電子設備散熱技術詳解

隨着5G、人工智能、物聯網、智慧城市的蓬勃發展以及大數據、雲計算技術的深刻發展和應用，做爲數據計算、存儲或鏈接交換的基礎支撐與驅動技術進步的基石，數據中心是中國推動新一代信息技術產業發展的關鍵資源，數據中心的發展將持續強勁增加。

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服務器能力的遞增，隨之而來的就是總體功耗的上漲；而機房佈局面積限定與機架尺寸限定使得服務器的體積不能有太大的變化，要在有限的空間裏裝進無限可能，服務器只能在「功耗胖子」的路上越走越遠······

功耗的增長必然會致使服務器的散熱需求的增長，那麼這個愈來愈胖的傢伙怎麼才能進行有效地散熱呢？

相信你們都會有這樣的生活經驗，在炎炎夏日中咱們如何才能溫馨愜意？
最初的辦法就是找個樹蔭，曬不到就涼快了！
若是仍是熱？那就扇扇子！
再不行？那就開空調！
依然不行？那就直接去衝個涼吧！

電子設備的散熱設計也是類似的歷程，最初的天然散熱設備只要找個溫度不高的使用環境就能很好的工做了，散熱設計？ME隨便擺一下就OK了！

天然扇熱設備

當慢慢天然散熱搞不定的時候，風冷散熱模式上線，系統裏放幾顆風扇、總體風道劃分，散熱問題就能解決，輕鬆加愉快！

風冷散熱設備

再後來電子設備尤爲是服務器的需求量增大，集羣部署能更好的運營管理，數據中心機房要維持良好的設備運行環境，機房空調就必不可少，不管集中送風仍是冷水列間，機房環境溫度低了，服務器也就安生了！

傳統數據中心製冷流程圖

當前電子設備的功耗密度已是最初的幾倍甚至十幾倍，設備不斷更新迭代，但機房無法跟上更新的節奏，部署密度受限、機房供風不足、總體PUE太高等這些問題亟待解決；對服務器端，功耗明顯上升的都是個別部件，整個系統熱島現象明顯，受限於結構空間，只能不斷的加大系統風量，就要求風扇的轉速愈來愈高，伴隨的就是震動強、噪聲高、功耗大；面對這些問題，風冷散熱模式捉襟見肘，用冷水衝個涼吧！

數據中心液冷機房

工質在散熱設計中扮演搬運工的角色，搬運工人數可理解爲密度，單人每次負重量理解爲比熱容C，單位時間內搬運的次數就是換熱係數h；空氣的比熱容約爲1.0KJ/(KgK)、換熱係數20~100 W/(m2K)、密度約爲1.3g/L，而水的比熱容約爲4.0KJ/(Kgk)、換熱係數200~1000 W/(m2K)、密度約爲1Kg/L；簡單換算工做效率能夠獲得，風冷至關於一我的搬、一次搬運一個箱子、單位時間搬運20次，而水冷就至關於770人搬、每人一次搬運4個箱子，每人單位時間搬運200次，理論上是風冷的3萬倍！實際運行中因各種限制，不會達到這麼大的差距，但液冷的散熱效率也是風冷的幾千倍。

液冷的方式有多種，主要能夠概括爲浸沒式、噴淋式、冷板式三個大類；

• 浸沒式：將整個服務器直接浸泡在工做介質中，根據工質工做狀態可細分爲非相變和相變兩類；

• 噴淋式：工質經過服務器上蓋板，直接滴漏或噴射在服務器的熱源上，再經過服務器底殼收集運出，一般工質不發生相變；

噴淋式液冷服務器

• 冷板式：工質一般選用純水，利用管路輸送進服務器，再經過冷板與系統熱源發生換熱後導出服務器。

冷板式液冷服務器

綜合考慮機房運維、系統性能、上線風險等方面，目前容易接受且應用最多的是冷板式液冷模式；根據循環架構的不一樣，又可分爲開式循環系統和閉式循環系統。

閉式系統是自循環的小系統，最多見的應用是PC主機箱液冷，透明機箱加帶色的工質，系統一運轉，很是炫酷：

閉式循環系統系統&原理

與閉式循環系統相比，開式系統對機房節可能更有幫助。它可以將熱量轉移至室外進行散熱，減小機房的空調用量，下降總體PUE。

系統一般劃分紅一次側和二次側兩部分，一次側爲機房供水，包括室外的乾冷器和冷水機組；二次側爲機房內佈局部分，包括供液環路和服務器內部流道；兩個部分經過CDU（Coolant Distribution Unit冷量分配單元）中的板式換熱器發生間壁式換熱，工質不作混合。

開式循環系統

冷板式液冷服務器主要由快速接頭、管路和冷板組成：

• 快速接頭能夠實現帶壓插拔維護服務器，水路的自動斷開和導通；
• 管路負責水路的運輸工做，在服務器內進行流道設計；
• 液冷板的做用是提供冷水與熱源之間換熱的場所，內部有各種流道設計應對不一樣使用場景。

結語

根據DCFF發佈的《中國數據中心能源使用報告2018》，截止2018年末，中國大小數據中心總量在40萬個以上，在線使用服務器數量超過1200萬臺，年增加率在13.4%~17.7%之間，全部服務器及網絡設備耗電量約324.4億度電，佔全社會總用電量1%，隨着數據中心的數量及服務器保有量增長，該比例會持續增大，達到或接近美國數據中心社會總用電量佔比的1.5%~2%水平。

初步評估，液冷機房的PUE能夠作到1.1左右，即324.4億度電須要的散熱配套設備功耗爲32.44億度電，而當前較好的風冷機房PUE平都可以作到1.4左右，即散熱配套設備功耗爲129.76億度電；液冷一年能夠節省97億度電！至關於千萬級人口大城市的年均居民用電總量。

因爲其回液溫度明顯高於傳統空調系統回液，廢熱品味顯著提升，能夠大幅度提高熱回收應用價值，在將來規劃利用新型數據中心餘熱回收技術，爲需求場所提供綠色清潔的熱源，從而達到能源的高效與綠色化應用。

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