隨著能耗密度的增加和全球能源短缺問題的突出，數據中心面臨著能源使用效率低下的挑戰(zhàn)。據統(tǒng)計，用于服務器散熱的能源占據傳統(tǒng)數據中心能耗的一半，有些甚至更高。因此，提升能源利用效率、降低數據中心的能源使用效率（PUE）成為業(yè)界競爭的焦點之一。為了應對這一挑戰(zhàn)，數據中心的服務器散熱正從傳統(tǒng)的風冷機柜逐漸演進為水冷機柜和全水冷服務器

現有的水冷機房解決方案主要包括傳統(tǒng)水冷機房和水冷門。傳統(tǒng)水冷機房結構有兩個液路循環(huán)。在室內循環(huán)中，低溫水進入機柜，帶走熱量，通過冷熱分配單元（CDU）和室外液路循環(huán)進行熱交換，將熱量釋放到外界。水冷門解決方案在傳統(tǒng)水冷機房方案的基礎上，通過兩個液路循環(huán)將熱量經CDU散熱到外界。同時，水冷門風扇強制機柜通風，將室溫空氣從前面板進入機柜，經過散熱片帶走熱量并降溫，然后通過水冷門進行降溫后排出機房。然而，這種降溫散熱方案仍然需要配置空調來控制機房的溫度和濕度?？傮w而言，這種方案仍然依賴空氣作為熱媒來進行散熱，而空氣的熱傳導效率相對較低。

圖1 傳統(tǒng)水冷機房結構示意圖

圖2 水冷門機柜結構分解示意圖

液冷解決方案可以顯著減少空調系統(tǒng)的能耗，有效提高能源使用效率。然而，通常液冷方案需要復雜的管路設計，并對數據中心的基礎設施有較高的要求。對于已經運行的數據中心來說，實施液冷方案的改造或擴展往往面臨較大的困難和風險。傳統(tǒng)的水冷方案存在以下缺點：首先，室外機不僅需要解決散熱問題，還需要對水進行冷卻處理，這不僅消耗大量能源，還需要增加低溫冷水機組等配套設備，導致購置和運營成本較高。其次，IT設備內部仍然采用空氣導熱冷卻方式，在進行熱交換時需要高速運轉的散熱風扇，導致散熱效率較低。最后，大量散熱風扇的運轉會產生較大的噪音。因此，尋找既能提高數據中心能源使用效率又方便實施和運營的解決方案成為非常重要的需求。

文獻中提出了在水冷機柜和機柜之間增加冷水柵格的方案。冷水柵格由金屬管構成，通過管道中的水流來保持低溫狀態(tài)。熱管或蒸發(fā)導熱腔一端與發(fā)熱器件貼緊，另一端與冷水柵格貼緊。熱量從發(fā)熱器件傳導到冷水柵格，以實現降溫的目標。冷水柵格是由銅管焊接而成的柵欄狀熱交換器，具有良好的導熱性能，有進水口和出水口。冷卻水以18℃的溫度流入冷水柵格，在經過柵格冷卻后從出口流出。服務器的發(fā)熱部件與熱管直接接觸，將熱量傳遞給熱管，熱管通過良好的接觸與冷水柵格充分接觸，將熱量傳遞給冷水柵格。這樣可以實現發(fā)熱部件到冷水柵格的熱量單向傳遞，實現降溫。圖中顯示了銅質冷水柵格的示意圖，其中一端是進冷水口，另一端是出常溫水口。根據機柜服務器的數量，可以設置多個橫向回水柵格，每層設置相應數量的熱交換接觸臺，以便與熱管接觸，促進導熱。圖中還展示了一個熱管的實施案例，通過增加鋁塊來增加導熱面積，并在冷水柵格的接觸臺和鋁塊接觸面上涂抹導熱硅膠，以提高熱傳導效率。冷水柵格位于機柜背面，在機柜和水冷機柜之間，需要連接多個服務器的熱管。這種方案需要使用許多緊固件，對于服務器的維護來說不太方便。此外，如果將水冷柵格直接安裝在水冷機柜背面，通過螺絲固定與熱管接觸，這會使打開和關閉水冷柵格與熱管的接觸變得非常不便。因此，快速打開和關閉水冷柵格與熱管的接觸也是一個需要考慮的關鍵問題。

圖3 水冷機柜內冷水柵格示意圖

圖4 銅質冷水柵格示意圖

圖5 熱管示意圖

下面是一種簡易方案，用于快速接觸和脫離冷水柵格與熱管。根據如圖所示的直插式接觸導熱示意圖，每層冷水柵格根據熱管的位置和數量，焊接對應的管狀接觸套筒，并內置導熱硅膠。熱管可以直接插入這些管狀接觸套筒，順利傳導熱量，并且不會影響到水冷門或冷水柵格的開合。這種方案能夠快速實現冷水柵格與熱管的接觸，并在需要時輕松脫離。

圖6 直插式接觸導熱示意圖

在現有水冷門機柜的基礎上增加冷水柵格，并通過熱管導熱直接降低發(fā)熱器件溫度的方案具有多個優(yōu)點。首先，這種改造對現有機柜的影響很小，不會干擾機柜的正常運行。其次，相較于復雜的水冷改造，只需更換熱管或散熱器件，無需設置復雜的管道系統(tǒng)，也避免了潛在的漏液風險。第三，通過熱管將發(fā)熱器件的熱直接導至冷水柵格，比純風扇散熱方式更高效。此外，由于散熱效率的提高，系統(tǒng)風扇的轉速和風量要求可以降低，減少了機房的噪音。冷水柵格供應常溫水，無需控制進水溫度，簡化了室外低溫水設備的設置。最后，這種方案不僅提高了數據中心的能源利用效率，還相對簡單地實現了擴展。

本文標題：水冷門機柜改造增加直接接觸散熱冷水柵格方案

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