Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19840126Elc029.shtml

Интегральная система жидкостного охлаждения для компьютеров с высокой плотностью компоновки

УДК 681.3.001.68

Эдвард Уилсон (Edward А. Wilson)
Фирма Honeywell Information Systems Inc. (Финикс, шт.Аризона)

Edward А. Wilson. Integral liquid-cooling system simplifies design of densely packaged computer, pp.123—126.

Для своего крупного компьютера DPS-88 фирма Honeywell разработала систему жидкостного охлаждения с параллельными вертикальными цепочками бесшумных интегральных теплосъемников, что позволяет с большой плотностью компоновать многокристальные микромодули. Система охлаждения работает исключительно эффективно — она обеспечивает среднюю разность температуры воды и корпуса 60-Вт микромодуля, равную всего 8 С.

Разработанная для недавно анонсированного крупного компьютера интегральная система поддержания теплового режима имеет простую конструкцию с использованием воды в качестве теплоносителя. Это помогает избежать механических напряжений, которые обусловлены применением кристаллов с выпуклыми контактными площадками, монтируемых методом контролируемой осадки. Такая интегральная система жидкостного охлаждения компьютера DPS-88 содержит керамические многослойные микромодули, каждый из которых оснащен специальной накладкой-радиатором водяного охлаждения под названием «бесшумный интегральный жидкостный теплосъемник», источником питания с собственным аналогичным устройством охлаждения, системой распределения теплоносителя.

Вода или воздух

Естественно, что для охлаждения индивидуальных многокристальных модулей можно было бы пойти по традиционному пути — использовать воздух. Однако для охлаждения крупных ЭВМ необходим столь мощный суммарный воздушный поток, что при нем в машинном зале создается высокий уровень звукового давления и выделяется большое количество тепла. Вода представляет собой гораздо более эффективный теплоноситель, чем другие материалы, коэффициенты конвекции (h) которых по отношению к воде можно легко вычислить по следующей формуле, приводящейся почти во всей литературе по теплотехнике:

h α(плотность)0.5 (удельная теплоемкость)0.33 (теплопроводность)0.67 (вязкость)-0.167.

Тепловые свойства воды, по которым нормализуются все физические свойства других материалов, и сравнительные параметры ряда других жидкостей и воздуха указаны в таблице. Только аммиак приближается к воде как теплоноситель, однако его нельзя использовать в этом качестве из-за очевидных трудностей. Из таблицы видно, что воздух и вода настолько различаются по своим коэффициентам конвекции, что площадь поверхности, необходимая для конвекционного охлаждения воздухом, может оказаться в 50—100 раз большей, чем в случае применения воды. В отличие от воздуха, однако, с водой необходимо обращаться очень осторожно, поскольку нельзя допустить, чтобы она попадала на какие-либо электронные компоненты.

Сравнительные характеристики воды и других теплоносителей

Тип теплоносителя

Плотность

Удельная теплоемкость

Теплопроводность

Вязкость

Коэффициент конвенции

Вода

1

1

1

1

1

Воздлх

0,001

0,24

0,04

0,03

0,004

n-бутиловый спирт

0,8

0,61

0,27

2,8

0,27

Бензол

0,87

0,44

0,24

0,76

0,29

Аммиак

0,57

1,22

0,76

0,28

0,83

Четыреххлористый углерод

1,6

0,26

0,28

1,2

0,34

Этиловый спирт

0,79

0,63

0,24

1,2

0,29

Изопропиловый спирт

0,79

0,66

0,25

0,44

0,35

Ксилол

0,87

0,46

0,25

0,88

0,29

Микромодуль с микротеплосъемником

Многокристальный микромодуль размером 80*80 мм — это многослойная керамическая подложка с кристаллами СБИС, монтируемыми по методу автоматической сборки на ленту-носитель с использованием толстопленочных медных проводников; в конструкции микромодуля специально предусмотрены пути отвода тепла от каждого кристалла к поверхности теплосъема на противоположной стороне подложки. Возможность создания таких путей отвода тепла обеспечивается несколькими особенностями конструкции микромодуля. Во-первых, автоматическая сборка на ленту-носитель для соединения контактных площадок кристалла и подложки исключила тепловое сопротивление, которое обычно возникает между кристаллом и подложкой при использовании кристаллов с выпуклыми контактными площадками, монтируемых методом контролируемой осадки.

Во-вторых, между лицевой стороной кристалла и толстопленочным диэлектриком находится теплопроводящий слой эпоксидного клея толщиной около 0,08 мм. Наконец, рассматриваемый микромодуль с большой плотностью компоновки позволяет вывести все внешние связи на периферию подложки. Исключение необходимости в матрице выводов освобождает обратную сторону микромодуля для организации отвода тепла.

В результате создается конкретный путь отвода тепла (рис.1), проходящий через слой эпоксидного клея и подложку, а также играющий важную роль дополнительный путь, проходящий через медные выводы ленты-носителя и подложку; по этому пути отводится приблизительно 30% общего теплового потока кристалла. И действительно, эпоксидный клей выступает со всех сторон по периметру кристалла, охватывая его выводы, что также способствует увеличению площади поверхности теплоотвода по основному пути. Именно этот естественный путь отвода тепла позволяет избежать применения теплосъемника, прижимаемого к кристаллу пружиной, и тем самым исключить механические нагрузки на кристалл с выпуклыми контактными площадками, монтируемый методом осадки, — нагрузки, вызываемые вибрацией дополнительной массы.

Тепловой поток в микромодуле. В керамическом микромодуле предусмотрены два основных пути отвода тепла: один от нижней стороны кристалла через тонкий с
Рис.1. Тепловой поток в микромодуле. В керамическом микромодуле предусмотрены два основных пути отвода тепла: один от нижней стороны кристалла через тонкий слой эпоксидного клея в подложку, другой от кристалла через его выводы, автоматически приваренные при сборке на медную ленту-носитель, в подложку.

Аналитическое моделирование при помощи усовершенствованных программных средств и экспериментальные измерения показали, что цели проектирования для этой части системы охлаждения достигнуты. Предварительная проверка материалов на теплопроводность дала возможность выбрать такую толстопленочную структуру, которая обеспечивает еще более широкие допуски на параметры системы охлаждения, чем планировалось первоначально.

Интегральный теплосъемник

Когда тепло доходит до задней стороны керамической подложки, оно отводится при помощи патентованного бесшумного интегрального жидкостного теплосъемника фирмы Honeywell, причем контакт этого теплосъемника с корпусом микромодуля является сухим, т.е. осуществляется без применения какой-либо специальной смазки. Затем тепло проходит через медную диафрагму теплосъемника и отводится теплоносителем.

Разработчикам пришлось приложить немало усилий, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между теплообменником и гладкой, но не обязательно плоской задней стороной микромодуля. Эту проблему они решили при помощи пластичной прилегающей поверхности — медной фольги толщиной около 0,2 мм. Сам интегральный теплосъемник, конструкция которого показана на рис.2, состоит из медной диафрагмы и двух бронзовых штуцеров (поверхности диафрагмы и штуцеров оксидируются путем погружения в кислоту, что придает им черный цвет и обеспечивает отличную смачиваемость и способность к адгезии эпоксидного клея), а также литой пластмассовой задней крышки.


Рис.2. Теплосъемник. Бесшумный жидкостный интегральный теплосъемник (сверху) фиксирует микромодуль в разъеме, монтируемом на печатную плату. Сам интегральный теплосъемник (снизу) содержит оксидированную медную диафрагму, два бронзовых штуцера и литую пластмассовую заднюю стенку с ребрами-перегородками.

Перегородки, предусмотренные на внутренней поверхности пластмассовой задней крышки, гарантируют протекание теплоносителя змеевидным путем с охватом всей площади теплосъемника. Пластмассовая задняя крышка выполняет и вторую функцию — она служит для прижима и фиксации микромодуля в электрическом разъеме. Вся сборка заливается эпоксидной смолой и испытывается под давлением после завершения цикла полимеризации.

При такой конструкции каждый микромодуль, можно снимать, даже не отключая систему охлаждения, поскольку теплоноситель находится в интегральном теплосъемнике, который прикрепляется к устройству гибкими патрубками, образующими естественную «петлю-шарнир». На схемных платах теплосъемники устанавливаются в виде четырех параллельных цепочек, по четыре штуки в каждой (рис.3); при такой конструкции имеющаяся скорость потока (около 1 л/мин на одну цепочку) обеспечивает среднюю разность температур воды и задней крышки 60-Вт микромодуля, равную всего 8°С.

Петли. Микромодуль можно снять, даже не разрывая пути подвода охлаждающей жидкости к интегральному теплосъемнику. Теплоноситель остается внутри интегр
Рис.3. Петли. Микромодуль можно снять, даже не разрывая пути подвода охлаждающей жидкости к интегральному теплосъемнику. Теплоноситель остается внутри интегральных теплосъемников, которые соединяются с трубопроводами устройства при помощи гибких трубок, служащих как бы соединительными «петлями».

С учетом того что микромодуль, входящий в состав устройства, может выделять больше тепла, чем соседние, эта средняя величина (8°С) выбрана с двукратным запасом по сравнению с максимально допустимой разностью температур, позволяющей обеспечить поддерживание приемлемой температуры кристаллов ИС. Благодаря столь большому запасу даже в случае выхода из строя насоса системы водяного охлаждения обеспечивается сохранение работоспособности интегральных схем.

Поскольку к стойке устройства уже подводится вода, разработчики сочли целесообразным использовать последнюю и для охлаждения источника питания машины. Высокие тепловые характеристики воды позволили отказаться от обычных крупногабаритных теплоотводов-радиаторов, необходимых при воздушном охлаждении, и сделали конструкцию машины исключительно компактной. Стабилизированный источник питания постоянного тока мощностью 4000 Вт содержит три блока: конденсаторный блок; блок управления с воздушным охлаждением; блок кремниевых управляемых выпрямителей, диодов и катушек индуктивности, имеющий жидкостное охлаждение. Жидкостное охлаждение обеспечивает отвод 90—95% всего тепла, выделяемого в системе.

Отвод тепла

С точки зрения охлаждения мощного модуля питания главной проблемой оказывается создание недорогого тракта передачи тепла от его источника к теплоносителю при малом тепловом сопротивлении. Электрическая схема требовала, чтобы все диоды имели большую общую шину (с применением алюминиевых пластин толщиной 12,7 мм), которая могла бы выполнять функцию теплоотвода для всех мощных полупроводниковых приборов и катушек индуктивности. Благодаря применению интегрального теплосъемника значительно увеличенных размеров и конструкции типа «сандвич» разработчикам удалось избежать двух трудностей — необходимости получения плоских гладких поверхностей и обеспечения электрической изоляции шины от теплоносителя.

На рис.4 показаны части такого теплосъемника в разобранном виде. Медные трубки с отверстиями, расположенными стандартным образом — как правило, в соответствии с позициями диодов, — играют роль впускного и выпускного коллекторов и служат верхним и нижним ребрами теплосъемника. Эти трубки, изготавливаемые из меди толщиной около 0,38 мм, достаточно гибки и обеспечивают хорошее прилегание к неровным поверхностям алюминиевых пластин.

Охлаждение блока питания. Блок питания мощностью 4000 Вт для компьютера DPS-88 охлаждается при помощи конструкции типа «сандвич», содержащей особенно
Рис.4. Охлаждение блока питания. Блок питания мощностью 4000 Вт для компьютера DPS-88 охлаждается при помощи конструкции типа «сандвич», содержащей особенно большой интегральный теплосъемник, который электрически изолируется от наружных алюминиевых теплоотводов двумя каптоновыми листами. Справа показана одна сторона блока питания.

Весь теплосъемник после сборки и пайки проверяется на давление свыше 5 кг/см2, которое в 10 раз превышает рабочее. Затем собирается «сандвич» — теплосъемник в середине, каптоновые пленки с обеих его сторон для обеспечения электрической изоляции и алюминиевые пластины снаружи. После того как такой узел собран, разбирать его обычно не приходится.

Кремниевые управляемые выпрямители (тиристоры) должны быть электрически изолированы от диодов и друг от друга, поэтому каждый из них устанавливается на алюминиевом цилиндре длиной 12,7 мм, который в свою очередь вставляется в отверстие большой панели и крепится путем заливки эпоксидного клея в кольцевой зазор между цилиндром и панелью.

К системе охлаждения устройства источник питания подключается при помощи быстродействующих автоматических запорных клапанов» Поток воды, охлаждающей любой источник питания, проходит параллельно всем другим цепочкам охлаждения, поэтому блок питания можно вынимать без всякого влияния на охлаждение всех других компонентов машины.

Расчетная скорость потока составляет всего 2 л/мин, но этого достаточно, чтобы удерживать температуру компонентов на 15—20°С ниже предельного значения, которое установили разработчики электрической схемы для гарантии длительной надежной работы. И действительно, двукратное изменение потока охлаждающей жидкости относительно расчетного значения приводит к изменению температуры компонентов менее чем на 5°С.

Водяное охлаждение дает еще одно серьезное преимущество: оно позволяет уменьшить длины электрических соединений для источника питания. В процессе разработки системы питания выяснилось, что если бы при такой конструкции пришлось использовать полосы-шины для пропускания тока более 750 А, то начала бы отрицательно сказываться индуктивность шины, ограничивая допустимую нагрузку на источник питания с учетом требований по стабилизации напряжений источника.

Для решения этой проблемы одну алюминиевую пластину сделали положительной шиной, а противоположную пластину — отрицательной и были применены диоды с прямой и обратной полярностью. Поэтому шины размещаются очень близко друг от друга и имеют значительную ширину, что обусловливает их малую индуктивность. Все внутренние провода от тиристоров, диодов и других элементов можно сделать весьма короткими. Таким образом, по крайней мере в этом случае водяное охлаждение позволило решить не только проблему теплоотвода, но и проблему электрических параметров, причем благодаря таким решениям был создан высокостабильный источник питания в относительно небольшом корпусе.

Схема циркуляции охлаждающей жидкости

На рис.5 показана общая схема циркуляции теплоносителя в системе. Микромодули устанавливаются на печатных платах, выполняющих функции объединительных панелей. Интегральные теплосъемники размещаются в виде четырех параллельных вертикальных цепочек по четыре штуки в каждой. Вода поступает в нижние трубки-коллекторы верхних плат и протекает параллельно через вертикальные цепочки теплосъемников всех плат.

Схема охлаждения. На этой упрощенной гидравлической схеме показано, как подводится и отводится охлажденный или нагретый теплоноситель. Вначале вода по
Рис.5. Схема охлаждения. На этой упрощенной гидравлической схеме показано, как подводится и отводится охлажденный или нагретый теплоноситель. Вначале вода поступает в коллектор нижней части верхних цепочек тепло-съемников и протекает до верхнего коллектора. Затем она направляется в нижний коллектор, где обеспечивает охлаждение нижних цепочек микромодулей.

Собранная в верхнем коллекторе вода стекает в нижние коллекторы нижних плат, а затем протекает параллельно по цепочкам теплосъемников всех нижних плат. Такая схема прохождения охлаждающей жидкости сверху вниз приводит к тому, что давление, образующееся в результате подъема жидкости выше уровня нижних плат, и падение давления на нижних платах (на которые жидкость поступает от верхних плат), компенсируют друг друга. В результате давление в верхней части нижних и верхних плат оказывается по сути одинаковым, так что в системе обеспечивается достаточное для верхних. теплосъемников внутреннее давление, причем это не вызывает существенного повышения давление в самых нижних теплосъемниках.

Теперь необходимо охладить теплоноситель. В этом смысле система предоставляет пользователям на выбор две возможности. Наиболее эффективный способ — это применение теплообменника типа «вода — вода» с замкнутым контуром для теплоносителя. Пользователи подают холодную воду — температура этой воды может меняться в пределах от 0 до 20°С, и расход ее приблизительно пропорционален температуре — от водонапорной башни, холодильной машины или из водопровода. Теплообменник представляет собой просто бак с находящимися внутри его трубами; при этом вода для внутреннего контура находится в баке, а охлаждающая вода проходит по трубам.

Второй вариант — охлаждение воды внутреннего контура комнатным воздухом. Этот способ реализуется при помощи относительно бесшумного теплообменника типа «вода — воздух», подключаемого армированным гибким шлангом к блоку насоса, что дает возможность создать для воды внутреннего контура температуру, отличающуюся от окружающего воздуха на 8°С при максимально допустимой температуре воды 40°С.

Рациональность

Такой способ оказывается более эффективным, чем непосредственное охлаждение микромодулей комнатным воздухом, по двум причинам. Во-первых, для разводки воды в логическом устройстве требуется гораздо меньше места, чем в случае применения воздуховодов, поэтому логические схемы можно компоновать с большей плотностью и меньшими длинами соединительных связей. Во-вторых, благодаря наличию интегрального теплосъемника разность температур между микромодулем и теплоносителем оказывается в два с лишним раза меньше, чем в случае применения дорогостоящего радиатора, охлаждаемого воздухом.

При проектировании систем прямого воздушного и жидкостного охлаждения, если даже не сравнивать их компоненты, необходимо ориентироваться на микромодуль с максимальной мощностью потребления, который может встретиться в рассматриваемом устройстве, а в этом случае при прямом охлаждении требуется больше воздуха, чем для микромодуля средней мощности. Жидкостное охлаждение как бы «усредняет мощности микромодулей к моменту, когда тепло доходит до теплообменника «вода — воздух», где для воздушного потока создаются гораздо меньшие ограничения, чем в воздуховодах логического устройства.

Поэтому разности температур — вначале между воздухом и водой, а затем между водой и микромодулем— в совокупности оказываются меньшими, чем разность температур воздуха и микромодуля при использовании метода прямого воздушного охлаждения. Кроме того, централизованный комплекс системы охлаждения, включающей насосы и теплообменники «вода — воздух», можно устанавливать в машинном зале, что дает возможность создать оптимальный режим воздушного обдува и снизить уровень акустических шумов в рабочей зоне оператора.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.02 (683), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.52

Electronics Vol.57 No.02 January 26, 1984 A McGraw-Hill Publication

Edward А. Wilson. Integral liquid-cooling system simplifies design of densely packaged computer, pp.123—126.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Конструирование





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19840126Elc029.shtml