數(shù)據(jù)中心是全球合作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施上傳輸、加速、展示、計算、存儲各種信息。隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心逐漸向著集中化、大型化快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為推動社會進步的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

由于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對于信息處理和交換的業(yè)務(wù)需求與日俱增，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)步入到云計算數(shù)據(jù)中心時代，云計算行業(yè)有望迎來爆發(fā)式增長。2018 年全球互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模達到 1 363 億美元，增速達到 23.01%，預(yù)計到 2022 年市場規(guī)模將逼近 2 700 億美元。同年，我國整體互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模達 962.8 億元，增速為 39.2%，市場規(guī)?？傮w呈穩(wěn)定增長趨勢，預(yù)計到 2022 年市場規(guī)模將達到 1 731 億元。如圖 1 所示，2018 年，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量為 1 608.89億千瓦時，占全國耗電總量的 2.35%，超過上海市同期總耗電量（1 567 億千瓦時）。照此趨勢預(yù)計，到 2023 年，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量將達到 2 667.92 億千瓦時，未來5 年（2019—2023 年）將增長 66%，年均增長率將達到10.64%。美國資源保護協(xié)會預(yù)計數(shù)據(jù)中心機房能耗到 2020年底將達到 1 400 億千瓦時。由以上數(shù)據(jù)可看出，數(shù)據(jù)中心已成為能源消耗最大的裝置之一，未來數(shù)據(jù)中心的電力費用將與購買新設(shè)備的費用不分上下。

人們似乎仍未注意到這個能耗陷阱。最新研究報告明確指出：目前，數(shù)字產(chǎn)業(yè)消耗了全球約 8% 的電力，產(chǎn)生了全球 4% 的二氧化碳排放，遠遠超過海運和航空運輸，而這僅僅是個開始。法國數(shù)學(xué)家塞德里克·維拉尼在其關(guān)于人工智能的最新報告中指出：到 2040 年，數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)所需的能源甚至可能超過全球能源總產(chǎn)出。這意味著全球進程的快速數(shù)字化發(fā)展將直接把人類推入能源和氣候的僵局。各類流媒體的能耗更是糟糕：觀看 10 分鐘的高清視頻相當(dāng)于 2 000 瓦的家用烤箱滿負荷運轉(zhuǎn) 5 分鐘。

緣何走到這一步？答案很簡單，發(fā)展中國家的互聯(lián)網(wǎng)用戶呈爆炸式增長，互聯(lián)網(wǎng)使用頻率的增加，尤其是互聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用的激增。例如，獨占全球互聯(lián)網(wǎng)流量達到 60% 的流媒體視頻；使用率越來越高的人工智能；可能徹底改變經(jīng)濟規(guī)則的區(qū)塊鏈技術(shù)。每一項應(yīng)用都涉及一整套的基礎(chǔ)設(shè)施，這些設(shè)施用肉眼是看不見的，但會消耗大量的能源。所以，降低數(shù)據(jù)中心能耗有著重要意義。

圖 2 為數(shù)據(jù)中心能耗圖。從圖 2 可看出，IT 制冷設(shè)備占數(shù)據(jù)中心能耗約 40%，由此可看出，降低 IT 設(shè)備能耗迫在眉睫，而 IT 設(shè)備主要由機柜服務(wù)器組成。目前，中國數(shù)據(jù)中心的平均 PUE 值在 2.0 左右，而國外數(shù)據(jù)中心平均 PUE值約 1.7，尋找提高數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)落后是當(dāng)務(wù)之急。

數(shù)據(jù)中心冷卻級別

數(shù)據(jù)中心冷卻散熱框架圖如圖 3 所示。根據(jù)不同的冷風(fēng)輸送方式，數(shù)據(jù)中心的冷卻級別分為 4 個層級：房間級、機柜級、服務(wù)器級和芯片級。

數(shù)據(jù)中心的冷卻技術(shù)分析

目前，數(shù)據(jù)中心的冷卻技術(shù)主要包括傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)、新型的液冷技術(shù)、熱電制冷技術(shù)和熱管冷卻技術(shù)。近幾年，用于機柜級別的熱管冷卻技術(shù)一直備受國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。本文對數(shù)據(jù)中心已有的冷卻技術(shù)進行分析研究。

• 風(fēng)冷冷卻技術(shù)

圖 4 為數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷布局示意圖。一般情況下，數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷采用空冷散熱方式。風(fēng)冷系統(tǒng)不但簡單可靠、安裝方便、故障率低，而且在北方部分城市的冬季還可以利用自然冷源對數(shù)據(jù)中心進行散熱等特點。通過大量閱讀關(guān)于風(fēng)冷冷卻技術(shù)方面的國內(nèi)外文獻，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)者主要是通過改變機房的送風(fēng)方式、優(yōu)化架空地板的參數(shù)以及采取冷熱通道封閉等措施來改善機房氣流組織，從而提高冷空氣與機柜的換熱效率。

風(fēng)冷技術(shù)主要存在散熱效率低、散熱能力不足且電力消耗大等問題。由于空氣傳熱效率較差，為了確保機柜的散熱效果，只能使機房維持較低的室內(nèi)溫度。但在大型數(shù)據(jù)中心，由于機房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難保證機房內(nèi)溫度分布均勻，因此會在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生局部熱點，有時機柜散發(fā)出的熱量會回流到機房內(nèi)造成冷熱空氣混合的現(xiàn)象。為了解決這些問題，許多學(xué)者通過研究分析后發(fā)現(xiàn)采用地板下送風(fēng)以及冷熱通道封閉相結(jié)合的方法可以較好地實現(xiàn)機房冷卻，還可以避免冷熱空氣混合。

• 液冷冷卻技術(shù)

液冷冷卻技術(shù)通常是利用冷卻介質(zhì)對機柜進行冷卻，冷卻介質(zhì)采用液體，包括直接水冷系統(tǒng)、水冷背板系統(tǒng)和環(huán)路熱管系統(tǒng)等。該技術(shù)不但可以消除機柜熱島效應(yīng)，而且其冷卻效果是空氣冷卻效果的 1 000~3 000 倍，可以大大降低制冷能耗，適用于高發(fā)熱密度機柜的柜體制冷。許多學(xué)者通過設(shè)計各種形式的冷板，然后將冷板設(shè)置在機柜或服務(wù)器的不同位置，通過調(diào)整工質(zhì)的相關(guān)參數(shù)，展開對冷板換熱器散熱性能的研究。

液冷冷卻技術(shù)可以同時對多個處理器進行冷卻散熱，具有良好的散熱效果。如圖 5 所示，IBM 公司成功地將液冷背板熱交換器應(yīng)用到了實際工程之中，機柜所排放的熱量直接與冷卻水交換，減少排放至室內(nèi)的熱量，散熱效果良好。液冷冷卻技術(shù)主要存在安全風(fēng)險高、易污染、安裝復(fù)雜且成本高等缺。采用水冷柜冷卻方式時，要注意防水漏水，一旦漏水會對通信機柜造成重大影響。由于水在封閉狀態(tài)下容易結(jié) 重點詞 ，所以水冷機柜對水質(zhì)的要求也很高。

• 機房空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

數(shù)據(jù)中心機房發(fā)熱量巨大，全年都需要向外排熱，其中空調(diào)系統(tǒng)的能耗僅次于服務(wù)器設(shè)備能耗，因此對機房空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化尤為重要。熱管式空調(diào)系統(tǒng)的特點是只要存在很小的溫差就可以使熱量穩(wěn)定傳遞，相比于精密空調(diào)系統(tǒng)具有一定的節(jié)能作用。在機房空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化研究中，分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)是研究較多且應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心機房最普遍的形式之一。許多學(xué)者主要針對該系統(tǒng)的節(jié)能效果進行了研究分析，然后對系統(tǒng)提出進一步的優(yōu)化改造。

如圖 6 所示，分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)冷凝器在室外，蒸發(fā)器在室內(nèi)，冷凝器安裝高度要高于蒸發(fā)器。當(dāng)室外溫度低于機房溫度時，工質(zhì)吸收蒸發(fā)器中的熱量后產(chǎn)生受熱蒸汽，在壓力的作用下通過氣體總管傳輸?shù)绞彝獾睦淠?，釋放出潛熱凝結(jié)成液體，液體在重力作用下，回流到蒸發(fā)器，工質(zhì)沿此循環(huán)回路往復(fù)進行。室內(nèi)外溫差越大，熱管的制冷能力越大。

清華大學(xué)江億等人設(shè)計了一種數(shù)據(jù)中心機房熱管冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一組重力型分離式強迫對流熱管換熱器構(gòu)成，室內(nèi)外各有一組單獨的熱交換器和風(fēng)機設(shè)備。在冬季使用時，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。根據(jù)北京某信息機房分離式熱管系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)：該分離式機房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能可達 40%~50%。

李奇賀等人在實驗室內(nèi)對采用分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機房展開了環(huán)境模擬研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該系統(tǒng)在溫差為 5~10℃范圍內(nèi)運行時，空調(diào)機組的能效比為3.63~5.82，當(dāng)熱管式空調(diào)系統(tǒng)在溫差為10~24℃內(nèi)運行時，空調(diào)機組能效比高達 5.82~10.64，優(yōu)于傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式空調(diào)機組。

凌麗采用實驗的方法，研究了微通道形式的分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機房的換熱特性、節(jié)能潛力，實驗的研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)在不同的工況條件下具有相同的最佳充液率范圍。

張海南等人提出了一種機械壓縮制冷 / 封閉熱管一體式機房制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以按照室外溫度的變化，通過調(diào)整壓縮機和風(fēng)機的啟動和停止來改變制冷系統(tǒng)的工作模式。通過對系統(tǒng)散熱性能的試驗研究發(fā)現(xiàn)：熱管模塊的最佳制冷劑填充量為 100%、熱管模塊的制冷性能系數(shù)可達 20.8，通過計算系統(tǒng)能效比，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的機房空調(diào)節(jié)能約 40%。

Weber 等研發(fā)了一種應(yīng)用整體式熱管的機房空調(diào)冷卻系統(tǒng)。系統(tǒng)由整體式熱管和散熱器兩部分組成，然后將若干這樣的散熱器系統(tǒng)整合到機架上。數(shù)據(jù)中心分成兩個單獨的空間：上半部是與機房外相連的增壓風(fēng)道，冷卻裝置穿過天花板延伸至該空間；下半部是分布著整體式熱管的機房內(nèi)部空間。整體式熱管將熱量傳送給散熱裝置，接著機房外部環(huán)境空氣對升壓管內(nèi)的散熱裝置進行冷卻，完成機房的整個散熱過程，降低了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部環(huán)境遭到污染的概率，提高了熱管的換熱效率。

Samba 等對熱管換熱回路系統(tǒng)展開了實驗測試研究，分析了正戊烷以及其他循環(huán)工質(zhì)的充液率對冷卻系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)熱管換熱回路系統(tǒng)所受到的熱負荷較小時，換熱系統(tǒng)工質(zhì)的最佳充液率為 9.2%；與采用精密空調(diào)冷卻系統(tǒng)相比，熱管換熱回路可以大大降低通信設(shè)備的熱負荷。

Sun 等研制了一種應(yīng)用在高熱負荷數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可全年運行，且可按照環(huán)境溫度切換運行模式。室外環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)年均能耗越小。在哈爾濱等北方城市，系統(tǒng)節(jié)能率最高可達 46%。

Yue Zheng 等人提出了一種動力型熱管復(fù)合式空調(diào)制冷系統(tǒng)，如圖 7 所示，復(fù)合式熱管自然冷卻系統(tǒng)是將分離式熱管制冷系統(tǒng)與蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相結(jié)合的一種冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過對一個 1 匹壓縮機系統(tǒng)和一個 3 匹壓縮機系統(tǒng)進行綜合測試后發(fā)現(xiàn)：該復(fù)合系統(tǒng)性能良好，能效比最高可達 29.71。

服務(wù)器 CPU 冷卻技術(shù)

現(xiàn)如今數(shù)據(jù)中心服務(wù)器級別的散熱技術(shù)主要包括微槽道技術(shù)、熱電制冷技術(shù)和環(huán)路熱管技術(shù)等。如圖 8 所示，微通道技術(shù)主要是利用一個密封良好的水槽裝置貼在 CPU 的表面，然后通過水循環(huán)系統(tǒng)來帶走 CPU 的熱量。熱管技術(shù)是將熱管蒸發(fā)段貼到 CPU 表面，然后通過工質(zhì)的蒸發(fā)換熱將熱量帶出去。如圖 9 所示，熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷技術(shù)，當(dāng)Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體串聯(lián)形成的電偶中通過直流電時，由于電子和空穴運動直接傳遞能量，使得熱端放熱，冷端向環(huán)境吸熱。通常我們將冷端與電子芯片表面直接貼合吸收熱量從而達到降低芯片溫度的效果。下面分別對上述三種方式進行研究介紹。

• 微通道技術(shù)

何智光等人設(shè)計了一套以R134a為制冷劑的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)兩相流循環(huán)流動。搭建了測試平臺，對系統(tǒng)在不同CPU 負荷和冷卻水供應(yīng)溫度下的散熱性能進行了測試和比較。測試結(jié)果表明，當(dāng)工質(zhì)R134a的飽和溫度為25~30℃時，CPU 本體溫度穩(wěn)定可控制在 50~60℃。

為了提高微通道換熱器的傳熱效果，葉飛虎采用 fluent建立了三維雙層微通道換熱器模型，計算獲得微通道的最佳設(shè)計尺寸。Hasan MI 等人針對不同截面的微通道散熱器進行了對比實驗研究，研究表明：圓形截面的微通道散熱器其流動阻力最小、熱交換能力最強。

• 熱電制冷技術(shù)

王亞雄等人研發(fā)了一種新型熱電制冷液體冷卻裝置，并在電子芯片超頻運行時利用該熱電制冷器進行散熱性能研究，研究結(jié)果表明：該新型熱電制冷液體冷卻裝置最低熱阻僅為 0.107℃ /W，其最大散熱能力高達 42.5w/cm2，為服務(wù)器 CPU 散熱提供了一種新可行的方法。王衍金等人設(shè)計了電子芯片冷卻實驗系統(tǒng)，研究結(jié)果表明：在一定的冷卻水溫度下，增大冷卻水流量，可提高熱電冷卻的效果，同時隨著芯片功率的增大效果越明顯。為了提高芯片的冷卻效果，Zuo 和 Redmond 人等將電子芯片與熱電制冷芯片的冷端通過黏合劑直接黏在一起，對芯片直接進行卻。冷卻效果明顯變好，然而由于芯片散熱面積有限，散熱能力增大有限，且制冷片冷端易出現(xiàn)結(jié)露，芯片的安全性受到影響。

• 環(huán)路熱管技術(shù)

Zimbeck W 等設(shè)計了一種使用在服務(wù)器上的空冷環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)。實驗表明：在室外環(huán)境溫度為 50℃的條件下，該系統(tǒng)的散熱器的熱阻僅為 0.15℃ /W。ChernyshevaM A 等人研制了一種超級計算機散熱器，可應(yīng)用于環(huán)路熱管系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可預(yù)測環(huán)路熱管系統(tǒng)的工作溫度范圍。Pastukhov V G 等人針對微型環(huán)路熱管系統(tǒng)進行了分析研究，該換熱系統(tǒng)經(jīng)服務(wù)器內(nèi)風(fēng)扇冷卻后，系統(tǒng)的總熱阻為1.7~4.0℃ /W。Khnmtalev D 等人對電子散熱所采用的環(huán)

路熱管進行了改造創(chuàng)新，論證了其將來應(yīng)用于多處理服務(wù)器的可行性。Palm 等人分析了不同結(jié)構(gòu)形式的熱管及熱虹吸管的性能極限，其研究結(jié)果為電子設(shè)備間接冷卻熱管技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了良好的依據(jù)。

• 機柜用熱管冷卻裝置

為確定熱管在數(shù)據(jù)機房起到的散熱作用，許多國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，通過上述學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，熱管的應(yīng)用主要包括熱管式空調(diào)系統(tǒng)和服務(wù)器級環(huán)路熱管冷卻裝置。近幾年，部分學(xué)者提出將熱管布置到機柜內(nèi)，從而進一步研究熱管在機柜級的散熱效果以及節(jié)能作用，為熱管的高效應(yīng)用提供了更加廣闊的領(lǐng)域。

楊晚生設(shè)計了一種機柜抽屜隔板式的熱管換熱器，利用鋁制發(fā)熱板模擬機柜發(fā)熱，利用平板熱管導(dǎo)出熱量，然后利用風(fēng)扇及散熱風(fēng)道對其散熱，如圖 10 所示。單根熱管和整個散熱裝置（9根熱管）的散熱量分別可達0.17kJ/min和6.6kJ/min；能源利用效率值 COP（熱管的散熱量與風(fēng)扇輸入功率的比值）分別可達 0.16 和 6.45。

陸謙逸為了解決數(shù)據(jù)中心高熱流密度機柜排熱難的問題，使用板式脈動熱管（管徑在 0.5~3mm 之間）作為機柜背板對高熱流密度機柜進行冷卻。如圖 11 所示，實驗利用熱風(fēng)直接加熱熱管蒸發(fā)段，脈動熱管將熱量輸送到冷風(fēng)通道內(nèi)。研究了熱風(fēng)溫度、熱源功率分配、充液率和冷凝端翅片對脈動熱管啟動和穩(wěn)定性能的影響。發(fā)現(xiàn)存在一個熱功率的閾值，本實驗脈動熱管的閾值為 175W，當(dāng)熱源功率高于該閾值時脈動熱管才能啟動。相同加熱溫度下，充液率較高時脈動熱管的啟動時間更短，且熱阻也更小。

劉業(yè)鵬研制了一種基于立式芯片的脈動熱管散熱器。在散熱器充液率分別為 15%、20%、25%、30%、35%、40% 的條件下，通過對立式脈動熱管散熱器的散熱性能進行對比實驗后發(fā)現(xiàn)：該散熱器的最佳充液率為 25%，最低總熱阻為0.1℃/W；散熱器的啟動時間隨充液率的增加而增加，啟動溫度則隨充液率的增加基本保持不變；在相同的實驗條件下，該散熱器的啟動時間比 90°傾斜角單片式平板脈動熱管散熱器的啟動時間要更短，啟動溫度更低，且該散熱器的散熱性能也遠比單片式平板脈動熱管散熱器的散熱性能要好。

劉磊磊等人對熱管散熱型單臺數(shù)據(jù)機柜進行了軟件模擬分析，結(jié)果顯示：有熱管散熱系統(tǒng)的機柜與沒有應(yīng)用熱管散熱系統(tǒng)的機柜相比，有熱管散熱系統(tǒng)的機柜的內(nèi)部空氣可以快速達到恒定溫度。

王佩順針對大功率密閉機柜內(nèi)散熱困難的問題，研制了以 R22 為傳熱工質(zhì)的微通道鋁扁管分離式熱管散熱器，并搭建了試驗裝置對其散熱性能進行了實驗研究。試驗結(jié)果表明：當(dāng)加熱功率為 2kw，環(huán)境溫度為 50℃時，密閉機柜內(nèi)溫度≤ 70℃，可以滿足機柜散熱需求。

綜上所述，機柜熱管冷卻裝置通過將機柜內(nèi)的熱量利用風(fēng)扇先傳遞到熱管蒸發(fā)段，熱管蒸發(fā)段吸收熱量后將熱量輸送到熱管冷凝段，然后熱管冷凝段的熱量通過風(fēng)扇排到機房內(nèi)。由于空氣與熱管之間的熱阻較高，傳遞效率較慢，導(dǎo)致熱管無法充分吸收機柜內(nèi)熱量，使得機柜內(nèi)熱量向上集中，造成機柜上部溫度較高。而且熱管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機柜內(nèi)還增設(shè)了風(fēng)扇，增加了機柜的用電損耗。

結(jié)語

傳統(tǒng)的風(fēng)冷冷卻對于現(xiàn)如今的大中型數(shù)據(jù)機房已經(jīng)無法滿足散熱需求，雖然可以通過改善機房氣流組織等方法提高換熱效率，但是機房內(nèi)容易產(chǎn)生局部熱點，而且空調(diào)設(shè)備耗電量較大。

新型的液冷冷卻技術(shù)，雖然冷卻效率遠遠高于傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)，但液冷技術(shù)存在安全隱患高、易污染、安裝復(fù)雜且造價高等缺點。

熱管式空調(diào)系統(tǒng)可以利用自然冷源來降低室內(nèi)溫度，較大幅度降低室內(nèi)負荷，節(jié)能效果比較明顯，但是熱管式空調(diào)系統(tǒng)冷量損失較大，初期投資較高。

服務(wù)器級的冷卻技術(shù)很多是利用冷卻水對 CPU 進行散熱，對于安全性要求較高的數(shù)據(jù)中心來說，一旦工質(zhì)泄漏將會對通信機柜造成重大影響，增加了安全隱患。而且該技術(shù)建設(shè)成本較高，后期維護成本也較高。

目前，熱管冷卻技術(shù)在機柜冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究還不夠深入，尤其是平板熱管在機柜級冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用還比較少見。通過閱讀相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)關(guān)于熱管形狀及功率對機柜冷卻效果影響的研究還比較少。有些學(xué)者的實驗還在機柜內(nèi)增加了用于強制對流的風(fēng)扇，增加了耗電設(shè)備，使得機柜內(nèi)的能耗還沒有降到最低。

平板熱管不僅質(zhì)量輕，并且其形狀非常有利于對集中熱源進行熱擴散，成為目前電子元件散熱方面的熱點研究。然而目前國內(nèi)關(guān)于將平板熱管直接應(yīng)用于通信機柜中的相關(guān)研究成果還較少。

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本文標題：基于熱管技術(shù)的數(shù)據(jù)中心通信機柜散熱

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