数据机房热管散热器结构设计与性能分析

王晶 林湧双 朱坤元 林恩华

摘 要：该文设计了一种用于数据机房散热用的热管散热器，建立了数值分析模型，通过热分析软件ICEPAK，对其使用时的温度分布、流速分布进行了数值模拟分析。采用热力学理论，对其换热性能进行了计算，得出其换热功率可达900～1000W。并通过试验进行了验证。

關键词：数据机房 热管散热器 功率 热力学理论

中图分类号：TB657.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（a）-0089-02

有研究表明，在典型的数据中心的电力耗能中，IT设备、机房制冷和电源设备分别为5：4：1的关系[1]，从此可以看出机房空调运行的能耗巨大。陈胜朋等分别从自然冷源、雾化喷淋降温、智能控制及日常维护等方面分析和探讨机房空调的节能技术[2]。侯福平介绍了应用变频技术、机房空调组自适应控制、自然冷源、新型制冷剂和处理冷水机组空调水等技术手段实现通信机房空调系统节能的原理[3]。可对机房空调系统节能的研究均没有涉及到空调周围环境温度的研究分析。现有的南方地区机房空调系统一般采用中央空调冷冻水系统加末端（恒温恒湿）空调风柜形式，周峰等在对机房空调能耗研究发现，与室内设定温度相比，室外气温对空调能耗的影响较大，室外温度提高1℃，空调能耗平均增加5%～6%[4]，因此对空调附近温度进行降温，可以达到良好的节能效果。在机房回风口处安装热管散热器，对空气进行预处理，降低空调附近环境温度，能够达到节能目的。

本文首先介绍数据机房热管散热器的结构和特点，利用ICEPACK热分析软件对散热器性能进行数值模拟，最后进行实验研究，得出数据机房热管散热器的可行性。

1 数据机房热管散热器结构和特点

考虑到一般机房内气流组织采用下送风上回风，这种方式的优点：（1）下送风方式是将低温空气直接从底部送到机柜内，吸收机会内通信设备的热量后，从机房顶部回到空调机组顶部，空调风流动方向与空气特性相一致，容易得到好的制冷效果（2）地板下的空间比风管界面的面积要大得多，这就形成静压箱，静电地板风压平衡，因此下送风方式均匀，整个风机区域的温差小。

数据机房热管散热器是悬挂在机房出风口外，充分利用空调冷冻水进行冷却。利用热管主要考虑到热管具有极高导热性能，热阻小的特点。一般情况下，用热管制作的散热器比实体散热器的散热性能可提高十倍以上。因此将热管用在数据机房换热器中是个优化方案。在所设计的散热器中，热管与冲压的薄铝翅片互相组合完成主要吸热部分的成型，组合方式采用一般热管换热器中热管与翅片的带弹性变形钣金孔方式作过盈配合。结构的冷凝部分主要由内部贯通冷媒的两块铝冷板组成，冷媒一般可以选择数据机房自有的冷却用水，内流槽道使用线切割的方法成型出沟槽以提高换热效率，铝冷板与热管的冷凝段作过盈配合。该换热结构可分拆成若干个散热单元体，组合时可针对实际应用场合选择合适的单元数目。

图1为数据机房热管散热器结构示意图，表1为数据机房热管散热器几何参数，表2数据机房热管散热器翅片的几何参数，表3数据机房热管散热器热管的参数。

2 数据机房热管散热器数值模拟

该文应用热分析软件ICEPAK对散热器进行数值模拟。

2.1 建立模型

在建立模型时做以下假定：（1）假定流动空气为定常连续不可压缩流体，在风道内做强制紊流流动，其物理参数为常数。（2）散热器放置在非封闭的空间，周围空间设定压力为1.01×105Pa，同时设定环境温度稳定。（3）不考虑辐射散热，由于模拟的是散热器的散热性能，不考虑散热器升温对环境空气分布的影响。（4）进风速度假定为均匀。风道出口与散热器间留有足够长的距离以防止回流现象产生。（5）热管与翅片接触良好，接触热阻忽略不计。完成基本边界条件设置后，进行网格分化及后处理。

2.2 边界条件

（1）流场边界条件：假设流体水为定常连续不可压缩的水，其性质为定值，进口速度均匀为1m/s。假定入口平均风速为5m/s。（2）温度边界条件：环境温度稳定在30℃。（3）壁面边界条件：由于不考虑辐射散热，风道的四个侧面定义为wall类型的表面，并设置为绝热条件，同时不考虑散热器升温对空气分布的影响，翅片边界条件也设置为绝热边界条件。

2.3 数值模拟理论计算

2.3.1 以空气为参数的数值模拟理论计算

根据图3、图4、图5的ICEPAK软件模拟结果，可看出30℃的空气经过散热翅片后下降大约0.7℃，散热体上部分出风温度大约为29.1℃，下部分出风大约为29.5℃。在计算出风温度时按29.3℃计算，由图3可看出回风速度大约为4.5m/。所以单个散热器单位时间换热量的计算为：

式中：

q—— 散热器单位时间换热量 ；

Q—— 是总换热量；

t—— 时间；

c—— 空气比热容；

m—— t时间内参与换热的空气总质量；

—— 进出空气温度差；

—— 空气流量4.5m/s×0.4m×0.6m；

—— 空气密度

2.3.2 以冷水为参数的数值模拟理论计算

由图2可以看出，冷水出口温度大致为14.72℃，冷水进水温度设置为14℃，则进出口温度差为ΔT为0.72℃；流量为qv，管径为10mm，流速为1 m/s。则冷水单位时间带走的热量的计算公式为：

式中：

q—— 散热器单位时间换热量；

c—— 水比热容；

—— 进出水温度差；

—— 水的体积流量，πvD2/4（4个水道）；

D—— 水管直径；

V—— 水速；

—— 水密度

可以看出以空气和冷水为参数的模拟计算结果相差不大，因此可认为每个散热器单位时间换热量为900～1000 W。

3 数据机房热管散热器试验验证

3.1 试验条件

测试平台包括风扇，冰水机，数据机房热管散热器，数字风速风量计，纸箱，泡沫等。测试过程：设置冰水机供水温度14℃，实际出水温度（15～16℃）。利用数字风速风量计测定空气风速及进出口温度。

3.2 测试结果

测试中分别对数据机房热管散热器出风口的上部、中部、下部温度进行采样测试。用数字风速风量计测试上部、中部、下部出风温度分别为30.5℃、30.8℃、31.1℃。取平均温度30.8℃，进出口温差0.7℃。

3.3 换热计算

根据公式

式中：

q—— 散热器单位时间换热量；

Q—— 总换热量；

t—— 时间；

c—— 空气比热容；

m—— t时间内参与换热的空气总质量；

—— 进出空气温度差，31.5-30.8=0.7℃；

—— 空气流量，4.2m/s×0.4m×0.6 m；

—— 空气密度

ICEPAK数值模拟计算散热器单位时间换热量约为950W，实际测试散热器单位时间换热量为872W，实际和理论结果有一定的偏差，偏差为8.2%。存在偏差主要是以下原因：（1）ICEPAK对散热器的建模和边界条件进行理想假定。（2）测试环境（如风速、水温、水速等）与数值模拟的偏差以及测试工具的精度。在工程应用上，通常数值模拟结果和试验结果之间误差在15%内认为是正常的。因此可以认定实际测试结果与理论数值模拟相符，即所设计的数据热管散热器换热量可以达到900～1000W，适合用在数据机房进行节能散热。

4 结论

该文设计介绍了一种数据机房热管散热器的结构和特点，采用热管作为核心传热元件，对其进行结构设计及性能分析。由模拟分析和试验得出以下结论：

（1）对数据机房散热用的热管散热器建立了数值分析模型，通过热分析软件ICEPAK，对其使用时的温度分布、流速分布进行了数值模拟分析。采用热力学理论，对其换热性能进行了计算，得出其换热功率可达900～1000W。

（2）对数据机房散热器进行试验验证，得到散热器换热功率约为900W，在误差范围内，可认为实际测试结果与理论数值模拟相符，数据机房散热器能够达到良好的散热效果。

参考文献

[1] 唐远明.高热流密度服务器机柜散热策略分析与实现[J].Computer Knowledge Technology.2009，5（15）：4043-4051.

[2] 陈胜朋，梁立平，陈红，等.机房空调节能技术探讨[J].制冷与空调（四川），2013， 27（5）：458-461.

[3] 侯福平.通信机房空调系统节能技术探讨[J].电信技术，2006（6）：20-21.

[4] 周峰，田昕，马国远.数据机房用热管换热器节能特性试验研究[J].土木建筑与环境工程，2011，33（1）：111-117

[5] KIM Kwang-soo，WON Myong-hee，KIM Jong-wook，el al. Heat pipe cooling technology for desktop PC CPU[J].Applied Thermal Engineering，2003，23；1137-1144

[6] 喜娜，白敏麗，徐哲，等.集成热管散热器的试验研究与数值模拟[J].工程热物理学报，2007，27（5）：868-870.

[7] 袁斌.矩形平翅片热管散热器的传热分析和数值模拟[J].江苏大学硕士学位论文，2006（12）：54-56.