Modelling and control of an evaporative CPU cooling system

This thesis delves into computer cooling solutions, particularly focusing on the modelling and control of evaporative cooling systems. The primary challenge addressed here lies in the diverse array of components found within a cooling system. While certain elements, like heating chips, can be effectively managed using specialized algorithms, others rely heavily on the specific configurations of the cooling system. This diversity makes a ’write- once-and-configure’ approach impractical, necessitating tailored solutions to account for the interactions between different components. The approach is divided into two main phases: first, the development of key components as standalone entities, followed by their integration to replicate an experimental setup where empirical data is available. This approach enables us to construct a comprehensive model that effectively captures the dynamics of a two-phase cooling circuit, where both specialized algorithms and system-level configurations coexist. The work then transitions to the testing phase, ensuring that the model’s performance aligns with theoretical expectations. The correspondence between simulations and theory underscores the models’ practical applicability. Subsequently, an evaluation of a preliminary control strategy is performed by studying the underlying physics of the circuit and proposing a control solution tailored to the system built. Alongside the control scheme proposal, the reader will find an initial validation assessment, that verifies its performance using data gathered from simulations on the corresponding experimental setup.

Questa tesi approfondisce le soluzioni di raffreddamento per computer, concentrando par- ticolarmente l’attenzione sulla modellazione e il controllo dei sistemi di raffreddamento evaporativi. La principale sfida affrontata risiede nell’ampia gamma di componenti pre- senti all’interno di un sistema di raffreddamento. Mentre alcuni elementi, come i chip riscaldanti, possono essere gestiti in modo efficace mediante algoritmi specializzati, al- tri dipendono fortemente dalle configurazioni specifiche del sistema di raffreddamento. Questa diversità rende impraticabile un approccio "scrivi una volta e configura", ren- dendo necessarie soluzioni personalizzate per tener conto delle interazioni tra i diversi componenti. L’approccio è diviso in due fasi principali: prima, lo sviluppo dei componenti chiave come elementi singoli, seguito dalla loro integrazione per replicare un setup sperimentale di cui sono disponibili alcuni dati empirici. Questo approccio consente di costruire un modello completo che cattura efficacemente le dinamiche di un circuito di raffreddamento bifase, in cui sia algoritmi specializzati che configurazioni a livello di sistema coesistono. Il lavoro passa quindi alla fase di test, garantendo che le prestazioni del modello siano in linea con le aspettative teoriche. La corrispondenza tra simulazioni e teoria sottolinea l’applicabilità pratica dei modelli. Successivamente, viene effettuata una valutazione preliminare di una strategia di controllo mediante lo studio della fisica sottostante al circuito e la proposta di una soluzione di con- trollo su misura per il sistema realizzato. Insieme alla proposta dello schema di controllo, il lettore troverà una primo approccio alla validazione, che ne verifica le prestazioni utiliz- zando dei dati raccolti da delle simulazioni condotte sul corrispondente setup sperimentale.