带热管或蒸汽室散热器的服务器热管理研究
大多数用于数据和电信系统的刀片服务器使用空气来冷却内部的高功率芯片。
随着这些芯片的功率水平不断增加，热工工程师面临着设计更高性能的风冷散热器的压力。
近年来，更薄的热管和蒸汽室制造的进步使工程师能够将热管和蒸汽室集成到刀片服务器的散热器中。
热管是一种具有高热导率的装置，它可以在其冷热两端之间以微小的热差传输大量的热量。热管的想法最早是由高格勒提出的。
然而，直到它在20世纪60年代早期由Grover 发明之后，科学家和工程师才意识到热管的显著特性。
它现在被广泛用于将热量从一个位置传输到另一个位置，或平滑固体表面上的温度分布。
传热管是一种自驱动的两相传热装置。一个热管的示意图如图1所示。在热段（蒸发器），液体蒸发并变成蒸汽。
蒸汽流入冷段（冷凝器）并在那里液化。由灯芯结构引起的毛细管力将液体从冷段推回热段。通过使用沸腾和冷凝，热管道可以以最低的温度梯度将热量从一侧传递和传播到另一侧。
图1.典型的热管
蒸汽室是具有非常高导热率的扁平热管。它们的顶部和底部都是平面的。见图2，它可以很容易地连接到热源和散热器上。
图2.蒸汽室
就像热管一样，蒸汽室使用沸腾和凝结来最大限度地提高其传热能力。蒸汽室通常具有固体金属外壳，内壁内有灯芯结构。
外壳内部被减压的工作流体饱和。当热量在蒸汽室的一侧施加时，靠近热源位置的流体达到其沸点并蒸发。
然后，蒸汽到达蒸汽室的另一边，并冷凝成液体。冷凝流体通过重力或毛细管作用返回到热侧，准备再次蒸发并重复循环。
在电子冷却系统中，热管通常用于将热量从电子设备转移到散热装置上。例如，在台式计算机中，使用多个热管道将热量从CPU传输到冷却鳍阵列，通过对流将热量散发到周围环境中。
蒸汽室通常用于将热量从一个较小尺寸的设备扩散到一个较大尺寸的散热器，如图2所示。如果用于服务器散热器，由于散热器的低轮廓和占地面积大，热管和蒸汽腔都用于传播热量。
与铜撒热器相比，热管和蒸汽室具有以下优点。首先，它们具有更高的有效导热系数。纯铜的导热系数为401W/m.ºC，金刚石的最佳导电材料的导热系数为1000-2000W/m.ºC。
一个设计良好的热管和蒸汽室的有效导热系数可超过5000W/m.ºC，比纯铜高一个数量级。
第二，热管和蒸汽室的密度远低于铜的密度。由于其中空结构，由蒸汽室制成的散热器比那些由铜制成的要轻得多。这些特性使它们成为高热通量和重量敏感性传热应用的理想候选材料。
图3.发电机被动式散热器(a) R12 (b) R19
发电机公司是一家电子冷却供应商，专门从事散热器的服务器。本文比较了其服务器散热器的热性能，其中一些散热器集成了蒸汽室。
图3显示了为Intel的桑迪桥EP/EX处理器的两个Dynatron 1U无源服务器散热器的照片。R12是由纯铜和带有跳跃的鱼鳍制成的。R19有一个蒸汽室底座和堆叠的铜翅片。散热器的规格列于表1中。R19比R12轻150克。
表1.发电机被动式散热器规格
图4和图5显示了R12和R19在不同流速下的热性能。在10CFM时，两个散热器的热阻均为0.298ºC/W。当流量增加到20CFM时，R19的热阻为0.218ºC/W，比R12的热阻低0.020ºC/W。
图4.发电机R12散热器性能
图5.发电机R19散热器性能
图6显示了为英特尔的SannyBridgeEP/EX处理器的两个Dynatron 1U有源服务器散热器的照片。
R18是由铜和滑动的鳍制成的。R16有蒸汽室基座和堆叠的铜翅片。两个散热器都使用相同的鼓风机。散热器的规格列于表2中。R16比R18轻90克。
图6.发电机被动式散热器(a) R18 (b) R16
表2.发电机主动散热器规格
图7.发电机R18散热器性能
图8.发电机R16散热器性能
图7和图8显示了R18和R16在不同鼓风机转速下的热性能。在3000RPM时，R18和R16散热器的热阻分别为0.437ºC/W和0.393ºC/W。
当鼓风机转速增加到6000RPM时，R18的热阻为0.268ºC/W，R16的热阻为0.241ºC/W。R16在不同的鼓风机转速下能够持续地优于R18，其热阻比R18低10%。
发电机散热器的比较表明，带蒸汽室的散热器有轻微的热边缘。这对于被动的和主动的散热器都是如此。
表3.思科测试的散热器规范
来自思科的Glover等人已经为他们的服务器测试了具有嵌入式热管或蒸汽室的不同的散热器，并将他们的研究结果发布。
他们测试了来自不同供应商的五种不同的散热器，这些供应商使用不同的制造技术来制造散热器。这五个散热器的尺寸相似：152.4 x 101.6 x 12.7mm。表3总结了这五种散热器的物理属性。
图9-11显示了具有不同蒸汽室结构和翅片设计的三个蒸汽室散热器。散热器A-1是一种带有蒸汽室带的挤压铝散热器。40 mm宽的蒸汽室条嵌入在基板中心。
图9.带蒸汽室A-1的散热器
图10.带蒸汽室B-1的散热器
图11.带蒸汽室C-1的散热器
图12带热管的散热器
图13.带有热管的散热器D-1
它是五个被测试过的散热器中最轻的一个。散热器B-1和C-1都有全底座尺寸的蒸汽室和铝制拉链翅片。
图12-13显示了两个具有嵌入式热管的散热器。散热器C-2的铝制底座内嵌入了加热管。它使用拉链鳍，在底座中间有一个铜鼻塞。散热器D-1的底部有三个平坦的热管。它有一个铜板作为底座。
表4.具有水平安装位置和底部加热装置的3m/s条件下的散热器性能
Glover等人以不同的安装方向和空气速度测试了五种散热器。表4给出了在3m/s接近空气速度时的散热器的汇总结果。被测试的散热器被水平地安装在散热器底座下面的热源上。
C-1散热器具有最低的热阻；因此，它的值被用作其他散热器的基准。散热器的性能完全取决于设计。对于蒸汽室散热器，30W功率的热阻值为0.19到0.23°C/W。
对于带热管的散热器，C-2散热器的耐热阻为0.23°C/W，与A-1和B-1的耐热阻相匹配。D-1散热器具有最高的热阻，这是设计和制造较差的结果。然而，与没有热管和蒸汽室的常规散热器相比，D-1散热器仍然具有相对较低的热阻。
图14显示了在不同的空气速度下，5个散热器在60W的输入功率下的热阻。C-1散热器在所有速度下都表现最好，而D-1散热器的性能最差。
图14.60W时的散热器热阻
图15.散热器压降
我们还测量了不同空气速度下散热器的压降，结果如图15所示。B-1、C-1和C-2的散热器具有相似的翅片结构。
因此，它们的压降也很相似。A-1和D-1散热器的压降与其他散热器相似且更高。这是因为A-1散热器有更厚的鳍，而D-1散热器有更厚的底座。
由于热管和蒸汽室利用毛细力将液体从冷凝段驱动回蒸发部分，它们的热性能容易发生方向变化。
Glover等人还研究了安装方向对五种散热器性能的影响。他们发现，方向的影响依赖于设计，是灯芯结构和整个散热器组件结构的结果。
Dynatron公司的散热器规格和思科的测试结果表明，嵌入式热管或蒸汽室的服务器吸热器比铜同行具有更好的热性能。
具有嵌入式热管或蒸汽室的散热器也比纯铜散热器更轻，这使它们更适合于对重量敏感的应用。如果这种散热器的成本是合理的，它们绝对是服务器冷却应用程序的好候选者。
END