數據機房熱管散熱器結構設計與性能分析

王晶 林湧雙 朱坤元 林恩華

摘 要：該文設計了一種用于數據機房散熱用的熱管散熱器，建立了數值分析模型，通過熱分析軟件ICEPAK，對其使用時的溫度分布、流速分布進行了數值模擬分析。采用熱力學理論，對其換熱性能進行了計算，得出其換熱功率可達900～1000W。并通過試驗進行了驗證。

關鍵詞：數據機房 熱管散熱器 功率 熱力學理論

中圖分類號：TB657.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0089-02

有研究表明，在典型的數據中心的電力耗能中，IT設備、機房制冷和電源設備分別為5：4：1的關系[1]，從此可以看出機房空調運行的能耗巨大。陳勝朋等分別從自然冷源、霧化噴淋降溫、智能控制及日常維護等方面分析和探討機房空調的節能技術[2]。侯福平介紹了應用變頻技術、機房空調組自適應控制、自然冷源、新型制冷劑和處理冷水機組空調水等技術手段實現通信機房空調系統節能的原理[3]。可對機房空調系統節能的研究均沒有涉及到空調周圍環境溫度的研究分析。現有的南方地區機房空調系統一般采用中央空調冷凍水系統加末端（恒溫恒濕）空調風柜形式，周峰等在對機房空調能耗研究發現，與室內設定溫度相比，室外氣溫對空調能耗的影響較大，室外溫度提高1℃，空調能耗平均增加5%～6%[4]，因此對空調附近溫度進行降溫，可以達到良好的節能效果。在機房回風口處安裝熱管散熱器，對空氣進行預處理，降低空調附近環境溫度，能夠達到節能目的。

本文首先介紹數據機房熱管散熱器的結構和特點，利用ICEPACK熱分析軟件對散熱器性能進行數值模擬，最后進行實驗研究，得出數據機房熱管散熱器的可行性。

1 數據機房熱管散熱器結構和特點

考慮到一般機房內氣流組織采用下送風上回風，這種方式的優點：（1）下送風方式是將低溫空氣直接從底部送到機柜內，吸收機會內通信設備的熱量后，從機房頂部回到空調機組頂部，空調風流動方向與空氣特性相一致，容易得到好的制冷效果（2）地板下的空間比風管界面的面積要大得多，這就形成靜壓箱，靜電地板風壓平衡，因此下送風方式均勻，整個風機區域的溫差小。

數據機房熱管散熱器是懸掛在機房出風口外，充分利用空調冷凍水進行冷卻。利用熱管主要考慮到熱管具有極高導熱性能，熱阻小的特點。一般情況下，用熱管制作的散熱器比實體散熱器的散熱性能可提高十倍以上。因此將熱管用在數據機房換熱器中是個優化方案。在所設計的散熱器中，熱管與沖壓的薄鋁翅片互相組合完成主要吸熱部分的成型，組合方式采用一般熱管換熱器中熱管與翅片的帶彈性變形鈑金孔方式作過盈配合。結構的冷凝部分主要由內部貫通冷媒的兩塊鋁冷板組成，冷媒一般可以選擇數據機房自有的冷卻用水，內流槽道使用線切割的方法成型出溝槽以提高換熱效率，鋁冷板與熱管的冷凝段作過盈配合。該換熱結構可分拆成若干個散熱單元體，組合時可針對實際應用場合選擇合適的單元數目。

圖1為數據機房熱管散熱器結構示意圖，表1為數據機房熱管散熱器幾何參數，表2數據機房熱管散熱器翅片的幾何參數，表3數據機房熱管散熱器熱管的參數。

2 數據機房熱管散熱器數值模擬

該文應用熱分析軟件ICEPAK對散熱器進行數值模擬。

2.1 建立模型

在建立模型時做以下假定：（1）假定流動空氣為定常連續不可壓縮流體，在風道內做強制紊流流動，其物理參數為常數。（2）散熱器放置在非封閉的空間，周圍空間設定壓力為1.01×105Pa，同時設定環境溫度穩定。（3）不考慮輻射散熱，由于模擬的是散熱器的散熱性能，不考慮散熱器升溫對環境空氣分布的影響。（4）進風速度假定為均勻。風道出口與散熱器間留有足夠長的距離以防止回流現象產生。（5）熱管與翅片接觸良好，接觸熱阻忽略不計。完成基本邊界條件設置后，進行網格分化及后處理。

2.2 邊界條件

（1）流場邊界條件：假設流體水為定常連續不可壓縮的水，其性質為定值，進口速度均勻為1m/s。假定入口平均風速為5m/s。（2）溫度邊界條件：環境溫度穩定在30℃。（3）壁面邊界條件：由于不考慮輻射散熱，風道的四個側面定義為wall類型的表面，并設置為絕熱條件，同時不考慮散熱器升溫對空氣分布的影響，翅片邊界條件也設置為絕熱邊界條件。

2.3 數值模擬理論計算

2.3.1 以空氣為參數的數值模擬理論計算

根據圖3、圖4、圖5的ICEPAK軟件模擬結果，可看出30℃的空氣經過散熱翅片后下降大約0.7℃，散熱體上部分出風溫度大約為29.1℃，下部分出風大約為29.5℃。在計算出風溫度時按29.3℃計算，由圖3可看出回風速度大約為4.5m/。所以單個散熱器單位時間換熱量的計算為：

式中：

q—— 散熱器單位時間換熱量 ；

Q—— 是總換熱量；

t—— 時間；

c—— 空氣比熱容；

m—— t時間內參與換熱的空氣總質量；

—— 進出空氣溫度差；

—— 空氣流量4.5m/s×0.4m×0.6m；

—— 空氣密度

2.3.2 以冷水為參數的數值模擬理論計算

由圖2可以看出，冷水出口溫度大致為14.72℃，冷水進水溫度設置為14℃，則進出口溫度差為ΔT為0.72℃；流量為qv，管徑為10mm，流速為1 m/s。則冷水單位時間帶走的熱量的計算公式為：

式中：

q—— 散熱器單位時間換熱量；

c—— 水比熱容；

—— 進出水溫度差；

—— 水的體積流量，πvD2/4（4個水道）；

D—— 水管直徑；

V—— 水速；

—— 水密度

可以看出以空氣和冷水為參數的模擬計算結果相差不大，因此可認為每個散熱器單位時間換熱量為900～1000 W。

3 數據機房熱管散熱器試驗驗證

3.1 試驗條件

測試平臺包括風扇，冰水機，數據機房熱管散熱器，數字風速風量計，紙箱，泡沫等。測試過程：設置冰水機供水溫度14℃，實際出水溫度（15～16℃）。利用數字風速風量計測定空氣風速及進出口溫度。

3.2 測試結果

測試中分別對數據機房熱管散熱器出風口的上部、中部、下部溫度進行采樣測試。用數字風速風量計測試上部、中部、下部出風溫度分別為30.5℃、30.8℃、31.1℃。取平均溫度30.8℃，進出口溫差0.7℃。

3.3 換熱計算

根據公式

式中：

q—— 散熱器單位時間換熱量；

Q—— 總換熱量；

t—— 時間；

c—— 空氣比熱容；

m—— t時間內參與換熱的空氣總質量；

—— 進出空氣溫度差，31.5-30.8=0.7℃；

—— 空氣流量，4.2m/s×0.4m×0.6 m；

—— 空氣密度

ICEPAK數值模擬計算散熱器單位時間換熱量約為950W，實際測試散熱器單位時間換熱量為872W，實際和理論結果有一定的偏差，偏差為8.2%。存在偏差主要是以下原因：（1）ICEPAK對散熱器的建模和邊界條件進行理想假定。（2）測試環境（如風速、水溫、水速等）與數值模擬的偏差以及測試工具的精度。在工程應用上，通常數值模擬結果和試驗結果之間誤差在15%內認為是正常的。因此可以認定實際測試結果與理論數值模擬相符，即所設計的數據熱管散熱器換熱量可以達到900～1000W，適合用在數據機房進行節能散熱。

4 結論

該文設計介紹了一種數據機房熱管散熱器的結構和特點，采用熱管作為核心傳熱元件，對其進行結構設計及性能分析。由模擬分析和試驗得出以下結論：

（1）對數據機房散熱用的熱管散熱器建立了數值分析模型，通過熱分析軟件ICEPAK，對其使用時的溫度分布、流速分布進行了數值模擬分析。采用熱力學理論，對其換熱性能進行了計算，得出其換熱功率可達900～1000W。

（2）對數據機房散熱器進行試驗驗證，得到散熱器換熱功率約為900W，在誤差范圍內，可認為實際測試結果與理論數值模擬相符，數據機房散熱器能夠達到良好的散熱效果。

參考文獻

[1] 唐遠明.高熱流密度服務器機柜散熱策略分析與實現[J].Computer Knowledge Technology.2009，5（15）：4043-4051.

[2] 陳勝朋，梁立平，陳紅，等.機房空調節能技術探討[J].制冷與空調（四川），2013， 27（5）：458-461.

[3] 侯福平.通信機房空調系統節能技術探討[J].電信技術，2006（6）：20-21.

[4] 周峰，田昕，馬國遠.數據機房用熱管換熱器節能特性試驗研究[J].土木建筑與環境工程，2011，33（1）：111-117

[5] KIM Kwang-soo，WON Myong-hee，KIM Jong-wook，el al. Heat pipe cooling technology for desktop PC CPU[J].Applied Thermal Engineering，2003，23；1137-1144

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[7] 袁斌.矩形平翅片熱管散熱器的傳熱分析和數值模擬[J].江蘇大學碩士學位論文，2006（12）：54-56.