水冷門(mén)機(jī)柜改造增加直接接觸散熱冷水柵格方案

文/王愛(ài)梅 鄭洪濤

隨著能耗密度的增加，全球能源短缺，能源使用效率低下成為各大數(shù)據(jù)中心的痛點(diǎn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于服務(wù)器散熱的能源占到傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心能耗的一半，有些甚至更高。如何提升能源利用效率，降低數(shù)據(jù)中心PUE是業(yè)界競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)之一。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散熱正從風(fēng)冷機(jī)柜向水冷機(jī)柜、全水冷服務(wù)器演進(jìn)。

1 現(xiàn)有水冷門(mén)解決方案

現(xiàn)有水冷機(jī)房解決方案。如圖1所示的傳統(tǒng)水冷機(jī)房的結(jié)構(gòu)示意圖，這里一共有兩個(gè)液路循環(huán)，在室內(nèi)循環(huán)里，低溫水流入機(jī)柜，將熱量帶出來(lái)，通過(guò)冷熱分配單元（CDU）和室外的液路循環(huán)的進(jìn)行熱交換，交換出來(lái)的熱進(jìn)入室外循環(huán)，被帶到室外機(jī)設(shè)備散發(fā)到外界。

現(xiàn)有水冷門(mén)解決方案。如圖2所示，傳統(tǒng)水冷門(mén)在圖1所示的傳統(tǒng)水冷機(jī)房方案基礎(chǔ)上，通過(guò)兩個(gè)液路循環(huán)將熱量經(jīng)CDU散熱到外界。通過(guò)水冷門(mén)風(fēng)扇強(qiáng)制機(jī)柜通風(fēng)，室溫空氣從前面板進(jìn)入機(jī)柜，流經(jīng)發(fā)熱部件的散熱片，帶走熱量，對(duì)發(fā)熱器件降溫。熱空氣從機(jī)柜后面流經(jīng)水冷門(mén)，進(jìn)行降溫后排入機(jī)房室內(nèi)。

在這個(gè)降溫散熱方案中，機(jī)柜內(nèi)空氣通過(guò)通過(guò)機(jī)柜的水冷門(mén)散熱，機(jī)房?jī)?nèi)的空氣還需要同時(shí)配置空調(diào)進(jìn)行溫度和濕度的控制。整體來(lái)看還是通過(guò)熱傳導(dǎo)效率比較低的空氣來(lái)作為熱媒進(jìn)行散熱。

2 現(xiàn)有方案存在的問(wèn)題

液冷解決方案可以大量節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)耗電，能有效提高能源使用效率。但是通常液冷解決方案涉及到復(fù)雜的管路設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)建設(shè)有較高要求。對(duì)已運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心，實(shí)施液冷方案改造或者擴(kuò)展難度較大、風(fēng)險(xiǎn)較高。

傳統(tǒng)水冷門(mén)除存在復(fù)雜管道設(shè)計(jì)和室外設(shè)備安裝和運(yùn)營(yíng)的問(wèn)題，還有以下缺點(diǎn)：

（1）室外機(jī)不僅僅是散熱的問(wèn)題，由于要求低溫進(jìn)水，溫度一般低于18度，這就需要先對(duì)水進(jìn)行冷卻處理，不但帶來(lái)大量消耗能源，還需要增加低溫冷水機(jī)組等配套設(shè)備，購(gòu)置成本和運(yùn)營(yíng)成本都很高。

（2）IT設(shè)備內(nèi)部仍為空氣導(dǎo)熱冷卻，需要高轉(zhuǎn)速散熱風(fēng)扇，熱空氣和水冷門(mén)體液路進(jìn)行熱交換，冷卻效率低。

（3）大量散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)，帶來(lái)極大的噪音。

如何提高數(shù)據(jù)中心的能源使用效率，同時(shí)又方便實(shí)施運(yùn)營(yíng)的解決方案成為非常重要的需求。

3 新的改造方案

本文探討在水冷門(mén)和機(jī)柜之間增加一扇冷水柵格，由金屬管構(gòu)成，水從管道中流過(guò)，保證水管一直處低溫狀態(tài)。熱管或者蒸發(fā)導(dǎo)熱腔一端貼緊發(fā)熱器件，另一端貼緊冷水柵格。熱量從發(fā)熱器件一端，傳導(dǎo)至冷水柵格，以達(dá)到給發(fā)熱器件降溫的目的。

如圖3為水冷機(jī)柜內(nèi)冷水柵格示意圖。冷水柵格是由銅管焊接而成的柵欄狀熱交換器，具有良好的導(dǎo)熱性能，具有進(jìn)水端和出水端。進(jìn)水端接入18℃冷卻水，流入冷水柵格，冷卻冷水柵格后從出口經(jīng)常溫水管流出。服務(wù)器中發(fā)熱部件同熱管之間進(jìn)行直接接觸，將熱量傳遞給熱管，熱管通過(guò)壓緊部件同冷水柵格充分接觸，將熱量傳遞至冷水柵格。以此實(shí)現(xiàn)發(fā)熱部件到冷水柵格的熱量單向傳遞，以實(shí)現(xiàn)降溫的目的。

圖4是銅質(zhì)冷水柵格，一端為進(jìn)冷水，一段出常溫水，根據(jù)機(jī)柜服務(wù)器層級(jí)數(shù)量，設(shè)置橫向回水柵格數(shù)量，每層根據(jù)發(fā)熱器件數(shù)量設(shè)置對(duì)應(yīng)的熱交換接觸臺(tái)，用于同熱管結(jié)合，便于導(dǎo)熱。圖5 是熱管的一個(gè)實(shí)施案例，通過(guò)增加鋁塊，增加導(dǎo)熱面積，同時(shí)在冷水柵格的接觸臺(tái)和鋁塊接觸面涂導(dǎo)熱硅膠，以增加熱傳導(dǎo)效率。

冷水柵格在機(jī)柜背面，處于機(jī)柜和水冷門(mén)之間，需要連接眾多服務(wù)器的熱管，采用圖5 的熱管示意圖，緊固件眾多，對(duì)于服務(wù)器的維護(hù)來(lái)說(shuō)，不是很方便。而且水冷柵格如果直接安裝在水冷門(mén)的背面，同熱管通過(guò)螺絲緊固，開(kāi)合水冷門(mén)操作極為不便，如何快速的打開(kāi)和合上水冷柵格同熱管的接觸，也是需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1：傳統(tǒng)水冷機(jī)房結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：水冷門(mén)機(jī)柜結(jié)構(gòu)分解示意圖

圖3：水冷機(jī)柜內(nèi)冷水柵格示意圖

圖4：銅質(zhì)冷水柵格示意圖

下面介紹1種冷水柵格同熱管快速接觸和脫離的簡(jiǎn)易方案。

圖6 直插式接觸導(dǎo)熱示意圖，每層冷水柵格，根據(jù)熱管的位置和數(shù)量焊接對(duì)應(yīng)的管狀接觸套筒，內(nèi)置導(dǎo)熱硅膠，熱管直接插入管狀接觸套筒，順利導(dǎo)熱，并且不影響水冷門(mén)或者冷水柵格的開(kāi)合。

4 方案優(yōu)勢(shì)

在水冷門(mén)的基礎(chǔ)上實(shí)施增加冷水柵格，對(duì)現(xiàn)有機(jī)柜進(jìn)行改造，通過(guò)熱管導(dǎo)熱直接降低發(fā)熱器件溫度的方案，具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)現(xiàn)有水冷門(mén)機(jī)柜改造不大，不影響現(xiàn)有機(jī)柜的運(yùn)行；

（2）不必對(duì)服務(wù)器進(jìn)行水冷改造，設(shè)置復(fù)雜的管道系統(tǒng)，僅需更換原有服務(wù)器內(nèi)部的熱管或者散熱器件，不存在液冷方案漏液帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)；

（3）該冷水柵格通過(guò)熱管將發(fā)熱器件的熱直接導(dǎo)至水冷柵格，散熱效率優(yōu)于純風(fēng)扇散熱的方式；

（4）對(duì)系統(tǒng)風(fēng)扇要求降低，轉(zhuǎn)速和風(fēng)量降低，機(jī)房噪音低；

（5）冷水柵格可直接供常溫水，無(wú)需控制進(jìn)水溫度，室外低溫水設(shè)備簡(jiǎn)化；

（6）數(shù)據(jù)中心整體能源利用效率提高，擴(kuò)展相對(duì)簡(jiǎn)單。

5 未來(lái)展望

本方案對(duì)于對(duì)傳統(tǒng)水冷機(jī)柜的局部改造，能夠降低提高系統(tǒng)散熱效率，降低機(jī)房噪音。如果能在服務(wù)器和機(jī)柜初始設(shè)計(jì)時(shí)就按照此方案的思路進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，效果一定更好。

圖5：熱管示意圖

圖6：直插式接觸導(dǎo)熱示意圖