三維脈動熱管耦合相變材料的傳熱與節能特性研究

張志遠 凌云志 崔 奇 高恩元 張小松

(1 東南大學能源與環境學院 南京 210096；2 中國礦業大學力學與土木工程學院 徐州 221008)

近年來，隨著互聯網行業的快速發展，數據中心的能耗迅速增大。2018年中國數據中心總用電量為1 608.89億kW·h，占全國用電量的2.35%。2019—2023年數據中心總用電量將增長66%，年均增長率將達到10.64%[1]。數據中心的能耗主要包括IT設備、制冷系統、供配電系統、照明系統及其他設施，其中IT設備和制冷系統能耗分別約占40%和45%[2]，二者節能減排潛力巨大。

我國政府始終重視數據中心的節能減排工作，2019年七部委聯合印發的《綠色高效制冷行動方案》要求，要實施數據中心制冷系統能效提升工程，支持老舊數據中心(包括公共機構數據中心)等開展節能和綠色改造工程，大幅提升數據中心能效水平[3]。2020年9月，我國政府提出2030年前實現碳達峰并努力爭取2060年前實現碳中和[4]。因此，進行數據中心節能減排的深入研究是有必要且具有現實意義的。

為降低數據中心能耗，可重點從數據中心中IT設備的芯片和制冷系統兩部分展開研究。對于IT設備的芯片，主要是運用高效熱管理技術降低芯片的工作溫度，以降低芯片的漏電功率。當芯片溫度降至推薦工作溫度以下時，又可以通過降低制冷系統的風機轉速來減少制冷系統的能耗。

脈動熱管是一種高效的新型傳熱元件，在20世紀90年代初由日本學者H.Akachi[5]提出，是一種極具潛力的數據中心節能元件，它可以顯著降低芯片的溫度以減少能耗。Zhang Yuwen等[6]分析了工質種類、充液率、熱管放置傾斜角度等對脈動熱管管內工質流動狀態及換熱特性的影響。G.Burban等[7]實驗研究了脈動熱管在混合動力汽車中的熱性能，實驗證明了脈動熱管在混合動力汽車熱管理中的可行性。D.J.Kearney等[8]研究了不同工質的開式脈動熱管在嵌入式電子冷卻技術中的傳熱性能，研究發現傳熱性能高度依賴于工質的充注率和工質的熱物理性質。D.Bastakoti等[9]實驗研究了工質類型和工質充液率對豎直式脈動熱管換熱特性的影響。脈動熱管初始被提出時是二維的，傳熱方向僅限于一個平面，用于IT設備散熱時可能導致設備溫度分布不均勻。

三維脈動熱管作為一種新型的脈動熱管可以改善二維脈動熱管上述缺陷。Y.F.Maydanik等[10]對三維脈動熱管在不同放置情況下的啟動和溫度進行了測試，結果表明三維脈動熱管具有良好的傳熱特性，使用甲醇作為工質時，在250 W加熱功率下最小熱阻可達0.32 ℃/W。屈健等[11]設計制作了帶平板蒸發器的三維脈動熱管，研究該脈動熱管在不同放置方式和充液率下的啟動和傳熱性能，結果表明，充液率介于30%～70%之間時脈動熱管一般均能正常啟動且穩定運行；豎直放置時該熱管的傳熱性能優于水平放置。由上述研究可知，三維脈動熱管有著優良的空間適應性，在IT設備芯片冷卻方面具有很好的應用潛力。

除脈動熱管外，相變材料(phase change material，PCM)在芯片的被動冷卻中也應用廣泛。利用PCM優異的蓄熱特性，可有效緩解芯片散熱負荷尤其是芯片功率突然升高引起的芯片過熱問題，實現對芯片溫度的被動控制[12]。但PCM在芯片冷卻的應用中也存在局限性：材料易泄露；有機PCM導熱系數偏低(如石蠟)[13]。為解決這些問題，有學者提出將脈動熱管與PCM耦合應用，以提高PCM的導熱率，改善導熱性能。羅孝學等[14]設計并搭建了脈動熱管相變蓄熱裝置實驗臺，實驗證明了利用脈動熱管技術對相變蓄熱系統進行傳熱優化是可行的。Zhao Jiateng等[15]實驗研究了PCM/脈動熱管耦合熱性能，研究表明，相對單純的石蠟PCM模塊，耦合模塊具有更好的熱性能。Weng Y.C.等[16]研究了PCM輔助熱管在電子芯片冷卻中的熱性能，結果表明，與傳統熱管相比，添加PCM模塊后可使風機冷卻功耗降低46%，平均加熱溫度可降低12 ℃。H.Behi等[17]使用數值計算和實驗研究的方法研究了熱管耦合PCM的散熱模塊在電子設備中散熱的性能，結果表明，添加該模塊可以提高86.7%的冷卻能力。由上述研究結果可知，采用脈動熱管與PCM耦合進行芯片冷卻可在提升冷卻效果的同時降低能耗。然而上述研究中采用的均為二維脈動熱管，對采用三維脈動熱管與PCM耦合進行芯片冷卻的研究目前很少，二者耦合的傳熱與節能特性尚不清楚。

鑒于此，本文設計并制作了充注不同工質的三維脈動熱管，搭建了三維脈動熱管與石蠟PCM耦合實驗臺，以揭示三維脈動熱管耦合PCM用于芯片冷卻的傳熱與節能特性。首先，建立了耦合模塊的熱阻模型，定義了耦合模塊的熱阻變化率；然后，實驗分析了不同工質、不同充液率耦合模塊的傳熱特性，研究了送風速度和送風溫度對耦合模塊熱阻的影響并擬合出相應關系式；最后，分析了耦合模塊的節能特性，揭示了耦合模塊相對傳統冷卻方式的節能優勢。研究結果可為數據中心節能優化提供參考。

1 實驗研究方法

本文搭建的三維脈動熱管/PCM耦合實驗系統如圖1所示，主要包括耦合模塊實驗臺、空調箱等部分。

圖1 耦合模塊實驗系統

將耦合模塊置于恒溫房間中，房間的通風模式和環境參數由空調箱進行控制。通過調節，使冷卻空氣通過房間地板靜壓箱經由活動地板送入房間，再通過耦合模塊實驗臺的可變頻風機對耦合模塊進行冷卻，冷卻后氣流從天花板回風口返回至空調箱中，冷卻空氣的參數由空調箱控制。

耦合模塊由三維脈動熱管、石蠟PCM及銅制容器組成，耦合模塊如圖2所示。選用石蠟作為PCM，在容器內裝入三維脈動熱管，并放入適量的石蠟以構成耦合模塊。將耦合模塊直接置于分體式鋁制加熱臺上散熱。使用加熱臺來模擬芯片的發熱，加熱臺由加熱平臺和控制器組成，控制器可以調節加熱平臺的功率并顯示加熱平臺當前的溫度及功率。在測量熱阻的實驗中，使用已校準的K型熱電偶(精度為讀數的±0.75%)測量溫度，使用testo425熱線風速儀(風速精度為±0.03 m/s,風溫精度為±0.5 ℃)測量冷卻氣流的溫度和風速，使用Agilent34970A(精度為±0.025 6 ℃)記錄數據。

圖2 耦合模塊

本文制作的三維脈動熱管銅管內徑為3 mm，外徑為5 mm，長、寬、高分別為60、60、160 mm，蒸發段和冷凝段長度分別為50 mm和60 mm。三維脈動熱管在寬度方向上分為4層，其蒸發段具有8個彎頭。制作了不同工質和充液率的三維脈動熱管共6種，分別為充液率34%的甲醇、乙醇、丙酮脈動熱管，以及充液率44%的甲醇、乙醇、丙酮脈動熱管。

2 實驗結果與討論

2.1 三維脈動熱管/PCM耦合模塊的熱阻模型

為了研究耦合模塊的傳熱特性，建立了如圖3所示的耦合模塊熱阻模型。圖3中,th為加熱平臺的溫度；tb為銅制殼體底面的溫度；ta為銅殼壁面的溫度；tPCM為石蠟的平均溫度；tc為脈動熱管冷凝端溫度；tf為環境溫度。Rt為加熱平臺與銅制殼體底面的接觸熱阻；Ra為銅制殼體底面與銅殼側面之間的熱阻；Rb為銅殼底面與石蠟表面之間的熱阻；Ra-f為銅制殼體側壁與環境溫度之間的熱阻；RPCM-f為石蠟表面與環境之間的熱阻；Rc為脈動熱管冷凝端的熱阻；Rc-f為冷凝端與環境溫度之間的熱阻。

圖3 耦合模塊熱阻模型

定義耦合模塊的熱阻變化率α如式(1)所示，熱阻變化率可用來衡量安裝耦合模塊前后總熱阻的減小程度。數據中心傳統下送風直接冷卻方式的總熱阻如式(2)所示，添加耦合模塊后的總熱阻如式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：th1、th2分別為不安裝、安裝耦合模塊而使用機柜直接送風冷卻加熱臺時加熱平臺的溫度，℃；tf為送風溫度，℃；P為加熱臺的功率，W；Rh1、Rh2分別為不安裝、安裝耦合模塊而使用機柜直接送風冷卻加熱臺時的熱阻，℃/W。α的大小可以衡量相比于數據中心傳統的冷卻方式，安裝耦合模塊后的冷卻效果。

2.2 三維脈動熱管/PCM耦合模塊傳熱特性

送風速度和送風溫度分別設定為5 m/s和20 ℃，當加熱臺功率分別為80 W和120 W時，采用傳統冷卻方式的加熱平臺在達到熱平衡時的表面溫度分別為135 ℃和169 ℃。實驗所使用石蠟的主要熱物性參數如表1所示。

表1 石蠟主要熱物性參數

當加熱臺功率為80 W，送風參數不變時，不同工質的耦合模塊加熱臺表面溫度如表2所示。由表2可知，當工質不變時，充液率為44%的耦合模塊表面溫度高于充液率為34%時的溫度，其中充液率為34%的甲醇工質耦合模塊表面溫度最低，僅為79.5 ℃。

表2 80 W加熱功率下不同工質和充液率耦合模塊加熱臺表面溫度

通過式(1)計算得到不同工質不同充液率的耦合模塊的熱阻變化率如圖4所示，充液率為34%的甲醇工質耦合模塊熱阻變化率最大，達到48.2%。充液率為44%的乙醇工質耦合模塊熱阻變化率最小，為43.9%。在80 W加熱工況下，甲醇工質對充液率的變化最不敏感，當充液率從34%增至44%時，熱阻變化率僅減小0.9%；乙醇工質對充液率的變化最敏感，當充液率從34%增至44%時，熱阻變化率減小2.6%。

圖4 80 W加熱功率下耦合模塊的熱阻變化率

充液率為34%時，熱管內供氣泡生成、發展的空間足夠充分，工質在管內形成的氣液塞分布較為均勻。同時冷凝端和蒸發端、不同管子之間的壓力差較大，可增大氣液塞的震蕩頻率，因此脈動熱管的傳熱效率較高。而充液率為44%時，管內液相工質較多，氣泡的產生、發展較為困難，驅動管內氣液塞震蕩的壓力差較小。更多的液相工質也會使傳熱時必須克服的黏性力、重力增大，同樣不利于脈動熱管的傳熱。因此，較小的充液率有利于提高耦合模塊的傳熱性能。

加熱功率為120 W，送風參數不變時，耦合模塊加熱臺表面溫度如表3所示。可得到與加熱功率為80 W時類似的結果，不同工質不同充液率耦合模塊的熱阻變化率如圖5所示，充液率為34%的甲醇工質耦合模塊熱阻變化率最大，達到48.7%。充液率為44%的乙醇工質耦合模塊熱阻變化率最小，為44.7%。在120 W加熱工況下，不同工質耦合模塊的充液率對熱阻變化率的影響與80 W加熱工況下相同。

表3 120 W加熱功率下不同工質和充液率耦合模塊加熱臺表面溫度

圖5 120 W加熱功率下耦合模塊的熱阻變化率

通過對比充液率改變時使用不同工質的三維脈動熱管/PCM耦合模塊的熱阻變化率，可以看出，使用甲醇作為工質時，耦合模塊的熱阻變化率受充液率的影響最小。使用乙醇作為工質時，耦合模塊的熱阻變化率受充液率影響最大。隨著加熱功率的增大，三維脈動熱管/耦合模塊的熱阻變化率也有所增大。由此可見，在較大的加熱功率下，耦合模塊仍有良好的散熱能力。

由前文可知，充液率為34%的甲醇工質三維脈動熱管/耦合模塊具有最高的熱阻變化率，基于此，使用充液率34%的甲醇作為工質，研究送風速度和送風溫度對耦合模塊的影響。

使用式(3)計算耦合模塊的總熱阻，圖6所示為不同送風溫度下的耦合模塊熱阻變化，送風溫度越高，熱阻也越大。使用多項式擬合二者的關系，當送風速度為5 m/s，送風溫度在20～26 ℃范圍內時，耦合模塊熱阻R隨送風溫度tf變化趨勢如式(4)所示，擬合式的R2為0.991 46。

圖6 不同送風溫度下耦合模塊熱阻變化

R(tf)=-0.004 72tf2+0.239 60tf-2.166 31

(4)

圖7所示為不同送風速度下的耦合模塊的熱阻變化，送風速度越高，耦合模塊的熱阻隨之減小，可認為當送風速度在3～9 m/s的范圍內、送風溫度為24 ℃時，耦合模塊熱阻R隨送風速度V變化為線性分布，使用線性擬合得到兩者的關系如式(5)所示，擬合式的R2為0.988 6。

圖7 不同送風速度下耦合模塊的熱阻變化

R(V)=-0.025 73V+0.996 88

(5)

降低送風溫度、提高送風速度均能使耦合模塊的熱阻減小，然而這兩種方法均會增加冷卻系統的負荷，使能耗增大。因此，有必要對耦合模塊的節能特性進行研究。

2.3 三維脈動熱管/PCM耦合模塊的節能特性

由于充液率為34%的甲醇工質三維脈動熱管/耦合模塊具有最大的熱阻變化率，傳熱性能最好。本節通過實驗測試進一步研究其在數據中心冷卻應用中的節能潛力，揭示其與傳統數據中心冷卻方式的能耗差異。

實驗中使用的風機尺寸為172 mm×150 mm×50 mm，通過風洞測試，測量該風機的有關參數。在某一轉速下，測出風機功耗和送風速度。風機轉速和送風速度、風機功耗的關系如圖8所示。

圖8 風機轉速和送風速度、風機功耗的關系

根據圖8，可認為當轉速在500～4 000 r/min范圍內，送風速度隨風機轉速呈線性變化，使用線性擬合得到兩者的關系如式(6)所示，擬合式的R2為0.999 59。同樣地，可認為轉速在500～4 000 r/min范圍內，功耗和風機轉速呈二次關系，擬合得出風機功耗和風機轉速的關系式如式(7)所示，擬合式的R2為0.999 77。

V=0.001 29S+0.039 71

(6)

P=2.301 52×10-6S2-0.003 52S+3.305 64

(7)

式中：V為送風速度，m/s;S為風機轉速，r/min;P為風機功耗，W。

芯片功耗包括正常運行時的有效功率和漏電功率，漏電功率占芯片總功率的20%以上[18]，且漏電功率隨著芯片溫度的升高而增大[19]。相關研究[20]顯示，若芯片溫度從100 ℃降至70 ℃，芯片的漏電功率可降低約50%，不同溫度下的芯片漏電功率和100 ℃時芯片漏電功率的比值如圖9所示。而當芯片溫度在7～87 ℃間變化時元件的漏電功率僅增大了14.32%[21]。所以，降低芯片溫度可以顯著減小芯片的漏電功率。

圖9 不同溫度下芯片漏電率的變化

根據圖9，芯片漏電率隨芯片溫度的增加呈上升趨勢，通過擬合得到的關系式如式(8)所示，擬合式的R2為0.999 64。

I(T)=0.010 02T2-0.121 84T+11.564 83

(8)

因為芯片的功率和發熱量是動態變化的，實驗中使用加熱平臺模擬芯片進行測試時，認為芯片功率等于加熱臺加熱功率并保持溫度恒定以簡化計算。

送風速度和送風溫度分別設定為5 m/s和20 ℃，當加熱臺功率為80 W時，采用傳統冷卻方式的加熱平臺在達到熱平衡時的溫度為135 ℃。實驗可得，送風溫度不變時，使用充液率34%的甲醇工質三維脈動熱管/PCM耦合模塊冷卻加熱平臺時，將溫度降至87 ℃以下時，所需風速為3 m/s。

假設芯片溫度100 ℃時的漏電率為25%，根據式(8)，芯片溫度為135 ℃時的漏電率為44.43%，芯片溫度為87 ℃時的漏電率為19.20%。由此可得，芯片溫度從135 ℃降至87 ℃時，芯片漏電功率可減少25.23%。

根據式(6)和式(7),對于功率為80 W的單個芯片，采用傳統冷卻方式和三維脈動熱管/PCM耦合模塊進行冷卻的年耗電量分別如圖10所示。風機的年耗電量和芯片漏電功率的年耗電量分別減小了143.61 kW·h 和176.82 kW·h。

圖10 傳統冷卻方式和耦合模塊冷卻年耗電量

3 結論

為了研究三維脈動熱管/PCM耦合模塊的傳熱與節能特性，本文搭建了耦合模塊實驗臺并進行了相關實驗，得到如下結論：

1)本文定義的熱阻變化率可衡量使用耦合模塊前后總熱阻的減小程度，減小程度越大表明耦合模塊的傳熱性能越好，因此用熱阻變化率來評價三維脈動熱管/PCM耦合模塊的傳熱性能是有效的。

2)不同工質、不同充液率的三維脈動熱管/PCM耦合模塊均有較大的熱阻變化率。充液率為34%的甲醇工質耦合模塊的熱阻變化率最大，在加熱功率為80 W和120 W時，熱阻變化率分別為48.2%和48.7%，可為后續在數據中心冷卻中的應用提供參考。

3)耦合模塊的熱阻隨送風溫度的升高而增大，呈拋物線趨勢；隨送風速度的增大而減小，呈線性分布。

4)對于功率為80 W的單個芯片，使用充液率為34%的甲醇三維脈動熱管/PCM耦合模塊冷卻后，相比數據中心傳統冷卻方式，每年風機功耗和芯片漏電量分別減小了143.61 kW·h和176.82 kW·h。