基于半導(dǎo)體制冷的服務(wù)器散熱技術(shù)的應(yīng)用

牛健　靳穎

摘要：本文介紹了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的基礎(chǔ)及使用條件，并在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中針對(duì)服務(wù)器的特殊使用環(huán)境及環(huán)境要求，設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體制冷的服務(wù)器散熱設(shè)備，根據(jù)半導(dǎo)體制冷技術(shù)結(jié)合服務(wù)器溫控等綜合技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到了實(shí)際使用價(jià)值，保證了對(duì)服務(wù)器散熱的要求。

關(guān)鍵詞：服務(wù)器、半導(dǎo)體制冷、溫控

0 引言

在專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，如大型服務(wù)器及服務(wù)集群等商業(yè)化的大規(guī)模計(jì)算服務(wù)中心，仍然需要高效的散熱及溫控技術(shù)來保證高精度的數(shù)據(jù)服務(wù)。這就需要必須采用高效的散熱技術(shù)來解決實(shí)際問題。對(duì)比常規(guī)的風(fēng)冷技術(shù)、水冷技術(shù)，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于提供了主動(dòng)的制冷方式，其散熱效果是其他技術(shù)無法比擬的，并且在半導(dǎo)體制冷的實(shí)際應(yīng)用中，證明了主動(dòng)的制冷散熱方式為服務(wù)器運(yùn)行的保障是具有實(shí)際效果的。但是，對(duì)于半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用的條件很嚴(yán)格，根據(jù)其技術(shù)的基礎(chǔ)情況，要從服務(wù)器環(huán)境管理、溫度監(jiān)測(cè)及控制、輔助散熱技術(shù)等多方面技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的環(huán)境管控。

1 服務(wù)器環(huán)境

1.1 服務(wù)器構(gòu)架復(fù)雜

服務(wù)器由于用途與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)并不相同，所以在服務(wù)器主板與其他服務(wù)器配件都與普通的計(jì)算機(jī)有所出入，服務(wù)器內(nèi)部構(gòu)造是與其主要用途決定的，所以很多服務(wù)器并非采用傳統(tǒng)的兼容構(gòu)架，而是根據(jù)其特定用途進(jìn)行設(shè)計(jì)的。例如：?jiǎn)我坏闹靼鍖?duì)多CPU的支持，多內(nèi)存，多顯卡，多外接設(shè)備等的支持。如圖1所示。

1.2 服務(wù)器空間有限

服務(wù)器的空間是由服務(wù)器機(jī)箱規(guī)格決定的，按照1U、2U、刀片服務(wù)器等不同規(guī)格決定，由于在有限的空間中需要放置更多的設(shè)備，所以決定不能將更大面積的散熱設(shè)備至于其中，這就決定了服務(wù)器散熱必須采用高效地的設(shè)備來解決實(shí)際問題。

1.3 服務(wù)器散熱方式

傳統(tǒng)的服務(wù)器散熱方式與普通PC機(jī)基本相同，主要由風(fēng)冷式散熱、水冷式散熱。其中：風(fēng)冷式散熱主要由導(dǎo)熱片和風(fēng)扇組成，導(dǎo)熱片多采用銅、鋁材質(zhì)的不同制程工藝制造，風(fēng)扇多為帶有溫控設(shè)計(jì)。風(fēng)冷散熱優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但由于散熱方式?jīng)Q定了其效能不高，不能滿足要求較高的環(huán)境；水冷式散熱是將風(fēng)冷式的風(fēng)扇替換為液體，通過液體循環(huán)傳熱體質(zhì)達(dá)到散熱效果。

2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)

2.1 半導(dǎo)體制冷的原理

熱電制冷是具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過直流電時(shí)具有制冷功能，由于半導(dǎo)體材料具有最佳的熱電能量轉(zhuǎn)換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導(dǎo)體制冷。詳見圖2所示。半導(dǎo)體制冷是建立于塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)共五種熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上的制冷新技術(shù)。其中，塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)三種效應(yīng)表明電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，另外兩種效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)。

（1）塞貝克效應(yīng)， 1821年，塞貝克發(fā)現(xiàn)在用兩種不同導(dǎo)體組成閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)連接點(diǎn)溫度不同時(shí)（T1

（2）珀?duì)柼?yīng)，珀?duì)柼?yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆過程。由兩種不同材料構(gòu)成回路時(shí)，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。

（3）湯姆遜效應(yīng)，若電流過有溫度梯度的導(dǎo)體，則在導(dǎo)體和周圍環(huán)境之間將進(jìn)行能量交換。

（4）焦耳效應(yīng)，單位時(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平方的乘積。

（5）傅立葉效應(yīng)，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個(gè)方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。

2.2 半導(dǎo)體制冷的效果測(cè)試

本文主要進(jìn)行 CPU 在只有風(fēng)扇情況下和CPU 在接入半導(dǎo)體制冷片時(shí)的試驗(yàn)： （ 1） CPU 在只有風(fēng)冷（ 風(fēng)扇） 情況下的散熱： 先把半導(dǎo)體制冷片從整個(gè)裝置中取出，將 CPU 直接貼在散熱器上，然后給 CPU 和電扇都接通直流電源，風(fēng)扇兩端電壓穩(wěn)定在 12V，CPU 兩端加電壓從 5V ～8V，每次增加 1V，用數(shù)據(jù)采集儀記錄在每個(gè)電壓下的CPU 從初始狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)的溫度數(shù)據(jù)； （ 2） CPU 在接入半導(dǎo)體制冷片時(shí)的散熱： 把半導(dǎo)體制冷片放入裝置，冷端貼在 CPU 上，熱端貼在散熱器上，先給 CPU 和風(fēng)扇接通直流電源，風(fēng)扇兩端電壓仍穩(wěn)定在 12V。給 CPU 兩端加 5V 電壓，一段時(shí)間后給制冷片兩端加電壓 3V ～7V，每次增加 1V，記錄在每個(gè)制冷片輸入電壓下制冷片冷端和熱端從初態(tài)到穩(wěn)態(tài)的溫度數(shù)據(jù)，再分別給 CPU 兩端加 7 ～8V 電壓，進(jìn)行相同的操作。

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)裝置除了風(fēng)冷裝置以外全部放入隔熱槽中，這樣熱量只能縱向傳導(dǎo)，所以整個(gè)問題可以近似為一維導(dǎo)熱問題。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

半導(dǎo)體制冷片的降溫效果詳見圖3 為 CPU 輸入電壓為 5. 0V 時(shí)，有無制冷片時(shí)的 CPU 溫度對(duì)比。有無制冷片時(shí)的 CPU 溫度隨時(shí)間變化曲線從圖中可明顯看出半導(dǎo)體制冷片對(duì) CPU 的降溫效果明顯。不接入制冷片時(shí)，CPU 溫度從室溫上升至平衡溫度而保持穩(wěn)定。當(dāng)制冷片接入時(shí)，CPU 溫度開始降低，約經(jīng)過 300s 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。制冷片輸入電壓為 3. 0V 時(shí)，CPU 溫度從38. 7℃ 降至 25. 2℃ ，明顯低于了測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度。

3 總結(jié)

在計(jì)算機(jī)發(fā)展中，服務(wù)器的散熱環(huán)境是非常復(fù)雜的，對(duì)于傳統(tǒng)散熱方式與半導(dǎo)體制冷方式的對(duì)比可以直接反映出半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)越性。本文經(jīng)過分析，證明了半導(dǎo)體制冷技術(shù)在計(jì)算機(jī)服務(wù)器中的實(shí)際應(yīng)用的可行性和其價(jià)值的體現(xiàn)。

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