數(shù)據(jù)中心液冷散熱優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比及浸沒式液冷表面強(qiáng)化處理

作者：蘭洋科技????瀏覽量：8683????時(shí)間：2023年04月14日????標(biāo)簽: 數(shù)據(jù)中心散熱冷板式液冷浸沒液冷噴淋式液冷

摘要：本文介紹數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)換熱方式，以及當(dāng)前常用的三種液冷方式，并描述了三種液冷的組成形式，比較三種液冷方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并分別從節(jié)能、噪聲、占地、布置方式、環(huán)境需求、服務(wù)器可靠性、維護(hù)支出和客戶接受程度等方面進(jìn)行有針對(duì)性的介紹，為今后液冷技術(shù)在特定場(chǎng)景下的應(yīng)用提供參考依據(jù)。此外，針對(duì)浸沒式液冷技術(shù)，微米、納米級(jí)表面改性及表面工程能夠增大換熱表面積、改善毛細(xì)能力和增加成核位點(diǎn)密度來促進(jìn)成核沸騰，已成為提高浸沒式液冷系統(tǒng)池沸騰傳熱性能的重要課題。

01、液冷系統(tǒng)的介紹

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的散熱方式為風(fēng)冷，即使用空氣作為冷媒，對(duì)服務(wù)器的發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量的技術(shù)。而IDC液冷系統(tǒng)是指使用液體取代空氣作為冷媒，為發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量的技術(shù)。采用液冷方式時(shí)必須要使用液冷服務(wù)器。該服務(wù)器是指將液體注入服務(wù)器，通過冷熱交換帶走服務(wù)器的散熱的一種服務(wù)器。

液冷系統(tǒng)的組成主要包含一次側(cè)換熱部分和二次側(cè)換熱部分，一次側(cè)是指從服務(wù)器帶走熱量并二次側(cè)進(jìn)行環(huán)路介質(zhì)進(jìn)行散熱的環(huán)路，二次側(cè)是指將一次側(cè)的熱量排至室外環(huán)境或其他熱回收單元的環(huán)路。

02、液冷方式的主要形式

液冷形式主要分為噴淋式、冷板式和浸沒式，三種的主要區(qū)別體現(xiàn)在對(duì)服務(wù)器的散熱方式不同。噴淋式液冷是將冷卻液通過噴淋的方式淋在服務(wù)器的散熱元件上帶走服務(wù)器產(chǎn)生的熱量；冷板式液冷是在服務(wù)器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱，其他少量發(fā)熱器件（如硬盤、接口卡等）仍采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)；浸沒式液冷是指將服務(wù)器的發(fā)熱元器件完全浸沒在冷卻液中，通過冷卻液的對(duì)流或相變將服務(wù)器的熱量帶走的散熱系統(tǒng)。其次，噴淋式浸沒式的服務(wù)器沒有風(fēng)扇，而冷板式服務(wù)器存在風(fēng)扇。具體介紹如下：

噴淋式液冷系統(tǒng)

噴淋式直接液冷是面向電子設(shè)備器件精準(zhǔn)噴淋、直接接觸式的液冷技術(shù)，冷卻液可通過重力或系統(tǒng)壓力直接噴淋至IT設(shè)備的發(fā)熱器件或與之相連接的固體導(dǎo)熱材料上，并與之進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)對(duì)IT設(shè)備的熱管理。在熱交換的工作過程中，IT設(shè)備內(nèi)冷卻液的自由液面低于被冷卻的發(fā)熱器件或與之連接的固體導(dǎo)熱材料，系統(tǒng)可通過IT設(shè)備外部的換熱單元對(duì)冷卻液換熱，滿足循環(huán)使用要求。

冷板式液冷系統(tǒng)

冷板式液冷機(jī)柜的基本工作原理描述如下：采用冷板組件與高熱流密度元件接觸，發(fā)熱量經(jīng)由冷板組件中的冷卻介質(zhì)導(dǎo)出，再經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)冷卻回路熱交換傳遞，最終將設(shè)備熱量散發(fā)到外環(huán)境或進(jìn)行回收利用的一種液冷實(shí)現(xiàn)方式。

浸沒式液冷系統(tǒng)

浸沒式液冷機(jī)柜的基本工作原理描述如下：通過把電子信息設(shè)備浸沒在冷卻液中，由冷卻液帶走熱量的一種散熱形式。根據(jù)冷卻液散熱過程中的形態(tài)不同，分為相變與單相液冷。

03、液冷方式特點(diǎn)

充分利用自然冷源，節(jié)能效果明顯

液冷機(jī)柜可以充分利用室外的冷源。液冷機(jī)柜除冷板液冷之外，一般噴淋和浸沒式液冷的服務(wù)器側(cè)進(jìn)出冷卻液的溫度在40℃～45℃左右，而室外側(cè)的環(huán)境溫度一般都能夠滿足對(duì)冷卻液的散熱要求，噴淋和浸沒液冷均能全部采用室外冷源進(jìn)行服務(wù)器的散熱，總體PUE效果提升明顯，并且可以充分利用自然冷源，節(jié)能效果極其明顯。

三種液冷方式的PUE均能達(dá)到1.2以下，尤其是噴淋式和浸沒式液冷系統(tǒng)節(jié)能效果更加明顯，相對(duì)于風(fēng)冷而言約節(jié)約20%的空調(diào)電能，再加上因取消服務(wù)器內(nèi)部風(fēng)機(jī)，IT部分電能可節(jié)省13％～25％，總體的節(jié)能效果在40％以上。

對(duì)當(dāng)前的碳排放而言，浸沒式和噴淋式液冷其輸出的水側(cè)溫度比較高，具有廢熱回收利用價(jià)值，如結(jié)合部分余熱利用，節(jié)能效果會(huì)有顯著提升的空間之外，也能降低整體數(shù)據(jù)中心的碳排放強(qiáng)度。

機(jī)房可實(shí)現(xiàn)低噪聲

機(jī)房的噪聲主要來自服務(wù)器的風(fēng)扇，根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)定，有人值守的主機(jī)房和輔助區(qū)，在電子信息設(shè)備停機(jī)時(shí)，位于主操作員位置測(cè) 量的噪聲值應(yīng) 小于65dB（A）。隨著大型數(shù)據(jù)中心的不斷出現(xiàn)，主機(jī)房包含上百臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備規(guī)模的數(shù)據(jù)中心現(xiàn)象變得普遍。當(dāng)這些設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，大部分的噪聲接近或超過65dB，該數(shù)值均在設(shè)備正常運(yùn)行和負(fù)載50％～60％的情況下測(cè)試出的噪聲值，如果全速工作，風(fēng)扇可調(diào)速，則噪聲值只能更高。當(dāng)環(huán)境噪聲超過80dB 時(shí)，人員已經(jīng)無法在該環(huán)境里長時(shí)間工作，歐美的法律也規(guī)定，如果工作場(chǎng)所的噪聲達(dá)到80dB～85dB時(shí)，須提供相應(yīng)的職業(yè)保護(hù)。

而采用噴淋和浸沒形式的液冷，服務(wù)器內(nèi)部的風(fēng)扇均不存在，直接去除主要噪聲源，因此噪聲值可以降到低于30dB以下，即使采用冷板式液冷，一般風(fēng)扇在較低的轉(zhuǎn)速下工作，噪聲較之于常規(guī)風(fēng)冷形式更低，噪聲值也有極大改善。

另外由于液冷系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，減少了常規(guī)冷源部分（如冷水機(jī)組、空調(diào)室外機(jī)等），也能很大程度上降低對(duì)環(huán)境的噪聲影響，對(duì)于數(shù)據(jù)中心的布置及周圍環(huán)境而言，相對(duì)容易且友好。

占地面積較小

由于液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可以充分利用自然冷源，減少了常規(guī)數(shù)據(jù)中心的冷源及附屬設(shè)備及管道等布局，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，占地面積小，加上一般液冷機(jī)柜可以達(dá)到高功率密度，能實(shí)現(xiàn)10～50kW功率，較之于常規(guī)可節(jié)省較大面積。

機(jī)房環(huán)境需求低

對(duì)于浸沒式及冷板式液冷系統(tǒng)機(jī)房，無機(jī)房正壓要求，另外對(duì)于機(jī)房的整潔度無額外要求，對(duì)于機(jī)房的裝修如墻面、地板等要求較低。而且，由于機(jī)房的環(huán)境主要是滿足人員維護(hù)的需求。減少精密空調(diào)的數(shù)量及空調(diào)間的布置，可采用常規(guī)風(fēng)冷末端，機(jī)房的總體冷源的可靠性需求有所降低。

芯片工作溫度低，降低能耗

由于液體能效轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空氣，且液冷系統(tǒng)可直接對(duì)服務(wù)器的芯片等關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)散熱，散熱精準(zhǔn)高效，因此服務(wù)器的關(guān)鍵部件的運(yùn)行溫度明顯低于常規(guī)風(fēng)冷散熱溫度，且溫度恒定，其系統(tǒng)可持續(xù)高負(fù)載運(yùn)行，效能翻倍；又由于噴淋式液冷和浸沒式液冷移除了服務(wù)器系統(tǒng)風(fēng)扇，可以直接降低服務(wù)器的能耗，約降低15％～25％，而冷板式則約降低5％～10％。

服務(wù)器壽命提高

服務(wù)器的壽命提高主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1）由于芯片工作主要是在較低溫度且溫度恒定下，當(dāng)減少風(fēng)機(jī)工作時(shí)的震動(dòng)（噴淋式和浸沒式液冷），可以顯著提高芯片的壽命；

2）噴淋和浸沒液冷機(jī)房由于服務(wù)器浸沒在冷卻液內(nèi)，服務(wù)器不需要與室內(nèi)的空氣進(jìn)行接觸，避免了空氣中的灰塵等顆粒物在服務(wù)器內(nèi)的累計(jì)而導(dǎo)致設(shè)備故障。另外也直接減少了環(huán)境中的水分及塵埃等對(duì)于服務(wù)器的腐蝕，提高了設(shè)備的可靠性，延長了設(shè)備的使用壽命。

設(shè)備前期投資較大

由于液冷設(shè)備還處于起步階段，當(dāng)前液冷形式相對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)房而言體量極小，加之部分關(guān)鍵材料如冷卻液等暫時(shí)受部分公司的壟斷，相對(duì)于常規(guī)機(jī)房而言，設(shè)備前期投資較大，并且由于部分設(shè)備需要定制，如服務(wù)器等，當(dāng)所需數(shù)量較小的情況下，成本更高，一般前期投資為傳統(tǒng)機(jī)房的3倍以上。當(dāng)單柜管理設(shè)備密度在20kW以上且超過500個(gè)柜子以上的情況下，成本會(huì)有較大的降低。

04、表面技術(shù)增強(qiáng)浸沒式液冷的沸騰傳熱性能

Asperitas AIC24 浸沒式液冷系統(tǒng)

下面，介紹幾種有望應(yīng)用于浸沒式液冷系統(tǒng)的涂層與表面工程技術(shù)。

多尺度電鍍多孔 (MuSEP) 涂層

加拿大舍布魯克大學(xué)跨學(xué)科創(chuàng)新技術(shù)研究所機(jī)械工程系（Department of Mechanical Engineering Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT)- Université de Sherbrooke Sherbrooke, Canada）和合作方——Systemex Energies開發(fā)了一種新型多尺度電鍍多孔 (MuSEP) 涂層，其表面具有隨機(jī)的孔徑分布，可顯著提高沸騰效率。該涂層在室溫下沉積，可以添加到 CPU 和 GPU 等現(xiàn)成的電子部件散熱器中。

研究團(tuán)隊(duì)將3M公司的介電高潤濕液體Novec? 649應(yīng)用于具有不同表面特性散熱器的池沸騰實(shí)驗(yàn)，它們分別是裸銅、添加3M 公司商品化的沸騰增強(qiáng)涂層 (BEC?) 和 MuSEP 涂層的散熱器。

左邊：SEM image of 3M BEC。右邊：SEM image of the MuSEP coating

研究團(tuán)隊(duì)將面積為22平方厘米、厚度為4mm的散熱器，連接到表面尺寸為 2.54 cm x 2.54 cm 的加熱器上，并對(duì)這 3 種具有不同表面特性的散熱器在浸沒式液冷中的熱性能進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明，使用 MuSEP 涂層的散熱器獲得了最佳結(jié)果。在 (250±11) W（平均熱通量（11.3±0.5）W/cm 2 的沸騰表面）的功率下，MuSEP 涂層散熱器的外殼溫度為 (68±0.1)°C，BEC涂層散熱器的外殼溫度為 (79±0.1)°C，裸銅散熱器的外殼溫度為 (93±0.1)°C。

與裸銅表面相比，介電液在 MuSEP 涂層上沸騰時(shí)，其表面對(duì)液體的熱阻 (R s–l ) 從 (0.186±0.008) °C/W 降低到 (0.089±0.004) °C/W。此外，MuSEP 涂層在較低功率下表現(xiàn)出最低的熱阻。

在研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的兩相熱虹吸冷卻系統(tǒng)原型中，MuSEP 涂層通過了超過 22000 小時(shí)的 CPU 集成功能測(cè)試以及在整個(gè)浸沒式冷卻應(yīng)用中超過 5500 小時(shí)的集成測(cè)試，其可靠性得到了證明。

他們認(rèn)為，憑借卓越的沸騰性能、低制造成本和可靠性，MuSEP 涂層有望成為未來商業(yè)化兩相冷卻解決方案的基本組成要素。

蓮花金屬

蓮花型多孔銅（Lotus-Type Porous Copper）是內(nèi)部類似于蓮花根莖結(jié)構(gòu)的多孔銅金屬，具有許多沿同一方向排列的細(xì)長孔，冷卻劑浸潤這些細(xì)孔，極大地增加了沸騰面積，從而增強(qiáng)沸騰傳熱性能。

東京理工大學(xué) Kazuhisa Yuki 教授的團(tuán)隊(duì)將蓮花金屬與每隔一定距離雕刻約 1mm 寬度凹槽的導(dǎo)熱良好的金屬板結(jié)合，并將它們與加熱元件接觸，對(duì)其沸騰傳熱效應(yīng)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓮花金屬的頂部吸入制冷劑，而蒸汽則經(jīng)金屬板的凹槽排出，且這種結(jié)合抑制了薄膜沸騰的發(fā)生。團(tuán)隊(duì)指出，金屬板中的凹槽和蓮花金屬中的孔隙尺寸決定了冷卻性能，他們建立了一種方法，能夠根據(jù)制冷劑的特性確定凹槽的橫截面積和蓮花金屬孔隙直徑。

將蓮花金屬與帶有凹槽的金屬板相結(jié)合（左邊：蓮花金屬，右邊：結(jié)合了金屬板的蓮花金屬散熱器）（來源：LTS）

在為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的沸騰冷卻實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)在一個(gè)小尺寸（冷卻表面10mm×10mm）的冷卻器中測(cè)得了超過550W/cm 2 的CHF，在另外一個(gè)大尺寸（冷卻表面65mm×65mm）的冷卻器中測(cè)得的 CHF 為 270W/cm 2。

在高性能計(jì)算機(jī)CPU的冷卻研究中，他們將氟化惰性液體作為制冷劑，用體積僅為現(xiàn)有散熱器產(chǎn)品一半的蓮花金屬，實(shí)現(xiàn)了同水平的冷卻性能。