張志遠 凌云志 崔 奇 高恩元 張小松

(1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096；2 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院 徐州 221008)

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗迅速增大。2018年中國數(shù)據(jù)中心總用電量為1 608.89億kW·h，占全國用電量的2.35%。2019—2023年數(shù)據(jù)中心總用電量將增長66%，年均增長率將達到10.64%[1]。數(shù)據(jù)中心的能耗主要包括IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及其他設(shè)施，其中IT設(shè)備和制冷系統(tǒng)能耗分別約占40%和45%[2]，二者節(jié)能減排潛力巨大。

我國政府始終重視數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排工作，2019年七部委聯(lián)合印發(fā)的《綠色高效制冷行動方案》要求，要實施數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能效提升工程，支持老舊數(shù)據(jù)中心(包括公共機構(gòu)數(shù)據(jù)中心)等開展節(jié)能和綠色改造工程，大幅提升數(shù)據(jù)中心能效水平[3]。2020年9月，我國政府提出2030年前實現(xiàn)碳達峰并努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[4]。因此，進行數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的深入研究是有必要且具有現(xiàn)實意義的。

為降低數(shù)據(jù)中心能耗，可重點從數(shù)據(jù)中心中IT設(shè)備的芯片和制冷系統(tǒng)兩部分展開研究。對于IT設(shè)備的芯片，主要是運用高效熱管理技術(shù)降低芯片的工作溫度，以降低芯片的漏電功率。當(dāng)芯片溫度降至推薦工作溫度以下時，又可以通過降低制冷系統(tǒng)的風(fēng)機轉(zhuǎn)速來減少制冷系統(tǒng)的能耗。

脈動熱管是一種高效的新型傳熱元件，在20世紀(jì)90年代初由日本學(xué)者H.Akachi[5]提出，是一種極具潛力的數(shù)據(jù)中心節(jié)能元件，它可以顯著降低芯片的溫度以減少能耗。Zhang Yuwen等[6]分析了工質(zhì)種類、充液率、熱管放置傾斜角度等對脈動熱管管內(nèi)工質(zhì)流動狀態(tài)及換熱特性的影響。G.Burban等[7]實驗研究了脈動熱管在混合動力汽車中的熱性能，實驗證明了脈動熱管在混合動力汽車熱管理中的可行性。D.J.Kearney等[8]研究了不同工質(zhì)的開式脈動熱管在嵌入式電子冷卻技術(shù)中的傳熱性能，研究發(fā)現(xiàn)傳熱性能高度依賴于工質(zhì)的充注率和工質(zhì)的熱物理性質(zhì)。D.Bastakoti等[9]實驗研究了工質(zhì)類型和工質(zhì)充液率對豎直式脈動熱管換熱特性的影響。脈動熱管初始被提出時是二維的，傳熱方向僅限于一個平面，用于IT設(shè)備散熱時可能導(dǎo)致設(shè)備溫度分布不均勻。

三維脈動熱管作為一種新型的脈動熱管可以改善二維脈動熱管上述缺陷。Y.F.Maydanik等[10]對三維脈動熱管在不同放置情況下的啟動和溫度進行了測試，結(jié)果表明三維脈動熱管具有良好的傳熱特性，使用甲醇作為工質(zhì)時，在250 W加熱功率下最小熱阻可達0.32 ℃/W。屈健等[11]設(shè)計制作了帶平板蒸發(fā)器的三維脈動熱管，研究該脈動熱管在不同放置方式和充液率下的啟動和傳熱性能，結(jié)果表明，充液率介于30%～70%之間時脈動熱管一般均能正常啟動且穩(wěn)定運行；豎直放置時該熱管的傳熱性能優(yōu)于水平放置。由上述研究可知，三維脈動熱管有著優(yōu)良的空間適應(yīng)性，在IT設(shè)備芯片冷卻方面具有很好的應(yīng)用潛力。

除脈動熱管外，相變材料(phase change material，PCM)在芯片的被動冷卻中也應(yīng)用廣泛。利用PCM優(yōu)異的蓄熱特性，可有效緩解芯片散熱負荷尤其是芯片功率突然升高引起的芯片過熱問題，實現(xiàn)對芯片溫度的被動控制[12]。但PCM在芯片冷卻的應(yīng)用中也存在局限性：材料易泄露；有機PCM導(dǎo)熱系數(shù)偏低(如石蠟)[13]。為解決這些問題，有學(xué)者提出將脈動熱管與PCM耦合應(yīng)用，以提高PCM的導(dǎo)熱率，改善導(dǎo)熱性能。羅孝學(xué)等[14]設(shè)計并搭建了脈動熱管相變蓄熱裝置實驗臺，實驗證明了利用脈動熱管技術(shù)對相變蓄熱系統(tǒng)進行傳熱優(yōu)化是可行的。Zhao Jiateng等[15]實驗研究了PCM/脈動熱管耦合熱性能，研究表明，相對單純的石蠟PCM模塊，耦合模塊具有更好的熱性能。Weng Y.C.等[16]研究了PCM輔助熱管在電子芯片冷卻中的熱性能，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)熱管相比，添加PCM模塊后可使風(fēng)機冷卻功耗降低46%，平均加熱溫度可降低12 ℃。H.Behi等[17]使用數(shù)值計算和實驗研究的方法研究了熱管耦合PCM的散熱模塊在電子設(shè)備中散熱的性能，結(jié)果表明，添加該模塊可以提高86.7%的冷卻能力。由上述研究結(jié)果可知，采用脈動熱管與PCM耦合進行芯片冷卻可在提升冷卻效果的同時降低能耗。然而上述研究中采用的均為二維脈動熱管，對采用三維脈動熱管與PCM耦合進行芯片冷卻的研究目前很少，二者耦合的傳熱與節(jié)能特性尚不清楚。

鑒于此，本文設(shè)計并制作了充注不同工質(zhì)的三維脈動熱管，搭建了三維脈動熱管與石蠟PCM耦合實驗臺，以揭示三維脈動熱管耦合PCM用于芯片冷卻的傳熱與節(jié)能特性。首先，建立了耦合模塊的熱阻模型，定義了耦合模塊的熱阻變化率；然后，實驗分析了不同工質(zhì)、不同充液率耦合模塊的傳熱特性，研究了送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度對耦合模塊熱阻的影響并擬合出相應(yīng)關(guān)系式；最后，分析了耦合模塊的節(jié)能特性，揭示了耦合模塊相對傳統(tǒng)冷卻方式的節(jié)能優(yōu)勢。研究結(jié)果可為數(shù)據(jù)中心節(jié)能優(yōu)化提供參考。

1 實驗研究方法

本文搭建的三維脈動熱管/PCM耦合實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括耦合模塊實驗臺、空調(diào)箱等部分。

圖1 耦合模塊實驗系統(tǒng)

將耦合模塊置于恒溫房間中，房間的通風(fēng)模式和環(huán)境參數(shù)由空調(diào)箱進行控制。通過調(diào)節(jié)，使冷卻空氣通過房間地板靜壓箱經(jīng)由活動地板送入房間，再通過耦合模塊實驗臺的可變頻風(fēng)機對耦合模塊進行冷卻，冷卻后氣流從天花板回風(fēng)口返回至空調(diào)箱中，冷卻空氣的參數(shù)由空調(diào)箱控制。

耦合模塊由三維脈動熱管、石蠟PCM及銅制容器組成，耦合模塊如圖2所示。選用石蠟作為PCM，在容器內(nèi)裝入三維脈動熱管，并放入適量的石蠟以構(gòu)成耦合模塊。將耦合模塊直接置于分體式鋁制加熱臺上散熱。使用加熱臺來模擬芯片的發(fā)熱，加熱臺由加熱平臺和控制器組成，控制器可以調(diào)節(jié)加熱平臺的功率并顯示加熱平臺當(dāng)前的溫度及功率。在測量熱阻的實驗中，使用已校準(zhǔn)的K型熱電偶(精度為讀數(shù)的±0.75%)測量溫度，使用testo425熱線風(fēng)速儀(風(fēng)速精度為±0.03 m/s,風(fēng)溫精度為±0.5 ℃)測量冷卻氣流的溫度和風(fēng)速，使用Agilent34970A(精度為±0.025 6 ℃)記錄數(shù)據(jù)。

圖2 耦合模塊

本文制作的三維脈動熱管銅管內(nèi)徑為3 mm，外徑為5 mm，長、寬、高分別為60、60、160 mm，蒸發(fā)段和冷凝段長度分別為50 mm和60 mm。三維脈動熱管在寬度方向上分為4層，其蒸發(fā)段具有8個彎頭。制作了不同工質(zhì)和充液率的三維脈動熱管共6種，分別為充液率34%的甲醇、乙醇、丙酮脈動熱管，以及充液率44%的甲醇、乙醇、丙酮脈動熱管。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 三維脈動熱管/PCM耦合模塊的熱阻模型

為了研究耦合模塊的傳熱特性，建立了如圖3所示的耦合模塊熱阻模型。圖3中,th為加熱平臺的溫度；tb為銅制殼體底面的溫度；ta為銅殼壁面的溫度；tPCM為石蠟的平均溫度；tc為脈動熱管冷凝端溫度；tf為環(huán)境溫度。Rt為加熱平臺與銅制殼體底面的接觸熱阻；Ra為銅制殼體底面與銅殼側(cè)面之間的熱阻；Rb為銅殼底面與石蠟表面之間的熱阻；Ra-f為銅制殼體側(cè)壁與環(huán)境溫度之間的熱阻；RPCM-f為石蠟表面與環(huán)境之間的熱阻；Rc為脈動熱管冷凝端的熱阻；Rc-f為冷凝端與環(huán)境溫度之間的熱阻。

圖3 耦合模塊熱阻模型

定義耦合模塊的熱阻變化率α如式(1)所示，熱阻變化率可用來衡量安裝耦合模塊前后總熱阻的減小程度。數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)下送風(fēng)直接冷卻方式的總熱阻如式(2)所示，添加耦合模塊后的總熱阻如式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：th1、th2分別為不安裝、安裝耦合模塊而使用機柜直接送風(fēng)冷卻加熱臺時加熱平臺的溫度，℃；tf為送風(fēng)溫度，℃；P為加熱臺的功率，W；Rh1、Rh2分別為不安裝、安裝耦合模塊而使用機柜直接送風(fēng)冷卻加熱臺時的熱阻，℃/W。α的大小可以衡量相比于數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的冷卻方式，安裝耦合模塊后的冷卻效果。

2.2 三維脈動熱管/PCM耦合模塊傳熱特性

送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度分別設(shè)定為5 m/s和20 ℃，當(dāng)加熱臺功率分別為80 W和120 W時，采用傳統(tǒng)冷卻方式的加熱平臺在達到熱平衡時的表面溫度分別為135 ℃和169 ℃。實驗所使用石蠟的主要熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 石蠟主要熱物性參數(shù)

當(dāng)加熱臺功率為80 W，送風(fēng)參數(shù)不變時，不同工質(zhì)的耦合模塊加熱臺表面溫度如表2所示。由表2可知，當(dāng)工質(zhì)不變時，充液率為44%的耦合模塊表面溫度高于充液率為34%時的溫度，其中充液率為34%的甲醇工質(zhì)耦合模塊表面溫度最低，僅為79.5 ℃。

表2 80 W加熱功率下不同工質(zhì)和充液率耦合模塊加熱臺表面溫度

通過式(1)計算得到不同工質(zhì)不同充液率的耦合模塊的熱阻變化率如圖4所示，充液率為34%的甲醇工質(zhì)耦合模塊熱阻變化率最大，達到48.2%。充液率為44%的乙醇工質(zhì)耦合模塊熱阻變化率最小，為43.9%。在80 W加熱工況下，甲醇工質(zhì)對充液率的變化最不敏感，當(dāng)充液率從34%增至44%時，熱阻變化率僅減小0.9%；乙醇工質(zhì)對充液率的變化最敏感，當(dāng)充液率從34%增至44%時，熱阻變化率減小2.6%。

圖4 80 W加熱功率下耦合模塊的熱阻變化率

充液率為34%時，熱管內(nèi)供氣泡生成、發(fā)展的空間足夠充分，工質(zhì)在管內(nèi)形成的氣液塞分布較為均勻。同時冷凝端和蒸發(fā)端、不同管子之間的壓力差較大，可增大氣液塞的震蕩頻率，因此脈動熱管的傳熱效率較高。而充液率為44%時，管內(nèi)液相工質(zhì)較多，氣泡的產(chǎn)生、發(fā)展較為困難，驅(qū)動管內(nèi)氣液塞震蕩的壓力差較小。更多的液相工質(zhì)也會使傳熱時必須克服的黏性力、重力增大，同樣不利于脈動熱管的傳熱。因此，較小的充液率有利于提高耦合模塊的傳熱性能。

加熱功率為120 W，送風(fēng)參數(shù)不變時，耦合模塊加熱臺表面溫度如表3所示?？傻玫脚c加熱功率為80 W時類似的結(jié)果，不同工質(zhì)不同充液率耦合模塊的熱阻變化率如圖5所示，充液率為34%的甲醇工質(zhì)耦合模塊熱阻變化率最大，達到48.7%。充液率為44%的乙醇工質(zhì)耦合模塊熱阻變化率最小，為44.7%。在120 W加熱工況下，不同工質(zhì)耦合模塊的充液率對熱阻變化率的影響與80 W加熱工況下相同。

表3 120 W加熱功率下不同工質(zhì)和充液率耦合模塊加熱臺表面溫度

圖5 120 W加熱功率下耦合模塊的熱阻變化率

通過對比充液率改變時使用不同工質(zhì)的三維脈動熱管/PCM耦合模塊的熱阻變化率，可以看出，使用甲醇作為工質(zhì)時，耦合模塊的熱阻變化率受充液率的影響最小。使用乙醇作為工質(zhì)時，耦合模塊的熱阻變化率受充液率影響最大。隨著加熱功率的增大，三維脈動熱管/耦合模塊的熱阻變化率也有所增大。由此可見，在較大的加熱功率下，耦合模塊仍有良好的散熱能力。

由前文可知，充液率為34%的甲醇工質(zhì)三維脈動熱管/耦合模塊具有最高的熱阻變化率，基于此，使用充液率34%的甲醇作為工質(zhì)，研究送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度對耦合模塊的影響。

使用式(3)計算耦合模塊的總熱阻，圖6所示為不同送風(fēng)溫度下的耦合模塊熱阻變化，送風(fēng)溫度越高，熱阻也越大。使用多項式擬合二者的關(guān)系，當(dāng)送風(fēng)速度為5 m/s，送風(fēng)溫度在20～26 ℃范圍內(nèi)時，耦合模塊熱阻R隨送風(fēng)溫度tf變化趨勢如式(4)所示，擬合式的R2為0.991 46。

圖6 不同送風(fēng)溫度下耦合模塊熱阻變化

R(tf)=-0.004 72tf2+0.239 60tf-2.166 31

(4)

圖7所示為不同送風(fēng)速度下的耦合模塊的熱阻變化，送風(fēng)速度越高，耦合模塊的熱阻隨之減小，可認為當(dāng)送風(fēng)速度在3～9 m/s的范圍內(nèi)、送風(fēng)溫度為24 ℃時，耦合模塊熱阻R隨送風(fēng)速度V變化為線性分布，使用線性擬合得到兩者的關(guān)系如式(5)所示，擬合式的R2為0.988 6。

圖7 不同送風(fēng)速度下耦合模塊的熱阻變化

R(V)=-0.025 73V+0.996 88

(5)

降低送風(fēng)溫度、提高送風(fēng)速度均能使耦合模塊的熱阻減小，然而這兩種方法均會增加冷卻系統(tǒng)的負荷，使能耗增大。因此，有必要對耦合模塊的節(jié)能特性進行研究。

2.3 三維脈動熱管/PCM耦合模塊的節(jié)能特性

由于充液率為34%的甲醇工質(zhì)三維脈動熱管/耦合模塊具有最大的熱阻變化率，傳熱性能最好。本節(jié)通過實驗測試進一步研究其在數(shù)據(jù)中心冷卻應(yīng)用中的節(jié)能潛力，揭示其與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心冷卻方式的能耗差異。

實驗中使用的風(fēng)機尺寸為172 mm×150 mm×50 mm，通過風(fēng)洞測試，測量該風(fēng)機的有關(guān)參數(shù)。在某一轉(zhuǎn)速下，測出風(fēng)機功耗和送風(fēng)速度。風(fēng)機轉(zhuǎn)速和送風(fēng)速度、風(fēng)機功耗的關(guān)系如圖8所示。

圖8 風(fēng)機轉(zhuǎn)速和送風(fēng)速度、風(fēng)機功耗的關(guān)系

根據(jù)圖8，可認為當(dāng)轉(zhuǎn)速在500～4 000 r/min范圍內(nèi)，送風(fēng)速度隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速呈線性變化，使用線性擬合得到兩者的關(guān)系如式(6)所示，擬合式的R2為0.999 59。同樣地，可認為轉(zhuǎn)速在500～4 000 r/min范圍內(nèi)，功耗和風(fēng)機轉(zhuǎn)速呈二次關(guān)系，擬合得出風(fēng)機功耗和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的關(guān)系式如式(7)所示，擬合式的R2為0.999 77。

V=0.001 29S+0.039 71

(6)

P=2.301 52×10-6S2-0.003 52S+3.305 64

(7)

式中：V為送風(fēng)速度，m/s;S為風(fēng)機轉(zhuǎn)速，r/min;P為風(fēng)機功耗，W。

芯片功耗包括正常運行時的有效功率和漏電功率，漏電功率占芯片總功率的20%以上[18]，且漏電功率隨著芯片溫度的升高而增大[19]。相關(guān)研究[20]顯示，若芯片溫度從100 ℃降至70 ℃，芯片的漏電功率可降低約50%，不同溫度下的芯片漏電功率和100 ℃時芯片漏電功率的比值如圖9所示。而當(dāng)芯片溫度在7～87 ℃間變化時元件的漏電功率僅增大了14.32%[21]。所以，降低芯片溫度可以顯著減小芯片的漏電功率。

圖9 不同溫度下芯片漏電率的變化

根據(jù)圖9，芯片漏電率隨芯片溫度的增加呈上升趨勢，通過擬合得到的關(guān)系式如式(8)所示，擬合式的R2為0.999 64。

I(T)=0.010 02T2-0.121 84T+11.564 83

(8)

因為芯片的功率和發(fā)熱量是動態(tài)變化的，實驗中使用加熱平臺模擬芯片進行測試時，認為芯片功率等于加熱臺加熱功率并保持溫度恒定以簡化計算。

送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度分別設(shè)定為5 m/s和20 ℃，當(dāng)加熱臺功率為80 W時，采用傳統(tǒng)冷卻方式的加熱平臺在達到熱平衡時的溫度為135 ℃。實驗可得，送風(fēng)溫度不變時，使用充液率34%的甲醇工質(zhì)三維脈動熱管/PCM耦合模塊冷卻加熱平臺時，將溫度降至87 ℃以下時，所需風(fēng)速為3 m/s。

假設(shè)芯片溫度100 ℃時的漏電率為25%，根據(jù)式(8)，芯片溫度為135 ℃時的漏電率為44.43%，芯片溫度為87 ℃時的漏電率為19.20%。由此可得，芯片溫度從135 ℃降至87 ℃時，芯片漏電功率可減少25.23%。

根據(jù)式(6)和式(7),對于功率為80 W的單個芯片，采用傳統(tǒng)冷卻方式和三維脈動熱管/PCM耦合模塊進行冷卻的年耗電量分別如圖10所示。風(fēng)機的年耗電量和芯片漏電功率的年耗電量分別減小了143.61 kW·h 和176.82 kW·h。

圖10 傳統(tǒng)冷卻方式和耦合模塊冷卻年耗電量

3 結(jié)論

為了研究三維脈動熱管/PCM耦合模塊的傳熱與節(jié)能特性，本文搭建了耦合模塊實驗臺并進行了相關(guān)實驗，得到如下結(jié)論：

1)本文定義的熱阻變化率可衡量使用耦合模塊前后總熱阻的減小程度，減小程度越大表明耦合模塊的傳熱性能越好，因此用熱阻變化率來評價三維脈動熱管/PCM耦合模塊的傳熱性能是有效的。

2)不同工質(zhì)、不同充液率的三維脈動熱管/PCM耦合模塊均有較大的熱阻變化率。充液率為34%的甲醇工質(zhì)耦合模塊的熱阻變化率最大，在加熱功率為80 W和120 W時，熱阻變化率分別為48.2%和48.7%，可為后續(xù)在數(shù)據(jù)中心冷卻中的應(yīng)用提供參考。

3)耦合模塊的熱阻隨送風(fēng)溫度的升高而增大，呈拋物線趨勢；隨送風(fēng)速度的增大而減小，呈線性分布。

4)對于功率為80 W的單個芯片，使用充液率為34%的甲醇三維脈動熱管/PCM耦合模塊冷卻后，相比數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)冷卻方式，每年風(fēng)機功耗和芯片漏電量分別減小了143.61 kW·h和176.82 kW·h。