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液冷機柜的技術(shù)原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢
CDCC 2023-10-13 12:29 發(fā)表于北京
以下文章來源于讓數(shù)據(jù)中心更智能 ，作者讓數(shù)據(jù)中心更智能
引言
隨著信息技術(shù)和云計算的快速發(fā)展，服務(wù)器機柜在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用越來越廣泛。液冷技術(shù)作為一種新型的冷卻方式，具有高能效、高密度和低噪音等優(yōu)點，因此在服務(wù)器機柜領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。本文將詳細介紹液冷機柜的技術(shù)原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及發(fā)展趨勢。
據(jù)賽迪顧問預(yù)測，中國液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將由2019年的260.9億元增長至2025年的1283.2億元，行業(yè)增速保持在30%以上。中國液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施市場規(guī)模將由2019年的64.7億元增長至2025年的245.3億元。
同時，根據(jù)近日三大運營商與液冷產(chǎn)業(yè)鏈代表企業(yè)共同發(fā)布《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》，提出2025年開展液冷技術(shù)規(guī)模應(yīng)用，50%（即50%為高功率機柜）以上項目應(yīng)用液冷技術(shù)。
結(jié)合工信部相關(guān)統(tǒng)計：預(yù)計2025年中國IDC新增機柜需求達到每年75萬臺，則年均新增10KW（千瓦）以上機柜38 萬臺，浸沒式液冷單 KW 價值量約1.2 萬元，則年均新增液冷市場規(guī)模約450 億元。
一、液冷機柜的技術(shù)原理
液冷技術(shù)是一種通過液體作為散熱媒介來帶走服務(wù)器機柜中設(shè)備熱量的一種冷卻方式。
具體來說，液冷技術(shù)利用了液體的高熱傳導(dǎo)系數(shù)，通過泵浦將液體從冷凝器輸送到服務(wù)器機柜中的各個設(shè)備，吸收設(shè)備產(chǎn)生的熱量，再流回冷凝器進行降溫，循環(huán)往復(fù)，達到高效冷卻的效果。
1.1 技術(shù)原理圖解
圖1-1 液冷系統(tǒng)技術(shù)原理圖解
- 液體供應(yīng)系統(tǒng)負責(zé)提供冷卻液體，一般為去離子水和乙二醇混合物等。
- 液體循環(huán)系統(tǒng)由泵浦、管道和換熱器組成，負責(zé)將液體從服務(wù)器機柜中吸收的熱量帶回到冷卻系統(tǒng)進行降溫處理。
- 冷卻系統(tǒng)主要由冷卻塔、冷凍水系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)組成，負責(zé)將液體中的熱量傳遞給外界環(huán)境。
- 控制系統(tǒng)主要負責(zé)控制液體溫度、流量等參數(shù)，保證液冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
- 監(jiān)控系統(tǒng)則負責(zé)實時監(jiān)測液冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理故障。（圖中暫未列出監(jiān)控系統(tǒng)）
二、液冷機柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
液冷機柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由以下幾個部分組成：
- 服務(wù)器設(shè)備區(qū)：放置服務(wù)器的區(qū)域，設(shè)備產(chǎn)生的熱量通過液冷系統(tǒng)進行散熱。
- 液體循環(huán)管道：液冷系統(tǒng)中液體循環(huán)的通道，包括進液管道、出液管道和循環(huán)管道。
- 冷凝器：將液體中的熱量傳遞給外界環(huán)境的設(shè)備，通常采用板式換熱器或殼管式換熱器等。
- 冷卻水塔：提供冷卻水源的設(shè)備，將熱量傳遞給大氣環(huán)境。
- 泵浦：用于驅(qū)動液體循環(huán)的設(shè)備，通常采用離心泵或螺桿泵等。
- 監(jiān)控系統(tǒng)：對液冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和控制的設(shè)備，包括溫度傳感器、壓力傳感器和液位傳感器等。
- 電氣控制系統(tǒng)：用于控制液冷系統(tǒng)的電氣部件，包括控制柜、電源等。
- 維護結(jié)構(gòu)：包括機柜門、觀察窗和過濾網(wǎng)等維護設(shè)施。
三、液冷機柜的發(fā)展趨勢
隨著云計算和數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，服務(wù)器機柜的冷卻問題越來越受到關(guān)注。作為一種新型的冷卻方式，液冷技術(shù)在服務(wù)器機柜領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，未來將有以下幾個發(fā)展趨勢：
1）更高效能效
隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴大，對于冷卻系統(tǒng)的能耗要求也越來越高。因此，液冷技術(shù)的能效問題是未來發(fā)展的重要方向。通過優(yōu)化液冷系統(tǒng)的設(shè)計、選用高效的泵浦和換熱器等措施可以提高液冷系統(tǒng)的能效水平，從而降低數(shù)據(jù)中心的能耗。
2）更低噪音
傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)由于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生較大的噪音，對于數(shù)據(jù)中心的運行環(huán)境不利。而液冷系統(tǒng)的泵浦和風(fēng)扇等設(shè)備產(chǎn)生的噪音相對較小，可以更好地滿足數(shù)據(jù)中心對于低噪音環(huán)境的需求。未來可以通過進一步優(yōu)化液冷系統(tǒng)的設(shè)計和技術(shù)參數(shù)，降低液冷設(shè)備的噪音水平。
3）更靈活可擴展性
隨著云計算和虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴大，對于服務(wù)器機柜的數(shù)量和配置的需求也不斷增加。因此，液冷機柜的設(shè)計需要具備靈活可擴展性，能夠適應(yīng)不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心和不同配置的服務(wù)器機柜的需求�？梢酝ㄟ^模塊化的設(shè)計方法，將液冷系統(tǒng)的各個部件采用標準化、通用化的設(shè)計，方便后期擴展和維護。
技術(shù)優(yōu)勢主要有以下幾點：
1）在算力能耗方面
全液冷機柜可實現(xiàn)高算力密度，單柜最高支持160顆CPU，一柜頂十柜，并實現(xiàn)了高供電密度，可支持單柜100kW的功率密度，相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心功率密度提升10倍以上，空間利用率提升5-10倍，與此同時，背門換熱能力達20kW，能耗小于2kW。
2）在換熱效能方面
全自然冷液冷背門比空調(diào)系統(tǒng)更加貼近熱源，避免了原采用空調(diào)風(fēng)冷散熱的部分較高功耗部件產(chǎn)生局部熱點，實現(xiàn)高效換熱，能效比COP可達10以上(COP指制冷系統(tǒng)中產(chǎn)生的冷量與消耗的能量之間的轉(zhuǎn)換比率，能效比越大，節(jié)省的電能就越多）。
3）在安全可靠性方面
依托先進的管路焊接工藝，全液冷機柜系統(tǒng)承壓能力強，可承壓1.6MPa，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行；并采用四重防漏液設(shè)計，冷板節(jié)點表面均部署了漏液監(jiān)測裝置，一旦測到液體泄漏，系統(tǒng)自動停機，從而保護設(shè)備安全，同時還在每個機柜底部，全自然冷液冷背門以及整個機房管路均部署了漏液監(jiān)測。
四、液冷技術(shù)的前景及挑戰(zhàn)
液冷技術(shù)作為一種新型的冷卻方式，在服務(wù)器機柜領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。
液冷技術(shù)的幾種發(fā)展路線：
1）冷板式液冷是指采用液體作為傳熱工質(zhì)在冷板內(nèi)部流道流動，通過熱傳遞對熱源實現(xiàn)冷卻的非接觸液體冷卻技術(shù)。在冷板式液冷系統(tǒng)中，服務(wù)器芯片等發(fā)熱器件不直接接觸液體，而是通過裝配在需要冷卻的電子元器件上的冷板進行散熱。浪潮信息數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品部副總經(jīng)理李金波指出，冷板式液冷利用冷板中流動的冷卻液進行非接觸式散熱，對現(xiàn)有服務(wù)器芯片組件及附屬部件改動量小，是目前應(yīng)用較早且技術(shù)成熟度較高的一種液冷散熱方案。
2）浸沒式液冷是將服務(wù)器完全浸入冷卻液中，全部發(fā)熱元件熱量直接傳遞給冷卻液，再通過冷卻液循環(huán)流動或蒸發(fā)冷凝相變進行散熱。其中，冷卻液循環(huán)流動的方式為單相浸沒式液冷，冷卻液蒸發(fā)冷凝相變的方式為相變浸沒式液冷，相變浸沒式液冷控制更復(fù)雜、要求更高。
浸沒式液冷相對創(chuàng)新性較強，但驗證性不足。單向浸沒式液冷的冷卻液流速會非常慢，相變浸沒式液冷則會存在氣和液的承壓問題，在技術(shù)的可靠性方面仍需要驗證。此外，浸沒式液冷使用的冷卻液不導(dǎo)電，但仍需要對冷卻液做持續(xù)的干燥處理。
3）噴淋式液冷則是用冷卻液直接噴淋芯片等發(fā)熱單元，通過對流換熱進行散熱，一般不需要對數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施進行大幅度改動。
液冷技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)：
數(shù)據(jù)中心液冷市場創(chuàng)新極為活躍，關(guān)于浸沒式、冷板式、噴淋式等多種液冷技術(shù)孰優(yōu)孰劣的討論此起彼伏。雖有“路線之爭”，但無論選擇哪種技術(shù)路線，成本仍是橫在液冷技術(shù)普惠面前的攔路虎；
據(jù)業(yè)界測算，目前液冷數(shù)據(jù)中心的初期建設(shè)成本比風(fēng)冷要高出10%左右，需要1.5年才可實現(xiàn)總擁有成本與投資回報的平衡。
液冷技術(shù)非常復(fù)雜，涉及液冷數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)層、液冷部件及接口層、液冷基礎(chǔ)設(shè)施層(液冷機柜、組件、換熱設(shè)備、室外集成冷源等)、液冷監(jiān)控系統(tǒng)層等多方面，產(chǎn)業(yè)鏈各企業(yè)技術(shù)路徑多種多樣，產(chǎn)品規(guī)格千差萬別，想要對液冷技術(shù)進行標準化適配和部署的難度很大。
一個現(xiàn)實的問題是，液冷技術(shù)雖然誕生較早，但此前一直處于小規(guī)模部署階段，眾多鏈條企業(yè)尚依靠“小規(guī)模試產(chǎn)”的方式完成產(chǎn)品及服務(wù)交付，難以形成規(guī)范化、規(guī)�；l(fā)展態(tài)勢。
來源：讓數(shù)據(jù)中心更智能
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