在大数据时代背景下,数据中心成为信息社会的用电大户,据统计,现代信息化社会的数据中心用电量会占全社会总用电量的5%,而其中的2/3左右用于冷却排热,经过对机房内能源系统能耗分析,制冷设备能耗占数据中心总能耗40%左右,而服务器内部最大的散热元件为中央处理器CPU,占服务器整体散热的75%,因此针对CPU冷却方式进行改善对节能减排具有重要意义。本文根据两相自然循环理论指导,针对刀片式服务器设计了一套CPU重力热管,并开展深入的实验研究,主要解决小系统内高热流、小温差、无功耗的流动传热问题。首先建立了制冷剂自然循环分析模型,为设计CPU重力热管提供定性分析,得出影响制冷剂自然循环传热性能的关键因素,为实验研究提供指导。实验根据蒸发器强化换热特性研究和系统性能进行研究,分析系统热阻,得出影响其换热效率的关键因素和CPU核心温度的变化规律研究结果表明:入水温度和给水流量影响冷凝器的传热性能、蒸发器处理表面影响蒸发器的汽化情况、制冷剂工质种类和充注量影响CPU重力热管的流动,从而影响CPU重力热管整体传热性能。根据实验研究结果可以对CPU重力热管进行优化设计,以满足服务器高效稳定运行需求。最后根据改造的服务器CPU重力热管搭建一个采用液冷冷却方式的计算机房,并且利用PLC控制技术实现机房系统自动调控、危险报警以及数据实时监控和记录,根据实验系统数据记录,进行了液冷服务器系统运行特性和能耗分析,运用CPU重力热管,使服务器在满负荷工作条件下,系统能持续稳定运行,对比分析液冷服务器系统与风冷服务器系统两个典型工况,液冷散热占液冷服务器整体能耗的62%~65%,比普通服务器1小时节省空调功耗18813.6 kWh用电量,占普通服务器空调功耗的68%。整个液冷服务器系统的PUE数值在1.05~1.09之间,比目前大多数的网络数据中心的PUE数值低29%左右,满足建设绿色数据中心的需求。