水冷门机柜改造增加直接接触散热冷水栅格方案

2019-09-17王爱梅郑洪涛

电子技术与软件工程 2019年16期

文/王爱梅郑洪涛

随着能耗密度的增加，全球能源短缺，能源使用效率低下成为各大数据中心的痛点，根据统计，用于服务器散热的能源占到传统数据中心能耗的一半，有些甚至更高。如何提升能源利用效率，降低数据中心PUE是业界竞争的一个焦点之一。数据中心服务器散热正从风冷机柜向水冷机柜、全水冷服务器演进。

1 现有水冷门解决方案

现有水冷机房解决方案。如图1所示的传统水冷机房的结构示意图，这里一共有两个液路循环，在室内循环里，低温水流入机柜，将热量带出来，通过冷热分配单元（CDU）和室外的液路循环的进行热交换，交换出来的热进入室外循环，被带到室外机设备散发到外界。

现有水冷门解决方案。如图2所示，传统水冷门在图1所示的传统水冷机房方案基础上，通过两个液路循环将热量经CDU散热到外界。通过水冷门风扇强制机柜通风，室温空气从前面板进入机柜，流经发热部件的散热片，带走热量，对发热器件降温。热空气从机柜后面流经水冷门，进行降温后排入机房室内。

在这个降温散热方案中，机柜内空气通过通过机柜的水冷门散热，机房内的空气还需要同时配置空调进行温度和湿度的控制。整体来看还是通过热传导效率比较低的空气来作为热媒进行散热。

2 现有方案存在的问题

液冷解决方案可以大量节省空调系统耗电，能有效提高能源使用效率。但是通常液冷解决方案涉及到复杂的管路设计，对数据中心的基础建设有较高要求。对已运行的数据中心，实施液冷方案改造或者扩展难度较大、风险较高。

传统水冷门除存在复杂管道设计和室外设备安装和运营的问题，还有以下缺点：

（1）室外机不仅仅是散热的问题，由于要求低温进水，温度一般低于18度，这就需要先对水进行冷却处理，不但带来大量消耗能源，还需要增加低温冷水机组等配套设备，购置成本和运营成本都很高。

（2）IT设备内部仍为空气导热冷却，需要高转速散热风扇，热空气和水冷门体液路进行热交换，冷却效率低。

（3）大量散热风扇的运转，带来极大的噪音。

如何提高数据中心的能源使用效率，同时又方便实施运营的解决方案成为非常重要的需求。

3 新的改造方案

本文探讨在水冷门和机柜之间增加一扇冷水栅格，由金属管构成，水从管道中流过，保证水管一直处低温状态。热管或者蒸发导热腔一端贴紧发热器件，另一端贴紧冷水栅格。热量从发热器件一端，传导至冷水栅格，以达到给发热器件降温的目的。

如图3为水冷机柜内冷水栅格示意图。冷水栅格是由铜管焊接而成的栅栏状热交换器，具有良好的导热性能，具有进水端和出水端。进水端接入18℃冷却水，流入冷水栅格，冷却冷水栅格后从出口经常温水管流出。服务器中发热部件同热管之间进行直接接触，将热量传递给热管，热管通过压紧部件同冷水栅格充分接触，将热量传递至冷水栅格。以此实现发热部件到冷水栅格的热量单向传递，以实现降温的目的。

图4是铜质冷水栅格，一端为进冷水，一段出常温水，根据机柜服务器层级数量，设置横向回水栅格数量，每层根据发热器件数量设置对应的热交换接触台，用于同热管结合，便于导热。图5 是热管的一个实施案例，通过增加铝块，增加导热面积，同时在冷水栅格的接触台和铝块接触面涂导热硅胶，以增加热传导效率。

冷水栅格在机柜背面，处于机柜和水冷门之间，需要连接众多服务器的热管，采用图5 的热管示意图，紧固件众多，对于服务器的维护来说，不是很方便。而且水冷栅格如果直接安装在水冷门的背面，同热管通过螺丝紧固，开合水冷门操作极为不便，如何快速的打开和合上水冷栅格同热管的接触，也是需要考虑的一个关键问题。