于傳波, 張泉*, 鄒思凱

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410082; 2. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330013)

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等計(jì)算密集型技術(shù)的發(fā)展,對(duì)服務(wù)器CPU算力提出了更高的要求。為滿足算力要求,芯片晶體管密度不斷加大,導(dǎo)致服務(wù)器功率增加,散熱需求增大,進(jìn)而使數(shù)據(jù)中心能耗提升[1]。目前,中國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗占中國(guó)總用電量的1.5%,其中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占40%[2]。降低空調(diào)能耗是降低數(shù)據(jù)中心能耗的重要舉措。傳統(tǒng)的機(jī)房精密空調(diào)采用彌散式送風(fēng),存在冷熱氣流摻混和冷量的浪費(fèi)[3]。在冷源側(cè),研究者通常采用天然冷源(湖水[4]、海水[5]等)和水側(cè)節(jié)能[6]自然冷卻技術(shù),取得了較好的節(jié)能效果。在末端側(cè),研究人員首先采用冷/熱通道封閉的方式改善氣流組織,研究表明,封閉冷通道后數(shù)據(jù)中心的回?zé)嶂笖?shù)(return heat index, RTI)相比封閉前提升了0.1,使得冷熱氣流摻混問(wèn)題得以解決[7]。但由于房間級(jí)冷卻的送風(fēng)距離長(zhǎng),且空氣的比熱和密度較小,當(dāng)機(jī)房平均發(fā)熱密度超過(guò)6 kW/機(jī)柜,房間級(jí)冷卻便難以滿足高效的散熱要求[8]。對(duì)此,研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了機(jī)柜級(jí)、芯片級(jí)以及浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng),由于將液態(tài)載冷劑送至熱源附近,冷量輸配效率和散熱效率更高。但芯片級(jí)末端采用冷板對(duì)CPU散熱,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得設(shè)備費(fèi)用高且維護(hù)困難[9]。而浸沒(méi)式冷卻為防止冷卻液腐蝕電子元件,對(duì)于冷卻液和電子元件的要求更高,增加了設(shè)備成本[10]。相比之下,機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)可以縮短送風(fēng)距離,消除局部熱點(diǎn),可直接安裝在機(jī)柜后門(mén)處,不需要對(duì)機(jī)柜和服務(wù)器改動(dòng),更適用于普通數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)和老舊機(jī)房的改造。機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)早期主要采用水作為載冷劑,存在單相換熱效率低和泄露可能損壞服務(wù)器的問(wèn)題[11]。因此,目前機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)常采用制冷劑作為載冷劑,采用分離式熱管作為機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)末端[12]。由于采用潛熱換熱,可以提高冷水的供水溫度,提高了對(duì)自然冷源的利用率。東江湖數(shù)據(jù)中心部分機(jī)房采用了分離式熱管系統(tǒng),并采用湖水冷卻,全年平均電源使用效率(power usage effectiveness, PUE)為1.18[13]。海蘭信海底數(shù)據(jù)中心采用海水冷卻分離式熱管系統(tǒng),其PUE為1.076[14]。采用自然冷源冷卻后,數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗顯著降低。

目前,研究人員對(duì)分離式熱管系統(tǒng)的換熱器結(jié)構(gòu)[15]、制冷劑類(lèi)型[16]、充液率[17]等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究分析,提高了分離式熱管系統(tǒng)的換熱性能。為進(jìn)一步降低分離式熱管系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,部分研究者對(duì)高換熱性能的分離式微通道熱管系統(tǒng)的送風(fēng)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響展開(kāi)了研究。張泉等[18]和Ling等[19]根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了分離式微通道熱管換熱器的一維穩(wěn)態(tài)換熱模型,研究了風(fēng)量在1 500～6 000 m3/h 時(shí),對(duì)熱管系統(tǒng)制冷量的影響,闡明了換熱器的冷卻能力和風(fēng)量之間的關(guān)系。張泉等[20]還建立了適用于低風(fēng)量、低負(fù)載的分離式微通道熱管換熱器的數(shù)值模型,分析了在200～1 400 m3/h風(fēng)量下,服務(wù)器排風(fēng)溫度對(duì)換熱器換熱性能的影響,結(jié)果表明適當(dāng)提升排風(fēng)溫度可增加熱管換熱器的換熱性能。鄭振[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)速對(duì)換熱器換熱性能的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速?gòu)? m/s提升到4 m/s時(shí),系統(tǒng)的單體當(dāng)量換熱系數(shù)從21 W/K提升到了56.2 W/K,風(fēng)速對(duì)微通道熱管換熱器換熱量的提升作用明顯。Zhan等[22]通過(guò)建立機(jī)柜的仿真模型,研究熱管換熱器在背板風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的非均勻風(fēng)場(chǎng)下的換熱性能和機(jī)柜熱環(huán)境,結(jié)果表明換熱器表面不均勻的風(fēng)速通過(guò)影響風(fēng)側(cè)換熱系數(shù)影響了換熱器性能。

前人在研究中分析了送風(fēng)參數(shù)對(duì)分離式微通道熱管系統(tǒng)換熱性能的影響,得出了有價(jià)值的結(jié)論。然而,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,背板風(fēng)量不僅會(huì)影響熱管的換熱性能,還會(huì)對(duì)機(jī)柜中服務(wù)器芯片散熱產(chǎn)生影響。背板風(fēng)量降低會(huì)使機(jī)柜內(nèi)風(fēng)速下降從而影響芯片散熱效率,導(dǎo)致芯片溫度升高,增大芯片損壞風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于持續(xù)運(yùn)行的芯片,芯片溫度不能超過(guò)85 ℃,否則容易造成芯片損壞[23]。但現(xiàn)有鮮有研究涉及背板風(fēng)量對(duì)分離式熱管系統(tǒng)換熱性能和芯片散熱的綜合影響。

在使分離式熱管滿足機(jī)柜冷量需求的基礎(chǔ)上,為了研究背板風(fēng)量對(duì)芯片溫度的影響,首先采用ICEPAK軟件建立了采用分離式微通道熱管換熱器機(jī)柜的物理模型。ICEPAK軟件由電子設(shè)計(jì)技術(shù)人員開(kāi)發(fā),用于熱流體分析,軟件基于ANSYS Fluent有限體積法計(jì)算,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確[22]。而后將建立的機(jī)柜物理模型與前期研究建立的分離式微通道熱管系統(tǒng)一維穩(wěn)態(tài)換熱模型[20]耦合,形成綜合模型,描述熱量從芯片傳遞到室外冷源的完整換熱過(guò)程。利用該模型,研究和分析在不同服務(wù)器負(fù)載下,背板風(fēng)量對(duì)芯片溫度的影響。研究成果將對(duì)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能運(yùn)行有一定促進(jìn)作用。

1 仿真模型

分離式微通道熱管冷卻系統(tǒng)由蒸發(fā)器、板式冷凝器以及之間的連接管組成。數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)分離式熱管冷卻系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)散熱器傳遞給服務(wù)器吸入的機(jī)房冷空氣,升溫后的空氣由服務(wù)器排風(fēng)扇排至分離式熱管蒸發(fā)器,蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑吸收空氣的熱量蒸發(fā),被冷卻后的空氣排出機(jī)柜進(jìn)入機(jī)房,再由服務(wù)器吸入進(jìn)入下一循環(huán)。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收服務(wù)器熱排風(fēng)的熱量蒸發(fā)并通過(guò)氣管進(jìn)入冷凝器,在冷凝器內(nèi)制冷劑凝結(jié)放熱將熱量傳給冷凍水,凝結(jié)后的液態(tài)制冷劑通過(guò)液管流入蒸發(fā)器進(jìn)行下一循環(huán)。

Rjc為芯片結(jié)點(diǎn)至散熱器的熱阻; Rjb為芯片結(jié)點(diǎn)至電路板的熱阻圖1 分離式熱管冷卻系統(tǒng)工作流程和芯片雙熱阻模型Fig.1 Work flow of separate heat pipe cooling system and dual thermal resistance model of chip

由于背板熱管冷卻過(guò)程中各部件幾何尺寸差異較大(熱管換熱通道為毫米級(jí)、機(jī)柜為米級(jí)),若要通過(guò)一個(gè)單一尺度的CFD(computational fluid dynamics)模型同時(shí)描述熱管換熱過(guò)程和氣流場(chǎng)分布,將存在計(jì)算成本過(guò)大或精度不高的問(wèn)題。因此,使用ICEPAK建立了機(jī)柜物理模型以描述氣流場(chǎng),并采用前期研究建立的分離式微通道熱管系統(tǒng)一維穩(wěn)態(tài)換熱模型[20]描述熱管換熱過(guò)程,二者耦合的綜合模型描述機(jī)柜用背板熱管冷卻服務(wù)器的全流程換熱過(guò)程。為保證綜合模型的模擬和理性,假設(shè)如下:①熱量在各傳輸過(guò)程中無(wú)損失,即在機(jī)柜內(nèi)芯片發(fā)熱量全部由背板換熱器帶走,空氣在機(jī)房?jī)?nèi)流通時(shí)無(wú)能量損失(機(jī)柜進(jìn)、排風(fēng)溫度相等);②機(jī)柜和服務(wù)器壁面不漏風(fēng);③機(jī)柜內(nèi)布滿服務(wù)器,且機(jī)柜服務(wù)器負(fù)載隨服務(wù)器內(nèi)電子元件功率改變;④熱管背板制冷劑溫度為制冷劑平均溫度。以上假設(shè)只會(huì)引起芯片溫度數(shù)值的變化,對(duì)所得的規(guī)律無(wú)影響。

模型包括機(jī)柜、服務(wù)器及服務(wù)器芯片部分和分離式熱管部分。機(jī)柜、服務(wù)器及服務(wù)器芯片部分基于實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)建立,用來(lái)描述芯片被服務(wù)器吸入空氣冷卻的過(guò)程。分離式熱管部分描述服務(wù)器熱排風(fēng)被背板換熱器冷卻的過(guò)程和制冷劑在熱管制冷循環(huán)中的換熱過(guò)程。

1.1 機(jī)柜、服務(wù)器及服務(wù)器芯片

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)參數(shù),建立尺寸為1 000 mm(長(zhǎng))×600 mm(寬)×2 000 mm(高)的42U機(jī)柜模型,機(jī)柜模型如圖2所示。在機(jī)柜背板上配置5個(gè)排風(fēng)機(jī),單風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量165 CFM,并在模型機(jī)架上布置21個(gè)2U服務(wù)器。

圖2 機(jī)柜結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structrue model of rack

所布置的2U服務(wù)器的尺寸為750 mm(長(zhǎng))×450 mm(寬)×88 mm(高),服務(wù)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,該服務(wù)器圖和服務(wù)器芯片在此服務(wù)器中的位置分布如圖3所示。此服務(wù)器含有4個(gè)服務(wù)器內(nèi)風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)風(fēng)量為6 CFM,壓降為25 Pa。該服務(wù)器含有2顆CPU,單顆發(fā)熱量為80 W,內(nèi)存、電路板和電源等發(fā)熱元件的發(fā)熱量為126 W,并將內(nèi)存、電路板和電源等其他發(fā)熱元件整合為其他熱源[24]。該服務(wù)器發(fā)熱量為286 W,機(jī)柜發(fā)熱量為6 kW。

表1 服務(wù)器和芯片結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)Table 1 Structure and operating parameters of server and chip

圖3 服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structrue model of server

服務(wù)器采用封裝芯片雙熱阻模型反映CPU的散熱特征,如圖1所示。雙熱阻模型具有較高的準(zhǔn)確性,能較好地反映封裝芯片的實(shí)際發(fā)熱情況[25-26]。雙熱阻模型將封裝芯片的散熱路徑簡(jiǎn)化為兩條,即熱量?jī)H通過(guò)上表面?zhèn)鬟f到散熱器,熱阻為Rjc和通過(guò)下表面?zhèn)鬟f到電路板,熱阻為Rjb[27]。雙熱阻模型基于某廠家的封裝芯片參數(shù)建立,芯片熱設(shè)計(jì)功耗為80 W,最高容許溫度105 ℃,Rjc為0.1 ℃/W,Rjb為5 ℃/W[28]。CPU采用鋁散熱器散熱,散熱器及封裝芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 熱管背板

機(jī)柜背板換熱器為分離式微通道熱管蒸發(fā)器,換熱器中制冷劑為R22,換熱器結(jié)構(gòu)尺寸、風(fēng)側(cè)和制冷劑側(cè)的換熱關(guān)聯(lián)式、計(jì)算條件以及分離式熱管系統(tǒng)的計(jì)算流程在文獻(xiàn)[20]中已得到詳細(xì)描述,該模型在預(yù)測(cè)風(fēng)側(cè)雷諾數(shù)低于100的低風(fēng)量工況時(shí)擁有較高的精度。利用分離式微通道熱管穩(wěn)態(tài)換熱模型計(jì)算熱管蒸發(fā)器的制冷劑溫度、傳熱系數(shù)、壓降系數(shù)以及機(jī)房溫度,并作為機(jī)柜物理模型背板換熱器的計(jì)算邊界條件。

1.3 流動(dòng)及傳熱控制方程

機(jī)柜級(jí)物理模型模擬了風(fēng)在機(jī)柜內(nèi)的換熱過(guò)程,所涉及的物理模型主要為流動(dòng)和熱交換,并遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律。ICEPAK中能量方程計(jì)算如式(1)所示[22]。

(1)

式(1)中:v為速度,m/s;為矢量微分算子;k為分子導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·K);kt為由湍流引起的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·K);Sh為熱源項(xiàng),W;ρ為密度,kg/m3;h為空氣的焓,kJ/kg;T為溫度,K。

流體區(qū)域的湍流對(duì)流換熱采用湍動(dòng)能(k)-耗散率(ε)標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算,k方程和ε方程分別如式(2)和式(3)所示,湍流黏性系數(shù)ηt表達(dá)式如式(4)[29]所示。

(2)

(3)

(4)

式中:xi、xj、xk為直角坐標(biāo)系中i、j、k3個(gè)方向上的分量;ui、uj、uk為流體速度矢量U在坐標(biāo)系上的分量;t為時(shí)間:c1、c2、c3為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),σk、σε、σt為常數(shù);cμ為比熱,J/(kg·K)。

1.4 計(jì)算流程

模型的計(jì)算流程如圖4所示,計(jì)算過(guò)程如下:①根據(jù)前文中服務(wù)器、服務(wù)器風(fēng)機(jī)、機(jī)柜、背板風(fēng)機(jī)和芯片的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)建立機(jī)柜物理模型;②在分離式微通道熱管穩(wěn)態(tài)換熱模型的基礎(chǔ)上迭代計(jì)算機(jī)房溫度,同時(shí)輸出換熱器制冷劑溫度、風(fēng)側(cè)換熱系數(shù)和壓降系數(shù);③采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)機(jī)柜模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為減小網(wǎng)格個(gè)數(shù)提高計(jì)算速度,使用非連續(xù)性網(wǎng)格對(duì)封裝芯片、散熱器、風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵部分單獨(dú)劃分網(wǎng)格進(jìn)行局部加密;④依據(jù)熱管穩(wěn)態(tài)模型算得的機(jī)房溫度,設(shè)置機(jī)柜空氣進(jìn)口溫度和機(jī)柜環(huán)境溫度,根據(jù)軟件計(jì)算的雷諾數(shù)選擇k-ε標(biāo)準(zhǔn)公式,根據(jù)推薦收斂標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置計(jì)算結(jié)果收斂標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),將能量方程殘差設(shè)為1×10-7,流動(dòng)方程殘差設(shè)為0.001[30];⑤對(duì)計(jì)算結(jié)果后處理并輸出計(jì)算結(jié)果。

圖4 計(jì)算流程Fig.4 Calculation process

使用ICEPAK軟件默認(rèn)網(wǎng)格尺寸劃分機(jī)柜模型,網(wǎng)格數(shù)量為2 079 583。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)機(jī)柜和芯片進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,加密后網(wǎng)格數(shù)量分別為2 337 601和6 891 807?；谝陨?種網(wǎng)格劃分方式,對(duì)機(jī)柜負(fù)載6 kW,風(fēng)量1 400 m3/h 的標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行模擬,結(jié)果表明:網(wǎng)格數(shù)量2 079 538與網(wǎng)格數(shù)量2 337 601和6 891 807在相同服務(wù)器位置芯片的芯片溫度分別平均相差0.1 ℃和0.57 ℃,溫差較小,對(duì)芯片溫度影響不大。當(dāng)減少芯片局部網(wǎng)格數(shù)量后,網(wǎng)格數(shù)量為1 352 740,模型計(jì)算結(jié)果不收斂。因此,為保障模型計(jì)算精度和計(jì)算速度,選擇網(wǎng)格數(shù)量2 079 538進(jìn)行模擬。

2 模擬與討論

為研究不同服務(wù)器負(fù)載對(duì)背板熱管換熱和芯片散熱的影響,將服務(wù)器負(fù)載設(shè)置為高(6 kW)、中(4 kW)、低(2 kW)三擋。在中低負(fù)載時(shí),機(jī)柜物理模型中芯片熱功率分別設(shè)置為53 W和27 W。為分離式熱管系統(tǒng)水側(cè)節(jié)能,使用東江湖湖水對(duì)熱管系統(tǒng)進(jìn)行自然冷卻,東江湖近5年最高湖水溫度為16 ℃,湖水與冷凍水之間通過(guò)板式換熱器換熱,板式換熱器的換熱溫差為2 ℃[13]。因此分離式熱管冷凝器冷凍水進(jìn)口溫度為18 ℃。冷凍水定溫差變流量運(yùn)行,送回水溫差為5 ℃,服務(wù)器負(fù)載為6、4、2 kW時(shí),冷凍水流量分別為1.03、0.69、0.34 m3/h。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174—2017)標(biāo)準(zhǔn)[31],將機(jī)房送風(fēng)溫差設(shè)為13 ℃,在服務(wù)器負(fù)載為6 kW時(shí),機(jī)柜風(fēng)量1 400 m3/h。以100 m3/h風(fēng)量為步長(zhǎng),將1 400 m3/h和200 m3/h風(fēng)量分別作為起始點(diǎn),采用分離式熱管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)換熱模型計(jì)算風(fēng)量對(duì)熱管背板運(yùn)行參數(shù)和機(jī)房溫度的影響。

2.1 風(fēng)量對(duì)分離式熱管系統(tǒng)的影響

在服務(wù)器運(yùn)行時(shí),芯片溫度一般比服務(wù)器排風(fēng)溫度高15～25 ℃[32]。在圖5(a)中,機(jī)柜負(fù)載6 kW,風(fēng)量200 m3/h時(shí),服務(wù)器排風(fēng)溫度為115 ℃,使芯片溫度超出了最高允許溫度。芯片安全運(yùn)行溫度85 ℃[23],因此,使服務(wù)器排風(fēng)溫度低于60 ℃,可保證芯片安全運(yùn)行。在2、4、6 kW服務(wù)器負(fù)載時(shí),最小風(fēng)量分別為200、400、600 m3/h,對(duì)應(yīng)服務(wù)器進(jìn)排風(fēng)溫差為30.5 ℃。從圖5(b)中還可以看出,為保證熱管背板制冷量滿足機(jī)柜散熱需求,服務(wù)器進(jìn)出風(fēng)溫差隨著風(fēng)量的減小而增大,排風(fēng)溫度隨著風(fēng)量的減小而升高。

圖5 風(fēng)量對(duì)熱管的影響Fig.5 Effect of airflow on loop thermosyphon

2.2 風(fēng)量對(duì)芯片散熱的影響

在熱管穩(wěn)態(tài)換熱模型模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,機(jī)柜物理模型取部分典型風(fēng)量對(duì)芯片溫度進(jìn)行研究分析。機(jī)柜風(fēng)量對(duì)機(jī)柜內(nèi)環(huán)境的影響如圖6、圖7所示。圖6為2 kW機(jī)柜各風(fēng)量下沿機(jī)柜寬度方向截面的云圖,反映芯片中心處截面的機(jī)柜內(nèi)溫度、速度和壓力分布,中高負(fù)載時(shí),隨著風(fēng)量變化,機(jī)柜內(nèi)環(huán)境特征與低負(fù)載時(shí)一致。圖7為沿機(jī)柜長(zhǎng)度方向在A列芯片中心處的溫度云圖。從圖6可以看出,由于21號(hào)服務(wù)器位于機(jī)柜頂部背板風(fēng)機(jī)的上部,不受風(fēng)機(jī)直吹,同時(shí)受熱壓影響,經(jīng)芯片和其他熱源加熱后,空氣會(huì)上浮,使氣流流通不利,導(dǎo)致機(jī)柜頂部服務(wù)器處(21號(hào)服務(wù)器)的壓力高于其他位置的壓力,風(fēng)速低于其他位置服務(wù)器。從圖6(h)可以看出,當(dāng)風(fēng)量為1 400 m3/h時(shí),頂部服務(wù)器處的壓力比機(jī)柜平均壓力增大6%,頂部服務(wù)器芯片散熱器表面平均風(fēng)速比底部服務(wù)器低0.043 m/s。由圖7可以看出,由于芯片散熱器散熱效率受風(fēng)速影響,頂部服務(wù)器芯片散熱效率低于底部服務(wù)器,使頂部服務(wù)器芯片溫度僅高出機(jī)柜內(nèi)平均芯片溫度0.2 ～1 ℃,服務(wù)器安裝位置對(duì)芯片溫度的影響不大。

圖6 2 kW服務(wù)器機(jī)柜寬度方向截面云圖Fig.6 Cloud diagram in the width direction of 2 kW server rack

圖7 服務(wù)器機(jī)柜長(zhǎng)度方向截面溫度云圖Fig.7 Temperature cloud diagram of the section along the length of the server rack

從圖8(a)可以看出,芯片溫度與風(fēng)量和芯片熱功率(服務(wù)器負(fù)載)有關(guān),相同風(fēng)量時(shí),芯片熱功率高的芯片溫度也高。在機(jī)柜低負(fù)載額定風(fēng)量(1 400 m3/h)時(shí),芯片溫度為33.6 ℃,當(dāng)風(fēng)量降低至200 m3/h時(shí),芯片溫度增長(zhǎng)為70.8 ℃。芯片溫度隨著風(fēng)量減少而升高,且隨著風(fēng)量的減小升溫加快,芯片溫度與服務(wù)器排風(fēng)溫度之間的差值也存在相同的規(guī)律。從圖8(b)中可以看出,風(fēng)量減小使得散熱器表面的平均風(fēng)速下降,降低了芯片散熱器散熱效率,同時(shí)使芯片與空氣之間的熱阻(熱阻為芯片溫度與服務(wù)器排風(fēng)溫度差值和芯片熱功率的比值)升高,低風(fēng)量時(shí)熱阻升高迅速。從圖8(a)中還可以看出,芯片溫度最高為75.7 ℃,芯片安全運(yùn)行。因此,在機(jī)柜滿負(fù)載運(yùn)行時(shí),可降低風(fēng)量至額定風(fēng)量的43%(600 m3/h)運(yùn)行,在中低負(fù)載運(yùn)行時(shí),也可分別降低70%和85%的風(fēng)量,保證數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行并降低運(yùn)行能耗。

圖8 風(fēng)量對(duì)芯片散熱的影響Fig.8 Effect of airflow on chip heat dissipation

2.3 能耗分析

能效比EER(energy efficiency ratio)是評(píng)價(jià)冷卻設(shè)備節(jié)能的重要指標(biāo),其計(jì)算公式為

(5)

式(5)中:Q為熱管制冷量,kW;Pf為背板風(fēng)機(jī)總功率,kW。

風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)效率和傳動(dòng)效率有關(guān),將風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)效率和傳動(dòng)效率作為定值,分析風(fēng)量對(duì)能耗的影響。背板風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量(1 400 m2/h)運(yùn)行時(shí),風(fēng)機(jī)總功率為0.1 kW[33]。

風(fēng)量對(duì)EER的影響如圖9所示?？梢钥闯?服務(wù)器負(fù)載6 kW時(shí),風(fēng)量由額定風(fēng)量降低67%,EER升高了130%,在服務(wù)器負(fù)載為4 kW和2 kW時(shí),將風(fēng)量降低70%和85%,能效比分別提升了600%和245%。在保障芯片安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上,降低風(fēng)量,系統(tǒng)能效提升明顯。

能效比(energy efficiency ratio,EER)圖9 風(fēng)量對(duì)熱管EER的影響Fig.9 Effect of airflow on EER of loop thermosyphon

3 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心用機(jī)柜級(jí)分離式熱管冷卻系統(tǒng)可充分利用自然冷源,節(jié)能潛力高。為進(jìn)一步降低背板風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗,研究者研究了送風(fēng)參數(shù)對(duì)分離式微通道熱管系統(tǒng)換熱性能的影響。然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,降低風(fēng)量會(huì)使得服務(wù)器芯片溫度升高,造成芯片失效。因此,為保證芯片安全運(yùn)行,使用ICEPAK建立標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的物理模型,并與分離式微通道熱管系統(tǒng)的一維穩(wěn)態(tài)換熱模型耦合形成機(jī)柜用熱管背板冷卻的全流程模型。通過(guò)該模型,研究了不同服務(wù)器負(fù)載時(shí),熱管背板風(fēng)量對(duì)芯片溫度的影響,并進(jìn)行了能耗分析,得出如下主要結(jié)論。

(1)降低熱管背板風(fēng)量導(dǎo)致散熱器表面平均風(fēng)速降低,降低芯片散熱器散熱效率,使芯片與空氣之間的熱阻升高,進(jìn)而導(dǎo)致芯片溫度和服務(wù)器排風(fēng)溫度升高,在服務(wù)器負(fù)載為6 kW時(shí),將風(fēng)量將低67%,芯片溫度和服務(wù)器排風(fēng)溫度均升高,但芯片正常運(yùn)行。

(2)受熱壓和服務(wù)器與背板風(fēng)機(jī)相對(duì)位置的影響,頂部服務(wù)器芯片溫度高于機(jī)柜平均芯片溫度0.2～1 ℃,服務(wù)器位置對(duì)芯片溫度影響不大。

(3)服務(wù)器在高、中、低負(fù)載下運(yùn)行時(shí),在保證芯片安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上,分別將熱管背板風(fēng)機(jī)從額定風(fēng)量調(diào)低67%、70%和85%,系統(tǒng)能效比可分別提升132%、245%和600%,節(jié)能效果顯著。