第1部分–浸沒式液冷機(jī)柜

材料

除了用于技術(shù)驗(yàn)證之外，浸沒式液冷機(jī)柜不能采用塑料材料制造，因?yàn)樗芰虾兴?，而且能夠允許潮氣通過，這對(duì)浸沒式液冷機(jī)柜的干燥系統(tǒng)來說是一種負(fù)擔(dān)。浸沒式液冷機(jī)柜可以采用玻璃材質(zhì)，但是玻璃面板的邊緣密封可能不可靠?？珊附拥慕饘俨牧鲜侵圃旖]式液冷機(jī)柜的理想材質(zhì)。不銹鋼和普通碳鋼是優(yōu)選材料（較小的浸沒式液冷機(jī)柜使用14號(hào)厚度規(guī)格，較大浸沒式液冷機(jī)柜使用11號(hào)規(guī)格），原則上來說，也可以使用鋁制容器。必要時(shí)，金屬應(yīng)設(shè)計(jì)局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以便承受液體的靜壓力。鋁材和碳鋼的內(nèi)部和密封表面，必須進(jìn)行噴漆或噴粉處理，以防止意外水汽冷凝可能造成的材料氧化。

結(jié)構(gòu)

冷凝器管路的穿孔可設(shè)置在浸沒式液冷機(jī)柜的平面頂板上，以便確保所有穿孔位置處于一個(gè)較高的位置。如果將穿孔位置置于側(cè)面，需要保證孔位高于浸沒液體液面，從而更大限度的減少因管路穿孔造成的浸沒液體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。接口部分可通過壓合接頭進(jìn)行密封，或少量使用兼容性較好的彈性體，如丁基橡膠或無污染管道螺紋密封劑，例如工業(yè)級(jí)PTFE膠帶或LeakLock?藍(lán)色接頭封口膠。浸沒式液冷機(jī)柜應(yīng)保持絕熱，以避免熱量不必要的散失至室內(nèi)環(huán)境（特指沸點(diǎn)高于室溫的液體），同時(shí)更大限度的降低過熱燃燒的隱患。浸沒式液冷機(jī)柜外殼的外側(cè)擋板，可提高設(shè)計(jì)美觀度，并防止接觸高壓繼電器（如有）的風(fēng)險(xiǎn)。

蓋子和密封

蓋子可采用玻璃或金屬材質(zhì)。對(duì)較小的浸沒式液冷機(jī)柜開口，可簡單地通過O形圈和夾具密封。

對(duì)于較大的開口，為確保良好密封效果，應(yīng)考慮在每一定長度施加相應(yīng)緊合力，可能需要多個(gè)夾固點(diǎn)。

圖1. 200千瓦雙相浸沒冷卻浸沒容器分解圖，外殼已去除。

對(duì)于氫氟醚類液體（3M?Novec?7000、7100或7200電子氟化液），應(yīng)使用硬度值80的EPDM或丁基橡膠，對(duì)于全氟類氟化液（3M?Fluorinert?FC-72或FC-3284電子氟化液），可以使用有機(jī)硅類密封材料。這些彈性材料一般含有碳?xì)漕愄砑觿?，在正常使用過程中難免被浸沒液體萃取析出，成為液體中的污染物來源。因此應(yīng)盡量選擇可萃取物質(zhì)含量較低的彈性材料?；蛲ㄟ^溶劑清洗機(jī)，對(duì)彈性材料進(jìn)行“預(yù)清洗”，減少可萃取有機(jī)物的含量。在本指南的后續(xù)內(nèi)容將進(jìn)行有關(guān)討論。

布局

水冷冷凝器通常位于浸沒式液冷機(jī)柜壁的內(nèi)凸空間上。這樣可不受限制的對(duì)機(jī)柜內(nèi)硬件進(jìn)行操作和更換，而且更大限度的降低液體需求。小型系統(tǒng)的冷凝器（功率幾千瓦左右）可使用一般散熱器和適當(dāng)?shù)啮捚询B制作。對(duì)于較大型的系統(tǒng)，可使用工業(yè)冷水機(jī)組常用的強(qiáng)化管組制造。對(duì)于這兩種方案，設(shè)計(jì)優(yōu)化后能夠在15℃的溫差（液體與水）和10℃的水進(jìn)出口溫升下，實(shí)現(xiàn)單位液體體積中4+千瓦/升的散熱能力。

建議在頂板上增加一個(gè)包括可拆除擋板的穿孔，以便導(dǎo)入IO、供電、導(dǎo)管等管線。將擋板置于頂部，能夠更大限度的減少因穿孔密封不完善導(dǎo)致的液體損失。

從冷凝器上方到浸沒式液冷機(jī)柜頂板下方的空間，稱為緩沖區(qū)。這個(gè)空間有助于減少在機(jī)柜打開時(shí)因空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)液體蒸汽產(chǎn)生的擴(kuò)散和攜帶作用，從而更大幅度地減少液體損失。建議緩沖區(qū)的高度至少保持10厘米。雖然這個(gè)高度越大越好，但必須同時(shí)考慮對(duì)功率密度、系統(tǒng)高度、可操作性等的影響。

 第2部分-計(jì)算機(jī)硬件改造/準(zhǔn)備 

對(duì)通用計(jì)算機(jī)硬件需要改造固件或BIOS，以確保設(shè)備可在缺乏風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)，及環(huán)境溫度超過常見風(fēng)冷散熱溫度設(shè)定中正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)浸沒式液冷散熱。有時(shí)需要OEM協(xié)助實(shí)現(xiàn)本功能。

通常，風(fēng)冷中沒有散熱器的設(shè)備在浸沒式液冷系統(tǒng)也不需要進(jìn)行改造。這類設(shè)備包括內(nèi)存DIMM、電容器等?，F(xiàn)有其它元件的散熱器都應(yīng)去除。對(duì)設(shè)備所需的其它改造取決于其功率密度。實(shí)踐中，通常在風(fēng)冷中配有銅制散熱器的設(shè)備，都需要使用某種沸騰強(qiáng)化涂層處理，以便促進(jìn)沸騰產(chǎn)生和提升效率。有機(jī)或金屬沸騰強(qiáng)化涂層都可以使用。對(duì)于大多數(shù)有金屬屏蔽罩的元件，例如50-120瓦范圍的CPU，建議通過焊接或膠粘劑方法涂布一層超薄多孔的金屬沸騰強(qiáng)化涂層（BEC）。不應(yīng)使用導(dǎo)熱脂和包含導(dǎo)熱脂的封裝。因?yàn)榻?jīng)過幾個(gè)月的使用之后，有機(jī)硅類基材有可能會(huì)被萃取轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱脂性能惡化。原有散熱器且功率超過50-120瓦范圍的裸芯片元件或有屏蔽罩的元件，需要配備帶有BEC并經(jīng)過優(yōu)化的散熱器。

計(jì)算機(jī)硬件通常包含大量制造工藝的殘留物。對(duì)電源模塊、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)都要使用溫和的極性溶劑（例如3M?Novec?71IPA電子氟化液）進(jìn)行蒸汽去脂清洗，以便清除可溶解的助焊劑殘留、脫模劑、指印等。大部分電纜都使用聚氯乙烯(PVC)作為絕緣外皮，這類材料中含有重量占比為3-30%的碳?xì)漕愃芑瘎?。在浸沒式液冷應(yīng)用過程中，這些碳?xì)漕愇镔|(zhì)不可避免的將從PVC中被液體萃取出來，成為液體中污染物的來源。而且PVC外皮可能會(huì)變硬，但這并不一定會(huì)導(dǎo)致其變脆或失效。電纜可進(jìn)行較長時(shí)間（24小時(shí)）的蒸汽去脂清洗，以便清除大部分的碳?xì)漕愇镔|(zhì)，但是仍會(huì)有些碳?xì)漕悮埩簦枰罄m(xù)通過液體過濾系統(tǒng)將其去除，從而確保浸沒液體處于清潔狀態(tài)。帶有聚烯烴或PTFE絕緣層的電纜通常含碳?xì)漕愇镔|(zhì)都很少，但通常較難獲得，而且獲取的成本也會(huì)更高。

圖2兩相液冷機(jī)柜配置

第3部分-有機(jī)污染物去除/液體過濾

如果沒有預(yù)清洗，在彈性材料、PVC絕緣材料、泡沫、膠粘劑中含有的碳?xì)溆皖愇镔|(zhì)，會(huì)少量溶解到浸沒液體內(nèi)，并在蒸發(fā)沸騰過程中與液體分離，從而沉積沸騰表面，影響其傳熱性能。這些碳?xì)漕愇镔|(zhì)還可能擴(kuò)散至其它系統(tǒng)材料中，有可能引起這些材料的失效。類似于在飲用水濾芯中使用的經(jīng)過酸洗的活性炭，對(duì)于這些碳?xì)漕愇镔|(zhì)有很好的吸附性。較小的系統(tǒng)，通常可在浸沒液體中添加活性碳過濾器（袋），作為被動(dòng)過濾的方法。對(duì)于較大的系統(tǒng)，污染物被動(dòng)擴(kuò)散至活性碳過濾器件的時(shí)間太長，可采用任何汽車燃料泵將液體主動(dòng)循環(huán)至碳濾芯進(jìn)行清理。因?yàn)樘疾牧暇哂袑?dǎo)電性能，因此清理過的液體必須進(jìn)行二次過濾去除碳?xì)埩?。所用的活性碳量至少?yīng)達(dá)到預(yù)期污染量的5倍，預(yù)期污染量的計(jì)算方法為，匯總彈性材料的總質(zhì)量，然后假設(shè)0.1%（經(jīng)過預(yù)清潔）至3%（典型情況），甚至是25%（極端情況）的質(zhì)量為預(yù)期污染量。設(shè)備首周運(yùn)行之后，應(yīng)更換用于過濾的活性碳，之后就不需要更換這么頻繁。設(shè)備運(yùn)行幾個(gè)月之后，可停止主動(dòng)過濾。

第4部分-水分管理

兩相浸沒式液冷使用的工作液體溶水性很低，但是按重量比例水依然可達(dá)到5-20ppm（在PFC中）至100ppm（在氫氟醚中）。在浸沒設(shè)備啟動(dòng)之后，這些水將遷移至系統(tǒng)頂部，進(jìn)入蒸汽區(qū)域之上的頂部空間。

當(dāng)頂部空間中的水蒸汽的濃度超出飽和濃度時(shí)，會(huì)發(fā)生液化。液態(tài)水有可能會(huì)造成短路和腐蝕問題。

這些水可以通過排氣閥排出浸沒式液冷機(jī)柜，或在頂部空間內(nèi)用多孔容器放置可更換干燥劑，如硅膠，進(jìn)行吸收。如果將干燥劑放置液體或蒸汽區(qū)中，不但不能清除水，實(shí)際上還會(huì)增加頂部空間中的水分。干燥劑的質(zhì)量應(yīng)至少達(dá)到預(yù)期水質(zhì)量的5倍。系統(tǒng)第一天運(yùn)行之后，內(nèi)部液體就應(yīng)變得非常干燥。之后的水可能來自浸沒式液冷機(jī)柜內(nèi)部硬件內(nèi)逐漸釋放的水分。應(yīng)始終監(jiān)控相對(duì)濕度，確保溫度傳感器的讀數(shù)不超過頂部空間表面的溫度最低值，防止引起凝露產(chǎn)生。

第5部分–排氣和壓力控制

能夠在正常大氣壓環(huán)境中運(yùn)行，是兩相浸沒式液冷設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，因?yàn)檫@能夠更大限度減少液體損失，便于硬件操作，而且無需使用昂貴的密封電氣接頭。通過簡單地由浸沒式液冷機(jī)柜向大氣環(huán)境中排氣，雖然可以保持正常的大氣壓，但是會(huì)隨之帶來不能接受的液體損失量。使用氣囊搭配由機(jī)械和壓力開關(guān)控制的電磁閥，是一種經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的控制壓力的方法。

在啟動(dòng)階段的液體升溫排出溶解的空氣的過程中，或后續(xù)功率提升造成蒸汽區(qū)域上移的過程中，會(huì)產(chǎn)生額外的氣體壓力升高，這時(shí)氣囊將會(huì)開始膨脹。當(dāng)達(dá)到膨脹極限，氣囊會(huì)聯(lián)動(dòng)真空開關(guān)關(guān)閉，從而打開排氣閥門?？梢酝ㄟ^二級(jí)換熱器或者可再生活性碳層，部分或全部吸收排氣氣流中的液體蒸汽。當(dāng)功率降低或恢復(fù)平衡狀態(tài)時(shí)氣囊收縮，真空開關(guān)將關(guān)閉，排風(fēng)閥門會(huì)打開，以便允許空氣進(jìn)入。

第6部分–IO過壁管理

密封問題，曾經(jīng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用兩相浸沒式液冷面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。交流電源的氣密式接頭通常是可以滿足要求的。但是在通常應(yīng)用環(huán)境中，還有大量的連接器和光學(xué)元件，如果全部使用氣密接頭的成本很高。因?yàn)閮上嘟]式液冷系統(tǒng)運(yùn)行在常壓環(huán)境中，導(dǎo)線和電纜只需穿過一個(gè)簡單開口在液面以下的導(dǎo)管。液體就會(huì)產(chǎn)生“水封”密封的效果，防止蒸汽和液體的流失，從而將擴(kuò)散性的液體損失控制在大約1g-m/cm2水平。必要時(shí)，還可通過低粘度樹脂灌封的方式進(jìn)一步降低這種損失。對(duì)于一些需要密集通訊的應(yīng)用場合，可以使用印制電路板轉(zhuǎn)接器，作為IO的通路。

第7部分-其它控制設(shè)備

如果液體的液位過低，可利用浮動(dòng)開關(guān)切斷硬件的電源。蒸汽區(qū)溫度傳感器可用于確定蒸汽高度，從而調(diào)整冷卻液（導(dǎo)熱液）的流量，更大限度的減少蒸汽區(qū)的向上移動(dòng)。在冷凝器上方溫度傳感器一旦被加熱至液體沸騰溫度，就意味著負(fù)載超過冷凝器制冷能力，引起蒸汽區(qū)上升過高。這些和其它控制信號(hào)可匯總至相應(yīng)可編程邏輯控制器，來輔助對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)整。

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本文標(biāo)題：3M兩相浸沒式液冷解決方案

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