一种远端2U回路热虹吸装置性能的实验研究

论文信息：Abdolmajid Zamanifard，Chi-Chuan Wang，An experimental evaluation of the performance of a remote 2U loop thermosyphon，Applied Thermal Engineering 248（2024）123243

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431124009116

一．研究背景

近年来，随着高性能计算、人工智能和数据中心的发展，CPU、GPU等芯片的功耗持续增加。论文指出，CPU的功率已经从约200W增加至500W，而GPU功率已经由约300W提升至700W，并可能进一步达到1000W。随着芯片尺寸不断缩小，单位面积上的热流密度也不断增加，这使传统空气冷却技术面临越来越大的挑战。对于服务器而言，问题更加突出。特别是2U服务器，由于设备内部空间高度受限，同时CPU/GPU又集中产生大量热量，因此传统的：芯片→导热材料→散热器→空气。散热路径已经越来越难满足高热流密度芯片的需求。因此，本文设计了一种针对2U服务器的Remote Loop Thermosyphon，简称RLTS，即远程回路热虹吸管。通过对该管的具体参数--填充比(FR)、空气流量和热负荷进行研究，将这项实验研究评估的空气流量范围为130至170立方英尺/分钟(CFM)，充填率为40%至70%。热负荷在100W~700W范围内变化，与常规环路热虹吸管相比，远环热虹吸管具有更好的性能和更高的热流密度。同时在探究过程中发现，增加热负荷只能使热阻降低到一定的阈值，超过该阈值热阻便开始增加。热阻的增加是由于蒸发器上方的空间有限造成的，环路热虹吸管系统中的受限空间效应对系统的性能有很大影响，在设计工作中应将其作为一个重要因素考虑。

二．研究内容

因为2U服务器同时受到几个因素限制——空间高度有限、芯片热流密度高、冷却模块尺寸受限、冷凝器通常仍需要采用空气冷却。因此，本文设计了一种针对2U服务器的Remote Loop Thermosyphon，简称RLTS，即远程回路热虹吸管。整个系统主要包括：蒸发器、蒸汽上升管、液体下降管、空气冷却冷凝器。如图一所示。作者的目标是：在有限的2U服务器空间内，实现高热流密度芯片的被动式两相散热。为了让蒸发器能够持续、高效地发生沸腾，者在蒸发器表面采用了：Trapezoidal Pillar Fin，即梯形柱状强化结构。如图二所示。

图 1 2U热虹吸管设计，a)远程回路热虹吸管的总体配置，b)RLTS组件。

图 2梯形柱状强化结构作为蒸发器强化表面的原理图

为了模拟实际服务器芯片的发热过程，作者搭建了完整的实验系统。冷凝器侧采用空气冷却微通道冷凝器，实验通过风洞系统控制空气流量。空气流量范围为：100-200CFM。实际重点测试的流量包括130,150,170CFM。蒸发器侧则通过铜加热块模拟芯片热源，加热面积为26*26mm^2，而铜块内部则安装了：3个250W的加热棒，从而能够提供较高的模拟热负荷。如图三图四所示。

图 3开放式风洞示意图

图 4加热器模块和散热模块示意图。

在搭建好实验平台后，本文作者开始探究的一个关键问题，即充液率到底多少最好？本文重点研究了四种Filling Ratio（FR，充液率），分别是40%,50%,60%,70%。结果非常明显——热阻并不是随着充液率增加而持续降低。实验结果显示，充液率在40%-50%时，热阻明显下降。在328W热负荷下，热阻从0.096℃/W下降至0.069℃/W。也就是说，50%FR对应最佳性能之一。但是继续增加充液率热阻反而重新升高。如图五所示。具体的原因则是因为当充液率较低时，系统压力相对较低，蒸发器中的气泡生成和沸腾过程受到限制，因此整体热阻较高。当FR增加至约50%时饱和压力提高，沸腾过程增强，蒸发器传热改善，整体热阻下降。因此获得了最佳性能。但是，当充液率继续增加时，液位进一步升高，可能对冷凝器产生液体淹没等影响，同时系统压力也继续升高。最终热阻上升。作者因此认为，在本研究的测试范围内当时具有最佳综合性能。

图 5 328W时不同的FR与热阻

在此之后本文作者开始探究第二个关键问题，高热负荷是否意味着更好的沸腾。按照一般的理解，提高热负荷会带来更强的沸腾，因此换热性能似乎应该越来越好。但是作者的实验发现，热阻随着热负荷增加，最初确实下降。但超过一定热负荷之后，热阻反而重新增加。这意味着系统内部可能存在一个新的限制机制。作者最终将这个现象归因于Confinement Effect，即受限空间效应。具体内容则是蒸发器上方的空间是有限的，当热负荷较低时，气泡产生数量有限，此时蒸汽能够顺利离开蒸发器使得液体能够持续补充。但是当热流密度进一步增加时，更多成核点被激活。于是大量气泡在蒸发器上方产生、聚并。如果顶部空间不足，则气泡和蒸汽无法及时离开蒸发器，最终形成了蒸汽滞留。即当蒸发器产生大量蒸汽时，有限的顶部空间可能阻碍气泡和蒸汽及时排出。如图六所示。气泡滞留后，可能发生：①气泡聚并。②阻碍液体补充，大量蒸汽占据蒸发器顶部空间，使液体难以持续补充至高温加热表面。③核态沸腾受到抑制。正常情况下，气泡不断产生，长大，脱离。新的液体随后重新润湿加热表面。但在受限空间内气泡难以离开。最终导致换热系数降低。作者指出，受限空间显著影响了蒸发器中的沸腾特性，并抑制了核态沸腾。如图七图八所示。

图 6蒸发器顶部受限空间示意图

图 7受限空间对沸腾曲线的影响

图 8研究了受限空间对沸腾曲线的影响，并与Forrest等人的核态沸腾曲线进行了比较

而第三个关键问题则是增加空气流量能否增加散热性能？作者进一步研究了130,150,170CFM三种空气流量。结果符合基本预期——更高的空气流量带来了更低的热阻。如图九所示。这意味着冷凝器能够更有效地将热量排向环境。但是，论文中一个非常值得注意的现象是——不同空气流量之间的最低热阻差异并不显著。作者认为，相比空气流量，系统性能更加受到热负荷、系统压力、蒸发器沸腾性能等因素影响。这也再次说明冷凝器并不是当前系统最主要的性能瓶颈。

图 9 A)热阻的变化；b)不同热负荷下不同空气流量下表面温度的变化。

最终，本文作者测试了该系统能够处理多大的热负荷。在最佳测试条件下，本文提出的 RLTS 实现了。同时，对应最高热流密度达到。作者认为，这一热流密度水平相比文献中已有的Loop Thermosyphon具有较高的散热能力。对于高功率CPU/GPU或未来高性能计算芯片而言，这种被动式两相散热方案具有一定的应用潜力。最后，作者还测试了不同热负荷下的芯片表面温度响应。实验结果表明，系统通常可以在400s以内表现出较快的温度响应。而在不同热负荷之间完成变化并达到稳定状态，大约需要900s。因此，作者认为该RLTS具有相对较快的动态响应能力。如图10所示。

图 10不同热负荷下RLTS的表面温度+

三．研究总结

综合全文，本文最重要的结论便是提出了一种面向2U服务器的RLTS，系统采用蒸发器+蒸汽上升管+液体下降管+空气冷却冷凝器构成自然循环两相散热系统。对应最高热流密度约为，在50%Filling Ratio时具有最佳性能，论文结论部分给出的最低热阻为0.078℃/W，并且提出了在该系统中热负荷增加并不能一直改善性能，系统存在性能最佳的热负荷区间。而蒸发器则是当前系统的主要瓶颈。因此，未来进一步提升RLTS性能的关键并不只是提高风量，而是改善蒸发器结构、沸腾传热、汽液排出与补液和优化蒸发器顶部空间设计。因此，未来高热流密度RLTS的优化重点应从单纯提高换热能力，进一步转向“沸腾强化—液体补给—蒸汽排出—汽液协同管理”的整体设计。