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数据中心液冷方式优缺点对比及浸没式液冷表面强化处理(下)

发布人:中嘉和信 发布时间:2023.02.10 来源:通信电源技术

芯片工作温度低,降低能耗

由于液体能效转换效率远远超过空气,且液冷系统可直接对服务器的芯片等关键部件实现散热,散热精准高效,因此服务器的关键部件的运行温度明显低于常规风冷散热温度,且温度恒定,其系统可持续高负载运行,效能翻倍;又由于喷淋式液冷和浸没式液冷移除了服务器系统风扇,可以直接降低服务器的能耗,约降低15%~25%,而冷板式则约降低5%~10%。

服务器寿命提高

服务器的寿命提高主要体现在两个方面:

1)由于芯片工作主要是在较低温度且温度恒定下,当减少风机工作时的震动(喷淋式和浸没式液冷),可以显著提高芯片的寿命;

2)喷淋和浸没液冷机房由于服务器浸没在冷却液内,服务器不需要与室内的空气进行接触,避免了空气中的灰尘等颗粒物在服务器内的累计而导致设备故障。另外也直接减少了环境中的水分及尘埃等对于服务器的腐蚀,提高了设备的可靠性,延长了设备的使用寿命。

设备前期投资较大

由于液冷设备还处于起步阶段,当前液冷形式相对于传统风冷机房而言体量极小,加之部分关键材料如冷却液等暂时受部分公司的垄断,相对于常规机房而言,设备前期投资较大,并且由于部分设备需要定制,如服务器等,当所需数量较小的情况下,成本更高,一般前期投资为传统机房的3倍以上。当单柜管理设备密度在20kW以上且超过500个柜子以上的情况下,成本会有较大的降低。

04、表面技术增强浸没式液冷的沸腾传热性能

Asperitas AIC24 浸没式液冷系统       

下面,介绍几种有望应用于浸没式液冷系统的涂层与表面工程技术。

多尺度电镀多孔 (MuSEP) 涂层

加拿大舍布鲁克大学跨学科创新技术研究所机械工程系(Department of Mechanical Engineering Institut Interdisciplinaire dInnovation Technologique (3IT)- Université de Sherbrooke Sherbrooke, Canada)和合作方——Systemex Energies开发了一种新型多尺度电镀多孔 (MuSEP) 涂层,其表面具有随机的孔径分布,可显著提高沸腾效率。该涂层在室温下沉积,可以添加到 CPU GPU 等现成的电子部件散热器中。

研究团队将3M公司的介电高润湿液体Novec649应用于具有不同表面特性散热器的池沸腾实验,它们分别是裸铜、添加3M 公司商品化的沸腾增强涂层 (BEC) MuSEP 涂层的散热器。

左边:SEM image of 3M BEC。右边:SEM image of the MuSEP coating

研究团队将面积为22平方厘米、厚度为4mm的散热器,连接到表面尺寸为 2.54 cm x 2.54 cm 的加热器上,并对这 3 种具有不同表面特性的散热器在浸没式液冷中的热性能进行测试。

测试结果表明,使用 MuSEP 涂层的散热器获得了最佳结果。在 (250±11) W(平均热通量(11.3±0.5W/cm 2 的沸腾表面 )的功率下,MuSEP 涂层散热器的外壳温度为 (68±0.1)°CBEC涂层散热器的外壳温度为 (79±0.1)°C,裸铜散热器的外壳温度为 (93±0.1)°C

与裸铜表面相比,介电液在 MuSEP 涂层上沸腾时,其表面对液体的热阻 (R sl ) (0.186±0.008) °C/W 降低到 (0.089±0.004) °C/W。此外,MuSEP 涂层在较低功率下表现出最低的热阻。

在研究团队创建的两相热虹吸冷却系统原型中,MuSEP 涂层通过了超过 22000 小时的 CPU 集成功能测试以及在整个浸没式冷却应用中超过 5500 小时的集成测试,其可靠性得到了证明。

他们认为,凭借卓越的沸腾性能、低制造成本和可靠性,MuSEP 涂层有望成为未来商业化两相冷却解决方案的基本组成要素。

莲花金属

莲花型多孔铜(Lotus-Type Porous Copper)是内部类似于莲花根茎结构的多孔铜金属,具有许多沿同一方向排列的细长孔,冷却剂浸润这些细孔,极大地增加了沸腾面积,从而增强沸腾传热性能。

东京理工大学 Kazuhisa Yuki 教授的团队将莲花金属与每隔一定距离雕刻约 1mm 宽度凹槽的导热良好的金属板结合,并将它们与加热元件接触,对其沸腾传热效应进行研究。实验发现,莲花金属的顶部吸入制冷剂,而蒸汽则经金属板的凹槽排出,且这种结合抑制了薄膜沸腾的发生。团队指出,金属板中的凹槽和莲花金属中的孔隙尺寸决定了冷却性能,他们建立了一种方法,能够根据制冷剂的特性确定凹槽的横截面积和莲花金属孔隙直径。将莲花金属与带有凹槽的金属板相结合(左边:莲花金属,右边:结合了金属板的莲花金属散热器)在为电动汽车设计的沸腾冷却实验中,团队在一个小尺寸(冷却表面10mm×10mm)的冷却器中测得了超过550W/cm 2 CHF,在另外一个大尺寸(冷却表面65mm×65mm)的冷却器中测得的 CHF 270W/cm 2

在高性能计算机CPU的冷却研究中,他们将氟化惰性液体作为制冷剂,用体积仅为现有散热器产品一半的莲花金属,实现了同水平的冷却性能。

通过沸腾实验,团队获得了使用水制冷剂(红色圆圈)和氟基惰性制冷剂(蓝色三角形)的情况下的冷却表面温度和热通量的关系:

a、紫色部分:用于服务器的冷却性能区域

b、黄色区域:用于 Si 功率半导体应用的冷却性能区域

c、浅蓝色区域:预期用于 SiC 功率半导体应用的冷却性能区域

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