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摘要
隨著人工智慧（Artificial Intelligence, AI）與高效能運算（High Performance Computing, HPC）系統功率密度快速提升，浸潤式冷卻技術逐漸成為資料中心散熱架構的重要發展方向。本研究以浸潤式機櫃雛型機系統作為實驗平台，透過加速度感測器量測液櫃於不同位置之振動訊號，並將量測所得之時間域加速度資料進行傅立葉轉換（Fourier Transform）分析，以建立系統振盪頻率之頻域特性，最後透過調整液櫃推出與收回之氣動閥控制參數以降低液體振盪幅度並提升系統運動穩定性。本研究成果可作為未來浸潤式冷卻槽體結構縮小化與系統運動控制設計之重要參考依據。
Abstract
With the rapid growth of artificial intelligence (AI) and high-performance computing (HPC), the power density of modern data center servers continues to increase significantly. Immersion cooling has therefore emerged as a promising thermal management solution due to its superior heat transfer capability and high cooling efficiency. In this study, an immersion cooling rack prototype was used as the experimental platform to investigate the dynamic behavior of fluid oscillation within the immersion tank. Accelerometers were installed at multiple positions on the liquid cabinet to measure vibration signals during the cabinet motion. The measured acceleration signals in the time domain were then transformed into the frequency domain using Fourier Transform analysis in order to identify the dominant oscillation frequencies of the system. Through frequency-domain analysis, the primary sloshing modes of the immersion tank can be effectively characterized, allowing further understanding of the coupling behavior between cabinet motion and fluid dynamics. By adjusting the control parameters of the pneumatic valves responsible for cabinet pushing and retracting motions, the system response was optimized to reduce fluid oscillation amplitude and improve operational stability. The results indicate that appropriate tuning of pneumatic driving parameters can effectively suppress sloshing effects and enhance the dynamic stability of the immersion cooling system. The findings of this study provide valuable insights for the design and control of immersion cooling systems.
前言
隨著人工智慧 (Artificial Intelligence, AI) 與高效能運算 (High Performance Computing, HPC) 系統功率密度快速提升，浸潤式冷卻技術逐漸成為資料中心散熱架構的重要發展方向。本研究以浸潤式機櫃雛型機系統作為實驗平台，透過加速度感測器量測液櫃於不同位置之振動訊號，並將量測所得之時間域加速度資料進行傅立葉轉換 (Fourier Transform) 分析，以建立系統振盪頻率之頻域特性，最後透過調整液櫃推出與收回之氣動閥控制參數以降低液體振盪幅度並提升系統運動穩定性。本研究成果可作為未來浸潤式冷卻槽體結構縮小化與系統運動控制設計之重要參考依據。
目前資料中心常見的液冷技術主要包括冷板式液冷 (Cold Plate Cooling)、直接液冷 (Direct Liquid Cooling) 以及浸潤式冷卻 (Immersion Cooling)。其中冷板式液冷透過冷卻板與晶片接觸進行熱交換，而浸潤式冷卻則是將整個電子系統直接浸泡於冷卻液中，使晶片與電子元件能夠直接與冷卻液接觸進行散熱。由於浸潤式冷卻可以消除傳統冷板系統中的熱界面阻抗，同時避免複雜的冷卻管路配置，因此在高功率密度散熱應用中具有極高的潛力。在浸潤式冷卻機櫃系統的實際開發過程中，除了熱傳性能與冷卻效率外，系統機構設計亦會對整體運作穩定性產生重要影響。
由於浸潤式冷卻機櫃內部包含大量冷卻液體，當液櫃在系統維護或操作過程中進行推出或收回動作時，槽體內的液體會因慣性力作用而產生自由液面振盪現象，此現象在流體力學中被稱為液艙沖激效應 (Tank Sloshing)。沖激效應流體力學基礎研究最早於 1963 年由 Housner 等人提出。液槽系統分為衝擊質量 (Impulsive mass) 與晃動質量 (convective mass) 兩部分來描述液體與容器耦合運動，是後續 sloshing 研究的重要理論基礎。Impulsive mass 位於槽體下部，與槽壁剛性連接，隨槽體同步振動。Convective mass 位於槽體上部，在振動時會產生表面晃動（sloshing）；若槽體運動頻率接近液體自然振盪頻率，則可能產生共振效應，使液面振盪幅度顯著放大，進而影響系統穩定性與機構安全。
基於上述背景，本研究以浸潤式冷卻機櫃雛型機為實驗平台，針對液櫃推出與收回操作過程中所產生的沖激振盪現象進行系統性研究，藉由安裝加速度感測器於液櫃的不同位置，量測系統運動過程中的振動訊號，並將時間域量測資料透過傅立葉轉換 (Fourier Transform) 進行頻域分析，以辨識系統主要振盪頻率與流體振盪模態，最後調整液櫃推出與收回氣閥控制參數，以降低液體振盪幅度並優化系統運動穩定性以及建立振動量測與頻域分析方法。
研究方法
一、水浸潤式機櫃雛型機系統
本研究建立之水浸潤式機櫃雛型系統，為確保液體動態觀測具備良好穩定性與再現性，雛型機系統除具備基本的冷卻循環與流量監測能力外，亦整合氣壓致動系統，使機台可透過氣壓驅動方式對液槽施加瞬時沖激或週期性激振，藉此模擬運輸或外部沖激環境。因此，本系統同時包含流體循環模組與氣壓致動模組兩大部分，使其能夠兼具冷卻運作平台與流體動力學實驗平台之功能。
在流體循環架構方面，本研究之水浸潤式冷卻系統主要係由水槽、循環泵浦、流量計、板式熱交換器以及入水與出水管路等構件所組成，如圖1 所示。水槽為整個實驗系統的核心容器，用以容納浸潤式冷卻工作流體並形成實際的液體儲存空間。在實驗運作時，工作流體首先儲存在水槽中，並透過循環泵浦將液體輸送至循環管路系統，使液體在整個冷卻回路中持續流動。此循環中泵浦提供系統所需之壓力差，使流體能夠克服管路阻力並形成穩定流量，確保液體在實驗期間保持均勻的流動狀態。根據設備設計說明，在系統啟動前必須確認泵浦與管路內部已排除空氣，並確保水槽液位充足，以避免泵浦空轉造成設備損壞或流量不穩定之情形。
本研究之機櫃雛型機之氣壓致動系統相關組件概況如圖2 所示。氣壓系統主要由氣壓入口、調壓閥、氣壓缸控制開關、氣壓缸調速閥以及氣壓缸致動器等元件所組成。氣壓入口為整個氣壓系統與外部壓縮空氣設備之連接端口，壓縮空氣首先由外部空壓機輸送至設備內部，再經由調壓閥進行壓力調整，以確保進入系統的氣體壓力維持在安全且穩定的範圍內，使其具有適當且穩定之輸出推力；調速閥則用於調整進出氣壓缸之氣體流量，以控制活塞伸縮速度，進而影響平台或液櫃運動過程之加減速特性與整體動態響應。
DOI:10.30256/JIM.202606_(519).0006
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2026年06月號
(單篇費用：參考材化所定價)