一種用于數據中心的間接液冷系統的設計與性能研究

來源|International Journal of Thermal Sciences

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背景介紹

數據的爆炸式增長極大地沖擊了集中式云服務網絡，原有傳統數據中心已不能滿足新興技術的要求。因此，具有高可靠性和低時延的邊緣計算數據中心應運而生。邊緣數據中心的基礎設施規模呈現出一體化機柜的整體形態，具有高帶寬、低時延、規模小、部署靈活等優勢。但是大部分散熱模塊集成在機柜底部，會導致機柜內垂直方向的冷卻液量分布不均勻。因此，要進一步實現高性能計算能力的部署，提高服務器的散熱性能是關鍵。

服務器的冷卻技術一般分為風冷、液冷、熱傳導和智能冷卻技術。液冷技術以其散熱性能高、能效好、可靠性高的特點，成為未來邊緣計算服務器熱管理的最佳選擇。服務器的液冷技術主要分為兩類:直接液冷和間接液冷。浸沒式液冷技術是直接液冷的主要形式。浸沒式液冷需要改變服務器架構以適應浸入式系統，成本昂貴，與直接液冷相比，間接液冷技術不需要對服務器架構進行太多調整。

間接液冷技術具有實現服務器完全液冷的潛力和良好的節能效果，但所涉及的配套設備較為復雜。此外，室外循環液冷管道大多受環境影響，存在冷卻劑污染問題?；A設施建設和維護規范的不成熟導致更多的研究和開發側重于小型或單機柜原型測試。此外，大多數液冷服務器都存在冷卻劑泄漏的風險，這也是用戶對液冷服務器接受度低的重要原因。目前微通道強制對流換熱與熱管相變高效換熱相結合是未來大功率電子芯片散熱領域的突出研究趨勢，可有效解決液體泄漏風險。

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成果掠影

近期，華南理工大學的潘敏強教授團隊針對邊緣數據中心服務器受冷卻技術的制約的問題，提出了邊緣數據中心服務器集成間接液冷系統的概念。

本文提出了一種集成微通道的間接液冷系統。采用傳統風冷與液冷相結合的冷卻方式。處理器的熱量由循環冷卻液帶走，服務器內其他加熱裝置采用傳統風冷散熱。首先，通過實驗和數值模擬對影響系統性能的因素進行了研究。然后，對系統的傳熱性能、流動特性和穩定性進行了分析。最后，采用數值模擬方法對風冷和液冷服務器的溫度控制能力進行了比較和分析。結果表明，當芯片表面溫度和熱阻降低時，增大流量可以改善芯片的散熱性能。但流量的進一步增加減緩了這一趨勢。系統的散熱性能也隨著冷卻液溫度的升高而降低。分別布置在服務器內外的兩套冷卻系統具有相似的流動特性，但外部系統服務器的可行性更高，并通過數值模擬方法進行了驗證。

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

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圖文導讀

圖1.綜合間接液冷系統結構示意圖。

圖2.綜合間接液冷系統性能測試平臺示意圖。

圖3.數值模擬模型。

圖4.INTE服務器的網格劃分結果。

圖5.表面溫度與功率之間的關系(圖例表示流量@冷卻劑溫度)。

圖6.表面溫度與功率的關系。

圖7.冷板溫差與流量的關系。

圖8.熱阻與流量的關系。

圖9.散熱能力與流量的關系。

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

圖11.冷板溫差與功率的關系。

圖12.熱阻與功率的關系。

圖13.壓降與流量的關系。

圖14.溫差與功率的關系。

圖15.27?C和30?C冷卻液溫度下溫差與功率的關系。

圖16.PCB溫度云圖。

END

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審核編輯黃宇