服務器水冷熱管散熱系統設計及性能分析

王晶 林湧雙 朱坤元 林恩華

摘 要：隨著高性能IDC機房的發熱量與能耗的不斷增大，為服務器提供高效的散熱方案成為了全球IDC供應商急需解決的問題。該文提出了一種熱管與水冷技術相結合的散熱方法，首先熱管將服務器內部CPU的熱量導出到服務器外部，然后通過水冷將這部分熱量帶走。經測試，水冷熱管散熱器比原有的風冷散熱器散熱效果提升較為明顯。

關鍵詞：服務器水冷熱管 散熱系統 散熱器模型

中圖分類號：TB657 5； TK172 4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0058-02

熱管是利用相變來強化換熱的傳統技術，其概念最早由Cotter提出，它充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。水冷散熱與風冷散熱的原理基本相同，只是液冷中利用循環液將CPU的熱量從水冷塊中傳遞到外部的換熱器上再散發出去，由于作為傳熱介質的水相對于空氣具有更高的傳熱效率，所以液冷的降溫效果非常明顯。

該文提出的熱管技術與水冷技術相結合的服務器散熱結構，相對與傳統的風冷散熱，綜合利用了熱管與水冷的優點，有效地提高了散熱效率，降低了熱源的溫度。

1 水冷熱管散熱器模型

本次實驗中采用的服務器的型號為華為Tecal RH2288V2，服務器中有雙路CPU，CPU型號為Intel Xeon E5-2690，主頻：2900 MHz，核心數量：八核心，其散熱設計功耗TDP為135W，服務器總發熱功率約為400W。

水冷熱管散熱器的總體設計思路如下：服務器內CPU的熱量首先通過熱管導出到服務器外部，再經過水冷板進行冷卻。根據服務器的工作溫度范圍，選取銅-水熱管，管殼材料為純銅，熱管工作液為純潔。為了滿足單個CPU的135W的最大散熱需求，對單路CPU采用了3根并聯的直徑為8 mm的熱管進行散熱，單根熱管要滿足45W的傳熱功率要求。雙路CPU的熱量將通過同一個水冷板帶走。

熱管蒸發端：熱管與熱源接觸的那一段稱為蒸發段，由于熱管的原始形狀為圓柱形，其圓弧表面并不能夠與CPU上端散熱表面平整地接觸。因此，需要將熱管的一段壓平，本文中采用如圖1中的結構，三根直徑為8mm的熱管壓入鋁制的固定板上，使得熱管有一端平面能夠與CPU的上端表面進行接觸，熱管與CPU之涂抹硅脂，用以減少它們之間的接觸熱阻。

熱管冷凝端：在冷凝段，熱管雙路CPU的熱量通過一個水冷板進行散熱，熱管冷凝段插入到水冷板水平并排排列的6個通孔之間，如圖2所示，熱管與水冷板之間涂抹導熱硅脂并壓入其中進行緊配合。水冷板上的管道接頭接入冷卻水，在水冷板內部槽道進行換熱，對水冷板和熱管冷凝段進行冷卻。

2 散熱器的數值模擬

本文應用熱分析軟件ICEPAK對服務器的散熱狀況進行數值模擬，服務器散熱系統的模型建立如圖1所示，整個水冷熱管散熱系統包括以下部件，服務器、熱管固定板、熱管、冷板。熱管固定板將熱管的蒸發段固定于CPU上方，熱管冷凝段插入冷板當中進行傳熱。根據前人的模擬經驗，ICEPAK的設定如下。

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，在風道內做強制對流流動，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）不考慮輻射散熱和重力影響，由于本散熱器的空氣狀況為強制對流，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）散熱器與CPU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。（6）將熱管簡化為純導熱的器件block。

2.2 邊界條件

服務器在ICEPAK中邊界條件設定如下：（1）將熱管簡化為純導熱的器件block，其導熱系數為100000W/mK；（2）空氣的流動為湍流，服務器進口處空氣流量為0.02 m3/s，設定進風口溫度為25 ℃；（3）單個CPU的發熱功率為135W，服務器的總發熱功率為400W，CPU芯片上表面面積為3.8 cm×3.8 cm，為了模擬CPU內部不均勻的熱流分布，設定CPU中心尺寸為2 cm×2 cm的面熱源用以模擬CPU內部發熱，其熱流密度為33.75 W/cm2；

2.3 模擬結果

以上述的水冷熱管散熱器的模型以及邊界條件針對服務器的最大負荷進行模擬（CPU=135W×2，總功率=400W），通過數值模擬分析加熱條件和冷卻條件對散熱器運行的影響，并將得到的模擬結果與實驗數據進行對比分析。

服務器的各個部件的溫度整理后如表2所示，從模擬結果看出，水冷熱管散熱器相對與傳統的風冷散熱器具有更好的散熱性能，其優勢如下：

（1）傳統風冷散熱器的CPU溫度達到73.2 ℃、76.7 ℃，而水冷的熱管散熱的溫度為49.6 ℃、49.6 ℃，CPU溫度分別降低了23.6 ℃、27.1 ℃；

（2）降低了周邊元件的溫度，模擬中采用風冷散熱器的內存溫度為64 ℃，而采用水冷熱管散熱器的服務器內存溫度為57.6 ℃，降低了6.4 ℃。而芯片的溫度則由56℃降低為49.1 ℃。

（3）服務器出口溫度降低，由于服務器中CPU部分的熱量經過水冷系統帶走，經風冷系統帶走的熱量為原來風冷散熱器服務器的一部分。出口溫度由原來的35℃降低為29 ℃。

3 散熱器傳熱測試

3.1 實驗裝置

實驗將會比較原有的風冷散熱器和水冷熱管散熱器之間的性能差異，風冷服務器所有的發熱元件都采用風扇與翅片散熱器進行散熱的。服務器的風扇布置于服務器的前端進風口處，CPU采用的是翅片散熱器進行散熱。水冷熱管散熱器的CPU部分的熱量改為采用水冷熱管散熱器進行散熱，熱量將通過熱管導出到服務器背部的水冷板處，經循環水進行冷卻，其余元件熱量任然由風冷系統帶走。

實驗中，CPU內部的溫度通過CPU內部集成的溫度傳感器進行采集，通過軟件服務器上軟件進行自動的讀取與記錄。服務器上將運行壓力測試軟件，對CPU進行模擬的負荷測試，測試環境為環境設定為25 ℃，水冷熱管散熱器的進水溫度為25 ℃，進口流速為1L/min。在測試中將進行對兩路CPU進行5%、33%、50%、75%、100%的負荷進行測試，每個負荷下進行20 min的連續測試，不同負荷切換時，約有1分鐘的切換時間。軟件將通過CPU內置的傳感器進行溫度記錄，溫度通過軟件自動進行讀取與記錄，CPU溫度的采集速度為2 s/次。

3.2 測試數據分析

經過軟件讀取的溫度經過處理后生成如圖4所示的溫度曲線，數據中分別記錄了CPU1與CPU2在風冷情況下和水冷熱管散熱器的情況下進行負荷測試情況。將各負責下的CPU的平衡溫度整理如表2所示，記風冷散熱為方案A，水冷熱管散熱為方案B。

（1）由圖3中可以看出，方案B中兩路CPU的溫度要明顯低于方案A，隨著CPU的負荷增大，溫度差異越發明顯，在CPU負荷為5%的時候，方案A的溫度為34 ℃/32 ℃，方案B的溫度為27 ℃/27 ℃，方案A的溫度要比方案B的溫度高約7 ℃/5 ℃，而當負荷為100%的時候，方案A的溫度高達78 ℃/78 ℃，而方案B的溫度只有43 ℃/43 ℃，此時方案A的溫度要比方案 B的溫度高約35 ℃/35 ℃。

（2）可以看到當負載達到75%時，方案A的溫度曲線開始發生波動，而到了100%的負載時，這種波動更為明顯。這是由于CPU內部的保護機制造成的，當CPU溫度高于安全溫度范圍，自動作降頻處理，當溫度下降到安全溫度后恢復正常頻率運行，所以溫度曲線呈現波動狀態。由此可以看出，在室溫25 ℃的條件下，采用風冷散熱器并不能滿足高負荷下CPU的散熱需求。

（3）水冷熱管散熱器的熱響應速度更快，由圖4可以看到，方案A中在負荷切換后存在一個溫度上升的響應時間，隨后保持平衡狀態；方案B中溫度上升的過程更為迅速，幾乎在一瞬間就達到當前負載的平衡溫度。同時，在負荷切換的時候存在著一個約為1分鐘的切換時間，此時CPU的負荷會變為0%，可以看到方案A和方案B在負荷切換處都存在著一個溫度下降的過程，可以看到，采用水冷熱管散熱器能夠馬上就降到25 ℃左右，即是進水溫度，而在這段時間內，方案A中的溫度則下降得相對緩慢。

（4）方案B中，在負荷為100%的情況下，其最高溫度只有43 ℃，在此溫度下工作能夠有效地降低CPU的發生故障的機率。由于此溫度距離大部分CPU的最高工作溫度70 ℃仍然有一定的距離，可以提升冷卻水的進口壓力，能夠進一降低外部散熱裝置的冷卻能耗。

4 結語

經過以上的模擬仿真以及實驗數據表明，采用熱管與水冷的復合散熱方法有以下優勢：（1）有效降低CPU的溫度以及部分降低CPU周邊器件溫度。增加服務器運行的可靠性；（2）在同樣的進風溫度下，水冷熱管散熱能夠降低服務器的排風溫度，能夠降低排到數據中心房間的熱量，降低數據中心空調的負荷；（3）散熱響應速度更為迅速，在夠迅速地達到穩定工作的溫度；（4）CPU滿負荷運行的情況下，溫度仍然能夠保持在較低的水平，能夠滿足高性能服務器的散熱需求；（5）相對與風冷散熱器，水冷熱管散熱器受環境溫度的影響較小，能夠把CPU溫度降低到室溫以下。

采用水冷熱管服務器能夠在增強散熱效果的同時，增強服務器運行的可靠性與降低數據中心能耗，是具有很好應用價值的一種散熱方法。

參考文獻

[1] 周峰，田昕，馬國遠.IDC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.

[2] 姚壽廣，馬哲樹，羅林，等.電子電器設備中高效熱管散熱技術的研究現狀及發展[J].華東船舶工業學院學報（自然科學版），2003，17（4）：9212.

[3] 張亞平，馮全科，余小玲.CPU散熱器散熱效果分析[J].低溫與超導，2008， 36（10）：73-76.

[4] Cotter T P. Principles and prospects for micro heat pipes[J]. NASA STI/Recon Technical Report N，1984（84）：29149.

[5] 余小玲，張榮婷，馮全科.大功率模塊用新型冷板的傳熱性能研究[J].電力電子技術，2009，43（12）：79-81.