袁瑞明，章鋼，余劍宇，侍書成，張裕，賴學(xué)華

（中國電子科技集團(tuán)第五十二研究所，杭州 311100）

引言

隨著商用服務(wù)器性能和集成化程度越來越高，相關(guān)電子元器件散熱問題變得越來越突出[1]。因此，合理的服務(wù)器散熱設(shè)計對其能夠高效穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。目前，絕大部分服務(wù)器設(shè)備采用強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻技術(shù)[2,3]，而風(fēng)冷系統(tǒng)的核心部分為風(fēng)機(jī)和散熱器。強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器散熱設(shè)計中，但如何優(yōu)化風(fēng)機(jī)和散熱器，提高服務(wù)器的散熱能力，依然是值得深入研究的課題。

近年來，關(guān)于風(fēng)機(jī)性能研究主要集中在風(fēng)機(jī)串并聯(lián)[4]、風(fēng)機(jī)安裝方式[5,6]、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)[7-9]以及風(fēng)道尺寸[10]方面的研究。文獻(xiàn)[4]研究了風(fēng)機(jī)串并聯(lián)對電子設(shè)備散熱的影響，研究表明，系統(tǒng)的散熱性能與風(fēng)機(jī)的排布形式有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)阻較大時，串聯(lián)風(fēng)機(jī)應(yīng)用能起到明顯的降溫作用。文獻(xiàn)[5]研究了風(fēng)機(jī)距離蜂窩板的距離對風(fēng)機(jī)散熱特性的影響，研究表明散熱風(fēng)機(jī)與蜂窩板之間間距越小，風(fēng)機(jī)的散熱性能越好。文獻(xiàn)[6]研究了風(fēng)機(jī)中心與散熱中心的偏移程度對整機(jī)流場及散熱特性的影響。文獻(xiàn)[7]研究了不同風(fēng)腔厚度對風(fēng)冷系統(tǒng)散熱特性的影響，研究表明風(fēng)腔厚度過小，風(fēng)機(jī)性能受到明顯抑制，隨著風(fēng)機(jī)厚度增大，風(fēng)腔性能會隨之提升，當(dāng)風(fēng)腔厚度增大一定值時，再增加厚度，風(fēng)機(jī)性能會隨之降低。文獻(xiàn)[8]研究了不同風(fēng)機(jī)出口形狀對風(fēng)機(jī)性能的研究，研究表明橢圓形支撐架較之方形和圓柱形支架，風(fēng)機(jī)尾跡區(qū)內(nèi)氣流流動明顯更加均勻，能量損失較??；文獻(xiàn)[9]研究了葉片安裝角、葉片高度、葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速等因素對軸流風(fēng)扇性能的影響，基于組合優(yōu)化策略以多工作點平均流量系數(shù)最大為目標(biāo)函數(shù)對多參數(shù)結(jié)構(gòu)風(fēng)扇進(jìn)行快速優(yōu)化，找到風(fēng)扇的最佳設(shè)計安裝，將所設(shè)計的8025 軸流風(fēng)扇性能提升14.5 %。文獻(xiàn)[10]研究了在不同進(jìn)風(fēng)口寬度以及不同風(fēng)道寬度工況對整機(jī)散熱特性的影響。研究表明當(dāng)風(fēng)機(jī)內(nèi)徑為D 時，進(jìn)風(fēng)口寬度一般為（1~1.2）D，長度方向上則選取風(fēng)道的最外邊長度。

本文不同于以往單一風(fēng)扇以及全速工況下性能的研究，而實際服務(wù)器是使用過程中，往往會考慮噪音要求，內(nèi)部不同類型的風(fēng)機(jī)往往不是全速狀態(tài)，基于這一背景，本文研究了服務(wù)器設(shè)備中不同類型風(fēng)機(jī)耦合的情況對整機(jī)散熱特性影響的研究，同時考慮風(fēng)扇不同旋轉(zhuǎn)特性對整機(jī)散熱特性影響的研究。

1 計算及實驗?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 計算模型

本文所研究的服務(wù)器設(shè)備為國產(chǎn)S2500 雙路高性能服務(wù)器，該設(shè)備研發(fā)過程中優(yōu)先選用經(jīng)過考驗、驗證，技術(shù)成熟的設(shè)計方案，充分考慮設(shè)計的繼承性。設(shè)備在設(shè)計過程中充分考慮降額設(shè)計、簡化設(shè)計、冗余設(shè)計、環(huán)境防護(hù)設(shè)計、電路防護(hù)設(shè)計和減震緩沖設(shè)計等。設(shè)備的平均失效間隔工作時間MTBF ≥10 000 h。設(shè)備為外形尺寸為736 mm×447 mm×87 mm，其中主控模塊主要發(fā)熱芯片包括2 個S2500 CPU 芯片和2 個8764 橋片，仿真模型示意圖如圖1 所示。

圖1 服務(wù)器設(shè)備仿真模型示意圖

本次研究的服務(wù)器中包含2 種風(fēng)機(jī)，分別為系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和CPU 散熱器風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)尺寸為60 mm×60 mm×38 mm，CPU 散熱器風(fēng)機(jī)尺寸為60 mm×60 mm×25 mm。圖2 展示了2 種風(fēng)機(jī)的P-Q 曲線，從曲線中可知：系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為（0~56.2）cfm，對應(yīng)的風(fēng)壓范圍為（43.9~0）mmH2O，CPU 散熱器風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為（0~38.5）cfm，對應(yīng)的風(fēng)壓范圍為（13.2~0）mmH2O。

圖2 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和CPU 散熱器風(fēng)機(jī)P-Q 線

1.2 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

圖3（a）展示了本文所研究的服務(wù)器設(shè)備溫度測試實驗?zāi)Ｐ?，實驗?zāi)Ｐ团c計算模型配置一致。芯片表面布置測溫?zé)犭娕迹糜跍y量芯片表面溫度，本文選用的熱電偶為T 型熱電偶，測量范圍為（-40~350）℃，測溫精度為±1 ℃。本次實驗測試使用Fluke 多通道數(shù)據(jù)采集器，這是一種適應(yīng)于測試要求的通用儀器，儀器的后部可以擴(kuò)張多個 60 通道插槽，通過網(wǎng)線連接互相傳輸信號。通過多通道記錄儀可以把需要的溫度以數(shù)字的形式顯示出來。圖3（b）展示了本文所研究的服務(wù)器設(shè)備功耗測試實驗?zāi)Ｐ?，芯片功耗測試需要針對芯片每種電壓，分別進(jìn)行電流檢測，通過示波器獲取電流的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計計算，分別對每組電流電壓進(jìn)行功耗計算，得出最終芯片總功耗。本文研究的服務(wù)器設(shè)備S2500 和8764 芯片功耗分別為136 W 和15.6 W。

圖3 服務(wù)器設(shè)備溫度和功耗測試圖

服務(wù)器設(shè)備工作溫度一般為（0~40）℃，為了使設(shè)備滿足高溫要求，服務(wù)器選用耐高溫、耐低溫、熱穩(wěn)定性好的元器件和材料，機(jī)殼采用導(dǎo)熱良好的金屬材料，同時針對每個發(fā)熱芯片，單獨設(shè)計滿足芯片功耗的散熱器，保證設(shè)備滿足高溫散熱要求。表1 展示環(huán)境溫度40 ℃，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Q(mào)1為12 000 rpm，CPU 散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Q(mào)2為8 000 rpm 時，主板模塊各芯片仿真和實測數(shù)據(jù)對比。從表中可以看出高溫40 ℃環(huán)境下，各芯片溫度均在許用節(jié)溫內(nèi)（S2500 許用節(jié)溫90 ℃、8764 許用節(jié)溫105 ℃），留有較為充足的設(shè)計余量，滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，且實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)接近，誤差最大的為芯片8764-1，兩者之間的誤差為3 %，表明仿真數(shù)據(jù)真實可靠，為后面的結(jié)果討論提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 環(huán)境溫度40 ℃仿真與實驗各芯片數(shù)據(jù)對比

2 結(jié)果討論

2.1 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)特性對整機(jī)散熱影響

圖4展示了環(huán)境溫度25 ℃，CPU 散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Q(mào)2為6 000 rpm 時，在系統(tǒng)風(fēng)機(jī)不同旋轉(zhuǎn)方向（順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)）下，服務(wù)器設(shè)備內(nèi)各發(fā)熱芯片節(jié)點溫度隨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Q(mào)1關(guān)系圖。從圖4（a）可以看出：當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)為順時針旋轉(zhuǎn)時，設(shè)備內(nèi)各發(fā)熱芯片節(jié)點溫度隨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而降低；不同系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，S2500-2節(jié)點溫度都略低于S2500-1 節(jié)點溫度，而8764-2 節(jié)點溫度要明顯低于8764-2 節(jié)點溫度；而從圖4（b）可以看出：當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)為逆時針旋轉(zhuǎn)時，S2500-1 和S2500-2溫度分布同系統(tǒng)風(fēng)機(jī)為順時針旋轉(zhuǎn)一致，而8764-1 和8764-2 節(jié)點溫度幾乎一致，完全不同于系統(tǒng)風(fēng)機(jī)為順時針旋轉(zhuǎn)時的溫度分布。由此可知，當(dāng)芯片靠近風(fēng)機(jī)布置時，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)溫影響不大，而當(dāng)芯片遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)布置時，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)溫產(chǎn)生很大影響。

圖4 不同風(fēng)機(jī)旋向下服務(wù)器內(nèi)芯片節(jié)點溫度隨轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖5展示了系統(tǒng)風(fēng)機(jī)不同旋轉(zhuǎn)方向下，服務(wù)器設(shè)備內(nèi)同種各發(fā)熱芯片節(jié)點溫度隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)速Q(mào)1關(guān)系圖。從圖5（a）和（b）可以看出，當(dāng)芯片靠近系統(tǒng)風(fēng)機(jī)布置時，S2500-1 和S2500-2 節(jié)點溫度在系統(tǒng)風(fēng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)點溫度影響不大，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時，順時針旋轉(zhuǎn)下的芯片節(jié)點溫度要略低于逆時針旋轉(zhuǎn)下的芯片節(jié)點溫度。從圖5（c）和（d）可以看出，當(dāng)芯片遠(yuǎn)離系統(tǒng)風(fēng)機(jī)布置時，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)點溫度影響很大，順時針旋轉(zhuǎn)下的8764-1 節(jié)點溫度溫要高于逆時針旋轉(zhuǎn)下的節(jié)點溫度，而順時針旋轉(zhuǎn)下的8764-2 節(jié)點溫度要低于逆時針旋轉(zhuǎn)下的節(jié)點溫度。由此可以，當(dāng)芯片遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)布置，尤其是芯片靠板邊布置時，要充分考慮風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)點溫度的影響。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)點溫度影響圖

2.2 系統(tǒng)和CPU 散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對整機(jī)散熱及噪音影響

圖6（a）展示環(huán)境溫度25 ℃，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和CPU 散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速互為4 000 rpm 和6 000 rpm 兩種工況下，服務(wù)器設(shè)備內(nèi)各發(fā)熱芯片節(jié)點溫度分布。從圖中可以看出當(dāng)設(shè)備處于工況1 時，S2500-1 和S2500-2 節(jié)點溫度分別為73 ℃和70.1 ℃，略高于工況2 下S2500-1 和S2500-2 節(jié)點溫度（72.2 ℃和69.5 ℃），兩者工況下的芯片節(jié)溫均低于S2500 芯片許用節(jié)溫90 ℃。而工況1 下的8764-1 和8764-2 節(jié)點溫度分68 ℃和61.5 ℃，低于工況2 下8764-1 和8764-2 節(jié)點溫度（75.9 ℃和69.9 ℃），兩者工況下的芯片節(jié)溫也均低于8764 芯片許用節(jié)溫110 ℃。即2 種工況下，設(shè)備均可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。但在這兩種工況下，設(shè)備噪音卻不一樣，設(shè)備噪音測試方法如圖6（b）所示，即測試設(shè)備前、后、左、右、上五個方向，測試點距離設(shè)備中心1 m，取五個方向機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行下的最大噪音。設(shè)備在工況1 下運(yùn)行，設(shè)備噪音為65.8 dB，而設(shè)備在工況2 下運(yùn)行下，設(shè)備噪音僅為58.9 dB。由此可知，在兼顧考慮整機(jī)散熱和噪音指標(biāo)時，需要合理設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和CPU 散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，尤其是對CPU 散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。文中研究表明，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較低，CPU 散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，不僅整機(jī)噪音更低，CPU 芯片（S2500-1&S2500-2）散熱性能也更優(yōu)。

圖6 風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)點溫度及整機(jī)噪音測試圖

2.3 有無CPU 散熱器風(fēng)機(jī)對CPU 散熱影響

圖7展示了在相同外形尺寸下，設(shè)計2 款CPU 散熱器，分別為CPU 散熱器（新增風(fēng)機(jī)）和CPU 散熱器（拉長翅片），用于對比研究有無CPU 散熱器風(fēng)機(jī)對CPU 散熱影響。圖8 展示了環(huán)境溫度為25 ℃，CPU 散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 rpm 時，CPU 散熱器（新增風(fēng)機(jī)）和CPU 散熱器（拉長翅片）兩種工況下S2500-1 節(jié)點溫度在不同系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的分布情況。從圖中可以看出：相同系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，相比較CPU 散熱器（拉長翅片），CPU 散熱器（新增風(fēng)機(jī)）下的芯片節(jié)點溫度要更低；當(dāng)Q1=4 000 rpm 時，CPU 散熱器（拉長翅片）和CPU 散熱器（新增風(fēng)機(jī)）下S2500-1 節(jié)點溫度Tj分別為85.6 ℃和72.2℃，節(jié)點溫度降幅Tj%為18.6 %，而當(dāng)Q1=12 000 rpm，兩者對應(yīng)的節(jié)點溫度Tj分別為64.7 ℃和64.6 ℃，Tj%僅為0.15 %，即相比CPU 散熱器（拉長翅片），CPU 散熱器（新增風(fēng)機(jī)）下的CPU 節(jié)點溫度降幅Tj%隨Q1的提高而減小。

圖7 相同外形尺寸下兩款CPU 散熱器示意圖

圖8 兩款CPU 散熱器下S2500-1 節(jié)點溫度隨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響圖

3 結(jié)論

本文利用熱仿真軟件，研究了系統(tǒng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)特性對整機(jī)散熱影響、系統(tǒng)和CPU 散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對整機(jī)散熱及噪音影響、以及有無CPU 散熱風(fēng)機(jī)對CPU 散熱影響。通過這些研究得出以下結(jié)論，這些結(jié)論對優(yōu)化服務(wù)器散熱和噪音設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1）設(shè)備內(nèi)各發(fā)熱芯片節(jié)點溫度隨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而降低。當(dāng)芯片靠近風(fēng)機(jī)布置時，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)溫影響不大，而當(dāng)芯片遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)布置時，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)溫產(chǎn)生很大影響。尤其是芯片靠板邊布置時，要充分考慮風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)π酒?jié)溫的影響。

2）在兼顧考慮整機(jī)散熱和噪音指標(biāo)時，需要合理設(shè)置系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和CPU 散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，尤其是對CPU 散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。文中研究表明，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較低，CPU 散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，不僅整機(jī)噪音更低，CPU 芯片（S2500-1&S2500-2）散熱性能也更優(yōu)。

3）在相同外形尺寸和系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，相比于CPU 散熱器（拉長翅片），CPU 散熱器（新增風(fēng)機(jī)）所對應(yīng)的CPU 節(jié)點溫度要更低，但隨著系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，CPU 散熱器風(fēng)機(jī)對芯片節(jié)點溫度的影響逐漸減小。