一種用于數(shù)據(jù)中心的間接液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能研究

來源|International Journal of Thermal Sciences

01

背景介紹

數(shù)據(jù)的爆炸式增長極大地沖擊了集中式云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，原有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心已不能滿足新興技術(shù)的要求。因此，具有高可靠性和低時(shí)延的邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生。邊緣數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模呈現(xiàn)出一體化機(jī)柜的整體形態(tài)，具有高帶寬、低時(shí)延、規(guī)模小、部署靈活等優(yōu)勢。但是大部分散熱模塊集成在機(jī)柜底部，會(huì)導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)垂直方向的冷卻液量分布不均勻。因此，要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算能力的部署，提高服務(wù)器的散熱性能是關(guān)鍵。

服務(wù)器的冷卻技術(shù)一般分為風(fēng)冷、液冷、熱傳導(dǎo)和智能冷卻技術(shù)。液冷技術(shù)以其散熱性能高、能效好、可靠性高的特點(diǎn)，成為未來邊緣計(jì)算服務(wù)器熱管理的最佳選擇。服務(wù)器的液冷技術(shù)主要分為兩類:直接液冷和間接液冷。浸沒式液冷技術(shù)是直接液冷的主要形式。浸沒式液冷需要改變服務(wù)器架構(gòu)以適應(yīng)浸入式系統(tǒng)，成本昂貴，與直接液冷相比，間接液冷技術(shù)不需要對服務(wù)器架構(gòu)進(jìn)行太多調(diào)整。

間接液冷技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)服務(wù)器完全液冷的潛力和良好的節(jié)能效果，但所涉及的配套設(shè)備較為復(fù)雜。此外，室外循環(huán)液冷管道大多受環(huán)境影響，存在冷卻劑污染問題。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)規(guī)范的不成熟導(dǎo)致更多的研究和開發(fā)側(cè)重于小型或單機(jī)柜原型測試。此外，大多數(shù)液冷服務(wù)器都存在冷卻劑泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，這也是用戶對液冷服務(wù)器接受度低的重要原因。目前微通道強(qiáng)制對流換熱與熱管相變高效換熱相結(jié)合是未來大功率電子芯片散熱領(lǐng)域的突出研究趨勢，可有效解決液體泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

02

成果掠影

近期，華南理工大學(xué)的潘敏強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)針對邊緣數(shù)據(jù)中心服務(wù)器受冷卻技術(shù)的制約的問題，提出了邊緣數(shù)據(jù)中心服務(wù)器集成間接液冷系統(tǒng)的概念。

本文提出了一種集成微通道的間接液冷系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)風(fēng)冷與液冷相結(jié)合的冷卻方式。處理器的熱量由循環(huán)冷卻液帶走，服務(wù)器內(nèi)其他加熱裝置采用傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱。首先，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對影響系統(tǒng)性能的因素進(jìn)行了研究。然后，對系統(tǒng)的傳熱性能、流動(dòng)特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。最后，采用數(shù)值模擬方法對風(fēng)冷和液冷服務(wù)器的溫度控制能力進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明，當(dāng)芯片表面溫度和熱阻降低時(shí)，增大流量可以改善芯片的散熱性能。但流量的進(jìn)一步增加減緩了這一趨勢。系統(tǒng)的散熱性能也隨著冷卻液溫度的升高而降低。分別布置在服務(wù)器內(nèi)外的兩套冷卻系統(tǒng)具有相似的流動(dòng)特性，但外部系統(tǒng)服務(wù)器的可行性更高，并通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究成果以“Design and performance research of integrated indirect liquid cooling system for rack server ”為題發(fā)表于《International Journal of Thermal Sciences 》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.綜合間接液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.綜合間接液冷系統(tǒng)性能測試平臺示意圖。

圖3.數(shù)值模擬模型。

圖4.INTE服務(wù)器的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖5.表面溫度與功率之間的關(guān)系(圖例表示流量@冷卻劑溫度)。

圖6.表面溫度與功率的關(guān)系。

圖7.冷板溫差與流量的關(guān)系。

圖8.熱阻與流量的關(guān)系。

圖9.散熱能力與流量的關(guān)系。

圖10.表面溫度與功率之間的關(guān)系(圖例顯示流量rate@coolant溫度)。

圖11.冷板溫差與功率的關(guān)系。

圖12.熱阻與功率的關(guān)系。

圖13.壓降與流量的關(guān)系。

圖14.溫差與功率的關(guān)系。

圖15.27?C和30?C冷卻液溫度下溫差與功率的關(guān)系。

圖16.PCB溫度云圖。

END

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審核編輯黃宇