液冷 | 数据中心液冷散热技术类别、应用及发展趋势

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二次侧冷却液、液冷机柜及内部液冷设备在不同液冷技术形态中略有差异，在后续章节中我们会具体介绍。

2.1 单相冷板式液冷

单相冷板式液冷通过液冷板将发热器件的热量间接传递 给液冷板中的二次侧冷却液。二次冷却液在设备吸热和 CDU 放热过程不发生相变。根据液冷板覆盖范围，这种液冷可以分为局部液冷或全液冷：局部液冷通常仅覆盖高功耗器件，一般带走设备70%左右的热量，剩余30%热量仍需 通过机房空调或液冷背门以风冷的形式带走；全液冷需要根据通信设备硬件架构和结构布局定制化设计液冷板，以覆盖 所有发热器件。

单相冷板式液冷系统架构如图3所示，液冷 机柜内包含分液器、液冷板、流体连接器、液冷管路、漏液检测传感器等。

1） 二次侧冷却液：二次侧热量载体以去离子水、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液为主，根据具体场景进行选择。二 次侧冷却液需要定期检测PH、浊度、残留物、细菌等参数， 并符合相关标准要求。

2） 单相冷板CDU：可分为集中式和分布式。其中，集 中式 CDU 布置在机柜外，每列机柜布置一台或几台 CDU， 实现主用和备份关系，需要部署二次侧管网，并考虑各液冷机柜间的流量分配；分布式CDU安装在液冷机柜内，免二 次侧管路部署，可根据机柜功耗灵活部署。

3） 分液器：用于机柜内流量分配与收集，将低温二次侧冷却液分配到各设备节点，并收集与液冷板换热升温后的冷却液。其设计选型过程中需要保证流量分配需要的均匀性，并结合机柜空间、重量等要求综合考虑分液器的体积。

4） 液冷板：液冷板设计需要根据设备芯片功耗进行芯片冷板设计、根据芯片布局及单板结构空间设计冷板连接管 路路由，具有一定的定制化特性。但在进行设计时应尽量保证内部零件的通用性，如内部翅片规格、进出口规格应尽可能一致，以降低成本。此外，液冷板的设计还需要综合考虑 实际功耗、工作压力、流速等。

5） 流体连接器：可实现无泄漏通断，在设计选型时需要综合考虑工作流量、温度、压力、流阻特性、安装方式、 直插/盲插、接口规格等。

6）液冷管路：二次侧冷却液流通通路，参与液冷机柜内各设备节点的流量-流阻分配；液冷管路设计选型需要考虑材 料兼容性、流速、管路布置、安装方式、流量分配设计等。

7） 漏液检测传感器：针对沿液冷板、液冷管路、分液器等可能出现液体泄漏的位置或路径布置，及时检测泄漏状 态，并触发漏液告警策略，及时告知运维人员发现漏液事故，便于及时处理，有效地保护液冷系统与机房安全。漏液 检测传感器可分为检测线、检测带、光电式、电极式、浮子式等，适用于不同的泄漏位置和泄漏场景。

单相冷板式液冷技术对通信设备和机 房基础设施改动较小，业内已具备多年研 究积累，目前技术成熟度最高，它已成为满足芯片高热流密度散热需求、提升数据中心能效、降低总体拥有成本（TCO）的有 效方案。

2.2 两相冷板式液冷

两相冷板液冷系统架构与单相液冷板

图3 单相冷板式液冷系统架构

液冷相似，其系统架构如图4所示。所不同的是二次侧冷却液在设备内通过液冷板吸热发生汽化，在 CDU 内冷凝为液态，充分利 用了冷却液的相变潜热，综合散热能力更强，可达300 W/cm 2 以上。

由于运行过程中系统内冷却液发生相变，两相冷板液冷系统的压力会高于单相冷板液冷，其二次侧冷却液、液冷板、流体连接器、液冷管路等为了适配系统压力也要满足一定的特殊化要求。

1） 二次侧冷却液：以制冷剂、氟化液等低沸点工质为主，在选型时主要考虑热物 性、环保性、安全性、工作温区和压力、材 料兼容性等因素。

2） 两相冷板CDU：两相冷板液冷系统压力等级通常较高，其压力控制系统区别于单相系统，一般采用温控型压力控制方案。 同时，两相 CDU 补液系统在设计时也需要考虑工质充注量对于系统压力的影响。

3） 两相液冷板：其结构与单相液冷板相似，在设计时需要重点考虑冷板承压能力，增加汽化核心、促进气泡脱离以提升散热性能，常见的方案有表面微处理、多孔介质填充等。

4） 两相流体连接器：高压系统对流体连接器的插拔操 作和带压维护都提出了很高的要求。目前螺纹旋拧连接器能够较好地满足需求。

5） 液冷管路：考虑系统压力及气相工质泄漏风险，优选金属软管或汽车空调橡胶管。 两相冷板式液冷核心技术的优势在于能够满足超高热流密度散热需求，但现阶段技术成熟度仍较低，相关产业链还有待完善。

2.3 单相浸没式液冷

单相浸没式液冷通过将发热元件浸没在冷却液中，直接吸收设备产生的热量。卧式浸没液冷系统架构如图5所示， 通信设备竖插在浸没机柜内，二次侧低温冷却液由浸没机柜底部流入。二次侧冷却液在循环散热过程中始终维持液相。

1） 二次侧冷却液：单相浸没技术通常使用高沸点的冷却液。这类冷却液不发生相变，同时需要具有高绝缘、低黏度以及良好的兼容特性，例如氟碳化合物和碳氢化合物（矿 物油、合成油等）。

2） 浸没机柜：现阶段应用较多的为卧式机柜 （通常称 为 TANK），业内常用的尺寸规格覆盖 12U~54U。为了实现卧式架构下的流量均衡性，TANK底部需配置均流板。冷却液由底部进入，经均流板分液后流入设备。为便于通信设备 的安装和维护，TANK设计需要有一定的槽位导向和固定功 能。同时，TANK上盖与腔体之间需要具备良好的密封性， 防止运行过程中冷却液耗散。

3） 单相浸没CDU：单相浸没液冷系统在维护过程中需 要打开 TANK 上盖，系统直接与机房环境连通，属于一种 “半开式”系统，因此其CDU设计对循环泵、系统过滤、冷却液监控等要求更高。 单相浸没液冷实现了 100% 液体冷却，无须配置风扇， 可使机房极致节能、静音。

单相浸没液冷在应用时需要将通信设备完全浸没在冷却液中，所有材料、器件均需要重新选型评估，并开展兼容性测试验证以保证应用的可靠性。由于不导电液体热物性普遍较差且液体流速低，因此单相浸没液冷散热能力普遍较低，这在一定程度上制约了其推广应用。

根据浸没机柜形态，单相浸没式液冷可以进一步细分为卧式浸没和立式浸没。传统卧式浸没液冷设备维护时需要打开TANK上盖，并配备可移动机械吊臂或专业维护车以实现 设备的竖直插拔，维护复杂度高、耗时长，且开盖维护过程 存在一定的冷却液挥发问题，增加了运行成本。

为了解决这 一问题，业内将浸没机柜形态调整为立式架构，即单相立式浸没液冷，如图6所示。立式浸没机柜架构与冷板式相似， 但通信设备本身需要实现板级密封功能，兼具冷板式液冷的维护便利性和浸没式液冷的节能优势。

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