服務(wù)器單相浸沒式液冷散熱性能影響因素分析

深圳綠色云圖科技有限公司 李 棒 陳 前 林 智

1 液體冷卻技術(shù)介紹

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)廣泛興起，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)浪潮風(fēng)起云涌，服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心最為核心的設(shè)備，其功率密度也在不斷攀升，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方案將難以滿足散熱需求，致使服務(wù)器液體冷卻技術(shù)成為近年來的研究熱點。液體冷卻技術(shù)（以下簡稱“液冷”）按熱源與液體是否接觸，可分為直接式和間接式兩類。在常見的直接式液冷系統(tǒng)中，服務(wù)器被完全浸沒在液體中，故又被稱為浸沒式液冷，其中作為傳熱介質(zhì)的液體又被稱作“冷卻液”。按照熱交換過程中冷卻液是否存在相態(tài)變化，浸沒式液冷可分為單相液冷和相變液冷兩類。本文通過對服務(wù)器芯片散熱過程進(jìn)行理論分析，并利用6SigmaET仿真軟件對部分影響散熱性能的因素進(jìn)行仿真分析，為今后單相浸沒式液冷系統(tǒng)設(shè)計及散熱性能研究提供指導(dǎo)。

2 芯片散熱理論分析

服務(wù)器芯片單相液冷散熱時，90%的熱量通過各種結(jié)合層以熱傳導(dǎo)的方式至散熱器，然后利用散熱器與冷卻液進(jìn)行對流換熱。

結(jié)合傳熱學(xué)原理，可將CPU散熱過程表示如下：

（1）芯片內(nèi)核到表殼導(dǎo)熱：

式(1)中：Φ1約占CPU發(fā)熱量的90%，λ1為CPU導(dǎo)熱系數(shù)，A1為CPU導(dǎo)熱面積，d1為CPU導(dǎo)熱厚度，Tj為CPU核心溫度，Tc為CPU封裝表面溫度。

（2）TIM導(dǎo)熱：

式(2)中：Φ2≈ Φ1，λ2為TIM導(dǎo)熱系數(shù)，A2為TIM導(dǎo)熱面積，d2為TIM導(dǎo)熱厚度，Tb為散熱器基板表面溫度。

（3）芯片散熱器導(dǎo)熱：

式(3)中：Φ3≈ Φ1，λ3為散熱器導(dǎo)熱系數(shù)，A3為散熱器平均導(dǎo)熱面積，d3為散熱器平均導(dǎo)熱厚度，Tf為散熱器翅片表面溫度。

（4）散熱器與冷卻液之間對流換熱：

式(4)中：Φ4≈ Φ1，h為對流換熱系數(shù)，A為對流換熱面積，T1為冷卻液溫度。

由上述表達(dá)式(1)(2)(3)(4)可推到出CPU芯片溫度Tj表達(dá)式：

式(5)中：R1為芯片導(dǎo)熱熱阻，R2為TIM導(dǎo)熱熱阻，R3為芯片散熱器導(dǎo)熱熱阻，R4為冷卻液與散熱器對流換熱熱阻，R表示冷卻液與芯片CPU換熱的總熱阻。

由式(5)推導(dǎo)出液冷機柜內(nèi)冷卻液與芯片CPU換熱的總熱阻R表達(dá)式：

式(6)中R是量化服務(wù)器單相浸沒式液冷散熱性能的重要指標(biāo)，由R1、R2、R3、R4共同決定，其中R1由CPU設(shè)計確定；TIM熱阻R2影響參數(shù)單一，實際選型設(shè)計中可由上式(2)估算熱阻值，并根據(jù)導(dǎo)熱溫差允許值確定選型結(jié)果；R3與R4影響參數(shù)較多，相互制約，影響規(guī)律較復(fù)雜，由散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻液流速及冷卻液的種類決定。

3 芯片散熱器結(jié)構(gòu)對散熱性能的影響

在芯片散熱過程中，芯片散熱器對散熱性能的影響除了本身材質(zhì)決定的導(dǎo)熱系數(shù)外，主要通過其結(jié)構(gòu)影響本身導(dǎo)熱面積，以及與冷卻液之間的對流換熱系數(shù)和換熱面積。建模條件如下：單顆CPU，CPU尺寸為40×40×3mm，功耗為200W，冷卻液為硅酮類物質(zhì)，冷卻液進(jìn)液流量按總換熱溫差5℃及總發(fā)熱量200W計算設(shè)置，進(jìn)液溫度為35℃，散熱器材料為純銅。通過對CPU散熱器與冷卻液之間的對流換熱過程及其本身的導(dǎo)熱過程進(jìn)行數(shù)值仿真，參考常規(guī)風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)尺寸，分別對散熱器的基板寬度、基板長度、翅片厚度、翅片間距、翅片高度以及基板厚度進(jìn)行單一結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的數(shù)值模擬試驗，以分析散熱器結(jié)構(gòu)對散熱性能影響。

3.1 散熱器基板寬度對散熱性能影響

由圖1可知，當(dāng)基板寬度在80～150mm變化，其余參數(shù)不變的情況下，CPU溫度隨著基板寬度增加不斷降低并趨于平緩。因此，在CPU散熱器空間位置允許情況下，散熱器寬度設(shè)計值越大對CPU散熱越有利，對于200W的CPU而言，散熱器寬度取120mm較為合理。

圖1 CPU溫度隨散熱器基板寬度變化曲線

3.2 散熱器基板長度對散熱性能影響

由圖2可知，基板長度在90～150mm變化，其余參數(shù)不變的情況下，CPU溫度隨著基板長度增加不斷降低并趨于平緩。因此，在CPU散熱器空間位置允許情況下，散熱器基板長度設(shè)計值越大對CPU散熱越有利，對于200W的CPU而言，散熱器基板長度取140mm較為合理。

圖2 CPU溫度隨散熱器基板長度變化曲線

3.3 散熱器翅片厚度對散熱性能影響

由圖3可知，翅片厚度在0.3～1.4mm變化，其余參數(shù)不變的情況下，CPU溫度首先隨著翅片厚度增加而降低，當(dāng)翅片厚度增加到1～1.2mm時，CPU溫度達(dá)到較小值，再繼續(xù)增大翅片厚度，CPU溫度又緩慢升高。由此看出，在散熱器整體外形尺寸固定不變時，翅片厚度存在最優(yōu)解。

圖3 CPU溫度隨翅片厚度變化曲線

3.4 散熱器翅片間距對散熱性能影響

由圖4可知，翅片間距在1.6～4mm變化，其余參數(shù)不變的情況下，CPU溫度首先隨著翅片間距增加而降低，當(dāng)翅片間距增加到接近2.8mm時，CPU溫度達(dá)到最小值，再繼續(xù)增大翅片厚度，CPU溫度又緩慢升高。由此看出，在散熱器整體外形尺寸固定不變時，翅片間距存在最優(yōu)解。

圖4 CPU溫度隨翅片間距變化曲線

3.5 散熱器翅片高度對散熱性能影響

由圖5可知，翅片高度在18～33mm變化時，其余參數(shù)不變的情況下，CPU溫度隨著翅片高度增加不斷降低并趨于平緩；又因翅片高度33mm是當(dāng)前仿真模型中散熱器極限高度尺寸，所以在CPU散熱器空間位置允許情況下，散熱器翅片高度設(shè)計值越大對CPU散熱越有利。

圖5 CPU溫度隨翅片高度變化曲線

綜上所述，在單相浸沒式液冷散熱設(shè)計時，在空間允許情況下CPU散熱器外形尺寸越大對散熱越有利，外形尺寸一定時，散熱器翅片厚度、翅片間距均有最優(yōu)參數(shù)，需要針對不同功率及不同冷卻液進(jìn)行參數(shù)正交優(yōu)化求解。

4 冷卻液流速對散熱性能的影響

本文選用某品牌服務(wù)器作為研究模型，仿真分析冷卻液流速對服務(wù)器CPU散熱性能的影響。建模條件如下：2U4節(jié)點1kW服務(wù)器，單節(jié)點2單顆95W的CPU，CPU封裝尺寸42.5×45mm，散熱器采用常規(guī)設(shè)計；冷卻液下進(jìn)上出，均勻進(jìn)液，冷卻液流量按總換熱溫差5℃計算設(shè)置，進(jìn)液溫度均為35℃。

針對上述求解模型及邊界條件，通過仿真求解獲得液冷機柜流場及服務(wù)器芯片CPU溫度場，仿真結(jié)果如圖6所示，分析圖6中各服務(wù)器的同一位置芯片CPU溫度隨流量變化規(guī)律圖可知，服務(wù)器芯片CPU溫度分布與冷卻液流速直接關(guān)聯(lián)，流速越大，CPU溫度越低，且機柜內(nèi)服務(wù)器芯片CPU溫度分布與其獲得的冷卻液流量近似負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。

圖6 服務(wù)器流量分布及CPU溫度分布

在進(jìn)出液5℃溫差設(shè)計的循環(huán)流量情況下，冷卻液平均流速不到1×10-2，將服務(wù)器冷卻液平均流速分別提高1個數(shù)量級和2個數(shù)量級進(jìn)行溫度場仿真對比，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 10倍和100倍流量下服務(wù)器芯片溫度分布

對比圖6和圖7仿真結(jié)果，當(dāng)流速成倍提高，CPU溫度隨之降低，但降低的幅度逐漸趨于平緩。因此，冷卻液流量設(shè)計時應(yīng)考慮散熱效果與冷卻能耗之間的平衡。

5 冷卻液種類對散熱性能的影響

由傳熱學(xué)可知，在對流換熱過程中，若滯流內(nèi)層的溫度梯度一定時，冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)愈大，則對流傳熱系數(shù)也愈大；若冷卻液粘度愈大，則對流傳熱系數(shù)愈低；若冷卻液密度與比熱容乘積愈大，則其單位流量攜帶熱量的能力愈強，對流換熱的強度愈強；若體積膨脹系數(shù)愈大，則液體受熱后密度差愈大，將有利于對流。因此，單相浸沒式液冷系統(tǒng)設(shè)計時，冷卻液選擇同樣重要。由于影響對流換熱系數(shù)的冷卻液物性參數(shù)較多，不同冷卻液的物性參數(shù)對比時，需要通過測試對比確定不同冷卻液的散熱性能。

冷卻液的典型物質(zhì)包括硅酮類物質(zhì)、脂肪族化合物以及氟碳化合物。本文通過數(shù)值仿真方式對某液冷系統(tǒng)中采用上述三種典型冷卻液物質(zhì)的散熱效果進(jìn)行對比。仿真建模條件如下：2U4節(jié)點1kW服務(wù)器，單節(jié)點2單顆95W的CPU，CPU封裝尺寸42.5×45mm；散熱器采用常規(guī)設(shè)計；冷卻液下進(jìn)上出，均勻進(jìn)液，冷卻液流量按換熱溫差5℃計算設(shè)置，進(jìn)液溫度均為40℃。常用某確定型號的三種典型冷卻液物質(zhì)的物性參數(shù)見表1。

表1 某確定型號的三種典型冷卻液物質(zhì)物性參數(shù)表

經(jīng)過散熱仿真計算，三種冷卻液散熱性能如表2所示，在上述條件情況下，氟碳化合物冷卻效果較好，脂肪族化合物次之，硅酮類物質(zhì)較差。

表2 不同冷卻液的散熱性能對比

結(jié)論：（1）理論分析推導(dǎo)出服務(wù)器單相浸沒式液冷散熱性能指標(biāo)表達(dá)式，即冷卻液與芯片CPU換熱的總熱阻：

式(7)中，R1由CPU設(shè)計確定；R2影響參數(shù)單一，實際選型設(shè)計中可由式(2)估算熱阻值，并根據(jù)導(dǎo)熱溫差允許值確定選型結(jié)果；R3與R4影響參數(shù)較多，相互制約，影響規(guī)律較復(fù)雜，整體由芯片散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻液流速及冷卻液種類決定。

（2）在單相浸沒式液冷散熱設(shè)計時，在空間允許情況下，CPU散熱器外形尺寸越大對散熱越有利，外形尺寸一定時，散熱器翅片厚度，翅片間距均有最優(yōu)參數(shù)，需要針對不同功率及不同冷卻液進(jìn)行參數(shù)正交優(yōu)化求解。

（3）芯片溫度與冷卻液流速成負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，提高冷卻液流速有利于提高散熱性能，降低芯片溫度。

（4）影響冷卻液散熱性能的物性參數(shù)較多，不同冷卻液的散熱性能需要按應(yīng)用情況實驗對比測定。在三種典型冷卻液物質(zhì)中，氟碳化合物冷卻效果較好，脂肪族化合物次之，硅酮類物質(zhì)較差。