当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

可热插拔两相回路散热通讯机柜的运行特性研究


中山大学 硕士学位论文 可热插拔两相回路散热通讯机柜的运行特性研究 姓名:周锦鹏 申请学位级别:硕士 专业:凝聚态物理 指导教师:何振辉 20100608

fll J1人学硕上学位论文

论文题目:可热插拔两相回路散热通讯机柜的运行特性研究 专业:凝聚态物理 硕士生:周锦鹏 指导教师:何振辉教授

摘要

着信息化进程的快速发展,全球数据中心的市场规模不断扩大,大景 的高功率密度电子设备投入使用,提高机柜散热能力的重要性越发显著。另 一方面,机房散热耗电占总电耗的二分之一至j分之一,机房节电也日益提 到议事日程上来。本文对H前常见的各种机柜散热方式进行了调研和比较, 介绍了现有的丰要两相回路换热技术应用的优势和小足。 将两相1日l路换热技术应用于机柜级散热上,本文验证了‘’种机柜嵌入式 冷板散热系统。通过在实际通讯机柜巾搭建实验系统,模拟实际通讯模块的 运行环境,实验研究发现,该系统在各种热载荷平衡和非平衡的情况下均能 正常启动、稳定运行,其散热能力超过了孝H同规格的传统风冷通讯机柜 2000W的散热要求。系统蒸发段模块与冷板蒸发器问的热阻和接触热阻是 影响系统散热能力的主要囚素,通过减少热阻的影响,系统的散热能力还能 进一步提升。 关键词:两相回路散热机柜

中111人学硕上学位论文

Title:Study of the Performance of



Rack System with



Two—phase-cooling

Loop

Major:Condensed Matter

Physics

Name:Jinpeng Zhou Supervisor:Prof.Zhenhui He

Abstract
With the rapid development of information processes,the market scale of global data centers increases.More and more high—power-density electronic
devices
are

put into use,making the improvement of rack cooling technology

more and more important.On the other cooling takes about half to
one

hand,power

consumption of data center

third

of the total
an

power,and
different

the

power

consumption saving of data center is now becoming we

urgent issue.in this paper,

perform

investigations
are

and

comparisons

on

rack

cooling
on

technologies that two-phase—loop

usually applied nowadays.The main applications based exchanging technology
are

heat

also

introduced,with their

advantages and disadvantages pointed out. Applying the two?phase—loop heat exchanging technology cold-plate cooling system which is embedded in The experiment system iS built based
on a a on

rack cooling,a

rack is verified in this paper.

commercial communication rack.And


the actual working environment of communication modules in rack is simulated in the works stably evaporators

communication started up and

experiment.The
no or

system call be

normally

in different situations balanced

matter the heat

loads of the system

are

imbalanced.The cooling capacity of the system is


larger than 2000彤which is the cooling requirement for

traditional wind.

cooled communication rack.We find in the experiment that the thermal resistance and
contact

thermal
are

resistance

between

the

modules

and

the

cold?plate

evaporators

the main factors that restrict the cooling capacity of the system.
can

By reducing these thermal resistances.the cooling capacity of the system further improved.

be

rlt i11人学硕上学位论文

Keywords:two-phase loop,cool ing,rack

.III.

论文原创性声明

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名:竣惭畅
日期:7口/D年步月9日。

学位论文使用授权声明

本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版,有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅,有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索,可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。

学位论文作者签名:厉獬导师签名:Ji弓坂芯车
日期:列,年6月缪日

日期:纠口年莎月罗



知识产权保护声明

本人郑重声明:我所提交答辩的学位论文,是本人在导师指导下 完成的成果,该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院,受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利,均须由导师作为通讯联系人,未经导师的书面许可,本人不得 以任何方式,以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名:

日期:力局年石月g





第1章绪论

1.1课题背景
人类社会进入2I世纪,信息化发展的“脚步”越走越快。伴随着集成电 路制造工艺的不断改进,各种电子设备及其控制器件往密集化、小型化方向发 展。另一方而,产业信息化、信息全球化的飞速发展要求大量的电子、微电子 设备投入使用.推动着全球数据中心的市场规模的扩大。例如:由Google公 刮提出的“云计算(cloudcomputing)”概念.可以在数秒内达成数以千万计甚 至亿计的信息,堪比“超级计算机”。{日这需要网络中大量的服务器作为支 持,传统的数据叶]心已经难以维持这样的需求,兆瓦级的数据巾心开始不断涌 现。高集成度服务器(如Iu服务器、刀片服务器)在数据中心的大量使用势

必惟来大功耗的影响——单位面积t的电子器件发热景快速增长。幽1-I给出
了近二十年来的服务器功率密度增长趋势…。
ASHRAE Handbook—ThermalGuide,netforData

processingEnvironments

—lom

l茹
E-1,000



^s㈣。py~~ 。……一


。…。一一一












嚣m¨m ; 一

9%

1994

19*

1州

2000∞∞

㈣~Y_u%at哦
200,;2∞6

2呻0;glIO

2012

2014

幽I-】服务器功率密度增长趋势‘lJ

中Il J人学硕上学位论文

研究表明,55%以.卜的电子设备运行故障是由于温度过高引起12J。一般认 为,目前电了器件的正常工作温度范围为.5--+650C13J,“100C法则”指出:超 过正常工作温度范围,单个半导体元件的温度每升高IO。C,设备系统的工作可 靠性将降低50%。数据中心机房的服务器大多都是安装在通讯机柜上,随着数 据中心规模的不断扩大,服务器的集成度越来越高、体积越来越小,通讯机柜 的散热能力变得越发重要。据估计,目前数据中心的能耗成本约占总运营成本

的50%,而其巾有过半为冷却机柜散热所消榭41。如何降低冷却成本、提高冷
却效率同时保证通讯机柜设备正常运行,在倡导“节能减排”的当今,成为越 来越被关注的问题之一。

1.2常见的机柜散热方式
目前,电子设备的散热方式从热管理的层面上划分,可以分为三类:1) 组件级的散热,这是针对设备中发热元件的散热方式,如CPU:笛片的散热, 目前这类散热方式已从传统的风冷加翅片散热发展到液冷(包括间接液冷和直 接液冷)、喷雾冷却等;2)系统级(或机柜级)的散热,这是对于服务器整体 的散热方式。为了避减电磁干扰和环境污染,便于移动,很多设备有比较高的 密封要求,带来的组件级的散热在配置上难以实现或散热量不足,就需要对密 封后的服务器整体进行散热配置;3)数据中心和机房级别的散热,这是面向 配置了多个机柜的机房以及拥有多个机房的人规模数据中心的散热方式,这类 散热方式涉及到机房内机柜组的摆放方式、空调送风/回风配置、液冷管路的 铺设等。 本文讨论的散热方式属于系统级的散热方式。目前,该级别常见的的散热 方式包括:空气冷却(风冷)技术、空气.水混合冷却技术、液体冷却技术、 相变冷却技术。

1.2.1空气冷却(风冷)技术
空气冷却技术包括自然冷却和强制对流冷却两种。自然冷却技术主要通过 热量传导、辐射和冷热空气自然对流的方式将热量散发到J{{I围环境中去,从而 降低电子器件的温度。增人散热面积是提高自然冷却效率的主要手段,如增加 翅片。自然冷却只适用于低热流密度的设备。

…I^#Ⅲ±十n论女

强制埘流足目前晟常见的机柜冷却方式。目前市面P的标准机柜都配备有 m扇,通过在适当的位置配备风扇和适当的挡板结构,能调整气流在机柜内的 流通通道咀提高散热效率。但是,空气比热小、导热系数低.风扇产生的风速 受噪卢污染的限制不能提高,这些影响成为制约强制对流冷却技术的瓶颈。空 气冷却技术的冷却能力般不超过lW/cm2I”。除此之外,强制对流冷却技术 报人程度上还依赖于机房内的气流通道配置,其巾一个显著的影响就是“再循 环”效应。机房内通常采取从机柜前部进风、后部捧风的方式对机柜进行冷 却.“再循环”效应是只从机柜后部排出的热空气未经冷却又从机柜侧面或项 {{lf返回到机柜前部,与冷空气混合后冉次披机柜吸入,大大降低了冷却效率 嘲。“冷、热通道”的提出.打破常规的机柜摆放方式,采取机柜“背靠背、 面对面”的摆救方式,如图1.2所示.在两手|机柜“面对面”的通道上布置冷 风送风口,形成“冷通道”;在两捧机柜“背对背”的通道上布置热风同风 u,形成“热通道”,能在定程度上降低“再循环”效应的影响嘲。



…蒜。:鲫睡鞫卜“
幽I-2数摧巾心机房“冷、热通道”敷热系统”

I}"。Ⅳ即。-『唧下’lrr_f=Fr可1rlfr’町7rt吲1甲

1.2.2空气.水混合冷却技术
鉴于纯空气冷却技术的瓶颈和对机房布局的依赖,空气冷却和水冷却相且 辅助的混合冷却技术被越来越多的商家所青昧。空气冷却和水冷却的混合冷却 技术可分为:第一种是采取水冷辅助风冷的方法(即南空气冷却机柜系统,水 冷却卒气);第二种是采取风拎辅助水冷的方法(即由水冷却机柜系统,字气 冷却水)。

中t。l^学颞±学位沧t

IBM Sy日em/360 Model

91晟早采用水冷辅助风冷的方法p】。如图1.3所

示,在每一排线路板的下风竹都布置有翅片管,管里通有冷水循环。冷空气从 风机里吹出,通过线路板与之换热变成热空气,热空气通过翅片管与之换热再 变为冷空气通过下一排线路扳。采取这样的方案,空气从线路板带走的热量当 中约50%能被水玲翅片管所带走,这样就避免了远离送风口的线路扳由于通过 的空气温度过高而敞热不足导致故障发生的情况。

凹I.3 IBM

svner¨60 Model

91所采瞅的空‘t.水泥台冷却方案示意嘲1

类似的方案可以移植到当酣的机柜散热上。较为典型的代表有IBM的
Rear Door Heat

eXchanger(RDHX)和威图的Liquid

Cooling

Package(LCP)系

列。RDHX足一款开式后置水冷换热器.宽高尺寸与42U(1U--4445ram)高 的标准机柜后门一致,厚度只有0 Inl,方便安装于各种42U高的标准机柜。 RDHX悬挂于服务器机柜背面,即机柜排旭侧,从机柜出来的热空气经过该设 各时温度显著降低,如图I-4所示。IBM初步的测试结果显示RDHX最多可 以带走55"/,#t柜所产牛的热量(冷却水:184c,38L/min)ISl,能有效降低机房

空调的负担.节省能耗。威图的LCP系列包括LCP
LCP

Extend、LCP

Standard和

Plus=款型号。其中,LCP Extend是开式后置水冷换热器.工作方式与

RDHX类似:LCP Standard和LCP Plus则属于闭式水冷抉热系统.安装在机柜 左右任意一侧,使得空气仅在机柜内部和LCP之问循环。LCP Standard宽高尺 寸与42U高的标准机柜侧『J致,厚度为0 3m.配置膏三个可拆装的水冷换 热模块,制挎量最高能达20kW(冷却水:6
oC)191。

…H

L∞p

hmq L”

图14IBM RearD∞rHeateXchanger(RDHX)I怍骧理示意圈

簸鸥
图I-5威图LCPExtend(左)和LCPStandard(右)水净系统气流示意图

中山大学硕上学位论文

另一种空气.水混合冷却技术采取风冷辅助水冷的方案。该方案主体为一 个带有储液器的多通道水循环密闭回路,在泵的驱动下,冷水流过与电子模块 热接触良好的各通道冷板,将电子模块的热量带走,变为热水,各通道出来的 热水集中流入储液器换热后从储液器流出,再经过回路中的一个风冷换热器由 风将热量散走,温度降低,变【口J冷水再次流过冷板,如此不断地带走电子模块 的热量。该方案集合了组件级间接液冷集中散热的优势和系统级强制对流风冷 整体散热的优势。苹果公司的Apple Power Mac G5双核处理器模块采用了类似 的方法。

1.2.3液体冷却技术和相变冷却技术
一般,液体的比热容和换热系数都比气体要大许多,以水和干空气为例, 标准大气压下,在20 o{C时,水的比热是干空气的4倍,换热系数更是高出一 个数量级(表1.1)。液体冷却技术也可分为液体自然冷却和液体强制对流冷 却。相对于气体强制对流一般采用风机和翅片增强换热,液体强制对流一般采 用泵和冷板增强换热。冷板材料一般为铜或铝,与发热电子组件或服务器模块 良好热接触,由流经冷板的冷液将热量带走。类似于风冷辅助水冷的混合冷却 方式,液体强制对流冷却也需要一个{幸f闭回路,通常称为一级回路。热量由液 体从冷板沿回路带到液.液换热器,换热器另一侧安装了二级回路,热芾由一 级回路通过换热器换至二级回路散走。这种方法增加了机柜内流体管路的铺 设,但避免了强制风冷依赖机房布局的问题,同时能节省大量空间,进一步提 高机房的机柜集成度。 如果流经冷板的不是过冷的单相液体而是饱和的汽液两相混合流体,那该 冷却技术就称为相变冷却。相变冷却利用流体从液相蒸发成汽相时吸收人量热 量,而从汽相冷凝成液相时又放出大量热量的原理进行换热,热量的吸收和释 放利用的是相变潜热,流体本身温度并不发生变化。汽液相变换热系数比单相 液体的对流换热系数高一个数量级,如表1.1所示。

巾IIj人学硕上学位论文

表!-I换热系数对比11ll

换热方式 自然对流 强迫对流 相变传热

流体 空气


换热系数【W/(m2K)】
3一10 200—1000 20~lOO

气体


100肛15000
2500---25000 5000--l 5000

水沸腾 水凝结

另一种液体冷却技术也可称为“直接液冷”技术,类似于组件级的直接液 冷,将电子器件直接浸没在惰性液体(如碳氟化合物)中,有惰性液体吸收电 子器件的热量,再与换热器换热将热量散走,如图l-6所示。当发生浸没沸腾 蒸发时,则是相变冷却。该方法需要特殊的封装结构,控制要求高,碳氟化合 物成本高,因此采用的商家不多。

网l_6采用碳氟化合物浸没的“直接液冷”技术示意图

中Ⅲ★}Ⅻ±学&论女

1.2.4新型高效冷却技术
新出现的高教冷却技术主要有:热管冷却、蒸汽腔制冷冷却、微通道冷 却、热电制冷冷却等.其中热管冷却和蒸汽腔制冷冷却属于相变玲却技术。这 些冷却技术目前大多应用在组件级散热上。 1.2.4.1热管冷却 热管是利用自身内部工质的相变潜热来实现传热的传热元件(图l-7),
是最早由Grover T 1963年提出的一项专利技术【t21,而最早将热管应用于电子

产品的是l 994年Furukawa公司将其应用于笔记本电脑的散热。热管工作时蒸 发端液态工质被加热燕发,压力增大.蒸汽经过绝热段流向冷凝端,释放热量 后冷凝为液态,在吸液芯的毛细作用下返同蒸发端再吸热蒸发。热管具有报高 的导热性能,其导热系数能比金属高1吨个数量级,但受到热流密度、流动阻 力、毛细压差等工作极限的影响,使其发展受到了不少的限制。热虹吸管(重 力热管)技术的提出减少了相关的限制。热虹吸管与热管屉大的区别在于前者

、投有毛细吸液芯,而足利用重力代替毛细力作为驱动力。Niro和Berttd”吁
1990年指出热虹吸管在低加热率、高充注量和低压环境下工作时的不稳定性问 题,该问题会使热虹吸管工作时管壁的温度有大幅度的振荡。
热量输入 热量输出

-,,嚣!曩詈黑!●
l|l|I ll lf f ll ll l
热量输出 圈I.7热管工作原理

■■■■■—■■■■■C==j女■i●——●—●●

ff ff f
热量输入

1.2.4-2蒸汽腔制冷冷却
热管的高导热性能只体现在其轴向传热上,腻于一维散热,蒸汽腔制冷冷 却则属于二维散热。蒸汽腔的概念首次由zuo霸lDussinger于1998年捉出。蒸汽

腔是在低压密}j】的空间中充注一定的工质,利用I城的池核沸腾实现}牧热的元

中111人学硕上学位论文

件。蒸汽腔工作时紧贴热源,热景通过腔壁传入腔内使靠近热源的液态工质沸 腾蒸发,腔内压力增加蒸汽膨胀,蒸汽与远离热源的冷壁接触冷凝回液态放出 热量,液态工质依靠腔内的毛细结构返回沸腾面。池核沸腾的对流换热系数高 达104~105W/(m2K),蒸汽腔内大面积发生核池沸腾,可以吸收外界大量的热 量。目前,已有不少基于蒸汽腔技术的产品出现,如均温板等。强化池核沸腾 的措施中人工制造粗糙沸腾表面占了很重要的地位。早在1931年,Jacob和 Fritz[”】就通过实验发现粗糙颗粒表面比光滑表面的换热系数提高了15%,而矩 形沟槽表面换热系数可以达到光滑表面的3倍以上,但后者的强化效果会随着 沟槽表面的氧化的很快减弱。目前,应用得最多的沸腾强化表面是多孔性沸腾 表面,可以通过烧结、机械加工、化学腐蚀等方法获得。o’neili[16】对多孔性沸 腾表面建立了较为完整的理论分析模型,认为多孔性表面的许多孔隙是相互连 通的,当某一孔隙产生蒸汽时会连带使其附近的孔隙成核,有助于池沸腾的发 生。近年来,沸腾强化表面多孔结构已经发展到微纳米尺度。研究表明,微纳 米尺度多孔结构町以大幅度增加传热面积,从而提高沸腾换热能力,有效解决 高热流密度系统的冷却问题【17】【18J【19]120]。 1.2.4.3微通道冷却和热电制冷冷却 微通道定义为水力学直径在1.10009m之间的通道或管道。最早的微通道 散热器由Tuckerman和Pease于1981年提出【2¨。微通道通常用化学刻蚀和精 密加工等方法在硅片或铜板上制作。研究表明,液体在微通道内被加热会迅速 发展成核沸腾,具有很人的换热能力,而且微通道壁面的过热度也比常规尺寸 下的情况要小得多。即使通过微通道的是单相液体,其冷却效果也比常规尺_、j- 下利用核沸腾冷却要好。目前,以硅片和铜板为刻蚀材料的微通道冷却技术已 经在大规模集成电路【221、高功率激光器散热【23】等领域得以应用。微通道冷却技 术的J“泛应用需要克服微通道尺寸带来的流体压降大、温度梯度大、流阻大容 易堵寨等制约冈素。 热电制冷是基于珀尔帖效应(Peltier Effect)的冷却技术。珀尔帖效应是 指电流流过两种不同导体的界面时,将从外界吸收热量,或向外界放出热量。 热电制冷冷却技术是一种电制冷技术,具有体积小、结构紧凑、无噪声和振动 不需制冷剂、维护方便等优点。制冷景和冷却速度可以通过改变电流来调节, 常用于需要精确控温的系统。制冷量小、冷却速度低是该技术的缺点,雉以应 用于有大功率散热要求的系统上。

中山人学硕上学位论文

1.3两相回路换热技术
从前文的介绍可以得知,相变冷却技术具有换热系数高、换热量大、温度 变化小等显著优势。相比于“直接浸没”相变冷却技术选用J:质时的苛刻限制 以及封装技术、控制工艺的高要求,“间接”的相变冷却技术更有实用优势, 也因此受到越来越多的重视。许多冷却工质在常温下保持两相饱和态具有较高 的饱和压力,因此采用这类工质的相变冷却技术在实际应用中通常都是以一定 黉允注在一个耐压的闭合回路中。回路中与热源进行热交换的部分称为蒸发 段,与冷源进行热交换的部分称为冷凝段,工作时工质在蒸发段和冷凝段问不 断循环,从热源吸收热量带到冷源释放。因此,这一类冷却技术通常也称为两 相回路换热技术。 目前,两相叫路换热技术的丰要应用包括:毛细泵I口l路(Capillary Loop,CPL),回路热管(Loop 的两相回路热控系统。
Heat Pumped

Pipe,LHP),【旦I路型重力热管,机械泵驱动

1.3.1

CPL和LHP

CPL和LHP工作原理基本相同,工质循环的驱动力均来自蒸发段内的毛 细吸液芯结构产生的毛细抽吸力[241。也正是由于CPL和LHP都是利用毛细力 作为工质循环的驱动力,工作时毛细驱动力与热源耦合,容易诱发回路压力震 荡等不稳定性问题【2引。CPL和LHP主要的区别在于前者常采用多蒸发器并联 和多冷凝器并联组成循环回路,有独立的控温用储液器;而后者一般是只有单 蒸发器,蒸发器与补偿器连在一起,没有单独的储液器,LHP可以对补偿器进 行控温工作,也可以进行不控温工作124J。目前,多个蒸发器的LHP还不成 熟。CPL于20世纪60年代由Stenger首先提出,在20世纪80年代和90年代 进行了大量的地面实验和多次空间飞行测试对其精确控温、并联蒸发器非平衡 热载荷等能力进行验证【24J。美国航空航天局NASA于2001年在奋进号航天飞 机上搭载CAPL 3对其并行蒸发器进行飞行测试【26】。2003年NASA将两个 LHP分别安装在GLAS的激光器和负载电子设备上,成功提供了稳定可控的温 度范围【271。 虽然CPL和LHP被认为是目Ij{『航天用热控技术的最优选择,但是其在电 子设备散热上的应用并不多见[281[291。

中lJJ大学硕上学位论文

1.3.2重力型回路热管
回路型重力热管是另一种高效的两相回路散热技术。回路型重力热管没有 毛细吸液芯的结构,而是利用冷凝液自身的重力作为冷凝液回流的驱动力。因 此,回路型重力热管工作时具有一定的方向性,蒸发段必须置于冷凝段的下 方。回路型热管工作时,液态工质在蒸发段吸收热源的热量后沸腾蒸发,蒸汽 向上流动,通过绝热段后,在冷凝段与冷源热交换凝结刚液态,冷凝液依靠自 身重力回流到蒸发段。由于蒸发段的沸腾蒸发只有单相的蒸汽流动,因此回路 型重力热管的换热效率要比两相流动差些。 由于回路犁重力热管没有吸液芯这一特点,和一般的热管相比,结构简 单、制造方便、成本低廉、性能可靠,目前该技术在除航空工业外的各种工业 领域中的应用与日俱增。

1.3.3机械泵驱动的两相回路热控系统
依靠毛细力驱动的两相热控回路在国内外都两相回路换热技术研究的热 点,但是这一类系统由于驱动力与热源耦合,容易诱发压力振荡等彳i稳定性问 题拉51。另外,受限于毛细力,刚路的传热距离有限,在处理分散热源时要引入

复杂的设计方裂30l。机械泵驱动的两相回路是为收集分散热源,长距离传输热
量而设计的一种两相回路换热系统。使用机械泵作为驱动力来源,可以避免驱 动力与热源的耦合问题。 机械泵驱动的C02两相回路热控系统是由荷兰航空航天局州LR)、中山大 学、中国空问技术研究院、荷兰核物理与高能物理所州IKHEF)、意大利核物 理所ONFN)、美国麻省理工大学(MIT)等研究机构联合设计开发的一套使用机 械泵驱动,以两相C02为工质的回路热控系统。它是为阿尔法太空磁谱仪硅微 条轨道探测器散热而专门设计的一套热控系统(AMS.2
Control TTCS,Tracker Thermal

System),也是首个执行太空热控任务的机械泵驱动两相回路系统[3H。

-Il ul^}ⅫL学m*女

图I-8TICS回路结构示意国

"Iq'CS两相回路,如图l一8所示.主要由储液器、机械泵、蒸发器、换热 器、冷凝器等结构组成。工作时经过冷凝器冷凝后的过冷液态C晚在机械泵的 驱动下流经换热器、颈热器变为两相饱和状态,处丁两柑饱和态的C02进入蔫 发器管路,流经各分散热源吸收热量.并保持两相状态流经换熟器与进入蒸发 器前的C02换热,之后进入冷凝器冷凝放热,以过冷液态再次流向机械象。 由于C02气液体积比小,在细长管道内流动蒸发时其体积流量小,温度稳 定均匀,流动驵力小,能长距离传输热量。此外。川路中没有毛细结构,能方 便设计管路收集各分散热源的热量。但是,在常温下保持C02两相状奄,系统 的工作压力很高.不利于应用在民用工业领域。

1.4本文主要研究内容
两相同路换热技术在电子设备冷却方叫有其显著的优势,耳前,直接应用 两相叫路换热技术对电于设备进行冷却的研究主要集巾组件级冷却上,在机桓 级冷却上尚不多见。机柜级的冷却主要还是以强制风冷辅助以液冷或相变冷却 的方式为主,这一类冷却方式对机房布局、机房宅调冷却能力依赖性比较大。 在查阅近年来相关文献时,作者并来发现有机柜级的嵌入式冷板换热嘣柑回踌 系统的相父研究发表。本文的研究旨在设计一种}6}八机柜式的拎板换热两相自 然循环回路散热系统,考察其散热能力井对其运}j特性进{1:相关研究。研究的 主要内容主要包括蚍F几个方面:

中lI J人学硕上学位论文

l、 2、 3、

系统蒸发段热阻分析; 系统散热能力: 系统蒸发段热载荷非平衡运行稳定性研究。

第2章机柜实验系统

叶l 111人学硕上学位论文

本研究的实验系统在一个19寸42U(1U=44.45mm)的网络通讯机柜 (2000mm*600mm*600mm)里搭建,主要包括12个冷板蒸发器、储液器、板 式换热器等部分,如图2.1所示。系统运行时12个冷板蒸发器各自从与其接 触的模块(模块编号与冷板蒸发器的编号一一对应)中吸收热量,蒸发器管内 工质沸腾蒸发变成两相状态,由于蒸发器位于冷凝器和储液器的下方,在重力 的驱动下,蒸发器管内工质以两相状态向上流动,经过储液器换热管与储液器 交换热量,再经过最上方的板式换热器将热量释放到冷水巾,冷凝成液态后流 回储液器。蒸发器管内持续发生流动沸腾,储液器不断有液态工质流m和流 进,工质在垂直回路中循环不断地将模块的热量带走。

2.1实验系统回路结构

2.1.1热插拔模块与冷板蒸发器
实验中为了模拟通讯机柜电子设备的发热,使用了热插拔模块,如图2-2 所示。每个模块南铝制的基板和盖子组成,内部装有模拟电子设备发热用的单 片机和陶瓷加热片(图2.3)。单片机与基板内壁绝缘,陶瓷加热片与基板内 壁的接触面涂有导热硅脂,保持良好热接触。在室温下单块陶瓷加热片的电阻 为812,两加热片并联后在模块外部采用(36V,9.7A)的直流开关电源通过单 片机控制给加热片供电,能提供O~200W的加热功率。通过模块前端控制面板 下方的“功率+/功率.”按钮可以方便地以25W为间隔增减加热功率。控制面 板上方的液晶显示屏用于显示当前加热功率和分布在模块内的8个Dallas温度 传感器的测量温度。模块后端装有支持热插拔的50针SCS!接U,加热片供 电、单片机供电和数据通信均通过该接口实现。热捅拔模块的尺寸大小与常规 的通讯单板模块一致,高8U,深260mm(不含前端摔制面板),基板厚度为
12mm。

-}m★{mi}n☆女

刳2-2热插拔模块实物翔(左:基板.也盖子.模块机掘设训山卅向红完成

图2*3热插拔摸块内部结构(中M为拄割用巾片机;巾片机左右两边并有块陶瓷加热 I,崩丁模_Icl发热:基板内共布有8个Dai[as温度传感器,用r测恬加热"、基扳内魁咀搜 基扳内空。£温度,各D'aEias传瞎器与测温点之问均涂有导热脂以减少热隈,井且除DS④ 和DS⑧外,其余Dallas传=噻器和州片加热片在模址盖上盖r时均用保镒材科握紧,使蟹 贴摹扳。包扦单片自【在内的挖制电j!j}由划水峰lH学完成。)

llll J1人学硕上学位论文

实验回路系统的蒸发段由并联的6个通道组成,每一个通道进口都有独立 的阀门控制通断(图2.1中蒸发段从左至右依次为通道l、2、3、4、5、6,对 应于阀门l、2、3、4、5、6),每个通道串联有上、下两个冷板蒸发器。冷板 蒸发器是一块内部铸着“双U型”弯管的ZLl05铝板,如图2-4所示,上下 冷板蒸发器由弯管露在铝板外面的部分首尾相接串联在一1起。连接上下冷板蒸 发器间的直管长170mm,埋藏在铝板内部的弯管总长为1040mm,材料为铜或 不锈钢,管内径为8ram或6ram。冷板高8U,深283mm,厚17mm。

稀i
Il ¨
f|.I
I..一

/纣‘\
II

,,.-{~、、





Il



ll
ll
^ o

lI
l I
.~

^I I

≥/.B、≮ 么B\≮
柏d
+耷l
l▲ I V

、◆





图2-4冷板蒸发器弯僻示意图

一f—111人{《i学他*女

罔2-5模块与斗板的“燕尾槽”配接结构示意罔(燕尾槽内角:550,左:】E而视罔 右背面视图,“慧尾横”议“山4向红完成】

为了保证冷板和模块之『开J的良好热接触,减小接触热阻同时方便模块进行 热插拔,冷板和模块问采用了“燕尾槽结构”的配接方式,如图2-5所永。采 用该结构的原因特在实验结果都分解释。模块与挣板“燕尾槽”部分的接触恤 积为823
62cm2。

2.I.2储液器
储渡器在回路巾的位置如图2.1所示.介于换热嚣山u和蒸发器进u之 间。储液器山液口离下蒸发器冷板进口的相对高度约为115cm,离上蒸发器冷 板H{口的相对高度约为26cm。实验系统所使用的储液器是一个圃柱形的不锈 钢容器,内部有一根内径为lOmm的不锈钢管作为工质从蒸发器出米后进入换 热器之前的换热管。储掖器的测定容积为1 039L。储液器在安装时并非完全水 平放置.而是进渡端比出液端稍微往L翘,这样做一方面促进了储液器内液体 从进口向出口的流动,另‘方IAJ可以保征在储液器内渍量较少刑液埘仍可以没 过出液u上沿。系统JF常运行时,只要储渡器内保持汽液两相拈存的饱和状 卷,汽液界面高于出液口上沿,由于饱和温度和饱和压力具有一一对应的关 系,就能保证蒸发段的温度不超过某一温度范围(考虑到热阻的影响,模块的

l,111人学硕上学位论文

温度会比储液器温度高出一些)。

2.1.3板式换热器
本实验系统使用的冷凝换热器是哈雷B3.12.60.3.0钎焊板式换热器,板片 数为60,单片换热面积为0.012m2,滞液量:0.018L/通道,最大换热量为 5kW,设计压力为3.0MPa,T作温度范围为.195一-+2200C。为减少.T作时换热 器与环境间的漏热,实验前用导热系数为0.034W/(m2K)的Aeroflex保温绝缘 材料对其进行保温。实验时换热器冷侧使用冷水作为冷源,冷水在换热器内与 热侧工质换热后由室外的风机、水塔冷却系统冷却,将热量散走。 换热器进口离储液器出液口相对高度约为24cm,换热器出口离储液器出 液口相对高度约为8cm。

2.2实验系统搭建

2.2.1冷板蒸发器的检漏、承压测试和清洗
冷板蒸发器由铸造厂加jl:好后,在系统搭建前需要进行检漏、承压测试、 清洗等准备工作。 将加工好的冷板蒸发器管子的其巾一端用堵头封死,另一端与氮气气瓶连 接,将冷板蒸发器整体没入水中,往冷板蒸发器管内打压1 MPa,观察冷板蒸 发器避免上是否有气泡持续冒出。若有气泡持续冒出,则证明冷板蒸发器内部 弯管在铸造时破裂,需要重新铸造加工;菪无气泡持续胃出,将冷板蒸发器管 内增压至3MPa,等待30分钟,观察冷板蒸发器避免是台有气泡冒出,有气泡 冒出证明冷板蒸发器无法承压3MPa,也需要重新铸造加.I:。 冷板蒸发器进行承压测试满足承压3MPa的要求后,用超声清洗仪和丙酮 对冷板蒸发器表面和内管进行清洗,清除表面和管内在铸造和加工时残留的油 垢、杂质。清洗后对弯管两端密封,防止杂质进入管内。

r|1 111人学硕上学位论义

2.2.2系统管路连接
本文实验采取了两种不同的储液器连接方式进行实验对比。一种方式将储 液器“串联”在换热器出口的冷液管路中,系统管路结构如图2.1所示,储液 器进液口与换热器出口相连,储液器出液口与蒸发器进口相连。另一种方式将 储液器“单接入”在管路中,系统管路结构如图2-6左图所示,其中蒸发段部 分的管路结构与前一种连接方式一致。(为方便讨论,文中定义前一种连接方 式为“连接方式一”,后一种连接方式为“连接方式二”,下文描述时不再重复 说明。)采取连接方式二时储液器采取连接方式一的进液口被堵死,储液器内 液体的进出都只通过采取连接方式一时的出液口实现。图2.7为工作中的机柜 实验系统实物图。 实验系统各部分管路和管件(如阀门)均使用不锈钢卡套进行连接和密 封。连接后对系统进行耐压测试和检漏。检测方法如下描述:将氮气气瓶与系 统充灌接U相连,打开充灌阀门,系统管路打压2MPa,关闭充灌阀门使系统 管路成为密闭回路,观察压力表读数是否减少。用气泡法检漏:在各不锈钢卡 套的接头处涂.卜肥皂水,看接头处足否有气泡冒出,在有气泡冒出的地方作记 号,之后将接头上的肥皂泡用清水洗净,擦干。对卡套紧固后重新检漏。

图2-6系统采取不同储液器接入方式的结构对比(左:连接方式--

右:连接方式一)

…11人学硕上学位论文

2.2.3压力、温度数据采集
2.2.3.1压力测量 实验系统在储液器出液口到分水器之间的管路上装有指针式压力表,量程 为0-6MPa,作为系统jI:作压力的一个参考。实验时为了对系统不同J:作状态 时的压力进行监控和记录,在储液器上方安装了绝压计,型号为Druck PTX7517的绝压变送器(APS),测量精度为士0.2%满量程,测量范围
0-2.5MPa。

2.2.3.2温度测量
表2-l系统丰要T型热电偶测温点位置分布

名称及编号 热电偶(1) 热电偶(2) 热电偶(3) 热电偶(6) 热电偶(14) 热电偶(15) 热电偶(16) 热电偶(17) 热电偶(181 热电偶(19) 热电偶(20) 热电偶na 热电偶nb 热电偶nc 热电偶nd 热电偶ne

所在位置 储液器顶部 储液器底部 储液器出液口 分水器进口 储液器换热管进口 储液器换热管出口 换热器进口 换热器出口 冷水进口
冷水出口

备注 系统热电偶在回路 中的具体位置可参 照图2.1上相应编 号的位置。

连接方式一:储液器进液口; 连接方式二:储液器与换热器的共同出口 .与DS②位置相I_J,模块n内下方加热JI. 模块n内基板靠近弯管出U的位置 与DS④位置相同,模块n内基板中问 与DS⑤位置相同,模块n内上方 与DS⑥位置相同,模块n内上方加热片 n为模块编号,例 如:热电偶la为 模块l内下方加热

儿卜的测温点

温度测量包括系统回路各部分温度的测量和模块内部的温度测量。系统回 路各部分的温度测量均采用铜.康铜T型热电偶,最人测量误差为士O.30C。模 块内部的温度测量主要采用Dallas Sensor(达拉斯温度传感器,简称DS,下

ffl 111人学顾上学位论文

同),并辅助以铜.康铜T型热电偶。模块内各DS温度分布位置如图2.3所 示。实验系统主要T型热电偶温度测量点如表2.1所说明,具体位置可参照图 2.1和图2.6中相应编号位置。 DS的优点在于测量时多个DS的数据采集只需通过一个与PC端的通讯接 口就能实现,不依赖额外的数据采集终端。DS的缺点在于其测量精度低,只 有0.50C;多个DS数据同时传输时采集速度慢。本实验的DS数据均通过统一 的USB2.0通讯接口传输到PC端,同一模块内的8个DS其测量数据同时读取 同时传输,不同模块之间的数据采集间隔约为ls,即每个模块内的DS测芾数 据采集间隔为12s。借助于数据采集终端,大量T型热电偶的测量温度可同时 采集,且采集速度取决于数据采集终端而与T型热电偶的数量无关。T型热电 偶温度采集的缺点在于系统测温点与出数据采集终端之间需要大量的T型热电 偶和热电偶延长线连接,布线繁杂,并占用大量的数据采集模块通道接口。 实验时为方便模块进行热插拔,模块内的T型热电偶均通过模块后端的 50针SCSI接U与外面的热电偶延K线相连,热电偶延长线与数据采集终端连 接。系统工作时,各模块温度较高,由十模块内部的加热片是通过模块后端的 SCSl接口与36V开关电源连接的,单个模块功率为200W时,通过电源线的 电流约为7A,致使与之连接的SCSI接口针脚温度较高,对同时连接在SCSI 接口其他针脚上的T型热电偶测量准确度有较大的影响。虽然实际操作时已经 使热电偶在尽量远离电源线针脚处连接,但实验时还是发现同一测温点上的热 电偶读数与DS读数有较大的偏差,经统计,工作时当系统各部分温度稳定时 同一测温点上的热电偶读数比DS读数要低l ̄20C。 2.23.3数据采集 T型热电偶的数据采集终端采用Fiuke2680A系列采集仪,该仪器每台可 包含有6个模块,每个模块有20个数据通道。Fluke2608A系列采集仪提供了 FAI和PAl两种模块,PAl模块强调采集精确度,可达5%数位的分辨率, 0.02%的误差,FAI模块强调加快测量速度达4%数位的分辨率,0.04%的误 差。数据采集系统实物图如图2.8所示。 APS数据、T型热电偶数据和DS数据在PC端的采集和jl{c控均采用 LabVIEW平台开发的程序界面(程序界面由佟贵年同学设计完成)。

.23.

幽2-8数据粟集系统实物图

2.2.4系统充灌
奉实验系统选用R22作为丁质,所使用的R22为牡邦Frcon 22。奉实验系 统H路总容积约为3 33L。为保证系统正常运行时储{瘦器内始终保持汽液共存 的两相状态且液面高于储液器出液u上沿.经计算.其需充^R22约17759。 采H】称重注对系统进行充灌,充灌系统如图2-9所示,主要包括:标准瓶
(I

36L)、电子天平(Sartodus CPl2001S精密天平.最大景程12kg。精度

0.Ig)、R22液瓶(DuPont Freon 22)、真空泵(2XZ4型旋"真空泵.极限真 空:6x102Pa,抽速:4L/s)。具体的充灌步骤如下: I、将充灌系统与系统回路充满rl相连。 2)扣开阀门I和阀门2,j之闭阀门3。通过真空泵对标准瓶与实验回路系统抽 真空。 31监测系统APS读数,当读数低1+0时,关闭阀门I,缓慢打开阀门3,往 同路系统和标准屏打压约0 2MPa,关闭阀门3。 41缓慢打开阀门I抽真卒,船测系统APS读数,当读数低于0时,关闭阀门 1,缓慢打开阀门3,往回路系统和标准屏打压约0 2MPa,关闭阀门3。 5)缓慢打开阀r』I抽真空,监涮系统APS读数,当读数低于0时,关闭阀门 l和阀f J
2。

6)启动电子人平并清零,缓慢打开阀门3,R22由于重力和压差作用流进标准 瓶,当电子天半读数稳定后关闭阀门3.记录电子天平读数。

f,Ijl人学硕上学位论文

7)缓慢打开阀门2,R22由于压差作用流进回路系统,当压力平衡后,用热风 枪对标准瓶加热,使得标准瓶中的R22汽化,压力增加,流进回路系统; 当电子天平读数稳定后,关闭阀门2,停止加热,记录电子天平读数,计 算充灌量。 8)由于系统所需充灌量比较大,而所用标准瓶体积有限,故需进行多次充灌 直至充灌量满足要求。 9)最后,将充灌系统与系统回路分离,放出充灌系统中的残余气体。


塞辫f'3






验 圈

鞫1毒





/荔、

^…

系 统

图2-9充灌系统示意图

2.3本章小结
本章主要介绍了实验系统回路的各部分组成及连接,系统压力、温度测量 点的分布和测量方式,并对系统搭建后如何对系统进行检漏、充灌等做了相关 描述。

|}1“1人学硕上学位论文

第3章实验方案及相关计算
本论文研究的主要目的在于验证一种机柜嵌入式冷板换热方案,在只有自 然对流的机房环境下,满足单个19寸通讯机柜2000W的散热需求。为此,需 要考察的性能包括应用了该方案后19寸通讯机柜的散热能力和机柜内设备启 动和运行时的稳定性。 上一章所描述的自然循环两相系统结构,其实际换热量可简单估算为:

Q=Ah?廊=(九撕~一九删嘲)?历 其巾童(单位:w)为换热器实际换热量,‰础胁和厅删。M口(单位:J儋)分别
为换热器冷水进出口的比焓,是换热器进出口水温度的函数,风恤卜加=办(R船,.

柚,‰恤~=办(兀恤,删D,廊(单位:g/S)为冷却水质量流量。对于本实验系
统,兀。恤嘲取决于风机水塔冷却系统的冷却能力,在凡硼卅胁一定时正愀,。埘则

与换热器进口工质温度%糊正相关。而在实验系统正常运行时,死撕取决于

k加、质量流量历和系统的两相饱和温度,即储液器的温度。
3.1热阻测量和计算

系统的两相饱和温度。因此,本实验系统的散热能力主要取决于冷却水的温度

两相换热技术具有换热系数高、换热鼍大、温度变化小等特点,但在实际 应用中由.丁.电子设备不允许与工质直接接触,而只能以热传导的方式通过其他 介质I'开J接接触交换热量,因此换热能力会受到所使用介质热阻和介质问接触热 阻的限制。在散热量一定的情况下,热阻的大小决定了热源与工质问的温差。 在实验回路中,模块的热量绝大部分通过模块与冷板蒸发器间的“燕尾 槽”接触面进行传导。定义从模块基板内壁表面剑冷板蒸发器管内工质之间的 热阻为Rmr,其主要由四部分构成,如图3-l所示,其巾Rw、Rcp、&、Rmod 分别是冷板管内工质到管壁间的热阻、冷板热阻、模块与冷板的接触热阻、模 块基板热阻。

|f1II J人学硕上学位论文

工质卜—八/\/\一/\/\一八/\/\.厂-八/\/\.厂≯篱藿板
Rw RCp Rc

Rmod

图3.1热阻Rtnf的构成模型(R。:T质到管壁问的热阻。RcP:冷板热阻,&:模块与冷板 的接触热阻,&l呻d:模块基板热阻)

3.1.1

Rmf的测量

实验中,无法对工质的温度直接进行测景,故采用如图3.2所示方式进

行。在冷板蒸发器出口管壁上布热电偶测量温度‰,采用Aeroflcx保温材料 对管壁保温,因此近似认为‰等于管内工质的温度。另外在模块基板内壁靠
近冷板蒸发器出口的地方布热电偶测量温度Tb,实验时模块内部空气温度

(DS⑧的温度)与模块基板内壁温度相差不大,故没有对测温点保温。k和
Tb的测量均使用T型热电偶,前者直接连到数据采集终端,而后者从模块出来 需要经过模块后端的SCSI接口与热电偶延长线相接后再连到数据采集终端, 如卜一章提到,Tb的测罩值会受到SCS!接口温度的影响而与测温点实际温度 有所差别。考虑到这个误差,Rmf计算方法如下:

%=等

△乃矿=瓦+£一无肼=瓦一乙,+三生生—三£-;三出
其巾,B为模块实际功率,£为死测量值与实际值的误差,因为模块内DS测 得的温度不受SCSI接口温度的影响,故s的估算采用同一模块内DS@和热电 偶c(两者同一测温点)之间的差值(Td,4.乃)以及DS⑤和热电偶d(两者同

一测温点)之问的差值(‰.乃)取平均。像其他温度一样,8在不同的加热
功率下有不同的值,因此在不同功率只分别作了相应的修正。所有温度均取 系统在模块实际功率为尸,时稳定运行的测量值。

mII从学m1学口论女

图3-2热阻R一的测量示虑圜

3.1.2&的测量
模块和冷板均采用铝材制造,故其本身热阻相埘教小,而两者间的接触热 阻Rc在R。f中所占-EYJ比例帕埘较大。实验中,对接触热阻&独立进行了测 量。 实验中无法直接测垂模块和冷板接触面的温度,_}{能通过问接地方法获 得。在冷扳蒸发器1F与模块接触的面布热电偶,该热电偶位置与模块中DS ⑤(热电偶d)J1勺位置丰日对应,即两者的连线垂直于冷板与模块的接触面,如 图3-3所示,则两者问的热阻町表示为模块基板热阻、接触热阻、冷板热阻三 部分之和.如图34所示。冷板测温点的热电偶不受SCSI接口影响.接触热 阻R£可计算如下:

R=k—k一%=竿一k一≈
k 2为


如2南
其中,一为模块实际功率,%J和70分别为Ds@的温度和冷板测温点的温
度,胄。甜和R。5)'Y.J]30模块基板热阻和冷板热阻,£。“和£∞为模块基板厚度和 冷板厚度,K=159W/inK为铝材导热系数,A为模块和冷板的接触面积。



幽3-3热阻艮的测量示宣幽

f1111人学顾上学位论文

热?八胁一/\/\/\、一/\./\厂一0s⑤
Rcp Rc Rmod
图3-4冷板热电偶测温点与模块内DS@测温点之间的热阻模型

考虑到相邻通道的模块与冷板蒸发器(如通道3下蒸发段的模块3与通道 4下蒸发段的冷板)之间距离较小,为避免冷板测温点受两边共同影响,在测 量&时通道l、3、5和通道2、4、6分开测量。测量通道l、3、5的冷板蒸 发器与模块间接触热阻时,通道2、4、6各模块被拔出,并且通道l、3、5上 各冷板测温点用Aeroflex保温材料包覆。对通道2、4、6进行测量时则通道 l、3、5模块被拔出。

3.2散热能力测试实验方案
散热能力是本实验系统的一个重要特性,如前所述,它受到三方面因素的 制约。实验中,受限于实验室的客观条件,冷却水温度不可控,丰要由室外环 境温度决定;冷却水质量流量通过涡轮流量计测量,大小通过冷却水进出口阀 门开度可作粗调,实验时将阀门开度开至最大,以保证大散热量:实验系统所 用储液器为带热交换管的储液器,实验中从蒸发器出来的热流体首先经过热交 换管和储液器里的工质换热再进入换热器,因此储液器温度受实验中模块功率 的影响,外部的控温方式很难稳定控制其温度,另外出于对实际机柜应用时节 能的考虑,实验中并未对储液器进行精确控温。 实验中,分别对单个模块、单通道上下蒸发器、下蒸发段所有模块和6个 通道全部模块运行时的系统散热能力进行了测试。实验步骤统。‘描述如F:
l、

开启数据采集终端,打开LabVIEW热电偶采集界面和DS采集界 面,检查系统压力及各温度点显示是否正常; 打开冷却水进m口阀门,等待系统温度稳定; 根据实验方案打开所测试模块的加热电源,关闭非测试通道的阀
门;

2、 3、

4、

设各测试模块加热功率为25W(预设值),等待系统稳定,若出现 烧.T.现象则停止加热,关闭加热电源;

},山人学硕上学位论文

5、

增加各测试模块加热功率,等待系统稳定,直至换热器进口出现烧 干现象: 停止各测试模块加热,打开所有阀门等待系统稳定: 设各测试模块加热功率为烧干前的最大加热功率,等待系统稳定; 停止各测试模块加热,关闭加热电源,等待系统稳定; 关闭冷却水进出U阀门,关数据采集界面和数据采集终端。

6、 7、 8、 9、

3.3蒸发器非平衡热载荷运行稳定性实验
在实际应用中,机房中的通讯机柜,并不是每一个都工作在满负荷状态 的,这就存在各通道的散热量需求不一致的情况。因此,需要考察各通道热载 荷非平衡时系统启动和运行的稳定性。就算是满负荷工作的机柜,在机柜上某 一个或某几个模块出现问题需要维修时,其他模块还需不受影响继续运行,这 时同样也会出现各通道的散热量需求不一致的情况,这就需要考察系统在各通 道由热载荷平衡运行变为热载荷非平衡运行时的稳定性。无论是系统的非平衡 热载荷启动和运行还足系统由平衡热载荷运行变为非平衡热载荷运行,需要考 察的非平衡热载倚运行情况包括各通道之间加热功率的非平衡和上下蒸发段之 间加热功率的非平衡两类情况。 对于蒸发器非平衡热载荷运行稳定性的研究,实验时大部分是在散热能力 测试后接着进行的,通过改变或关闭部分模块的加热功率达成系统非平衡加热 的状态,监测系统在这种状态下各部分的温度变化,从而判断系统能否重新稳 定运行。因此,该部分的实验研究没有制定统一的实验方案,实验的具体操作 过程将在实验结果分析时一并描述(详见下一章非平衡热载荷实验部分)。

3.4本章小结
本章简单讨论了实验回路系统巾影响系统散热能力的几个主要因素,结合 实际结构对蒸发段热阻的测量和计算作了详细描述;考虑到实验室的客观条 件,制定了研究散热能力实验的统一方案,并对研究蒸发器非平衡热载荷运行 稳定性的必要性作了相关说明。

第4章实验结果分析
4.1蒸发段热阻分析
实验中,如果忽略系统与环境问的漏热,模块的散热只通过与冷板的接触 热传导进行。可以预想,模块与冷板之间的接触热阻对模块的温度分布有较大 的影响,一定程度.卜限制了通讯机柜的工作温度范围。 实验时对模块与冷板之间的的接触热阻&和模块基板内壁与冷板蒸发器 管内工质之间的热阻R耐进行了测量。 受单片机控制功率时的计算方法所限,实验中单个模块的实际功率与预设 值之间存在一定的误差,具体数值如表4.1所示。实际功率的测量方法:通过 测量系统在各模块相应预设值功率下稳定运行时各模块开关电源的输出电压U 和输出电流I,由Pr-UI计算。测量时,模块2和模块ll的单片机在控制功率 时出现较大的偏差,只对预设值为50W、lOOW、150Ww和200w的情况进行 了测量,并且测量结果与其他模块有较大的差异, 计算取除模块2和模块ll外各模块的算术平均值。
表4.1各模块实际功率与预设值的比较

见表4.1,其中平均值的

絮位Ⅶ 模块\∑
Modl Mod2 Mod3 Mod4 Mod5 Mod6 Mod7 Mod8 Mod9 Modl0 Modll Modl2

\顶设

25W

50W 112.8W 205.0W 119.6W 121.8W 114.OW 124.2W 110.4W 117.OW 123.5W 107.8W 204.9W 114.3W

75W 147.9W 155.2W 156.9W 147.6W 159.1W 144.7W 151.7W 156.1W 144.4W 151.3W

looW

125W

150W

175W
223.8W 235.9W 233.OW 224.0W 235.OW 222.1W 229.OW 232.3W 223.9W 225.OW

200W 244.4W 263.2W 258.1W

55.2W 55.6W 56.9W 55.IW 63.7W 53.6W 52.2W 59.4W 47.5W 56.4W

172.3W 230.9W 182.3W 181.1W 170.9W 183.OW 169.7W 177.8W 181.0W 171.2W 231.5W 174.8W

192.2W 202.6W 199.OW 190.4W 203.1W 188.7W 197.5W 198.2W 191.7W 192.7W

207.OW
255.6W 218.2W 214.2W 205.7W 217.3W 203.7W 213.1W 213.4W 207.3W 252.8W 207.1W

256.3W
244.1W 258.1W 241.6W 249.1W 252.4W 243.OW 258.1W 247.3W

平均值

55.6W

116.5W

151.5W

176.4W

195.6W

210.7W

228.4W

249.4W

4.1.1模块与冷扳之间的接触热阻R。

0 03


趸一
0 D1

Power(w) 固4-1实际加热功率下各模块与冷扳之间接触热阻的测量结粜

模块与冷扳之间接触热阻Rc的测昔结构如图4一I所示。随着模块功率的增

加,大部分模块的Rc保持在卟稳定的值。各模块与冷板的接触热阻均小丁


05K/W。模块和冷板的配接采用“燕尾槽结构”的韧衷是希望随着模块功率

的增加,模块与冷板之间的温差增大,模块基板受热膨胀的幅度比冷板受热膨 胀的幅度要大,“燕尾槽结构”的配接方式能使冷扳和模块之问的接触更加紧 密,从而减少接触热阻Rc。但从测量结果看来.这种预期的改善并不明显,燕 尾槽加工精度小足u,能是其巾的原因之一。 相比之下,同一功率下,不同模块2问Rc的差别比较大。接触热阻受接 触面平雅度的影响比较大,限]。)J[1 Lq_艺水平.不同模块、不同冷板的加工精 度有所差异,这是导致各模块问接触热阻分布不均的主要原划。实验结果中模 块5、7、8、11在与玲板的接触面上都涂上了导热硅脂,增加了接触面的导热 系数,故模块5、7、8、11的Rc值比其他模块(模块2除外)都要小,小高

0.02K/W。表4.2给卅了各个模块与对应冷板『日J接触热阻的平均值豆,该平
均值由各模块在预设功率为50W、I OOW、150W和200W时的测量值Rc取算 术平均值得出。
表4-2吾模块与埘应冷扳间接触热阻的平均值

4.1.2攘块基扳内壁与工质之间的热阻R耐

(^>萤:E臣

Power(w) 酗40实际加热功率下*揽块摹扳内聘与挣扳蒸发器管内T质2M热I丑的测量结槊

模块基板内壁与拎板燕发器管内工质之问的热阻Rmf的测量结果如图4-2 所示。测量结果均在系统稳定运行,且再冷板蒸发器出口没有烧于时获得。随

中111大学硕上学位论文

着模块功率增加,大部分模块的Rmf有减小的趋势。由接触热阻的测鼍结果可 以排除这是由于接触热阻减少造成的。造成这种减少趋势应该是由于随着模块 功率的增加,冷板蒸发器管内气泡增多,液膜变薄,流动沸腾的形态由泡状 流、块状流向环状流发展,使得管内流动沸热的换热系数有所增加的结果。 表4.3给出了在预设功率为200W时各模块的&和Rmf的测量值以及 &瓜mf值,即接触热阻在Rnlf中所占的比例。从统计结果可以看出超过一半以 上的模块,其Rmf值的50*/,---80%是由接触热阻的贡献造成的。减少接触热阻 可以有效降低模块的温度。减少接触热阻的措施包括:
l、

通过研磨、抛光等处理方法使接触面尽可能保持平整、光滑,要求 在冷板和模块基板制造加工时使用更精细的工艺; 增加接触面积,由于实际单板模块的尺寸大小是一定的,故改进空 间不大: 尽可能增加冷板和模块之间的紧压力,可以考虑利用合适的附加紧 压装置; 增加接触面的导热系数,如涂导热硅脂、垫铝箔或石墨层等,这些 措施会对模块的热插拔产生一定的影响。
表4.3各模块在预设功率为200W时的&和RInf比较

2、

3、

4、

模块编号
l 2 3 4 5 6


功率预设值(W)
200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200

功率实际值(W)
244.4 263.2 258.1 256.3 244.1 258.1 241.6 249.1 252.4 243.0 258.1 247.3

&(刚W)
0.042 0.005 0.019 0.018 0.015 0.044 0.006 O.017 0.026 0.020 0.018 0.035

Rmf(K/W)
0.06l 0.025 0.046 0.046 0.028 0.069 O.014 0.026 0.035 0.035 0.020 0.049

&/Rmf
69% 20% 42% 39% 55% 65% 42% 63% 76% 58% 86% 71%

8 9 10 ll 12

4.2系统散热能力
为保证机柜通讯设备正常运行,在一定的集成规模下,机柜的散热能力成
.34?

十m^{Ⅲ±}*☆女

为了制约设备工作温度范围的重要因素.考察机柜的散热能力是设计数据中心 机房规模的必要准备之一。散热能力是本实验系统的一个重要参量,系统的散 热能力受到冷却水温度、流量咀及系统两相饱和温度的制约。在冷却水温度和 流量一定的情况下,通过提高系统两相饱和温度可以提高系统的散热能力。另 方面,系统的两相饱和温度也不能无限制提高,其受限于模块内电子元件的 最高工作温度.考虑到系统回路中各部分热阻的存在,系统工作时最高的两相 饱和温度比电子元件的虽高工作温度要低。本实验设定电子元件的最高工作环 境温度为65。C,即模块基板内齄温度不超过65。C属1‘元件的正常工作范围。

4.2.1单通道散热量
为考察机柜只配置了单个模块和单通道模块时的散热能力,实验中对中通 道教热量进行了测试。实验时,只打开所测试通道的阀门.其余阀门保持在必

闭状态。以下实验结果均在冷却水进口温度T…<25。C,冷却水可控流量最

大(一8咖)时获得。

§黼。
一i
(。old∞;4E芒

W—AT嘶ER



罔,I-3单个模块(下燕发段模块5)争功率2009/.储i戎器采用连接方式。(H体过 程:约2点13分模块5加热200w.系统稳定后约2点26分羌闭模块5加热,其余模块 全程不加热.)

一日4:一∞.毫

图“啦个模块(下蒸笈段模块5)仝功率200W.储涟器采用连接方式为.。(具体过
程:约15点5分模块5加热200W,系统稳定后约15点20分芙闭模块5加热,熟佘模 块全程不加热。)

图4-3和图4.4为采取两种不同储液器连接方式时系统模块5全功率加热 200W(为方便讨论,如无特殊说明.实验结果叶1的模块功率均为预设值.下 同)时的系统及模块温度变化。两种连接方式的系统平稳运行时模块5的三个 测温点中最高温度分别为29 I℃和31 CC,均在元件的正常工作范围内。表 4.4给出了两种连接方式单个模块加热200W时模块的温度分布,所有测温点 温度均在元件的正常丁=作范用内。

中lll太#《』}**女

表44单个模块加热200W时的温度分布

采用连接方式一时各模块单独加热200W时的温度分布(oc) Mod3 lModl 】Mod2 lMod4 lMod5 lMod6 40 5l 39 33 5 32 5l 3s Ds① 33l 41 51 33 40 Ds⑦ 38l 30 5I ”5l 28 2 29 9 27 6l 28 8 热电偶b 342l 28.9I 30 71 27 7 26 3l 29 3 热电偶c 320l 26.6l 35 2I 28 0 31 7l 热电偶d 35 3 30.2l 29ll 24 2l 26 2 25 5l 25 3l 24 3l 24 7 冷板 采坩连接方式二时吾模块单独加热200W时的温度分布(0c) 测温点 Mo<t3 【Modl lMod2 lMod4 lMod5 lMod6 36 35 5l 39 Ds① 43l “l 35.5l 46 5l 37 5l 43 5 Ds⑦ 355I 42l 33l 34 2I 31 6l 32 5 热电偶b 306l 38『 30.6l 35 3I 35 9 29 7l 热电秘c 32 7 300l 29】l 热电舀d 35 4 3I 6l 38 5 402l 304l 33.9t 28 5 29 5 28 5l 27 9 冷板 289l 290l
测温点

.一 二

(。o∞{#AE∞■
32

。飞喀o。

酗爨一~

F 拿28


击24

图斗5单个通道(模块5和模块lI)全功率加热,储液器采刚连接片式为一。(具体过 程:约21点39分攥块5和模块11各加热200W,系统稳定后约2l点56升关闭模块5 和模块1I加热,菇余通道模块争程不加热。)

c川J^}日■}n*女

∞ 口 {B # M

Sol_ &E∞_

垤≥—毒遮
和模块1l加热,其余通道模块全程不加热。)

1.10

.^Ps

1”一&--H.x一。isuT

’”|二鲶彗?


95《——B忡5。uT

斧32 呈




28

图4缶译个通道(模块5和模块1I)仝功丰加热.储渡器采用连接方式:为。(具体过 程:约2l点34分模块5和模块11*加热200W,系统稳定后约2l点51分戈射模块5

袁4{单通道l+下模块各加热2∞w时的温度分巾

DS

Ds

热儡
b 3l 9 289

热偶


热偶
d 37 6
28 8 33 8


4l 34 5 42 5 34 34 36 39 40 5 36 5 365 34 45 5

⑦ “
34
40.5 35 5

模块 编号
l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 lI 12

DS

DS

热锚


热偶


热偶
d 409
3I 7 35 9

329
28 3 341

① “
37 5 44 5


47 37 42 5 38 5 34

冷板
29l 30 2 29 8

34 7
31 8

35 9 314 36 0 30 8

36.3
28 7

38 2
31 7

27 7
27 7

3l 7
306

37
36 5

34 8
32 3 38 7

30I
29 0

32
4t 5 38 41 5 37 36 5 33

30 3 299
35.4 34 6 29 7 30 3 299 39l

32.9 32 2
37A 36 2 32 5 31.8 319 4t 3

30 2 32 6
34 4 35 0 32 7 3l 8 29 7 37 8

30,4
32 5 33 4 29 5

36 7
32 8 34 6 33 2

38.5
4l 42 39


40 43 40 37 5 35 5 43

28 5 28 0
29 0 29.6 28 5 28 8 304

346
362 366 33 5 3I 2 370

304
27 2 354

32 2
28 9 34 6

37 5
36 5 48

柏5

罔4.5和圈4五为采取两种不同储液嚣连接方式时蒸发段通道2上、下燕 发器模块1I和模块5全功率加热各200W时的系统及模块温度变化。两种连 接方J£的系统平稳运行时模块5的三个测温点中最高温度分别为30
32 6 oC和

9"C.均在元件的止常I:作范围内。表4-5给出了两种连接方式的单通道加 实验结果表明,在冷却水进口温度T。忡i.<25。C.冷却水可控流量最大

热400W时的模块温度分布.所有测温点温度均在元件的Jt常工作范出内。 (-48一s),系统单通道运行平稳,散热量400W,系统工作曲相温度不超过 26。C。模块内部最高温度48。C.满足设备正常运行环境温度范围。

4.2.2下燕发段散热量
为考察机柜只对下蒸发段进行了配置时的散热能力,实验中对下蒸发段的

教热量进行了测试。以下实验结果均在冷却水进口温度1k…<260c,冷却水
可控流量最大(^489/s)时获得。


一∞

苦。 i
2’ 10

Ⅲ一
百 o∞尝

。呈

星4

巍骆一

2Ⅲ洲4㈤4删。0a

十+十:一+一+,十+十

麓僦辫辫~

20104j005∞

2010430 05:46

13鹏

图}7下蒸发段各模块仝功率加热时的涮童分砧,储渡器采用连接方式。(共体过程
约4点49分下蒸笸段各模块加热200W,系统稳定后约5^20分关闭模块1,2,3加热. 模块4,5.6加热功率不变,系统再次稳定后约5点47分关闭模块4.5,6加热,小同通道模

块分开关闭是为了研究系统非、F衡热载荷运行时的稳定性。上蒸发段1;l块伞秤币加热

一uoJ L{ &EoP

“o(嬉硒《%∞

2010-5-5 09:0e

2010-¨09.26 201m¨05:46
nn*

20105-510:06

2010-5-510∞

嗤奉8下燕发段各模块仝功率加热时的温度分布,绪液器采朋连接古式二。(具体过程: 约9点9分下蒸发段各模块加热200W,系统稳定后约9点55分戈闭模块2,4,6加热.模 块1,3,5加热功率不变,系统再次稳定后约10点15升关闭模块1.3.5加热,不l川通道模块 分开关闭是为了研究系统非甲衡热载荷运行时的稳定性。t蒸发段模块全程不加热。)

图4.7和图4.8为采取两种不同储渡器连接方式时下蒸发段6个模块仝功 率加热各200W时的系统及模块温度变化。两种旌接方式的系统甲稳运行时下 蒸发段各模块测温点温度如表4_6所不,均在元什的正常工作范围内。

实验结果表明.在冷却水进口温度T~.一26。c,冷却水可控流量最大
(叫89店),系统F蒸发段运行平稳,散热量1200W.系统。I.作两相温度不超
过280c。模块内部最高温度49 50C,满足设备ll常运行环境温度范}|I。

中m^}Ⅲi}Ⅱ论i

袁4{下蒸发段并模块辛功率加热时的温度分布

DS

DS

热偶
b 312

热偶


热偶
d 37 2 28 3 33 3 33 3 30 7


40 5

⑦ “
33 5

冷板
25.3 28 8

模 块

1 2 3 4 5

DS

DS

热偶
b 36 3 33 5

热鹪


热锚
d 42 8 33l


45 5 39 5 47.5 39 5 38 4l


49 5 39

冷板
307

322

376 329

34 5
42 5 34 5 34 36j

28 5 35.8
35 8 29.9 299

279 33 7
33 7 27 5

40.5
36 5 32 5 4I 5

29I
28 5 27 4

45.5
42 36 5

40 5
33 9 34l

38 5 33 2
31.5

38 3
374

34 5

304

36 4

26 5



46 5

34 5

350

柏9

剿37.;

4.2.3全通道散热量
为考察机柜满配置时的散热能力,实验中对系统所有模块全功牢运行的散

热量进行了测试.以下实验结果均在}争却水进口温度T。…<28。C,冷却水可
控流量最大(~489/s)时获得。


变。




§2
呈。
一44

一日4:一∞鼍

2¨

}∞


32 28



圈4-9(除通道l外)5个通道F蒸发段模块备J_【|热200W,上燕发段模块各加热150W 和200W,储液器采用连接方式一。(具体过程:约14点40分通道2,3.4,5.6 h蒸发段菩

叶1…人掌坝上学位论文

模块加热150W,下蒸发段各模块加热200W,系统稳定后约15点37分通道2,3A,5,6上 蒸发段各模块加热至200W,温度上升,出现烧干,换热器进U温度快速上升,约15点 49分关闭上蒸发段模块加热,’卜蒸发段模块加热功率保持200W不变,烧干消火,通道 1模块1和模块12全程不加热。)

图4.9为储液器采用连接方式一时,除通道l(通道阀门关闭)外其余通 道上蒸发段模块各加热150W,下蒸发段模块各加热200W,稳定后上蒸发段 各模块加热至200W,继而出现烧干现象,上蒸发段模块内温度快速.卜升,关 闭一t-.蒸发段各模块加热后,烧干现象消失,系统回路恢复稳定运行这一过程的 温度变化。由表4.1统计结果得知,模块功率预设值为150W时实际功率已超 过200W,预设值为200W时实际功率约为250W。储液器串联时,5个通道上 蒸发段5个模块各加热l 50W,下蒸发段5个模块各加热200W,其实际功率 已超过2200W,此时系统能维持平稳运行,各模块内部温度分布如表4.7左侧 所示,各测温点温度均在元件的正常工作范围内,模块内部最高温度48.50C, 满足设备正常运行环境温度范围。
表4-7储液器分别采取串联和并联时系统以最大散热最稳定运行的模块温度分布 连接方式一除通道l外上蒸发段各模块 加热150W,下蒸发段各模块加热 200W时的温良分布(。C) DS DS 热偶 热偶 热偶 冷板 ① ⑦ b C d
| 42 48.5 42.5 40 43.5 45 45.5 42.5 41.5 43 l 41.5 47 45.5 38 48.5 46.5 47 43.5 42 47 | | 35.6 41.3 36.4 36.2 36.6 41.2 39.8 36.3 36.O 37.2 l | 35.0 39.1 35.8 33.5 37.0 39.8 39.2 36.5 36.1 36.7 | | 35.5 39.8 40.5 36.2 42.8 41.1 39.9 39.4 37.6 42.7 | | 36.8 35.6 36.6 33.5 34.2 40.6 35.0 36.1 33.2 42.6 |

模块 编号

连接方式--.6个通道各模块加热200W 时的温度分布(。C)
DS DS

热偶
b 42.3 39.2 45.9 39.9 40.2 40.1 47.4 44.8 39.9 40.6 41.2 51.1

热偶


热偶
d 47.0 39.1 43.7 42.9 40.4 46.1 47.9 45.0 42.9 42.3 46.9 52.3


l 2 3 4 5 6 7 8 9 lO ll 12 53.5 45.5 53 46 44 47 52 50.5 48.5 47 46.5 59


55 45 51 48 42 52 53.5 52 49.5 47.5 50.5 58

冷板
36.8 40.3 40.0 40.0 38.7 38.1 47.2 40.7 41.2 39.7 48.1 49.0

43.1 38.8 43.9 38.9 37.6 40.5 45.7 43.9 38.9 40.7 40.6 49.9

图4.10为储液器采用连接方式二时,所有通道各模块全功率加热200W 系统稳定运行后,先后关掉上蒸发段模块加热和下蒸发段模块加热这一过程的

十m^{目L}n论卫

温度变化。表4—7右侧为储液器并联时各模块仝功率加热,系统稳定运行时模 块内的温度分布,各铡温点温度均在元件的正常工作范围内.模块内部最高温 度59。c,满足设备正常运千J环境温度范围。

,z晏一嚣嚣‰ w^”8,“1
11i 一0 ∞jE&E声

争”

手45

§:
击∞
13:40

1;.∞

14:20



’5:oo

15∞

Time

罔4-10所有模块全功率加热时的蛾分布.储被器采用连接方式二。(抖体过程?约j2
点27分所有通道各模块加热200W,系统稳定后约14点23分关闭通道1,2 3菩模块加 热,通道4,5.6并模块掘热功率小变,系统再搬稳定后约14点57分关闭通道4,5,6并模块 加热.不同通道模块分开关闭是为了研究系统非平衡热载荷运行时构稳定性。)

实验结果表明,在玲却水进口温度T…<28。C,冷却水可控流量最大
(08砧).系统采取储液器连接方式二的回路结构时,全部模块满功率运行平
稳,散热量2400W(实际散热功率超过3000w).系统上作两相温度不超过 350C.摸块内部最高温度590C,满足设备正常运行环境温度范围。 与系统采取储液器连接方式一时相比,系统采取储液器连接方式一时具有 更高的散热能力。

…I 11人学硕上学位论文

4.3非平衡热载荷实验
为模拟实际通讯机柜中非满负荷运行的各种情况,对实验系统蒸发段符模 块加热功率非平衡时的系统运行情况进行了研究。模块加热功率非平衡可以分 为两类:通道之间的非平衡和上下蒸发段的非平衡。以下非平衡热载荷实验结 果均为储液器采用连接方式二接入系统回路时的结果。

4.3.1通道之间非平衡加热
4.3.1.1平衡热载荷运行变为非平衡热载荷运行 图4.8和图4.10分别显示了储液器并联时系统在只有下蒸发段模块全功率 加热和全部通道所有模块全功率加热时稳定运行的结果。图4.8中,约9点55 分,下蒸发段模块2,4,6加热被火闭,模块1,3,5加热功率保持各200W不变, 系统下蒸发段由平衡热载荷运行变为非平衡热载荷运行。当系统再次稳定时, 模块l,3,5内部温度卜.降了约loC,最高温度不超过440C。图4.10中,约14 点23分,通道l,2,3加热被关闭,通道4,5,6各模块加热功率保持200W不 变,系统由伞部通道伞功率加热的平衡热载荷运行变为只有一半通道伞功率加 热的非平衡热载荷运行。当系统再次稳定时,通道4,5,6各模块温度下降幅度 不超过20C,最高温度不超过450C。 实验结果表明,系统由各通道问热载倚甲衡转变为非平衡时运行稳定。

4…3 1 2非平衡热载荷启动和运行
图4.1l是系统左半边的通道1.2.3上下各模块加热200W,右半边的通道 4,5,6上下各模块加热25W时,系统启动和运行的温度变化结果。启动时模块 5观测到了约20C的短暂过热,其余模块没有观测到明显的过热。启动后系统 运行稳定,加热200W的模块内部温度不超过440C,加热25W的模块内部温 度不超过360C。 图4.12显示了一个较为复杂的系统非平衡热载荷从肩动运行到加热功率 改变以及最后稳定运行时关闭加热功率的过程。如图所示,约15点36分系统 启动,所有通道阀『J打开,通道l,3,5各模块(模块l,12,3,7,2,lO)不加热,通 道2,4,6各模块(模块5,11,4,9,6,8)功率200W,启动后系统运行稳定,各模块 内部温度不超过440C,这是系统非平衡启动并达到稳定运行的过程,模拟了

十m^fⅢ■{n睦女

通讯机柜非满载启动时的过程。之后,约16点20分关闭通道4和通道6的摸 块加热,相应模块内部温度下降,州时将通道I和通道3各模块加热200W. 相应模块内部温度上升.这模拟了通讯机柜中部分模块出现故障被拔出维修和 非满载机柜在不中断运行的情况下增加通讯模块的过程。从图中结果可以看出 该过程通道2和通道5的模块内部温度几乎小受影响.系统运行稳定,各模块 内部温度不超过45。C。樽之后,约16点55分改变各通道模块加热功率(通 道1上下模块各200W.通道2上下模块各150W,通道3上下模块各 125W.通道4 E下模块各lOOW,通道5 t下模块各50W,通道6 r下模块 均不加热),使各个通道的加热功率都不一样,模拟实际中通讯机桓各通道热 载荷不一致的情况,在这种情况下,由实验结粜可以看出系统各通道模块运乱 稳定,各模块内部温度不超过45。c。 实验结果表明,系统在各通道间热载荷非平衡时启动正常,运行稳定。





H×:ouT




11詈∞:臻t
,o鲁





P-.




圈4-1l通道10.3各模块200W.通道4,5,6各模块25W非1‘衡们动平u运行,(具体过 程:约20点46分通道l,2j*模块加热200W.通道4,5.6再模块加热25W.店动后系缆
稳定运行。)







囝4.12系统非平衡热载荷运行的一个完整过程,包括非、r衡启动,启动后并通道非,P衡 加热功丰的改变,稳定运行后天捌加热并阶段的温度变化。(具体过程:见文中描述)

4.3.2上下燕发段非平衡加热
由图4-8和图4.】0的实验结果知道系统采取储液器“并联”接入方式时, 无论是只对F蒸发段全功率加热,上蒸发段不加热还是对上r蒸发器同时全功 率加热,系统均能稳定运行,并模块内部温度在电子元件J下常工作范调内。考 虑到这一点,这里的上F蒸发段非平衡加热只讨论上蒸发段加热量大十下蒸发 段加热鼙时系统的运行情况。 4.3.2.1平衡热载荷运行变为非平衡热载荷运行 图4-13牲示r一个系统山通道1.2,3上F蒸发段半衡热载荷运行状态转变 为通道】,2,3上r蒸发段非平衡热载荷运行扒态的过程。转变之前.通道1,2,3 上下蒸发段各模块加热功率均为200w,通道4,5,6上下蒸发段各模块加热功率 均为25w,系统运行稳定,处于一个通道问热载荷非平衡但同一通道内E下蒸 发器热载荷平衡的状态。转变之后.通道l,2,3下蒸发段备模块不冉加热.r

蒸发段各模块和通道3,4,5各模块仍然保持原来的加热功率.系统处卜一个通
道问热载荷非平衡|i司时部分通道内上下蒸发器热载荷非甲衡的状态。由躅中可 以看到下蒸发段加热关闭后的通道1上j上蒸发段模块温度有不同程度的上升, (上升幅度最大的是通道I的模块12,次之为通道2的模块II,幅度晟小的 是通道3的模块12,呈现越靠机柜边上的模块上升幅度越大的趋势。)而通道 4,5.6各模块温度下降了约2。C。造成这种变化的原因可能是随着通道1.2.3加 热功率减少,通道1,2,3内流量减少,而通道4,5,6内流量增加。通道1.2,3上 蒸发段模块上升到一定程度后开始平稳.此时系统运行稳定,模块内最高温度 不超过52。C.在电子元件的正常工作范围内。

dt



昱HX_OUT

{”
呈。
变:
星“



WA'tI女_OUT

10爱


∞ 21:时

≈肿

22:20

22:正|o

23:oo

Tlm
图4-13通道L2,3上r模块各加热2∞w变为r模块不加热、上模块保持各加热200W 使系统的运行稳定性(且体j=[程:2l点50分之前.通道L2,3上F模堍功率菩为200W. 通道4,5,6 I-'F模块功率各为25W.系统运行稳定:在2l点50分关闭通道10j下蒸发 段各模块加热,保持J:蒸发段各模块加热和通道4.5.6各模块加热功率不变,系统再次稳 定后,约23点3分关蝴系统所有模块加热。)

4.3.2.2非平衡热载荷启动和运行 图4-14为H;开下蒸发段加热,H开上蒸发段加热,小断提高加热功率时 系统的启动和运行情况。上蒸发段备模块加热25W.系统启动正常.远行稳

定,模块内部的昂高温度不超过320C:r蒸发段各模块功率增至IOOW,系统 运行稳定,模块内部的最高濡度不超过39。C;上蒸发段备模块功率增至 150W,系统运行稳定,模块内部的最高温度不超过4l。C;当上蒸发段各模块 全功率加热时,系统仍能稳定运行.模块内部的最高温度不超过44。c。当系 统在上蒸发段各模块全功率运行稳定时,通道4,5,6上蒸发段模块吼10.8加热 功率被关闭,系统转变为一个通道间热载倚非平衡同时部分通道内上下蒸发器 热载荷非平衡的状态,通道I,2,3上蒸发段各模块温度下降约3。C后平稳.系 统再次稳定运行。最后,当所有模块的加热都关闭时,系统各点温度回到启动 前的状态。

幽4-14只开上赫发段加热,不断提高加热功率的系统启动和运行情况‘具体过程:约22 点4分,上蒸发段各模块加热25W.系统稳定后约22点47分.上燕发段备模块上田热 IOOW.系统稳定后约23点50分,h燕发器各模块加热150W.系统稳定后约次口0点 30丹.1:燕发器各模块加热200W.系统稳定后约0点52分关闭模块8,9,10加热,保持 {{I块12,II.7加热功率小变.系统再次稳定扁约I点28分关闭模块12,】I,7加热,下蒸款 器抖模块±程保持1:加热。)

ll d1人学顾上学位论文

4.4本章小结
本章通过对测量热阻、散热能力和非平衡热载荷运行稳定性实验结果的分 析,得出以下结论:
1.

模块与冷板蒸发器之间的接触热阻&对蒸发段模块到工质之间的热

阻Rmr贡献比较人,系统中超过一半以上的模块,其Rmf的500/旷80%是由& 贡献的。
2.

随着模块加热功率的增加,各模块与其对应冷板蒸发器间的接触热阻

&保持在一个稳定值;而Rmf则有减少的趋势,这应该是模块功率的增加导致 蒸发段内流动沸腾传热换热系数增加的结果。

3.在冷却水进口温度ki。<280C,冷却水流量达489/S时,系统采取储

液器连接方式一和连接方式二的lⅡ|路结构,其最大散热量分别不小于1750W 和2400W(实际散热功率分别超过2200W和3000W),所有模块的内部温度 均满足电子元件(650C以下)的正常工作温度范围,且系统两相工作温度不 超过350C。
4.

系统采取储液器连接方式二时比采取储液器连接方式一时具有更高的 在各通道热载荷非半衡和上下蒸发段热载荷非平衡的情况下,系统启

散热能力。
5.

动和变功率:J二作状态运行稳定。

|flIll人学硕上学位论文

第5章结论
本文验证了一种机柜嵌入式的多通道冷板换热两相自然循环回路系统,并 对系统的散热能力、各通道模块非平衡热载荷运行时系统的稳定性进行了实验 研究,实验结果表明该系统设计合理,在各种不同的热载荷状态下运行稳定, 在没有机房窄调压缩机系统的自然对流环境下,散热能力满足并超出了传统机 柜2000W的散热要求,有着很好的节能前景。除此以外,通过实验测黄对蒸 发段模块.与冷板蒸发器问的热阻Rmf和接触热阻&进行了相关分析,指出改进 接触热阻从而进一步提高系统散热能力的可行方向。 根据本实验研究的结果,可以得出以下结论: 1.系统采取储液器连接方式二的结构比采取储液器连接方式’。的结构具 有更高的散热能力。 2.在冷却水进U温度1’啪怫in<280C,冷却水流量达48∥s时,系统采取 储液器连接方式■的回路结构,其最大散热最不小于2400W(实际 散热功率超过3000W),所有模块的内部温度均满足电子元件(650C 以下)的正常工作温度范围,且系统两相工作温度不超过350C。 3.在符通道热载荷非平衡和上下蒸发段热载荷非平衡的情况下,系统均 能正常启动,在变功率:l:作状态时运行稳定。 4.模块与冷板蒸发器之间的接触热阻&为蒸发段模块到工质之间的热 阻Rmf的主导部分,通过降低这部分热阻,系统散热量仍有提升空 间。 5.随着模块加热功率的增加,各模块与其对应冷板蒸发器间的接触热阻 &保持在一个稳定值;而Rmf则有减少的趋势,这应该是模块功率的 增加导致蒸发段内流动沸腾传热换热系数增加的结果。 论文的一<足之处: 1.热阻测量相对简单,对散热能力提升空间的定量分析不足; 2.系统运行现象讨论有待深入。

.50.

中111人学硕上学位论文

参考文献
【l】 【2】
2217. “Thermal Guidelines for Data Processing Environments",ASHRAE Publication ISBN l-93 1 862-43-5.2004. Janicki M.,Napieraiski A.,Modeling electronic circuit radiation cooling

using analytical thermal

model,Microelectronics Journal,2000,24(14一15):2201-

【31

万凯.工业机柜热管散热器的理论和实验研究.硕士论文.上海海事

大学.1.2005.
【41
CHANDRAKANT D.PATEL,CULLEN E.BASH,RATNESH

SHARMA,et a1.Smart chip,system and data center enabled by advanced flexible
cooling resources,Proceedings of the IEEE Semiconductor Thermal Management

and Measurement Symposium,San Jose,CA,2005:78—85. 【5】

朱可.热管冷板在电子设备散热中的应用.硕上论文.南京航空航天
R.R.Schmidt,E.E.Cruz,and M.K.1yengar,Challenges of data center
design for IBM

大学.2.2007. 【6】 f7】
system/360 thermal management,IBM j.Res.&Dev.,2005,49(4/5):709—723.

v.w.Antonetti,R.C.Chu,and

J.H.Seely,"Thermal

model

9 1”.presented at the 8m Int.Electronic Circuit Packaging Symp.,

San Fransico,CA,1 967.

【8】 f91

IBM Systems and Technology Group.Keeping your data center cool:

there is another way.IBM Corporation,March 2005. Friedhelm LOH Group.Rittal liquid cooling package standard.Rittal

GmbH&Co.KQ July 2006.

【l O】H.Bray,Computer Makers
2004.

Sweat Over

Cooling,The

Boston Globe,

【1l】

戴锅生,传热学(第二版),高等教育出版社,1999,9.
M.Grover,US Patent No.3229759,1 963. and G P.Beretta,Bol ing regimes in a closed two-phase

【l2】G

【13】A.Niro

thermosyphon,International Journal of Heat and Mass Transfer,V01.33,No.10, PP.2099-21 10,1990.

【14】Z.J.Zuo

and P M.Dussinger,Heat pipe vapor chamber cold plate

.5l-

lf】111人学硕上学位论文

modeling,fabrication

and

testing,Proceedings

of

1998

ASME

International

Mechanical Engineering Congress and Exposition,PP.28 1-286,2000.

【l 5】 【l 6】

M.Jacob,Heat transfer,Wiley,New York,PP.636—638,1949.
P.S.O’neill,C.F.Gottzman and J.w.Terbot,Novel heat exchanger for natural gas liquefaction,in advances in

increases cascade cycle efficiency

cryogenic engineering,ed.K.D.Timmerhaus,PP.420-437,Plenum,New York,1 972.

【1 7】H.Honda,H.Takamatsu and J.J.Wei,Enhanced
Transfer,2002,124(2):383-390.

boiling of FC-72

on

silicon chips with micro—pin-pins and submicron-scale roughness,Journal of Heat

【l 8】 【1 9】 【20】

Q N.Akapiev,et a1.,Ion track membranes providing heat pipe surfaces

with capillary structures,2003,Sainte-Adele,QUE,Canada:Elsevier. A.Schulz,et a1.,A new

method

of fabrication of heat transfer surfaces

with micro-structured profile,2005:Elsevier,Amsterdam,l 000AE,Netherlands. R.Furberg,Enhanced boiling heat transfer from structure,in Department of Energy


novel

nanodendritic
Institute

micro-porous toper 【2 1】 【22】

Technology,Royal

ofTechnology,2006,59. D.B.Tuckerman and R.F.Pease,Hi【gh performance heat sink for VLSI,

IEEE Electronic

Device
for

LeRer’V01.EDL-2,PP.1 26-1 29,1 98 1. thermal conductance of 32na IREEE

D.B.Tuckerman and R.F.Pease,Ultrahigh cooling integrated

microstructures

circuits,Proceedings

Electronics Components Conference,PP.145-149,1982.

【23】

李学千,张兴德.高功率半导体激光器的进展及其在军事上的应用.

光学精密机械,1993. 【24】 侯增祺,胡金刚.航天器热控制技术.原理及应用.中国科学技术出 版社,2007.3. 【25】 曲伟.毛细抽吸两相回路的非稳态特性研究.博士论文.哈尔滨工业
a1.,Flight testing of the capillary

大学,1998. 【26】L.Ottenstein,et 【27】 pumped
loop 3

experiment,in:Proc.STAll:,Albuquerque,NM,February 2-5,2003. E.W.Grob,C.L.Baker,T.v.McCanhy,In-flight thermal

performance

of the geosciences laser altimeter 01-2421,2003.

system(GLAS)instrument,SAE Paper,No.2003- loop
for

【28】

P C.Chen and W.K.Lin,The application of capillary pumped

.52.

r}lIll人学顾上学位论文

cooling of electronic components,Applied Thermal Engineering 200 1,2 1:1 739- 1754.

【29】Leonid
electronic 301.308.

Vasiliev,et a1.,Loop

heat pipe

for

cooling

of high-power

components,International

Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52:

【30】 【3 l】

黄臻成.航天热控用机械驱动C02两相系统的数值模拟及控温特性
A.A.M Delil,A.Pauw,A.A.Woering and B.Verlaat.AMS?2 Tracker

分析.博上论文.巾山大学,2008.
Thermal Control SyStem:design and thermal modeling of the mechanically pumped two-phase C02 loop,AlAA,2003.

.53-

lfIlll人学硕上学何论文
—置暑—■■—●置■昌詈鼍墨暑詈詈暑暑暑皇暑皇詈■鼍—昌—■盲—一1


II—冒皇皇霉暑置■量田鼍量■皇暑皇—●■●—■—■—■——■■■—●■■■■●暑暑暑置墨暑暑墨胃暑昌量置■一

硕士期间发表的论文和完成的科研成果
已发表论文:

1.周鱼噔,佟贵年,游日安,孙西辉,何振辉?,苗建印,郭霖,(C02两相
回路储液器出口液相最大流率测试》,第九届空间热物理专题学术研讨会论 文集,2009.9 TTCS内部技术文档:
1.TTCS.SYSU.TEST-TRP.015.1.0 1TCS

EM RUNNn、JG IN EXTREME USS

TEMPER√盯URE

CASES

2.TTCS-SYSU—TEST-TRP.0 l6 TrCB FOR 2ND MICRO.G LOoP

QM PERFORMANCE

TEST

REPORT

.54?

ffJl|J人学硕上学何论文

致谢
在本论文完成之际,谨向我的导师何振辉教授致以最诚挚的谢意和敬意。 感谢何老师三年来对我的悉心指导和关怀,何老师严谨专注的治学态度、精益 求精的工作作风、渊博的学识和敏锐的物理直觉、勇于尝试和探索的研究精神 深深地感染和激励着我,让我在这三年的学习研究中深深受益。感谢何老师对 我能力的信任和肯定,给予我出国参与项目交流学习的机会。 感谢孙西辉、佟贵年、黄臻成、张展在理论知识上和实验过程中的支持和 帮助,使得实验能顺利进行。感谢实验室张来得老师、刁向红、刘永峰、宋兆 普在实验系统搭建和改进时的大力协助。 感谢冯春华老师、吴白帅、张伟在牛活上的关怀和帮助。 感谢中山人学与深圳移动通讯育限公司“基站精确制冷节能技术研究’’ 合作项目的支持。


最后,我要感谢我的家人和朋友在工作上支持和理解,感谢三年来在学习 和生活.卜给予我支持和帮助的所有老师和同学。

可热插拔两相回路散热通讯机柜的运行特性研究
作者: 学位授予单位: 周锦鹏 中山大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1691474.aspx 授权使用:吕先竟(wfxhdx),授权号:bb1996de-ed9c-4038-9d90-9e9800bdded6 下载时间:2011年2月28日

无锡伊诺特石化机械设备有限公司为无锡澳驰过滤设备有限公司于 2007 年 4 月在中国无锡 成立的全资子公司, 是国内领先的微米级过滤器供应商之一, 同时特别善长于苛刻工况的过 滤设计。 核心产品包括分不锈钢过滤器 , 精密过滤器 , 过滤设备 , 气体过滤器 , 篮 式过滤器 , 芯式过滤器 , 静态混合器、视镜等。 这一系列产品已经获得了中国海洋石 油总公司、洛克石油、Fluor Corporation、Technip、中国石油天然气西气东输项目部、 壳 牌、南钢集团、巴斯夫,索尼等诸多客户的认可与好评。 伊诺特选用世界领先的过滤产品生产设备及制造工艺, 融合多年滤芯制程上的研发经验, 整合运用各种过滤分离技术,致力于为全球工业领域提供最经济、最专业的过滤解决方案。 其烧结滤芯、 不锈钢折叠滤芯、 楔型滤芯、 膜滤芯等过滤介质配合多样化设计的过滤器壳体, 已广泛应用于石化、炼油、新能源、钢铁、化学、医药、食品、水处理等行业。 伊诺特服务工业界多年,严格执行 ISO9001国际质量体系。并在全国设有多个项目部, 可为您提供最完善的售后服务体系,在中国地区,我们能够24小时内到达现场为您服务。 未来,伊诺特秉承"安全、专业、创新、合作"的核心价值观,继续为客户提供更优质的 产品、更高效的服务,努力为过滤技术创新做出新的贡献。 安全 我们永远坚持安全是不容妥协的理念 我们为客户提供的所有产品必须保证客户工艺的安全,在技术上我们不能忽略任何细节. 专业 我们将坚守我们的使命,不为利益而偏离我们的航向。我们不断学习,始终为寻找最佳解决 之道而努力,我们力争做行业的百年企业。 创新 我们用创新的方法解决未解决的问题。我们利用新的技术、条件、服务更好的理解客户多元 化的需求,同时也使我们在快速发展和竞争激烈的社会中保持领先优势. 激情 我们尊重个人,支持人个激发最大能力 只要是对的,我们就支持 我们永远感受竞争和成功的快乐 合作 未来优秀的人才团队是企业的核心竞争力之一, 我们需要集中我们所有力量, 发挥所有人的 特长,为我们的使命而奋斗 http://www.filter1.cn/

江苏金湖大华自动化仪表有限公司座落于碧荷飘香、风景秀逸、人杰地灵具有“天下第一荷 花”的金湖水乡。公司物资力量雄厚,生产设备先进,检测设施齐全,并且制定了科学合理 的生产工艺和健全的质保体系, 汇聚了许多对有纸记录仪制造有着特殊追求和造诣的科技人 员及职工队伍。在温度、压力、流量、显示、效验等仪表的制造均领先于同行业。 公司主 营产品有热电偶、热电阻、双金属温度计、变送器、流量计、数显仪、效验装置、自动化成 套设备、电线电缆、线缆桥架等。产品主要用于电力、化工、冶金、钢铁等众多行业。 业 绩的取得来源于客户的厚爱,公司一直遵循着用质量打造品牌的宗旨,以诚信待人为守则。 期盼着与各界友人的愉快协作,共同创造优越的的业绩篇章。 http://www.jsdhyb.com/


相关文章:
第五部分 技术规格书
(机柜电源) 米 PDU1 PDU2 工具箱套装 7个 2个...散热模块 配置≥ 8 个热插拔风扇模块;机箱可支持不...集成特性 免费配置 FlashCopy(64 个映像) 、内部...
艾默生机房一体化解决方案
料采购等工作 18577171445 监督等 机柜施工、协调及...智能监控功能和热插拔开 关均为可选, 用户也可以...更可实现包含分支配电回路电压、电流、功率、谐波、 ...
机房改造技术方案
和弱电列头柜,采用单相三线制,普通机柜按线径不...供电的方式,2 套模块化 UPS 组成 2N 双回路供电...性能及技术特点说明 模块热插拔技术 单个模块均可...
电子设备机柜除尘
电子设备机柜除尘_电子/电路_工程科技_专业资料。电子...即使是支持热插拔的设备也是如此, 以防止静电对设备...重新安装散热片时建议抹上 适量导热硅脂增强热传导性...
现代机房解决方案与原方案的比较
热插拔开 实现精密配电。黑色机柜外 关使用户可在线...电回路,安全方便。就 近配电,提高可用性。 机柜...每 冷解决方案,满足小型 个机柜最大散热能力 1-...
APCf一体化机房整体解决方案
交换机等网络通讯设备能够正常工作的辅助设施,包括: ...1P 输出回路,所有开关均为热插拔结构,可 在线增减...11、机柜系统 配置高散热能力、高承重、高兼容性的...
中小型机房APC整体解决方案
交换机等网络通讯设备能够正常工作的辅助设施,包括: ...1P 输出回路,所有开关均为热插拔结构,可 在线增减...单相16A,备用3 单相16A,备用4 单相16A,机柜1 三相...
APC机房UPS中小型解决方案
3.2、方案特点: UPS 主机为模块化、热插拔结构、...该 UPS 机柜最多可安装 10 个 25KVA/25KW 功率...微处理器控制的容错逻辑电路 主智能模块 主智能模块...
网络机柜尺寸标准
网络机柜尺寸标准_信息与通信_工程科技_专业资料。...此外,散热性能也是一个需要注意的问题,此外还需要 ...而由于每块"刀片"都是热插拔的,所以,系统可以轻松...
APCups参数部分
PX 安装在 42U 机柜中; Symmetra?PX 机柜最多能够...16A 单相输出回路,回路为母排 结构,开关为可热插拔...设计容量 旁路输出 过载能力 效率 市电运行 通讯...
更多相关标签:
两相流体回路技术 | 机柜散热风扇 | 机柜散热 | 机柜散热解决方案 | 机柜散热设计 | 机柜散热量 | 机柜散热计算 | 机柜散热孔 |