加固服务器散热系统的降噪设计_魏露露.pdf

随着高性能加固服务器在不同场景的应用，特别是航天、航空领域对高可靠、高可用、高性能的电子设备需求增加，模块发热功率、元器件集成化程度、芯片热流密度逐渐加大，加固服务器冷却风机数量、风量都在不断增加。对于车载、舰载系统而言，噪声问题也日益严重，要求加强散热系统的同时，降低设备噪声，提高产品的舒适性、人文性1-2。目前对加固服务器散热系统主要采用风冷或水冷进行散热，两者散热系统都需要用到风扇进行对流换热，从而将加固服务器的热量散至外界环境，风扇产生噪声的途径一般为风扇自身产生的噪声、散热系统流阻产生的噪声以及运动部件产生的噪声3-5。目前服务器散热研究主要在常温环境下，通过调节风扇转速、风扇结构参数等进行降噪设计，实际在加固服务器工作运行中，根据GJB150A-2009军用装备实验室环境试验方法加固服务器一般运行环境为-40+60，在此温区范围内，由于加固服务器中的CPU、显卡、桥片等热源具备一定耐温性，且在一定温度下工作对其性能无影响，并且实际使用过程中，风扇参数、形状、扇叶等已被厂商确定，无法改变6-8。因此基于加固服务器现实环境运行状态、所选风扇类型，在满足用户需求下根据加固服务器所处环境调节散热系统中风扇的运行参数，以实现良好的降噪效果9。加固服务器散热系统的降噪措施主要从以下方面展开，在散热系统设计过程中，对风扇自身属性通过调节电压方式控制风扇转速，以便减少风扇自身产生的主动噪声；对加固服务器的模块进行散热优化，布置合理流道，减少流阻，采用吸声材料从而减少流体运动过程中的流噪；加固服务器设备的运动部件一般仅有风扇，其它均为固定结构，因此在工艺安装过程中主要减少风扇运行时的低频振动噪声，进一步达到减少噪声的目的。1散热系统分析加固服务器为满足环境适应性、高低温、湿热等条件的要求，采用模块化、组合化、系统化设计架构，根据QJ 29096.12096.3-1991模件式机柜以及GJB 100-1986面板、机架和机柜的基本尺寸系列中的所规定的机箱尺寸要求，按照19英寸标准设计，功能模块按照VPX标准设计，从而实现机箱及模块统一性、互换性的特点。如图1所示，加固服务器机箱设计组成由上下两组散热模组组成，采用高密度，铝制鳍片与基板焊接而成，上下散热模组之间通过每个槽位导热板板进行焊接连接。使整个机箱框架设计成一体式散热组件，在有效的空间里确保散热面积做到最大化设计。再将外形设计成散热齿的左右侧板与散热框架进行焊接，将整个箱体部分做成一个散热组件，充分利用箱体的每一个结构件进行散热，有效提高机箱自身自然散热能力，降低整机对风扇的依赖。2风扇控制策略风扇控制策略主要实现风扇档位控制和转速获取功能，以实现对机箱的整体扇热控制及风扇状态监测功能，风扇板级管理软件通过对PWM占空比的调节来实现对风扇转速的控制，以实现最优机箱散热控制、最长的风扇寿命和最合理的机箱运行噪声控制。SD5075和FM24C512D用来实现模块风扇转换加固服务器散热系统的降噪设计*魏露露（扬州万方科技股份有限公司，江苏 扬州250006）Noise Reduction Design of Reinforcement Server Cooling System摘要：基于对加固服务器的散热系统设计方式，以实际工作环境-4060为温度控制策略的基点，研究散热系统的散热形式，在实际环境的工作温区下，在满足散热系统散热需求下，选取合适风扇档位，便于控制不同温区的噪声，有利于实现良好降噪效果，提高散热系统的利用率。通过计算仿真不同档位与散热系统最高温度的关系，确定最终风扇控制策略，实现不同温区的降噪效果，仿真结果与试验结果比较吻合。在工艺设计方面通过减震垫安装、风扇罩添加吸音材料为加固服务器散热系统的降噪进一步提供相应措施，可以有效降低散热系统噪声。关键词：降噪设计；轴流风扇；仿真；策略Abstract:Based on the design method of the heat dissipation system for the reinforced server,under the control tem-perature zone,the temperature of the heat dissipation system at different speeds is adjusted,and the appropriate fan gearis selected to facilitate the control of noise in different temperature zones,which is conducive to achieving good noise re-duction effect and improving the utilization rate of the heat dissipation system.Through the calculation and Simulation of therelationship between different gears and the maximum temperature of the cooling system,the final fan control strategy isdetermined to achieve the noise reduction effect in different temperature zones.The simulation results are in good agree-ment with the experimental characteristic curve.In the process design,through the installation of damping pads and theaddition of sound-absorbing materials to the fan cover.Keywords:noise reduction design,axial flow fan,simulation,strategy*“万方WF6飞机发动机安装车”项目（WF6/KCZ-001）图1整机散热风道示意图加固服务器散热系统的降噪设计142工业控制计算机2023年第36卷第2期模块温度监测和信息的读写，单片机GD32F103通过PWM信号管脚连接至风扇的PWM上，实现对风扇转速的PWM调节。风扇控制策略原理图如图2所示：图2风扇控制策略原理图加固服务器在-4060环境范围内工作，根据风扇控制策略，单片机检测到不同工作环境状态时的最高温度，从而触发风扇进行调节转速，以达到降低设备工作温度的目的。触发风扇调节档位的功能模块最高温度分别为55、65、70、75（误差0.5）4档，分别对应风扇的4个档位，即当加固服务器温度到达功能模块的调档设置温度时，启动对应的风扇档位，以便对设备进行散热降温。3降噪措施3.1风道设计为有效提高服务器内部模块传热能力，减少流阻提高风压以及空间需求，采用图1所示方式，设备整体以导热为主，风扇对流换热为辅进行整体散热，即将模块的热量传递至机箱内部导热板上，然后通过导轨将热量传递至上、下鳍片。在设备的后面板采用轴流风扇的设计方式，即前进、后出抽风方式，有效冷风从散热鳍片中间流通，强化内部对流换热的能力，设计合理的鳍片，单鳍片厚0.5 mm，鳍片间距为5 mm，在确保散热风量大、距离最短、风压最大、空气流速最快的同时减少风阻和风噪，有效地降低了风扇组件的流阻噪声，如图3所示：图3风道设计示意图3.2风扇选型设计根据设计要求，在风量、风压满足散热需求的情况下，选择风量大、风压大、噪声小、寿命长、可靠性高的风扇，综合考虑选择80*80*38的风扇，表1所示，由2个风扇组成风扇组件对本设备散热，以此形成以导热和风冷散热相结合的散热方式。表1风扇参数选型表设备所选用的风扇在保证散热的情况下，可以通过调整风扇的电压降低风扇的转速，从而降低风扇的噪声。根据风扇软件控制策略，在不同工作环境下，风扇转速可根据设备最高温度进行调节，随着芯片温度的上升提高转速。在保证散热的情况下，通过调整风扇的电压调节风扇的转速，从而控制风扇的噪声。风扇组件的噪声计算公式如下：dB总=10*log（100.1*dB1+100.1*dB2+100.1*dBi（1）式中dB总为风扇模块总噪声，dB，dBi为单个风扇的噪声，dB。风扇的风量、风压、功率、噪声与转速计算公式如下：Q2=Q1（RPM2/RPM1）（2）P2=P1（RPM2/RPM1）2（3）W2=W1（RPM2/RPM1）3（4）N2=N1+50log10（RPM2/RPM1）（5）其中Q-流量；P-风压；W-功率；N-噪声；RPM-转速3.3高温降噪符合性实际运行过程中，考虑到服务器其余地方的风阻和漏风量，即背板及导风罩等地方导致流阻存在，同时设备在运行过程中可以根据设备温度情况调整风扇转速，使得风扇根据散热需求调整风速以满足其实际工作需求。考虑到风扇工作寿命、降额设计等因素，设置风扇高温60工作时处于满运转状态，即在高温60环境下，设备所处环境最为恶劣，产生的噪声最大，此时单个风扇的噪声为55 dB，根据噪声公式（1）可知在dBi为55 dB时，dB总为58 dB。根据仿真计算，此时设备最高温度为95.18，如图4所示，未到达CPU芯片极限125工作温度，说明此时风扇组件能够满足设备的基本散热需求，能够在后续的不同工作环境下进行调档降速，以达到降噪的目的。图460环境下功能模块最高温度3.4风扇调档降噪设计设备整体采用导热和风冷散热相结合的散热方式，设备工作时除风扇组件外无其它运动部件，无其余噪声产生。设备在不同工作下，根据热源温度调节风扇转速，将风扇组件转速分为4档，分别对于不同工作状态，通过公式（1）（5）计算可知，风扇不同转速比下的风压、风量、噪声、总噪声对比如表2所示。表2风扇转速与风量、风压、噪声对比表以风扇控制策略作为仿真计算基础，计算触发风扇组件调档时，设备所处的最低工作环境，对设备在-4060不同区间段的噪声情况进行判断分析，计算出设备的工作环境节点，得出在工作环境节点范围内的最小噪声，以动态控制实现对设备噪声的降速、降噪，通过仿真转速比分别在30%、50%、80%、100%情况下，功能模块对应的最高温度，如图5所示，为不同工作环境温度下对应的风扇组件档位时的功能模块最高温度。通过图5可以计算得出在不同环境温区下，设备此时的功能143模块分别不高于设置的风扇调档值时，即：55、65、70、75，风扇组件处于最优值，此时风扇组件产生噪声最低，如图6所示：图6不同环境下最低噪声实际设备工作过程中，在所处工作环境固定情况下，设备最高温度与风扇组件之间处于动态平衡状态，即设备最高温度达到触发的设定值时，进而触发风扇组件进行调档，以便满足设备对散热需求。根据设备处于-4060工作环境下的仿真计算，可计算环境的动态工作区域，实现此区域范围的最小噪声，如表3所示。在触发调档温度时，此时环境温度下的设备内部温度分布情况见图7图10所示。图7环境温度-1下温度分布情况通过对不同风扇组件控制策略的设计，可以满足设备在不同工作状态下，达到在-4060不同温度区间的降噪控制。在工作环境低于-1情况下，设备通过对风扇组件的档位控制，能够实现对设备的在局部工作环境区间下的静音效果，有效达到了降噪目的。3.5工艺降噪措施在风扇组件安装方面，风扇与波导窗安装位置采用橡胶垫片，橡胶垫片能够有效地解决风扇在运行工作过程中产生的低频振动，避免风扇低频振动产生的噪声，如图11所示，在配合风扇不同档位的情况下，有效解决了风扇低频振动噪声。图11风扇组件隔振降噪设计示意图风扇组件放置在风扇罩内，风扇罩采用轻薄性铝合金一体式加工成型，内壁加装多孔吸声材料，风扇罩与后面板形成环式包裹，有效将风扇组件包裹在腔体内，通过隔声和吸声设计，进一步消除、减弱风扇组件运行过程中产生的噪声，如图12所示：