基于芯片水冷和重力热管技术的数据中心冷却方法研究

1压电式水冷环路

为了有效利用现有的服务器散热空间、减小芯片取热温差、提高芯片温控精度并降低散热能耗，需要设计一个体积小、质量轻、结构简单、流量可精确调节、移植性高、能耗低的液体回路。为了实现上述目标，引入压电驱动水冷环路。

压电泵是利用压电振子作为能量转换装置的流体传输装置，具有结构简单、体积小、质量轻、能耗低、无噪声、无电磁干扰、可根据施加的电压或频率控制输出流量等优点，在电子器件冷却领域应用广泛。双腔串联压电泵（工作原理如图1所示）在150 V交流信号下的额定工作频率为180Hz，功率为2.0W，流量为520L/min，出口压力为22kPa，在不同的工况下，可通过调整电压和工频来改变出口流量和压力。
图1双腔串联压电泵工作原理
压电水冷环路的工作原理如图2所示。换热末端采用铜制冷板与发热元件（如CPU）（用导热硅脂贴合），集中采集热量。水箱置于环路最高处，用于稳压及排出管路气泡。板式换热器负责将热量传递给热管环路。
图2　压电水冷环路工作原理
压电水冷环路有效利用服务器散热空间将服务器芯片的热量集中采集，热阻低，传热温差小，温度均匀性高，稳定性好，压电泵能耗低，避免了空气冷却带来的体积、能耗、噪声、振动、温度波动、冷热气流掺混导致的冷热抵消等方面的问题。
2　重力热管环路
为了减少传热环节、减小传热温差、降低输配能耗并提高可靠性，需要从冷水环路集中取热并直接传递到室外环境，为了构建这样的传热路径，引入重力热管环路。
重力热管是以重力为工质循环驱动力的相变传热装置，具有传热距离远、传热密度高、等温性好、无运动部件、能耗低、结构简单、可靠性高、维护成本低等优点，其工作原理如图3所示。液态工质在蒸发器内吸收热源热量并气化，制冷工质蒸气在相变压力差Δp作用下克服流动阻力，携带热量运动到冷凝器，将热量传递给冷源后冷凝成液体，在重力作用下流回蒸发器继续吸热，完成热量输送。

图3　重力热管工作原理
热管工质采用环保型制冷剂R134a，40℃饱和温度下其汽化潜热为180kJ/kg。蒸发器和冷凝器均为板式换热器，材料采用紫铜，导热系数为380W/（m•K）。
　　重力热管环路的工作原理如图4所示。蒸发器侧热源为图2所示的板式换热器，热量从冷水环路取出，冷凝器布置在系统最高点，其冷源为冷却塔供水，热量排到室外。从提高换热效率角度，蒸发器和冷凝器侧冷水逆流布置。
图4　重力热管环路工作原理
热管环路将室内热源（机柜）和室外冷源（冷却塔）直接连接，没有中间换热环节，且不需要风机、泵等输配装置，避免了传统冷却系统的输配能耗和传热损失，有效提高了热量传递效率和输送能效比。同时，还可以根据室内布局灵活布置，有利于少占用室内空间。
综上，从芯片到室外冷源的总传热温差为23～33℃，换热系统设计参数见表1。
表1换热系统设计参数
3试验验证
为了验证上述冷却方案的可行性并测试其在室内外不同工况下的实际性能，参照常见大型数据中心的规模，热环境控制要求，机柜、换热器、管路的尺寸以及排列方式，综合考虑测试和维护需要，搭建了如图5所示的缩比试验台，系统各部件的材料、尺寸、工质、运行参数和相对位置都是为了模拟真实工况而设计，并进行了管网水力平衡和热平衡核算。
图5冷却系统缩比试验台
该系统的热源为2块功率可调的服务器芯片（见图6），其主板尺寸为300mm×400 mm×25 mm。在每个水冷头下表面设置1个温度测点，用来监测芯片温度变化。2个铝制冷板换热器分别安装在服务器2块芯片上部，负责采集热源散发的热量。
图6服务器水冷测试系统
服务器和换热冷板置于恒温箱（模拟机柜内部）内，恒温箱控温精度为±0.5℃。冷源为流量和温度可调节的冷水环路，由制冷机提供，模拟冷却塔供水。热管蒸发器（板式换热器）安装高度0.2m，热管冷凝器（板式换热器）安装高度0.7m。水箱尺寸为200mm×200mm×150mm，安装高度0.2m。冷水环路采用柔性管连接，管内径6mm。热管冷凝器侧冷却水管内径12mm。温度采用T型热电偶测量，标定精度±0.3℃。在每个工况达到稳定状态后，用多通道数据采集卡每分钟采集并记录一次各测点温度数据。压电水冷环路采用转子流量计和带调压和变频功能的双腔串联压电泵，冷却塔供回水环路水流量恒定为5000mL/min。
4工况设计
针对图6所示的试验台设计了如表2所示的3种测试工况，考虑了典型室外环境、机柜温度以及服务器负荷等因素。
表2冷却系统测试工况
热管冷凝器进水（模拟冷却塔供水）温度表征室外环境温度（冷源温度），芯片功率表征服务器负荷，恒温箱温度表征机柜内部热环境，热源表面最高温度表征服务器实际冷却效果，热源表面最大温差表征冷板抑制热冲击的能力，机房室温、芯片最高温度和最大温差的取值均参考了相关文献。
5结果分析

达到热平衡状态下3种工况的最终测试结果如表3，4所示。其中，压电泵功率表征冷却能耗；水冷头和芯片之间的对数平均传热温差表征热源的热量采集热阻，温差越小，热阻越小；蒸发器进口与冷凝器进口水温之差表征热管的实际换热性能，传热温差越小，对室外冷源温度要求越低，即冷却塔供水温度越高；对流和导热量表征机柜内部热环境对服务器散热的影响，对流与导热量之比越小，说明服务器漏热量越少，更多的热量被集中采集到冷水环路；输配系数的定义为流体机械（泵、风机等）输送的冷/热量与输送功耗（泵功耗、风机功耗）的比值，在输送相同冷/热量条件下，输配系数越高，系统的经济性越好。
表3各工况稳态传热测试结果（1）
表4各工况稳态传热测试结果（2）
表3，4所列各工况的芯片温度测试结果如图7所示，芯片温度取2个测点温度的平均值，当芯片温度变化不超过±1 ℃时认为达到了热平衡状态。
图7不同工况下芯片温度测试结果
图8显示了芯片温度均匀性与压电泵供水流量之间关系的测试结果。从测试结果可见，在300～650 mL/min范围内，随着压电泵流量的增加，芯片表面温差逐渐减小。当压电泵流量超过550 mL/min之后，芯片表面温差趋于稳定，继续增大流量对改善芯片表面温度均匀性作用很小。
图8　芯片温度均匀性与压电泵供水流量关系
上述测试结果表明，在3种设计工况下，冷却系统达到稳态热平衡的时间为20～30min，芯片传热温差为13～23℃，重力热管传热温差为9～12℃，芯片表面温度为40～60℃，芯片表面最大温差为3.5～6℃，对流与导热量之比为5％～8％，满足设计指标和数据中心空调系统的相关设计要求和规范。
从上述测试结果还可以看出，在芯片发热量为80～120W、冷却塔供水温度为25～35℃的条件下，压电泵功耗为1.2～2W，压电泵冷水环路的输配系数为37～56。考虑到冷凝器侧冷水环路的泵功耗，整套冷却系统的平均输配系数约为20～30。由于该液冷系统完全依靠冷却塔供冷，不需要额外冷源（如制冷机等），也不需要风机、冷水泵等大型输配装置，因此在上述工况下，冷却系统的全年平均能效比（EER）约为20～30。
6案例分析

设计1个装有100个机柜的数据中心，其服务器总装机容量为500 kW，按照图5所示原理配备压电水冷环路和重力热管冷却系统。每个机柜配置1套5W散热能力的压电冷水环路和1台蒸发器，每20个机柜配置1台120kW散热能力的冷却塔和1台冷凝器。图9显示了上述压电式水冷＋重力热管环路冷却系统应用在该数据中心的工作原理图，由于该冷却系统以服务器为冷却对象，容易实现外置式安装，具有较好的移植性和较强的通用性。从整体上看，系统冷源（室外冷却塔供水）和热源（室内压电供水）呈逆流换热布局，传热驱动力为压电供水温度与冷却塔供水温度之差，冷水循环动力为压电泵，重力热管工质循环动力为冷凝器和蒸发器安装高差。
图9集芯片压电水冷和重力热管冷却的数据中心冷却系统原理
根据表3，4的测试结果，并参考相关压电泵、冷却塔产品手册，按照压电泵平均输配系数为25，每台冷却塔在供回水温差4～5℃、出水温度20～30℃、水泵扬程20m工况下功耗为5～8kW估算，整套冷却系统的全年平均能效比约为8～11，远高于目前大型数据中心空调系统的实测全年综合能效比。
表5给出了我国东北、华北、华中、华东、华南5个典型气候区若干代表城市的全年室外湿球温度分布，如果按照冷却塔出水温度比室外空气湿球温度高3～5℃，冷却塔风机根据室外温度自动调速来估算，不考虑室内湿度控制能耗时，图9所示的500 kW数据中心冷却系统在我国各典型气候区的全年理论运行工况和理论平均能效比如表6所示。
表5典型气候区城市全年室外湿球温度分布
表6　典型气候区代表城市各工况全年理论运行时间和理论平均能效比
从上述分析结果可以看出，采用芯片水冷和重力热管技术可以有效减少冷热源传热温差，提高制冷机效率，降低输配能耗，理论上可以将大型数据中心的全年平均能效比维持在10左右。即便对于全年大部分时间只能采取制冷机制冷的气候区城市（如上海、广州），理论上其数据中心空调系统年平均能效比也能达到8左右。而传统机房空调（CRAC）即便冬季采用冷却塔供冷策略，其年平均能效比一般也只在4～6之间。相比之下，以芯片为冷却对象的通用化外置水冷系统节能优势非常显著，尤其对于规模较大的数据中心，节能潜力巨大，是一项具有广阔应用前景的数据中心高效冷却技术。