当前位置：文档之家 › 数据中心服务器CPU水冷散热器的优化设计

数据中心服务器CPU水冷散热器的优化设计

  • 格式：pdf
  • 大小：377.98 KB
  • 文档页数：7

文章编号：0253－4339（2019）02－0036－07doi：10.3969/j.issn.0253－4339.2019.02.036数据中心服务器CPU水冷散热器的优化设计诸凯刘泽宽何为柴祥（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室天津300134）摘要如何强化水冷散热器的散热性能以维持计算机芯片的正常工作温度，成为数据中心服务器冷却问题研究的焦点。

本文以水冷散热装置的综合系数F和芯片温度为目标参数，采用正交试验法对散热器的基板厚度、槽道（位于基板）位置、槽道数量和槽道宽度进行了优化设计，针对不同的需求得到最佳的组合为F指数和T指数散热器。

结果表明：当冷却水体积流量为0．4 L/min，进口温度为20ħ时，T指数和F指数散热器的散热极限热流密度分别为78W/cm2，65W/cm2。

并从散热器底板的温度分布和总热阻两个方面分析其散热性能，T指数散热器的底板温度梯度和总热阻均低于F指数散热器，表明T指数散热器优于F 指数散热器；但是在不同的体积流量下，F指数散热器的压降要低于T指数散热器。

芯片在热流密度为65W/cm2以下时，F指数散热器槽道内流体的流动效果较好而且可满足数据中心服务器的散热要求，而更高的热流密度应选用T指数散热器进行冷却。

关键词计算机服务器；CPU芯片；芯片散热；水冷散热器；正交试验中图分类号：TQ051．5；TP368．5文献标识码：AOptimal Design of CPU Water-cooledＲadiator in a Data Center ServerZhu Kai Liu Zekuan He Wei Chai Xiang（Tianjin Key Laboratory ofＲefrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China）Abstract How to enhance the heat dissipation performance of water-cooled radiator to maintain the normal operating temperature of com-puter chips become the research focus of data center server cooling．In this paper，the comprehensive coefficient F and chip temperature of water-cooled radiator are taken as the target parameters．The orthogonal test method is used to optimize the thickness of the radiator's sub-strate，the location of the channel（located on the substrate），the number of channels and the width of the channel．The optimal combina-tion of F index and F index radiator is obtained according to different needs．The results showed that the maximum heat flux of the T and F index radiators was78and65W/cm2，respectively，under a cooling water volume flow rate of0．4L/min and an inlet temperature of20ħ．The heat dissipation performance was analyzed from two aspects，i．e．，temperature distribution of the radiator basement and the total thermal resistance．It showed that the temperature gradient and total thermal resistance of the T index radiator were lower than that of the F index radiator，indicating that the T index radiator is superior to the F index radiator．However，the pressure drop of the F index radiator was lower than that of the T index radiator under different flow rates．When the chip heat flux was less than65W/cm2，the flow perform-ance of fluids in the channel of F index radiator was better and could meet the heat dissipation requirements of the data center server．Mo-reover，the higher heat flux should be cooled by the T index radiator．Keywords computer server；CPU chip；chip cooling；water cooling radiator；orthogonal test基金项目：国家自然科学基金（51376137）资助项目。

（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No．51376137）．）收稿日期：2018-05-24；修回日期：2018-07-16近年来，随着国民经济的飞速发展，信息化社会的建设越来越受到人们的关注，而数据中心作为信息处理的基石，成为衡量国家科技水平的标志。

但是随着服务器芯片计算负荷和电子封装度的不断增加，芯片的散热问题已经成为计算机技术发展的瓶颈［1－2］。

风冷技术已经成熟应用于芯片散热方面，但是风冷的散热极限仅为50W/cm2，而且为提高散热效率而提高风速所带来的噪音问题和能量消耗也日趋严重［3］。

水冷散热具有很高的散热能力可以突破风冷的局限，在处理高热流密度芯片散热问题上具备优势，其中沟槽式散热器因体积小、结构简单、强化换热能力强等优点而受到众多学者的关注，S．A．Jajja 等［4－5］发现不同的槽道间距对散热能力产生影响；Gong Liang等［6－7］通过在通道壁上增设翅柱的方式来形成漩涡以加强换热效果。

但是以上措施均会造成—63—流动性能的降低，如何平衡散热性能和流动性能是散热器研究的重点。

M．Khoshvaght－Aliabadi等［8］研究表明：不同结构的通道散热器和不同浓度的纳米流体都会对流动性能和散热性能产生影响，随着纳米流体浓度的增加，散热性能逐渐增强，相应的压降也不断增大，并且指出平直型散热器的综合性能远远超过其他结构的槽道散热器；刘东等［9］采用在微槽道插入铜箔的方法，使散热器获得更高的散热性能的同时压降保持在400Pa以下。

张峰等［10］分析了多种肋片-凹槽形式的通道的阻力特性和热力学性能，发现肋片高度是影响肋片-凹槽通道散热器性能的重要因素。

综上所述，优化尺寸结构是改进散热器性能的主要方法，关键在于如何快速准确地选择对散热器性能影响权重的参数，再对这些参数进行具体分析得到最优类型。

本文采用正交试验法，以维持芯片温度和综合性能作为目标函数，在不同的基板厚度、槽道（位于基板）位置、槽道数量和槽道宽度中进行选择得到最优组合，并运用模拟软件COMSOL分析不同工况对散热器性能的影响。

1数值模拟及正交试验方案的确定1.1模型与初始参数图1所示为散热器上盖外部和底部组装结构，由于CPU芯片面积与散热器底板面积相差很大，造成扩散热阻较大，为此在芯片与散热器底板之间设置热扩散板（也称为均温板）。

由图1（a）可知，冷却水从散热器左下方的进口流入，右上方的出口流出，水流经过散热器的槽道将热量带走，以维持设定的服务器芯片工作温度。

散热器结构和槽道结构尺寸参数分别如表1和表2所示。

表1水冷散热器结构尺寸Tab．1Structure size of water cooled radiator参数数值基板尺寸/mm3122ˑ77ˑ4流体区尺寸/mm3100ˑ60ˑ4进出口直径/mm5均温板尺寸/mm355ˑ55ˑ2芯片尺寸/mm330ˑ30ˑ2使用COMSOL中的共轭传热模块研究电子冷却相关的物理问题，冷却水流过槽道时的Ｒe＜1600，说明流动状态属于层流。

计算时作如下假设：热流密度恒定为50W/cm2，冷却水体积流量固定为0.33 L/min、不可压缩定常流动、流体在进口处属于完全发展、忽略重力影响。

沟槽式散热器为铜质，质量定压热容c p=385J/（kg·ħ），密度为8960kg/m3，导热系数为400W/（m·ħ）。

流体区域为水，导热系数为0.56W/（m·ħ），cp=4200J/（kg·ħ），密度为1000 kg/m3。

为降低热扩散板与散热器间的热阻，在二者接触面设置50μm厚的导热膏作为热结合层。

Wbase基板厚度；N槽道数量；W ch槽道宽度；Wfin翅片厚度；H ch槽道高度；L散热器长度。

（c）槽道图1水冷散热器的结构Fig．1The structure of water cooled radiator表2散热器中槽道结构尺寸Tab．2The size of the channel structure in the radiator参数数值Wch/mm0.4Hch/mm3Wfin/mm0.5N601.2正交试验方案的确定有必要综合考虑多方面因素的影响，但是如果将所有因素带入研究计算，必然造成实验次数过多。

正—73—交试验法的优越性在于可快速准确的选择出对实验影响权重较大因素。

本文按权重排序，主要考虑了3个参数：指标、设计因素、类型，其中指标与实验目的相对应，设计因素是影响性能实验结果的变量，类型是某个设计因素下的不同参数。

合集下载

数据中心冷却方案

数据中心冷却方案

数据中心冷却方案1. 引言数据中心是现代企业和组织中至关重要的设施之一。

它们承载着大量的服务器、网络设备和存储设备等关键设备，需要保持可靠性和稳定性。

冷却系统在数据中心的运行中起着至关重要的作用，能够确保设备的正常运行，并防止过热对设备造成严重损害。

本文将介绍一些常用的数据中心冷却方案，包括传统的冷气机方案和创新的液冷方案。

同时，还将讨论这些方案的优点和缺点，并给出一些建议，以帮助数据中心管理员根据实际需求选择合适的冷却方案。

2. 传统冷却方案2.1 空调系统传统的数据中心冷却方案通常使用空调系统来降低机房温度。

空调系统通过循环冷却剂来吸热并降低机房温度。

这种方式常用于小型和中型数据中心，具有以下优点：•简单易用，无需对设备进行更改•可以在广泛的气温范围内工作•相对成本较低然而，传统的空调系统也存在不足之处：•能耗较高，对环境造成负担•冷气机可能存在噪音问题•空气循环可能导致设备内部积聚灰尘和污垢2.2 热交换器热交换器是另一种常见的冷却方案。

它通过将热量从数据中心传输到周围环境中，以保持机房温度在可接受范围内。

热交换器通常需要与外部环境进行热量交换，可以通过风扇或水冷系统来实现。

热交换器方案具有以下优点：•提供了更高效的冷却效果•能耗相对较低，对环境影响较小•可以适应较大型的数据中心然而，热交换器方案也存在一些挑战：•需要更多的空间来安装和维护热交换器设备•需要额外的成本来建造和维护冷却系统•在高温环境下可能无法提供足够的冷却效果3. 创新液冷方案随着数据中心规模的不断扩大和技术的进步，一些新颖的液冷方案开始应用于数据中心。

这些液冷方案通过直接将冷却剂引入设备或机架中来实现更高效的冷却。

下面介绍两种常见的液冷方案：3.1 直接液冷直接液冷方案是将冷却剂直接引入服务器或机架中，通过直接接触来进行冷却。

这种方案的优点包括：•提供了更高效的冷却效果，降低了能耗•可以在热密集型场景下提供更好的冷却效果•减少了设备的噪音和空气循环带来的灰尘问题然而，直接液冷方案也存在一些挑战：•需要对设备进行修改和调整，增加了部署和维护的复杂性•可能需要更多的空间来安装和维护液冷系统•需要额外的成本来建造和维护液冷系统3.2 循环液冷循环液冷方案是通过在机房内构建液冷循环系统，并利用冷却剂在循环系统中传输热量。

高端水冷机工程设计方案

高端水冷机工程设计方案

一、设计背景随着科技的不断发展，计算机硬件性能不断提高，发热量也日益增加。

为了保证硬件的稳定运行和延长使用寿命，散热系统的设计变得尤为重要。

水冷散热系统凭借其出色的散热性能和较低的噪音水平，已经成为高端计算机散热领域的首选。

本方案旨在为用户提供一套高性能、稳定可靠的水冷散热系统。

二、设计目标1. 确保计算机硬件在高温环境下稳定运行，降低硬件故障率。

2. 有效降低计算机整体温度，提高使用舒适度。

3. 保持较低的噪音水平，提供更好的使用体验。

4. 结构简单，易于安装和维护。

5. 具备良好的扩展性，以适应未来硬件升级需求。

三、设计方案1. 选材方面（1）水泵：选用知名品牌的水泵，如XSPC D5箱泵一体，具有高流量、低噪音、稳定运行等特点。

（2）冷排：选用高品质的OCOOL 480薄排2和OCOOL 420薄排1，具有良好的散热性能和较低的风阻。

（3）水冷管：采用普通水冷金属钢管，具有良好的导热性能和耐腐蚀性。

（4）冷头：处理器冷头选用BitsPower AMD TRX40，显卡冷头选用OCOOL 4090 Superim，具备高效散热性能。

（5）风扇：选用联力SL120-V2黑色8、联力AL120黑色2和联力AL140白色3，提供良好的气流和噪音控制。

2. 水路设计（1）处理器水路：水泵1 - 处理器 - 420冷排 - 水泵2 - 显卡。

（2）显卡水路：水泵1 - 显卡 - 480冷排1 - 480冷排2 - 水泵1。

3. 机箱选择选用海盗船Obsidian1000D超级塔机箱，具有良好的散热性能和扩展性。

4. 硬件配置（1）处理器：AMD TR Pro 3975WX（2）主板：华硕Pro WS WRX80E-SAGE SE WIFI（3）内存：芝奇皇家戟金条DDR4 4000 128 GB（16GB8）（4）显卡：MSIRTX4090超龙（5）硬盘：三星980Pro 2TB 3、希捷银河10T 3（6）电源：海韵TX-1300 ATX 3.0（1300W）5. 灯光效果为了满足用户对灯光效果的需求，可在水冷管、风扇、冷头等部位安装RGB灯条，实现丰富的灯光效果。

液冷技术优化设计

液冷技术优化设计

液冷技术优化设计1. 引言液冷技术是一种高效、可靠的散热方式，广泛应用于高性能计算机、数据中心、通信设备等领域。

随着科技的不断发展，设备功耗的不断提高，对液冷技术的性能要求也日益严格。

本文档旨在探讨液冷技术的优化设计，以提高其散热效率、降低能耗、延长设备寿命。

2. 液冷技术原理液冷技术利用液体作为冷却介质，通过循环流动将热量带走，实现设备的散热。

液冷系统主要包括冷却液、冷却器、泵、管道、传感器等组件。

冷却液在循环过程中吸收设备产生的热量，然后流经冷却器进行热量交换，将热量传递给环境。

泵负责驱动冷却液循环，管道负责输送冷却液，传感器负责监测液冷系统的运行状态。

3. 优化设计目标液冷技术的优化设计应围绕以下目标展开：1. 提高散热效率：降低冷却液的温升，提高热交换效率。

2. 降低能耗：减小泵的功率消耗，提高系统整体能效。

3. 提高系统稳定性：降低系统故障率，延长设备寿命。

4. 降低维护成本：简化系统结构，减少维修保养工作。

4. 优化设计方案针对液冷技术的优化设计，可以从以下几个方面入手：4.1 冷却液选择选用高热导率、低比热容的冷却液，可以提高热交换效率，降低温升。

同时，考虑冷却液的腐蚀性、生物降解性等因素，以保证系统安全稳定运行。

4.2 冷却器设计优化冷却器结构，提高其热交换面积，降低风阻，从而提高散热效率。

可以采用多翅片、微通道等技术，提高冷却器的散热性能。

4.3 泵选型及管道设计选用高效、低功耗的泵，以减小泵的功率消耗。

同时，合理设计管道布局，降低管道阻力，减少泵的负载。

4.4 系统控制策略采用先进的控制策略，实现液冷系统各组件的协同工作，提高系统整体性能。

可以采用PID控制、模糊控制等算法，实现泵、冷却器等组件的优化控制。

4.5 系统监测与维护增加液冷系统的监测点，实时掌握系统运行状态，及时发现并处理故障。

同时，简化系统结构，降低维护成本。

5. 总结液冷技术的优化设计是提高其散热性能、降低能耗、延长设备寿命的关键。

数据中心的冷却系统优化策略

数据中心的冷却系统优化策略

数据中心的冷却系统优化策略随着科技的发展和大数据时代的到来，数据中心的重要性变得越来越突出。

数据中心承载着无数的服务器和设备，为不同的组织和企业提供着重要的数据处理和存储服务。

然而，随着数据中心规模和功耗的增加，冷却系统的效率和能耗成为日益严重的问题。

数据中心的冷却系统是确保设备正常运行的关键组成部分。

它的主要目标是维持服务器和设备的温度在稳定的范围内，以确保数据中心的可靠性和性能。

然而，数据中心的冷却系统通常消耗大量的能源，这不仅对环境造成负面影响，还会导致能源成本的增加。

因此，优化冷却系统的策略对于提高能源效率和降低成本非常重要。

首先，一个有效的冷却系统优化策略的关键是对数据中心的冷却需求进行准确的评估。

这需要考虑到数据中心的规模、设备的功耗以及周围环境的温度等因素。

通过精确的需求评估，可以确定最佳的冷却系统配置，以确保在满足设备温度要求的同时，尽可能减少能耗。

其次，采用高效的冷却技术是优化策略中的另一个重要方面。

传统的冷却系统通常使用机械式的制冷设备，如冷气机和冷却塔，但它们的能耗相对较高。

相比之下，新兴的冷却技术可以大大降低能耗。

例如，直接液体冷却（DLC）技术将冷却介质直接引入设备中，以达到更高效的冷却效果。

此外，采用自然冷却技术，如冷却塔和冷冻装置的结合，可以有效地提高冷却系统的能效。

另外，合理的空气流动管理也是冷却系统优化策略中的重点。

通过优化气流路径、避免冷热空气交叉流动以及使用适当的隔离措施，可以减少能源浪费和热量积累，从而提高冷却系统的效率。

例如，合理布置机柜和设备位置，确保空气能够顺畅循环，并避免热点积聚。

此外，使用温度和湿度传感器等技术，实时监测和调整冷却系统，可以进一步提高系统的效率和稳定性。

除了优化冷却系统本身，管理和控制冷却系统也是提高效率的关键措施。

适当的系统监测和维护可以及时发现潜在的问题，并采取相应的措施解决。

此外，采用智能化的冷却系统控制策略，如动态调整风扇转速、优化冷却设备的工作模式等，可以根据实际需求和负载进行冷却系统的调整，提高能源效率和性能。