AI伺服器之平板式熱管可視化研究

前言

近年來，散熱設計成為研究焦點，起因在於生成式 AI (Generative AI) 與高效能運算 (High Performance Computing, HPC) 等應用技術發展，使得 AI 伺服器成為現代資料庫中心及商業運算中的核心設備。這些伺服器通常搭載高算力 AI 晶片，具有功耗大、單晶片瓦數可達數十瓦甚至上百瓦之特性，因此，在此趨勢下，為維持晶片的穩定性並延長使用壽命，導入高效且可靠的熱管理技術已成為不可或缺的條件。脈動式熱管 (Pulsating heat pipe, PHP) 因其結構緊湊、材料與工作流體選擇的多樣性、快速傳導熱量，且對瞬態熱負載反應靈敏，具有應用於高算力 AI 晶片伺服器冷卻技術之潛力，能有效降低晶片溫度並提升系統整體效能。

PHP 是一種基於流體相變與界面毛細效應的被動式兩相傳熱裝置，於 1990 年由 Akachi 首次提出。由一根彎曲成多圈、相互連通的毛細管或微通道，內部部分充填飽和工作流體所完成。當蒸發端之液體受熱蒸發、冷凝端放熱凝結時，藉由系統內所產生之壓力變化，進一步驅動液塞與氣泡進行往復振盪，形成兩相流，提升熱性能。根據 Masanet 等人文獻報導指出，在科技日新月異的發展下，資料中心對於能源的使用量約占全球用電量的 1%，而為了因應全球市場的用電需求，設備的散熱能力也成為市場焦點。因此，近年來，科學家積極研究平板式脈動式熱管 (Flat Plate Pulsating Heat Pipe, FPPHP)。FPPHP 由 PHP 進一步結構平板化所演變而來，由多條連通的微通道構成封閉環路，工作流體受熱後形成液塞與氣泡的振盪，進而改善散熱效能，具有幾何結構扁平、可直接整合於晶片或模組底板等優勢。

在影響 FPPHP 散熱性能的眾多因素中，填充率 (Filling Ratio, FR) 與系統傾斜角度為兩項關鍵參數。若 FR 過低，液體量不足將導致系統難以啟動震盪，反之，若 FR 過高，液體在系統內的占比增加，氣泡生成空間限縮，將導致氣泡生成受限，震盪遲滯並降低熱性能。文獻顯示，FR 會顯著影響熱阻、啟動行為與內部流型轉換，Wu 等人以液態金屬作為工作流體的高溫振盪熱管，探討不同填充率下的熱傳特性，作者發現啟動溫度會隨填充率的增加而增加，且存在最佳填充率，當填充率為 48% 時，可獲得最低熱阻。而 Fumoto 等人則探討極低填充率（約 5-10 vol%）條件下之 PHP 散熱能力，指出即使在此低液體比例下，系統仍可穩定運作並展現良好的熱傳性能。

裝置傾角亦會影響重力對工作流體回流與氣泡運動的作用，改變脈動式熱管的流動模式與熱傳性能。Yang 等人比較三種安裝方向（垂直底部加熱、水平與垂直頂部加熱）下之熱性能差異，結果顯示，內徑 2 mm 之 PHP 於垂直底部加熱時可獲得最佳熱性能，其最小熱阻約 0.32 °C/W，對應之最大可承受熱負荷約 540W。另一篇文獻則表示在低加熱功率且填充率較高時，蒸發段產生的蒸氣必須克服高填充率所帶來的長液塞的重力才能推動流體循環並完成熱交換，因此，在某些操作條件下，當安裝角度由 90° 改變為 45° 時，蒸氣所需克服的液塞重力降低，更容易形成循環。

此外，工作流體的物性會顯著影響熱傳表現，因此，工作流體的選擇極為重要。去離子水具良好物化穩定性、高汽化潛熱、較高表面張力、環境友善等特性，作為相關研究中基準的工作流體。為了進一步提升熱傳能力，科學家亦嘗試在工作流體中加入奈米顆粒形成奈米流體，Wong 利用奈米顆粒提升封閉式被動式熱傳元件，指出奈米流體具有改善熱傳性能的潛力。而在眾多奈米材料中，石墨烯熱導率達 5,300 W/m·K，其散熱效果優於金屬與陶瓷奈米顆粒。除了提升流體熱導率外，奈米顆粒亦可顯著強化流體之沸騰傳熱性能。Ho 等人發現奈米流體於封閉式被動元件，可較容易啟動被動式元件的雙相流熱交換。此外，根據本實驗室先前之脈動式熱管可視化研究，研究結果顯示，於脈動式熱管中加入石墨烯奈米顆粒時，流體運動速度可提高約 3 至 5 倍。另一篇研究則表示流體在材料表面上前進接觸角與後退接觸角之差異 cos (θa) – cos (θr) 會影響毛細力，進而影響脈動式熱管內部流體速率與熱傳性能，當採用全石英玻璃脈動式熱管進行可視化觀察時，由於石墨烯奈米流體在石英玻璃表面所呈現的前進與後退接觸角的差值相對於純水小，使得毛細壓力差降低並減少流動阻力，因此在全石英玻璃脈動式熱管中觀察到較高的流速。然而，在實際工程應用中多採用銅製脈動式熱管，而石墨烯奈米流體與純水在銅表面的前進與後退接觸角的差值較石英玻璃表面小，因此，毛細壓力與流動阻力的變化亦較為有限，當相同操作參數應用於銅製脈動式熱管時，雖然流體流動行為可能有所改變，但整體熱傳性能並未出現顯著提升。此外，也有科學家發現隨著系統操作時間增加，奈米顆粒易堆積於內部，這可能會導致結垢與通道阻塞現象，進一步削弱熱性能表現，顯示奈米流體亦存在潛在的負面效應。

然而，儘管現有研究已廣泛探討不同充填率下 FPPHP 的熱性能變化，但針對平均運動速度之動態特性的量測仍相對稀少。許多研究利用可視化實驗探討脈動式熱管在不同填充率、幾何結構與傾角條件下的熱傳性能與流型變化，但對於流體平均速率的定量量測仍相對有限，主要因脈動式熱管流動具有強烈非穩態性與瞬時氣液界面變化，使得真實速度分布難以獲取。

基於上述考量，本研究於銅平板表面設計溝槽構成 FPPHP 結構，並於銅板上方覆蓋透明壓克力板。此設計具有兩項優點：其一，可透過透明壓克力板直接觀察系統內工作流體之流動情形；其二，銅表面可對工作流體與石墨烯奈米流體產生更真實且顯著之影響，使石墨烯奈米流體之最佳參數更貼近工業應用條件。而在研究方向上，則是致力於探討不同填充率與裝置傾斜角度對 FPPHP 熱傳性能與內部流動行為的影響。首先，在垂直放置的條件下，探討最佳填充率，接著，再透過影像分析量測氣液界面運動速率，進一步分析流速與熱阻之間的關聯性，最後，改變系統傾斜角度，比較不同填充率在不同傾斜角度下的熱阻影響。

DOI:10.30256/JIM.202606_(519).0005