基于热管技术的数据中心通信机柜散热

数据中心是全球合作的特定设备网络，用来在互联网络设施上传输、加速、展示、计算、存储各种信息。随着云计算和大数据技术的广泛应用，数据中心逐渐向着集中化、大型化快速发展，数据中心已成为推动社会进步的重要基础设施。

由于互联网的快速发展，对于信息处理和交换的业务需求与日俱增，数据中心已经步入到云计算数据中心时代，云计算行业有望迎来爆发式增长。2018 年全球互联网市场规模达到 1 363 亿美元，增速达到 23.01%，预计到 2022 年市场规模将逼近 2 700 亿美元。同年，我国整体互联网市场规模达 962.8 亿元，增速为 39.2%，市场规模总体呈稳定增长趋势，预计到 2022 年市场规模将达到 1 731 亿元。如图 1 所示，2018 年，全国数据中心总耗电量为 1 608.89亿千瓦时，占全国耗电总量的 2.35%，超过上海市同期总耗电量（1 567 亿千瓦时）。照此趋势预计，到 2023 年，全国数据中心总耗电量将达到 2 667.92 亿千瓦时，未来5 年（2019—2023 年）将增长 66%，年均增长率将达到10.64%。美国资源保护协会预计数据中心机房能耗到 2020年底将达到 1 400 亿千瓦时。由以上数据可看出，数据中心已成为能源消耗最大的装置之一，未来数据中心的电力费用将与购买新设备的费用不分上下。

人们似乎仍未注意到这个能耗陷阱。最新研究报告明确指出：目前，数字产业消耗了全球约 8% 的电力，产生了全球 4% 的二氧化碳排放，远远超过海运和航空运输，而这仅仅是个开始。法国数学家塞德里克·维拉尼在其关于人工智能的最新报告中指出：到 2040 年，数据产业所需的能源甚至可能超过全球能源总产出。这意味着全球进程的快速数字化发展将直接把人类推入能源和气候的僵局。各类流媒体的能耗更是糟糕：观看 10 分钟的高清视频相当于 2 000 瓦的家用烤箱满负荷运转 5 分钟。

缘何走到这一步？答案很简单，发展中国家的互联网用户呈爆炸式增长，互联网使用频率的增加，尤其是互联网新应用的激增。例如，独占全球互联网流量达到 60% 的流媒体视频；使用率越来越高的人工智能；可能彻底改变经济规则的区块链技术。每一项应用都涉及一整套的基础设施，这些设施用肉眼是看不见的，但会消耗大量的能源。所以，降低数据中心能耗有着重要意义。

图 2 为数据中心能耗图。从图 2 可看出，IT 制冷设备占数据中心能耗约 40%，由此可看出，降低 IT 设备能耗迫在眉睫，而 IT 设备主要由机柜服务器组成。目前，中国数据中心的平均 PUE 值在 2.0 左右，而国外数据中心平均 PUE值约 1.7，寻找提高数据中心冷却技术落后是当务之急。

数据中心冷却级别

数据中心冷却散热框架图如图 3 所示。根据不同的冷风输送方式，数据中心的冷却级别分为 4 个层级：房间级、机柜级、服务器级和芯片级。

数据中心的冷却技术分析

目前，数据中心的冷却技术主要包括传统的风冷技术、新型的液冷技术、热电制冷技术和热管冷却技术。近几年，用于机柜级别的热管冷却技术一直备受国内外研究人员的广泛关注。本文对数据中心已有的冷却技术进行分析研究。

• 风冷冷却技术

图 4 为数据中心风冷布局示意图。一般情况下，数据中心空调制冷采用空冷散热方式。风冷系统不但简单可靠、安装方便、故障率低，而且在北方部分城市的冬季还可以利用自然冷源对数据中心进行散热等特点。通过大量阅读关于风冷冷却技术方面的国内外文献，发现很多学者主要是通过改变机房的送风方式、优化架空地板的参数以及采取冷热通道封闭等措施来改善机房气流组织，从而提高冷空气与机柜的换热效率。

风冷技术主要存在散热效率低、散热能力不足且电力消耗大等问题。由于空气传热效率较差，为了确保机柜的散热效果，只能使机房维持较低的室内温度。但在大型数据中心，由于机房结构复杂，很难保证机房内温度分布均匀，因此会在数据中心产生局部热点，有时机柜散发出的热量会回流到机房内造成冷热空气混合的现象。为了解决这些问题，许多学者通过研究分析后发现采用地板下送风以及冷热通道封闭相结合的方法可以较好地实现机房冷却，还可以避免冷热空气混合。

• 液冷冷却技术

液冷冷却技术通常是利用冷却介质对机柜进行冷却，冷却介质采用液体，包括直接水冷系统、水冷背板系统和环路热管系统等。该技术不但可以消除机柜热岛效应，而且其冷却效果是空气冷却效果的 1 000~3 000 倍，可以大大降低制冷能耗，适用于高发热密度机柜的柜体制冷。许多学者通过设计各种形式的冷板，然后将冷板设置在机柜或服务器的不同位置，通过调整工质的相关参数，展开对冷板换热器散热性能的研究。

液冷冷却技术可以同时对多个处理器进行冷却散热，具有良好的散热效果。如图 5 所示，IBM 公司成功地将液冷背板热交换器应用到了实际工程之中，机柜所排放的热量直接与冷却水交换，减少排放至室内的热量，散热效果良好。液冷冷却技术主要存在安全风险高、易污染、安装复杂且成本高等缺。采用水冷柜冷却方式时，要注意防水漏水，一旦漏水会对通信机柜造成重大影响。由于水在封闭状态下容易结 重点词 ，所以水冷机柜对水质的要求也很高。

• 机房空调系统优化

数据中心机房发热量巨大，全年都需要向外排热，其中空调系统的能耗仅次于服务器设备能耗，因此对机房空调系统进行优化尤为重要。热管式空调系统的特点是只要存在很小的温差就可以使热量稳定传递，相比于精密空调系统具有一定的节能作用。在机房空调系统优化研究中，分离式热管空调系统是研究较多且应用于数据中心机房最普遍的形式之一。许多学者主要针对该系统的节能效果进行了研究分析，然后对系统提出进一步的优化改造。

如图 6 所示，分离式热管空调系统冷凝器在室外，蒸发器在室内，冷凝器安装高度要高于蒸发器。当室外温度低于机房温度时，工质吸收蒸发器中的热量后产生受热蒸汽，在压力的作用下通过气体总管传输到室外的冷凝器，释放出潜热凝结成液体，液体在重力作用下，回流到蒸发器，工质沿此循环回路往复进行。室内外温差越大，热管的制冷能力越大。

清华大学江亿等人设计了一种数据中心机房热管冷却系统，该系统由一组重力型分离式强迫对流热管换热器构成，室内外各有一组单独的热交换器和风机设备。在冬季使用时，系统节能效果显著。根据北京某信息机房分离式热管系统的实测数据：该分离式机房空调系统节能可达 40%~50%。

李奇贺等人在实验室内对采用分离式热管空调系统的数据中心机房展开了环境模拟研究。研究发现，当该系统在温差为 5~10℃范围内运行时，空调机组的能效比为3.63~5.82，当热管式空调系统在温差为10~24℃内运行时，空调机组能效比高达 5.82~10.64，优于传统的蒸汽压缩式空调机组。

凌丽采用实验的方法，研究了微通道形式的分离式热管空调系统的数据中心机房的换热特性、节能潜力，实验的研究结果表明，该系统在不同的工况条件下具有相同的最佳充液率范围。

张海南等人提出了一种机械压缩制冷 / 封闭热管一体式机房制冷系统，该系统可以按照室外温度的变化，通过调整压缩机和风机的启动和停止来改变制冷系统的工作模式。通过对系统散热性能的试验研究发现：热管模块的最佳制冷剂填充量为 100%、热管模块的制冷性能系数可达 20.8，通过计算系统能效比，该系统比传统的机房空调节能约 40%。

Weber 等研发了一种应用整体式热管的机房空调冷却系统。系统由整体式热管和散热器两部分组成，然后将若干这样的散热器系统整合到机架上。数据中心分成两个单独的空间：上半部是与机房外相连的增压风道，冷却装置穿过天花板延伸至该空间；下半部是分布着整体式热管的机房内部空间。整体式热管将热量传送给散热装置，接着机房外部环境空气对升压管内的散热装置进行冷却，完成机房的整个散热过程，降低了数据中心内部环境遭到污染的概率，提高了热管的换热效率。

Samba 等对热管换热回路系统展开了实验测试研究，分析了正戊烷以及其他循环工质的充液率对冷却系统的影响。结果表明：当热管换热回路系统所受到的热负荷较小时，换热系统工质的最佳充液率为 9.2%；与采用精密空调冷却系统相比，热管换热回路可以大大降低通信设备的热负荷。

Sun 等研制了一种应用在高热负荷数据中心的冷却系统，该系统可全年运行，且可按照环境温度切换运行模式。室外环境温度越低，系统年均能耗越小。在哈尔滨等北方城市，系统节能率最高可达 46%。

Yue Zheng 等人提出了一种动力型热管复合式空调制冷系统，如图 7 所示，复合式热管自然冷却系统是将分离式热管制冷系统与蒸汽压缩式制冷系统相结合的一种冷却系统，经过对一个 1 匹压缩机系统和一个 3 匹压缩机系统进行综合测试后发现：该复合系统性能良好，能效比最高可达 29.71。

服务器 CPU 冷却技术

现如今数据中心服务器级别的散热技术主要包括微槽道技术、热电制冷技术和环路热管技术等。如图 8 所示，微通道技术主要是利用一个密封良好的水槽装置贴在 CPU 的表面，然后通过水循环系统来带走 CPU 的热量。热管技术是将热管蒸发段贴到 CPU 表面，然后通过工质的蒸发换热将热量带出去。如图 9 所示，热电制冷又称半导体制冷技术，当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体串联形成的电偶中通过直流电时，由于电子和空穴运动直接传递能量，使得热端放热，冷端向环境吸热。通常我们将冷端与电子芯片表面直接贴合吸收热量从而达到降低芯片温度的效果。下面分别对上述三种方式进行研究介绍。

• 微通道技术

何智光等人设计了一套以R134a为制冷剂的冷却系统，该系统两相流循环流动。搭建了测试平台，对系统在不同CPU 负荷和冷却水供应温度下的散热性能进行了测试和比较。测试结果表明，当工质R134a的饱和温度为25~30℃时，CPU 本体温度稳定可控制在 50~60℃。

为了提高微通道换热器的传热效果，叶飞虎采用 fluent建立了三维双层微通道换热器模型，计算获得微通道的最佳设计尺寸。Hasan MI 等人针对不同截面的微通道散热器进行了对比实验研究，研究表明：圆形截面的微通道散热器其流动阻力最小、热交换能力最强。

• 热电制冷技术

王亚雄等人研发了一种新型热电制冷液体冷却装置，并在电子芯片超频运行时利用该热电制冷器进行散热性能研究，研究结果表明：该新型热电制冷液体冷却装置最低热阻仅为 0.107℃ /W，其最大散热能力高达 42.5w/cm2，为服务器 CPU 散热提供了一种新可行的方法。王衍金等人设计了电子芯片冷却实验系统，研究结果表明：在一定的冷却水温度下，增大冷却水流量，可提高热电冷却的效果，同时随着芯片功率的增大效果越明显。为了提高芯片的冷却效果，Zuo 和 Redmond 人等将电子芯片与热电制冷芯片的冷端通过黏合剂直接黏在一起，对芯片直接进行却。冷却效果明显变好，然而由于芯片散热面积有限，散热能力增大有限，且制冷片冷端易出现结露，芯片的安全性受到影响。

• 环路热管技术

Zimbeck W 等设计了一种使用在服务器上的空冷环路热管散热系统。实验表明：在室外环境温度为 50℃的条件下，该系统的散热器的热阻仅为 0.15℃ /W。ChernyshevaM A 等人研制了一种超级计算机散热器，可应用于环路热管系统，通过该系统可预测环路热管系统的工作温度范围。Pastukhov V G 等人针对微型环路热管系统进行了分析研究，该换热系统经服务器内风扇冷却后，系统的总热阻为1.7~4.0℃ /W。Khnmtalev D 等人对电子散热所采用的环

路热管进行了改造创新，论证了其将来应用于多处理服务器的可行性。Palm 等人分析了不同结构形式的热管及热虹吸管的性能极限，其研究结果为电子设备间接冷却热管技术的设计与实现提供了良好的依据。

• 机柜用热管冷却装置

为确定热管在数据机房起到的散热作用，许多国内外学者做了大量研究，通过上述学者的研究可以发现，热管的应用主要包括热管式空调系统和服务器级环路热管冷却装置。近几年，部分学者提出将热管布置到机柜内，从而进一步研究热管在机柜级的散热效果以及节能作用，为热管的高效应用提供了更加广阔的领域。

杨晚生设计了一种机柜抽屉隔板式的热管换热器，利用铝制发热板模拟机柜发热，利用平板热管导出热量，然后利用风扇及散热风道对其散热，如图 10 所示。单根热管和整个散热装置（9根热管）的散热量分别可达0.17kJ/min和6.6kJ/min；能源利用效率值 COP（热管的散热量与风扇输入功率的比值）分别可达 0.16 和 6.45。

陆谦逸为了解决数据中心高热流密度机柜排热难的问题，使用板式脉动热管（管径在 0.5~3mm 之间）作为机柜背板对高热流密度机柜进行冷却。如图 11 所示，实验利用热风直接加热热管蒸发段，脉动热管将热量输送到冷风通道内。研究了热风温度、热源功率分配、充液率和冷凝端翅片对脉动热管启动和稳定性能的影响。发现存在一个热功率的阈值，本实验脉动热管的阈值为 175W，当热源功率高于该阈值时脉动热管才能启动。相同加热温度下，充液率较高时脉动热管的启动时间更短，且热阻也更小。

刘业鹏研制了一种基于立式芯片的脉动热管散热器。在散热器充液率分别为 15%、20%、25%、30%、35%、40% 的条件下，通过对立式脉动热管散热器的散热性能进行对比实验后发现：该散热器的最佳充液率为 25%，最低总热阻为0.1℃/W；散热器的启动时间随充液率的增加而增加，启动温度则随充液率的增加基本保持不变；在相同的实验条件下，该散热器的启动时间比 90°倾斜角单片式平板脉动热管散热器的启动时间要更短，启动温度更低，且该散热器的散热性能也远比单片式平板脉动热管散热器的散热性能要好。

刘磊磊等人对热管散热型单台数据机柜进行了软件模拟分析，结果显示：有热管散热系统的机柜与没有应用热管散热系统的机柜相比，有热管散热系统的机柜的内部空气可以快速达到恒定温度。

王佩顺针对大功率密闭机柜内散热困难的问题，研制了以 R22 为传热工质的微通道铝扁管分离式热管散热器，并搭建了试验装置对其散热性能进行了实验研究。试验结果表明：当加热功率为 2kw，环境温度为 50℃时，密闭机柜内温度≤ 70℃，可以满足机柜散热需求。

综上所述，机柜热管冷却装置通过将机柜内的热量利用风扇先传递到热管蒸发段，热管蒸发段吸收热量后将热量输送到热管冷凝段，然后热管冷凝段的热量通过风扇排到机房内。由于空气与热管之间的热阻较高，传递效率较慢，导致热管无法充分吸收机柜内热量，使得机柜内热量向上集中，造成机柜上部温度较高。而且热管结构复杂，机柜内还增设了风扇，增加了机柜的用电损耗。

结语

传统的风冷冷却对于现如今的大中型数据机房已经无法满足散热需求，虽然可以通过改善机房气流组织等方法提高换热效率，但是机房内容易产生局部热点，而且空调设备耗电量较大。

新型的液冷冷却技术，虽然冷却效率远远高于传统风冷技术，但液冷技术存在安全隐患高、易污染、安装复杂且造价高等缺点。

热管式空调系统可以利用自然冷源来降低室内温度，较大幅度降低室内负荷，节能效果比较明显，但是热管式空调系统冷量损失较大，初期投资较高。

服务器级的冷却技术很多是利用冷却水对 CPU 进行散热，对于安全性要求较高的数据中心来说，一旦工质泄漏将会对通信机柜造成重大影响，增加了安全隐患。而且该技术建设成本较高，后期维护成本也较高。

目前，热管冷却技术在机柜冷却系统中的应用研究还不够深入，尤其是平板热管在机柜级冷却系统中的应用还比较少见。通过阅读相关文献发现关于热管形状及功率对机柜冷却效果影响的研究还比较少。有些学者的实验还在机柜内增加了用于强制对流的风扇，增加了耗电设备，使得机柜内的能耗还没有降到最低。

平板热管不仅质量轻，并且其形状非常有利于对集中热源进行热扩散，成为目前电子元件散热方面的热点研究。然而目前国内关于将平板热管直接应用于通信机柜中的相关研究成果还较少。

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本文标题：基于热管技术的数据中心通信机柜散热

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