Comparative thermo-hydraulic performance evaluation of dielectric fluids for single-phase immersion cooling applications

The increasing power density of modern data centers is making conventional air-cooling systems progressively less effective, motivating the adoption of advanced liquid-cooling technologies. Among them, Single-Phase Immersion Cooling has emerged as a promising solution due to its high heat-removal capability and improved energy efficiency. This work investigates the thermo-hydraulic performance of ester-based dielectric fluids for single-phase immersion-cooling applications. A one-dimensional mixed-convection model was developed to simulate heat transfer within a vertical channel representative of the flow passage between adjacent electronic boards. Temperature-dependent thermophysical properties were incorporated and implemented in a dedicated MATLAB computational framework. The proposed methodology was used to compare different dielectric fluids under identical operating conditions. The results show that all investigated fluids satisfy the prescribed thermal requirements, while significant differences emerge in their thermo-hydraulic behaviour. In particular, viscosity was identified as the dominant parameter affecting both heat-transfer performance and pressure losses. Among the investigated fluids, Castrol DC20 and TCLAD ICE10H provided the most favourable compromise between cooling capability and hydraulic efficiency.

La crescente densità di potenza dei moderni data center sta rendendo i tradizionali sistemi di raffreddamento ad aria progressivamente meno efficaci, favorendo l’adozione di tecnologie avanzate di raffreddamento a liquido. Tra queste, il raffreddamento per immersione monofase si è affermato come una soluzione promettente grazie alla sua elevata capacità di rimozione del calore e alla maggiore efficienza energetica. Il presente lavoro analizza le prestazioni termo-idrauliche di fluidi dielettrici a base di esteri per applicazioni di raffreddamento per immersione monofase. A tale scopo è stato sviluppato un modello monodimensionale a convezione mista per simulare il trasferimento di calore all’interno di un canale verticale rappresentativo del passaggio di flusso tra schede elettroniche adiacenti. Le proprietà termofisiche dipendenti dalla temperatura sono state incluse nel modello e implementate in un apposito ambiente di calcolo sviluppato in MATLAB. La metodologia proposta è stata utilizzata per confrontare diversi fluidi dielettrici in condizioni operative identiche. I risultati mostrano che tutti i fluidi analizzati soddisfano i requisiti termici prefissati, pur evidenziando differenze significative nel loro comportamento termo-idraulico. In particolare, la viscosità è risultata essere il parametro predominante nel determinare sia le prestazioni di scambio termico sia le perdite di carico. Tra i fluidi esaminati, Castrol DC20 e TCLAD ICE10H hanno mostrato il miglior compromesso tra capacità di raffreddamento ed efficienza idraulica.