Low consumption active thermal management for power electronic cooling systems

Thermal management of the rack and its hardware is becoming increasingly important in terms of lowering energy consumption while maintaining server dependability. Temperature prediction and the use of energy-saving technology are key to the study of latent thermal management of power electronic systems. In this context, improving control strategies for the high-heat-generating appliance, as well as co-design methodologies that address the mechanical components of racks concurrently, has the potential to reveal more innovative solutions. This thesis is technically divided into two parts. The first part discusses the passive cooling strategy in terms of the optimal design of server rack cabinet design aspects. Passive cooling is chosen because the cost of cooling systems for the rack is much higher than the cost of running the devices within it. It will go into the precise design of the enclosure cabinet for the data center, which contains the high-tech electronic equipment that will be used in the laboratory, to maximize heat dissipation and airflow, passively. After the necessary literature research, the dominance of the subject is discussed, and the design first includes several 3D drawing ideas most effectively and efficiently according to our needs. As a result of the ideas drawn to place the instruments in an orderly manner and to passively exchange the indoor air with the ambient temperature, market research was conducted and the most suitable server rack cabinet was recommended. Air transfer in the passively designed server rack cabinet is good, but not at the level to cool the components alone. For this reason, the objective of the second part is to propose the control theory to improve the thermal cooling of power converter modules inside the rack cabinet in the most energy-efficient way and keep the temperature at the desired level. In this study, the best approach for the system is designing an innovative ON/OFF non-linear discrete fan speed control based on a temperature control zones look-up table to control the temperature of the heatsink via 2-wires axial fans. The dedicated study ensures less power and energy consumption. After all, power and energy consumption comparison was conducted between classical ON/OFF control and the proposed non-linear discrete fan speed control. Also, simulation block diagram is designed by implementing the control theory as well as modeling corresponding dynamics, and behaviors of the real system with blocks. The aim of creating a simulation model is to assist to form temperature control zones and provide a further power consumption prediction close to real results offline, conveniently and easily. In addition, with some modifications, different experiments can be performed faster, safer, and with less cost using created simulation.

La gestione termica del rack e del suo hardware sta diventando sempre più importante in termini di riduzione del consumo energetico mantenendo l'affidabilità del server. La previsione della temperatura e l'uso della tecnologia di risparmio energetico sono fondamentali per lo studio della gestione termica latente dei sistemi elettronici di potenza. In questo contesto, il miglioramento delle strategie di controllo per gli apparecchi ad alta generazione di calore, nonché le metodologie di co-progettazione che affrontano contemporaneamente i componenti meccanici dei rack, ha il potenziale per rivelare soluzioni più innovative. Questa tesi è tecnicamente divisa in due parti. La prima parte discute la strategia di raffreddamento passivo in termini di progettazione ottimale degli aspetti di progettazione dell'armadio rack del server. Il raffreddamento passivo viene scelto perché il costo dei sistemi di raffreddamento per il rack è molto più alto del costo di esecuzione dei dispositivi al suo interno. Entrerà nel design preciso dell'armadio dell'enclosure per il data center, che contiene le apparecchiature elettroniche ad alta tecnologia che verranno utilizzate in laboratorio, per massimizzare la dissipazione del calore e il flusso d'aria, in modo passivo. Dopo la necessaria ricerca bibliografica, viene discussa la dominanza dell'argomento e il progetto include innanzitutto diverse idee di disegno 3D in modo più efficace ed efficiente in base alle nostre esigenze. Come risultato delle idee emerse per posizionare gli strumenti in modo ordinato e per scambiare passivamente l'aria interna con la temperatura ambiente, sono state condotte ricerche di mercato ed è stato consigliato il cabinet rack server più adatto. Il trasferimento dell'aria nell'armadio rack del server progettato passivamente è buono, ma non al livello di raffreddare i soli componenti. Per questo motivo, l'obiettivo della seconda parte è proporre la teoria del controllo per migliorare il raffreddamento termico dei moduli convertitori di potenza all'interno dell'armadio rack nel modo più efficiente dal punto di vista energetico e mantenere la temperatura al livello desiderato. In questo studio, l'approccio migliore per il sistema è la progettazione di un innovativo controllo discreto non lineare della velocità della ventola ON/OFF basato su una tabella di ricerca delle zone di controllo della temperatura per controllare la temperatura del dissipatore di calore tramite ventole assiali a 2 fili. Lo studio dedicato garantisce minori consumi e consumi energetici. Dopo tutto, il confronto tra potenza e consumo energetico è stato condotto tra il classico controllo ON/OFF e il controllo discreto non lineare della velocità della ventola proposto. Inoltre, il diagramma a blocchi di simulazione è progettato implementando la teoria del controllo e modellando le dinamiche corrispondenti e i comportamenti del sistema reale con i blocchi. Lo scopo della creazione di un modello di simulazione è aiutare a formare zone di controllo della temperatura e fornire un'ulteriore previsione del consumo di energia vicino ai risultati reali offline, in modo comodo e semplice. Inoltre, con alcune modifiche, è possibile eseguire diversi esperimenti più velocemente, in modo più sicuro e con meno costi utilizzando la simulazione creata.