面向高功率数据中心应用的集成热管的两相浸没式冷却系统实验研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Experimental investigation of a heat-pipe-integrated two-phase immersion cooling system for high-power data-center applications

　　

• 基于热管的浸没式冷却系统可防止SF33介电液与冷却水直接混合。• 分隔腔室和模块化热管阵列提高了系统的可维护性和可访问性。• 较高的冷却液温度和流速增强了SF33的相变过程并降低了热阻。• 在高达1.2 kW的热负荷下，系统表现出稳定的热管理性能。

引言

近年来，人工智能（AI）、云计算和高性能计算的快速发展推动功率密度大幅攀升，亟需创新的冷却技术以有效耗散热量。AI数据中心图形处理器（GPU）性能的提升使单颗芯片的功耗及其对应的热负荷从数百瓦上升至千瓦级别。最新发布的NVIDIA GB200平台的热设计功率（TDP）最高可达约1.2 kW，具体取决于配置和冷却条件。此外，据预测，下一代Rubin系列GPU的TDP将达到约2.3 kW [1], [2]。相应地，如图1所示，未来几年机柜级功率密度预计将增至每机柜约300 kW [2], [3]。随着AI数据中心发热量的持续增长，传统风冷技术正逼近其物理极限，如图1所示。为克服这些限制，自GB200平台推出以来，基于微通道冷板的液冷技术[4]已被采用，可提供较高的冷却性能。然而，这些技术在下一代超高热流密度GPU环境（包括采用Rubin Ultra GPU的场景）中也可能接近其热管理极限。因此，在每芯片超过1 kW的超高热流密度条件下，数据中心热管理应用需要同时实现高热性能和结构安全的先进冷却技术[2], [3]。

浸没式冷却技术[5]是将数据中心服务器直接浸入充满介电液的密封腔室中，从而通过流体与表面的直接交互实现高效换热。当采用相变技术时，即使在高热流密度条件下也能维持稳定的温度控制，这凸显了浸没式冷却作为数据中心下一代热管理解决方案的潜力。此前关于浸没式冷却系统的研究广泛探讨了单相[6], [7], [8], [9], [10]和两相[11], [12], [13], [14], [15], [16]配置下的传热机制。

关于单相浸没式冷却的文献主要集中于提升局部传热性能、优化流动条件、设计系统配置、评估能效以及阐明底层传热机制。Huang等人[6]提出了一种射流冲击冷却方案，将冷却液直接输送至服务器机柜内的热点区域，热性能显著改善，峰值中央处理器（CPU）温度降低了高达20°C。Cheng等人[7]研究了配备翅片散热器和强制循环的单相浸没式冷却系统的热性能，结果表明将冷却液流速从0.4 m/s提高到1.2 m/s可使最大CPU温度降低约14°C。Shrigondekar等人[8]对基于1U服务器的单相浸没式冷却系统进行了系统研究，考察了进出口配置、旁通间隙、风扇辅助流动、翅片间距、流量、入口温度和热负荷等关键设计与运行参数对热性能的影响。结果表明，在适当的流强化条件下，系统总热阻可降低约5.1%~21.1%。Liu等人[9]分析了机柜级单相浸没式冷却系统的传热和能效性能，报告了1428~1857 W/(m2·°C)的总传热系数。此外，电能使用效率（PUE）从1.16降至1.09，在热负荷超过20 kW时仍保持在1.1以下。Khoshvaght-Aliabadi等人[10]将倾斜翅片散热器配置应用于多CPU系统，并在500 W TDP条件下评估了其热性能。结果表明，最大CPU温度降低了约7°C，温度均匀性改善了约20%，同时泵功率消耗增加保持在3%以下。Luo等人[11]研究了板间距和液位高度对传热性能和边界层行为的影响。结果表明，在60 W热负荷下，结温降低至40.7°C，相比无散热器条件降低了约10.4%。此外，减小板间距可使结温进一步降低约6.5°C，最优液位高度确定为175 mm。Sun等人[12]实验研究了面向高密度数据中心的面柜级单相浸没式冷却系统，证明增加冷却液流量可降低冷却液温度，将性能系数（COP）提升至7.21，并保持1.08~1.09的较低PUE值。此外，他们建立了系统的动态仿真模型，表明智能运行控制可在保持可靠冷却性能的同时进一步提升整体能效。Sun和Liu[13]数值研究了实际运行条件下单相浸没式冷却系统的热特性，报告称优化冷却液流量分布可显著改善热性能和运行稳定性。

与此同时，关于两相浸没式冷却系统传热性能的研究主要聚焦于增强沸腾传热、实施均热结构、提高高热流密度芯片的冷却性能以及优化系统和面柜级设计。Wu等人[14]通过数值仿真与实验相结合，对数据中心服务器的两相浸没式冷却系统的沸腾传热性能和运行稳定性进行了全面评估。结果表明，在芯片功率为600 W时，芯片表面温度可稳定维持在约68.3°C。此外，即使服务器总功率增至1500 W，对应压升仍低至0.96 kPa，证实了系统优异的热稳定性和可靠运行能力。Li等人[15]提出了一种集成均热板的多尺度散热器并评估了其热性能。在600 W热负荷下，芯片最高温度维持在65°C以下，同时热阻降至0.026°C/W以下。此外，芯片表面最大温差从14.3°C降至3.8°C，表明热性能和温度均匀性同时得到了提升。Zhou等人[16]提出了一种结合基于均热板的均热器的两相浸没式冷却方案并评估了其热性能。该系统可耗散高达900 W的热负荷而不发生干涸现象。值得注意的是，即使在最不利的取向（β = ?90°）下，总热阻仍低至0.05°C/W，展现了强大的热性能和取向无关的运行特性。Kanbur等人[17]评估了系统在3.43至9.17 kW动态热负荷范围内的热力学行为和能效。在最大负荷下，系统实现了6.67的性能系数（COP）和1.15的PUE。Sun等人[18]对配备外部冷凝器的两相浸没式冷却面柜进行了数值仿真以评估其热性能。结果表明，使用Novec 7000时，平均芯片温度降低了高达17.3°C。此外，实施水平挡板可使温度均匀性提高高达55.6%。

此前的研究一致报告称，两相冷却系统的传热性能和能效显著优于单相系统[14], [15], [16], [17], [18]。一般而言，两相浸没式冷却系统的COP比单相系统提高约72%~79%[5]。尽管两相浸没式冷却系统具有更优的传热性能和能效，但其固有地需要与单相系统不同的结构配置。如图2所示，必须在腔室内集成内部冷却热交换器以维持介电液的持续沸腾和冷凝循环。虽然这种设计实现了有效的两相传热，但相关配置存在固有的结构脆弱性。具体而言，内部热交换器的故障或泄漏会导致冷却液进入腔室，从而降低介电液的热稳定性和化学稳定性，损害服务器可靠性，并造成重大经济损失。特别是，用于热交换的复杂腔内管路网络对系统的拆卸、组装和维护提出了重大限制，从而降低了整体可服务性[5]。因此，两相浸没式冷却系统的结构设计必须优先考虑高热性能以及结构完整性和可维护性。

传统的两相浸没式冷却系统通常采用罐内冷凝器或外部冷凝器来去除介电液产生的潜热。虽然罐内冷凝器提供了相对紧凑的系统配置，但冷凝器直接暴露于介电液中，使得维护、部件更换和结构改造变得困难。相比之下，外部冷凝器系统[18]在浸没腔室外排散热量；然而，通常需要额外的蒸气输送管线、冷凝液回流管路、循环泵、储液罐和辅助控制部件。因此，这些系统结构更为复杂，需要更大的安装空间，增加了维护要求和潜在泄漏点，且外部蒸气输送回路中的压力损失可能影响两相冷却系统的热力学运行特性。同时，基于热虹吸的浸没式冷却系统因其被动传热能力而备受关注。然而，在大多数此前的研究中，热虹吸管被作为常规传热装置使用，而非作为分离介电液与冷却液的模块化热界面。类似地，虽然热管（HP）已被广泛用作电子散热应用中的辅助热管理器件以增强热扩散和热传输，但将其作为浸没式冷却系统中介电液与冷却液之间主要热界面的应用仍然非常有限。与常规的热管辅助电子散热不同——在后者的应用中，热管主要作为附加在电子元件上的辅助均热器件——热管阵列很少被用作在浸没式冷却系统中同时传热并完全隔离介电液与冷却液的主要热界面。因此，利用模块化热管或热虹吸管阵列作为主要热界面的数据中心两相浸没式冷却系统的实验研究在文献中仍然非常有限。为克服这些局限，本研究提出了一种根本不同的基于热管的浸没式冷却（HPIC）架构。所提出的HPIC采用模块化热管阵列，同时充当被动传热器件和介电液与冷却液之间的物理分隔屏障。因此，该架构在完全隔离介电液与冷却回路的同时，无需外部蒸气输送管线、冷凝液回流系统、循环泵和辅助储液罐，且不影响两相传热性能。此外，模块化配置显著提高了结构完整性、可访问性、可维护性和系统可扩展性，这些都是下一代AI数据中心冷却系统的关键设计要求。因此，本研究的创新之处在于并非单纯使用热管本身，而是开发并实验验证了一种模块化间接两相浸没式冷却架构，该架构同时实现了高热性能、增强结构安全性和改善可维护性。该简化架构实现了高效的两相传热，同时与传统的罐内和外部冷凝器配置相比大幅降低了系统复杂性。

为验证所提出的HPIC架构，设计、制造了原型系统，并在各种热负荷、冷却液入口温度和冷却液流速下进行了实验评估。系统评估了这些运行参数对热阻、传热系数、腔室压力和整体冷却性能的影响。

## 实验装置与步骤

图3展示了所提出的基于热管的两相浸没式冷却系统的整体配置。如图3(a)所示，系统由浸没腔室和冷却液区域组成，多个热管排列在两个区域之间。热管的下部段在浸没腔室内作为蒸发器工作，吸收介电液中的热能；上部段在冷却液区域中作为冷凝器工作，将吸收的热量释放给冷却液。

## 结果与讨论

通过考察施加的热输入与冷却液移走的热能之间的能量平衡，评估了基于热管的两相浸没式冷却系统的实验装置可靠性。

冷却剂的热移除速率由公式（4）计算得出：Qcool=ρV?cpcool(Tcool.o?Tcool.i)，其中Tcool.i和Tcool.o分别为冷却剂的入口和出口温度，V?为冷却剂的体积流量。密度（ρ）和比热容（cp）Conclusions：在本研究中，通过对下一代数据中心热管理中基于热泵（HP）的两相浸没式冷却系统进行实验研究，对其结构特性和热性能进行了评估。所提出的系统利用热泵有效地将介电流体与冷却剂分离，从而消除了传统浸没式冷却系统中固有的流体混合问题，同时提高了结构完整性。此外，模块化热泵配置和分离腔室设计CRediT作者贡献声明：Bin Chai：软件、数据管理。Eui Guk Jung：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、监督、方法论、调查研究、资金获取、形式化分析、概念化。利益冲突声明：作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢：本研究由韩国工业技术规划与评估院（KEIT）2024年船舶与海洋工业技术发展项目支持（项目编号：RS-2024-00429709；子项目编号：G01004297091），韩国国家研究基金会基本研究项目（编号：RS-2026-25596512），以及通过江原ANCHOR中心实施的ANCHOR项目支持，由大韩民国教育部和江原道资助（资助编号：Bin Chai|Eui Guk Jung）