一種用于服務(wù)器芯片散熱的液冷板實驗研究

來源|Applied Thermal Engineering

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背景介紹

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心是信息時代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著海量數(shù)據(jù)信息的傳輸、整合、分析、計算和處理。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴大，數(shù)據(jù)中心能耗不斷增加。芯片是數(shù)據(jù)處理的核心部件，數(shù)據(jù)量的爆炸式增長對服務(wù)器芯片的性能提出了更高的要求。當服務(wù)器芯片的工作溫度高于額定工作溫度10 ℃時，服務(wù)器芯片的可靠性降低到50%。因此，服務(wù)器芯片的熱管理技術(shù)是制約數(shù)據(jù)中心發(fā)展的瓶頸之一。

風(fēng)冷散熱，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟可靠。傳統(tǒng)的低功耗服務(wù)器普遍采用風(fēng)冷方式。然而，對于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心而言，風(fēng)冷能耗較高，且其密度低、散熱能力有限。然而，用于液冷的冷卻介質(zhì)比熱容是空氣的1000-3500倍，導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的15-25倍，可以達到更高的熱流密度散熱。應(yīng)用于服務(wù)器的液冷技術(shù)可分為單相間接液冷、兩相間接液冷、熱管冷卻和浸沒式液冷。

浸沒式液體冷卻由于與冷卻介質(zhì)直接接觸，具有極低的熱阻。浸沒式液冷需要額外的密封手段和一套完整的專用服務(wù)器或機柜，這給數(shù)據(jù)中心維護和改造帶來了巨大挑戰(zhàn)。間接液冷技術(shù)適應(yīng)性強，可用于新舊數(shù)據(jù)中心的改造。液冷板是間接液冷的關(guān)鍵部件之一。液冷板的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝對散熱性能有很大影響。

目前微通道成形技術(shù)包括微銑削、微線切割、激光微加工、光刻等。液冷板的焊接方法有回流焊、擴散焊、摩擦焊等。微通道采用電火花線切割加工。雖然微通道液冷板具有優(yōu)良的散熱性能，但微通道液冷板的制造工藝存在一定的弊端。

為了保證良好的密封條件，液冷板需要焊接成一個整體。大多數(shù)焊接工藝存在成本高、生產(chǎn)效率低的問題。即使采用效率更高的回流焊，微通道也容易被焊料堵塞。微通道液冷板制造工藝的缺陷阻礙了其在數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模部署。

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成果掠影

為了解決服務(wù)器冷卻技術(shù)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、制造周期長等問題，華南理工大學(xué)潘敏強教授團隊提出了一種新型的加工工藝的液冷板。輥粘工藝起源于制冷行業(yè)的蒸發(fā)器制造工藝。此工藝可批量生產(chǎn)，并可靈活調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。采用輥粘接工藝可大大降低生產(chǎn)成本和液冷板泄漏風(fēng)險。近年來，對輥粘液冷板的研究主要集中在PV/T太陽能集熱系統(tǒng)和動力電池?zé)峁芾矸矫?。目前，將其?yīng)用于服務(wù)器散熱的研究較少。為此，針對一種低成本、可批量生產(chǎn)的服務(wù)器芯片熱管理方案，提出一種輥粘液冷卻板(RBLCP)，并通過實驗研究其傳熱性能和流動特性。該團隊建立了RBLCP的性能測試平臺。通過經(jīng)驗研究了彎曲、流道形狀、流量和加熱功率對RBLCP性能的影響。結(jié)果表明，彎曲對其傳熱性能影響不大。但隨著流量的增加，彎曲后RBLCP的流動特性比彎曲前的RBLCP差。RBLCP的傳熱性能和流動特性主要由流道的彎曲程度決定。與彎曲為" Z "形的RBLCP (Z-RBLCP)相比，彎曲為" N "形的RBLCP (N-RBLCP)具有更好的綜合性能。RBLCP的換熱性能隨著流量的增加而提高，但在大流量時變化不大。冷卻板的總溫度均勻性隨流量和加熱功率的增大而減小，而其局部溫度均勻性隨流量的增大而增大，隨加熱功率的增大而減小。為保證熱源的溫度和溫差較低，應(yīng)避免RBLCP在低流量下工作。當加熱功率為100 W、流量為35 L/h時，N-RBLCP的最小熱阻Rt = 0.0613 K/W。RBLCP成本低，能滿足服務(wù)器芯片的散熱要求。研究成果以“Experimental investigation of roll bond liquid cooling plates for server chip heat dissipation”為題發(fā)表于《Applied Thermal Engineering》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1.Z-RBLCP和 N-RBLCP。

圖2.RBLCPs的平面圖(尺寸以毫米為單位)。

圖3.微通道印刷示意圖。

圖4.充氣示意圖。

圖5.樣品示意圖。

圖6.RBLCP性能測試平臺。

圖7.加熱模塊示意圖。

圖8.溫度測試點位。

圖9.Zs-RBLCP樣品的平均溫度和誤差變化圖。

圖10.Zs-RBLCP樣品的壓強和誤差變化圖。

圖11.不同樣品的平均溫度和流速變化圖。

圖12.(a) Z-RBLCP的彎曲流道。(b) N-RBLCP的彎曲流道。

圖13.Z-RBLCP和N-RBLCP與流量的平均溫差。

圖14.Z-RBLCP和N-RBLCP的壓強與流量的關(guān)系。

圖15.在不同加熱功率下，N-RBLCP的平均溫度Tave與流量的關(guān)系。

圖16.在不同加熱功率下，N-RBLCP的熱阻隨流量的變化規(guī)律。

圖17.(a)不同加熱功率下N-RBLCP的壓降△p隨流量的變化圖，(b)在流量為35 L/h的N-RBLCP的壓強與加熱功率的關(guān)系。

END

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審核編輯黃宇