面向可熱插拔式通訊機柜的兩相自然循環(huán)系統(tǒng)的能力研究

周錦鵬 黃臻成 王直鑫 佟貴年 刁向紅 孫西輝 何振輝

(1 中山大學(xué)空間技術(shù)中心 珠海 519082；2 中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 廣州 510275)

電子設(shè)備的散熱方式從熱管理的層面上劃分，可以分為器件級、系統(tǒng)級(或機柜級)的散熱以及數(shù)據(jù)中心和機房級別的散熱三大類。其中系統(tǒng)級(或機柜級)散熱是指針對服務(wù)器機柜整體的散熱方式。該級別常見的散熱方式包括：空氣冷卻(風(fēng)冷)技術(shù)[1]、空氣-水混合冷卻技術(shù)[2-4]、液體冷卻技術(shù)[5]、相變冷卻技術(shù)等。目前，機柜級的冷卻主要還是以強制風(fēng)冷輔助以液冷或相變冷卻的方式為主，這一類冷卻方式對機房布局、機房空調(diào)冷卻能力依賴性比較大[2-4]。

另一方面，兩相回路換熱技術(shù)在電子設(shè)備冷卻方面有其顯著的優(yōu)勢，然而，目前兩相回路散熱技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在器件級的冷卻上[6-7]，機柜級的冷卻尚不多見。

為解決未來高密度、高集成的需求，設(shè)計并研制了一種應(yīng)用在通訊機柜上，具有可熱插拔模塊的兩相回路散熱系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)利用兩相自然循環(huán)的原理工作，無額外的動力來源。另外，針對實際應(yīng)用中豎直式8U電子模塊，設(shè)計了一套熱插拔模塊。該模塊不僅可以通過底端裝有支持電熱插拔的50針SCSI接口實現(xiàn)電信號的熱插拔，也可以通過與冷板蒸發(fā)器的大面積接觸傳熱，利用預(yù)埋在冷板蒸發(fā)器中的散熱管路傳熱，而實現(xiàn)散熱系統(tǒng)的熱插拔，可以滿足現(xiàn)在對機柜的高密度設(shè)備使用，靈活配置，可維護性高的應(yīng)用要求。

對于這種新型的通訊機柜，最關(guān)心的問題是系統(tǒng)的實際散熱能力。另外，在實際應(yīng)用中，由于機柜中各個模塊并不是總工作在滿負荷狀態(tài)的，存在各通道的散熱量需求不一致的情況，以及，由于維護和更新等需要，機柜需要在保證其他模塊正常工作的情況下進行熱插拔操作。這些狀態(tài)和操作都以不影響系統(tǒng)正常工作為前提。因此，亟需通過實驗考察各通道熱載荷非平衡時系統(tǒng)啟動和運行的穩(wěn)定性能否達到工作的要求。

圖1 可熱插拔式兩相回路散熱通訊機柜及可插拔模塊Fig.1 The hot-swappable two phase natural convection communication cabinet and the hot-swappable module

1 實驗介紹

1.1 實驗平臺及工作原理介紹

實驗系統(tǒng)在一個19寸42U(1U=44.45mm)的網(wǎng)絡(luò)通訊機柜(2000mm×600mm×600mm)里搭建，主要包括12個冷板蒸發(fā)器、儲液器、板式換熱器等部分，如圖2所示。系統(tǒng)運行時12個冷板蒸發(fā)器各自從與其接觸的模塊中吸收熱量，蒸發(fā)器管內(nèi)工質(zhì)沸騰蒸發(fā)變成兩相狀態(tài)，由于蒸發(fā)器位于冷凝器和儲液器的下方，在重力的驅(qū)動下，蒸發(fā)器管內(nèi)工質(zhì)以兩相狀態(tài)向上流動，經(jīng)過儲液器換熱管與儲液器交換熱量，再經(jīng)過最上方的板式換熱器將熱量釋放到冷水中，冷凝成液態(tài)后流回儲液器。蒸發(fā)器管內(nèi)持續(xù)發(fā)生流動沸騰，儲液器不斷有液態(tài)工質(zhì)流出和流進，工質(zhì)在垂直回路中循環(huán)不斷地將模塊的熱量帶走。

實驗回路系統(tǒng)的蒸發(fā)段由并聯(lián)的6個通道組成，每一個通道進口都有獨立的閥門控制通斷(圖2中蒸發(fā)段從左至右依次為通道1、2、3、4、5、6，對應(yīng)于閥門1、2、3、4、5、6)，每個通道串聯(lián)有上、下兩個冷板蒸發(fā)器。冷板蒸發(fā)器是一塊內(nèi)部鑄著“雙U型”彎管的ZL105鋁板，上下冷板蒸發(fā)器由彎管露在鋁板外面的部分首尾相接串聯(lián)在一起。連接上下冷板蒸發(fā)器間的直管長170mm，埋藏在鋁板內(nèi)部的彎管總長為1040mm，材料為銅或不銹鋼，冷板高8U，深283mm，厚17mm。

實驗系統(tǒng)所使用的儲液器是一個圓柱形的不銹鋼容器，內(nèi)部有一根內(nèi)徑為10mm的不銹鋼管作為工質(zhì)從蒸發(fā)器出來后進入換熱器之前的換熱管。儲液器在回路中的位置如圖2所示，水平放置于換熱器出口和蒸發(fā)器進口之間，出液口離下冷板蒸發(fā)器進口和上蒸發(fā)器冷板出口的相對高度約分別為115cm和26cm。儲液器的測定容積為1.039L。為監(jiān)控儲液器的壓力變化，在儲液器的中部放置了型號為Druck PTX7517的絕壓變送器(APS)。另外，通過充灌量的設(shè)計，保證儲液器為兩相狀態(tài)，因此可以通過儲液器來獲得系統(tǒng)的兩相壓力情況。

圖2 實驗系統(tǒng)回路管路示意圖Fig.2 The schematic of the system piping

系統(tǒng)所用的工質(zhì)為R22，充灌量為1775g/3.33 L。模塊側(cè)是考察的主要目標(biāo)，因此溫度點主要均勻布置在模塊內(nèi)部。圖2給出了相關(guān)的測溫點所在的位置，由于圖中沒有畫出模塊，因此圖中的三角符號代表的是模塊側(cè)上所對應(yīng)的測溫點位置。

另外，系統(tǒng)運行時，冷卻水由室外冷卻機組提供，進口溫度接近室溫且低于28℃，可提供的最大流量約為48g/s。

1.2 實驗內(nèi)容

散熱能力是實驗系統(tǒng)的一個重要考察對象。根據(jù)目前一般電子器件設(shè)計，正常工作溫度范圍為-5～65℃[1]，因此實驗設(shè)定電子元件的最高工作環(huán)境溫度，即模塊基板內(nèi)壁的上限溫度為65℃時，考察系統(tǒng)的在冷卻水流量為28℃時的所能達到的最大散熱量。

模塊的非平衡熱載荷是另一個實驗測試的對象。模塊非平衡熱載荷可以分為兩類：通道之間的非平衡和上下蒸發(fā)段的非平衡。其中，通道之間的非平衡模擬了通訊機柜中部分模塊出現(xiàn)故障被拔出維修和非滿載機柜在不中斷運行的情況下增加通訊模塊的過程。上下蒸發(fā)段非平衡實驗是為了模擬不同位置通訊模塊不工作時，系統(tǒng)仍可以正常工作。在上下蒸發(fā)器非平衡的情況中，上蒸發(fā)段工作、下蒸發(fā)段不工作的情況為條件最苛刻的情況，因此只需給出這種情況下的實驗結(jié)果即可。另外，選取了兩組典型的工況，分別代表通道之間和蒸發(fā)段之間非平衡，表1給出了散熱能力測試以及兩種非平衡工況的熱載荷設(shè)置變化情況。

表1 不同工況各模塊標(biāo)稱加熱功率表（單位：W）Tab.1 The power pro fi le of the module in all cases （Unit: W）

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 散熱能力測試

圖3為所有通道各模塊全功率加熱200W系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，先后關(guān)掉上蒸發(fā)段模塊加熱和下蒸發(fā)段模塊加熱這一過程的溫度變化。

實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)采取儲液器并聯(lián)接入回路結(jié)構(gòu)時，全部模塊滿功率運行平穩(wěn)，預(yù)設(shè)散熱量2400W(實際散熱功率超過3000W)，系統(tǒng)工作兩相溫度不超過35℃。

圖3 所有模塊全功率加熱時的溫度分布Fig.3 The temperature distribution of all the modules with full power

另一方面，由于機械加工與硅脂涂膠等原因，造成各通道的模塊與冷板之間的熱阻不完全一致，同時由于接觸面積比較大，也會造成局部溫度的不均勻，因此造成模塊側(cè)個別測溫點(如EVAP_12D)的溫度較高。即使如此，模塊側(cè)的溫度仍可以滿足低于65℃的設(shè)計要求。

2.2 通道間非平衡的實驗結(jié)果

圖4給出了系統(tǒng)非平衡熱載荷的實驗結(jié)果，各通道熱載荷變化情況參考表1。

階段一：15:36至16:20，系統(tǒng)非滿載荷啟動，如圖所示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各模塊內(nèi)部溫度不超過44℃

階段二：16:20至16:55,通道間載荷發(fā)生調(diào)整，用于模擬通訊機柜中部分模塊出現(xiàn)故障被拔出維修和非滿載機柜在不中斷運行的情況下增加通訊模塊的過程。從圖中結(jié)果可以看出該過程通道2和通道5的模塊內(nèi)部溫度幾乎不受影響，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各模塊內(nèi)部溫度不超過45℃。

圖4 系統(tǒng)非平衡熱載荷運行的一個完整過程Fig.4 A detail process of the unbalance heat load

圖5 只開上蒸發(fā)段加熱，不斷提高加熱功率的系統(tǒng)啟動和運行情況Fig.5 The result of increasing heat load in top evaporators during start-up and normal operation

階段三：16:55以后，各模塊載荷發(fā)生調(diào)整，模擬實際中通訊機柜各通道熱載荷發(fā)生變化的情況。實驗結(jié)果可以看出系統(tǒng)各通道模塊運行穩(wěn)定，各模塊內(nèi)部溫度不超過45℃。

綜合可得，系統(tǒng)在各通道間熱載荷非平衡時啟動正常，載荷發(fā)生調(diào)節(jié)后仍可保持運行穩(wěn)定。

2.3 上下蒸發(fā)段非平衡載荷的工作情況

圖5為不開下蒸發(fā)段加熱，只開上蒸發(fā)段加熱，不斷提高加熱功率時系統(tǒng)的啟動和運行情況。熱載荷變化參考表1。

可以看到，上蒸發(fā)段各模塊加熱從25W開始，逐漸增加值200W全功率時，系統(tǒng)可正常啟動，模塊的最高溫度上限從32℃逐漸升至44℃。當(dāng)系統(tǒng)在上蒸發(fā)段各模塊全功率運行穩(wěn)定時，通道4,5,6上蒸發(fā)段加熱功率被關(guān)閉，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€通道間熱載荷非平衡同時部分通道內(nèi)上下蒸發(fā)器熱載荷非平衡的狀態(tài)，通道1,2,3上蒸發(fā)段各模塊溫度下降約3℃后平穩(wěn)，系統(tǒng)再次穩(wěn)定運行。最后，當(dāng)所有模塊的加熱都關(guān)閉時，系統(tǒng)各點溫度回到啟動前的狀態(tài)。整個過程中，系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作，模塊的工作溫度滿足設(shè)計要求(65℃以下)。

3 結(jié)論

在冷卻水進口溫度Twater-in＜28℃，冷卻水流量達48g/s時，基于自然循環(huán)系統(tǒng)的通訊機柜可實現(xiàn)散熱能力達到3000W，同時，所有模塊的內(nèi)部溫度均可滿足電子元件(65℃以下)的正常工作溫度范圍，且系統(tǒng)兩相工作溫度不超過35℃。此外，在各通道熱載荷非平衡和上下蒸發(fā)段熱載荷非平衡的情況下，系統(tǒng)啟動和變功率工作狀態(tài)運行穩(wěn)定，可以滿足實際應(yīng)用中面對的多通道非平衡工作、不同功率啟動、需要熱插拔更換等特殊情況下工作需求，該機柜已經(jīng)具有現(xiàn)實的應(yīng)用能力。

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