数据中心冷板液冷技术

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什么是冷板式液冷？

冷板式液冷技术是通过冷板（通常是铜、铝等高导热金属构成的封闭腔体）将发热元器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种实现方式。

冷板式液冷的技术原理即利用工作流体作为中间热量传输的媒介,将热量由热区传递到远端后再进行冷却。在该技术中，工作液体与被冷却对象分离，工作液体不与电子器件直接接触，而是通过液冷板等高效热传导部件将被冷却对象的热量传递到冷却液中，因此冷板式液冷技术又称为间接液冷技术。冷板式液冷技术原理如图所示。

图1 冷板式液冷技术原理

比热容（Specific Heat Capacity，SHC）符号为 c，简称比热，也称比热容量,是热力学中常用的一个物理量。它指在没有相变化和化学变化时，单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量，其国际单位制中的单位是[J/（kgK ）]，即1kg 的物质的温度上升 1K（℃）所需的能量。一个物体的比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。

冷板式液冷技术用冷却液替代空气成为换热介质，将冷却液直接导向发热芯片模块，通过间接接触换热，将发热芯片产热导出，降低芯片模块的温度，提高其计算性能。由于液体比空气的比热大，单位温度变化所需吸收/放出的热量远远大于空气。以水为例，其每单位体积所传输的热量即散热效率较空气高 3500 倍，可有效解决日渐升高的高密度服务器的散热

问题；由液冷代替风冷，去除了风机的应用，降低了整个冷却系统的设备运行能耗，并可有效降低噪声，为实现“0 噪音机房”提供了可能。

与直接将主板和芯片模块跟冷却液接触的直接式液冷技术(浸没)相比,冷板式液冷技术具有以下优势。

第一，冷板式液冷技术的冷却液在冷板管路中流动，并不与主板和芯片模块直接接触，其材料兼容性更好。在冷却液的选择上，可以只考虑冷却液与循环管路和冷板之间的兼容性。

第二，冷板式液冷技术可以通过保留现有服务器主板的原始形态改装实现，这种方式拆卸简单、安装方便且技术成熟度高，产业化和规模化生产更可行。

但是，相比直接式液冷技术，冷板式液冷技术的冷却液和发热芯片的间接接触，增加了传热过程的热阻，使其换热效果弱于直接式冷却。

目前，大多数的冷板式液冷系统在数据中心还无法完全独立运行。也就是说，除了大部分关键发热器件的热量采用微通道冷板液冷散热外，仍然有一部分元器件采用传统的风冷辅助散热,“液冷占比”就是一个重要的衡量指标。

简单来说,“液冷占比”就是将所有液冷覆盖的发热部件由液冷带走的热功率除以所有发热部件的总功耗。如果液冷占比越少，风冷占比越多，也就意味着冷却效率越低。所以，尽可能地提升液冷对热负荷的散热占比,是所有液冷探索和研究的目标。

这就好比一辆混合动力汽车，即便采用了氢能、太阳能等清洁能源，但如果这些清洁能源仅能保证很短的续航里程，耗尽后剩下的大量里程还是需要传统的不可再生能源驱动，那么这样的尝试所具有的先进性和实用性就是有限的。

为了实现从“使用了液冷进行散热”到“完全用液冷进行散热”，极致液冷占比的终极目标便是“无风扇设计”。而对于工程师而言，首先面临的挑战就是如何使冷板和管道覆盖大部分的重点发热部件。

从只覆盖发热量大的 CPU、GPU 组件到将绝大多数组件纳入回水通路,需要将各个部件重新优化布局，设计合适且简单的串并联管路，保证后端组件的冷却品质不会下降，同时还要考虑对泵系统进行冗余设计，每个环节都是考验。高液冷占比冷板式液冷系统架构如图2 所示。

图2 高液冷占比冷板式液冷系统架构

对热端部件进行大量覆盖后，提高冷板与发热部件之间的传热效率,也是瓶颈所在。增强换热一般有两个手段：一是增加温差；二是减小热阻。但增加温差，也就意味着降低回水温度，对能效会有负面的影响。所以为了榨干液冷有限的能力，只能选择第二种方式。

液冷系统的冷板采用了微通道技术，从工艺层面提高了制造精度。这种微通道结构具有良好的流阻性能，内部传热面积也大幅提高，最终能够实现泵在较低功率下实现较高传热效率的目标。

冷板式液冷术语及定义

液冷

一种采用液体带走发热器件热量的数据中心制冷方式，适用于需提高计算能力、能源效率、部署密度等应用场合。

冷板式液冷

通过冷板（通常为铜铝等导热金属构成的封闭腔体）将发热器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种形式。

液冷机柜

提供冷却液体进出，针对电子设备进行冷却的装置。

CDU

英文全称为Coolant Distribution Unit，即冷量分配单元，是指用于进行液冷电子设备间的冷却液体分配的系统，提供二次侧流量分配、压力控制、物理隔离、防凝露等功能。

冷源装置

用于将液体回路的热量带出到室外大气中的装置，一般放置在建筑物的室外。

一次侧循环系统

连接室外冷源装置的循环回路系统，也称CWS Loop，属于液冷系统一次侧。

专用冷却液系统

连接冷量分配单元（CDU）和冷却设备之间的专用冷却液循环系统，也称TCSLoop，属于液冷系统二次侧。

集水器（Manifold）

用于连接各路加热管供回水的配、集水装置，按进、回水方式不同分为分水器和集水装置，按进、回水方式不同分为分水器和集水器。

快速接头

用于液冷系统中的一种不需要工具就能实现管路连通或断开的接头。

缩略语

CDU　Coolant Distribution Unit　　冷量分配单元

UPS　Uninterruptible Power System　　不间断电源

MTBF　Mean Time Between Failure　　平均故障间隔时间

MTTR　Mean Time To Restoration　　平均修复时间

关于浸没式液冷，你一定要知道这些（上）

你还在用传统风冷为数据中心电子硬件降温吗？3M率先进行数据中心液体冷却技术变革，提供能源环保型解决方案，一篇文章为你科普浸没式液冷的常见小知识！

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Q1什么是浸没式液冷？

浸没式液冷是一种通过直接将硬件浸入绝缘性液体（例如3M? Fluorinert?或3M? Novec?电子氟化液）中，以此冷却数据中心IT硬件的方法。电子部件产生的热量直接有效地传递给浸没液体。这就降低了对于传统冷却方法中常见的热界面材料、散热器、风扇、屏蔽罩、钣金和其他部件的需求。

Q2 与空气冷却相比，浸没式液冷有什么好处？

与传统空气冷却相比，使用3M氟化液进行浸没式液冷具有提升热效率（即PUE更低）、数据中心的性能和可靠性等诸多优势。

浸没式液冷还避免了复杂的气流管理。经过优化的浸没式液冷数据中心可以减少投资和运营支出，缩短施工时间，降低施工复杂度。浸没式液冷提高了计算密度，可以实现更为灵活的数据中心布局，清除了场地成本较高或区域空间受限等数据中心的选址障碍。

最后，使用3M氟化液进行浸没式液冷可以消除对冷水机组（带节水器）和空气冷却中所用复杂控件的需求，从而有助于消除因用水、能效和成本而导致的性能受限。同时，通过利用多种气候下的自然水温实现全天候冷却，无需蒸发设施，这就有助于降低冷却数据中心的用水需求。

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Q3 浸没式液冷和冷板式液冷之间有什么区别？

浸没式液冷包括将IT硬件直接浸入充满绝缘性冷却液的密闭容器中：电子组件产生的热量直接传导至氟化液。相反，冷板式液冷技术则完全阻隔了冷却液与电子器件之间的直接接触：使用泵和管道将冷却液送至与电子部件接触的冷板上来传递热量，其传热效率和均匀性较浸没式液冷偏低。

浸没式液冷和冷板式液冷均可使用3M氟化液，通过单相和相变方法实现。

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Q4 浸没式液冷常见实现方式有哪些？

常见的浸没式液冷的实现方法有两种：浸没腔式和机壳式。

浸没腔式浸没液冷使用密封但可打开维护的腔体盛放冷却液和IT设备。这就消除了对单独密封连接器、压力容器、密封件和机壳的需求。但服务器必须垂直安装在浸没腔内。

在机壳设计中，服务器电子器件被密封在单个服务器机壳内。氟化液只在服务器密封壳体中循环，从电子部件上带走热量。机壳设计通常可以和传统结构类似，将服务器机壳横向插入常规机架来进行部署。

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Q5 在单相浸没式液冷和相变浸没式液冷之间进行选择时，有哪些注意事项？

单相浸没式冷却

相变浸没式冷却

在单相浸没式液冷和相变浸没式液冷之间进行选择时，需考虑几项关键因素。

单相浸没式液冷系统的浸没机柜设计更为简单，氟化液更易操作、维护。与相变浸没式液冷相比，单相浸没式液冷在材料兼容性和循环中污染物上的隐患也更少。

与单相浸没式液冷相比，采用被动相变浸没式液冷系统时，可以通过沸腾过程（通过液相到气相的变化），实现更高的传热效率，从而通过相变浸没式液冷，实现更大的功率密度（高达250至500千瓦/浸没腔）。此外，支持相变浸没式液冷所需的冷却基础设施通常胶简单，如果使用干式冷却器作为一次侧冷却，无需冷却水塔等蒸发降温设施。

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Q6 哪些类型的电子氟化液可以用于单相浸没式液冷？

含氟化合物（或碳氟化合物）和碳氢化合物（例如矿物油、合成油、天然油）均可用于单相浸没式液冷。其中必须使用高沸点（高于系统最高温度）冷却液体，确保液体在应用中始终处于液体状态。

确定各种含氟化合物和碳氢化合物时的考虑因素包括：传热性能（长期稳定性和可靠性等）、IT硬件维护便利性、液体清洁和替换需求、材料对器件材料的兼容性、电气性能、易燃性或可燃性、环境影响、安全相关问题等，以及单个浸没腔或数据中心在使用年限内的总液体（维护）成本。

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Q7 哪些类型的电子氟化液可以用于相变浸没式液冷？

通常情况下，沸点较低的含氟液体主要用于相变浸没式液冷。碳氢化合物通常不用于相变浸没式液冷系统，因为绝大多数碳氢化合物均具有可燃或易燃特性。

确定各种含氟化合物的考虑因素包括：对于IT性能的影响(一致性、可靠性等)、IT硬件维护便利性、液体清洁和替换需求、液体对材料的兼容性、电气性能、易燃性或可燃性、环境影响、安全相关问题，以及单个浸没腔或数据中心使用年限内的总液体（维护）成本。

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与传统冷却技术相比，浸没式液冷不仅提升了热效率、数据中心的性能和可靠性，还减少了投资和运营支出，缩短施工时间，降低施工复杂度，是数据中心冷却电子部件的好帮手！但同时，浸没式液冷作为新技术，也被许多困惑和谬论所围绕，下期我们将解答浸没式冷却中的常见误解，敬请期待！

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