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效劳器浸没式液冷要害手艺应对数据处置惩罚、存储和传输的需求正在急剧上升的需求

随着数字手艺(物联网、人工智能、大数据、5G、云盘算 等)的一直提升 ,其在运输、通讯、制造、医药和教育等许多行业被普遍应用 ,对数据处置惩罚、存储和传输的需求正在急剧上升。陪同数字手艺的生长 ,数据机房的建设需求增添迅速 ,海量的效劳器爆发了重大的能源消耗。数据中心是一种高能耗的设施 ,研究报告显示 ,目今全球数据中心的耗电量约占社会总耗电量的10% ,预计到2030年总耗电量将 达3000TW·h以上;在美国 ,数据中心年消耗电能占比凌驾了1.8% ,预计这个数字将每年增添 4%;到 2020 年 末 ,我国数据中心年耗电量已抵达2045亿kW·h ,约占全 社会用电量的2.71%。未来 ,我国大数据工业规模依旧 陪同着高增添率快速生长 ,中国将成为天下第一数据资源大国和全球的数据中心。如图1所 示 ,数据中心能耗结构中冷却系统能耗占比高达40% ,成为数据中心举行能效优化的主要因素。另一方面 ,凭证摩尔定律原理 ,单位面积集成的晶体管越来越多 ,芯片性能提升导致热流密度一直增大 ,预计到2025年 ,15~20kW/柜将成为主流 ,通例的风冷换热系统已经不可知足高热密度效劳器的散热需求且严重影响电子元器件的性能和使用寿命。

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在数据中心更高密度、更大功率的生长趋势下 ,空气冷却越来越难以知足散热和节能的要求 ,冷板式、喷淋式、浸没式液冷的泛起为解决这一问题提供了新偏向。其中 ,浸没式液冷由于其高效的能力 ,越来越成为数据中心冷却手艺的主要生长偏向。凭证换热介质的相态转变可分为单相液冷和两相液冷。单相液冷的冷却液不爆发相态转变 ,直接通过系统强制对流带走热量;两相液冷的冷却液通过沸 腾换热 ,具有较大的换热系数 ,成为近年来解决高能量密度芯片散热问题的研究热门。

本文从效劳器浸没式液冷要害手艺出发 ,综述了冷却介质、热源外貌特征对欢喜换热的影响 ,先容了浸没式液冷欢喜换热机理的研究现状 ,以及系统评价方法。从微观到宏观系统叙述了现有效劳器浸没式液冷手艺的生长现状 ,并对浸没式液冷手艺的生长举行了展望 ,对睁开浸没式液冷手艺应用的研究具有主要意义。

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 一、浸没式液冷

浸没式液冷系统是指冷却液与电子发热装备直接接 触 ,将IT装备直接浸没在绝缘冷却液中 ,依赖冷却液带走 发热元件爆发的热量 ,然后通过水循环将热量转达到室外 散热装置。凭证冷却液是否爆发相变 ,浸没式液冷分为单 相浸没式液冷和相变浸没式液冷。单相浸没式液冷系统设计简朴 ,冷却液容纳更易实现 ,质料兼容性更强 ,流体中污染物记挂更少 ,其系统原理如图2所示。两相浸没式液冷系统指IT装备爆发的热量直接有用地转达给绝缘冷却液 ,依赖冷却液的欢喜/凝聚相变历程及流动循环将处置惩罚器等装备运行爆发的热量带走 ,其原理如图3所示。

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相较冷板式液冷系统 ,浸没式液冷具有更低的对流热阻和传热系数;与此同时 ,相较于冷板举行热传导 ,与散热件直接接触的冷却液具有更高的热导率和比热容 ,运行温度转变率更小 ,制冷效率更高。浸没式液冷系统无风冷散热系统特点 ,使得整体耗电降低10%以上 ,时效性越发突出。该液冷手艺适用于对热流密度、绿色节能需求较高的大型数据中心、超等盘算、工业及其他盘算领域和科研机构 ,特殊是应用于地理情形或装置空间苛刻的数据中心具有显着的优势。

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2 浸没式液冷系统在浸没式液冷换热历程中 ,冷却介质、换热外貌特征均 会对浸没式液冷系统欢喜换热爆发影响 ,下文先容关于冷却介质、换热外貌特征、欢喜换热模子及系统评价方法的海内外研究现状。

2.1 冷却介质对散热性能的影响

用于电子装备的液体冷却剂应不易燃、无毒且价钱低廉 ,具有优良的热物理特征 ,包括高导热系数、比热、传热系数 ,高绝缘及低黏度 ,较强的兼容。常见的冷却液分为介电冷却剂和非介电冷却剂 ,其中介电冷却剂有芳香烃(二乙苯(DEB)、甲苯、苯和二甲苯)、脂肪类(石蜡、矿物油等)、硅酮(硅油)和碳氟化合物(FC-40 ,FC-72 ,FC-77和FC-87)等。非介电冷却剂有水(W)、乙二醇(EG)及这2种物质的混淆物(W/EG)。冷却剂的沸点、黏度、密度、比热容、外貌张力、填充率等特征都是影响系统换热的主要因素。

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2.1.1 单相冷却液

杨显着等人综述了冷却液的分类及其物理化参数 ,效果批注PAO脂类化合物冷却液主要用于意会式液冷盘算机和侧壁液冷盘算机中 ,FC-72氟碳化合物冷却液主要用于接纳射流冷却液和雾化冷却的液冷盘算机中 ,乙二醇水容易主要用于意会式液冷盘算机和侧壁液冷盘算机中。肖新文综述了应用于数据中心的差别液冷手艺及其冷却液 ,效果批注液冷手艺冷却温度高 ,节能效果显着;合理分派使用侧及冷源侧的温差 ,提高部分负载下液冷系统的节能性 ,探索冷却温度、节能效率及热接纳性能三者之间的最佳耦合关系是数据中心液冷手艺应用的研究偏向。Cheng等人接纳Comsol模拟研究了3MNovec-7100介质对IntelCPUI9-9900K散热的影响 ,模拟效果批注 ,加速液体冷却液的流动速率能带走更多的热量 ,从而降低CPU的温度。可是 ,由于循环速率较慢 ,冷却液的流量稳固 ,引起了较高的温度值和不平衡的热漫衍。值得注重的是散热器的质料不会显著影响效果。Yang等人设计一种新型的微通道散热器MMC-SOC ,使用HFE-7100举行散热测试 ,实验丈量了芯片热通量在20、25、30、35W/cm2时与古板微通道MMC散热器相比 ,当使用HFE-7100冷却剂时微通道具有更低的压降 ,MMC-SOC散热器可以坚持53℃的最高芯片温度而压降仅为3.77kPa。钟杨帆等人测试了单相浸没式液冷效劳器中电子氟化液恒久使用后物理特征及因素转变情形 ,效果批注 ,单相浸没液冷效劳器各项指标均能知足运行基本要求 ,且电气特征和物理特征均可知足SPEC要求。同时 ,与风冷系统效劳器相比 ,浸没液冷效劳器的CPU等要害散热原件的失效率降低50%以上。氟化液长时间使用后的黏度、介电常数和击穿电压等物性常数均坚持稳固 ,能知足企业恒久使用的要求。

2.1.2 两相冷却液

Sathyanarayana等人基于纯HFE-7200氟化液 ,搭配了差别比例的醇或醚并以1cm2的硅发热面作为池欢喜的测试外貌 ,对冷却液的冷却传热能力举行了研究 ,实验比照了纯HFE-7200氟化液 ,验证了合成的含氟冷却液具有更好的冷却性能。连系全球情形;さ南肿 ,要求开发具有更好传热性能和适用性的新型传热流体 ,以是含氟冷却剂具有很大的研究远景。Forrest等人较量了Novec-649和R-134a在池欢喜时的临界热通量和传热系数 ,差别于Sathyanarayana等人的研究 ,Forrest等人使用平滑铝平面作为加热面举行欢喜换热实验 ,效果批注R-134a具有更高的传热系数和CHF ,别的Novec-649的两相传热性能与碳氟化合物FC-72具有很强的相关性。Warrier等人通过盘算分子设计(CAMD)和优异值(FOM)剖析研究了35种新型流体对欢喜换热的影响 ,质量分数为7%的C6H11F3和质量分数为93%的HFE7200的混淆物的换热属性要比纯粹的HFE-7200介质好。Birbarah等人研究了3MNovec-72DE和7300事情介质对氮化镓晶体管器件散热的影响 ,实验测试批注 ,热流量抵达了562W/cm2 ,能够为2kW的电源举行散热 ,电源的转化效率抵达97.2%。Sun等人模拟研究了Novec-7000欢喜换热对CPU换热的影响 ,当入口速率大于0.6m/s时 ,使用Novec-649冷却液可以确保芯片的正常运行 ,相比于Novec-649事情介质 ,Novec-7000较低的沸点能使芯片的平均温度降低17.32℃ ,上下芯片之间的水平挡板可以显着改善机柜的整体温度匀称性。Zhou等人实验和模拟研究了两相液浸冷匀热板(7100工质)对CPU散热的影响。研究批注 ,匀热板体现出优异的散热性能 ,散热量抵达900W。Luo等人接纳Fluent模拟研究了矿物油差别热物性对CPU欢喜换热的影响 ,与碱性矿物油相比 ,碳化硅基纳米流体显著增强了传热 ,当纳米流体在体积分数为0.3%和3.7%的规模内时 ,最大增强率划分为基本流体的11.4%和11.7% ,0.3%纳米流体在低雷诺数下具有更好的热量耗散效应 ,而3.7%纳米流体在高雷诺数下的体现更好。

2.1.3 冷却液流量与流速

换热冷却液的流动速率亦是影响换热效果的主要因素。李斌研究了单相浸没式液冷机柜差别流量下效劳器温度转变趋势 ,效果批注 ,在流量增添的历程中 ,流道温度下降趋势显著。李棒等人接纳6SigmaET模拟发明浸没式液冷系统中CPU散热的温度场与冷却液流量呈负相关。杜明徽等人通过CFD模拟了较小流速流体 ,随流速增大 ,散热?樽罡呶露冉档;同时当流速越来越大时 ,散热原件温度降低的幅度逐渐减小 ,此时泛起热饱和的征象。

综上 ,冷却介质是浸没式液冷的要害手艺 ,冷却介质的种类、流速均影响其换热效率。


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