Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg


Dense Cooling System with NovecTM 649

Bachelor Thesis by Stefan Kosnac

Abstract:

Immersion cooling with a liquid allows to pack computing power much denser compared to conventional air cooling. Furthermore all electronics are protected against overheating. This saves space and energy and therefore reduces costs.

This thesis discribes the essential theory for a system based on immersion cooling. The liquid used ist Novec™ 649 from 3M™. It ist characterized by it’s boiling point at 49 °C and it’s excellent dielectric properties. So the cooling of the electronic parts is achieved efficiently with the phase change of the Novec™ 649. The emerging vapor has to be condensed in a simple and reliable way. This is accomplished with water-cooled copper tubes that have fins inside to create a turbulent flow that increases the heat transfer to the water. From the available data of the liquid, the phase boundary between the liquid and gaseous phase was calculated and an approach to describe the system was developed. The model showed that it is critical to proper seal cables coming out of the system. All the information gathered from the model will be used to build a succsessor model.

 

Zusammenfassung:

Immersion cooling – Kühlen durch Eintauchen in eine Flüssigkeit – ermöglicht es signifikant mehr Rechenleistung auf kleinerer Fläche unterzubringen, als dies bei der herkömmlichen Luftkühlung der Fall ist. Gleichzeitig ist die Elektronik wesentlich besser vor Überhitzung geschützt. Dies spart Platz und Energie und senkt damit die Kosten.

In dieser Arbeit wird die grundlegende Theorie für ein solches System beschrieben. Als Flüssigkeit kommt Novec™ 649 von 3M™ zum Einsatz. Sie zeichnet sich durch ihren Siedpunkt von 49 °C und ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften aus. Die Kühlung erfolgt aufgrund des Phasenübergangs besonders effizient. Der entstehende Dampf muss dann möglichst einfach und zuverlässig wieder kondensiert werden. Realisiert wird dies durch wassergekühlte Kupferrohre, in denen rippenartige Strukturen eine schnelle Durchmischung des Wassers und so einen hohen Wärmeabtransport ermöglichen. Aus den zur Flüssigkeit bekannten Daten wurde die Verdampfungskurve berechnet und ein Ansatz zur Beschreibung des Systems entwickelt. Wie sich am Modell zeigte, besteht eine wesentliche Herausforderung darin, nach außen geführte Kabel zuverlässig abzudichten. Die gewonnenen Erkenntnisse werden an einem Nachfolgesystem zum Einsatz kommen.

 

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