基于芯片水冷和重力熱管技術的數據中心冷卻方法研究

2017-10-15 00:00:00

基于芯片水冷和重力熱管技術的數據中心冷卻方法研究

1壓電式水冷環路

為了有效利用現有的服務器散熱空間、減小芯片取熱溫差、提高芯片溫控精度并降低散熱能耗,需要設計一個體積小、質量輕、結構簡單、流量可精確調節、移植性高、能耗低的液體回路。為了實現上述目標,引入壓電驅動水冷環路。

壓電泵是利用壓電振子作為能量轉換裝置的流體傳輸裝置,具有結構簡單、體積小、質量輕、能耗低、無噪聲、無電磁干擾、可根據施加的電壓或頻率控制輸出流量等優點,在電子器件冷卻領域應用廣泛。雙腔串聯壓電泵(工作原理如圖1所示)在150 V交流信號下的額定工作頻率為180Hz,功率為2.0W,流量為520L/min,出口壓力為22kPa,在不同的工況下,可通過調整電壓和工頻來改變出口流量和壓力。
圖1雙腔串聯壓電泵工作原理
壓電水冷環路的工作原理如圖2所示。換熱末端采用銅制冷板與發熱元件(如CPU)(用導熱硅脂貼合),集中采集熱量。水箱置于環路最高處,用于穩壓及排出管路氣泡。板式換熱器負責將熱量傳遞給熱管環路。
圖2 壓電水冷環路工作原理
壓電水冷環路有效利用服務器散熱空間將服務器芯片的熱量集中采集,熱阻低,傳熱溫差小,溫度均勻性高,穩定性好,壓電泵能耗低,避免了空氣冷卻帶來的體積、能耗、噪聲、振動、溫度波動、冷熱氣流摻混導致的冷熱抵消等方面的問題。
2 重力熱管環路
為了減少傳熱環節、減小傳熱溫差、降低輸配能耗并提高可靠性,需要從冷水環路集中取熱并直接傳遞到室外環境,為了構建這樣的傳熱路徑,引入重力熱管環路。
重力熱管是以重力為工質循環驅動力的相變傳熱裝置,具有傳熱距離遠、傳熱密度高、等溫性好、無運動部件、能耗低、結構簡單、可靠性高、維護成本低等優點,其工作原理如圖3所示。液態工質在蒸發器內吸收熱源熱量并氣化,制冷工質蒸氣在相變壓力差Δp作用下克服流動阻力,攜帶熱量運動到冷凝器,將熱量傳遞給冷源后冷凝成液體,在重力作用下流回蒸發器繼續吸熱,完成熱量輸送。

圖3 重力熱管工作原理
熱管工質采用環保型制冷劑R134a,40℃飽和溫度下其汽化潛熱為180kJ/kg。蒸發器和冷凝器均為板式換熱器,材料采用紫銅,導熱系數為380W/(m?K)。
  重力熱管環路的工作原理如圖4所示。蒸發器側熱源為圖2所示的板式換熱器,熱量從冷水環路取出,冷凝器布置在系統最高點,其冷源為冷卻塔供水,熱量排到室外。從提高換熱效率角度,蒸發器和冷凝器側冷水逆流布置。
圖4 重力熱管環路工作原理
熱管環路將室內熱源(機柜)和室外冷源(冷卻塔)直接連接,沒有中間換熱環節,且不需要風機、泵等輸配裝置,避免了傳統冷卻系統的輸配能耗和傳熱損失,有效提高了熱量傳遞效率和輸送能效比。同時,還可以根據室內布局靈活布置,有利于少占用室內空間。
綜上,從芯片到室外冷源的總傳熱溫差為23~33℃,換熱系統設計參數見表1。
表1換熱系統設計參數
3試驗驗證
為了驗證上述冷卻方案的可行性并測試其在室內外不同工況下的實際性能,參照常見大型數據中心的規模,熱環境控制要求,機柜、換熱器、管路的尺寸以及排列方式,綜合考慮測試和維護需要,搭建了如圖5所示的縮比試驗臺,系統各部件的材料、尺寸、工質、運行參數和相對位置都是為了模擬真實工況而設計,并進行了管網水力平衡和熱平衡核算。
圖5冷卻系統縮比試驗臺
該系統的熱源為2塊功率可調的服務器芯片(見圖6),其主板尺寸為300mm×400 mm×25 mm。在每個水冷頭下表面設置1個溫度測點,用來監測芯片溫度變化。2個鋁制冷板換熱器分別安裝在服務器2塊芯片上部,負責采集熱源散發的熱量。
圖6服務器水冷測試系統
服務器和換熱冷板置于恒溫箱(模擬機柜內部)內,恒溫箱控溫精度為±0.5℃。冷源為流量和溫度可調節的冷水環路,由制冷機提供,模擬冷卻塔供水。熱管蒸發器(板式換熱器)安裝高度0.2m,熱管冷凝器(板式換熱器)安裝高度0.7m。水箱尺寸為200mm×200mm×150mm,安裝高度0.2m。冷水環路采用柔性管連接,管內徑6mm。熱管冷凝器側冷卻水管內徑12mm。溫度采用T型熱電偶測量,標定精度±0.3℃。在每個工況達到穩定狀態后,用多通道數據采集卡每分鐘采集并記錄一次各測點溫度數據。壓電水冷環路采用轉子流量計和帶調壓和變頻功能的雙腔串聯壓電泵,冷卻塔供回水環路水流量恒定為5000mL/min。
4工況設計
針對圖6所示的試驗臺設計了如表2所示的3種測試工況,考慮了典型室外環境、機柜溫度以及服務器負荷等因素。
表2冷卻系統測試工況
熱管冷凝器進水(模擬冷卻塔供水)溫度表征室外環境溫度(冷源溫度),芯片功率表征服務器負荷,恒溫箱溫度表征機柜內部熱環境,熱源表面最高溫度表征服務器實際冷卻效果,熱源表面最大溫差表征冷板抑制熱沖擊的能力,機房室溫、芯片最高溫度和最大溫差的取值均參考了相關文獻。
5結果分析

達到熱平衡狀態下3種工況的最終測試結果如表3,4所示。其中,壓電泵功率表征冷卻能耗;水冷頭和芯片之間的對數平均傳熱溫差表征熱源的熱量采集熱阻,溫差越小,熱阻越小;蒸發器進口與冷凝器進口水溫之差表征熱管的實際換熱性能,傳熱溫差越小,對室外冷源溫度要求越低,即冷卻塔供水溫度越高;對流和導熱量表征機柜內部熱環境對服務器散熱的影響,對流與導熱量之比越小,說明服務器漏熱量越少,更多的熱量被集中采集到冷水環路;輸配系數的定義為流體機械(泵、風機等)輸送的冷/熱量與輸送功耗(泵功耗、風機功耗)的比值,在輸送相同冷/熱量條件下,輸配系數越高,系統的經濟性越好。
表3各工況穩態傳熱測試結果(1)
表4各工況穩態傳熱測試結果(2)
表3,4所列各工況的芯片溫度測試結果如圖7所示,芯片溫度取2個測點溫度的平均值,當芯片溫度變化不超過±1 ℃時認為達到了熱平衡狀態。
圖7不同工況下芯片溫度測試結果
圖8顯示了芯片溫度均勻性與壓電泵供水流量之間關系的測試結果。從測試結果可見,在300~650 mL/min范圍內,隨著壓電泵流量的增加,芯片表面溫差逐漸減小。當壓電泵流量超過550 mL/min之后,芯片表面溫差趨于穩定,繼續增大流量對改善芯片表面溫度均勻性作用很小。
圖8 芯片溫度均勻性與壓電泵供水流量關系
上述測試結果表明,在3種設計工況下,冷卻系統達到穩態熱平衡的時間為20~30min,芯片傳熱溫差為13~23℃,重力熱管傳熱溫差為9~12℃,芯片表面溫度為40~60℃,芯片表面最大溫差為3.5~6℃,對流與導熱量之比為5%~8%,滿足設計指標和數據中心空調系統的相關設計要求和規范。
從上述測試結果還可以看出,在芯片發熱量為80~120W、冷卻塔供水溫度為25~35℃的條件下,壓電泵功耗為1.2~2W,壓電泵冷水環路的輸配系數為37~56。考慮到冷凝器側冷水環路的泵功耗,整套冷卻系統的平均輸配系數約為20~30。由于該液冷系統完全依靠冷卻塔供冷,不需要額外冷源(如制冷機等),也不需要風機、冷水泵等大型輸配裝置,因此在上述工況下,冷卻系統的全年平均能效比(EER)約為20~30。
6案例分析

設計1個裝有100個機柜的數據中心,其服務器總裝機容量為500 kW,按照圖5所示原理配備壓電水冷環路和重力熱管冷卻系統。每個機柜配置1套5W散熱能力的壓電冷水環路和1臺蒸發器,每20個機柜配置1臺120kW散熱能力的冷卻塔和1臺冷凝器。圖9顯示了上述壓電式水冷+重力熱管環路冷卻系統應用在該數據中心的工作原理圖,由于該冷卻系統以服務器為冷卻對象,容易實現外置式安裝,具有較好的移植性和較強的通用性。從整體上看,系統冷源(室外冷卻塔供水)和熱源(室內壓電供水)呈逆流換熱布局,傳熱驅動力為壓電供水溫度與冷卻塔供水溫度之差,冷水循環動力為壓電泵,重力熱管工質循環動力為冷凝器和蒸發器安裝高差。
圖9集芯片壓電水冷和重力熱管冷卻的數據中心冷卻系統原理
根據表3,4的測試結果,并參考相關壓電泵、冷卻塔產品手冊,按照壓電泵平均輸配系數為25,每臺冷卻塔在供回水溫差4~5℃、出水溫度20~30℃、水泵揚程20m工況下功耗為5~8kW估算,整套冷卻系統的全年平均能效比約為8~11,遠高于目前大型數據中心空調系統的實測全年綜合能效比。
表5給出了我國東北、華北、華中、華東、華南5個典型氣候區若干代表城市的全年室外濕球溫度分布,如果按照冷卻塔出水溫度比室外空氣濕球溫度高3~5℃,冷卻塔風機根據室外溫度自動調速來估算,不考慮室內濕度控制能耗時,圖9所示的500 kW數據中心冷卻系統在我國各典型氣候區的全年理論運行工況和理論平均能效比如表6所示。
表5典型氣候區城市全年室外濕球溫度分布
表6 典型氣候區代表城市各工況全年理論運行時間和理論平均能效比
從上述分析結果可以看出,采用芯片水冷和重力熱管技術可以有效減少冷熱源傳熱溫差,提高制冷機效率,降低輸配能耗,理論上可以將大型數據中心的全年平均能效比維持在10左右。即便對于全年大部分時間只能采取制冷機制冷的氣候區城市(如上海、廣州),理論上其數據中心空調系統年平均能效比也能達到8左右。而傳統機房空調(CRAC)即便冬季采用冷卻塔供冷策略,其年平均能效比一般也只在4~6之間。相比之下,以芯片為冷卻對象的通用化外置水冷系統節能優勢非常顯著,尤其對于規模較大的數據中心,節能潛力巨大,是一項具有廣闊應用前景的數據中心高效冷卻技術。

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