新型冷板對(duì)服務(wù)器CPU散熱的研究及能耗分析

張振亞， 王 芳， 屈 巖， 王宏杰， 黃園園

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

新型冷板對(duì)服務(wù)器CPU散熱的研究及能耗分析

張振亞， 王 芳， 屈 巖， 王宏杰， 黃園園

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

設(shè)計(jì)了一種新型服務(wù)器散熱的冷卻裝置，以一臺(tái)服務(wù)器CPU及機(jī)箱為研究對(duì)象，建立熱分析數(shù)學(xué)模型.通過比較空氣冷卻與液體蒸發(fā)冷卻的模擬散熱效果，分析施行強(qiáng)制對(duì)流協(xié)同冷板蒸發(fā)冷卻方案的可行性.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬的可行性，結(jié)果表明：強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)冷卻對(duì)服務(wù)器CPU及機(jī)箱散熱效果明顯，120 W高功耗下CPU的工作溫度仍較為穩(wěn)定，且機(jī)箱內(nèi)的溫度分布更為均勻.該方式不僅有利于單臺(tái)服務(wù)器機(jī)箱的散熱，并且在小型服務(wù)器工作站能耗分析中，相對(duì)風(fēng)冷散熱其空調(diào)機(jī)房能耗要減少40%左右.

新型冷板；CPU散熱；蒸發(fā)冷卻；模擬；能耗分析

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，針對(duì)高熱流密度微電子器件的散熱問題，發(fā)展了微尺度換熱器、微型熱管、微型記憶合金百葉窗、納米流體等微細(xì)尺度熱控技術(shù)，推進(jìn)了新型電子元器件、電子薄膜材料以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)工藝的發(fā)展，拓展和更新了傳統(tǒng)的傳熱理論和制冷技術(shù).

對(duì)于微電子元器件的散熱，國(guó)內(nèi)外近年來(lái)從不同方面進(jìn)行了研究.Yu等［1］采用CFD數(shù)值模擬的方法，對(duì)臺(tái)式電腦的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)，采用一個(gè)箱體風(fēng)機(jī)和電源風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，并加裝一組80 mm×60 mm導(dǎo)流散熱片對(duì)CPU散熱.陳國(guó)強(qiáng)等［2］針對(duì)電子設(shè)備發(fā)熱所引起的可靠性下降問題，對(duì)機(jī)箱內(nèi)部PCB板進(jìn)行了強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱特性熱測(cè)試實(shí)驗(yàn).曹紅等［3］進(jìn)一步驗(yàn)證電子設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件熱分析模塊的分析精度.方志強(qiáng)等［4］應(yīng)用熱分析技術(shù)展示了熱分析的全過程，對(duì)熱分析軟件應(yīng)用中的難點(diǎn)提出了解決方案.翁建華等［5］對(duì)一筆記本電腦中的散熱模組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，散熱模組的實(shí)驗(yàn)與熱計(jì)算表明，采用節(jié)點(diǎn)數(shù)不多的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方程，并通過一定的工程積累獲得合理的參數(shù)（如熱阻）取值，可對(duì)散熱模組進(jìn)行初步計(jì)算，從而在電腦設(shè)計(jì)之初確定散熱模組能否滿足設(shè)計(jì)要求或?qū)ζ溥M(jìn)行必要的修改.

目前針對(duì)高速計(jì)算機(jī)和服務(wù)器核心器件CPU的冷卻研究主要是空氣冷卻、半導(dǎo)體冷卻、熱管冷卻等方式，對(duì)于蒸氣壓縮式制冷用于CPU冷卻方面的研究卻相對(duì)較少.香港中文大學(xué)的鄔志輝等［6］利用冷板式蒸發(fā)器冷卻發(fā)熱芯片實(shí)驗(yàn)使發(fā)熱量為200 W的芯片在冷板的作用下長(zhǎng)時(shí)間維持在60℃左右.美國(guó)普渡大學(xué)的Nnanna［7］通過對(duì)蒸氣壓縮系統(tǒng)冷卻電子元件的研究，指出蒸發(fā)器入口應(yīng)靠近熱流密度較高處.瑞士洛桑理工學(xué)院的Marcinichen等［8］通過液體蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)用于電子元件散熱這一領(lǐng)域的研究，指出制冷劑選用HFC245fa比較合適.

本文將從應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)高熱流密度電子器件的散熱進(jìn)行模擬及實(shí)驗(yàn)研究.以一臺(tái)服務(wù)器為例，對(duì)其CPU及機(jī)箱進(jìn)行熱分析，分別模擬強(qiáng)制風(fēng)冷和液體蒸發(fā)冷卻時(shí)服務(wù)器內(nèi)主要元件的溫度場(chǎng)分布，最后討論用蒸發(fā)冷卻方式對(duì)服務(wù)器芯片進(jìn)行局部降溫，在探討小型服務(wù)器基站能耗基礎(chǔ)上，分析目前用于電子信息系統(tǒng)機(jī)房空調(diào)節(jié)能的可行性.

1 冷卻方式對(duì)CPU及機(jī)箱散熱的模擬分析

1.1 冷卻模型的建立

傳統(tǒng)風(fēng)冷翅片（空氣強(qiáng)制對(duì)流）散熱板結(jié)構(gòu)如圖1所示，翅片材料為紫銅.新型液體蒸發(fā)冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其作用于CPU的結(jié)構(gòu)模型見圖3.

圖1 風(fēng)冷翅片散熱板模型Fig.1 Model of air-cooled finned heat plate

圖2 新型液體蒸發(fā)冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of new liquid evaporation cold plate

圖3 新型冷板作用于CPU的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of new cold plate acting on the CPU

設(shè)定系統(tǒng)熱邊界條件：芯片上施加功耗為120 W，模型外部通過與空氣進(jìn)行對(duì)流和輻射散熱，選取周圍空氣的溫度為35℃；強(qiáng)制對(duì)流情況下，空氣流速為3.5 m／s，對(duì)流換熱系數(shù)為40 W／（m2·K），PCB板的黑度為0.9；液體蒸發(fā)冷卻情況下模型外部通過與空氣進(jìn)行對(duì)流散熱，對(duì)流換熱系數(shù)為25 W／（m2·K），空氣流速為2 m／s，PCB板的黑度為0.9，冷板冷卻器的設(shè)計(jì)溫度為20℃，冷媒的流速為2 m／s；此處忽略其它元件的散熱量對(duì)CPU的影響.

1.2 作用于CPU的冷板溫度分布與模擬分析

圖4是傳統(tǒng)風(fēng)冷（強(qiáng)制對(duì)流）翅片散熱板作用于底層CPU功耗為120 W時(shí)的溫度分布云圖.圖中顯示CPU處于強(qiáng)制對(duì)流冷卻狀態(tài)，其最高結(jié)點(diǎn)溫度為104.1℃，且最高溫度值覆蓋的區(qū)域比較大.這是由于芯片功耗較大時(shí)，傳導(dǎo)于翅片的熱量不能及時(shí)擴(kuò)散，CPU之間的溫度就相差較大.同時(shí)看出環(huán)境溫度為35℃時(shí)風(fēng)冷情況下，芯片在120 W運(yùn)行時(shí)的最大溫度值超出了CPU安全工作溫度的許可范圍（一般情況下認(rèn)為CPU在75℃以下都可以安全工作）.

圖5給出CPU功耗為120 W時(shí)的溫度分布.由圖中看出，CPU處于液體蒸發(fā)冷卻時(shí)，當(dāng)功耗為120 W，其最高結(jié)點(diǎn)溫度為64.8℃.同時(shí)，從圖中看出熱沉與熱擴(kuò)展面之間的溫度介于50～55℃，相對(duì)于風(fēng)冷冷卻，溫度分布更加均勻.

圖4 風(fēng)冷翅片作用于CPU的溫度分布云圖Fig.4 CPU temperature distribution under air-cooling

圖5 新型冷板作用于CPU的溫度分布圖Fig.5 CPU temperature distribution under evaporative cooling

1.3 服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)的模擬與數(shù)據(jù)分析

對(duì)服務(wù)器機(jī)箱模型進(jìn)行不同邊界條件的設(shè)定（主要條件與上述模擬邊界條件相同）.不同CPU功耗對(duì)其它電子元件的影響不同，但主要溫度分布趨勢(shì)一致.圖6和圖7分別為風(fēng)冷翅片和新型冷板作用于CPU（120 W）及機(jī)箱內(nèi)溫度分布云圖.

圖6 風(fēng)冷翅片散熱時(shí)機(jī)箱內(nèi)部溫度分布云圖Fig.6 Case temperature distribution under air-cooling

由圖6機(jī)箱內(nèi)部溫度分布云圖看出，采用強(qiáng)迫空氣對(duì)流冷卻時(shí)，隨著CPU功耗的增加，其它元件的溫度相應(yīng)有所升高，散熱效果有所下降.機(jī)箱內(nèi)部主板的最低溫度為68.8℃，核心元件在這種高溫狀況下運(yùn)行不但影響使用壽命，同時(shí)計(jì)算速度也會(huì)受到嚴(yán)重影響.從圖7機(jī)箱內(nèi)溫度分布云圖看，當(dāng)外界環(huán)境溫度為35℃，CPU功耗為120 W時(shí)，機(jī)箱內(nèi)主板最高溫度為74.86℃，主要元件位置處基本沒有比較突出的溫度結(jié)點(diǎn).這種散熱方式不但能夠維持CPU

圖7 強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)冷卻機(jī)箱內(nèi)溫度分布云圖Fig.7 Case temperature distribution under evaporative cooling

在較穩(wěn)定的溫度下工作，還能減少風(fēng)扇的數(shù)量，降低噪音.同時(shí)，空氣流經(jīng)冷卻器時(shí)由于溫差較大，空氣溫度快速降低，能夠有效增加對(duì)其它元件的散熱.

2 兩種冷卻方式降溫性能試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

從以上分析可知，隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品功耗和熱流密度的不斷增加，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱形式已經(jīng)滿足不了電子元件在較高環(huán)境時(shí)散熱的需求.目前，對(duì)電子器件用相變蒸發(fā)冷卻方式散熱雖因其空氣中可能帶來(lái)的表面凝露問題而有些復(fù)雜，但卻是散熱效果顯著的一種換熱形式，它能有效維持CPU的溫度穩(wěn)定甚至保持在室溫狀態(tài).對(duì)于處理數(shù)據(jù)量大的高功耗服務(wù)器CPU來(lái)說(shuō)，利用新型結(jié)構(gòu)冷板協(xié)同對(duì)流換熱及有效的控制系統(tǒng)，將是一種可行的散熱方式.

2.1 服務(wù)器CPU降溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

參照電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范《GB50174-2008》對(duì)環(huán)境的要求，實(shí)驗(yàn)工況為：干球溫度35℃，相對(duì)濕度（50±5）%.

經(jīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳統(tǒng)風(fēng)冷翅片冷卻時(shí)CPU在不同功耗下溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示（見下頁(yè)）；由實(shí)驗(yàn)測(cè)得新型冷板直接冷卻CPU在不同功耗下溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖9所示（見下頁(yè)）.

由圖8可以看出，強(qiáng)制空氣對(duì)流翅片冷卻時(shí)CPU在低功耗時(shí)溫度能夠很快達(dá)到穩(wěn)定；功耗95 W時(shí)雖然也能夠達(dá)到穩(wěn)定，但處于較高的溫度點(diǎn)；滿負(fù)荷時(shí)溫度持續(xù)上升，甚至超過警戒溫度.所以在外部環(huán)境溫度較高時(shí)強(qiáng)制對(duì)流空氣翅片冷卻的方式不能滿足CPU的散熱需要.

由圖9可以看出，CPU在液體冷板直接冷卻時(shí)能保持穩(wěn)定運(yùn)行，并且在高功耗時(shí)溫度的穩(wěn)定速度比低功耗時(shí)快，這是由于在高功耗時(shí)冷卻器的冷量主要用于CPU的冷卻.環(huán)境溫度較高時(shí)，CPU在低功耗下運(yùn)行產(chǎn)生的熱量相對(duì)環(huán)境熱量較少，冷卻器主要吸收空氣中的熱量.同時(shí)也可看出，CPU功耗為120 W時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行溫度為47℃左右，所以導(dǎo)致在低功耗運(yùn)行時(shí)溫度穩(wěn)定速度較慢.這說(shuō)明這種冷卻方式有利于CPU在高功耗時(shí)的散熱；同時(shí)也說(shuō)明液體蒸發(fā)冷卻方式能夠滿足CPU在較高環(huán)境溫度時(shí)的散熱.

圖8 風(fēng)冷翅片散熱CPU溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 CPU temperature versus time curve under air-cooled

圖9 新型冷板散熱CPU溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 CPU temperature versus time curve under evaporative cooling

2.2 不同冷板對(duì)服務(wù)器機(jī)箱散熱的對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)冷翅片作用下，不同CPU功耗下風(fēng)冷翅片冷卻時(shí)機(jī)箱內(nèi)主要元件如主板溫度隨時(shí)間的變化由圖10所示.

從主板溫度變化曲線可以看出，一段時(shí)間內(nèi)主板的運(yùn)行溫度比較穩(wěn)定，并且CPU功耗升高時(shí)主板的溫度也有所提升.這主要由于CPU在不同功耗下運(yùn)行時(shí)，其它電子元件的散熱也同時(shí)增加，瞬時(shí)熱量不能及時(shí)散失，使機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度上升，致使主板的散熱條件惡化，導(dǎo)致主板在環(huán)境溫度較高時(shí)CPU處于高功耗運(yùn)行，溫度逐漸上升.

圖10 翅片散熱時(shí)主板溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.10 Mainboard temperature versus time curve under air-cooling

實(shí)驗(yàn)測(cè)得新型冷板作用下，機(jī)箱主板溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖11所示.從圖中看出主板在相同試驗(yàn)工況下運(yùn)行一段時(shí)間后溫度達(dá)到穩(wěn)定.對(duì)比翅片散熱方式時(shí)的溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，主板溫度有所降低，且主板溫度降低的幅度較大.這是由于冷卻器的冷量一部分用于冷卻機(jī)箱內(nèi)部空氣，使空氣溫度降低，從而增強(qiáng)了主板的散熱.在兩種工況運(yùn)行時(shí)主板的溫度都需要經(jīng)過一段時(shí)間的上升之后才能達(dá)到穩(wěn)定，因?yàn)槔鋮s器開始時(shí)吸收空氣中的熱量多，空氣的溫度降低，有利于主板的散熱；隨著CPU發(fā)熱量的增多，冷卻器吸收CPU熱量增加，導(dǎo)致空氣溫度降低幅度減小，最后隨著時(shí)間的推移逐步達(dá)到平衡.

圖11 新型冷板散熱時(shí)主板溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Mainboard temperature versus time curve under evaporative cooling

3 新型冷板對(duì)服務(wù)器散熱的能耗分析

目前針對(duì)小型服務(wù)器工作站的運(yùn)行維護(hù)，通常由空調(diào)系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器負(fù)荷進(jìn)行間接換熱.采用這種散熱方式先要恒定機(jī)房?jī)?nèi)的空氣溫度，即用冷卻空氣來(lái)平衡機(jī)箱的散熱.由于機(jī)房空間與全面送風(fēng)量較大，制冷機(jī)組與風(fēng)機(jī)的能耗相對(duì)較大，而新型液體蒸發(fā)冷板則直接作用于高發(fā)熱量元件上，同時(shí)微型冷卻器的冷量還有利于周圍其它元件的散熱.下面通過計(jì)算兩種冷卻方式的冷量利用率，對(duì)冷板直接蒸發(fā)冷卻進(jìn)行能耗分析.

3.1 冷卻方式對(duì)服務(wù)器機(jī)房用能比較

算例模型參數(shù)如下：空間尺寸為4 m×4 m× 3 m，內(nèi)有20臺(tái)主機(jī)，環(huán)境溫度和房間溫度均為35℃，房間內(nèi)相對(duì)濕度為50%，墻體厚度為24 mm，其導(dǎo)熱系數(shù)λ取0.79 W／（m·K），密度ρ取1 930 kg／m3，外墻面溫度分別取35，26，26，26℃.

換熱條件：依據(jù)電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范《GB50174-2008》對(duì)環(huán)境溫度的要求，空調(diào)系統(tǒng)散熱時(shí)設(shè)定房間內(nèi)的溫度保持（23±1）℃，忽略26℃時(shí)墻面與房間的熱傳遞，房間內(nèi)相對(duì)濕度保持不變，不計(jì)空氣潛熱.根據(jù)以上設(shè)定條件對(duì)兩種冷卻方式進(jìn)行能耗分析.

3.1.1 蒸發(fā)冷卻散熱冷量計(jì)算

前述CPU的最高功耗為120 W，且冗余熱負(fù)荷為79 W，環(huán)境溫度為35℃時(shí)，散熱完全滿足需要.所以一臺(tái)機(jī)箱所需冷量Q記為200 W.20臺(tái)機(jī)器所需的制冷量為

由于采用這種冷卻方式時(shí)房間內(nèi)的溫度為35℃，為了避免環(huán)境擾動(dòng)，引入安全系數(shù)η=1.2.算例模型中所需總的制冷量為

3.1.2 空調(diào)機(jī)組冷卻散熱冷量計(jì)算

空調(diào)散熱的冷量可采用“功率及面積法”計(jì)算機(jī)房冷負(fù)荷，即

式中，Qk為總機(jī)房冷負(fù)荷；Qh為環(huán)境冷負(fù)荷（0.12～0.18 kW／m2×機(jī)房面積）；Qj為室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷（設(shè)備功率×0.8）

根據(jù)上述計(jì)算方式可得到機(jī)房冷負(fù)荷為

上述計(jì)算可知同等設(shè)備下Qk＞Qy，并且采用液體直接冷卻時(shí)冷量同比減少了41.4%.

3.2 蒸發(fā)冷卻及新型冷板應(yīng)用可行性

根據(jù)以上風(fēng)冷和蒸發(fā)冷卻散熱結(jié)果對(duì)比，有以下特點(diǎn)可總結(jié)：

a.液體蒸發(fā)冷卻因?yàn)橛兄评鋭┑南嘧冞^程，其熱容量大.由文中模擬圖5和圖7可知，當(dāng)CPU在大功耗下運(yùn)行時(shí)風(fēng)冷散熱會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)熱尖峰，甚至有可能超過CPU運(yùn)行警戒溫度，而直接蒸發(fā)冷卻散熱因換熱量大，僅會(huì)出現(xiàn)短期熱波動(dòng).

b.液體蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)載能力大，可以有較大的環(huán)境溫度擴(kuò)展，這樣就會(huì)使CPU在較小的溫度波動(dòng)范圍內(nèi)工作，工作溫度曲線非常平緩，可以避免整個(gè)機(jī)箱內(nèi)局部溫度過高或溫度差異過大的現(xiàn)象.

c.一套液體蒸發(fā)冷卻裝置（壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、分液控制閥、微型冷板蒸發(fā)器）能夠同時(shí)滿足多臺(tái)服務(wù)器的散熱需要，可以利用較小壓縮機(jī)的功率消耗達(dá)到較高的散熱效果，同時(shí)冷卻器的熱量可以由特定流道實(shí)現(xiàn)定向轉(zhuǎn)移.

d.冷板蒸發(fā)冷卻散熱時(shí)，因局部空氣溫度低而減小機(jī)器散熱風(fēng)扇的風(fēng)量，工作噪聲小，避免服務(wù)器風(fēng)扇的低頻噪聲.

對(duì)比服務(wù)器工作站機(jī)房的間接冷卻方式，新型冷板蒸發(fā)冷卻方式較為節(jié)能，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置比較合理.

4 結(jié) 論

本文以一臺(tái)服務(wù)器CPU及機(jī)箱為研究對(duì)象，建立熱分析數(shù)學(xué)模型，模擬服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可行性，分析得出：

a.采用液體蒸發(fā)冷卻時(shí)CPU的降溫作用明顯，若蒸發(fā)冷卻和空氣對(duì)流冷卻同時(shí)對(duì)機(jī)箱進(jìn)行散熱，不但能使CPU的運(yùn)行溫度保持穩(wěn)定，還能降低機(jī)箱內(nèi)空氣的溫度，增強(qiáng)其它元件的散熱并且避免結(jié)露問題.

b.液體蒸發(fā)冷卻方式不但有利于單臺(tái)服務(wù)器機(jī)箱的散熱，而且在小型服務(wù)器工作站中相對(duì)機(jī)房空調(diào)冷卻方式，其機(jī)房總能耗要減少近40%.

c.因大型服務(wù)器工作站為避免靜電產(chǎn)生，對(duì)空氣濕度以及含塵量提出較高要求，蒸發(fā)冷卻散熱方式是否滿足實(shí)際使用，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn).

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（編輯：丁紅藝）

Analysis of Heat Dissipation Effect and Energy Consumption on a New Type of Cooling Device Used in Server CPU

ZHANGZhen-ya， WANGFang， QUYan， WANGHong-jie， HUANGYuan-yuan
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

A new type of cooling device used in server was designed.Taking a server CPU as a research object，a mathematical model for thermal analysis was established and the temperature and velocity fields distributions were simulated.The simulated heat dissipation effects of air cooling and liquid cooling were compared to analyze the feasibility of the plan of forced convection liquid cooling.The effectiveness of simulation was proved by experiments.The results show that as the CPU is cooled by forced convection liquid cooling，the temperature distribution is more uniform and the temperature of the CPUis more stable in the condition of high power consumption（120 W）.The device proposed can be applied in the cooling of a single server chassis，and can be extended further in the cooling of a small server workstation.The energy consumption analysis of the small server workstation shows that，comparing with the air-cooled heat emission，the energy consumption of air-conditioned computer room can be reduced by about 40%.

new type of cold plate；CPU heat dissipation；evaporative cooling；simulation；energy consumption analysis

TB 65

A

2013-08-26

張振亞（1989-），男，碩士研究生.研究方向：節(jié)能制冷技術(shù).E-mail：zzy129＠126.com

王 芳（1966-），女，副教授.研究方向：制冷領(lǐng)域中的節(jié)能與環(huán)保.E-mail：wang1996903＠163.com

1007-6735（2014）04-0317-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.003