一种用于数据中心的间接液冷系统的设计与性能研究

来源|International Journal of Thermal Sciences

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背景介绍

数据的爆炸式增长极大地冲击了集中式云服务网络，原有传统数据中心已不能满足新兴技术的要求。因此，具有高可靠性和低时延的边缘计算数据中心应运而生。边缘数据中心的基础设施规模呈现出一体化机柜的整体形态，具有高带宽、低时延、规模小、部署灵活等优势。但是大部分散热模块集成在机柜底部，会导致机柜内垂直方向的冷却液量分布不均匀。因此，要进一步实现高性能计算能力的部署，提高服务器的散热性能是关键。

服务器的冷却技术一般分为风冷、液冷、热传导和智能冷却技术。液冷技术以其散热性能高、能效好、可靠性高的特点，成为未来边缘计算服务器热管理的最佳选择。服务器的液冷技术主要分为两类:直接液冷和间接液冷。浸没式液冷技术是直接液冷的主要形式。浸没式液冷需要改变服务器架构以适应浸入式系统，成本昂贵，与直接液冷相比，间接液冷技术不需要对服务器架构进行太多调整。

间接液冷技术具有实现服务器完全液冷的潜力和良好的节能效果，但所涉及的配套设备较为复杂。此外，室外循环液冷管道大多受环境影响，存在冷却剂污染问题。基础设施建设和维护规范的不成熟导致更多的研究和开发侧重于小型或单机柜原型测试。此外，大多数液冷服务器都存在冷却剂泄漏的风险，这也是用户对液冷服务器接受度低的重要原因。目前微通道强制对流换热与热管相变高效换热相结合是未来大功率电子芯片散热领域的突出研究趋势，可有效解决液体泄漏风险。

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成果掠影

近期，华南理工大学的潘敏强教授团队针对边缘数据中心服务器受冷却技术的制约的问题，提出了边缘数据中心服务器集成间接液冷系统的概念。

本文提出了一种集成微通道的间接液冷系统。采用传统风冷与液冷相结合的冷却方式。处理器的热量由循环冷却液带走，服务器内其他加热装置采用传统风冷散热。首先，通过实验和数值模拟对影响系统性能的因素进行了研究。然后，对系统的传热性能、流动特性和稳定性进行了分析。最后，采用数值模拟方法对风冷和液冷服务器的温度控制能力进行了比较和分析。结果表明，当芯片表面温度和热阻降低时，增大流量可以改善芯片的散热性能。但流量的进一步增加减缓了这一趋势。系统的散热性能也随着冷却液温度的升高而降低。分别布置在服务器内外的两套冷却系统具有相似的流动特性，但外部系统服务器的可行性更高，并通过数值模拟方法进行了验证。

研究成果以“Design and performance research of integrated indirect liquid cooling system for rack server ”为题发表于《International Journal of Thermal Sciences 》。

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图文导读

图1.综合间接液冷系统结构示意图。

图2.综合间接液冷系统性能测试平台示意图。

图3.数值模拟模型。

图4.INTE服务器的网格划分结果。

图5.表面温度与功率之间的关系(图例表示流量@冷却剂温度)。

图6.表面温度与功率的关系。

图7.冷板温差与流量的关系。

图8.热阻与流量的关系。

图9.散热能力与流量的关系。

图10.表面温度与功率之间的关系(图例显示流量rate@coolant温度)。

图11.冷板温差与功率的关系。

图12.热阻与功率的关系。

图13.压降与流量的关系。

图14.温差与功率的关系。

图15.27◦C和30◦C冷却液温度下温差与功率的关系。

图16.PCB温度云图。

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审核编辑黄宇