不同冷板液冷介质的热性能研究
由于人工智能 (Al)、高性能计算 (HPC) 和机器学习的兴起，功率密度不断增加，这会导致电子设备的热管理成本和复杂性增加。与空气冷却相比，液体冷却具有非常高的比热和潜热，可以成为一种替代解决方案，目前是数据中心冷却的新兴技术。本文从热阻和压降方面描述了液体冷却冷板的实验特性。液体冷板设计将冲击融入微通道结构。冷却剂从入口进入冷板，然后沿着梯形凹槽向下冲击到冷板底部。使用表面面积为 1 英寸 × 1 英寸的铜块来模拟计算机芯片表面。本研究使用了多种冷却剂，包括去离子水（100%水）、混合冷却剂（10%、20%、30%乙二醇+90%、80%、70%水）以及介电冷却剂3M Novec 7000 HFE。比较了这些冷却剂的热力性能和水力性能。详细研究了流速和冷却剂入口温度对热阻和压降的影响。
01 介绍
随着电子设备集成度的提高和功耗密度的增加，先进的冷却技术变得越来越必要。电子设备中的热流密度持续增加，已经超过了风冷技术的冷却能力。采用直接液体冷却，可以满足高热流密度和高功率需求，同时大大提高电子设备的可靠性。微通道和射流冲击是两种已验证的高功率电子设备冷却技术。Li 和 Kandlikar 研究了数据中心冷却技术的现状和未来趋势。微通道冷板实现的高传热系数降低了设备和冷却剂流之间的温差。提高冷却剂的入口温度可降低与冷却器中加热的冷却剂冷却相关的冷却成本。此外，采用占用较小物理体积并允许更高热流密度的液体冷却将导致服务器物理尺寸的减小。Asadi 等人综述了单相和双相微通道的传热和压降特性。审查表明，早期的研究主要采用实验方法，分析结果与实验结果之间的差异很大，而最近使用数值模拟和相关性来预测压降和传热系数的研究则更加准确。
几十年来，液冷板设计一直备受关注。Sobhan 等人对不同研究人员提出的微通道单相流和传热进行了比较研究。将层流和湍流状态下的摩擦系数与传热的相关性与宏观管道和通道的传统相关性进行了比较和对比。Ramakrishan 等人通过实验研究了市售液冷微通道散热器的性能。使用阻力网络模型分析了影响液冷板总阻力的不同因素。Wiriyasart 等人表明，功率输入、冷却剂质量流量、热源面积、针状翅片几何形状和冷却剂类型对液冷板液体射流冲击的总热性能有显著影响。Zunaid 等人对六种不同材料和四种不同工作流体的液体射流冲击微通道进行了数值分析。在不同的基板材料中，铜的热阻最低。使用去离子超滤水作为冷却剂，实现了混合冷却解决方案的最低平均表面温度。Kim 等人比较了不同泵送功率和散热器尺寸下板翅式和针翅式散热器在冲击流下的热性能。结果表明，当无量纲泵送功率较小、散热器无量纲长度较大时，优化的针翅式散热器比优化的板翅式散热器具有更低的热阻。相反，当无量纲泵送功率较大、散热器无量纲长度较小时，优化的板翅式散热器具有较小的热阻。[ 10]比较了不同翅片几何形状对多射流冲击散热器性能的影响。结果表明，针翅阵列散热器比微通道散热器具有更好的热性能。如果微通道的通道宽度太小，冷却剂可能无法冲击到底部，即使铜微通道的表面积最大化，也会导致热性能低下。将通道切割成针状翅片阵列可以为冷却剂冲击到底部留出足够的空间，从而显著提高热性能。Shahi 等人研究了采用纳米流体的液冷冷板。与纯水相比，使用含有铜纳米颗粒的纳米流体，冷板的热性能得到了提高。采用响应面法 (RSM) 优化了翅片和冲击入口的几何形状。。优化结果表明，压降可降低 50%，而热阻基本没有变化。Lelea研究了水冷冲击微管热沉的水力和热力性能，这些热沉具有沿管轴切向定位的单个和多个入口。研究了在泵送和非泵送模式下，位于不同垂直机架位置的多个模拟服务器的两相液体冷却。结果发现，对于双服务器情况，系统在两种模式下运行稳定。
在电子设备冷却中，选择最佳冷却剂至关重要，因为冷却剂会影响冷却能力、最大热通量和设备可靠性。如果需要高热通量，可以使用水作为冷却剂。乙二醇常用于许多工业应用，包括防冻剂和冷却剂。乙二醇与水混合后，可以为冷却剂和防冻液提供额外的益处，例如防止腐蚀和酸降解、降低凝固点，以及抑制大多数微生物和真菌的生长。此外，水和乙二醇的混合物比纯水能更快地带走热量。虽然介电冷却剂的导热系数远低于水，价格也远高于水，但它们不导电，因此在处理敏感电子设备时是首选。如果发生冷却剂泄漏，介电流体可以保护电路免于短路和放电。Wang 等人 使用 Novec 7000 HFE 作为工作流体，在硅纳米线嵌入式歧管微通道中进行了实验研究。Dang 等人 使用 Novec 7000 HFE 作为工作流体，在硅纳米线嵌入式歧管微通道中进行了实验研究。研究了Novec 7000 HFE在连续和分段微通道中的流动沸腾传热与压降。分段微通道有助于改善传热，减少摩擦压降的波动。
之前的研究大多只关注一种冷却剂的实验。在本研究中，我们搭建了一个试验台来表征冲击式微通道冷板的热性能和水力性能。本研究的目的是研究不同冷却剂、流速、冷却剂入口温度对冷板传热的影响。实验采用6.45 c m 2的大加热表面进行，最大耗散热通量为116.3 w/c m 2，对应的芯片功率为750 W。
第 2 节实验设置2.1 示意图示意图如图1所示。冷却剂从水泵送通过装置的各个组件。使用体积流量计测量流量，范围为 0.2-2L/min。冷板入口处有一个 T 型热电偶和压力传感器，用于测量入口处的冷却剂入口温度和压力。冷板出口处使用相同的热电偶和压力传感器。模拟封装设计如图2所示。使用铜块模拟计算机芯片，其顶部表面积为 2.54 cm x2.54 cm（1 英寸 x1 英寸）。冷板放置在铜块顶部，两者之间有热界面材料。设计了一个配重座，通过在冷板上施加压力来确保冷板和铜块顶部表面之间良好的表面接触。在铜块顶部表面和冷板底部之间施加了热界面材料，以最大限度地减少接触热阻。将铜块放在陶瓷片上以增加绝缘性。整个模拟封装被玻璃纤维绝缘层包裹。四个筒式加热器插入铜块底部，并连接到交流电源。我们开发了一个LabVIEW程序来收集传感器数据。在返回储液罐并完成循环之前，冷却液会流经一个与冷却器相连的热交换器。冷却液入口温度由该冷却器控制。
图 1.设置示意图图 2.模拟包装设计
2.2. 冷板设计本研究中描述的商用冷板通常部署在薄型服务器或定制机箱中。冷板由200个平行微通道组成μ m宽，2500μ m高，长 20 毫米，200 − μm- 厚翅片分隔通道。冷却液从入口进入冷板，然后通过梯形凹槽向下冲击至冷板底部。之后，冷却液沿微通道流动，并从出口离开冷板。梯形凹槽的特殊设计确保冷却液向下流动至底部和通道之间；因此，冷却液与微通道之间的表面接触面积最大化。冷却液与铜之间更大的表面接触面积可带来极高的散热性能。
2.3 热损失和不确定性将交流电源的输入功率与水吸收的显热进行比较，计算向环境的热量损失。实验过程中观察到，向环境的热量损失低于5%。T型热电偶采用精度高达0.3°C的恒温箱进行校准。采用和方根法计算热阻的不确定度。热阻的不确定度通常会随着热流密度的增加而降低，当热流密度为5时，不确定度为13%。西/ c米2热通量 116.3 时为 2%西/ c米2有关不确定性分析的更多细节，可参阅先前的研究。
图 3.冷板设计表1：乙二醇、水和介电冷却剂HFE 7000的典型物理特性
03 结果讨论
3.1 水/乙二醇冷却将水与乙二醇混合，研究乙二醇对热性能和液压性能的影响。为了研究乙二醇浓度对热阻和压降的影响，我们制备了10%、20%、30%乙二醇和90%、80%、70%水的混合物。将混合物倒入储液罐之前进行搅拌。表1列出了乙二醇、水和介电冷却剂Novec7000 HFE的典型物理特性。乙二醇的比热容和热导率明显低于水。乙二醇的粘度远高于水；因此，将水与乙二醇混合会显著增加粘度。热阻计算如下：
其中， T b为冷板底部基准温度，T in为入口冷却剂温度。总体而言，本研究结果与前期研究数据具有相当好的一致性，前期研究中使用的冷板被表征并模拟为纯水。例如，在前期研究和本研究中，当流速为 1 L/min 时，热阻约为 0.03 K/W。因此，这增强了对实验装置和数据的信心。
图 4a显示了乙二醇对热性能的影响。尽管乙二醇的比热和热导率低得多，但乙二醇对热阻没有显著影响。从图 4b中可以看出，乙二醇-水混合物的压降明显高于纯水。在流速为 1.75 L/min 时，纯水的压降为 5.8 kPa，乙二醇-水混合物（30% 乙二醇-70% 水）的压降为 20.1 kPa。与纯水相比，乙二醇-水混合物的压降增加的原因是乙二醇-水混合物的粘度高于纯水。从表 1中可以看出，乙二醇的粘度大约是纯水的 36 倍。当水与乙二醇混合时，粘度会大幅增加。结果，通过冷板和管道的压降会增加。
图4a. 乙二醇对热性能的影响
图4b. 乙二醇对压降的影响
3.2 水和介电冷却剂的比较。图 5a和图 5b比较了水和介电冷却剂 Novec 7000 HFE 的性能。本研究使用 3M 的低全球变暖潜能值 (GWP) 介电冷却剂 Novec 7000 HFE ，其在大气压下的沸点为 34°C。本研究选择 Novec 7000 HFE 是基于其低沸点决定的所需工作温度。其低沸点还允许在低压下操作，这对于管材/软管来说是理想的。在图 5a中，Novec 7000 HFE 的热阻随热通量的降低而降低，这意味着 Novec 7000 HFE 存在沸腾和两相状态，热量由 Novec 7000 HFE 的潜热带走。虽然 Novec 7000 HFE 发生了沸腾，但是 Novec 7000 HFE 的潜热和比热远低于水，这导致 Novec 7000 HFE 的热性能不如水。水的比热高，流速相对较高，为 1 L/min 和 1.5 L/min；因此，实验是在水的单相状态下进行的，在本实验中水没有沸腾。对于 50 W/c m 2和 120 W/c m 2之间的热通量，在流速为 1.5 L/min 时，水的热阻为 0.024 K/W，而 Novec 7000 HFE 的热阻为 0.03 K/W。虽然在目前的研究中水的热性能优于 Novec 7000 HFE，但这并不意味着两相冷却的热性能较低。如果水的热流密度足够大，就会发生沸腾，水的两相流状态的热阻会大大降低到 0.024 K/W 以下。图 5b显示了水和 Novec 7000 HFE 的压降比较。在单相状态下，Novec 7000 HFE 和水的压降没有显著差异。然而，在两相状态下，由于蒸汽出现时微通道沿线的加速度和摩擦压力梯度增加，Novec 7000 HFE 的压降明显高于水。在相同的 99 W/c m 2热流密度下，水通过冷板的压降约为 8 Kpa，而 Novec 7000 的压降为 16 Kpa。在较高流速条件下发生沸腾时，Novec 7000 的压降并没有显著增加。这是因为较高流速下产生的蒸汽质量较低。
图5a. 水和介电冷却剂 Novec 7000 HFE 的热性能比较，T在= 36 ∘ C
图5b. 水和介电冷却剂 Novec 7000 HFE 的压降比较，T在= 36 ∘ C
3.3 流速的影响图 6a和图 6b显示了在水的情况下流速对冷板热阻和压降的影响。为了研究流速对响应参数的影响，热通量和冷却剂入口温度保持不变，而通过调节供给离心泵的电压和电流来改变流速。当流速从 0.7 L/min 增加到 2 L/min 时，热阻从 0.036 K/W 降低到 0.023 K/W。这些热阻值令人印象深刻。在流速为 2 L/min 和热阻为 0.023 K/W 时，基准温度保持在 54 °C 以下，入口冷却剂温度为 36 °C。同时，观察到通过冷板的压降随着流速从 2 Kpa 增加到 8.2 Kpa 而增加。图 6b中的压降是通过从整个冷板模块的压降中减去管道的压降计算得出的。因此，这些值低于图 5b中的值，其中压降包括通过冷板和管道的压降。
图6a. 流速对热阻的影响，T in =36°C，Q=750W
图6b. 流量对水冷却剂压降的影响，T in =36°C，Q=750W
3.4 冷却剂入口温度的影响为了研究水冷却剂入口温度的影响，进行了一项实验，冷却剂入口温度从 25°C 变化到 60°C，流速从 0.7 L/min 增加到 1.5 L/min。在冷却剂入口温度和流速变化的整个时间内，热通量保持在 36.1 W/c m 2的恒定值。从图 7a和图 7b中可以看出，热阻和压降都随着冷却剂入口温度的降低而降低。对于 1.5 L/min 的流速，当T从 25°C增加到60°C 时，热阻从 0.026°C/W 降至 0.023°C/W。热阻随入口温度的降低归因于冷却剂热导率和比热随冷却剂温度的上升。虽然热阻随入口温度略有下降，但底座温度和芯片温度可能会随入口温度的升高而升高。提高入口温度的主要好处是降低冷却器的能耗。消除冷却器有助于降低数据中心的电源使用效率 (PUE)。
图 7a.水冷剂入口温度对冷板热阻的影响
图 7b. 对于水冷却剂，冷却剂入口温度对冷板压降的影响
结论
在本研究中，我们考察了冲击式微通道冷板的热力和液压性能，以及各种冷却剂、流速和冷却剂入口温度的变化。本研究的主要发现如下：
[*]当水与浓度为10%至30%的乙二醇混合时，热阻与纯水相比变化不大。然而，由于乙二醇的粘度较高，水-乙二醇混合液的压降与纯水相比显著增加。
[*]尽管介电冷却剂 Novec 7000 HFE 在热通量 80 时表现出较高的热性能西/ c米2，纯水和水/乙二醇混合物由于高比热和热导率甚至表现出比介电冷却剂 Novec 7000 HFE 更高的热性能。
[*]热阻随流速减小而降低，压降随流速增大而增加。纯水的热阻非常小，仅为0.023钾/瓦以流速 2 获得升/最小且可接受的压降为 8.2 Kpa。
页:
[1]
