基于脉动热管的数据中心机柜冷却系统研究

数据中心制冷能耗高、PUE值居高不下,能源利用率低；随着电子集成化程度越来越高,传统数据中心机柜散热手段已经不能满足服务器的散热要求,机柜内部易形成局部热点造成服务器宕机甚至损坏。相对于房间级的机柜散热手段,机柜级散热手段更为直接且效率更高,克服水冷机柜水泄漏问题的新型机柜散热手段显得尤为重要。针对数据中心高热流密度机柜的特点,本文采用板式脉动热管作为机柜背板对数据中心机柜进行冷却,系统地开展了基于脉动热管的机柜冷却系统的实验与数值模拟研究。本文首先开展了应用于数据中心机柜冷却系统的大尺寸、制冷剂工质的板式脉动热管性能实验研究。研究热风加热方式下,热风风温、热源功率、热源功率分配、充液率和冷凝端翅片对脉动热管启动及稳定运行性能的影响。实验发现,存在一个热功率的阈值,当热源功率高于该阈值时脉动热管才能启动。随热源功率增加,脉动热管热阻值减小。相同热源功率下,充液率较高时脉动热管的启动时间比充液率较低时短,且热阻也更小。加装翅片后脉动热管的启动时间更短,热阻更小。其次,本文开展了基于脉动热管的封闭机柜流场特性实验研究。研究了将板式脉动热管置于机柜后部作为机柜背板,机柜底部集中放置两台服务器时机柜内部的温度分布和速度分布及机柜发热功率、脉动热管的影响。实验发现热量易在机柜内中高部聚集而形成“局部热点”。机柜内的空气温度随着脉动热管的启动而降低,机柜内的温度分布随着脉动热管的启动而变得更加均匀。存在一个与脉动热管充液率相适应的机柜发热功率,使得机柜内温度分布较为均匀。提高冷风通道内冷风风速亦能使机柜内空气温度降低。最后,本文对该机柜冷却系统进行了设计内部结构后的数值模拟研究。建立了脉动热管的纯导热简化模型,通过实验验证了模型的正确性,并重点分析了机柜功率、脉动热管、冷风风温和机柜风机风压对CPU温度的影响。发现随着机柜功率的增大,CPU的平均温度也随之升高,脉动热管启动后使机柜内CPU温度分布更为均匀。CPU平均温度随着冷风风温的升高而升高,随着机柜风机风压的增大而降低。机柜内部结构调整后机柜内温度明显降低,机柜热环境更有利于服务器的正常工作。对于功率不超过1380W的机柜,结构设计后的机柜冷却系统能使CPU温度不超过60℃。