15 درصد کاهش می دهد.