数据中心浸没式液体冷却系统的关键环节设计

随着云计算、人工智能、5G、大数据等新技术的发展，数据中心的产业份额不断增长。全球数据中心市场规模2020年超过627亿美元，中国市场收入达878亿元。然而，数据中心的快速发展也带来了巨大的能源消耗。中国数据中心的耗电量在2017年达到1250亿千瓦时，超过了三峡大坝和葛洲坝电厂的发电量总和。其中，冷却系统的能耗约占总能耗的40%，因此减少冷却系统的能耗是降低总能耗的关键。到2023年，中国数据中心的耗电量将增长66%。

数据中心朝着高功率、高密度和超大规模的方向发展，需要更高效的热管理和散热技术来满足散热需求。传统的风冷技术已难以满足要求，因此液体冷却技术，尤其是浸没式液体冷却技术，备受关注。这种技术具有高散热效率、温度均匀、低噪声无污染、高集成度和高可靠性等优势，可以保证数据中心设备的稳定工作同时减少冷却系统能耗。

浸没式液体冷却技术是一种将发热设备完全浸没在绝缘冷却液中，通过冷却液的循环流动或相变带走设备产生的热量的冷却技术。与传统的风冷或水冷技术相比，浸没式液体冷却技术具有多重优势。首先，由于冷却液直接接触发热设备，大大降低了传热热阻，提高了高热流密度设备的散热效率，同时改善了设备的温度均匀性，减少了局部热点。其次，浸没式液体冷却技术能够提高系统的紧凑度和集成度，使系统的占地面积可以缩减至原风冷系统的1/3。此外，这种技术能够节能降耗，降低系统的运营成本，并且具有噪声和灰尘污染小、系统安全性高的特点。基于上述优势，浸没式液体冷却技术在热管理领域备受关注，特别是在数据中心冷却领域应用广泛。浸没式液体冷却系统通常由壳体、服务器模块、绝缘冷却液、外部冷源、液体泵、电气控制系统、连接管路和其他附件组成。根据冷却液在系统工作温区内是否发生相变的不同，浸没式液体冷却系统可以分为单相浸没式液体冷却系统和相变浸没式液体冷却系统。

图1浸没式液体冷却系统基础原理图

单相浸没式液体冷却系统通过循环对流传热来带走发热设备的热量，然后通过换热器将热量传递到冷却装置。由于单相系统结构相对简单，目前已经有了较为成熟的应用案例。相变浸没式液体冷却系统主要依靠冷却液的沸腾散热，蒸汽上升并在顶部冷凝盘管表面液化后落回，冷凝管内的介质可由外部小型制冷系统或冷却塔等形式提供。根据沸腾传热机理，相变浸没式液冷系统在运行过程中需要经历两个阶段：1）自然对流阶段：服务器初始通电，芯片发热逐渐加热冷却液，但此时芯片表面温度较低，表层液体还未达到产生气泡的条件，传热主要通过自然对流进行；2）核态沸腾阶段：当芯片表面温度增大到一定值，表层液体开始产生气泡，并随着温度升高，气泡间的剧烈扰动使得沸腾逐渐剧烈，传热系数和热流密度急剧增大，直至液体沸腾瞬时传热量和芯片产热量达到平衡，芯片温度不再升高。相较之下，相变浸没式液体冷却的机理复杂，影响因素繁多，系统设计难度大，实际应用案例相对较少。

图2池沸腾特性曲线

相变浸没式液体冷却系统在数据中心中有两种不同的系统形式，分别为卧式系统和立式系统。卧式系统中的服务器节点从上向下浸没在盛有冷却液的壳体中，而立式系统中每个密封单元内部包括了冷却液、服务器节点、控制系统和冷却结构等，可以看作独立的小型浸没式液冷系统。从系统控制方案、可靠性、维护性和成本四个方面来比较两种系统形式的优劣。卧式系统的控制过程相对简单，设计方案成熟，而立式系统需要设计每个单元的独立控制过程，方案复杂且设计难度大。在可靠性方面，卧式系统中的节点可能存在相互作用的风险，而立式系统中各个单元相互独立，安全可靠。在维护性方面，卧式系统支持在线插拔维护，但维护时液体处于沸腾状态，泄漏量大；而立式系统也支持在线插拔维护，维护时沸腾泄漏量小，但单元重量较重，操作困难。从成本角度来看，卧式系统整体制造和控制方案成本较低，有成熟的案例和设计指南可参考；而立式系统除了机柜还需要设计每个节点单元的密封外壳、控制装置和冷却结构，系统复杂，设计和制造成本较高，可供参考的市场应用案例也较少。

图3卧式系统

图4立式系统

相变浸没式液体冷却系统的设计相对复杂，需要考虑多个因素。文献中从冷却液选择、沸腾传热优化、冷凝盘管设计、压力控制方案等方面进行了阐述。

在冷却液选择方面，应用于浸没式液体冷却系统的冷却液必须具备良好的电绝缘性和材料相容性，以保证电路安全运行。同时还需考虑其热物理性质、环境友好性、毒性、可燃性和长期稳定性等。在满足基本要求的前提下，可选择矿物油和电子氟化液作为浸没式液体冷却液。矿物油具有良好的绝缘性能和低泄漏的危险性，但压力较高，通常用于单相冷却。电子氟化液具有强绝缘性和较高的沸点，利于沸腾传热。

沸腾传热优化是提高浸没式液体冷却系统效率的有效方式。除了考虑各种表面增强技术，还可以通过改进系统布置方式和结构来实现优化。不同的发热面朝向会影响沸腾传热系数和临界热流密度，因此在系统设计时需注意。发热面朝上时，沸腾传热系数较大，沸腾散热极限较小；而发热面朝左/右时，沸腾传热系数较小，沸腾散热极限较大。因此，在系统设计过程中应根据服务器节点放置方式合理设计发热面朝向，以达到最佳效果。

冷凝盘管设计是相变浸没式液冷系统中提供外部冷量的常见形式之一。冷凝盘管通常集成在系统空腔内，沸腾蒸气上升后通过冷凝盘管表面液化，提供冷量。冷凝盘管的设计过程包括冷却水流速设计、进出水温度、盘管规格、总管长、盘管布置放方式以及材质和强化形式等。由于系统空间内存在不凝性气体，可以通过合理设计冷凝盘管的空间位置，将盘管置于蒸气聚集区，减弱空气对冷凝效果的不良影响。

压力控制是设计相变浸没式液冷系统时必须考虑的关键环节。由于系统需要保持密闭以减少工作流体损失，压力控制尤为重要。在设计时需要考虑压力控制方案，保持系统常压运行，并降低压力波动幅度以减少流体损失，降低对密封件的要求，确保系统稳定和安全运行。例如，可以使用波纹管和电磁阀等结构进行压力控制，当系统压力增大时，波纹管膨胀导致波纹管开关关闭，排气阀打开，系统内气体通过热交换器或碳床回收。当系统压力减小时，储存于波纹管中的气体回到系统内，排气阀起补气作用，允许净化后的空气进入系统。

图53M卧式相变系统方案示意图

在相变浸没式液体冷却系统设计中，除了以上四个环节外，还需要注重维护检修流程，密封方式和冷却液的回收与再生。维护检修操作应方便快捷，使得维护不影响其他服务器工作，且以最小代价、高质量完成。对于立式系统来说，设计维护排液流程以减轻节点重量、便于后续操作；在维护结束前，需要重新注入冷却液。相变浸没式液体冷却系统中，若采用敞口设计，冷却液蒸气流失会造成损失并对机房环境产生不良影响，因此需要选择合适的密封方式，确保系统密封性并便于维修。废弃冷却液的处理也十分重要，尤其是对于昂贵的冷却液，随意排放将带来巨大损失并对环境不友好。因此，回收和再利用废弃冷却液是必要的，经过初步干燥过滤并测试基本物性参数后，安全的情况下可以直接重新使用。对于参数发生明显变化、无法直接回收的液体，则需要进行进一步的再生处理。

本文标题：数据中心浸没式液体冷却系统的关键环节设计

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