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服務(wù)器浸沒(méi)式液冷技術(shù)研究進(jìn)展
減少數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的能耗是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的重要途徑。傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)存在高功率、局部熱點(diǎn)等問(wèn)題，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行能耗居高不下。由于CPU浸沒(méi)式液冷技術(shù)高效換熱的特點(diǎn)，是目前數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。本文以服務(wù)器浸沒(méi)式液冷技術(shù)為研究對(duì)象，綜述了冷卻介質(zhì)、換熱表面特性對(duì)沸騰換熱的影響，并討論了基于服務(wù)器浸沒(méi)式液冷的沸騰機(jī)理研究進(jìn)展。最后對(duì)浸沒(méi)式液體冷進(jìn)行了展望，為建設(shè)綠色高效的數(shù)據(jù)中心提供參考。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心 浸沒(méi)式液冷 服務(wù)器 沸騰換熱
隨著數(shù)字技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、云計(jì)算等）的不斷提升，其在運(yùn)輸、通信、制造、醫(yī)藥和教育等許多行業(yè)被廣泛應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)男枨笳诩眲∩仙�。伴隨數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)需求增長(zhǎng)迅速，海量的服務(wù)器產(chǎn)生了巨大的能源消耗。未來(lái)，我國(guó)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模依舊伴隨著高增長(zhǎng)率快速發(fā)展，中國(guó)將成為世界第一數(shù)據(jù)資源大國(guó)和全球的數(shù)據(jù)中心。如圖１所示，數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)中冷卻系統(tǒng)能耗占比高達(dá)40％，成為數(shù)據(jù)中心進(jìn)行能效優(yōu)化的重要因素。另一方面，根據(jù)摩爾定律原理，單位面積集成的晶體管越來(lái)越多，芯片性能提升導(dǎo)致熱流密度不斷增大，預(yù)計(jì)到2025年，15~20kＷ/柜將成為主流，常規(guī)的風(fēng)冷換熱系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足高熱密度服務(wù)器的散熱需求且嚴(yán)重影響電子元器件的性能和使用壽命。
在數(shù)據(jù)中心更高密度、更大功率的發(fā)展趨勢(shì)下，空氣冷卻越來(lái)越難以滿足散熱和節(jié)能的要求，冷板式、噴淋式、浸沒(méi)式液冷的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題提供了新方向。其中，浸沒(méi)式液冷由于其高效的能力，越來(lái)越成為數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的主要發(fā)展方向。根據(jù)換熱介質(zhì)的相態(tài)變化可分為單相液冷和兩相液冷。單相液冷的冷卻液不發(fā)生相態(tài)變化，直接通過(guò)系統(tǒng)強(qiáng)制對(duì)流帶走熱量；兩相液冷的冷卻液通過(guò)沸 騰換熱，具有較大的換熱系數(shù)，成為近年來(lái)解決高能量密度芯片散熱問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。
本文從服務(wù)器浸沒(méi)式液冷關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，綜述了冷卻介質(zhì)、熱源表面特性對(duì)沸騰換熱的影響，介紹了浸沒(méi)式液冷沸騰換熱機(jī)理的研究現(xiàn)狀，以及系統(tǒng)評(píng)價(jià)方式。從微觀到宏觀系統(tǒng)闡述了現(xiàn)有服務(wù)器浸沒(méi)式液冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)浸沒(méi)式液冷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，對(duì)展開(kāi)浸沒(méi)式液冷技術(shù)應(yīng)用的研究具有重要意義。 根據(jù)目前技術(shù)進(jìn)程的研究成果及冷卻原理，將液冷技術(shù)分為冷板、浸沒(méi)和噴淋３種主要形式。
1.1 冷板式液冷 冷板式液冷系統(tǒng)是在常規(guī)風(fēng)冷服務(wù)器基礎(chǔ)上，將CPU等高密度散熱元件一側(cè)緊貼板式換熱器，元件熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)至板內(nèi)絕緣介質(zhì)或可相變的熱管的系統(tǒng)。冷板式液冷方案中冷卻液不與發(fā)熱設(shè)備直接接觸，該種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU和內(nèi)存等部件進(jìn)行精確制冷。值得注意的是，冷板式液冷系統(tǒng)不是純粹的液冷，而是通過(guò)冷板進(jìn)行熱傳導(dǎo)，系統(tǒng)中的低熱流密度元件仍采用風(fēng)冷散熱方式。
冷板式液冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要分為２種類型，一 類是在機(jī)柜外部部署冷卻液分配單元（CDU），另一類是無(wú)冷卻 液分配單元形式。數(shù)據(jù)中心最常見(jiàn)的液體冷卻實(shí)施形式是使用CDU將設(shè)施冷卻系統(tǒng)與機(jī)柜冷卻系統(tǒng)分開(kāi)安裝處理。由于液體的高比熱，相較于傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱模式，冷板式散熱效率有了很大提升。實(shí)際的數(shù)據(jù)中心制冷方式中，一 般將冷板式液冷與風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)合來(lái)進(jìn)行制冷，既可以有效減少總體擁有成本，也顯著提高了數(shù)據(jù)中心的能源利用效率。冷板式液冷系統(tǒng)的安裝維護(hù)與常規(guī)風(fēng)冷系統(tǒng)基本一致，所以該種液冷技術(shù)的運(yùn)維難度基本與傳統(tǒng)空調(diào)一致。因此，冷板式液冷系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的液冷系統(tǒng)。
1.2 浸沒(méi)式液冷 浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)是指冷卻液與電子發(fā)熱設(shè)備直接接 觸，將ＩＴ設(shè)備直接浸沒(méi)在絕緣冷卻液中，依靠冷卻液帶走 發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量，然后通過(guò)水循環(huán)將熱量傳遞到室外 散熱裝置。根據(jù)冷卻液是否發(fā)生相變，浸沒(méi)式液冷分為單 相浸沒(méi)式液冷和相變浸沒(méi)式液冷。單相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，冷卻液容納更易實(shí)現(xiàn)，材料兼容性更強(qiáng)，流體中污染物顧慮更少，其系統(tǒng)原理如圖２所示。兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)指ＩＴ設(shè)備產(chǎn)生的熱量直接有效地傳遞給絕緣冷卻液，依靠冷卻液的沸騰／凝結(jié)相變過(guò)程及流動(dòng)循環(huán)將處理器等設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量帶走，其原理如圖３所示。
相較冷板式液冷系統(tǒng)，浸沒(méi)式液冷具有更低的對(duì)流熱阻和傳熱系數(shù)；與此同時(shí)，相較于冷板進(jìn)行熱傳導(dǎo)，與散熱件直接接觸的冷卻液具有更高的熱導(dǎo)率和比熱容，運(yùn)行溫度變化率更小，制冷效率更高。浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)無(wú)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)特點(diǎn)，使得整體耗電降低10％以上，時(shí)效性更加突出。該液冷技術(shù)適用于對(duì)熱流密度、綠色節(jié)能需求較高的大型數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算、工業(yè)及其他計(jì)算領(lǐng)域和科研機(jī)構(gòu)，特別是應(yīng)用于地理環(huán)境或安裝空間苛刻的數(shù)據(jù)中心具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
1.3 噴淋式液冷 與浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)相同，噴淋式液冷的冷卻液與散熱設(shè)備直接接觸，噴管將冷卻液噴淋到發(fā)熱元件，冷卻液將熱量吸收后再排出系統(tǒng)，排出的廢熱由換器熱與外部環(huán)境直 接或間接進(jìn)行換熱，最終將來(lái)自散熱元件的熱量排走。噴淋液冷系統(tǒng)具有器件集成度高、散熱效率強(qiáng)、高效節(jié)能和靜音等特點(diǎn)，是解決大功耗數(shù)據(jù)中心散熱問(wèn)題的有效手段之一。但噴淋式液冷系統(tǒng)中存在噴淋板流量不均勻問(wèn)題， 因此噴淋裝置對(duì)流體力學(xué)計(jì)算要求較高，無(wú)法應(yīng)對(duì)實(shí)際發(fā)熱過(guò)程中隨處理器運(yùn)行效率的變化發(fā)熱量也不斷變化的制冷需求。 在浸沒(méi)式液冷換熱過(guò)程中，冷卻介質(zhì)、換熱表面特性均 會(huì)對(duì)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)沸騰換熱產(chǎn)生影響，下文介紹關(guān)于冷卻介質(zhì)、換熱表面特性、沸騰換熱模型及系統(tǒng)評(píng)價(jià)方式的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
2.1 冷卻介質(zhì)對(duì)散熱性能的影響 用于電子設(shè)備的液體冷卻劑應(yīng)不易燃、無(wú)毒且價(jià)格低廉，具有優(yōu)良的熱物理特征，包括高導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、傳熱系數(shù)，高絕緣及低黏度，較強(qiáng)的兼容。常見(jiàn)的冷卻液分為介電冷卻劑和非介電冷卻劑，其中介電冷卻劑有芳香烴（二乙苯（DBE）、甲苯、苯和二甲苯）、脂肪類（石蠟、礦物油等）、硅酮（硅油）和碳氟化合物（FC－40，F(xiàn)C－72，F(xiàn)C－77和FC－87）等。非介電冷卻劑有水（Ｗ）、乙二醇（EG）及這２種物質(zhì)的混合物（W/EG）。冷卻劑的沸點(diǎn)、黏度、密度、比熱容、表面張力、填充率等特性都是影響系統(tǒng)換熱的重要因素。
2.1.1 單相冷卻液 楊明明等人綜述了冷卻液的分類及其物理化參數(shù)，結(jié)果表明ＰＡＯ脂類化合物冷卻液主要用于貫通式液冷計(jì)算機(jī)和側(cè)壁液冷計(jì)算機(jī)中，ＦＣ－７２氟碳化合物冷卻液主要用于采用射流冷卻液和霧化冷卻的液冷計(jì)算機(jī)中，乙二醇水容易主要用于貫通式液冷計(jì)算機(jī)和側(cè)壁液冷計(jì)算機(jī)中。肖新文綜述了應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的不同液冷技術(shù)及其冷卻液，結(jié)果表明液冷技術(shù)冷卻溫度高，節(jié)能效果明顯；合理分配使用側(cè)及冷源側(cè)的溫差，提高部分負(fù)載下液冷系統(tǒng)的節(jié)能性，探索冷卻溫度、節(jié)能效率及熱回收性能三者之間的最佳耦合關(guān)系是數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)應(yīng)用的研究方向。模擬研究了3MNovec-7100介質(zhì)對(duì)IntelCPUI9-9900K散熱的影響，模擬結(jié)果表明，加快液體冷卻液的流動(dòng)速度能帶走更多的熱量，從而降低CPU的溫度。但是，由于循環(huán)速度較慢，冷卻液的流量不變，引起了較高的溫度值和不平衡的熱分布。值得注意的是散熱器的材料不會(huì)顯著影響結(jié)果。設(shè)計(jì)一種新型的微通道散熱器MMC-SOC，利用HFE-7100進(jìn)行散熱測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了芯片熱通量在20、25、30、35W/cm2時(shí)與傳統(tǒng)微通道ＭＭＣ散熱器相比，當(dāng)使用HFE-7100冷卻劑時(shí)微通道具有更低的壓降，MMC-SOC散熱器可以保持53℃的最高芯片溫度而壓降僅為3.77kPa。測(cè)試了單相浸沒(méi)式液冷服務(wù)器中電子氟化液長(zhǎng)期使用后物理特性及成分變化情況，結(jié)果表明，單相浸沒(méi)液冷服務(wù)器各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足運(yùn)行基本要求，且電氣特性和物理特性均可滿足SPEC要求。同時(shí)，與風(fēng)冷系統(tǒng)服務(wù)器相比，浸沒(méi)液冷服務(wù)器的CPU等關(guān)鍵散熱原件的失效率降低50％以上。氟化液長(zhǎng)時(shí)間使用后的黏度、介電常數(shù)和擊穿電壓等物性常數(shù)均保持穩(wěn)定，能滿足企業(yè)長(zhǎng)期使用的要求。
2.1.2 兩相冷卻液 基于純HFE－7200氟化液，搭配了不同比例的醇或醚并以1cm2的硅發(fā)熱面作為池沸騰的測(cè)試表面，對(duì)冷卻液的冷卻傳熱能力進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了純HFE－7200氟化液，驗(yàn)證了合成的含氟冷卻液具有更好的冷卻性能。結(jié)合全球環(huán)境保護(hù)的現(xiàn)狀，要求開(kāi)發(fā)具有更好傳熱性能和適用性的新型傳熱流體，所以含氟冷卻劑具有很大的研究前景。比較了Novec-649和R-134a在池沸騰時(shí)的臨界熱通量和傳熱系數(shù)，使用光滑鋁平面作為加熱面進(jìn)行沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明R-134a具有更高的傳熱系數(shù)和CHF，此外Novec-649的兩相傳熱性能與碳氟化合物FC-72具有很強(qiáng)的相關(guān)性。通過(guò)計(jì)算分子設(shè)計(jì)（CAMD）和優(yōu)異值（FOM）分析研究了35種新型流體對(duì)沸騰換熱的影響，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為７％的C6H11F3和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93％的HFE7200的混合物的換熱屬性要比單純的HFE-7200介質(zhì)好。研究了3Novec－72DE和7300工作介質(zhì)對(duì)氮化鎵晶體管器件散熱的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，熱流量達(dá)到了562Ｗ/cm２，能夠?yàn)?kW的電源進(jìn)行散熱，電源的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到97.2％。模擬研究了Novec-7000沸騰換熱對(duì)CPU換熱的影響，當(dāng)入口速度大于0.6ｍ/s時(shí)，使用Novec-649冷卻液可以確保芯片的正常運(yùn)行，相比于Novec-649工作介質(zhì)，Novec-7000較低的沸點(diǎn)能使芯片的平均溫度降低17.32℃，上下芯片之間的水平擋板可以顯著改善機(jī)柜的整體溫度均勻性。實(shí)驗(yàn)和模擬研究了兩相液浸冷勻熱板（7100工質(zhì)）對(duì)CPU散熱的影響。研究表明，勻熱板表現(xiàn)出良好的散熱性能，散熱量達(dá)到900Ｗ。采用Fluent模擬研究了礦物油不同熱物性對(duì)CPU沸騰換熱的影響，與堿性礦物油相比，碳化硅基納米流體顯著增強(qiáng)了傳熱，當(dāng)納米流體在體積分?jǐn)?shù)為0.3％和0.3％納米流體在低雷諾數(shù)下具有更好的熱量耗散效應(yīng)，而3.7％納米流體在高雷諾數(shù)下的表現(xiàn)更好。
2.1.3 冷卻液流量與流速 換熱冷卻液的流動(dòng)速度亦是影響換熱效果的重要因素。研究了單相浸沒(méi)式液冷機(jī)柜不同流量下服務(wù)器溫度變化趨勢(shì)，結(jié)果表明，在流量增加的過(guò)程中，流道溫度下降趨勢(shì)顯著。采用6SigmaET模擬發(fā)現(xiàn)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中CPU散熱的溫度場(chǎng)與冷卻液流量呈負(fù)相關(guān)。通過(guò)CDF模擬了較小流速流體，隨流速增大，散熱模塊最高溫度降低；同時(shí)當(dāng)流速越來(lái)越大時(shí)，散熱原件溫度降低的幅度逐漸減小，此時(shí)出現(xiàn)熱飽和的現(xiàn)象。
綜上，冷卻介質(zhì)是浸沒(méi)式液冷的關(guān)鍵技術(shù)，冷卻介質(zhì)的種類、流速均影響其換熱效率。
2.2 換熱表面的物理特性 熱源表面的物理特性對(duì)液冷效果有著重要影響。本節(jié)從換熱面材料、表面特性出發(fā)綜述換熱表面特性對(duì)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)的影響。
2.2.1 換熱表面物理結(jié)構(gòu)對(duì)熱換的影響 用于電子元件散熱的散熱器大小、厚度等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是芯片散熱過(guò)程中的重要影響因素。利用6SigmaET研究了不同規(guī)格散熱器在單向浸沒(méi)式液冷中的散熱性能。結(jié)果表明，最佳散熱器寬度為120ｍｍ，基板長(zhǎng)度取140ｍｍ時(shí)效率最高；肋片間距大小與溫度變化趨勢(shì)成反比；肋片厚度的增加會(huì)使散熱原件的溫度變化呈現(xiàn)出先變低后變高的趨勢(shì)。夏爽分析了肋片厚度對(duì)散熱原件的影響，發(fā)現(xiàn)基板厚度主要影響溫度分布均勻性，對(duì)最高溫度的影響較小。
換熱平面形狀對(duì)沸騰過(guò)程亦有重要影響，利用CDF模擬對(duì)水平微通道平面凹槽結(jié)構(gòu)及數(shù)量進(jìn)行了探究，通過(guò)設(shè)置不同凹槽數(shù)量，發(fā)現(xiàn)增加平面凹槽數(shù)量可提高微通道流動(dòng)沸騰的臨界熱流密度（CHF），與光滑微通道相比，Ｖ型凹槽擁有更高的CHF；對(duì)于浸沒(méi)式冷卻換熱系統(tǒng)的處理器構(gòu)建多采用多孔、微通道等以增大換熱面積，可增強(qiáng)沸騰換熱的效果。Oastuszko在大氣壓下對(duì)水、乙醇和FC-72作為工質(zhì)進(jìn)行可視化研究，實(shí)驗(yàn)探究了高度為0.5ｍｍ/1ｍｍ的微翅結(jié)構(gòu)加熱面的換熱特性，對(duì)比氣泡參數(shù)（直徑、成核位置、密度、頻率）以確定微翅片熱通量差異，得到微翅片結(jié)構(gòu)表面的沸騰換熱系數(shù)比光滑表面提高約6.5倍。
2.2.2 換熱表面材料與表面特性對(duì)換熱的影響 處理器或液冷接觸面的物理特性對(duì)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)換熱有著重要影響。針對(duì)不同導(dǎo)熱系數(shù)的表面材質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)處理器中的Fe304濃度和含碳納米管數(shù)量越高，對(duì)流換熱系數(shù)則越大，CPU表面溫度和熱阻越低，使得CPU表面溫度分布更加均勻，散熱性能更好。EI-Genk采用多孔石墨（PG）改性換熱介質(zhì)表面，研究表明介質(zhì)液體核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)和ＣＨＦ顯著增強(qiáng)。
電子元件表面特性如液體接觸角、粗糙度等均對(duì)對(duì)流換熱及沸騰換熱有重要影響。張璐在模擬計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)氣泡產(chǎn)生時(shí)，氣泡生長(zhǎng)速率隨接觸角的增大而變快，疏水性好的材料可促進(jìn)氣泡生長(zhǎng)，增強(qiáng)換熱效率。戴含暉等人總結(jié)了核態(tài)沸騰傳熱及強(qiáng)化的模擬研究，從微結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，對(duì)比了目前常見(jiàn)的３類數(shù)值模擬方法，即宏觀方法、微觀方法和介觀方法，選擇介觀方法（格子Bolzmann方法）進(jìn)行核態(tài)沸騰氣泡生成的數(shù)值模擬，進(jìn)一步佐證了濕潤(rùn)性對(duì)散熱性能的影響，強(qiáng)調(diào)了換熱表面的疏水性與核態(tài)沸騰氣泡生成速度呈正相關(guān)。肖翾等人對(duì)氣泡脫離散熱面板的規(guī)律進(jìn)行了研究，通過(guò)建立非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，得到氣泡脫離難度隨材料表面潤(rùn)濕性的增加而增大。利用納米涂層方法實(shí)現(xiàn)了接觸角從０°到160°的加熱面潤(rùn)濕性變化，實(shí)驗(yàn)研究表明超親水表面的超強(qiáng)再濕潤(rùn)能力可增大臨界熱流密度（CHF）70％，顯著增強(qiáng)換熱效率。潘豐等人繪制出沸騰曲線預(yù)測(cè)高熱流密度下的沸騰傳熱過(guò)程，證明粗糙度較大的表面對(duì)壁溫更敏感，粗糙度較小的加熱壁面上氣泡脫離周期較穩(wěn)定。
2.3 池內(nèi)沸騰研究 浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)中冷卻液體處于受熱面一側(cè)的較大空間中，依靠氣泡的擾動(dòng)和自然對(duì)流而流動(dòng)，因此浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)以池內(nèi)沸騰形式為主。
準(zhǔn)確測(cè)定沸騰換熱過(guò)程中的臨界熱流密度可有效調(diào)節(jié)換熱過(guò)程，避免傳熱工況惡化。戴含暉等人總結(jié)核態(tài)沸騰傳熱及強(qiáng)化的模擬研究時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)親水表面相比疏水表面能夠達(dá)到更高的臨界熱流密度。發(fā)現(xiàn)CHF隨液體過(guò)冷度的增大而線性增大。通過(guò)可視化研究了PF-5060工質(zhì)在改性銅表面的沸騰換熱過(guò)程，研究表明，隨著納米孔表面涂層厚度的增大（從80um增大到230um），CHF從22W/cm2增大到26W/cm2，而相應(yīng)的表面過(guò)熱度從15K降低到5Ｋ。總結(jié)了當(dāng)下常用的20個(gè)池沸騰臨界熱流密度的計(jì)算方式，但27篇文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比均發(fā)現(xiàn)這些公式誤差較大，平均絕對(duì)誤差為26.2％的EI-Genk-Guo公式誤差最小。采用修改物性后的水和水蒸氣作為工質(zhì)，通過(guò)修改水和水蒸氣的物性參數(shù)，對(duì)不同潤(rùn)濕性（接觸角范圍為５°～180°）的光滑表面的池沸騰過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬了，模擬結(jié)果首次證明壁面潤(rùn)濕性對(duì)整個(gè)沸騰曲線的影響。
模態(tài)沸騰是沸騰過(guò)程中氣泡生成時(shí)的一類特殊情況，小氣泡逐漸聚成大氣泡，此時(shí)在換熱壁面形成一層蒸汽膜覆蓋在壁面上，沸騰形式從核態(tài)沸騰變?yōu)槟B(tài)沸騰。當(dāng)溫差足夠大，致使沸騰過(guò)程超過(guò)臨界狀態(tài)，沸騰傳熱系數(shù)隨溫差的進(jìn)一步增大而減小，所以當(dāng)換熱面和冷卻液之間形成蒸汽膜時(shí)，蒸汽膜使整個(gè)換熱過(guò)程的熱通量減小，換熱效率降低，壁面溫度迅速升高時(shí)有燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到微重力與常重力環(huán)境下核態(tài)池沸騰過(guò)程具有差異性，在微重力情況下，當(dāng)過(guò)冷度增加時(shí)氣泡產(chǎn)生速率減緩。張璐模擬計(jì)算出散熱面增大時(shí)氣泡產(chǎn)生速率也隨之增大，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)氣泡形狀在過(guò)冷度較小時(shí)形狀保持球形，相反過(guò)冷度較大的冷卻介質(zhì)氣泡擴(kuò)張和收縮交替出現(xiàn)。采用7100工質(zhì)作為換熱介質(zhì)，研究了兩相式浸沒(méi)式液冷的換熱效率，并研究了沸騰換熱過(guò)程。隨著ＣＰＵ主板溫度的升高，壁面附近的冷卻液被加熱，當(dāng)冷卻液過(guò)熱時(shí)（Ｔ≥Tcoolant＋ΔＴ，其中Ｔ為主板溫度，Tcoolant為換熱液體溫度，ΔＴ為過(guò)熱度），主板附近的小氣泡迅速增大，會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象；大部分氣泡生長(zhǎng)并到達(dá)相界面，液體表面產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象（Ｔ＞Tboiling，其中Tboiling為液體沸點(diǎn)溫度）；液體中的另外一些氣泡被周圍的液體冷凝（Ｔ≤Tboiling）；最后，蒸發(fā)的蒸汽上升至冷卻池上部并被上部冷凝器盤(pán)管冷凝（Ｔ≤Tboiling）后重力回流至下部液體，往復(fù)循環(huán)。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)研究了乙烷、異丁烷及其二元混合物在水平面上的池沸騰傳熱特性；對(duì)于純制冷劑和混合物而言，增加熱通量可以明顯增加氣泡脫離直徑和頻率；對(duì)于純R170和R600a，氣泡脫離直徑也會(huì)隨著壓力的增大而增大。
2.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)方式 PUE(powerusageeffectiveness)為 數(shù) 據(jù)中 心 消 耗 的 所 有能源與ＩＴ負(fù)載使用的能源之比，通常作為數(shù)據(jù)中心電力利用效率的衡量指標(biāo)，ＰＵＥ越接近１，表示能效水平越高。嚴(yán)遜等人在不同室外溫度、不同服務(wù)器發(fā)熱功率條件下對(duì)浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，相比于使用傳統(tǒng)風(fēng)冷為主的空調(diào)數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)能耗降低了90.2％，據(jù)此上海市數(shù)據(jù)中心全年P(guān)UE值僅1.06。李聰聰?shù)热说难芯勘砻魇褂媒䴖](méi)式液冷技術(shù)時(shí)，設(shè)備負(fù)載越高PUE值越低。實(shí)驗(yàn)研究了兩相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)，研究表明，系統(tǒng)COP和PUE最佳值出現(xiàn)在高負(fù)荷時(shí)，分別為6.67和1.15；而最小COP和最高PUE值出現(xiàn)在低負(fù)荷時(shí)，分別為2.5和1.4；通過(guò)對(duì)單相和兩相浸沒(méi)式冷卻數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性和熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，兩相冷卻系統(tǒng)的COP比單相冷卻系統(tǒng)高72％～79％。侯曉雯等人通過(guò)對(duì)比機(jī)房環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，浸沒(méi)式液冷服務(wù)器空調(diào)PUE因子達(dá)到了數(shù)據(jù)中心PUE值下降到1.2以下的節(jié)能目標(biāo)。針對(duì)高熱流密度5G路由器開(kāi)發(fā)了液冷散熱樣機(jī)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)開(kāi)展了仿真評(píng)估和回歸分析；并從電能使用效率PUE角度對(duì)路由器浸沒(méi)式液冷散熱系統(tǒng)解決方案進(jìn)行了收益評(píng)估，最后得到機(jī)房PUE小于1.25，若采用純液冷解決方案，機(jī)房PUE將降至1.15。
企業(yè)評(píng)效方面，浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段，到2019年，中科曙光已實(shí)現(xiàn)首個(gè)刀片式浸沒(méi)相變液冷技術(shù)的大規(guī)模部署，單機(jī)柜功率密度達(dá)到160kW，是傳統(tǒng)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心的4~5倍，單枚刀片上可搭載８顆GPU，是過(guò)去的4倍，至2020年末，年總體能效比提升30％，PUE值可降低至1.04。相較于過(guò)去風(fēng)冷服務(wù)器部件故障率，阿里巴巴公司對(duì)浸沒(méi)式服務(wù)器進(jìn)行了2年期試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)故障率下降約53％，PUE值低至1.09。 圖片 數(shù)據(jù)中心能耗問(wèn)題日益成為發(fā)展的焦點(diǎn)，對(duì)其制冷系統(tǒng)的節(jié)能提效尤為重要。浸液式液體技術(shù)的高效冷卻效果有效地提高了服務(wù)器的服務(wù)效率和穩(wěn)定性，單位空間可容納更多處理器，提高了數(shù)據(jù)中心的整體運(yùn)行效率。
本文從浸沒(méi)式液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)機(jī)房的應(yīng)用出發(fā)，介紹了浸沒(méi)式液冷的原理與分類，綜述了冷卻介質(zhì)、換熱表面特性對(duì)浸沒(méi)式液冷換熱的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)趨同于使用氟化液為主的制冷溶劑，相較于其他溶液，氟化液具有更好的冷卻效果，提高其流速與流量會(huì)增強(qiáng)換熱效果；液冷過(guò)程中的接觸面導(dǎo)熱系數(shù)是影響換熱效果的最主要因素，疏水表面更有利于浸沒(méi)式液冷中的沸騰過(guò)程。
目前已有的換熱介質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)均掌握在歐美國(guó)家，如3M公司的(FC7100介質(zhì)）。開(kāi)發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的高效冷卻液是目前我國(guó)解決浸沒(méi)式液冷技術(shù)的研究重點(diǎn)，是重要的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于浸沒(méi)式液冷領(lǐng)域基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)模擬及驗(yàn)證研究較少，有待補(bǔ)充與解決，需要在此領(lǐng)域繼續(xù)努力。
來(lái)源：暖通空調(diào)HV&AC、TM熱管理 + 作者：侯富民1 李超恩1 吳佳育1 蔡偉1 邵璟璟1 胡俊明2 劉一諾1 溫小棟1（1. 寧波工程學(xué)院、2.上海杰筑建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司） 免責(zé)聲明：本平臺(tái)轉(zhuǎn)載其他網(wǎng)站&平臺(tái)內(nèi)容，出于傳遞更多信息而非盈利之目的，同時(shí)并不代表贊成其觀點(diǎn)或證實(shí)其描述，內(nèi)容僅供參考。版權(quán)歸原作者所有，若有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們刪除
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