随着数据量的爆发式增长，大量的算力需要海量服务器来支撑，而受限于数据中心建设面积和环保规定，增加单机柜功率密度成为调和不断增长的算力需求和有限的数据中心承载能力的关键解决方案。大量数据吞吐和运算使得作为人工智能、大数据等新兴技术“大脑”的数据中心面临着前所未有的能耗和散热挑战。

在此背景下，应用液冷技术和液冷服务器等设备的液冷数据中心应运而生，为数据中心的冷却提供了新的解决思路。

数据中心概念图-图源网络

液冷是指使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热，带走热量的技术。液冷技术的高效制冷效果有效提升了服务器的使用效率和稳定性，同时使数据中心在单位空间布置更多的服务器，提高数据中心运算效率，兼具能降噪的优势，余热利用也可以创造更多经济价值。

本文将从液冷技术分类、液体冷却剂（冷却液）及室外冷源三方面为大家做科普。

一、液冷技术分析

当前液冷技术主要包括浸没式、喷淋式、冷板式及热管技术等类型，本节主要介绍上述4种液冷技术的系统组成和运行过程。

01浸没式液冷技术

浸没式液冷技术通过浸没发热器件，使得器件与液体直接接触，进行热交换。根据介质是否存在相态转变又可分为浸没式单相液冷和浸没式相变液冷。

浸没式单相液冷

在单相浸没式液冷中，介电冷却液保持液体状态。电子部件直接浸没在液体中，液体置于密封但易于触及的容器中，热量从电子部件传递到液体中。通常使用循环泵将经过加热的冷却液流到热交换器，在热交换器中冷却并循环回到容器中。冷却液在循环散热过程中始终维持液态，不发生相变。低温冷却液带走热量后，温度升高，升高的冷却液流动到其它区域后重新冷却完成循环。

单相液冷要求冷却液的沸点较高，这样冷却液挥发流失控制相对简单，与IT设备的元器件兼容性比较好，不需要频繁补充冷却液，还可以更轻松地卸载或更换服务器组件，提高了系统的可维护性，但相对于相变液冷其散热效率要低一些。

浸没式单相液冷示意图-云酷智能产品

浸没式相变液冷

相变液冷是以相变冷却液作为传热介质，在热量传递过程中，冷却液吸收和放出热量，发生相态转变，通常伴随着少量过冷或过热的情况，但主要依靠物质的相变潜热传递热量。

在浸没式液体相变冷却系统中，将服务器主板、CPU、内存等发热量大的元器件完全浸没在冷却液中；在工作状态下，各发热部件会产生热量，引起冷却液升温。当冷却液的温度升高到系统压力所对应的沸点时，冷却液发生相变，从液态变化为气态，通过汽化热吸收热量，实现热量的转移，这种通过冷却液状态变化吸收热量的冷却技术就是浸没式相变液冷技术。

浸没式相变液冷技术利用液体相变将热量直接带走，减少了传热工程的热阻，相比冷板式液冷，具有更高的传热效率，是液冷中最节能、最高效的制冷模式。

浸没式相变液冷-图源网络

浸没式液冷在设计过程中采用专用冷却液作为浸没冷却的介质（如氟化液），专用冷却液具有高绝缘、低黏度、不可燃的特性，而且在操作范围内能够保证化学惰性和稳定性。

两相液冷由于冷却液发生了相变，所以传热效率很高，不利的是相变过程中，冷却液蒸发为气态过程中会发生逃逸，所以对容器的密封性有一定的要求；但是完全密封则有可能引起冷却系统中断、出现事故，所以需要一定的安全设施做保障。

浸没式相变液冷工作原理-图源网络

02喷淋式冷却技术

喷淋式液冷是一种直接液冷。喷淋液冷服务器是通过在服务器内部部署喷淋模块，采用一种对人、IT设备和环境无害无腐蚀的绝缘液体，有针对性地对发热器件进行喷淋降温的解决方案。

喷淋式液冷不需要对数据中心的机房基础设施做大规模的改造，只需要在喷淋模块上调整喷淋孔，使冷却液精准地对服务器内的发热器件进行冷却，因此理论上喷淋式液冷的可实施性较强。

液体喷射冷却使用喷射器在需要散热的电子器件表面喷洒冷却流体，在器件表面形成的一层温度边界层有强换热发生从而带走热量。通常使用沸点较低的液体，具有较高的传热速率，并且液体喷射速度很快，因而对电子元器件的冷却效果非常理想，可以满足电子元器件持续增加的发热功率对散热的要求，但是喷流冷却在热源表面的不均匀冷却性也限制了其广泛应用。

喷淋冷却技术可分为液体射流冷却和喷雾冷却：

液体射流冷却采用自由表面射流和浸液射流两种形式，它的原理与空气射流冷却的原理基本相同，但冷却效果更佳。然而在这种冷却方式中，冷却液只能直接喷射到滞止区内，限制了其应用。

喷雾冷却是借助高压气体或依赖液体本身的压力通过喷嘴将液体介质雾化为微液滴群喷射到热表面，依靠射流冲击、强对流以及液滴相变带走大量热量。喷雾冷却过程中，喷嘴喷出的是雾状小液滴，液滴直接作用到更广泛的区域，更易于发生相变换热，提高换热系数，被冷却物体的表面温度分布更均匀，而且采用液体直接冷却可以减小因热沉引起的传热热阻。因此这种方式被认为是一种极具发展潜力的高效热量密度的冷却方式。

03冷板式液冷技术

冷板式液冷技术是通过冷板（通常是铜、铝等高导热金属构成的封闭腔体）将发热元器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种实现方式。

冷板式液冷的技术原理即利用工作流体作为中间热量传输的媒介，将热量由热区传递到远端后再进行冷却。在该技术中，工作液体与被冷却对象分离，工作液体不与电子器件直接接触，而是通过液冷板等高效热传导部件将被冷却对象的热量传递到冷却液中，因此冷板式液冷技术又称为间接液冷技术。

冷板式液冷技术用冷却液替代空气成为换热介质，将冷却液直接导向发热芯片模块，通过间接接触换热，将发热芯片产热导出，降低芯片模块的温度，提高其计算性能。

冷板式液冷技术-图源网络

与直接接触式液冷技术（浸没）相比，冷板式液冷技术具有以下优势：

（1）冷板式液冷技术的冷却液在冷板管路中流动，并不与主板和芯片模块直接接触，其材料兼容性更好。在冷却液的选择上，可以只考虑冷却液与循环管路和冷板之间的兼容性。

（2）冷板式液冷技术可以通过保留现有服务器主板的原始形态改装实现，这种方式拆卸简单、安装方便且技术成熟度高，产业化和规模化生产更可行。

但是，相比直接式液冷技术，冷板式液冷技术的冷却液和发热芯片间接接触，增加了传热过程的热阻，使其换热效果弱于直接式冷却。

冷板式液冷技术-图源网络

目前，大多数的冷板式液冷系统在数据中心还无法完全独立运行。也就是说，除了大部分关键发热器件的热量采用微通道冷板液冷散热外，仍然有一部分元器件采用传统的风冷辅助散热，“液冷占比”是一个重要的衡量指标。

对于工程师而言，首先面临的挑战就是如何使冷板和管道从只覆盖发热量大的CPU、GPU组件到将绝大多数组件纳入回液通路。这需要将各个部件重新优化布局，设计合适且简单的串并联管路，保证后端组件的冷却品质不会下降，同时还要考虑对泵系统进行冗余设计。对热端部件进行大量覆盖后，还需提高冷板与发热部件之间的传热效率，增加温差，减小热阻。

04热管技术

热管冷却是利用工质的相变来强化换热，实现高效散热的目的。

热管冷却系统一般由密闭容器、毛细结构、冷却介质构成，其热量传递过程可以分为蒸发段、绝热段和冷凝段，三个部分。工作原理为处于饱和状态的冷却介质储存于储液器中，储液器与电子设备接触，冷却介质吸收电子设备的热量蒸发汽化后在微小的压差下流向温度较低的冷凝段，释放热量之后又凝结成液体，该液体在毛细力作用下重新回流到储液器内，形成循环。电子设备产生的热量在冷却介质的一次蒸发和冷凝后传递给了外界环境，完成了电子设备的散热。

热管技术工作原理-图源水印

热管是一种传热效率极高的传热器件，它的热导率是导热良好的金属导体的～倍，有近超导热体之称。与传统散热设备相比，热管冷却热流方向具有高可变性、热响应性和等温性，可以实现远距离转移热量，并且其系统空间尺寸小、重量轻、构造简单。在应用热管传热时，主要问题是如何进一步减小热管两端接触界面的热阻，并且其技术要求和价格都较高

热管技术效果图-图源水印

篇幅有限，冷却液及室外冷源部分将连载更新，敬请期待。

本文原创，作者云酷智能-姚遥。图片由小编整理自网络，仅做信息交流使用。如有侵权，联系删除。