1壓電式水冷環(huán)路

為了有效利用現(xiàn)有的服務(wù)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(shè)計一個體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、流量可精確調(diào)節(jié)、移植性高、能耗低的液體回路。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，引入壓電驅(qū)動水冷環(huán)路。

壓電泵是利用壓電振子作為能量轉(zhuǎn)換裝置的流體傳輸裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、能耗低、無噪聲、無電磁干擾、可根據(jù)施加的電壓或頻率控制輸出流量等優(yōu)點，在電子器件冷卻領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。雙腔串聯(lián)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(diào)整電壓和工頻來改變出口流量和壓力。
圖1雙腔串聯(lián)壓電泵工作原理
壓電水冷環(huán)路的工作原理如圖2所示。換熱末端采用銅制冷板與發(fā)熱元件（如CPU）（用導(dǎo)熱硅脂貼合），集中采集熱量。水箱置于環(huán)路最高處，用于穩(wěn)壓及排出管路氣泡。板式換熱器負責(zé)將熱量傳遞給熱管環(huán)路。
圖2　壓電水冷環(huán)路工作原理
壓電水冷環(huán)路有效利用服務(wù)器散熱空間將服務(wù)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(wěn)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(dǎo)致的冷熱抵消等方面的問題。
2　重力熱管環(huán)路
為了減少傳熱環(huán)節(jié)、減小傳熱溫差、降低輸配能耗并提高可靠性，需要從冷水環(huán)路集中取熱并直接傳遞到室外環(huán)境，為了構(gòu)建這樣的傳熱路徑，引入重力熱管環(huán)路。
重力熱管是以重力為工質(zhì)循環(huán)驅(qū)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護成本低等優(yōu)點，其工作原理如圖3所示。液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收熱源熱量并氣化，制冷工質(zhì)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(fā)器繼續(xù)吸熱，完成熱量輸送。

圖3　重力熱管工作原理
熱管工質(zhì)采用環(huán)保型制冷劑R134a，40℃飽和溫度下其汽化潛熱為180kJ/kg。蒸發(fā)器和冷凝器均為板式換熱器，材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為380W/（m?K）。
　　重力熱管環(huán)路的工作原理如圖4所示。蒸發(fā)器側(cè)熱源為圖2所示的板式換熱器，熱量從冷水環(huán)路取出，冷凝器布置在系統(tǒng)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(fā)器和冷凝器側(cè)冷水逆流布置。
圖4　重力熱管環(huán)路工作原理
熱管環(huán)路將室內(nèi)熱源（機柜）和室外冷源（冷卻塔）直接連接，沒有中間換熱環(huán)節(jié)，且不需要風(fēng)機、泵等輸配裝置，避免了傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)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(jù)室內(nèi)布局靈活布置，有利于少占用室內(nèi)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(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表1。
表1換熱系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)
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(nèi)外不同工況下的實際性能，參照常見大型數(shù)據(jù)中心的規(guī)模，熱環(huán)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(tǒng)各部件的材料、尺寸、工質(zhì)、運行參數(shù)和相對位置都是為了模擬真實工況而設(shè)計，并進行了管網(wǎng)水力平衡和熱平衡核算。
圖5冷卻系統(tǒng)縮比試驗臺
該系統(tǒng)的熱源為2塊功率可調(diào)的服務(wù)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(shè)置1個溫度測點，用來監(jiān)測芯片溫度變化。2個鋁制冷板換熱器分別安裝在服務(wù)器2塊芯片上部，負責(zé)采集熱源散發(fā)的熱量。
圖6服務(wù)器水冷測試系統(tǒng)
服務(wù)器和換熱冷板置于恒溫箱（模擬機柜內(nèi)部）內(nèi)，恒溫箱控溫精度為±0.5℃。冷源為流量和溫度可調(diào)節(jié)的冷水環(huán)路，由制冷機提供，模擬冷卻塔供水。熱管蒸發(fā)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(huán)路采用柔性管連接，管內(nèi)徑6mm。熱管冷凝器側(cè)冷卻水管內(nèi)徑12mm。溫度采用T型熱電偶測量，標(biāo)定精度±0.3℃。在每個工況達到穩(wěn)定狀態(tài)后，用多通道數(shù)據(jù)采集卡每分鐘采集并記錄一次各測點溫度數(shù)據(jù)。壓電水冷環(huán)路采用轉(zhuǎn)子流量計和帶調(diào)壓和變頻功能的雙腔串聯(lián)壓電泵，冷卻塔供回水環(huán)路水流量恒定為5000mL/min。
4工況設(shè)計
針對圖6所示的試驗臺設(shè)計了如表2所示的3種測試工況，考慮了典型室外環(huán)境、機柜溫度以及服務(wù)器負荷等因素。
表2冷卻系統(tǒng)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(huán)境溫度（冷源溫度），芯片功率表征服務(wù)器負荷，恒溫箱溫度表征機柜內(nèi)部熱環(huán)境，熱源表面最高溫度表征服務(wù)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(guān)文獻。
5結(jié)果分析

達到熱平衡狀態(tài)下3種工況的最終測試結(jié)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(shù)平均傳熱溫差表征熱源的熱量采集熱阻，溫差越小，熱阻越??；蒸發(fā)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(dǎo)熱量表征機柜內(nèi)部熱環(huán)境對服務(wù)器散熱的影響，對流與導(dǎo)熱量之比越小，說明服務(wù)器漏熱量越少，更多的熱量被集中采集到冷水環(huán)路；輸配系數(shù)的定義為流體機械（泵、風(fēng)機等）輸送的冷/熱量與輸送功耗（泵功耗、風(fēng)機功耗）的比值，在輸送相同冷/熱量條件下，輸配系數(shù)越高，系統(tǒng)的經(jīng)濟性越好。
表3各工況穩(wěn)態(tài)傳熱測試結(jié)果（1）
表4各工況穩(wěn)態(tài)傳熱測試結(jié)果（2）
表3，4所列各工況的芯片溫度測試結(jié)果如圖7所示，芯片溫度取2個測點溫度的平均值，當(dāng)芯片溫度變化不超過±1?℃時認為達到了熱平衡狀態(tài)。
圖7不同工況下芯片溫度測試結(jié)果
圖8顯示了芯片溫度均勻性與壓電泵供水流量之間關(guān)系的測試結(jié)果。從測試結(jié)果可見，在300～650?mL/min范圍內(nèi)，隨著壓電泵流量的增加，芯片表面溫差逐漸減小。當(dāng)壓電泵流量超過550?mL/min之后，芯片表面溫差趨于穩(wěn)定，繼續(xù)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(guān)系
上述測試結(jié)果表明，在3種設(shè)計工況下，冷卻系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)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(dǎo)熱量之比為5％～8％，滿足設(shè)計指標(biāo)和數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計要求和規(guī)范。
從上述測試結(jié)果還可以看出，在芯片發(fā)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(huán)路的輸配系數(shù)為37～56。考慮到冷凝器側(cè)冷水環(huán)路的泵功耗，整套冷卻系統(tǒng)的平均輸配系數(shù)約為20～30。由于該液冷系統(tǒng)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(fēng)機、冷水泵等大型輸配裝置，因此在上述工況下，冷卻系統(tǒng)的全年平均能效比（EER）約為20～30。
6案例分析

設(shè)計1個裝有100個機柜的數(shù)據(jù)中心，其服務(wù)器總裝機容量為500?kW，按照圖5所示原理配備壓電水冷環(huán)路和重力熱管冷卻系統(tǒng)。每個機柜配置1套5W散熱能力的壓電冷水環(huán)路和1臺蒸發(fā)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(huán)路冷卻系統(tǒng)應(yīng)用在該數(shù)據(jù)中心的工作原理圖，由于該冷卻系統(tǒng)以服務(wù)器為冷卻對象，容易實現(xiàn)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(tǒng)冷源（室外冷卻塔供水）和熱源（室內(nèi)壓電供水）呈逆流換熱布局，傳熱驅(qū)動力為壓電供水溫度與冷卻塔供水溫度之差，冷水循環(huán)動力為壓電泵，重力熱管工質(zhì)循環(huán)動力為冷凝器和蒸發(fā)器安裝高差。
圖9集芯片壓電水冷和重力熱管冷卻的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)原理
根據(jù)表3，4的測試結(jié)果，并參考相關(guān)壓電泵、冷卻塔產(chǎn)品手冊，按照壓電泵平均輸配系數(shù)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(tǒng)的全年平均能效比約為8～11，遠高于目前大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)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(qū)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(fēng)機根據(jù)室外溫度自動調(diào)速來估算，不考慮室內(nèi)濕度控制能耗時，圖9所示的500?kW數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)在我國各典型氣候區(qū)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(qū)城市全年室外濕球溫度分布
表6　典型氣候區(qū)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(jié)果可以看出，采用芯片水冷和重力熱管技術(shù)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(shù)據(jù)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(qū)城市（如上海、廣州），理論上其數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)年平均能效比也能達到8左右。而傳統(tǒng)機房空調(diào)（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(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢非常顯著，尤其對于規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心，節(jié)能潛力巨大，是一項具有廣闊應(yīng)用前景的數(shù)據(jù)中心高效冷卻技術(shù)。