Publication: Design and implementation of single-phase and two-phase immersion cooling systems
Abstract
Daldırmalı soğutma sistemleri, geleneksel hava soğutma sistemlerine kıyasla yüksek soğutma kapasiteleri nedeniyle son yıllarda başta veri merkezlerinin soğutulmasında ve batarya termal yönetim sistemlerinde büyük ölçüde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, Novec 7100 dielektrik sıvısı kullanan bir daldırma soğutma sistemi tasarlanmış ve denenmiştir. Bu sistemde, dikdörtgen şeklinde dikey olarak yerleştirilmiş dairesel veya kare kesitli dört elektrikli kartuş ısıtıcı kullanılmıştır. Akış koşulları değiştirilirken (doğal taşınım, 1,5 LPM ve 2,25 LPM) ısıtıcılar arasındaki mesafeler bir yönde 4 mm, 10 mm ve 16 mm olarak tutulmuş ve ısıtıcı yüzey sıcaklığı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Burada ısıtıcılardan Novec 7100'e hem tek fazlı hem de iki fazlı ısı transferi incelenmiştir. Tek fazlı ısı transferi sırasında sıcaklıkta doğrusal değişim kaydedilmiştir. Doğal taşınım ve havuz kaynatma çalışması için, ısıtıcılar arasındaki mesafelerin artmasıyla birlikte, hem dairesel hem de kare ısıtıcılar için ısı transfer katsayısında bir artış gözlemlenmiştir. Ancak, olan durum için, ısıtıcılar arasındaki artan mesafelerde daha düşük yüzey sıcaklıkları kaydedilmiştir. Daldırmalı soğutma tankına akış eklenmesi, özellikle iki fazlı ısı transferi sırasında ısıtıcı yüzey sıcaklıklarının düşürülmesi açısından harika sonuçlar göstermiştir. Her ısıtıcıda 99 watt ısı akısında, havuz kaynatma durumunda, yüzey sıcaklıkları 61℃ ile 63,2℃ arasındayken, aynı ısı akısı için, 1,5 LPM ve 2,25 LPM akış hızına sahip akış koşulları sırasında, ısıtıcı sıcaklıkları sırasıyla 54℃ ile 57℃ ve 48℃ ile 50℃ arasındadır ve bu da havuz kaynamaya kıyasla akış kaynamanın daha yüksek etkinliğini göstermektedir. Dairesel ısıtıcılara kıyasla kare ısıtıcılar için aynı ısı akısı için yüzey sıcaklığında bir düşüş ve ısı transfer katsayısında önemli bir artış gözlenmiştir.
Immersion cooling systems have been greatly utilized in data center cooling and battery thermal management systems in recent years due to their high cooling capacity compared to traditional air-cooling systems. In this study, an immersion cooling system using Novec 7100 dielectric liquid has been constructed and experimented while four electric cartridge heaters were used with either circular or square cross-sections positioned vertically in a rectangular formation. The distances between the heaters have been kept at 4mm, 10mm, and 16mm in one direction while the flow conditions were changed (natural convection, 1.5 LPM, and 2.25 LPM) and their effect on heater surface temperature has been studied. Both single-phase and two-phase heat transfer from the heaters to the Novec 7100 have been studied here. Linear change in temperature has been recorded during the single phase heat transfer. For natural convection and pool boiling study, with the increase in distances between the heaters, a rise in heat transfer coefficient has been observed for both circular and square heaters. But, for flow conditions, lower surface temperatures were recorded at the increased distances between the heaters. Introducing flow in the immersion cooling tank showed great results in terms of reducing the heater surface temperatures, especially during the two-phase heat transfer. Where at 99 watts of heat flux on each heater, during the pool boiling case, the surface temperatures were between 61℃ and 63.2℃. For the same heat flux, during flow conditions with 1.5 LPM and 2.25 LPM, the heater temperatures were in between 54℃ to 57℃, and 48℃ to 50℃ respectively. This indicates the higher effectiveness of flow boiling compared to natural boiling. A decrease in surface temperature and significant increase in heat transfer coefficient has been observed for same heat flux for the square heaters compared to circular heaters
Immersion cooling systems have been greatly utilized in data center cooling and battery thermal management systems in recent years due to their high cooling capacity compared to traditional air-cooling systems. In this study, an immersion cooling system using Novec 7100 dielectric liquid has been constructed and experimented while four electric cartridge heaters were used with either circular or square cross-sections positioned vertically in a rectangular formation. The distances between the heaters have been kept at 4mm, 10mm, and 16mm in one direction while the flow conditions were changed (natural convection, 1.5 LPM, and 2.25 LPM) and their effect on heater surface temperature has been studied. Both single-phase and two-phase heat transfer from the heaters to the Novec 7100 have been studied here. Linear change in temperature has been recorded during the single phase heat transfer. For natural convection and pool boiling study, with the increase in distances between the heaters, a rise in heat transfer coefficient has been observed for both circular and square heaters. But, for flow conditions, lower surface temperatures were recorded at the increased distances between the heaters. Introducing flow in the immersion cooling tank showed great results in terms of reducing the heater surface temperatures, especially during the two-phase heat transfer. Where at 99 watts of heat flux on each heater, during the pool boiling case, the surface temperatures were between 61℃ and 63.2℃. For the same heat flux, during flow conditions with 1.5 LPM and 2.25 LPM, the heater temperatures were in between 54℃ to 57℃, and 48℃ to 50℃ respectively. This indicates the higher effectiveness of flow boiling compared to natural boiling. A decrease in surface temperature and significant increase in heat transfer coefficient has been observed for same heat flux for the square heaters compared to circular heaters
Description
Keywords
akış kaynaması, Daldırma soğutma, flow-boiling, havuz, Immersion cooling, iki fazlı ısı transferi, kaynaması, pool boiling, Refrigeration and refrigerating machinery, Refrigerators, single-phase heat transfer, Soğutma ve soğutma makineleri, Soğutucular, tek fazlı ısı transferi, two-phase heat transfer