趙田田，王魯元*，張興宇，孫榮峰，玄承博，耿文廣，程星星，王志強

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）a.能源研究所；b.能源與動力工程學院，濟南 250014；2.山東省能效與低碳工程實驗室，濟南 250014；3.山東大學能源與動力工程學院，濟南 250064）

0 引言

隨著計算機性能及計算設(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、風冷等散熱方式存在熱點以及高能耗等問題，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，從冷卻材料的選擇以及沸騰換熱機理等方面分析了目前的研究重點和發(fā)展現(xiàn)狀，并對浸沒式相變冷卻技術(shù)進行展望。

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，預計從2016 年的16.1 ZB 增長到163.0 ZB［1］。同時，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100～1 000 W/cm2的數(shù)據(jù)中心稱為高熱流密度數(shù)據(jù)中心［2］，其最顯著的特點就是24 h 不停機運行，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世紀中期實現(xiàn)碳中和，我國爭取于2060 年前實現(xiàn)該目標［3］。許多互聯(lián)網(wǎng)科技（IT）集團積極響應(yīng)國家號召，阿里巴巴、騰訊、螞蟻集團等公司的大型數(shù)據(jù)中心都已啟動碳中和計劃，努力打造綠色數(shù)據(jù)中心［4］。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。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)Fig.1 Data center energy consumption structure

學者們對數(shù)據(jù)中心的散熱方式進行了大量的研究：對傳統(tǒng)風冷散熱進行了氣流組織優(yōu)化［5］，對水冷散熱服務(wù)器加裝了背板［6］，對熱管散熱技術(shù)［7］、浸沒式相變冷卻以及余熱回收［8］等進行了多種降低能耗的技術(shù)研究。同時，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)中心機房的PUE 值降至1.05，能耗較傳統(tǒng)風冷型數(shù)據(jù)中心降低30%以上，經(jīng)濟效益顯著。阿里巴巴推出的“麒麟”服務(wù)器不需要空調(diào)、風扇等附件設(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，沸點比常用冷卻介質(zhì)（如純凈水、氟化液、礦物油）的沸點更低［9］。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、維護方便、噪聲小等優(yōu)勢，成為了目前研究的重點。

圖2 曙光浸沒式服務(wù)器Fig.2 Sugon immersion server

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［10］。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)，即當冷卻介質(zhì)遇熱時會發(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、特性穩(wěn)定的冷卻劑中，當達到冷卻劑的沸點時，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行冷卻（如圖3所示）。

圖3 浸沒式相變冷卻原理Fig.3 Principle of submerged phase-change cooling technology

Baris 等［11］分別對單相浸沒式冷卻和兩相浸沒式冷卻技術(shù)進行了熱力學以及經(jīng)濟效益的評估，評估結(jié)果顯示后者的性能趨勢系數(shù)比前者高72%，同時Baris［12］還通過試驗，在3.43～9.17 kW 范圍內(nèi)的6種不同實時、動態(tài)運行負荷下，對采用浸沒式相變冷卻的數(shù)據(jù)中心進行系統(tǒng)級熱管理，研究其熱力學和熱經(jīng)濟性能。試驗表明，在最高運行負荷時的最佳性能系數(shù)（COP）和PUE 值分別為6.67和1.15；在最低運行負荷時，最佳COP和PUE值分別為2.50和1.40。雒志明等［13］搭建了一套以R134a為冷媒的從機柜到室外環(huán)境的相變換熱制冷循環(huán)系統(tǒng)，整個過程沒有中間換熱環(huán)節(jié)，通過焓差試驗表明，其全年能效比達20 以上。何恩等［14］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至少10倍。

圖4 電子設(shè)備液體相變冷卻方案Fig.4 Liquid phase-change cooling scheme for electronic equipment

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)以及氣液混合時都滿足絕緣要求。

（3）應(yīng)具有較低的沸點，當服務(wù)器溫度不是很高時，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。與礦物油相比，氟化物價格略高，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［15］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50 Hz 高壓交流耐壓測試系統(tǒng)的局部放電檢測平臺，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，制冷劑的沸騰會降低絕緣環(huán)境的絕緣閾值。莫申揚［16］等利用絕緣試驗裝置對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獲取了FC?72 蒸汽的介電強度，實現(xiàn)了低沸點制冷劑蒸汽的多氣壓介電強度測試。吳曦蕾等［17］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。董進喜等［18］通過試驗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性能，#65 的散熱能力高于PAO，但PAO 的物理穩(wěn)定性和不導電性能高于#65。現(xiàn)在對冷卻介質(zhì)的研究較少，需進行進一步研究，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 沸騰換熱機理研究

除了對冷卻介質(zhì)的選擇，沸騰換熱機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，研究沸騰換熱的機理以及沸騰換熱模型對浸沒式相變換熱技術(shù)的改進具有重要意義。沸騰換熱機理非常復雜，盡管許多學者對其做了大量試驗研究，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［19］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)沸騰模型與試驗結(jié)果更加吻合，誤差更小。而王迎慧等［20］基于計算流體動力學（CFD）軟件建立了一個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)，而且能夠維持流動沸騰的穩(wěn)定性以及可靠性。而畢勤成等［21］則探究了管道內(nèi)尺寸對沸騰傳熱特性的影響，試驗結(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：當微小圓管的內(nèi)徑為1.10 mm 時，低熱負荷加熱出現(xiàn)氣泡阻塞，造成了沸騰滯后現(xiàn)象；而在內(nèi)徑為1.55 mm的圓管內(nèi)沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。Deng 等［22］建立了一種雙導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。試驗結(jié)果表明，與均勻表面相比，雙導電表面的沸騰性能更高。

圖5 波形微通道流動沸騰換熱模型示意Fig.5 Flow boiling heat transfer model in wavy microchannel

眾多文獻研究結(jié)果表明，沸騰換熱效率高于傳統(tǒng)換熱方式，但其機理也更加復雜。受限于當前測試技術(shù)，我們對散熱裝置內(nèi)部流動特性的認識還不夠透徹。沸騰換熱模型繁多，尚沒有建立起通用的流動傳熱模型。

浸沒式相變散熱技術(shù)雖散熱能力強，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)散熱機房基礎(chǔ)上改造為浸沒式散熱機房，還要考慮機房地板的承重問題。

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［23］。Birbarah［24］等人對聚合物基封裝材料性能進行了探究，設(shè)計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，通過試驗驗證了在200 V 電壓環(huán)境下，厚度為1 μm 的聚對二甲苯涂層在水和電子器件之間防泄漏的有效性，但是該試驗還缺少針對此聚合材料維持時間的測試。

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)化研究對改進我國能耗結(jié)構(gòu)具有深遠的意義。人們對冷卻液的選擇和沸騰換熱機理探究進行了大量的試驗，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)。同時由于沸騰換熱機理的復雜性，沒有準確的通用機制模型來模擬內(nèi)部沸騰換熱。

對浸沒式相變冷卻技術(shù)進行進一步的優(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)展開高場強下的介電強度測試。

（2）氟化液具有較強的揮發(fā)性，研發(fā)與之配套的散熱裝置密封材料。

（3）通過試驗進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行時間上的測試，保證其使用年限，減少服務(wù)器使用過程中的維護成本以及頻繁維護造成的可靠性下降。