摘要：伴隨人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的需求量、規(guī)模和建設(shè)力度都顯著提高。然而,數(shù)據(jù)中心能耗問題日益嚴(yán)重。由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心能耗的很大一部分源于冷卻系統(tǒng),因此有必要利用新興液冷技術(shù)建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心。本文介紹現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心可用的液冷技術(shù)(冷板、噴淋和浸沒)及其基本工作原理,指出不同液冷技術(shù)近5年(2019—2023年)的最新進(jìn)展與相關(guān)研究方向,以及不同液冷技術(shù)現(xiàn)存的一些難點(diǎn)問題。

隨著“新基建”和“東數(shù)西算”的提出和實(shí)施,以及人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的需求量、規(guī)模和建設(shè)力度都有了爆炸式提高。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部存放的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等IT(informationtechnology,信息技術(shù))設(shè)備,主要用于大量信息的集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換和管理,這導(dǎo)致其消耗了大量的能源,數(shù)據(jù)中心的能源消耗約占全球用電量的3.5%。數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,為維持設(shè)備正常運(yùn)行,其必須的制冷系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的30%。如何降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能耗成為解決其高能耗的關(guān)鍵問題之一。

目前,評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的能耗時(shí)較為普遍采用的是PUE(powerusageeffectiveness,電能利用效率),其結(jié)果為數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備總能耗的比值。根據(jù)工信部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023年)》,到2023年底,新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE值必須低于1.3。GB40879—2021《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級(jí)》要求一級(jí)能效數(shù)據(jù)中心PUE值至少控制在1.2以內(nèi)。需要眾多科研學(xué)者的共同努力,逐步攻克數(shù)據(jù)中心現(xiàn)存的大量關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

芯片的TDP(thermaldesignpower,熱設(shè)計(jì)功耗)逐步增大,有些芯片甚至達(dá)到了360W。這對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心使用較為普遍的風(fēng)冷式散熱技術(shù),其服務(wù)器芯片散熱遇到嚴(yán)重挑戰(zhàn),一般來說,5~10W/cm2左右的熱流密度已經(jīng)達(dá)到了風(fēng)冷式散熱技術(shù)的極限,更高的熱流密度非常容易導(dǎo)致大量熱量無法及時(shí)排出芯片。為解決這一問題,目前數(shù)據(jù)中心可采取的主要措施為液冷散熱技術(shù)。通常來說,液體的熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于空氣,其導(dǎo)熱系數(shù)約為空氣的15~25倍,比熱容甚至為空氣的1000~3500倍。液冷散熱技術(shù)在換熱方面表現(xiàn)出了風(fēng)冷式散熱技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的優(yōu)越性能。國家發(fā)展改革委等部門發(fā)布《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》,明確鼓勵(lì)重點(diǎn)行業(yè)利用綠色數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗,液冷技術(shù)成為國家及地方政策的推廣對(duì)象。

筆者將按照冷卻液是否與被冷卻器件接觸介紹不同形式的液冷散熱方式的最新進(jìn)展及現(xiàn)存問題,包括非接觸式冷卻(主要為冷板)和接觸式冷卻(主要為浸沒和噴淋),如圖1所示。

1 冷板冷卻技術(shù)

1.1 最新進(jìn)展

圖1(a)所示為冷板冷卻。從圖中可以發(fā)現(xiàn),冷卻液在冷板中特定的流道中流動(dòng)。因此冷板冷卻技術(shù)為非接觸式間接液冷技術(shù)。相較于噴淋和浸沒液冷技術(shù),冷板液冷技術(shù)無需考慮冷卻液導(dǎo)電問題,可選用的冷卻液種類較多,如去離子水、納米流體等,其熱物性一般優(yōu)于絕緣冷卻液。此外,冷板流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以增大對(duì)流換熱面積或提高對(duì)流換熱強(qiáng)度,從而有效強(qiáng)化換熱。目前,數(shù)據(jù)中心的冷板冷卻技術(shù)主要用于芯片液冷,主要研究方向?yàn)橥ǖ劳負(fù)鋬?yōu)化。

冷板通道拓?fù)鋬?yōu)化的主要目的是通過優(yōu)化流道結(jié)構(gòu),進(jìn)而改變冷卻液的流動(dòng)特性,以此強(qiáng)化冷卻液與芯片間的換熱。優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)的一個(gè)思路為降低冷板整體壓降減小泵功,以此降低數(shù)據(jù)中心能耗。冷板通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化被認(rèn)為是提高液冷系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。目前研究人員研究了不同的通道結(jié)構(gòu),包括板翅形、波浪形、針肋形和球形等,設(shè)計(jì)了一些新型通道結(jié)構(gòu),如歧管式通道、雙H形歧管通道、漸高翅片分流通道、交叉肋通道、菱形分流通道和分級(jí)歧管通道及并聯(lián)矩形突擴(kuò)通道等。通道優(yōu)化方法除了人為改變流道結(jié)構(gòu),也可使用其他方式進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,如遺傳算法、參數(shù)優(yōu)化和理想解法等。

目前冷板冷卻技術(shù)采用的工質(zhì)主要為水,也有研究人員嘗試在冷卻液中添加其他物質(zhì),尋找或制作其他類型冷卻液,進(jìn)而獲得相較于原冷卻液更加優(yōu)異的換熱性能,主要包括:氮化鋁-氧化鋁-水混合納米流體、碳化硅-水混合納米流體、HFE-7100氟化液、R113制冷劑和FC-72水乳液等。

雖然采用冷板單相冷卻技術(shù)(即使用高沸點(diǎn)冷卻液,在換熱過程不發(fā)生相變)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但冷板相變沸騰換熱逐漸成為熱點(diǎn),主要目的是使冷卻液達(dá)到一定溫度后汽化吸熱,從而有效降低芯片溫度,獲得更均勻的溫度分布,同時(shí)可以降低泵功。目前,對(duì)于強(qiáng)化冷板通道內(nèi)沸騰換熱方式的研究主要有改變表面潤(rùn)濕性、添加表面活性劑、使用均流腔,或者通過改變流道結(jié)構(gòu),如:使用分段式梯形通道結(jié)構(gòu),利用表面張力驅(qū)動(dòng)汽化工質(zhì)間斷向流道兩側(cè)流動(dòng),維持中心加熱點(diǎn)為液態(tài)區(qū),實(shí)現(xiàn)氣液分相流動(dòng),進(jìn)而強(qiáng)化沸騰;使用開口型水滴結(jié)構(gòu),可以增大換熱面積,并增加凹凸點(diǎn)的數(shù)量,有利于形成更多的汽化核心,進(jìn)而強(qiáng)化沸騰。如圖2所示,冷板冷卻從第一代遠(yuǎn)端散熱,到第二代穿透式散熱,到第三代的嵌入式散熱,實(shí)現(xiàn)冷板冷卻效果的量級(jí)提升,最高散熱熱流密度達(dá)到了1723W/cm2。此外,還有一些優(yōu)化冷板散熱的新型方式,如將納米復(fù)合P(MEO2MA-co-OEGMA)水凝膠填充于通道立柱結(jié)構(gòu),并利用水凝膠的熱敏性,根據(jù)熱負(fù)荷變化自行調(diào)節(jié)閥通徑,冷卻液流量可從0.14mL/s升高至0.46mL/s。與傳統(tǒng)通道相比,自適應(yīng)通道結(jié)構(gòu)在達(dá)到相同制冷量的同時(shí),COP(coefficientofperformance,性能系數(shù))提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.2 現(xiàn)存問題

冷板冷卻方式與其他冷卻方式相比,具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝相對(duì)成熟、冷卻液可選類型較多等優(yōu)勢(shì),此外,冷板可通過微通道直接集成于芯片中,實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)液冷。

冷板冷卻技術(shù)目前存在的問題主要有以下幾點(diǎn):

1) 在冷板內(nèi)的兩相沸騰流動(dòng),能夠顯著增強(qiáng)流道內(nèi)的對(duì)流換熱強(qiáng)度,同時(shí)有效改善微通道熱沉的均溫性,但微通道內(nèi)的汽化相變產(chǎn)生的氣泡存在不穩(wěn)定性,由于目前對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚不清晰,可能會(huì)導(dǎo)致通道內(nèi)的“氣塞”和“返流”現(xiàn)象,導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定引起傳熱惡化;

2) 由于黏滯力,冷板流道的冷卻液會(huì)沿著流動(dòng)方向產(chǎn)生巨大的摩擦損失,這會(huì)明顯增加泵的功耗;

3) 使用微通道的冷板熱沉可以通過縮小流道的尺寸,增大換熱面積,以此強(qiáng)化換熱,但液體黏度限制了流道尺寸的設(shè)計(jì)下限;

4) 冷板微通道流道尺寸越小,加工工藝越復(fù)雜,而過小的流道尺寸非常容易因混入雜質(zhì)而堵塞;

5) 冷板微通道由于水力直徑與流動(dòng)長(zhǎng)度的比值非常小,冷卻液在流道出口甚至可能會(huì)有數(shù)十?dāng)z氏度的溫升,并造成微通道熱沉溫度分布極不均勻;

6) 硅基冷板微流道散熱能力強(qiáng),但脆性大,結(jié)構(gòu)可靠性差,優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)以提高整個(gè)微流道冷卻系統(tǒng)的可靠性是目前需要研究并解決的關(guān)鍵問題;

7) 由于較大的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)以及極低的價(jià)格,水被認(rèn)為是微通道液冷性價(jià)比最高的冷卻液,但其具有一定的腐蝕性和導(dǎo)電性,且存在泄漏的可能性,因此尋找性能更加優(yōu)異且價(jià)格低的替代品成為當(dāng)務(wù)之急;

8) 微尺度下的流動(dòng)及傳熱特性相較于常規(guī)尺度存在顯著差別,微通道內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的機(jī)制有待繼續(xù)研究。

2 噴淋冷卻技術(shù)

噴淋冷卻技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心時(shí),常通過使用噴淋板對(duì)服務(wù)器內(nèi)各電子器件進(jìn)行接觸式的冷卻,其中射流冷卻技術(shù)和噴霧冷卻技術(shù)是可以獲得更高熱流密度散熱的2種技術(shù)。

2.1 射流冷卻技術(shù)

2.1.1最新進(jìn)展

圖3(a)所示為射流冷卻技術(shù)。射流冷卻的基本工作原理為將流體從噴嘴中噴出,高速流體沖擊芯片上表面后,形成非常薄的速度邊界層和溫度邊界層,形成較強(qiáng)的對(duì)流換熱,進(jìn)而將熱量從芯片中排出。

最初射流冷卻使用的工質(zhì)是空氣,由于液體具有更好的熱性能,液體射流冷卻逐步成為研究熱點(diǎn)。目前,射流冷卻方式不僅可用于芯片液冷,也可用于其他發(fā)熱元件的冷卻,如顯卡、內(nèi)存條和硬盤等。當(dāng)前,射流冷卻技術(shù)主要研究方向?yàn)樯淞鱾鳠峤Y(jié)構(gòu)優(yōu)化(噴嘴孔型、噴嘴排列方式和沖擊表面結(jié)構(gòu))、射流高效冷卻液和射流沸騰換熱。

射流噴嘴孔型優(yōu)化的主要目的是通過改變噴嘴的形狀,進(jìn)而改變冷卻液在噴嘴出口處的速度矢量,使其沖擊在芯片表面時(shí),產(chǎn)生不同的流動(dòng)特性,以此強(qiáng)化冷卻液與芯片間的換熱。噴嘴孔型優(yōu)化的一個(gè)思路為降低冷卻液出口壓降以減小泵功。目前,較為常見的噴嘴孔型為圓形、方形和矩形噴嘴。研究人員對(duì)比分析了旋轉(zhuǎn)射流(十字形、內(nèi)十字形和花形3種螺旋噴嘴,如圖3(b)所示)的散熱結(jié)果,結(jié)果表明,在相同條件下,旋轉(zhuǎn)射流的平均換熱能力優(yōu)于傳統(tǒng)圓孔射流,十字形和花形螺旋噴嘴在滯止區(qū)的換熱效果優(yōu)于內(nèi)十字形螺旋噴嘴,內(nèi)十字形和花形螺旋噴嘴在沖擊面外緣的換熱效果優(yōu)于十字形螺旋噴嘴,總體上花形螺旋噴嘴的換熱效率和換熱均勻性更好。

射流噴嘴排列方式,即陣列射流冷卻的主要目的是改善芯片整體的溫度均勻性。具體來說,單孔射流能夠在滯止點(diǎn)處形成強(qiáng)烈的對(duì)流換熱,當(dāng)流體逐步遠(yuǎn)離滯止點(diǎn)后,對(duì)流換熱系數(shù)快速衰減,最終導(dǎo)致芯片表面溫差過大;陣列射流將噴嘴陣列排布,在芯片表面形成多個(gè)強(qiáng)對(duì)流換熱區(qū)域,進(jìn)而有效改善整體溫度均勻性。目前,較為常見的噴嘴排列方式有直線形排列、六邊形排列和交錯(cuò)排列。V.S.Devahdhanush等的研究結(jié)果表明,射流速度相同時(shí),陣列射流的臨界熱流密度高于單孔射流,但在質(zhì)量流量相同時(shí)其臨界熱流密度較低。卜詩等研究了格子陣列射流,結(jié)果表明格子陣列射流能夠顯著提升雙層冷卻結(jié)構(gòu)的整體傳熱效果,相較于傳統(tǒng)光腔結(jié)構(gòu),在無附加橫流的條件下內(nèi)腔采用格子陣列可使全域平均傳熱提高28.7%。鐵鵬等針對(duì)氮化鎵芯片的局部散熱需求,研究了陣列射流冷卻對(duì)點(diǎn)狀熱源的散熱效果。

射流冷卻表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的是通過改變流體在表面的流動(dòng)特性,同時(shí)增大換熱面積和增加汽化核心強(qiáng)化冷卻液與芯片間的換熱。射流冷卻的沖擊表面可分為光滑表面和粗糙表面2種類型。目前,常見的射流冷卻粗糙表面包括肋狀、針翅、凹凸表面等。吳青等研究了陣列射流下擾流柱對(duì)換熱的影響,結(jié)果表明相對(duì)于射流孔的位置,順排擾流柱的換熱能力優(yōu)于叉排擾流柱,其換熱能力相較于無擾流柱時(shí)增大了約30%。

相較于微通道液冷,射流冷卻的冷卻液會(huì)與服務(wù)器內(nèi)的電子元件直接接觸,射流冷卻所需的冷卻液必須是絕緣低腐蝕介質(zhì)。因此,射流冷卻可以選用的冷卻液類型較少,可以考慮的射流冷卻液包括硅油和氟化液。在不考慮絕緣腐蝕的前提下,射流冷卻液主要包括:R134a制冷劑、HFE-7100氟化液、HFE-7000氟化液和氧化亞銅-水混合納米流體等。

射流冷卻可利用兩相沸騰強(qiáng)化換熱。當(dāng)芯片溫度較高而冷卻液沸點(diǎn)較低時(shí),射流沖擊于芯片表面的冷卻液會(huì)沸騰,并汽化吸熱。近5年來,研究人員主要對(duì)以下射流沸騰換熱強(qiáng)化方式進(jìn)行了研究:

1) 射流沖擊面使用混合結(jié)構(gòu)(熱沉表面中心具有三角凸棱柱,在壁面射流區(qū)使用微通道),在1367W/cm2熱流密度下,加熱表面溫度保持在86.5℃以下,證明射流沸騰在混合結(jié)構(gòu)上具有優(yōu)異的散熱表現(xiàn);

2) 射流沖擊面使用珠粒填充多孔層,可以增大沸騰換熱面積,增加汽化成核位置,并通過光滑平面對(duì)照組發(fā)現(xiàn),在相同條件下珠粒填充多孔層使換熱系數(shù)和臨界熱流密度分別提高1.5倍和2.5倍;

3) 使用激光刻蝕射流沖擊面的鎳/石墨烯微納復(fù)合結(jié)構(gòu),其換熱能力相較于微針肋表面提升了119.8%,表明沸騰換熱受射流沖擊面結(jié)構(gòu)形貌及其制備工藝的影響極大。

此外,研究人員也研究了不同肋化結(jié)構(gòu)對(duì)于射流沸騰換熱的影響。

2.1.2現(xiàn)存問題

與其他液冷技術(shù)相比,射流冷卻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為:①相對(duì)較低的壓降;②能夠通過使用多個(gè)射流陣列在大表面積上保持較高的溫度均勻度;③能夠使用一個(gè)冷卻系統(tǒng)冷卻多個(gè)復(fù)雜形狀的設(shè)備;④射流工質(zhì)具有較高的動(dòng)量,可適用于微重力環(huán)境。

射流冷卻技術(shù)目前存在的問題主要有以下幾點(diǎn):

1) 射流冷卻出流工質(zhì)沖擊面的滯止點(diǎn)處具有最高的對(duì)流換熱系數(shù),但隨著冷卻液遠(yuǎn)離滯止點(diǎn),其對(duì)流換熱系數(shù)快速衰減,導(dǎo)致沖擊面溫度變化梯度太大,整體的溫度均勻性較差。

2) 陣列射流冷卻可以在沖擊面形成多個(gè)強(qiáng)對(duì)流區(qū)域而有效改善溫度均勻性。但噴嘴數(shù)量增多會(huì)導(dǎo)致單個(gè)噴嘴出口流速減緩,對(duì)流換熱強(qiáng)度下降;若噴嘴數(shù)量過少會(huì)導(dǎo)致沖擊面的溫度均勻性達(dá)不到要求。因此,采用陣列射流冷卻時(shí),要對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3) 陣列射流相鄰噴嘴間出流冷卻液會(huì)相互干擾,阻礙流體正常流動(dòng),導(dǎo)致對(duì)流換熱能力有所下降。

4) 射流冷卻技術(shù)的主要研究方向集中于芯片上表面的冷卻,較少關(guān)注芯片的其他表面的協(xié)同冷卻,表面利用率明顯不足,如圖4(a)和圖4(b)所示。多面協(xié)同冷卻有助于進(jìn)一步強(qiáng)化綜合換熱,如圖4(c)所示。

5) 相變射流冷卻技術(shù)存在臨界熱流密度的限制,當(dāng)芯片溫度過高,冷卻液會(huì)在芯片表面快速汽化,形成蒸汽膜,嚴(yán)重影響冷卻液與芯片間的換熱。因此,如何提高其臨界熱流密度成為相變射流冷卻技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。

6) 較高的射流出流速度能夠強(qiáng)化對(duì)流換熱,將電子器件的溫度迅速降低,但受限于電子器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,當(dāng)射流出流速度過高時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞。

2.2 噴霧冷卻技術(shù)

2.2.1 最新進(jìn)展

圖5(a)所示為噴霧冷卻技術(shù)。如圖所示,噴霧冷卻的基本工作原理為將冷卻液經(jīng)霧化噴嘴霧化為小液滴,并噴在芯片熱表面上,由于液滴直徑較小,可以迅速吸熱蒸發(fā),從而有效降低芯片表面溫度。噴霧冷卻與射流冷卻最大的區(qū)別在于,射流出流工質(zhì)為連續(xù)成股的流體,而噴霧出流工質(zhì)為微小單獨(dú)的液滴。相較于射流冷卻,噴霧冷卻的顯著特征為換熱過程以相變?yōu)橹?同時(shí)可減少換熱過程的質(zhì)熱浪費(fèi)。當(dāng)前,噴霧冷卻技術(shù)主要研究方向?yàn)?①噴霧傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化(霧化結(jié)構(gòu)和散熱面結(jié)構(gòu));②噴霧高效冷卻液;③噴霧冷卻傳熱過程。

優(yōu)化噴霧傳熱結(jié)構(gòu)的主要目的與射流冷卻較為相似,但噴霧冷卻更加復(fù)雜,影響其換熱效果的參數(shù)較多,如液滴直徑、液滴分布、不凝結(jié)氣體等。散熱面結(jié)構(gòu)優(yōu)化被認(rèn)為是噴霧冷卻換熱能力的重要途徑之一。噴霧冷卻的散熱面可分為2種類型:光滑表面和粗糙表面。目前散熱面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要有3種方式:改變表面結(jié)構(gòu)、改變表面粗糙度和涂抹表面涂層。吳正人等研究了空心錐壓力旋流噴嘴噴霧冷卻的換熱效果,結(jié)果表明,當(dāng)入口壓力上升時(shí),霧化液滴數(shù)量增加,有效提升了液體散熱面碰撞的次數(shù),使得散熱面的液膜變薄,在2.0MPa下,空心錐壓力旋流噴嘴表現(xiàn)出最優(yōu)的換熱性能。張偉等研究了微孔陣列霧化噴嘴,結(jié)果表明,相較于單霧化噴嘴,微孔陣列霧化噴嘴能夠產(chǎn)生更加均勻的液膜分布,獲得更優(yōu)的散熱面溫度均勻性。在相同條件下,當(dāng)過熱度大于10K,微孔陣列霧化噴嘴比單霧化噴嘴的臨界熱流密度提高16%。黃詩雯等研究對(duì)比了光滑散熱面和方肋散熱面的換熱效果,結(jié)果表明,方肋散熱面的傳熱系數(shù)始終優(yōu)于光滑散熱面,當(dāng)噴霧高度從29mm降低至14mm,散熱面的傳熱系數(shù)增大72%,當(dāng)噴霧流量從20L/h增加至32L/h,散熱面的溫度降低2.4K。YuY.X.等研究了平面散熱面和直槽散熱面的換熱效果,結(jié)果表明,與平面散熱面相比,直槽散熱面顯著提高了噴霧冷卻的換熱性能。隨著槽深的增大,熱流密度先增大后減小。

與射流冷卻類似,噴霧冷卻的工質(zhì)同樣與電子器件直接接觸,所需的冷卻液必須是絕緣低腐蝕介質(zhì),且沸點(diǎn)較低,因此選用的冷卻液類型相對(duì)更少,如:部分低沸點(diǎn)氟化液,部分制冷劑。在不考慮絕緣腐蝕的前提下,研究的噴霧冷卻液包括:HFE-7000、R134a、液氮、R1336mzz、十二烷基硫酸鈉水溶液、乙二醇、FS-31非離子表面活性劑和高醇表面活性劑等。

值得注意的是,自2016年干冰升華噴霧冷卻技術(shù)概念被提出后,受到越來越多的學(xué)者的關(guān)注。圖5(b)所示干冰升華噴霧冷卻的基本原理為:將高速高壓的液態(tài)二氧化碳流體通過窄小細(xì)縫或噴嘴噴出,液態(tài)二氧化碳在細(xì)縫內(nèi)發(fā)生焦耳湯姆遜效應(yīng),壓力急劇降低并形成細(xì)小干冰顆粒,隨后被噴射至散熱面,升華并帶走大量熱量。由于干冰在升華過程中直接由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),散熱面不會(huì)出現(xiàn)液膜,若能夠徹底解決相關(guān)技術(shù)問題,干冰升華噴霧冷卻技術(shù)能夠應(yīng)用于未來超高熱流密度電子器件的散熱。

噴霧冷卻屬于復(fù)雜的多相流問題,目前對(duì)于噴霧的傳熱機(jī)制還存有爭(zhēng)議。噴霧冷卻時(shí),液滴撞擊散熱面會(huì)出現(xiàn)明顯的流態(tài)變化,而這極大影響了噴霧冷卻的傳熱特性,為探究液滴撞擊過程中液滴形態(tài)演變及其影響因素,可使用的技術(shù)包括:高速攝影、粒子圖像測(cè)速、全內(nèi)反射成像、紅外熱像和高速陰影。周年勇等研究了噴霧冷卻瞬態(tài)傳熱過程,發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻散熱面的溫度變化有3種模式:模式Ⅰ,散熱面迅速降溫至核態(tài)沸騰區(qū)某點(diǎn)直至平衡;模式Ⅱ,散熱面持續(xù)升溫至膜態(tài)沸騰區(qū)某點(diǎn)直至平衡;模式Ⅲ,散熱面溫度先在過渡沸騰區(qū)達(dá)成暫時(shí)的平衡,直至某一刻平衡被打破,并最終在核態(tài)沸騰區(qū)實(shí)現(xiàn)平衡。ZhaoX.等捕捉了噴霧在光滑表面上兩相冷卻狀態(tài)下的液膜狀態(tài),發(fā)現(xiàn)隨著熱通量的增大,連續(xù)液膜發(fā)生熱誘導(dǎo)團(tuán)聚,最終分散到孤立狀態(tài),提出了隔離膜分布和表面平均速度的預(yù)測(cè)方法。龍文俊等發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻存在熱逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象,即在一定的熱流密度范圍內(nèi),隨著熱流密度的增大,散熱面溫度不升反降。熱逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象對(duì)于對(duì)流換熱系數(shù)的提升作用可高達(dá)94.0%,但其僅在熱流密度逐漸升高的過程中出現(xiàn)。

2.2.2 現(xiàn)存問題

噴霧冷卻具有突出的優(yōu)勢(shì),如:換熱能力強(qiáng)、冷卻過程中溫差小、工質(zhì)需求量小、沒有沸騰的滯后性、與固體表面之間沒有接觸熱阻,這對(duì)保證電子元件工作溫度在小范圍內(nèi)波動(dòng)來說是極為重要的。

噴霧冷卻技術(shù)目前存在的問題主要有以下幾點(diǎn):

1) 當(dāng)散熱面過熱度較低時(shí),若霧化噴嘴噴出液滴吸收的熱量不足以使其相變汽化,則該噴霧冷卻的換熱過程僅為單相撞擊與流動(dòng),整體的換熱能力較差。

2) 當(dāng)散熱面過熱度增大到一定程度時(shí),接觸散熱面的液滴全部發(fā)生沸騰,在散熱面上方產(chǎn)生一層蒸汽膜,將液滴與散熱面隔開,形成萊頓弗羅斯特效應(yīng),此時(shí),由于蒸汽膜的低導(dǎo)熱率,散熱性能驟然下降,電子芯片的溫度隨之迅速升高而損壞。

3) 電子設(shè)備的冷卻往往需要閉式循環(huán),但對(duì)于霧化噴嘴,將液體擊碎而產(chǎn)生大量細(xì)小液滴,液滴從噴嘴高速噴射而出,在液滴吸熱汽化等過程中,都非常容易導(dǎo)致冷卻液進(jìn)入周圍環(huán)境,長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成冷卻液的明顯損耗且對(duì)人員健康有一定的影響。

4) 霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)非常精細(xì),對(duì)于芯片,所需的流量更少而導(dǎo)致霧化噴嘴的流道更小,在實(shí)際運(yùn)行過程中,容易混入雜質(zhì)而導(dǎo)致噴嘴堵塞,或者霧化噴嘴長(zhǎng)期使用而造成磨損,又或者同類型霧化噴嘴的制造工藝中的微小變化,都會(huì)對(duì)實(shí)際噴霧特性產(chǎn)生顯著影響,影響噴霧場(chǎng)分布和噴霧冷卻效果。

5) 對(duì)于面積較大的熱源,單個(gè)噴嘴的噴霧冷卻效果較差。因此,通常采取多陣列的模式,但是多噴嘴陣列噴霧錐會(huì)相互作用和干擾,導(dǎo)致出現(xiàn)低動(dòng)力流區(qū)使得液膜流動(dòng)和液體更新減緩,嚴(yán)重影響了噴霧冷卻的換熱能力。

6) 雖然微/納米表面和納米結(jié)構(gòu)涂層能夠改善噴霧冷卻換熱能力,但隨著長(zhǎng)期使用,納米結(jié)構(gòu)涂層可能會(huì)脫落,再加上微/納米表面制備過程和工序非常復(fù)雜,導(dǎo)致很難控制表面特性。因此,保持界面的穩(wěn)定性是微/納米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)涂層目前亟需解決的問題。

7) 微/納米表面結(jié)構(gòu)尺度越小,產(chǎn)生的毛細(xì)力越大,噴霧的液滴能夠很好地鋪展于散熱面,有利于液滴汽化;但是結(jié)構(gòu)尺度細(xì)化到臨界尺寸時(shí),會(huì)導(dǎo)致液滴無法進(jìn)入微/納米結(jié)構(gòu),如體積分?jǐn)?shù)較大的納米流體會(huì)在微/納米表面沉積,導(dǎo)致傳熱削弱。此時(shí),微/納米表面的效果趨近于光滑表面。

8) 霧化冷卻過程需要極高的壓力,這會(huì)導(dǎo)致消耗較大泵功,因而噴霧冷卻需要權(quán)衡功耗損失和換熱效果。目前噴霧冷卻所需的部件較為復(fù)雜和繁多,占用的空間較大,需要定期檢修,因此噴霧冷卻設(shè)備研究的后續(xù)方向應(yīng)為設(shè)備緊湊和組件模塊化。

3 浸沒冷卻技術(shù)

3.1 最新進(jìn)展

浸沒冷卻的基本工作原理為將電子設(shè)備完全浸入冷卻液,通過循環(huán)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備散熱。浸沒冷卻技術(shù)屬于被動(dòng)全液冷技術(shù)。當(dāng)前,浸沒冷卻技術(shù)主要研究方向?yàn)?浸沒傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化(排列方式和散熱面結(jié)構(gòu))、浸沒高效冷卻液和浸沒沸騰換熱。

散熱翅片高度、散熱翅片間距、散熱翅片導(dǎo)熱系數(shù)、折流板高度比、出口面積、進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度等參數(shù)會(huì)直接影響冷卻液的換熱效果。HanJ.W.等研究了不同翅片結(jié)構(gòu)浸沒冷卻傳熱特性,結(jié)果表明,與無翅片結(jié)構(gòu)相比,圓形、矩形和三角形翅片結(jié)構(gòu)浸沒冷卻的最高溫度分別降低了2.41%,2.57%和4.45%,三角形翅片結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最優(yōu)。ChuangJ.等使用金屬粉末注射成型工藝制作帶有10mm釘肋的散熱面外殼,結(jié)果表明,釘肋的散熱面外殼的熱阻相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的散熱面外殼減小了40%。

與射流冷卻、噴霧冷卻相似,浸沒冷卻的工質(zhì)同樣會(huì)與電子器件直接接觸,因此,浸沒冷卻所需的冷卻液也必須是絕緣低腐蝕介質(zhì)。冷卻液的熱物性決定了浸沒冷卻效果。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)特性,浸沒冷卻液可分為4種:氫氟飽和化合物、氫氟不飽和化合物、全氟飽和化合物和全氟不飽和化合物。在不考慮絕緣腐蝕的前提下,浸沒冷卻液包括:礦物油、熱醇油、碳化硅/白礦物油基納米流體、NOVEC-649氟化液、R1233zd(E)/乙醇混合工質(zhì)、二甲基硅油和原椰子油等。

浸沒沸騰換熱利用冷卻液沸騰產(chǎn)生的氣泡強(qiáng)化浸沒腔內(nèi)的冷卻液流動(dòng)混合,以此增強(qiáng)對(duì)流換熱。SunX.Q.等研究了浸沒沸騰換熱優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)在上下熱源之間安裝擋板,可以防止氣態(tài)冷卻液直接從下層熱源上升到上層熱源,進(jìn)而增大了上層熱源與液態(tài)冷卻液的接觸面積,降低了表面溫度,提高了箱體整體溫度均勻性。WangY.F.等將R1233zd(E)摻于乙醇中,發(fā)現(xiàn)有效強(qiáng)化了散熱面沸騰換熱,溫度均勻性最高提高57.0%。ZhouG.H.等[100]在浸沒冷卻中加入蒸汽室并填充梯度毛細(xì)芯結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,在熱源溫度低于85℃的情況下,蒸汽室可有效輸送500W熱負(fù)荷,可應(yīng)對(duì)900W的最大熱負(fù)荷而不達(dá)到干涸極限,此時(shí)蒸汽室熱阻為0.046℃/W。LiJ.等將浸沒冷卻和噴霧冷卻結(jié)合,結(jié)果表明,在合理控制浸沒狀態(tài)和噴霧壓力的情況下,浸沒冷卻的效果沒有被惡化,反而有助于強(qiáng)化傳熱,最大強(qiáng)化比達(dá)到12.2%,若綜合使用超聲強(qiáng)化換熱,相較于傳統(tǒng)浸液冷卻,超聲噴霧浸沒冷卻的換熱能力提高14.4%,并且隨著噴霧高度的提升,超聲表現(xiàn)出了更優(yōu)的換熱能力,當(dāng)噴霧高度為18mm時(shí),換熱能力提高29.1%。

3.2 現(xiàn)存問題

相對(duì)于射流冷卻和噴霧冷卻,影響浸沒冷卻換熱效果的參數(shù)較少,若能夠提高冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)則能夠大幅提高浸沒冷卻的性能,電子器件都浸沒于冷卻液中,因此溫度均勻性較好。另外,相較于其他液冷技術(shù),浸沒冷卻系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,可靠性相對(duì)較高。

浸沒冷卻技術(shù)目前存在的問題主要有以下幾點(diǎn):

1) 浸沒冷卻盡管能夠通過陣列排布同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)服務(wù)器的均勻散熱,但如果需要散熱的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,當(dāng)電子設(shè)備各處發(fā)熱量差異較大時(shí),冷卻液可能會(huì)在電子設(shè)備的局部形成流動(dòng)死區(qū),阻礙冷卻液的正常工作循環(huán)并導(dǎo)致該區(qū)域溫度過高[33]。

2) 浸沒冷卻技術(shù)的最大爭(zhēng)議是電子設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間浸沒在冷卻液內(nèi)是否會(huì)導(dǎo)致腐蝕,進(jìn)而影響電子器件的正常功能和性能。

3) 理想浸沒冷卻液的介電常數(shù)、GWP值、絕緣性能等性能指標(biāo)難以同時(shí)滿足要求,如何有效達(dá)到綜合指標(biāo)要求成為開發(fā)浸沒冷卻液成敗的關(guān)鍵問題。

4) 利用自然對(duì)流的單相浸沒冷卻時(shí),由于冷卻液相對(duì)較低的熱導(dǎo)率,導(dǎo)致整體散熱效果不佳,兩相浸沒冷卻存在一定的沸騰滯后現(xiàn)象導(dǎo)致沸騰開始時(shí)芯片溫度過高。

5) 如圖1(c)所示,相較于冷板和噴淋液冷,浸沒冷卻時(shí)服務(wù)器將浸泡于充足的冷卻液中,而浸沒液冷所用冷卻液的密度通常明顯高于去離子水,這導(dǎo)致單個(gè)浸沒液冷機(jī)柜的整體質(zhì)量遠(yuǎn)高于冷板和噴淋液冷機(jī)柜。而數(shù)據(jù)中心內(nèi)可能分樓層存放大量的服務(wù)器機(jī)柜,這使得樓層底板受到巨大的壓力,導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和建造成本增大。

6) 對(duì)于兩相浸沒冷卻系統(tǒng),為減少冷卻液的損耗,需要保持系統(tǒng)密封,此時(shí),熱負(fù)荷波動(dòng)會(huì)引起密封腔內(nèi)的壓力波動(dòng),因此密封腔內(nèi)的壓力控制成為不可忽視的關(guān)鍵問題。另外,兩相浸沒冷卻傳熱分析主要涉及電子元件級(jí)別的散熱表面特征和傳熱流體的熱輸運(yùn),而針對(duì)服務(wù)器級(jí)別整體傳熱機(jī)制的相關(guān)研究較少,仍有待進(jìn)一步完善。

7) 兩相浸沒冷卻系統(tǒng)壓力過高時(shí),會(huì)導(dǎo)致殼體鼓脹變形,若密封效果較差時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣態(tài)冷卻液大量逸出,導(dǎo)致冷卻液的明顯損耗,并可能危害運(yùn)維人員的身體健康;密封效果較好時(shí),壓力升高導(dǎo)致冷卻液沸點(diǎn)升高,不利于芯片的溫控,對(duì)壓力敏感電子元件也會(huì)受到干擾。

8) 兩相浸沒冷卻系統(tǒng)壓力過低時(shí),系統(tǒng)處于負(fù)壓運(yùn)行狀態(tài),會(huì)導(dǎo)致殼體擠壓變形,若密封效果較差,會(huì)導(dǎo)致外界雜質(zhì)與不凝性氣體進(jìn)入密封腔,即使密封腔存在少量的不凝性氣體也會(huì)導(dǎo)致冷凝傳熱明顯惡化;密封效果較好時(shí),液態(tài)冷卻液大量變?yōu)闅鈶B(tài),密封腔內(nèi)液位降低,部分電子器件暴露于氣態(tài)冷卻液,散熱極限降低,不利于整體散熱,且溫度均勻性變差。

4 液冷技術(shù)對(duì)比分析

以上所述內(nèi)容總結(jié)了3種液冷技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)存的問題。

1) 從基礎(chǔ)成本的角度進(jìn)行對(duì)比,對(duì)于非接觸間接液冷技術(shù)(即冷板冷卻技術(shù)),其基礎(chǔ)成本在于冷板材料,對(duì)于接觸式直接液冷技術(shù)(即噴淋和浸沒冷卻),其基礎(chǔ)成本在于冷卻液;浸沒冷卻技術(shù)需要大量的冷卻液,但當(dāng)前用于接觸式直接液冷的冷卻液價(jià)格普遍較高,而冷板冷卻的冷板材料用量相對(duì)較少,且可以選用紫銅或鋁,價(jià)格相對(duì)較為適當(dāng)。因此,從基礎(chǔ)成本的角度進(jìn)行對(duì)比,冷板冷卻的優(yōu)勢(shì)相對(duì)更加明顯。

2) 從加工成本的角度進(jìn)行對(duì)比,噴淋冷卻的噴淋板加工相對(duì)簡(jiǎn)單,只需要對(duì)應(yīng)發(fā)熱位置開設(shè)噴淋孔位,冷板冷卻的冷板通道加工相對(duì)繁瑣,且要貼合芯片、內(nèi)存和硬盤等,工藝要求相對(duì)較高;對(duì)于浸沒冷卻,由于服務(wù)器整體架構(gòu)改動(dòng)較大,若能夠流水線批量生產(chǎn)對(duì)應(yīng)設(shè)備,則工藝成本可顯著降低。因此,從加工成本的角度進(jìn)行對(duì)比,噴淋冷卻的優(yōu)勢(shì)相對(duì)更加明顯。

3) 從改造成本的角度進(jìn)行對(duì)比,用于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的改造時(shí),冷板冷卻對(duì)于服務(wù)器整體架構(gòu)改動(dòng)幅度最小,可以保留服務(wù)器原有架構(gòu),噴淋冷卻次之,但需要額外進(jìn)行密封處理,防止冷卻液散溢或泄漏,而浸沒冷卻對(duì)服務(wù)器架構(gòu)改動(dòng)最為明顯,較難適應(yīng)服務(wù)器原有框架。因此,從改造成本的角度進(jìn)行對(duì)比,冷板冷卻的優(yōu)勢(shì)相對(duì)更加明顯。

4) 從運(yùn)維成本的角度進(jìn)行對(duì)比,3種液冷技術(shù)的運(yùn)維難度相較于傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)都較為簡(jiǎn)單,運(yùn)維難度主要在于生產(chǎn)廠商液冷設(shè)備的技術(shù)成熟度,施工過程中液冷設(shè)備的組合安裝以及使用階段液冷設(shè)備的檢測(cè)調(diào)控等。目前,冷板冷卻技術(shù)發(fā)展最為成熟,浸沒冷卻技術(shù)次之,噴淋冷卻技術(shù)處于起步階段。上述結(jié)論均適用于單相液冷技術(shù),目前相變液冷技術(shù)的運(yùn)維難度相對(duì)較高,系統(tǒng)整體復(fù)雜度呈量級(jí)提升。另外,可以從空間利用率、能源利用率等角度進(jìn)行對(duì)比。

總體而言,3種液冷技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心自身特點(diǎn)擇優(yōu)確定液冷方案。需要說明的是,上述對(duì)比都是基于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)現(xiàn)狀的,若后續(xù)相應(yīng)材料成本、加工工藝和改造技術(shù)等有所突破,上述分析需要有所更正。

5 結(jié)束語

近年來,數(shù)據(jù)中心的發(fā)展呈蓬勃之勢(shì),與此同時(shí),數(shù)據(jù)中心的能耗大幅上升,因此數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排勢(shì)在必行。液冷技術(shù)經(jīng)過研究人員的共同努力,逐漸從理論基礎(chǔ)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用,可有效解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)電子器件嚴(yán)苛的高熱流密度散熱要求。

目前液冷技術(shù)研究方向主要為優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)、高效冷卻液和兩相沸騰換熱等。優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu),如陣列布置和微/納表面結(jié)構(gòu),通過改變工質(zhì)流動(dòng)特性獲得優(yōu)異的傳熱性能,如何提高加工工藝的便捷性,成為其有效推廣的關(guān)鍵問題之一。高效冷卻液,如納米流體和液態(tài)金屬,具有優(yōu)異的熱物性并表現(xiàn)出極高的換熱效果,如何降低其使用成本,成為其有效推廣的關(guān)鍵問題之一。兩相沸騰換熱,利用冷卻液的相變潛熱,可明顯強(qiáng)化換熱強(qiáng)度并改善溫度均勻性,如何提高兩相液冷系統(tǒng)的可靠性與安全性,成為其有效推廣的關(guān)鍵問題之一。

總體而言,數(shù)據(jù)中心的液冷技術(shù)處于起步階段,仍有許多關(guān)鍵問題亟待解決。相較于基于風(fēng)冷技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心,基于液冷技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心對(duì)其內(nèi)部的布局、構(gòu)架、設(shè)備等需求發(fā)生了明顯的變化,勢(shì)必重構(gòu)數(shù)據(jù)中心的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈,這對(duì)于我國來說是一個(gè)非常關(guān)鍵的時(shí)期,相關(guān)高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等應(yīng)該集中力量,突破關(guān)鍵“卡脖子”技術(shù),把握技術(shù)創(chuàng)新主動(dòng)權(quán),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的自主研發(fā)、自主生產(chǎn)、自主建造,并滿足數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排與低碳環(huán)保的需求,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)綠色數(shù)據(jù)中心的高效運(yùn)營,提升我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)在國際上的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

來源：制冷與空調(diào)

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心高效液冷技術(shù)研究現(xiàn)狀

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