隨著信息技術(shù)和云計(jì)算的快速發(fā)展，服務(wù)器機(jī)柜在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用越來越廣泛。液冷技術(shù)作為一種新型的冷卻方式，具有高能效、高密度和低噪音等優(yōu)點(diǎn)，因此在服務(wù)器機(jī)柜領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。本文將詳細(xì)介紹液冷機(jī)柜的技術(shù)原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及發(fā)展趨勢(shì)。

據(jù)賽迪顧問預(yù)測(cè)，中國液冷數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模將由2019年的260.9億元增長(zhǎng)至2025年的1283.2億元，行業(yè)增速保持在30%以上。中國液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)規(guī)模將由2019年的64.7億元增長(zhǎng)至2025年的245.3億元。

同時(shí)，根據(jù)近日三大運(yùn)營商與液冷產(chǎn)業(yè)鏈代表企業(yè)共同發(fā)布《電信運(yùn)營商液冷技術(shù)白皮書》，提出2025年開展液冷技術(shù)規(guī)模應(yīng)用，50%（即50%為高功率機(jī)柜）以上項(xiàng)目應(yīng)用液冷技術(shù)。

結(jié)合工信部相關(guān)統(tǒng)計(jì)：預(yù)計(jì)2025年中國IDC新增機(jī)柜需求達(dá)到每年75萬臺(tái)，則年均新增10KW（千瓦）以上機(jī)柜38萬臺(tái)，浸沒式液冷單KW價(jià)值量約1.2萬元，則年均新增液冷市場(chǎng)規(guī)模約450億元。

一、液冷機(jī)柜的技術(shù)原理

液冷技術(shù)是一種通過液體作為散熱媒介來帶走服務(wù)器機(jī)柜中設(shè)備熱量的一種冷卻方式。

具體來說，液冷技術(shù)利用了液體的高熱傳導(dǎo)系數(shù)，通過泵浦將液體從冷凝器輸送到服務(wù)器機(jī)柜中的各個(gè)設(shè)備，吸收設(shè)備產(chǎn)生的熱量，再流回冷凝器進(jìn)行降溫，循環(huán)往復(fù)，達(dá)到高效冷卻的效果。

1.1技術(shù)原理圖解

圖1-1液冷系統(tǒng)技術(shù)原理圖解

工作原理

冷卻水通入機(jī)組,與導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換,帶走導(dǎo)熱介質(zhì)的熱量,達(dá)到預(yù)定使用的溫度?？筛鶕?jù)系統(tǒng)壓力、溫度、流量自動(dòng)變頻調(diào)節(jié)。利用液冷熱交換對(duì)主要熱源進(jìn)行冷卻，減少風(fēng)冷系統(tǒng)的使用。通過液冷設(shè)備為發(fā)熱元件提供冷卻液循環(huán)，節(jié)省了空氣換熱環(huán)節(jié)，并省卻大量制冷系統(tǒng)的能耗。

• 液體供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供冷卻液體，一般為去離子水和乙二醇混合物等。

• 液體循環(huán)系統(tǒng)由泵浦、管道和換熱器組成，負(fù)責(zé)將液體從服務(wù)器機(jī)柜中吸收的熱量帶回到冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫處理。

• 冷卻系統(tǒng)主要由冷卻塔、冷凍水系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)將液體中的熱量傳遞給外界環(huán)境。

• 控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制液體溫度、流量等參數(shù)，保證液冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

• 監(jiān)控系統(tǒng)則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障。（圖中暫未列出監(jiān)控系統(tǒng)）

二、液冷機(jī)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

液冷機(jī)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由以下幾個(gè)部分組成：

• 服務(wù)器設(shè)備區(qū)：放置服務(wù)器的區(qū)域，設(shè)備產(chǎn)生的熱量通過液冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。

• 液體循環(huán)管道：液冷系統(tǒng)中液體循環(huán)的通道，包括進(jìn)液管道、出液管道和循環(huán)管道。

• 冷凝器：將液體中的熱量傳遞給外界環(huán)境的設(shè)備，通常采用板式換熱器或殼管式換熱器等。

• 冷卻水塔：提供冷卻水源的設(shè)備，將熱量傳遞給大氣環(huán)境。

• 泵浦：用于驅(qū)動(dòng)液體循環(huán)的設(shè)備，通常采用離心泵或螺桿泵等。

• 監(jiān)控系統(tǒng)：對(duì)液冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的設(shè)備，包括溫度傳感器、壓力傳感器和液位傳感器等。

• 電氣控制系統(tǒng)：用于控制液冷系統(tǒng)的電氣部件，包括控制柜、電源等。

• 維護(hù)結(jié)構(gòu)：包括機(jī)柜門、觀察窗和過濾網(wǎng)等維護(hù)設(shè)施。

三、液冷機(jī)柜的發(fā)展趨勢(shì)

隨著云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，服務(wù)器機(jī)柜的冷卻問題越來越受到關(guān)注。作為一種新型的冷卻方式，液冷技術(shù)在服務(wù)器機(jī)柜領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，未來將有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

1）更高效能效

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)于冷卻系統(tǒng)的能耗要求也越來越高。因此，液冷技術(shù)的能效問題是未來發(fā)展的重要方向。通過優(yōu)化液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選用高效的泵浦和換熱器等措施可以提高液冷系統(tǒng)的能效水平，從而降低數(shù)據(jù)中心的能耗。

2）更低噪音

傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)由于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，對(duì)于數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行環(huán)境不利。而液冷系統(tǒng)的泵浦和風(fēng)扇等設(shè)備產(chǎn)生的噪音相對(duì)較小，可以更好地滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)于低噪音環(huán)境的需求。未來可以通過進(jìn)一步優(yōu)化液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)參數(shù)，降低液冷設(shè)備的噪音水平。

3）更靈活可擴(kuò)展性

隨著云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)于服務(wù)器機(jī)柜的數(shù)量和配置的需求也不斷增加。因此，液冷機(jī)柜的設(shè)計(jì)需要具備靈活可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心和不同配置的服務(wù)器機(jī)柜的需求?？梢酝ㄟ^模塊化的設(shè)計(jì)方法，將液冷系統(tǒng)的各個(gè)部件采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的設(shè)計(jì)，方便后期擴(kuò)展和維護(hù)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

1）在算力能耗方面

全液冷機(jī)柜可實(shí)現(xiàn)高算力密度，單柜最高支持160顆CPU，一柜頂十柜，并實(shí)現(xiàn)了高供電密度，可支持單柜100kW的功率密度，相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心功率密度提升10倍以上，空間利用率提升5-10倍，與此同時(shí)，背門換熱能力達(dá)20kW，能耗小于2kW。

2）在換熱效能方面

全自然冷液冷背門比空調(diào)系統(tǒng)更加貼近熱源，避免了原采用空調(diào)風(fēng)冷散熱的部分較高功耗部件產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效換熱，能效比COP可達(dá)10以上(COP指制冷系統(tǒng)中產(chǎn)生的冷量與消耗的能量之間的轉(zhuǎn)換比率，能效比越大，節(jié)省的電能就越多）。

3）在安全可靠性方面

依托先進(jìn)的管路焊接工藝，全液冷機(jī)柜系統(tǒng)承壓能力強(qiáng)，可承壓1.6MPa，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；并采用四重防漏液設(shè)計(jì)，冷板節(jié)點(diǎn)表面均部署了漏液監(jiān)測(cè)裝置，一旦測(cè)到液體泄漏，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，從而保護(hù)設(shè)備安全，同時(shí)還在每個(gè)機(jī)柜底部，全自然冷液冷背門以及整個(gè)機(jī)房管路均部署了漏液監(jiān)測(cè)。

四、液冷技術(shù)的前景及挑戰(zhàn)

液冷技術(shù)作為一種新型的冷卻方式，在服務(wù)器機(jī)柜領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

液冷技術(shù)的幾種發(fā)展路線：

1）冷板式液冷是指采用液體作為傳熱工質(zhì)在冷板內(nèi)部流道流動(dòng)，通過熱傳遞對(duì)熱源實(shí)現(xiàn)冷卻的非接觸液體冷卻技術(shù)。在冷板式液冷系統(tǒng)中，服務(wù)器芯片等發(fā)熱器件不直接接觸液體，而是通過裝配在需要冷卻的電子元器件上的冷板進(jìn)行散熱。浪潮信息數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品部副總經(jīng)理李金波指出，冷板式液冷利用冷板中流動(dòng)的冷卻液進(jìn)行非接觸式散熱，對(duì)現(xiàn)有服務(wù)器芯片組件及附屬部件改動(dòng)量小，是目前應(yīng)用較早且技術(shù)成熟度較高的一種液冷散熱方案。

2）浸沒式液冷是將服務(wù)器完全浸入冷卻液中，全部發(fā)熱元件熱量直接傳遞給冷卻液，再通過冷卻液循環(huán)流動(dòng)或蒸發(fā)冷凝相變進(jìn)行散熱。其中，冷卻液循環(huán)流動(dòng)的方式為單相浸沒式液冷，冷卻液蒸發(fā)冷凝相變的方式為相變浸沒式液冷，相變浸沒式液冷控制更復(fù)雜、要求更高。

浸沒式液冷相對(duì)創(chuàng)新性較強(qiáng)，但驗(yàn)證性不足。單向浸沒式液冷的冷卻液流速會(huì)非常慢，相變浸沒式液冷則會(huì)存在氣和液的承壓?jiǎn)栴}，在技術(shù)的可靠性方面仍需要驗(yàn)證。此外，浸沒式液冷使用的冷卻液不導(dǎo)電，但仍需要對(duì)冷卻液做持續(xù)的干燥處理。

3）噴淋式液冷則是用冷卻液直接噴淋芯片等發(fā)熱單元，通過對(duì)流換熱進(jìn)行散熱，一般不需要對(duì)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大幅度改動(dòng)。

液冷技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)：

數(shù)據(jù)中心液冷市場(chǎng)創(chuàng)新極為活躍，關(guān)于浸沒式、冷板式、噴淋式等多種液冷技術(shù)孰優(yōu)孰劣的討論此起彼伏。雖有“路線之爭(zhēng)”，但無論選擇哪種技術(shù)路線，成本仍是橫在液冷技術(shù)普惠面前的攔路虎；

據(jù)業(yè)界測(cè)算，目前液冷數(shù)據(jù)中心的初期建設(shè)成本比風(fēng)冷要高出10%左右，需要1.5年才可實(shí)現(xiàn)總擁有成本與投資回報(bào)的平衡。

液冷技術(shù)非常復(fù)雜，涉及液冷數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)層、液冷部件及接口層、液冷基礎(chǔ)設(shè)施層(液冷機(jī)柜、組件、換熱設(shè)備、室外集成冷源等)、液冷監(jiān)控系統(tǒng)層等多方面，產(chǎn)業(yè)鏈各企業(yè)技術(shù)路徑多種多樣，產(chǎn)品規(guī)格千差萬別，想要對(duì)液冷技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化適配和部署的難度很大。

一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題是，液冷技術(shù)雖然誕生較早，但此前一直處于小規(guī)模部署階段，眾多鏈條企業(yè)尚依靠“小規(guī)模試產(chǎn)”的方式完成產(chǎn)品及服務(wù)交付，難以形成規(guī)范化、規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢(shì)。

本文標(biāo)題：液冷機(jī)柜的技術(shù)原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)

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