液冷机柜的技术原理、内部结构及发展趋势

作者:兰洋科技    浏览量:4609    时间:2023年10月13日    标签: 液冷机柜 液冷系统

随着信息技术和云计算的快速发展,服务器机柜在数据中心的应用越来越广泛。液冷技术作为一种新型的冷却方式,具有高能效、高密度和低噪音等优点,因此在服务器机柜领域的应用逐渐受到关注。本文将详细介绍液冷机柜的技术原理、内部结构以及发展趋势。

据赛迪顾问预测,中国液冷数据中心市场规模将由2019年的260.9亿元增长至2025年的1283.2亿元,行业增速保持在30%以上。中国液冷数据中心基础设施市场规模将由2019年的64.7亿元增长至2025年的245.3亿元。

同时,根据近日三大运营商与液冷产业链代表企业共同发布《电信运营商液冷技术白皮书》,提出2025年开展液冷技术规模应用,50%(即50%为高功率机柜)以上项目应用液冷技术。

结合工信部相关统计:预计2025年中国IDC新增机柜需求达到每年75万台,则年均新增10KW(千瓦)以上机柜38万台,浸没式液冷单KW价值量约1.2万元,则年均新增液冷市场规模约450亿元。

一、液冷机柜的技术原理

液冷技术是一种通过液体作为散热媒介来带走服务器机柜中设备热量的一种冷却方式。

具体来说,液冷技术利用了液体的高热传导系数,通过泵浦将液体从冷凝器输送到服务器机柜中的各个设备,吸收设备产生的热量,再流回冷凝器进行降温,循环往复,达到高效冷却的效果。

1.1技术原理图解

图1-1液冷系统技术原理图解

工作原理

冷却水通入机组,与导热介质进行热交换,带走导热介质的热量,达到预定使用的温度。可根据系统压力、温度、流量自动变频调节。利用液冷热交换对主要热源进行冷却,减少风冷系统的使用。通过液冷设备为发热元件提供冷却液循环,节省了空气换热环节,并省却大量制冷系统的能耗。

  • 液体供应系统负责提供冷却液体,一般为去离子水和乙二醇混合物等。

  • 液体循环系统由泵浦、管道和换热器组成,负责将液体从服务器机柜中吸收的热量带回到冷却系统进行降温处理。

  • 冷却系统主要由冷却塔、冷冻水系统和散热系统组成,负责将液体中的热量传递给外界环境。

  • 控制系统主要负责控制液体温度、流量等参数,保证液冷系统的稳定运行。

  • 监控系统则负责实时监测液冷系统的运行状态,及时发现并处理故障。(图中暂未列出监控系统)

二、液冷机柜的内部结构

液冷机柜的内部结构主要由以下几个部分组成:

  • 服务器设备区:放置服务器的区域,设备产生的热量通过液冷系统进行散热。

  • 液体循环管道:液冷系统中液体循环的通道,包括进液管道、出液管道和循环管道。

  • 冷凝器:将液体中的热量传递给外界环境的设备,通常采用板式换热器或壳管式换热器等。

  • 冷却水塔:提供冷却水源的设备,将热量传递给大气环境。

  • 泵浦:用于驱动液体循环的设备,通常采用离心泵或螺杆泵等。

  • 监控系统:对液冷系统的运行状态进行实时监测和控制的设备,包括温度传感器、压力传感器和液位传感器等。

  • 电气控制系统:用于控制液冷系统的电气部件,包括控制柜、电源等。

  • 维护结构:包括机柜门、观察窗和过滤网等维护设施。

三、液冷机柜的发展趋势

随着云计算和数据中心的快速发展,服务器机柜的冷却问题越来越受到关注。作为一种新型的冷却方式,液冷技术在服务器机柜领域的应用前景广阔,未来将有以下几个发展趋势:

1)更高效能效

随着数据中心规模的不断扩大,对于冷却系统的能耗要求也越来越高。因此,液冷技术的能效问题是未来发展的重要方向。通过优化液冷系统的设计、选用高效的泵浦和换热器等措施可以提高液冷系统的能效水平,从而降低数据中心的能耗。

2)更低噪音

传统的风冷系统由于风扇的转动会产生较大的噪音,对于数据中心的运行环境不利。而液冷系统的泵浦和风扇等设备产生的噪音相对较小,可以更好地满足数据中心对于低噪音环境的需求。未来可以通过进一步优化液冷系统的设计和技术参数,降低液冷设备的噪音水平。

3)更灵活可扩展性

随着云计算和虚拟化技术的快速发展,数据中心的规模不断扩大,对于服务器机柜的数量和配置的需求也不断增加。因此,液冷机柜的设计需要具备灵活可扩展性,能够适应不同规模的数据中心和不同配置的服务器机柜的需求。可以通过模块化的设计方法,将液冷系统的各个部件采用标准化、通用化的设计,方便后期扩展和维护。

技术优势主要有以下几点:

1)在算力能耗方面

全液冷机柜可实现高算力密度,单柜最高支持160颗CPU,一柜顶十柜,并实现了高供电密度,可支持单柜100kW的功率密度,相比传统数据中心功率密度提升10倍以上,空间利用率提升5-10倍,与此同时,背门换热能力达20kW,能耗小于2kW。

2)在换热效能方面

全自然冷液冷背门比空调系统更加贴近热源,避免了原采用空调风冷散热的部分较高功耗部件产生局部热点,实现高效换热,能效比COP可达10以上(COP指制冷系统中产生的冷量与消耗的能量之间的转换比率,能效比越大,节省的电能就越多)。

3)在安全可靠性方面

依托先进的管路焊接工艺,全液冷机柜系统承压能力强,可承压1.6MPa,保证系统稳定运行;并采用四重防漏液设计,冷板节点表面均部署了漏液监测装置,一旦测到液体泄漏,系统自动停机,从而保护设备安全,同时还在每个机柜底部,全自然冷液冷背门以及整个机房管路均部署了漏液监测。

四、液冷技术的前景及挑战

液冷技术作为一种新型的冷却方式,在服务器机柜领域的应用前景广阔。

液冷技术的几种发展路线:

1)冷板式液冷是指采用液体作为传热工质在冷板内部流道流动,通过热传递对热源实现冷却的非接触液体冷却技术。在冷板式液冷系统中,服务器芯片等发热器件不直接接触液体,而是通过装配在需要冷却的电子元器件上的冷板进行散热。浪潮信息数据中心产品部副总经理李金波指出,冷板式液冷利用冷板中流动的冷却液进行非接触式散热,对现有服务器芯片组件及附属部件改动量小,是目前应用较早且技术成熟度较高的一种液冷散热方案。

2)浸没式液冷是将服务器完全浸入冷却液中,全部发热元件热量直接传递给冷却液,再通过冷却液循环流动或蒸发冷凝相变进行散热。其中,冷却液循环流动的方式为单相浸没式液冷,冷却液蒸发冷凝相变的方式为相变浸没式液冷,相变浸没式液冷控制更复杂、要求更高。

浸没式液冷相对创新性较强,但验证性不足。单向浸没式液冷的冷却液流速会非常慢,相变浸没式液冷则会存在气和液的承压问题,在技术的可靠性方面仍需要验证。此外,浸没式液冷使用的冷却液不导电,但仍需要对冷却液做持续的干燥处理。

3)喷淋式液冷则是用冷却液直接喷淋芯片等发热单元,通过对流换热进行散热,一般不需要对数据中心的基础设施进行大幅度改动。

液冷技术面临的挑战:

数据中心液冷市场创新极为活跃,关于浸没式、冷板式、喷淋式等多种液冷技术孰优孰劣的讨论此起彼伏。虽有“路线之争”,但无论选择哪种技术路线,成本仍是横在液冷技术普惠面前的拦路虎;

据业界测算,目前液冷数据中心的初期建设成本比风冷要高出10%左右,需要1.5年才可实现总拥有成本与投资回报的平衡。

液冷技术非常复杂,涉及液冷数据中心系统架构层、液冷部件及接口层、液冷基础设施层(液冷机柜、组件、换热设备、室外集成冷源等)、液冷监控系统层等多方面,产业链各企业技术路径多种多样,产品规格千差万别,想要对液冷技术进行标准化适配和部署的难度很大。

一个现实的问题是,液冷技术虽然诞生较早,但此前一直处于小规模部署阶段,众多链条企业尚依靠“小规模试产”的方式完成产品及服务交付,难以形成规范化、规模化发展态势。

本文标题:液冷机柜的技术原理、内部结构及发展趋势

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