將數(shù)據(jù)中心機房的環(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帶來相應(yīng)的挑戰(zhàn)，而且這還不包括在如此嚴酷的環(huán)境下工作對于工作人員而言是多么的恐怖。風(fēng)扇被內(nèi)置于機架內(nèi)部，以防止他們的運行操作溫度高于70°C(158°F)。有了這樣的結(jié)構(gòu)安排，風(fēng)扇的進氣口必須經(jīng)過縝密的設(shè)計，以保證其可以容納一個防塵過濾器。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足。

我們?yōu)榭蛻粼O(shè)計了一款機架，使其可以在65°C的環(huán)境下無限期運行，并能消散到2千瓦。該設(shè)計的目標(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帶來潛在的操作問題，同時也可能導(dǎo)致某些訪問和維護問題。雖然65℃的機房操作環(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相當(dāng)嚴重的問題。機架設(shè)計必須允許快速能夠更換所有部件，包括風(fēng)扇和過濾器。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時間。

管理氣流和壓力下降

在操作過程中，大多數(shù)風(fēng)扇都會被限制在70°C。在65°C時，“平均故障間隔時間”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(jīng)過風(fēng)扇之前的溫度，但是這將增加噪聲，而性能更高的風(fēng)扇將需要補償壓力下降的增加。

實際的解決方案是在機架的進氣口安裝風(fēng)扇?？諝饬髁績H由機架的負載決定，風(fēng)扇始終面對的是65°C的最高溫度。

實施一個設(shè)計在進氣口安裝的風(fēng)扇需要動態(tài)的管理壓力下降。在風(fēng)的出口處，動態(tài)壓力與氣流速度有關(guān)。如果我們能夠在高動態(tài)壓力區(qū)域放置關(guān)鍵部件，動態(tài)壓力將是非常有用的。但我們的客戶的規(guī)格要求是為每個插槽產(chǎn)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(shè)計。我們必須以盡可能小的體積管理動態(tài)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(fēng)扇將是不必要的。

保持芯片冷卻

65°C高溫的操作環(huán)境會影響芯片的散熱冷卻。我們可以考慮兩種方案，以對付這個問題：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，以增加通過這些設(shè)備的空氣流量，不讓風(fēng)扇達到自己的極限，也不會產(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)計草圖。進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?？諝饬魇菑臋C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)有的卡和機架向后兼容。機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：在機架和氣流方向上的不同模塊的位置。

定位風(fēng)扇

我們實現(xiàn)了一個水平風(fēng)扇托盤設(shè)計，因為它允許安裝足夠數(shù)量的風(fēng)扇，以使最小空氣流量要求可以得到滿足。風(fēng)扇托盤安置了八個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態(tài)壓降(250 mm)，其將僅允許四個并排側(cè)風(fēng)扇放置。增加風(fēng)扇的數(shù)量將需要增加底盤高度92毫米(接近4英寸)。我們的分析顯示，管理動態(tài)壓力而無需添加額外的增壓室高度將是可行的。

進氣口高度

因為我們不得不限制高度以盡可能的提高計算密度，我們需要確定進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，這意味著增加高度將無法再顯著降低壓降。我們選擇的高度為50毫米(2英寸)，以該選項為基準(zhǔn)，通過增加進氣口的高度，以減少相關(guān)的壓力下降(如果需要的話)。

圖2：壓降與進氣口高度曲線為0.2立方米/秒。

處理粉塵

在設(shè)計過程的開始，我們曾希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態(tài)的壓力下降。但我們后來意識到由于動態(tài)壓力的因素，粉塵會迅速堵塞風(fēng)扇葉片的表面。其結(jié)果是，空氣流對于設(shè)備的冷卻將隨時間而變化。

在進氣口的垂直方向上安裝過濾器也不是一個選項，因為從一個相對較小的進氣口通過或減少進氣入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要求高性能的風(fēng)扇。此外，過濾器會更迅速的堵塞，因為減少了過濾面積。在我們的模擬中，我們專注于通過過濾器實現(xiàn)空氣的壓力下降和均勻分布。

我們這個項目的客戶選擇了Mentor Graphics公司的FloTherm三維計算流體動力學(xué)(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(dāng)來自風(fēng)扇的過濾器的范圍是在0到25毫米的時候，靠近過濾器捕獲復(fù)雜流動變得更加關(guān)鍵，所以我們采用一個厚電阻模型，我們所選擇的是0.25英寸Quadrafoam過濾器。我們還采用了過濾器供應(yīng)商提供的一個先進的阻力模型。

保持過濾器與風(fēng)扇的平行是一大擁有其主要優(yōu)勢的選擇：過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，同時將過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，同時增加維修的次數(shù)。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(diào)系統(tǒng)中經(jīng)常被使用。我們證實了這一定位，如圖3所示，其可以說是最好的模擬。

圖3：風(fēng)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通，使進氣口空氣在內(nèi)部的轉(zhuǎn)動。我們還想確認所有的表面都會均勻的保持灰塵。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，但不會在系統(tǒng)的總高度中增加25毫米。在一個均勻的速度，傾斜的過濾器使整個過濾器的表面被均勻地使用。該過濾器的傾斜位置仍然允許快速維修。

圖4：風(fēng)扇進氣口的靜態(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胞材料，也限制了空氣氣流進入。在一個封閉的容積環(huán)境中的空氣流動產(chǎn)生壓力下降(如在一個內(nèi)部死流區(qū))，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(chuàng)建一個組件，使每個插槽的氣流均勻統(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)建了一個多孔板，其具有兩個主要功能：1)在沒有插槽的地方停止氣流流動，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。這個多孔流體分配板(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，由卡機架的另一側(cè)已經(jīng)關(guān)閉了蜂窩孔格封閉。因為板不需要維護，它可以連接到EMI屏蔽代替風(fēng)扇機架。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開口槽而不產(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)是空間相對于具有良好的空氣流動分布的壓降的良好折衷。該板未產(chǎn)生充分均勻的流動(圖11)，而是由卡的改進產(chǎn)生的壓降改進了氣流分布。在每個卡插槽進氣口的最終模擬和全球模擬的空氣流量測量顯示來自從左到右，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屏蔽進氣口的距離與風(fēng)扇的進氣氣流分布：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可以通過在進氣安裝風(fēng)扇來實現(xiàn)。我們使用了一個在空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)眾所周知的解決方案，以確定灰塵過濾器的位置，通過模擬實驗，我們證明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先進的過濾器模型，優(yōu)化了靠近風(fēng)扇的過濾器的位置。該設(shè)計還部署了一個簡單的板，在動態(tài)壓力太高的地區(qū)控制氣流流動的阻力。這些優(yōu)化的結(jié)果，使我們能夠創(chuàng)建一個機架，其所有卡插槽的空氣流量是統(tǒng)一均勻的。進氣口和風(fēng)扇機架的總高度僅為120毫米。

由于所有的部件都能夠很容易從前面訪問，維護操作時間減少到最低限度。將風(fēng)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(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。所有過濾器的表面區(qū)域被同等使用，避免空氣流量分布隨時間變化，及隨著時間的推移過濾器被堵塞。

關(guān)于作者

本文作者Guy Diemunsch是法國Institut Vendecom的熱專家。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，就開始對散熱設(shè)計產(chǎn)生了興趣。在1994年，他加入惠普，開始建立一個新的事業(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負責(zé)開發(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，他一直在為混合動力和電動汽車創(chuàng)造解決方案，其中包括如何從高功率密度電力發(fā)動機中提取熱量的解決方案。

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