基于回路热虹吸的浸没相变冷却系统在数据中心热管理中的节能应用研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Immersion phase-change thermal management system coupled with loop thermosyphons for utilization in data centers cooling

本文提出了一种结合浸没相变冷却与回路热虹吸（Loop Thermosyphon）的新型数据中心热管理系统。通过实验优化充液率（65%）、绝热段高度（80 cm）和液位高度（50 cm）等参数，系统在390 W热负荷下实现了低至1.038的电源使用效率（PUE）。该研究为高功率浸没相变冷却系统的参数化设计提供了框架，推动数据中心向超低能耗目标迈进。

　　

Highlight

本研究的亮点在于通过实验系统评估了浸没相变冷却回路热虹吸的性能，揭示了热启动特性、热阻优化机制以及关键参数（如绝热段高度和汽液分离罐设计）对温度波动的抑制效果，为高性能数据中心冷却系统提供了实用设计依据。

Thermal start-up performance of loop thermosiphon

热启动指的是回路热虹吸从等温静止状态过渡到自持两相循环的瞬态过程。在此过程中，可能出现启动延迟和温度振荡等特征现象。热启动特性对系统的可靠性和响应速度具有关键影响。回路热虹吸系统分为三个工作区域：蒸发段、绝热段和冷凝段。实验发现，增加绝热段高度可提升冷凝效率，但会延长启动时间；而优化充液率能有效平衡压差与热阻，实现稳定循环。

Conclusions

本研究提出了一种采用HFE-7100工质的浸没相变冷却回路热虹吸系统，并在120 W至420 W热负荷范围内系统评估了其性能。通过研究绝热段高度、液位高度和充液率对系统的影响，得到以下关键结论：

1. 1.
   系统热启动过程呈现三阶段特征。增加绝热段高度可提高冷凝效率，但会延长启动时间；
2. 2.
   充液率为65%时，系统实现热工水力平衡，热阻最低；
3. 3.
   液位高度为50 cm时可有效抑制温度波动，防止干涸；
4. 4.
   优化汽液分离罐容积使120 W–390 W热负荷下的温度波动降低10%–50%。在风量127 CFM、热负荷390 W条件下，系统PUE低至1.038。