0 引言

隨著計算機性能及計算設備集成度的提高,數據中心熱流密度隨之增加,對散熱系統的要求也日益提高?由于傳統的水冷?風冷等散熱方式存在熱點以及高能耗等問題,難于滿足新興電子器件的散熱需求,浸沒式相變散熱技術隨之發展起來?浸沒式相變冷卻系統主要由蒸發段?冷凝段以及循環系統組成,發熱設備被浸泡在絕緣的惰性冷卻液中,通過與冷卻劑直接接觸進行散熱?該方式具有散熱性能好?能耗低等優勢?

目前,浸沒相變冷卻技術正處于起步階段?未來幾年,隨著智慧工業?云計算等技術的快速發展,以浸沒式相變冷卻為代表的新型散熱技術必將成為數據中心的主流散熱技術?本文以浸沒相變冷卻系統的主要結構和原理為切入點,從冷卻材料的選擇以及沸騰換熱機理等方面分析了目前的研究重點和發展現狀,并對浸沒式相變冷卻技術進行展望?

1 數據中心浸沒相變冷卻系統研究背景

隨著近幾年互聯網技術的快速發展,5G?大數據?云計算廣泛應用于我們的生產?生活,越來越多的大規模數據中心不斷涌現?相關預測表明,從2016年至2025年全球的數據中心總量將增長10倍,預計從2016年的16.1ZB增長到163.0ZB?同時,數據中心熱流密度也呈逐年上升趨勢?通常把熱流密度在100~1000W/cm2的數據中心稱為高熱流密度數據中心,其最顯著的特點就是24h不停機運行,因此需要向環境中排放大量的熱量,這不僅給數據中心帶來了巨大的壓力,更加重了城市熱島效應,給環境造成一定的影響?為了緩解環境壓力問題,世界主要國家都承諾在21世紀中期實現碳中和,我國爭取于2060年前實現該目標?許多互聯網科技(IT)集團積極響應國家號召,阿里巴巴?騰訊?螞蟻集團等公司的大型數據中心都已啟動碳中和計劃,努力打造綠色數據中心?從國家政策來看,工信部發布的《關于數據中心建設布局的指導意見》中提出,新建數據中心的電源使用效率(PUE,即數據中心消耗的所有能源/IT負載消耗的能源)要低于1.50?數據中心最主要的部分為服務器?散熱系統?通信設備以及照明系統,其能耗結構如圖1所示?其中,散熱系統耗能占數據中心總能耗的約40%,因此在降低能耗方面有很大的潛力?

學者們對數據中心的散熱方式進行了大量的研究:對傳統風冷散熱進行了氣流組織優化,對水冷散熱服務器加裝了背板,對熱管散熱技術?浸沒式相變冷卻以及余熱回收等進行了多種降低能耗的技術研究?同時,國內外大型服務器廠商也在積極探究高效的散熱方式?我國曙光公司曾推出一款浸沒式散熱服務器,如圖2所示?該服務器可使數據中心機房的PUE值降至1.05,能耗較傳統風冷型數據中心降低30%以上,經濟效益顯著?阿里巴巴推出的“麒麟”服務器不需要空調?風扇等附件設施,可在任何地方部署落地,節省空間75%以上,而且它的高度密封性使電子元件遠離灰塵?濕度等因素的影響,免受外界干擾?除了散熱設備之外,有的企業致力于冷卻介質的研發,美國的3M公司研制了一種Novec冷卻液,這種冷卻液除了具有最基本的絕緣特性之外,沸點比常用冷卻介質(如純凈水?氟化液?礦物油)的沸點更低?在各研究方向中,浸沒式相變冷卻技術由于具有散熱性能高?維護方便?噪聲小等優勢,成為了目前研究的重點?

2 數據中心浸沒相變冷卻技術研究現狀

2.1浸沒式相變冷卻技術

浸沒式冷卻技術根據冷卻液相態的種類可以分為單相浸沒式冷卻和兩相浸沒式冷卻?單相浸沒式冷卻技術,即散熱過程中冷卻液沒有發生相變,通過冷卻液的顯熱吸收服務器產生的熱量?兩相浸沒式冷卻技術,即當冷卻介質遇熱時會發生相變,利用冷卻劑的相變潛熱,將服務器浸泡于低沸點?特性穩定的冷卻劑中,當達到冷卻劑的沸點時,在服務器表面發生沸騰相變帶走熱量;沸騰產生的蒸汽到達冷凝端溫度在冷凝板完成冷凝,經過循環管路回到蒸發端;冷凝板中的冷卻介質為水,通過外界冷卻塔對其進行冷卻(如圖3所示)?

Baris等分別對單相浸沒式冷卻和兩相浸沒式冷卻技術進行了熱力學以及經濟效益的評估,評估結果顯示后者的性能趨勢系數比前者高72%,同時Baris還通過試驗,在3.43~9.17kW范圍內的6種不同實時?動態運行負荷下,對采用浸沒式相變冷卻的數據中心進行系統級熱管理,研究其熱力學和熱經濟性能?試驗表明,在最高運行負荷時的最佳性能系數(COP)和PUE值分別為6.67和1.15;在最低運行負荷時,最佳COP和PUE值分別為2.50和1.40?雒志明等搭建了一套以R134a為冷媒的從機柜到室外環境的相變換熱制冷循環系統,整個過程沒有中間換熱環節,通過焓差試驗表明,其全年能效比達20以上?何恩等提出了一種以R22氟利昂為制冷劑的電子設備液體相變冷卻方案,如圖4所示,該方案與傳統水冷散熱方式相比散熱能力增強至少10倍?

2.2冷卻介質的選擇

浸沒式相變冷卻系統裝置需要較高的密封性,對硬件設施要求較高;同時冷卻介質的選擇也是浸沒式相變冷卻技術的關鍵?合格的冷卻介質應具備以下特性?

（1）具有高汽化潛熱,即同樣的散熱量使用更少的冷卻介質,在提高散熱效率的同時可減少泵?冷卻塔等設備的額外能耗?

（2）在其液態?氣態以及氣液混合時都滿足絕緣要求?

（3）應具有較低的沸點,當服務器溫度不是很高時,冷卻劑也可以發生穩定相變帶走熱量,保證服務器溫度穩定?數據中心正常運轉?

（4）對服務器材料無腐蝕性?

（5）對環境友好,無毒無害,易處理?

（6）經濟性高?目前芳香族物質?硅酸酯類以及氟碳化合物都被列入浸沒式相變冷卻系統冷卻介質的研究范圍?礦物油以及氟化液是應用較為廣泛的直接接觸型冷卻介質?礦物油價格低廉?對環境友好?無毒無害,但易分解且屬于可燃物質,較危險?與礦物油相比,氟化物價格略高,但其性質穩定?具有阻燃性及合適的介電常數,成為目前最受歡迎的冷卻介質?徐永生等利用針?板電極模擬常見的極不均勻電場環境,并搭建了基于50Hz高壓交流耐壓測試系統的局部放電檢測平臺,來探究制冷劑沸騰對局部放電閾值的影響?研究結果表明,制冷劑的沸騰會降低絕緣環境的絕緣閾值?莫申揚等利用絕緣試驗裝置對FC?72制冷劑液態?氣態及兩相態展開了系統性的擊穿特性研究,通過工頻電壓擊穿試驗獲取了FC?72蒸汽的介電強度,實現了低沸點制冷劑蒸汽的多氣壓介電強度測試?吳曦蕾等模擬了4種常用的氟化液(FC?72,Novec649,HFE?7100和D?1)對浸沒式相變冷卻系統散熱效果的影響?模擬結果顯示,D?1沸騰換熱時所需的熱流密度最小,但其最大散熱能力與Novec649接近,略低于FC?72和HFE?7100,可在浸沒式相變冷卻中替換現有的電子氟化液Novec649?董進喜等通過試驗的方式分析了合成烴基類冷卻液(PAO)與#65乙二醇類冷卻液(以下簡稱#65)的物理性能和熱力學性能,#65的散熱能力高于PAO,但PAO的物理穩定性和不導電性能高于#65?現在對冷卻介質的研究較少,需進行進一步研究,發現物理性質穩定?散熱能力高的冷卻介質?

2.3沸騰換熱機理研究

除了對冷卻介質的選擇,沸騰換熱機理是浸沒式相變換熱技術中的重要理論支持?沸騰換熱的不穩定性對換熱效率有很大影響,研究沸騰換熱的機理以及沸騰換熱模型對浸沒式相變換熱技術的改進具有重要意義?沸騰換熱機理非常復雜,盡管許多學者對其做了大量試驗研究,得到許多數據,但目前尚沒有完善的理論體系?

劉苗苗等分別以膜態沸騰模型和核態沸騰模型,模擬徑向熱管內液池的傳熱特性?模擬結果表明,核態沸騰模型與試驗結果更加吻合,誤差更小?而王迎慧等基于計算流體動力學(CFD)軟件建立了一個波形微通道沸騰換熱模型,模型示意圖如圖5所示,其中λ為波距,A為波幅,qw為熱流密度?通過數值模擬的方法探究微通道形狀對氣泡生成以及沸騰換熱過程的影響?模擬結果表明,與平直微通道相比,波形微通道更有利于氣泡的脫離,使流動沸騰能夠較好地維持在核態沸騰狀態,而且能夠維持流動沸騰的穩定性以及可靠性?而畢勤成等則探究了管道內尺寸對沸騰傳熱特性的影響,試驗結果表明微小圓管的傳熱系數和臨界熱流密度值均隨通道尺寸的減小而減小:當微小圓管的內徑為1.10mm時,低熱負荷加熱出現氣泡阻塞,造成了沸騰滯后現象;而在內徑為1.55mm的圓管內沒有出現這種現象?Deng等建立了一種雙導電表面的兩相流沸騰換熱理論模型,探究氣泡結構尺寸對沸騰換熱性能的影響?試驗結果表明,與均勻表面相比,雙導電表面的沸騰性能更高?

眾多文獻研究結果表明,沸騰換熱效率高于傳統換熱方式,但其機理也更加復雜?受限于當前測試技術,我們對散熱裝置內部流動特性的認識還不夠透徹?沸騰換熱模型繁多,尚沒有建立起通用的流動傳熱模型?

浸沒式相變散熱技術雖散熱能力強,但是與其他新興技術一樣,尚在發展完善過程中,仍然存在一定的壁壘?例如,如何防止微通道中結構損壞以及數據包的丟失等都是浸沒式相變技術發展的瓶頸?若是在傳統散熱機房基礎上改造為浸沒式散熱機房,還要考慮機房地板的承重問題?

2.4電子器件封裝材料

對電子器件封裝材料的選擇與冷卻介質同樣重要?冷卻系統除了選用合適的冷卻介質外,還要確保封裝材料不與冷卻介質發生反應,同時要保證封裝涂層厚度盡可能小,從而減少傳熱過程中的熱阻?電子元件封裝材料主要有3類,分別是金屬基封裝材料?陶瓷基封裝材料和聚合物基封裝材料?Birbarah等人對聚合物基封裝材料性能進行了探究,設計了一套以水為冷卻介質?以聚對二甲苯涂層為電子元件封裝材料的冷卻裝置,通過試驗驗證了在200V電壓環境下,厚度為1μm的聚對二甲苯涂層在水和電子器件之間防泄漏的有效性,但是該試驗還缺少針對此聚合材料維持時間的測試?

3 總結與展望

浸沒式相變冷卻技術因其散熱效率高?噪音小以及縮小散熱系統空間等優勢,將會成為未來數據中心散熱方式的首選?浸沒式相變冷卻技術的優化研究對改進我國能耗結構具有深遠的意義?人們對冷卻液的選擇和沸騰換熱機理探究進行了大量的試驗,然而在其完善過程中存在一定的技術壁壘?服務器內部電場環境的復雜多變,對冷卻介質性質的影響尚不明確,因此對冷卻介質要求較高?目前沒有找到絕緣良好?性質穩定?高潛熱?可以代替氟化液的合格冷卻介質?同時由于沸騰換熱機理的復雜性,沒有準確的通用機制模型來模擬內部沸騰換熱?

對浸沒式相變冷卻技術進行進一步的優化,可提高其冷卻效率,接下來的研究方向如下?

（1）制備性質穩定的冷卻介質,研究不均勻電場環境對冷卻液性質的影響,對冷卻介質展開高場強下的介電強度測試?

（2）氟化液具有較強的揮發性,研發與之配套的散熱裝置密封材料?

（3）通過試驗進一步探究不同因素對微通道內氣泡生成的影響,研究服務器表面沸騰換熱的機理,從而建立更具有代表性的沸騰換熱模型?

（4）對電子器件封裝聚合材料進行時間上的測試,保證其使用年限,減少服務器使用過程中的維護成本以及頻繁維護造成的可靠性下降?

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