服务器浸没式液冷关键技术应对数据处理、存储和传输的需求正在急剧上升的需求

用于电子设备的液体冷却剂应不易燃、无毒且价格低廉，具有优良的热物理特征，包括高导热系数、比热、传热系数，高绝缘及低黏度，较强的兼容。常见的冷却液分为介电冷却剂和非介电冷却剂，其中介电冷却剂有芳香烃（二乙苯（ＤＥＢ）、甲苯、苯和二甲苯）、脂肪类（石蜡、矿物油等）、硅酮（硅油）和碳氟化合物（ＦＣ－４０，ＦＣ－７２，ＦＣ－７７和ＦＣ－８７）等。非介电冷却剂有水（Ｗ）、乙二醇（ＥＧ）及这２种物质的混合物（Ｗ／ＥＧ）。冷却剂的沸点、黏度、密度、比热容、表面张力、填充率等特性都是影响系统换热的重要因素。

杨明明等人综述了冷却液的分类及其物理化参数，结果表明ＰＡＯ脂类化合物冷却液主要用于贯通式液冷计算机和侧壁液冷计算机中，ＦＣ－７２氟碳化合物冷却液主要用于采用射流冷却液和雾化冷却的液冷计算机中，乙二醇水容易主要用于贯通式液冷计算机和侧壁液冷计算机中。肖新文综述了应用于数据中心的不同液冷技术及其冷却液，结果表明液冷技术冷却温度高，节能效果明显；合理分配使用侧及冷源侧的温差，提高部分负载下液冷系统的节能性，探索冷却温度、节能效率及热回收性能三者之间的最佳耦合关系是数据中心液冷技术应用的研究方向。Ｃｈｅｎｇ等人采用Ｃｏｍｓｏｌ模拟研究了３ＭＮｏｖｅｃ－７１００介质对ＩｎｔｅｌＣＰＵＩ９－９９００Ｋ散热的影响，模拟结果表明，加快液体冷却液的流动速度能带走更多的热量，从而降低ＣＰＵ的温度。但是，由于循环速度较慢，冷却液的流量不变，引起了较高的温度值和不平衡的热分布。值得注意的是散热器的材料不会显著影响结果。Ｙａｎｇ等人设计一种新型的微通道散热器ＭＭＣ－ＳＯＣ，利用ＨＦＥ－７１００进行散热测试，实验测量了芯片热通量在２０、２５、３０、３５Ｗ／ｃｍ２时与传统微通道ＭＭＣ散热器相比，当使用ＨＦＥ－７１００冷却剂时微通道具有更低的压降，ＭＭＣ－ＳＯＣ散热器可以保持５３℃的最高芯片温度而压降仅为３．７７ｋＰａ。钟杨帆等人测试了单相浸没式液冷服务器中电子氟化液长期使用后物理特性及成分变化情况，结果表明，单相浸没液冷服务器各项指标均能满足运行基本要求，且电气特性和物理特性均可满足ＳＰＥＣ要求。同时，与风冷系统服务器相比，浸没液冷服务器的ＣＰＵ等关键散热原件的失效率降低５０％以上。氟化液长时间使用后的黏度、介电常数和击穿电压等物性常数均保持稳定，能满足企业长期使用的要求。

Ｓａｔｈｙａｎａｒａｙａｎａ等人基于纯ＨＦＥ－７２００氟化液，搭配了不同比例的醇或醚并以１ｃｍ２的硅发热面作为池沸腾的测试表面，对冷却液的冷却传热能力进行了研究，实验对比了纯ＨＦＥ－７２００氟化液，验证了合成的含氟冷却液具有更好的冷却性能。结合全球环境保护的现状，要求开发具有更好传热性能和适用性的新型传热流体，所以含氟冷却剂具有很大的研究前景。Ｆｏｒｒｅｓｔ等人比较了Ｎｏｖｅｃ－６４９和Ｒ－１３４ａ在池沸腾时的临界热通量和传热系数，不同于Ｓａｔｈｙａｎａｒａｙａｎａ等人的研究，Ｆｏｒｒｅｓｔ等人使用光滑铝平面作为加热面进行沸腾换热实验，结果表明Ｒ－１３４ａ具有更高的传热系数和ＣＨＦ，此外Ｎｏｖｅｃ－６４９的两相传热性能与碳氟化合物ＦＣ－７２具有很强的相关性。Ｗａｒｒｉｅｒ等人通过计算分子设计（ＣＡＭＤ）和优异值（ＦＯＭ）分析研究了３５种新型流体对沸腾换热的影响，质量分数为７％的Ｃ６Ｈ１１Ｆ３和质量分数为９３％的ＨＦＥ７２００的混合物的换热属性要比单纯的ＨＦＥ－７２００介质好。Ｂｉｒｂａｒａｈ等人研究了３ＭＮｏｖｅｃ－７２ＤＥ和７３００工作介质对氮化镓晶体管器件散热的影响，实验测试表明，热流量达到了５６２Ｗ／ｃｍ２，能够为２ｋＷ的电源进行散热，电源的转化效率达到９７．２％。Ｓｕｎ等人模拟研究了Ｎｏｖｅｃ－７０００沸腾换热对ＣＰＵ换热的影响，当入口速度大于０．６ｍ／ｓ时，使用Ｎｏｖｅｃ－６４９冷却液可以确保芯片的正常运行，相比于Ｎｏｖｅｃ－６４９工作介质，Ｎｏｖｅｃ－７０００较低的沸点能使芯片的平均温度降低１７．３２℃，上下芯片之间的水平挡板可以显着改善机柜的整体温度均匀性。Ｚｈｏｕ等人实验和模拟研究了两相液浸冷匀热板（７１００工质）对ＣＰＵ散热的影响。研究表明，匀热板表现出良好的散热性能，散热量达到９００Ｗ。Ｌｕｏ等人采用Ｆｌｕｅｎｔ模拟研究了矿物油不同热物性对ＣＰＵ沸腾换热的影响，与碱性矿物油相比，碳化硅基纳米流体显著增强了传热，当纳米流体在体积分数为０．３％和３．７％的范围内时，最大增强率分别为基本流体的１１．４％和１１．７％，０．３％纳米流体在低雷诺数下具有更好的热量耗散效应，而３．７％纳米流体在高雷诺数下的表现更好。

换热冷却液的流动速度亦是影响换热效果的重要因素。李斌研究了单相浸没式液冷机柜不同流量下服务器温度变化趋势，结果表明，在流量增加的过程中，流道温度下降趋势显著。李棒等人采用６ＳｉｇｍａＥＴ模拟发现浸没式液冷系统中ＣＰＵ散热的温度场与冷却液流量呈负相关。杜明徽等人通过ＣＦＤ模拟了较小流速流体，随流速增大，散热模块最高温度降低；同时当流速越来越大时，散热原件温度降低的幅度逐渐减小，此时出现热饱和的现象。

综上，冷却介质是浸没式液冷的关键技术，冷却介质的种类、流速均影响其换热效率。