王晶 林湧雙 朱坤元 林恩華

摘 要：隨著高性能IDC機房的發(fā)熱量與能耗的不斷增大，為服務(wù)器提供高效的散熱方案成為了全球IDC供應(yīng)商急需解決的問題。該文提出了一種熱管與水冷技術(shù)相結(jié)合的散熱方法，首先熱管將服務(wù)器內(nèi)部CPU的熱量導(dǎo)出到服務(wù)器外部，然后通過水冷將這部分熱量帶走。經(jīng)測試，水冷熱管散熱器比原有的風(fēng)冷散熱器散熱效果提升較為明顯。

關(guān)鍵詞：服務(wù)器水冷熱管 散熱系統(tǒng) 散熱器模型

中圖分類號：TB657 5； TK172 4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0058-02

熱管是利用相變來強化換熱的傳統(tǒng)技術(shù)，其概念最早由Cotter提出，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。水冷散熱與風(fēng)冷散熱的原理基本相同，只是液冷中利用循環(huán)液將CPU的熱量從水冷塊中傳遞到外部的換熱器上再散發(fā)出去，由于作為傳熱介質(zhì)的水相對于空氣具有更高的傳熱效率，所以液冷的降溫效果非常明顯。

該文提出的熱管技術(shù)與水冷技術(shù)相結(jié)合的服務(wù)器散熱結(jié)構(gòu)，相對與傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱，綜合利用了熱管與水冷的優(yōu)點，有效地提高了散熱效率，降低了熱源的溫度。

1 水冷熱管散熱器模型

本次實驗中采用的服務(wù)器的型號為華為Tecal RH2288V2，服務(wù)器中有雙路CPU，CPU型號為Intel Xeon E5-2690，主頻：2900 MHz，核心數(shù)量：八核心，其散熱設(shè)計功耗TDP為135W，服務(wù)器總發(fā)熱功率約為400W。

水冷熱管散熱器的總體設(shè)計思路如下：服務(wù)器內(nèi)CPU的熱量首先通過熱管導(dǎo)出到服務(wù)器外部，再經(jīng)過水冷板進行冷卻。根據(jù)服務(wù)器的工作溫度范圍，選取銅-水熱管，管殼材料為純銅，熱管工作液為純潔。為了滿足單個CPU的135W的最大散熱需求，對單路CPU采用了3根并聯(lián)的直徑為8 mm的熱管進行散熱，單根熱管要滿足45W的傳熱功率要求。雙路CPU的熱量將通過同一個水冷板帶走。

熱管蒸發(fā)端：熱管與熱源接觸的那一段稱為蒸發(fā)段，由于熱管的原始形狀為圓柱形，其圓弧表面并不能夠與CPU上端散熱表面平整地接觸。因此，需要將熱管的一段壓平，本文中采用如圖1中的結(jié)構(gòu)，三根直徑為8mm的熱管壓入鋁制的固定板上，使得熱管有一端平面能夠與CPU的上端表面進行接觸，熱管與CPU之涂抹硅脂，用以減少它們之間的接觸熱阻。

熱管冷凝端：在冷凝段，熱管雙路CPU的熱量通過一個水冷板進行散熱，熱管冷凝段插入到水冷板水平并排排列的6個通孔之間，如圖2所示，熱管與水冷板之間涂抹導(dǎo)熱硅脂并壓入其中進行緊配合。水冷板上的管道接頭接入冷卻水，在水冷板內(nèi)部槽道進行換熱，對水冷板和熱管冷凝段進行冷卻。

2 散熱器的數(shù)值模擬

本文應(yīng)用熱分析軟件ICEPAK對服務(wù)器的散熱狀況進行數(shù)值模擬，服務(wù)器散熱系統(tǒng)的模型建立如圖1所示，整個水冷熱管散熱系統(tǒng)包括以下部件，服務(wù)器、熱管固定板、熱管、冷板。熱管固定板將熱管的蒸發(fā)段固定于CPU上方，熱管冷凝段插入冷板當(dāng)中進行傳熱。根據(jù)前人的模擬經(jīng)驗，ICEPAK的設(shè)定如下。

2.1 建立模型

在建立模型時做以下假定：（1）假定流動空氣為定常連續(xù)不可壓縮流體，在風(fēng)道內(nèi)做強制對流流動，其物理參數(shù)為常數(shù)。（2）散熱器放置在非封閉的空間，周圍空間設(shè)定壓力為1.01×105Pa，同時設(shè)定環(huán)境溫度穩(wěn)定。（3）不考慮輻射散熱和重力影響，由于本散熱器的空氣狀況為強制對流，不考慮散熱器升溫對環(huán)境空氣分布的影響。（4）進風(fēng)速度假定為均勻。風(fēng)道出口與散熱器間留有足夠長的距離以防止回流現(xiàn)象產(chǎn)生。（5）散熱器與CPU接觸良好，接觸熱阻忽略不計。完成基本邊界條件設(shè)置后，進行網(wǎng)格分化及后處理。（6）將熱管簡化為純導(dǎo)熱的器件block。

2.2 邊界條件

服務(wù)器在ICEPAK中邊界條件設(shè)定如下：（1）將熱管簡化為純導(dǎo)熱的器件block，其導(dǎo)熱系數(shù)為100000W/mK；（2）空氣的流動為湍流，服務(wù)器進口處空氣流量為0.02 m3/s，設(shè)定進風(fēng)口溫度為25 ℃；（3）單個CPU的發(fā)熱功率為135W，服務(wù)器的總發(fā)熱功率為400W，CPU芯片上表面面積為3.8 cm×3.8 cm，為了模擬CPU內(nèi)部不均勻的熱流分布，設(shè)定CPU中心尺寸為2 cm×2 cm的面熱源用以模擬CPU內(nèi)部發(fā)熱，其熱流密度為33.75 W/cm2；

2.3 模擬結(jié)果

以上述的水冷熱管散熱器的模型以及邊界條件針對服務(wù)器的最大負(fù)荷進行模擬（CPU=135W×2，總功率=400W），通過數(shù)值模擬分析加熱條件和冷卻條件對散熱器運行的影響，并將得到的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

服務(wù)器的各個部件的溫度整理后如表2所示，從模擬結(jié)果看出，水冷熱管散熱器相對與傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器具有更好的散熱性能，其優(yōu)勢如下：

（1）傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的CPU溫度達(dá)到73.2 ℃、76.7 ℃，而水冷的熱管散熱的溫度為49.6 ℃、49.6 ℃，CPU溫度分別降低了23.6 ℃、27.1 ℃；

（2）降低了周邊元件的溫度，模擬中采用風(fēng)冷散熱器的內(nèi)存溫度為64 ℃，而采用水冷熱管散熱器的服務(wù)器內(nèi)存溫度為57.6 ℃，降低了6.4 ℃。而芯片的溫度則由56℃降低為49.1 ℃。

（3）服務(wù)器出口溫度降低，由于服務(wù)器中CPU部分的熱量經(jīng)過水冷系統(tǒng)帶走，經(jīng)風(fēng)冷系統(tǒng)帶走的熱量為原來風(fēng)冷散熱器服務(wù)器的一部分。出口溫度由原來的35℃降低為29 ℃。

3 散熱器傳熱測試

3.1 實驗裝置

實驗將會比較原有的風(fēng)冷散熱器和水冷熱管散熱器之間的性能差異，風(fēng)冷服務(wù)器所有的發(fā)熱元件都采用風(fēng)扇與翅片散熱器進行散熱的。服務(wù)器的風(fēng)扇布置于服務(wù)器的前端進風(fēng)口處，CPU采用的是翅片散熱器進行散熱。水冷熱管散熱器的CPU部分的熱量改為采用水冷熱管散熱器進行散熱，熱量將通過熱管導(dǎo)出到服務(wù)器背部的水冷板處，經(jīng)循環(huán)水進行冷卻，其余元件熱量任然由風(fēng)冷系統(tǒng)帶走。

實驗中，CPU內(nèi)部的溫度通過CPU內(nèi)部集成的溫度傳感器進行采集，通過軟件服務(wù)器上軟件進行自動的讀取與記錄。服務(wù)器上將運行壓力測試軟件，對CPU進行模擬的負(fù)荷測試，測試環(huán)境為環(huán)境設(shè)定為25 ℃，水冷熱管散熱器的進水溫度為25 ℃，進口流速為1L/min。在測試中將進行對兩路CPU進行5%、33%、50%、75%、100%的負(fù)荷進行測試，每個負(fù)荷下進行20 min的連續(xù)測試，不同負(fù)荷切換時，約有1分鐘的切換時間。軟件將通過CPU內(nèi)置的傳感器進行溫度記錄，溫度通過軟件自動進行讀取與記錄，CPU溫度的采集速度為2 s/次。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過軟件讀取的溫度經(jīng)過處理后生成如圖4所示的溫度曲線，數(shù)據(jù)中分別記錄了CPU1與CPU2在風(fēng)冷情況下和水冷熱管散熱器的情況下進行負(fù)荷測試情況。將各負(fù)責(zé)下的CPU的平衡溫度整理如表2所示，記風(fēng)冷散熱為方案A，水冷熱管散熱為方案B。

（1）由圖3中可以看出，方案B中兩路CPU的溫度要明顯低于方案A，隨著CPU的負(fù)荷增大，溫度差異越發(fā)明顯，在CPU負(fù)荷為5%的時候，方案A的溫度為34 ℃/32 ℃，方案B的溫度為27 ℃/27 ℃，方案A的溫度要比方案B的溫度高約7 ℃/5 ℃，而當(dāng)負(fù)荷為100%的時候，方案A的溫度高達(dá)78 ℃/78 ℃，而方案B的溫度只有43 ℃/43 ℃，此時方案A的溫度要比方案 B的溫度高約35 ℃/35 ℃。

（2）可以看到當(dāng)負(fù)載達(dá)到75%時，方案A的溫度曲線開始發(fā)生波動，而到了100%的負(fù)載時，這種波動更為明顯。這是由于CPU內(nèi)部的保護機制造成的，當(dāng)CPU溫度高于安全溫度范圍，自動作降頻處理，當(dāng)溫度下降到安全溫度后恢復(fù)正常頻率運行，所以溫度曲線呈現(xiàn)波動狀態(tài)。由此可以看出，在室溫25 ℃的條件下，采用風(fēng)冷散熱器并不能滿足高負(fù)荷下CPU的散熱需求。

（3）水冷熱管散熱器的熱響應(yīng)速度更快，由圖4可以看到，方案A中在負(fù)荷切換后存在一個溫度上升的響應(yīng)時間，隨后保持平衡狀態(tài)；方案B中溫度上升的過程更為迅速，幾乎在一瞬間就達(dá)到當(dāng)前負(fù)載的平衡溫度。同時，在負(fù)荷切換的時候存在著一個約為1分鐘的切換時間，此時CPU的負(fù)荷會變?yōu)?%，可以看到方案A和方案B在負(fù)荷切換處都存在著一個溫度下降的過程，可以看到，采用水冷熱管散熱器能夠馬上就降到25 ℃左右，即是進水溫度，而在這段時間內(nèi)，方案A中的溫度則下降得相對緩慢。

（4）方案B中，在負(fù)荷為100%的情況下，其最高溫度只有43 ℃，在此溫度下工作能夠有效地降低CPU的發(fā)生故障的機率。由于此溫度距離大部分CPU的最高工作溫度70 ℃仍然有一定的距離，可以提升冷卻水的進口壓力，能夠進一降低外部散熱裝置的冷卻能耗。

4 結(jié)語

經(jīng)過以上的模擬仿真以及實驗數(shù)據(jù)表明，采用熱管與水冷的復(fù)合散熱方法有以下優(yōu)勢：（1）有效降低CPU的溫度以及部分降低CPU周邊器件溫度。增加服務(wù)器運行的可靠性；（2）在同樣的進風(fēng)溫度下，水冷熱管散熱能夠降低服務(wù)器的排風(fēng)溫度，能夠降低排到數(shù)據(jù)中心房間的熱量，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)的負(fù)荷；（3）散熱響應(yīng)速度更為迅速，在夠迅速地達(dá)到穩(wěn)定工作的溫度；（4）CPU滿負(fù)荷運行的情況下，溫度仍然能夠保持在較低的水平，能夠滿足高性能服務(wù)器的散熱需求；（5）相對與風(fēng)冷散熱器，水冷熱管散熱器受環(huán)境溫度的影響較小，能夠把CPU溫度降低到室溫以下。

采用水冷熱管服務(wù)器能夠在增強散熱效果的同時，增強服務(wù)器運行的可靠性與降低數(shù)據(jù)中心能耗，是具有很好應(yīng)用價值的一種散熱方法。

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