基于相变材料/脉动热管耦合模块的数据中心热管理研究

随着电子技术的不断发展,电子设备的散热功率和散热密度日益提高,传统的风冷技术已经不足以为功率密度不断增长的高性能机柜提供足够的冷量。在应对数据中心的制冷需求不断增加的同时减少数据中心的能耗,这对数据中心的热管理提出了相当大的挑战。针对以上问题,本文提出了利用相变材料与三维脉动热管耦合,用于电子设备冷却的一种新型冷却方法。并通过理论、模拟与实验相结合的方法,在元件级别对脉动热管传热机理、传热性能、与相变材料的耦合特性和节能特性进行了研究;在系统级别完成了数据中心热评价、模型优化、气流组织分布和温度分布的研究。本文为数据中心的热管理、节能以及评估提供了研究基础。本文首先建立了基于多液柱/气塞均匀分布假设的驱动力模型,实现了脉动热管传热传质过程的理论分析,在此基础上定义了无量纲温度并用于脉动热管的性能研究,得出了脉动热管的最佳运行阶段。此外推导出了包括等效热阻、当量导热系数以及薄膜蒸发模型在内的多个理论模型,充分考虑显热传递,相变传热,膨胀功等多种因素,为推进脉动热管传热机理提供依据。将理论模型转化为与速度的关联式,为后续采用可视化实验进行模型优化和经验公式推导提供基础。其次,本文建立了数据中心环境下的脉动热管多功能测试平台,对脉动热管的传热性能进行了相关的实验研究,获得了不同结构的脉动热管的优化设计参数。基于仿生学设计出了一种新型的叶状三维脉动热管并研究了其在不同送风方向下的热性能,结果表明,叶状三维脉动热管在风向与叶柄平行时具有更好的热性能。再次,本文提出了相变材料/三维脉动热管耦合模块用于电子设备冷却的一种新型冷却方法,能够有效的解决脉动热管的接触热阻高和相变材料的热导率低等问题。结合三维脉动热管的优化设计方法,首先研究了相变材料/叶状脉动热管耦合模块的冷却效果,结果表明,当送风方向为平行于叶柄方向时,相变材料/叶状脉动热管耦合模块的冷却效果最佳且高于典型的三维脉动热管。其次研究了不同工质的三维脉动热管结合相变材料的冷却效果。结果表明采用甲醇作为工质且充液率为34%的三维脉动热管结合相变材料后具有最佳的冷却效果,相比于传统的地板送风空调系统直接冷却,能够减少50%的热阻,大幅降低电子设备的温度。通过建立适用于相变材料/三维脉动热管耦合模块的热阻模型对该模块的冷却性能进行研究。在此基础上拟合出了不同送风速度与送风温度下的该模块热阻的经验公式。将该模块作为辅助散热设备,在降低42.5%的热阻以保证电子设备温度不超过推荐的最大结温的同时,能够每年节约186kwh的电量。最后,在系统级别,本文搭建了典型的数据中心机房,建立了数据中心热评价体系,提出了区域热评价指标研究能量转借的可行性,为分散载荷与辅助散热等策略提供依据。其次研究了地板静压箱的气流特性,得出了孔板阻力损失系数的经验公式,从而对压力-速度耦合的一维理想模型进行优化。在此基础上,通过CFD方法研究了数据中心机房房间级别和机柜级别的气流组织和温度分布,并采用多种辅助散热手段对数据中心气流组织与温度分布进行了改进,从而解决了机柜的热回流,冷空气短路以及局部热点问题。