0 引言
隨著計(jì)算機(jī)性能及計(jì)算設(shè)備集成度的提高,數(shù)據(jù)中心熱流密度隨之增加,對散熱系統(tǒng)的要求也日益提高?由于傳統(tǒng)的水冷?風(fēng)冷等散熱方式存在熱點(diǎn)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(shù)隨之發(fā)展起來?浸沒式相變冷卻系統(tǒng)主要由蒸發(fā)段?冷凝段以及循環(huán)系統(tǒng)組成,發(fā)熱設(shè)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(jìn)行散熱?該方式具有散熱性能好?能耗低等優(yōu)勢?
目前,浸沒相變冷卻技術(shù)正處于起步階段?未來幾年,隨著智慧工業(yè)?云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展,以浸沒式相變冷卻為代表的新型散熱技術(shù)必將成為數(shù)據(jù)中心的主流散熱技術(shù)?本文以浸沒相變冷卻系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和原理為切入點(diǎn),從冷卻材料的選擇以及沸騰換熱機(jī)理等方面分析了目前的研究重點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀,并對浸沒式相變冷卻技術(shù)進(jìn)行展望?
1 數(shù)據(jù)中心浸沒相變冷卻系統(tǒng)研究背景
隨著近幾年互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,5G?大數(shù)據(jù)?云計(jì)算廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)?生活,越來越多的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心不斷涌現(xiàn)?相關(guān)預(yù)測表明,從2016年至2025年全球的數(shù)據(jù)中心總量將增長10倍,預(yù)計(jì)從2016年的16.1ZB增長到163.0ZB?同時(shí),數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心稱為高熱流密度數(shù)據(jù)中心,其最顯著的特點(diǎn)就是24h不停機(jī)運(yùn)行,因此需要向環(huán)境中排放大量的熱量,這不僅給數(shù)據(jù)中心帶來了巨大的壓力,更加重了城市熱島效應(yīng),給環(huán)境造成一定的影響?為了緩解環(huán)境壓力問題,世界主要國家都承諾在21世紀(jì)中期實(shí)現(xiàn)碳中和,我國爭取于2060年前實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)?許多互聯(lián)網(wǎng)科技(IT)集團(tuán)積極響應(yīng)國家號(hào)召,阿里巴巴?騰訊?螞蟻集團(tuán)等公司的大型數(shù)據(jù)中心都已啟動(dòng)碳中和計(jì)劃,努力打造綠色數(shù)據(jù)中心?從國家政策來看,工信部發(fā)布的《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》中提出,新建數(shù)據(jù)中心的電源使用效率(PUE,即數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源/IT負(fù)載消耗的能源)要低于1.50?數(shù)據(jù)中心最主要的部分為服務(wù)器?散熱系統(tǒng)?通信設(shè)備以及照明系統(tǒng),其能耗結(jié)構(gòu)如圖1所示?其中,散熱系統(tǒng)耗能占數(shù)據(jù)中心總能耗的約40%,因此在降低能耗方面有很大的潛力?
學(xué)者們對數(shù)據(jù)中心的散熱方式進(jìn)行了大量的研究:對傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱進(jìn)行了氣流組織優(yōu)化,對水冷散熱服務(wù)器加裝了背板,對熱管散熱技術(shù)?浸沒式相變冷卻以及余熱回收等進(jìn)行了多種降低能耗的技術(shù)研究?同時(shí),國內(nèi)外大型服務(wù)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(wù)器,如圖2所示?該服務(wù)器可使數(shù)據(jù)中心機(jī)房的PUE值降至1.05,能耗較傳統(tǒng)風(fēng)冷型數(shù)據(jù)中心降低30%以上,經(jīng)濟(jì)效益顯著?阿里巴巴推出的“麒麟”服務(wù)器不需要空調(diào)?風(fēng)扇等附件設(shè)施,可在任何地方部署落地,節(jié)省空間75%以上,而且它的高度密封性使電子元件遠(yuǎn)離灰塵?濕度等因素的影響,免受外界干擾?除了散熱設(shè)備之外,有的企業(yè)致力于冷卻介質(zhì)的研發(fā),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(diǎn)比常用冷卻介質(zhì)(如純凈水?氟化液?礦物油)的沸點(diǎn)更低?在各研究方向中,浸沒式相變冷卻技術(shù)由于具有散熱性能高?維護(hù)方便?噪聲小等優(yōu)勢,成為了目前研究的重點(diǎn)?
2 數(shù)據(jù)中心浸沒相變冷卻技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1浸沒式相變冷卻技術(shù)
浸沒式冷卻技術(shù)根據(jù)冷卻液相態(tài)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(shù),即散熱過程中冷卻液沒有發(fā)生相變,通過冷卻液的顯熱吸收服務(wù)器產(chǎn)生的熱量?兩相浸沒式冷卻技術(shù),即當(dāng)冷卻介質(zhì)遇熱時(shí)會(huì)發(fā)生相變,利用冷卻劑的相變潛熱,將服務(wù)器浸泡于低沸點(diǎn)?特性穩(wěn)定的冷卻劑中,當(dāng)達(dá)到冷卻劑的沸點(diǎn)時(shí),在服務(wù)器表面發(fā)生沸騰相變帶走熱量;沸騰產(chǎn)生的蒸汽到達(dá)冷凝端溫度在冷凝板完成冷凝,經(jīng)過循環(huán)管路回到蒸發(fā)端;冷凝板中的冷卻介質(zhì)為水,通過外界冷卻塔對其進(jìn)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(shù)進(jìn)行了熱力學(xué)以及經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估,評(píng)估結(jié)果顯示后者的性能趨勢系數(shù)比前者高72%,同時(shí)Baris還通過試驗(yàn),在3.43~9.17kW范圍內(nèi)的6種不同實(shí)時(shí)?動(dòng)態(tài)運(yùn)行負(fù)荷下,對采用浸沒式相變冷卻的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)熱管理,研究其熱力學(xué)和熱經(jīng)濟(jì)性能?試驗(yàn)表明,在最高運(yùn)行負(fù)荷時(shí)的最佳性能系數(shù)(COP)和PUE值分別為6.67和1.15;在最低運(yùn)行負(fù)荷時(shí),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(jī)柜到室外環(huán)境的相變換熱制冷循環(huán)系統(tǒng),整個(gè)過程沒有中間換熱環(huán)節(jié),通過焓差試驗(yàn)表明,其全年能效比達(dá)20以上?何恩等提出了一種以R22氟利昂為制冷劑的電子設(shè)備液體相變冷卻方案,如圖4所示,該方案與傳統(tǒng)水冷散熱方式相比散熱能力增強(qiáng)至少10倍?
2.2冷卻介質(zhì)的選擇
浸沒式相變冷卻系統(tǒng)裝置需要較高的密封性,對硬件設(shè)施要求較高;同時(shí)冷卻介質(zhì)的選擇也是浸沒式相變冷卻技術(shù)的關(guān)鍵?合格的冷卻介質(zhì)應(yīng)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(zhì),在提高散熱效率的同時(shí)可減少泵?冷卻塔等設(shè)備的額外能耗?
（2）在其液態(tài)?氣態(tài)以及氣液混合時(shí)都滿足絕緣要求?
（3）應(yīng)具有較低的沸點(diǎn),當(dāng)服務(wù)器溫度不是很高時(shí),冷卻劑也可以發(fā)生穩(wěn)定相變帶走熱量,保證服務(wù)器溫度穩(wěn)定?數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)轉(zhuǎn)?
（4）對服務(wù)器材料無腐蝕性?
（5）對環(huán)境友好,無毒無害,易處理?
（6）經(jīng)濟(jì)性高?目前芳香族物質(zhì)?硅酸酯類以及氟碳化合物都被列入浸沒式相變冷卻系統(tǒng)冷卻介質(zhì)的研究范圍?礦物油以及氟化液是應(yīng)用較為廣泛的直接接觸型冷卻介質(zhì)?礦物油價(jià)格低廉?對環(huán)境友好?無毒無害,但易分解且屬于可燃物質(zhì),較危險(xiǎn)?與礦物油相比,氟化物價(jià)格略高,但其性質(zhì)穩(wěn)定?具有阻燃性及合適的介電常數(shù),成為目前最受歡迎的冷卻介質(zhì)?徐永生等利用針?板電極模擬常見的極不均勻電場環(huán)境,并搭建了基于50Hz高壓交流耐壓測試系統(tǒng)的局部放電檢測平臺(tái),來探究制冷劑沸騰對局部放電閾值的影響?研究結(jié)果表明,制冷劑的沸騰會(huì)降低絕緣環(huán)境的絕緣閾值?莫申揚(yáng)等利用絕緣試驗(yàn)裝置對FC?72制冷劑液態(tài)?氣態(tài)及兩相態(tài)展開了系統(tǒng)性的擊穿特性研究,通過工頻電壓擊穿試驗(yàn)獲取了FC?72蒸汽的介電強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了低沸點(diǎn)制冷劑蒸汽的多氣壓介電強(qiáng)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(tǒng)散熱效果的影響?模擬結(jié)果顯示,D?1沸騰換熱時(shí)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(xiàn)有的電子氟化液Novec649?董進(jìn)喜等通過試驗(yàn)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(xué)性能,#65的散熱能力高于PAO,但PAO的物理穩(wěn)定性和不導(dǎo)電性能高于#65?現(xiàn)在對冷卻介質(zhì)的研究較少,需進(jìn)行進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)物理性質(zhì)穩(wěn)定?散熱能力高的冷卻介質(zhì)?
2.3沸騰換熱機(jī)理研究
除了對冷卻介質(zhì)的選擇,沸騰換熱機(jī)理是浸沒式相變換熱技術(shù)中的重要理論支持?沸騰換熱的不穩(wěn)定性對換熱效率有很大影響,研究沸騰換熱的機(jī)理以及沸騰換熱模型對浸沒式相變換熱技術(shù)的改進(jìn)具有重要意義?沸騰換熱機(jī)理非常復(fù)雜,盡管許多學(xué)者對其做了大量試驗(yàn)研究,得到許多數(shù)據(jù),但目前尚沒有完善的理論體系?
劉苗苗等分別以膜態(tài)沸騰模型和核態(tài)沸騰模型,模擬徑向熱管內(nèi)液池的傳熱特性?模擬結(jié)果表明,核態(tài)沸騰模型與試驗(yàn)結(jié)果更加吻合,誤差更小?而王迎慧等基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件建立了一個(gè)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(shù)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(jié)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(dòng)沸騰能夠較好地維持在核態(tài)沸騰狀態(tài),而且能夠維持流動(dòng)沸騰的穩(wěn)定性以及可靠性?而畢勤成等則探究了管道內(nèi)尺寸對沸騰傳熱特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明微小圓管的傳熱系數(shù)和臨界熱流密度值均隨通道尺寸的減小而減小:當(dāng)微小圓管的內(nèi)徑為1.10mm時(shí),低熱負(fù)荷加熱出現(xiàn)氣泡阻塞,造成了沸騰滯后現(xiàn)象;而在內(nèi)徑為1.55mm的圓管內(nèi)沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象?Deng等建立了一種雙導(dǎo)電表面的兩相流沸騰換熱理論模型,探究氣泡結(jié)構(gòu)尺寸對沸騰換熱性能的影響?試驗(yàn)結(jié)果表明,與均勻表面相比,雙導(dǎo)電表面的沸騰性能更高?
眾多文獻(xiàn)研究結(jié)果表明,沸騰換熱效率高于傳統(tǒng)換熱方式,但其機(jī)理也更加復(fù)雜?受限于當(dāng)前測試技術(shù),我們對散熱裝置內(nèi)部流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)還不夠透徹?沸騰換熱模型繁多,尚沒有建立起通用的流動(dòng)傳熱模型?
浸沒式相變散熱技術(shù)雖散熱能力強(qiáng),但是與其他新興技術(shù)一樣,尚在發(fā)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(jié)構(gòu)損壞以及數(shù)據(jù)包的丟失等都是浸沒式相變技術(shù)發(fā)展的瓶頸?若是在傳統(tǒng)散熱機(jī)房基礎(chǔ)上改造為浸沒式散熱機(jī)房,還要考慮機(jī)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(zhì)同樣重要?冷卻系統(tǒng)除了選用合適的冷卻介質(zhì)外,還要確保封裝材料不與冷卻介質(zhì)發(fā)生反應(yīng),同時(shí)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(jìn)行了探究,設(shè)計(jì)了一套以水為冷卻介質(zhì)?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(yàn)驗(yàn)證了在200V電壓環(huán)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(yàn)還缺少針對此聚合材料維持時(shí)間的測試?
3 總結(jié)與展望
浸沒式相變冷卻技術(shù)因其散熱效率高?噪音小以及縮小散熱系統(tǒng)空間等優(yōu)勢,將會(huì)成為未來數(shù)據(jù)中心散熱方式的首選?浸沒式相變冷卻技術(shù)的優(yōu)化研究對改進(jìn)我國能耗結(jié)構(gòu)具有深遠(yuǎn)的意義?人們對冷卻液的選擇和沸騰換熱機(jī)理探究進(jìn)行了大量的試驗(yàn),然而在其完善過程中存在一定的技術(shù)壁壘?服務(wù)器內(nèi)部電場環(huán)境的復(fù)雜多變,對冷卻介質(zhì)性質(zhì)的影響尚不明確,因此對冷卻介質(zhì)要求較高?目前沒有找到絕緣良好?性質(zhì)穩(wěn)定?高潛熱?可以代替氟化液的合格冷卻介質(zhì)?同時(shí)由于沸騰換熱機(jī)理的復(fù)雜性,沒有準(zhǔn)確的通用機(jī)制模型來模擬內(nèi)部沸騰換熱?
對浸沒式相變冷卻技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,可提高其冷卻效率,接下來的研究方向如下?
（1）制備性質(zhì)穩(wěn)定的冷卻介質(zhì),研究不均勻電場環(huán)境對冷卻液性質(zhì)的影響,對冷卻介質(zhì)展開高場強(qiáng)下的介電強(qiáng)度測試?
（2）氟化液具有較強(qiáng)的揮發(fā)性,研發(fā)與之配套的散熱裝置密封材料?
（3）通過試驗(yàn)進(jìn)一步探究不同因素對微通道內(nèi)氣泡生成的影響,研究服務(wù)器表面沸騰換熱的機(jī)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(jìn)行時(shí)間上的測試,保證其使用年限,減少服務(wù)器使用過程中的維護(hù)成本以及頻繁維護(hù)造成的可靠性下降?
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