一种新型冷却装置对高发热量CPU散热的应用研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 2.38MB 68 页 15积分
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摘 要
伴随人们对高性能电子器件的需求以及电子工业的发展，CPU 等一系列封装
电子器件的集成度、工作频率都将不断提高，这类微电子芯片的散热问题将成为
制约其发展的一个方面。本文将研究一种新型冷却装置以用于高发热量 CPU 的散
热，以期能够为大功率微型芯片的散热提供可能的解决方案。
本文以一台服务器为研究对象，对其散热问题进行热流体分析和试验研究。
首先，根据热设计理论对常规散热形式下单台机箱的内外壁散热量及冗余热负荷
进行计算，分析外部环境对机箱内部温度的影响。然后，以强制对流流场中的计
算机机箱为热分析对象，建立热分析数学模型，并利用有限元思想对数学模型进
行求解；计算强制风冷翅片散热、自然对流液体蒸发冷却以及液体直接蒸发冷却
时机箱内部主要元件在不同 CPU 功耗时的温度，同时模拟机箱温度场分布。之后，
比较风冷与液体蒸发冷却的作用效果，分析液体蒸发冷却方案的可行性；并对比
传统小型服务器工作站的冷却方式分析液体蒸发冷却的经济性。其次，根据 CPU
功耗以及冗余热负荷设计计算冷却系统中冷凝器和蒸发器的结构，构建冷却系统。
最后，试验不同环境工况、不同 CPU 功耗下对机箱的散热效果，验证液体蒸发冷
却对 CPU 散热时的稳定性以及冷却器对其他元件的影响。结果表明：实验结果和
模拟结果基本吻合，液体蒸发冷却与强制空气对流共同对机箱散热时，机箱内的
温度分布更加均匀，CPU 的工作温度也比较稳定。同时也表明基于热分析下的电
子系统散热模拟，能够有效求解系统的温度场和流场分布，能为电子系统的散热
可靠性设计提供重要参考。
关键词： 服务器 CPU 散热 蒸发冷却 冷板 热流体分析 试验
ABSTRACT
With the development of the electronic industry and the need of high-performance
electronic devices，the integrated level and operating frequency of CPU and other
electronic package devices are increasing. The heat dissipation will limit the
development of micro-electronics chip. This paper studies a new cooling device used in
the heat dissipation of CPU, in order to solve the heat-dissipation problem of high
power microchip.
A server is taken as a research object in this paper. The heat dissipation problem of
the server is experimentally investigated and analyzed. First of all, we calculate
redundant heating load and heat dissipating capacity of the single machine on
conventional cooling scheme according to the thermal analysis and the design. We also
analyze the effect of external environment on the temperature inside the box. Then, the
forced convection flow field of a computer case was taken as the subject of thermal
analysis, establishing mathematical model of the thermal analysis system and using the
theory of the finite element analysis to solve the mathematical model. Calculate the
temperature of the CPU under different power consumption when it was cooled directly
or cooled by forced air cooling and natural convection by Liquid evaporation cooling.
The temperature field distributions of the case are simulated. Compared with the effect
of air cooling and liquid evaporative cooling, then the subject analyzes the feasibility of
liquid evaporative cooling. Secondly, calculate the condenser and evaporator
configuration of the cooling system according to the CPU power consumption and the
redundant heat load, designing cooling system. Finally, Conduct an experiment on the
heat dissipation of the case under different environment condition and CPU power
consumption，researching the effect of liquid evaporative cooling on the stability of the
CPU heat dissipation and the effect of cooler on other components. The results show
that: The experimental results match the simulation results. The temperature distribution
of the case is more uniform cooled by liquid cooling and forced air convection. The
temperature of the CPU is also more stable. And it also showed that the simulation of
electronic system heat dissipation based on the heat analysis can effectively solve the
problem of temperature and velocity field distribution of the system, providing an
important reference for the design of electronic system heat dissipation.
Key Word：Server's CPU，Heat dissipation，Evaporative cooling，
Cold Plate，Fluid thermal analysis，Test
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题的研究背景及意义 ....................................................................................1
§1.2 CPU 散热的国内外研究进展 ...........................................................................2
§1.2.1 常用 CPU 散热的国内外研究现状 ........................................................2
§1.2.2 VCR 系统用于 CPU 散热的研究状况 ...................................................3
§1.3 本课题的主要研究内容 ....................................................................................4
第二章 电子设备热设计理论及热负荷计算 .................................................................5
§2.1 电子设备热设计理论基础 ................................................................................5
§2.1.1 热传递基本方式 ......................................................................................5
§2.1.2 机箱热设计 ..............................................................................................6
§2.2 机箱内外壁散热量的计算和冗余热负荷 ........................................................7
§2.2.1 机箱内外壁散热量计算 ..........................................................................7
§2.2.2 机箱冗余热负荷计算 ............................................................................11
第三章 电子器件热流体分析模型及有限元求解 .......................................................13
§3.1 电子器件内部的流场分析理论基础 ..............................................................13
§3.1.1 质量守恒定律 ........................................................................................13
§3.1.2 动量守恒定律 ........................................................................................13
§3.1.3 能量守恒定律 ........................................................................................15
§3.2 电子器件内部热流体分析模型建立 ..............................................................17
§3.2.1 紊流基本方程 ........................................................................................18
§3.2.2 紊流模型 ................................................................................................20
§3.2.3 机箱系统内数学模型 ...........................................................................20
§3.3 数学模型的有限元求解 ..................................................................................22
第四章 服务器 CPU 及机箱的热流体分析 .................................................................25
§4.1 强制风冷时 CPU 及机箱内的温度分布 ........................................................25
§4.1.1 翅片风冷时 CPU 不同功耗下的温度分布 ..........................................25
§4.1.2 不同 CPU 功耗下机箱内的温度分布及结果分析 ..............................28
§4.2 自然对流蒸发冷却时 CPU 及机箱内的温度分布 ........................................30
§4.2.1 蒸发冷却时 CPU 不同功耗下的温度分布 ..........................................31
§4.2.2 自然对流蒸发冷却时机箱内的温度分布 ............................................34
§4.3 强制对流蒸发冷却时 CPU 及机箱内的温度分布 ........................................36
§4.3.1 强制对流蒸发冷却时 CPU 不同功耗下的温度分布 ..........................36
§4.3.2 强制空气对流液体蒸发冷却时机箱内的温度分布 ............................39
§4.4 服务器 CPU 蒸发冷却的可行性分析 ............................................................41
§4.4.1 蒸发冷却和强制风冷的效果对比 ........................................................41
§4.4.2 蒸发冷却散热的经济性分析 ................................................................42
§4.4.3 CPU 蒸发冷却的可行性分析 ...............................................................43
第五章 新型冷却装置的结构设计及降温试验研究 ...................................................45
§5.1 服务器 CPU 冷却系统设计 ...........................................................................45
§5.1.1 蒸发冷却系统 ........................................................................................45
§5.1.2 系统结构设计计算 ................................................................................45
§5.1.3 试验装置及组成 ....................................................................................52
§5.2 降温性能试验与数据分析 ..............................................................................52
§5.2.1 服务器 CPU 降温实验数据处理 ..........................................................53
§5.2.2 冷却装置对服务器机箱散热效果的分析 ............................................55
§5.3 结论 ..................................................................................................................59
第六章 结论与展望 .....................................................................................................60
参考文献 .........................................................................................................................62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................65
致 谢 ...............................................................................................................................66
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的研究背景及意义
随着电子技术日益迅猛的发展，电子设备的体积趋于微型化，系统趋于复杂
化，越来越多的电子元器件被封装于更小的空间里[1]。电子器件的微型化就必然要
求芯片的集成度、封装度以及工作频率不断提高。单位体积内元件集成度越高，
电子元件热功耗也就越大，这就不可避免地导致芯片单位体积内的热流密度的增
加，元器件温度也将上升；而元器件温度过高会降低其可靠性，并可能最终导致
元器件失效而造成设备故障。据统计，55％的电子设备失效是由温度过高引起的[2]，
过热损坏已成为电子设备的主要故障形式。计算机作为如今普遍使用的工具，其
核心部件 CPU 也是高集成度，高发热量的电子元器件。CPU 芯片的发热量在 2005
年一般已到达 70～80W，甚至超过 100W，其透过散热器基板传导的热流密度高达
103
2
/cmW
～105
2
/cmW
[3]，芯片间的热流密度一般已达 60～90
2
/cmW
，最高己达
200
2
/cmW
以上[4]。“10℃法则”[5]指出电子元件所处的环境温度每升高 10℃时，
失效率将会增加一个数量级。CPU 功率增加，体积缩小，众多发热元件在微小的
空间长期高负荷运行，热密度急剧上升；另外，研究资料[5]也表明：CPU 元件的
温度升高 10℃，系统的可靠性降低 50％。因而，CPU 能否及时散热直接关系到计
算机运行的稳定性。
另外，
CPU 的性能对环境也很敏感；温度过高或过低，
CPU 的性能显著下降，
从而也将影响到计算机系统的可靠运行，为了使 CPU 正常运行，因此需要将它维
持在一定温度范围内（约-5℃～65℃）运转[6]。
CPU 除了对工作温度的限制外，对其表面温度的温度均匀性也有要求[7]。如
果表面温度分布不均匀也将影响芯片的性能。因此，伴随 CPU 小型化的发展趋势，
它的散热方式也要求具有紧凑性、可靠性、高散热效率等特点[8]。目前常用的散热
方式单位面积最大功耗如表 1：
表1常用冷却技术的单位面积最大功耗[4]
冷却方式
单位传热面积的最大功耗
空气自然对流和辐射
0.08
2
/cmW
强迫风冷
0.3
2
/cmW
空气冷却板（加翅片的强迫风冷）
1.6
2
/cmW
液体冷却板（强制间接液体冷）
16
2
/cmW
蒸发冷却（相变冷却）
5000
2
/cmW
随着工业的发展，计算机性能需求的不断提高，常规的降温方式已经不能满
一种新型降温系统对高发热量 CPU 散热的应用研究
2
足CPU 的冷却，通常需要几种方式相结合才能对芯片进行有效散热。常规的降温
方式主要是针对 PC 机CPU 的散热问题，但是对发热量较大的服务器 CPU 的散热
问题国内研究的却相对较少；同时，服务器机房普遍利用空调降低整个房间的温
度来维持机器的散热[9]，相对于直接利用蒸发冷却高发热量元件的方案，用空调冷
却服务器的方案在节能方面和经济性上就略显不足。
结合以上冷却方案，研究可行且高效的 CPU 散热方法便显得尤为重要，本课
题将利用小型蒸气压缩式制冷系统（VCR）对服务器的 CPU 进行冷却试验研究，
同时希望这种冷却形式能为高密度电子封装器件的散热问题提供一种可能的解决
方案。
§1.2 CPU 散热的国内外研究进展
自20 世纪 80 年代以来，针对高密流微电子器件的散热问题，发展了微尺度
换热器、微型热管、微型记忆合金百叶窗、纳米流体等微细尺度热控技术，推进
了新型电子元器件、电子薄膜材料以及相关产业工艺的发展，拓展和更新了传统
的传热理论和制冷技术。对于计算机散热国内外近年来从不同方面进行了研究：
§1.2.1 常用 CPU 散热的国内外研究现状
C-W.Yu 和R.L.Webb[10]采用 CFD 数值模拟的方法，对台式电脑的热设计进行
了分析和实验，采用一个箱体风机和电源风机来实现冷却，并加装一组 80×60mm
导流散热片对 CPU 散热。优化后的系统散热设计方案使得 AGP 和PCI 的冷却更
加有效。
Ram Viswanath 和Ihab A.Ali[11]采用试验与模拟相结合的方式，对笔记本电脑
内部奔腾处理器 TCP 性能进行了研究，从而得到了一套有效的系统模型。建立了
笔记本电脑的 3D 数值计算模型，并通过试验对模拟结果进行了验证分析。
陈国强[12]针对电子设备发热所引起的可靠性下降问题，对机箱内部 PCB 板进
行了强迫风冷的散热特性热测试实验，利用 ICEPAK 软件对该设备的工作情况进
行热仿真，发现实验结果与仿真结果一致性较好，并分析了仿真产生的误差和改
进方法。表明数值仿真可以为电子设备的热设计开发提供依据。
曹红[13]等人以强迫风冷电子设备为例，将热测试的试验数据与电子设备结构
优化设计软件热分析系统仿真出的结果相比较，进一步验证电子设备结构优化设
计软件热分析模块的分析精度，并对其在工程实践中的可靠性进行了验证检验，
为热设计工程师提供了参考资料和数据。
方志强[14]等人应用热分析技术，在产品的设计阶段获得其温度分布，优化设
计，提高了产品可靠性；讨论了热分析软件在应用中面临的问题，并结合实例，
展示了热分析的全过程，对热分析软件应用中的难点提出了解决方案。
第一章 绪 论
3
李波[15]等人应用 FLOTHERM 仿真软件对某型号电子设备进行辅助热设计，
针对设备风道阻力特性和温度场进行模拟计算，确定了合理的风机型号和电子元
件的位置布置。
徐晓婷[16]等人阐述了热分析的重要性，利用 FLOTHERM 软件对某种电子设
备进行热分析，并对该电子设备的热控制进行改进设计，通过数值仿真获得满足
热控制要求的优化设计参数，并将这一模型用 FLOTHERM 软件进行热分析的结果
与用 ICEPAK 软件计算结果进行对比，指出两种软件在进行电子设备热设计时的
差异。
任泽霈、张立宁[17]等用数值方法分析了封闭空间自然对流与导热、辐射的复
合换热，得到了边臂导热效应和内壁面间辐射换热对自然对流流动和换热的影响。
吴治娟[18]等采用乙醇、丙酮、水等工质对平行流热管的 CPU 散热特性进行了
研究，研究表明在相同换热条件，相同充注量时冷却效果按乙醇、丙酮、水依次
下降。
赵安林，邓建云[19,20]等以 R600a 为工质，研究了一种铝制重力热管在不同风
速，不同制冷剂灌注量等条件下对 CPU 的冷却效果。
§1.2.2 VCR 系统用于 CPU 散热的研究状况
目前 CPU 的冷却研究主要是风冷、半导体冷却、热管冷却等方式，对于蒸气
压缩式制冷系统用于 CPU 冷却方面的研究却相对较少；
吕永钢，周一欣，刘静[9]等利用蒸气压缩式系统对计算机机箱进行散热和芯片
冷却；结果表明：利用 VCR 系统调节计算机内温度，可以使机箱内空气温度可以
从54.7℃降低到 32.7℃。说明此种方法可以在不改变计算机任何部件的情况下大
大提高计算机系统的冷却效果。
香港中文大学的邬志辉[21]利用冷板式蒸发器冷却发热芯片的实验得出：用毛
细管长度为 1800 毫米，制冷剂充注量为 100 克，压缩机转速为 2858rpm 时的冷却
系统，可以使发热量为 200W 的芯片在冷板的作用下长时间维持在 60℃左右。
美国普渡大学的 A.G. Agwu. Nnanna[22]通过对蒸气压缩系统冷却电子元件的研
究指出：利用冷板式蒸发器冷却电子元件时，电子元件在蒸发器制冷剂出口处的
温度最高，并且此处只有显热传递，没有潜热传递；所以，蒸发器入口应靠近高
热流密度较高处。
瑞士洛桑理工学院的 Jackson. Braz. Marcinichen 等[23]通过对利用 VCR 系统用
于电子散热这一领域的研究指出：在采用蒸气压缩系统冷却电子元件时，考虑到
排气压力、单位体积制冷量、压比以及 COP 等因素，制冷剂选用 HFC245fa 比较
合适。
摘要：

摘要伴随人们对高性能电子器件的需求以及电子工业的发展，CPU等一系列封装电子器件的集成度、工作频率都将不断提高，这类微电子芯片的散热问题将成为制约其发展的一个方面。本文将研究一种新型冷却装置以用于高发热量CPU的散热，以期能够为大功率微型芯片的散热提供可能的解决方案。本文以一台服务器为研究对象，对其散热问题进行热流体分析和试验研究。首先，根据热设计理论对常规散热形式下单台机箱的内外壁散热量及冗余热负荷进行计算，分析外部环境对机箱内部温度的影响。然后，以强制对流流场中的计算机机箱为热分析对象，建立热分析数学模型，并利用有限元思想对数学模型进行求解；计算强制风冷翅片散热、自然对流液体蒸发冷却以及液...

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