你會考慮使用液體冷卻系統嗎?

作者 : Bill Schweber,Planet Analog

液體冷卻(liquid cooling)可以轉移大量的熱量,並將其有效地轉移到不再成為問題,且被稱為「遠處」的神奇地方。問題是,僅提及液體冷卻會使工程師感到畏懼…儘管存在公認的困難和問題,但你是否曾在項目中使用或考慮使用液體冷卻?

對於許多設計而言,保持裝置「足夠涼爽」是一項重大挑戰。無論是元件、電路板,還是整個系統(或某種組合),與熱量相關的問題,以及將溫度保持在關鍵閾值以下通常是整個設計的關鍵驅動力。根據應用和市場的不同,允許範圍通常指定為商用(0~85℃)、工業(-40~100℃)、車用級(-40~125℃);和軍用(-55~125℃)。雖然低階操作可能是一個問題(考慮車用或軍用/航空),但對於大多數工程師而言,高階才是值得關注的問題。

所以,該怎麼辦?通常的「保持冷卻」工具是傳導、對流和輻射的組合。由於成本低、可靠性高(沒有會移動的零件),因此通常首選為「自然」空氣對流,而第二選擇是以風扇驅動的強風。 即使如此,由於散熱或使用者問題,使用基於氣流的對流作為主要的熱載體通常還是不夠。

但是對流不僅限於使用自然或強制產生的空氣。液體冷卻(liquid cooling)可以轉移大量的熱量,並將其有效地轉移到不再成為問題,且被稱為「遠處」的神奇地方。問題是,僅提及液體冷卻會使工程師感到畏懼,這是有充分理由的。對於大多數設計師而言,對液體冷卻的想法的反應是迅速而堅定的:「沒有辦法……有太多理由不考慮液體冷卻。」坦白說,在大多數情況下,這是明智的想法,原因很明顯,液體冷卻要求非常不同類型的機械設計、組裝、測試和維護過程。

如圖1所示,液體冷卻可以限於單個元件,就像遊戲玩家使用超頻(overclocked) PC處理器一樣。

液體冷卻通常用於超頻、基於PC的遊戲系統中,不是採用簡易配置,就是採用諸如此類的商用系統。(圖片來源:EK Fluid Gaming)

液體冷卻也可以將其路由到板上的多個IC,如圖2。

高性能PCB中許多熱燙的IC上也使用了液體冷卻,儘管所需的「管道連接」可能變得複雜並影響機械設計,以及組裝和測試。(圖片來源:Lenovo)

它也不必直接進入PCB本身:一些方法主要是利用傳導將熱量從PCB中拉到卡籠(card-cage)導軌中,然後對導軌和機架零件使用液體冷卻,如圖3所示。

某些卡籠系統(例如Mercury Systems的PowerBlock)使用傳導方式將PCB的熱量帶到卡的邊緣和卡籠中,然後僅使用液體冷卻卡籠,而PCB本身沒有管道。(圖片來源:I4U LLC)

儘管液體冷卻聲譽不佳,但優秀的工程師會考慮這些選擇,並重新考慮它們。液體冷卻的一般使用指南說,在多板機箱中,強制空氣和液體方法之間的閾值,似乎約為每塊板300~400瓦。刊登在《Military & Aerospace Electronics》雜誌中的「高性能嵌入式運算的熱管理(Thermal management for high-performance embedded computing)」一文中指出,技術不會停滯不前,隨著元件和技術的進步和改進,曾經不切實際的某些實作可以重獲新生。

雖然文章內認為「液體冷卻在歷史上一直是最昂貴、最不可靠的電子冷卻技術之一」,但文章中指出「增加的花費是值得的。」這也說明了關於液體冷卻的傳統觀點可能不再正確,因為「先前來自快速斷開連接和其他來源洩漏的問題已大大減少。」

那麼,是否採用液體冷卻?一方面,它提供的熱傳導能力令人印象深刻;另一方面,它帶來的新產品開發方案的實際問題,以及洩漏帶來的後果是不容忽視的。可以肯定的是,液態冷卻絕對不是大多數大眾市場的電子消費性產品都可以使用(儘管某些大批量消費產品,例如內燃機確實使用了它,並且效果很好)。

或者,你可以將液體冷卻發揮到極致,並將資料中心/伺服器「農場」打包成一個獨立的「豆莢(pod,編按:微軟稱之為吊艙)」,放在海洋中。微軟(Microsoft)正在探索這種方法,正如在兩篇IEEE Spectrum文章中——「想要節能資料中心?:在水下建造(Want an Energy-Efficient Data Center?: Build It Underwater)」和「雲端之下的20,000個社團(20,000 Leagues Under the Cloud)」——所討論的那樣,以及在微軟「Project Natick」網頁中的圖4也進行了討論 。(當然,這確實為「試圖煮沸海洋」一詞賦予了新的含義,意味著專案的目標過於雄心勃勃。)

為實現終極的液體冷卻——微軟正在與他們的Project Natick一起探索、使用海洋冷卻的方式。此專案將一個完整、遠端管理的資料中心放在一個像卡車拖車差不多大小的潛水式防水吊艙中。(圖片來源:微軟)

儘管存在公認的困難和問題,但你是否曾在項目中使用或考慮使用液體冷卻?它是怎麼設計出來的?

(參考原文:Would You Ever Consider Liquid Cooling?,by Bill Schweber,EDN Taiwan Anthea Chuang編譯)

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