服務(wù)器水冷熱管散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析作者：王晶林y勇雙朱坤元林恩華來源：《科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)》2015年第5期王晶林勇雙朱坤元林恩華(中國移動南方基地廣東廣州510640)摘要：隨著高性能IDC機(jī)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：TB6575；TK1724文獻(xiàn)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(qiáng)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)中采用的服務(wù)器的型號為華為TecalRH2288V2，服務(wù)器中有雙路CPU，CPU型號為IntelXeonE5-2690，主頻：2900MHz，核心數(shù)量：八核心，其散熱設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(gè)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8mm的熱管進(jìn)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(gè)水冷板帶走。iQwKI3-CFCKljAttAtm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，其圓孤表面并不能夠與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(jìn)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(gè)水冷板進(jìn)行散熱，熱管冷凝段插入到水冷板水平并排排列的6個(gè)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(jìn)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(jìn)行換熱，對水冷板和熱管冷凝段進(jìn)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(jìn)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(gè)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(jìn)行傳熱。根據(jù)前人的模擬經(jīng)驗(yàn)，ICEPAK的設(shè)定如下。2.1建立模型在建立模型時(shí)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(qiáng)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1.01X105Pa，同時(shí)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(qiáng)制對流，不考慮散熱器升溫對環(huán)境空氣分布的影響。（4）進(jìn)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(jì)。完成基本邊界條件設(shè)置后，進(jìn)行網(wǎng)格分化及后處理。（6）將熱管簡化為純導(dǎo)熱的器件blocko.A3可耳外的鼻^—株誨配擊田.4IU蛆vCKT3gWn#r-4。4.4物4，.此口?既2S.￡i由口?僵±9.0□kOAD.fi占/25//2F.5?HRiA<rK停iS■騙*康?iP-cmCPL3cpliCFO9V3?VME2712iTIC42T3GTTgISVJIT54V/代用Y揖TLETFTR3V2.2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(jìn)口處空氣流量為0.02m3/s，設(shè)定進(jìn)風(fēng)口溫度為25°C；（3）單個(gè)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3.8cmX3.8cm，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2cmX2cm的面熱源用以模擬CPU內(nèi)部發(fā)熱，其熱流密度為33.75W/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(jìn)行模擬(CPU=135WX2,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(yùn)行的影響，并將得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。服務(wù)器的各個(gè)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：傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的CPU溫度達(dá)到73.2°C、76.7°C，而水冷的熱管散熱的溫度為49.6C、49.6C，CPU溫度分別降低了23.6C、27.1C；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64C，而采用水冷熱管散熱器的服務(wù)器內(nèi)存溫度為57.6C，降低了6.4C。而芯片的溫度則由56C降低為49.1C。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35C降低為29C。3散熱器傳熱測試3.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)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(jìn)行散熱的。服務(wù)器的風(fēng)扇布置于服務(wù)器的前端進(jìn)風(fēng)口處，CPU采用的是翅片散熱器進(jìn)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(jìn)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(jìn)行冷卻，其余元件熱量任然由風(fēng)冷系統(tǒng)帶走。實(shí)驗(yàn)中，CPU內(nèi)部的溫度通過CPU內(nèi)部集成的溫度傳感器進(jìn)行采集，通過軟件服務(wù)器上軟件進(jìn)行自動的讀取與記錄。服務(wù)器上將運(yùn)行壓力測試軟件，對CPU進(jìn)行模擬的負(fù)荷測試，測試環(huán)境為環(huán)境設(shè)定為25C，水冷熱管散熱器的進(jìn)水溫度為25C，進(jìn)口流速為1L/min。在測試中將進(jìn)行對兩路CPU進(jìn)行5%、33%、50%、75%、100%的負(fù)荷進(jìn)行測試，每個(gè)負(fù)荷下進(jìn)行20min的連續(xù)測試，不同負(fù)荷切換時(shí)，約有1分鐘的切換時(shí)間。軟件將通過CPU內(nèi)置的傳感器進(jìn)行溫度記錄，溫度通過軟件自動進(jìn)行讀取與記錄，CPU溫度的采集速度為2s/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(jìn)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。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(shí)候，方案A的溫度為34C/32C，方案B的溫度為27C/27C，方案A的溫度要比方案B的溫度高約7C/5C，而當(dāng)負(fù)荷為100%的時(shí)候，方案A的溫度高達(dá)78C/78C，而方案B的溫度只有43C/43C，此時(shí)方案A的溫度要比方案B的溫度高約35C/35C。可以看到當(dāng)負(fù)載達(dá)到75%時(shí)，方案A的溫度曲線開始發(fā)生波動，而到了100%的負(fù)載時(shí)，這種波動更為明顯。這是由于CPU內(nèi)部的保護(hù)機(jī)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(yùn)行，所以溫度曲線呈現(xiàn)波動狀態(tài)。由此可以看出，在室溫25C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。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(gè)溫度上升的響應(yīng)時(shí)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(shí)，在負(fù)荷切換的時(shí)候存在著一個(gè)約為1分鐘的切換時(shí)間，此時(shí)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(gè)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°C左右，即是進(jìn)水溫度，而在這段時(shí)間內(nèi)，方案A中的溫度則下降得相對緩慢。方案B中，在負(fù)荷為100%的情況下，其最高溫度只有43C，在此溫度下工作能夠有效地降低CPU的發(fā)生故障的機(jī)率。由于此溫度距離大部分CPU的最高工作溫度70C仍然有一定的距離，可以提升冷卻水的進(jìn)口壓力，能夠進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行的可靠性；(2)在同樣的進(jìn)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；CPU滿負(fù)荷運(yùn)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(qiáng)散熱效果的同時(shí)，增強(qiáng)服務(wù)器運(yùn)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(jià)值的一種散熱方法。參考文獻(xiàn)周峰，田昕，馬國遠(yuǎn).IDC機(jī)房用熱管換熱器節(jié)能特性試驗(yàn)研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33(1):111-117.姚壽廣，馬哲樹，羅林，等.電子電器設(shè)備中高效熱管散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003,1