大功率服务器CPU用热管换热器设计及性能研究

摘要

数据中心高能耗、高热流密度的特点对数据中心服务器的安全散热提出了更高的要求。分离式热管具有高导热、易安装、低成本等特点，在解决服务器CPU高热流密度散热需求的问题上具有很好的应用前景。本文以标准19寸2U服务器为设计依据，设计了最大散热功率为500W的分离式热管换热器，实验研究了该热管在不同充液率、不同加热功率下的工作性能，热管的启动性能及冷却温度对其性能的影响，据此对热管进行了结构改进，获得了能够满足大功率散热要求的分离式热管。本文采用铝合金和R134a分别作为分离式热管的管材和充装工质，以传热性能优良、节约成本、便于安装、安全可靠为原则设计了两种分离式热管，两热管（1-SHP和2-SHP）分别采用横排和竖排冷凝管结构的冷凝端；实验测试了分离式热管充液率从20%变化到70%过程中，每个充液率下加热功率为100W～500W时分离式热管的工作状态，实验选用金属陶瓷加热片为热源并采用与冷板直接接触的冷却方式对冷凝端进行散热。 实验研究了充液率、加热功率对分离式热管传热性能的影响。在综合考虑分离式热管的均温性及热源发热功率的前提下，发现两热管的最佳充液率均为50%，随功率增加，1-SHP的热阻先减小后增加，2-SHP的热阻先减小后逐渐平稳。在最佳充液率下，冷却温度为20℃，加热功率为500W时，1-SHP对应的热阻和热源表面温度分别为0.040℃/W和68.30℃；2-SHP对应的热阻和热源表面温度分别为0.035℃/W和61.34℃，相较于1-SHP，2-SHP具有更好的工作性能。在最佳充液率下，随功率的增加，热源表面温度达到平衡所需的时间逐渐增加，2-SHP能够满足服务器芯片变功率工作的要求。冷却温度在14～26℃时，热源表面温度与冷却温度几乎呈线性关系，但对分离式热管均温性影响不大。 通过减小蒸发端的高度和对蒸发表面进行机械处理来对热管进行改进，改进后热管的最佳充液率为35%，当冷却温度为20℃，加热功率为500W时，热管的热阻和热源表面温度分别为0.021℃/W和55.91℃，与2-SHP相比分别减小40%和8.85%；当加热功率分别为100W、200W、300W、400W和500W时，改进后分离式热管达到平衡所用的时间分别为130S、160S、200S、210S、260S，比2-SHP分别减少了90S、100S、100S、90S、70S，改进后热管性能提升明显。 通过本研究设计了具有结构简单、成本低、便于安装、安全可靠的分离式热管，当在冷却温度为20℃，最大散热功率为500W时，热管可将热源表面温度控制在55.91℃，且达到了高热流密度CPU的散热要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 数据中心散热技术

1.2.1 数据中心热管理层级

1.2.2 服务器级冷却技术发展

1.3 热管换热技术的研究与发展

1.3.1 热管换热器的发展及工作原理

1.3.2 热管换热器的分类及特性

1.3.3 服务器级芯片用热管散热器研究进展

1.4 本文的研究目的和主要内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

2 分离式热管的设计制造及实验测试系统

2.1 分离式热管的设计

2.1.1 服务器冷却系统总体方案

2.1.2 分离式热管的设计选材

2.1.3 分离式热管设计计算

2.1.4 热管的传热极限

2.1.5 热管的结构参数

2.1.6 分离式热管的制造流程

2.2 分离式热管的实验测试系统

2.2.1 热管实验测试环境

2.2.2 实验平台搭建

2.2.3 实验测试步骤

2.3 数据处理及误差分析

2.3.1 数据处理

2.3.2 误差分析

2.4 本章小结

3 分离式热管的传热性能测试及分析

3.1 充液率对分离式热管性能的影响

3.1.1 充液率对热源表面温度的影响

3.1.2 充液率对分离式热管均温性的影响

3.2 加热功率对分离式热管性能的影响

3.2.1 加热功率对分离式热管均温性的影响

3.2.2 加热功率对热源表面温度的影响

3.3 最佳充液率下分离式热管性能及分析

3.3.1 分离式热管的启动性能

3.3.2 冷却温度对分离式热管性能的影响

3.3.3 分离式热管热阻分析

3.4 本章小结

4 分离式热管的性能改进及分析

4.1 分离热管的结构改进

4.2 改进后分离式热管的性能验证

4.2.1 充液率对改进后分离式热管性能的影响

4.2.2 热功率对改进后分离式热管性能的影响

4.2.3 改进后分离式热管的启动性能

4.2.4 冷却温度对改进后分离式热管的影响

4.2.5 改进后分离式热管的热阻分析

4.3 改进前后的分离式热管性能对比

4.3.1 改进前后分离式热管的均温性对比

4.3.2 分离式热管改进前后的热源表面温度对比

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

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