隨著云計(jì)算、人工智能、5G、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)業(yè)份額不斷增長(zhǎng)。全球數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模2020年超過(guò)627億美元，中國(guó)市場(chǎng)收入達(dá)878億元。然而，數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展也帶來(lái)了巨大的能源消耗。中國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量在2017年達(dá)到1250億千瓦時(shí)，超過(guò)了三峽大壩和葛洲壩電廠的發(fā)電量總和。其中，冷卻系統(tǒng)的能耗約占總能耗的40%，因此減少冷卻系統(tǒng)的能耗是降低總能耗的關(guān)鍵。到2023年，中國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量將增長(zhǎng)66%。

數(shù)據(jù)中心朝著高功率、高密度和超大規(guī)模的方向發(fā)展，需要更高效的熱管理和散熱技術(shù)來(lái)滿足散熱需求。傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)已難以滿足要求，因此液體冷卻技術(shù)，尤其是浸沒(méi)式液體冷卻技術(shù)，備受關(guān)注。這種技術(shù)具有高散熱效率、溫度均勻、低噪聲無(wú)污染、高集成度和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，可以保證數(shù)據(jù)中心設(shè)備的穩(wěn)定工作同時(shí)減少冷卻系統(tǒng)能耗。

浸沒(méi)式液體冷卻技術(shù)是一種將發(fā)熱設(shè)備完全浸沒(méi)在絕緣冷卻液中，通過(guò)冷卻液的循環(huán)流動(dòng)或相變帶走設(shè)備產(chǎn)生的熱量的冷卻技術(shù)。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷或水冷技術(shù)相比，浸沒(méi)式液體冷卻技術(shù)具有多重優(yōu)勢(shì)。首先，由于冷卻液直接接觸發(fā)熱設(shè)備，大大降低了傳熱熱阻，提高了高熱流密度設(shè)備的散熱效率，同時(shí)改善了設(shè)備的溫度均勻性，減少了局部熱點(diǎn)。其次，浸沒(méi)式液體冷卻技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的緊湊度和集成度，使系統(tǒng)的占地面積可以縮減至原風(fēng)冷系統(tǒng)的1/3。此外，這種技術(shù)能夠節(jié)能降耗，降低系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，并且具有噪聲和灰塵污染小、系統(tǒng)安全性高的特點(diǎn)。基于上述優(yōu)勢(shì)，浸沒(méi)式液體冷卻技術(shù)在熱管理領(lǐng)域備受關(guān)注，特別是在數(shù)據(jù)中心冷卻領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)通常由殼體、服務(wù)器模塊、絕緣冷卻液、外部冷源、液體泵、電氣控制系統(tǒng)、連接管路和其他附件組成。根據(jù)冷卻液在系統(tǒng)工作溫區(qū)內(nèi)是否發(fā)生相變的不同，浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)可以分為單相浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)和相變浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)。

圖1浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)原理圖

單相浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)對(duì)流傳熱來(lái)帶走發(fā)熱設(shè)備的熱量，然后通過(guò)換熱器將熱量傳遞到冷卻裝置。由于單相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用案例。相變浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)主要依靠冷卻液的沸騰散熱，蒸汽上升并在頂部冷凝盤(pán)管表面液化后落回，冷凝管內(nèi)的介質(zhì)可由外部小型制冷系統(tǒng)或冷卻塔等形式提供。根據(jù)沸騰傳熱機(jī)理，相變浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要經(jīng)歷兩個(gè)階段：1）自然對(duì)流階段：服務(wù)器初始通電，芯片發(fā)熱逐漸加熱冷卻液，但此時(shí)芯片表面溫度較低，表層液體還未達(dá)到產(chǎn)生氣泡的條件，傳熱主要通過(guò)自然對(duì)流進(jìn)行；2）核態(tài)沸騰階段：當(dāng)芯片表面溫度增大到一定值，表層液體開(kāi)始產(chǎn)生氣泡，并隨著溫度升高，氣泡間的劇烈擾動(dòng)使得沸騰逐漸劇烈，傳熱系數(shù)和熱流密度急劇增大，直至液體沸騰瞬時(shí)傳熱量和芯片產(chǎn)熱量達(dá)到平衡，芯片溫度不再升高。相較之下，相變浸沒(méi)式液體冷卻的機(jī)理復(fù)雜，影響因素繁多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，實(shí)際應(yīng)用案例相對(duì)較少。

圖2池沸騰特性曲線

相變浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中有兩種不同的系統(tǒng)形式，分別為臥式系統(tǒng)和立式系統(tǒng)。臥式系統(tǒng)中的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)從上向下浸沒(méi)在盛有冷卻液的殼體中，而立式系統(tǒng)中每個(gè)密封單元內(nèi)部包括了冷卻液、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、控制系統(tǒng)和冷卻結(jié)構(gòu)等，可以看作獨(dú)立的小型浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)。從系統(tǒng)控制方案、可靠性、維護(hù)性和成本四個(gè)方面來(lái)比較兩種系統(tǒng)形式的優(yōu)劣。臥式系統(tǒng)的控制過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方案成熟，而立式系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)每個(gè)單元的獨(dú)立控制過(guò)程，方案復(fù)雜且設(shè)計(jì)難度大。在可靠性方面，臥式系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可能存在相互作用的風(fēng)險(xiǎn)，而立式系統(tǒng)中各個(gè)單元相互獨(dú)立，安全可靠。在維護(hù)性方面，臥式系統(tǒng)支持在線插拔維護(hù)，但維護(hù)時(shí)液體處于沸騰狀態(tài)，泄漏量大；而立式系統(tǒng)也支持在線插拔維護(hù)，維護(hù)時(shí)沸騰泄漏量小，但單元重量較重，操作困難。從成本角度來(lái)看，臥式系統(tǒng)整體制造和控制方案成本較低，有成熟的案例和設(shè)計(jì)指南可參考；而立式系統(tǒng)除了機(jī)柜還需要設(shè)計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元的密封外殼、控制裝置和冷卻結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和制造成本較高，可供參考的市場(chǎng)應(yīng)用案例也較少。

圖3臥式系統(tǒng)

圖4立式系統(tǒng)

相變浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，需要考慮多個(gè)因素。文獻(xiàn)中從冷卻液選擇、沸騰傳熱優(yōu)化、冷凝盤(pán)管設(shè)計(jì)、壓力控制方案等方面進(jìn)行了闡述。

在冷卻液選擇方面，應(yīng)用于浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)的冷卻液必須具備良好的電絕緣性和材料相容性，以保證電路安全運(yùn)行。同時(shí)還需考慮其熱物理性質(zhì)、環(huán)境友好性、毒性、可燃性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等。在滿足基本要求的前提下，可選擇礦物油和電子氟化液作為浸沒(méi)式液體冷卻液。礦物油具有良好的絕緣性能和低泄漏的危險(xiǎn)性，但壓力較高，通常用于單相冷卻。電子氟化液具有強(qiáng)絕緣性和較高的沸點(diǎn)，利于沸騰傳熱。

沸騰傳熱優(yōu)化是提高浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)效率的有效方式。除了考慮各種表面增強(qiáng)技術(shù)，還可以通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)布置方式和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。不同的發(fā)熱面朝向會(huì)影響沸騰傳熱系數(shù)和臨界熱流密度，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需注意。發(fā)熱面朝上時(shí)，沸騰傳熱系數(shù)較大，沸騰散熱極限較?。欢l(fā)熱面朝左/右時(shí)，沸騰傳熱系數(shù)較小，沸騰散熱極限較大。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)放置方式合理設(shè)計(jì)發(fā)熱面朝向，以達(dá)到最佳效果。

冷凝盤(pán)管設(shè)計(jì)是相變浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中提供外部冷量的常見(jiàn)形式之一。冷凝盤(pán)管通常集成在系統(tǒng)空腔內(nèi)，沸騰蒸氣上升后通過(guò)冷凝盤(pán)管表面液化，提供冷量。冷凝盤(pán)管的設(shè)計(jì)過(guò)程包括冷卻水流速設(shè)計(jì)、進(jìn)出水溫度、盤(pán)管規(guī)格、總管長(zhǎng)、盤(pán)管布置放方式以及材質(zhì)和強(qiáng)化形式等。由于系統(tǒng)空間內(nèi)存在不凝性氣體，可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)冷凝盤(pán)管的空間位置，將盤(pán)管置于蒸氣聚集區(qū)，減弱空氣對(duì)冷凝效果的不良影響。

壓力控制是設(shè)計(jì)相變浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于系統(tǒng)需要保持密閉以減少工作流體損失，壓力控制尤為重要。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮壓力控制方案，保持系統(tǒng)常壓運(yùn)行，并降低壓力波動(dòng)幅度以減少流體損失，降低對(duì)密封件的要求，確保系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行。例如，可以使用波紋管和電磁閥等結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓力控制，當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)，波紋管膨脹導(dǎo)致波紋管開(kāi)關(guān)關(guān)閉，排氣閥打開(kāi)，系統(tǒng)內(nèi)氣體通過(guò)熱交換器或碳床回收。當(dāng)系統(tǒng)壓力減小時(shí)，儲(chǔ)存于波紋管中的氣體回到系統(tǒng)內(nèi)，排氣閥起補(bǔ)氣作用，允許凈化后的空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

圖53M臥式相變系統(tǒng)方案示意圖

在相變浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了以上四個(gè)環(huán)節(jié)外，還需要注重維護(hù)檢修流程，密封方式和冷卻液的回收與再生。維護(hù)檢修操作應(yīng)方便快捷，使得維護(hù)不影響其他服務(wù)器工作，且以最小代價(jià)、高質(zhì)量完成。對(duì)于立式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)維護(hù)排液流程以減輕節(jié)點(diǎn)重量、便于后續(xù)操作；在維護(hù)結(jié)束前，需要重新注入冷卻液。相變浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)中，若采用敞口設(shè)計(jì)，冷卻液蒸氣流失會(huì)造成損失并對(duì)機(jī)房環(huán)境產(chǎn)生不良影響，因此需要選擇合適的密封方式，確保系統(tǒng)密封性并便于維修。廢棄冷卻液的處理也十分重要，尤其是對(duì)于昂貴的冷卻液，隨意排放將帶來(lái)巨大損失并對(duì)環(huán)境不友好。因此，回收和再利用廢棄冷卻液是必要的，經(jīng)過(guò)初步干燥過(guò)濾并測(cè)試基本物性參數(shù)后，安全的情況下可以直接重新使用。對(duì)于參數(shù)發(fā)生明顯變化、無(wú)法直接回收的液體，則需要進(jìn)行進(jìn)一步的再生處理。

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

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