數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)研究
摘 要
在數(shù)據(jù)中心電能利用效率管控及“雙碳”目標(biāo)的壓力下,液冷技術(shù)逐漸成為數(shù)據(jù)中心綠色、節(jié)能、低碳的一種制冷技術(shù)。冷卻液是液冷技術(shù)中最為重要的一種冷卻介質(zhì),結(jié)合液冷技術(shù)應(yīng)用方式,介紹了冷卻液種類及對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)技術(shù)要求,通過(guò)該研究意在促進(jìn)液冷技術(shù)在信息通信技術(shù)中的應(yīng)用,并提供一些指導(dǎo)建議。
引 言
隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的單柜功耗在逐漸攀升。面對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗壓力及“雙碳”目標(biāo)對(duì)行業(yè)節(jié)能降碳的要求,工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等有關(guān)部門(mén)近年來(lái)發(fā)布了一系列關(guān)于數(shù)據(jù)中心節(jié)能、建設(shè)的規(guī)劃和指導(dǎo)意見(jiàn),其中明確了數(shù)據(jù)中心電能利用效率(PUE)指標(biāo)要求。目前空調(diào)系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的35%,因此降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗對(duì)實(shí)現(xiàn)低PUE具有重要意義。與現(xiàn)有風(fēng)冷式空調(diào)先冷環(huán)境再冷設(shè)備的低效制冷方式相比,液冷技術(shù)是通過(guò)直接與信息通信設(shè)備發(fā)熱器件(CPU、GPU、DIMM等)進(jìn)行換熱,減少路徑冷損耗,是一種更精準(zhǔn)的制冷方式。液冷系統(tǒng)相對(duì)較高的供回液溫度設(shè)計(jì),可充分利用自然冷源進(jìn)行散熱,實(shí)現(xiàn)高效、綠色制冷,逐漸在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。
0 1
數(shù)據(jù)中心熱特性
對(duì)數(shù)據(jù)中心而言,熱流密度在不同空間維度上的差異很大。傳統(tǒng)風(fēng)冷式空調(diào)只能對(duì)機(jī)房整體或局部環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),但機(jī)柜內(nèi)部的服務(wù)器設(shè)備中不同發(fā)熱器件存在較大的發(fā)熱功率梯度,例如,CPU芯片的發(fā)熱功率遠(yuǎn)高于其他發(fā)熱元件,而內(nèi)存、PSU等僅占服務(wù)器整體功耗的20%~30%。因此,傳統(tǒng)風(fēng)冷式空調(diào)會(huì)導(dǎo)致不同發(fā)熱器件出現(xiàn)“過(guò)冷”或“過(guò)熱”的現(xiàn)象,這種無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)熱器件精確制冷的方式只能通過(guò)加大機(jī)房空調(diào)制冷量或降低送風(fēng)溫度等方式來(lái)降低“過(guò)熱”器件的溫度,但這樣會(huì)引起過(guò)多的能源浪費(fèi)。
隨著CPU芯片算力及封裝技術(shù)的不斷發(fā)展,CPU的發(fā)熱功率逐年增長(zhǎng)。當(dāng)前高性能CPU芯片的表面熱流密度為30~50 W/cm2,但芯片自身結(jié)構(gòu)尺寸不斷縮小,芯片表面的熱流密度將持續(xù)增大,預(yù)測(cè)5年后將達(dá)到100~150 W/cm2。高性能封裝CPU芯片的性能預(yù)測(cè)(IEEE/IDRS Roadmap2017)如表1所示。
表1 高性能封裝CPU芯片的性能預(yù)測(cè)
從數(shù)據(jù)中心橫向及空間維度分析(具體見(jiàn)圖1),數(shù)據(jù)中心功率密度大約比機(jī)柜功率密度低1個(gè)數(shù)量級(jí),而機(jī)柜的功率密度又比服務(wù)器CPU芯片功率密度低約1個(gè)數(shù)量級(jí),機(jī)房功率密度與CPU芯片功率密度相差2個(gè)數(shù)量級(jí),因此數(shù)據(jù)中心主要的發(fā)熱源集中在CPU芯片。
圖1 數(shù)據(jù)中心器件熱特性
0 2
液冷技術(shù)及應(yīng)用
2.1 液冷技術(shù)分類
通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心發(fā)熱器件熱特性進(jìn)行分析,并結(jié)合液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì),可以發(fā)現(xiàn)針對(duì)高功率密度散熱場(chǎng)景,液冷技術(shù)更加適用和高效。相關(guān)研究表明,當(dāng)CPU芯片的熱設(shè)計(jì)功耗(Thermal Design Power,TDP)不大于50 W時(shí),宜采用自然散熱方式,當(dāng)TDP在50~100 W時(shí),宜采用風(fēng)冷散熱方式;當(dāng)TDP在100~200 W時(shí),宜采用精密風(fēng)冷空調(diào),而當(dāng)TDP超過(guò)200 W時(shí),建議采用液冷散熱方式。液冷技術(shù)按照冷卻液是否與發(fā)熱器件(含散熱器)接觸分為直接式液冷技術(shù)和間接式液冷技術(shù)。
2.1.1 直接式液冷技術(shù)
直接式液冷技術(shù)是指通過(guò)冷卻液與發(fā)熱器件(含散熱器)接觸式換熱,將發(fā)熱器件的熱量傳遞給冷卻液,最終通過(guò)冷卻液的循環(huán)將熱量釋放到大氣環(huán)境中。根據(jù)冷卻液物性參數(shù)的不同,直接液冷技術(shù)分為單相液冷和相變液冷。單相液冷是指冷卻液在與發(fā)熱器件(含散熱器)換熱過(guò)程中不發(fā)生相態(tài)變化,而相變液冷是指冷卻液在與發(fā)熱器件(含散熱器)換熱過(guò)程中發(fā)生相態(tài)變化。
2.1.2 間接式液冷技術(shù)
間接式液冷技術(shù)是指通過(guò)冷卻液與發(fā)熱器件(含散熱器)非接觸式換熱,主要是以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱量傳遞。由于冷卻液與發(fā)熱器件非接觸式換熱,因此對(duì)冷卻液的要求與直接液冷技術(shù)有所不同。
2.2 液冷技術(shù)優(yōu)勢(shì)
2.2.1 高效能
直接式液冷或間接式液冷技術(shù),其末端或冷卻液更靠近發(fā)熱源,能夠直接把熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)制冷,減少沿程冷損耗。相比于水冷系統(tǒng),液冷系統(tǒng)可以進(jìn)一步提高供回液溫度設(shè)計(jì)值,在部分區(qū)域可實(shí)現(xiàn)無(wú)壓縮機(jī)配置,全年實(shí)現(xiàn)自然冷,液冷數(shù)據(jù)中心全年P(guān)UE可低至1.05。
2.2.2 高可靠
美國(guó)空軍航空電子整體研究項(xiàng)目(US Air Force Avionics Integrity Program)認(rèn)為,溫度、振動(dòng)、濕度和粉塵是導(dǎo)致電子設(shè)備故障的主要因素,其中,溫度引發(fā)的故障率占55%,灰塵引發(fā)的故障率占6%,濕度引發(fā)的故障率占19%,振動(dòng)引發(fā)的故障率占20%。液冷尤其是直接式液冷技術(shù),將發(fā)熱設(shè)備完全浸沒(méi)在不導(dǎo)電冷卻液中,使發(fā)熱設(shè)備完全脫離空氣,避免了風(fēng)機(jī)震動(dòng)及空氣灰塵的影響,從而使系統(tǒng)具有更高的可靠性。
2.2.3 超靜音
目前,在應(yīng)用液冷技術(shù)時(shí),需要對(duì)服務(wù)器進(jìn)行改造和適配。對(duì)于直接式液冷服務(wù)器,需要拆除風(fēng)扇組件,使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),無(wú)氣流及風(fēng)扇震動(dòng)噪聲;而間接式液冷則通過(guò)冷板解決了主要發(fā)熱器件的散熱問(wèn)題,其他熱量通過(guò)風(fēng)扇組件進(jìn)行氣流循環(huán)換熱。在這種方式下,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速更低,從而極大地降低了氣流及震動(dòng)噪聲。
2.2.4 節(jié)約空間
液冷系統(tǒng)適用于AI等高算力場(chǎng)景,采用液冷技術(shù)在同等的空間內(nèi)可部署更高的算力,從而減少物理設(shè)備數(shù)量。液冷系統(tǒng)可采用無(wú)壓縮機(jī)配置,全年利用自然冷源進(jìn)行散熱,無(wú)需專用動(dòng)力機(jī)房配置,從而降低整體空調(diào)系統(tǒng)的占地面積。
2.3 液冷技術(shù)應(yīng)用
2.3.1 冷板式液冷
冷板式液冷屬于間接式液冷,在應(yīng)用時(shí)需對(duì)服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的改造,其主要解決了高功率密度發(fā)熱器件的散熱問(wèn)題,對(duì)服務(wù)器內(nèi)存、PSU等低功率密度器件仍舊采用風(fēng)冷散熱。對(duì)于冷板式液冷數(shù)據(jù)中心而言,根據(jù)功率密度的不同采用液冷技術(shù)和風(fēng)冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“分區(qū)”溫控,使數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)更加高效、節(jié)能。冷板式液冷按照熱傳遞過(guò)程的不同分為溫水式冷板液冷和熱管式冷板液冷2種。目前常用的冷板式液冷服務(wù)器有1U單節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、2U 4節(jié)點(diǎn)服務(wù)器等。
溫水式冷板液冷(見(jiàn)圖2和圖3)存在多個(gè)發(fā)熱器件連路的單節(jié)點(diǎn)服務(wù)器,發(fā)熱器件連通管路可采用硬接和軟接2種方式,硬接方式可采用紫銅或無(wú)氧銅進(jìn)行焊接,但對(duì)安裝尺寸及結(jié)構(gòu)要求高,安裝時(shí)難度較大。軟管方式可采用波紋管、橡膠管(如FEP/PTFE/EPDM等材質(zhì))等進(jìn)行連通,對(duì)安裝尺寸及結(jié)構(gòu)要求低,但PCB板需具備軟管固定所需空間。
圖2 溫水式冷板液冷服務(wù)器(硬接)
圖3 溫水式冷板液冷服務(wù)器(軟接)
根據(jù)服務(wù)器算力性能要求及耐溫性,溫水式冷板液冷的供回液設(shè)計(jì)溫度可采用40 ℃/45 ℃,或更大散熱溫差,供回液設(shè)計(jì)溫度采用40 ℃/50 ℃,因此相比于水冷機(jī)房空調(diào),液冷較高的供回液溫度,在大部分區(qū)域可實(shí)現(xiàn)全年自然冷,進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心能耗,實(shí)現(xiàn)低PUE運(yùn)行。
熱管式冷板液冷(見(jiàn)圖4、圖5和圖6)主要通過(guò)熱管實(shí)現(xiàn)發(fā)熱器件與水環(huán)路之間的熱傳導(dǎo),熱管的吸熱端通過(guò)固定裝置與發(fā)熱器件貼鄰敷設(shè),熱管的放熱端通過(guò)水冷基板把熱量釋放至水環(huán)路中,熱管內(nèi)部液體介質(zhì)一般為相變介質(zhì),可實(shí)現(xiàn)周期性的相變循環(huán)。相比于溫水式冷板液冷,水環(huán)路不進(jìn)服務(wù)器,從而避免了因水滲漏所帶來(lái)的PCB板短路風(fēng)險(xiǎn)。冷板(見(jiàn)圖7和圖8)與發(fā)熱器件之間通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。冷板一般是由基板(底座)、上蓋或固定架等組成,基板(底座)一般采用ADC10(壓鑄鋁合金)制成,基板(底座)與上蓋或固定架之間形成密閉的流道腔體,腔體內(nèi)設(shè)有翅片用于強(qiáng)化換熱。
圖4 熱管式冷板液冷服務(wù)器
圖5 熱管
圖6 熱管傳熱原理
圖7 上蓋或固定架示例
圖8 基板(底座)及流道示例
根據(jù)腔體內(nèi)強(qiáng)化換熱方式的不同,冷板可分為埋管式、銑槽道式、擾流片式、微通道式。冷板與發(fā)熱器件之間通常填充導(dǎo)熱硅脂或金屬墊片以加強(qiáng)導(dǎo)熱。相對(duì)于直接式液冷技術(shù)(如浸沒(méi)式液冷、噴淋式液冷等),冷板式液冷技術(shù)對(duì)服務(wù)器改造的工程量較少且更易實(shí)施。
2.3.2 浸沒(méi)式液冷
浸沒(méi)式液冷屬于直接式液冷,服務(wù)器所有低功率密度發(fā)熱器件和高功率密度發(fā)熱器件完全浸沒(méi)在冷卻液中。對(duì)于單相浸沒(méi)式液冷(見(jiàn)圖9),冷卻液環(huán)路實(shí)現(xiàn)液冷機(jī)柜與冷量分配單元之間的連通,而相變浸沒(méi)式液冷通過(guò)在液冷柜內(nèi)設(shè)置冷凝器,管內(nèi)為冷卻水,氣化的冷卻液遇冷液化滴落至液冷柜實(shí)現(xiàn)循環(huán)。相變浸沒(méi)式液冷原理如圖10所示,Tank液冷柜如圖11所示。
圖9 單相浸沒(méi)式液冷
圖10 相變浸沒(méi)式液冷
圖11 Tank浸沒(méi)艙
由于服務(wù)器完全浸沒(méi)在冷卻液中,包括服務(wù)器本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特殊的器件如光模塊、機(jī)械硬盤(pán)等均需要特殊處理,圖12所示為浸沒(méi)液冷PCB板對(duì)光模塊進(jìn)行封裝處理,圖13所示為浸沒(méi)液冷柜對(duì)線纜進(jìn)行密封處理。不同于風(fēng)冷式機(jī)架服務(wù)器,在對(duì)服務(wù)器設(shè)備進(jìn)行維護(hù)操作時(shí),浸沒(méi)式液冷柜宜采用專用吊臂車對(duì)服務(wù)器進(jìn)行取出或存放(見(jiàn)圖14)。
圖12 光模塊封裝
圖13 密封線纜
圖14 服務(wù)器吊臂車維護(hù)操作示例
2.3.3 噴淋式液冷
噴淋式液冷(見(jiàn)圖15、圖16)屬于直接式液冷,由于其自上而下采用噴淋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),目前被廣泛應(yīng)用于機(jī)架式服務(wù)器。噴淋液體能夠完全覆蓋服務(wù)器發(fā)熱器件,同時(shí)根據(jù)不同發(fā)熱器件的功率密度,可以對(duì)噴淋板上的液孔進(jìn)行精準(zhǔn)化開(kāi)孔設(shè)計(jì),以滿足不同功率發(fā)熱器件的散熱需求。相比于浸沒(méi)式液冷,噴淋式液冷的每臺(tái)服務(wù)器獨(dú)立化液冷設(shè)計(jì),不需要改變現(xiàn)有的機(jī)架式服務(wù)器部署形態(tài)。噴淋式液冷所需的冷卻液總量較少,降低了對(duì)建筑承重的要求,目前噴淋式液冷采用較多的冷卻液是硅油、礦物油或植物油等,相比于浸沒(méi)式液冷用電子氟化液成本較低。
圖15 噴淋式液冷原理
圖16 噴淋式液冷服務(wù)器
2.3.4 霧化噴射式液冷
霧化噴射式液冷是目前學(xué)術(shù)研究的重要方向,相比于現(xiàn)有的液冷技術(shù),霧化噴射液冷是更為高效的CPU散熱技術(shù),但目前仍處于研究階段,尚未有成品應(yīng)用,其原理是通過(guò)霧化噴管借助高壓氣體(氣助噴射)或依賴液體本身的壓力(壓力噴射)使液體霧化,將其強(qiáng)制噴射到發(fā)熱物體表面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的有效冷卻。這種冷卻方式換熱強(qiáng)烈,具有很高的臨界熱流密度值(CHF),且冷卻均勻,適用于一些對(duì)溫度要求很嚴(yán)格的領(lǐng)域(如在微電子、激光技術(shù)、國(guó)防、航天技術(shù)等),并顯出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和重要性。研究表明,當(dāng)液流噴射速度達(dá)到47 m/s時(shí),其散熱能力高達(dá)1 700 W/cm2,霧化噴射式液冷原理如圖17所示。
圖17 霧化噴射式液冷原理
0 3
冷卻介質(zhì)
3.1 冷卻用水
溫水冷板式液冷用冷卻用水一般采用去離子水、甲醇、乙二醇、丙三醇、氨等,其主要物性參數(shù)如表2所示。
表2 冷板式液冷冷卻用水部分物性參數(shù)
從表2可以看出,去離子水是比較理想的冷卻液材料,但若能在去離子水中添加少許乙二醇、丙三醇等黏度較大的液體,可改善其性能,提高其比熱容、導(dǎo)熱系數(shù),降低揮發(fā)性,從而改善冷卻效果,使水冷散熱器的散熱效果更加顯著,提高其開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。
3.2 單相冷卻液
目前,3M和Shell等企業(yè)都在生產(chǎn)單相冷卻液。其中,3M的冷卻液為氟化液,而Shell的冷卻液是由天然氣制成的合成油,屬于碳?xì)浠衔?。部分電子氟化液(單相)主要物性參?shù)如表3所示。
表3 電子氟化液(單相)部分物性參數(shù)
單相冷卻液通常沸點(diǎn)較高,以確保冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中始終保持液態(tài)。氟碳化合物和碳?xì)浠衔铮ㄈ绲V物油、硅油、植物油等)均可用于單相冷卻液。
3.3 相變冷卻液
目前相變冷卻液較多采用了3M公司的電子氟化液,電子氟化液部分型號(hào)的物性參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 電子氟化液(相變)部分物性參數(shù)
相變冷卻液充分利用了冷卻液的蒸發(fā)潛熱,可以滿足高功率密度發(fā)熱器件對(duì)散熱的極端要求,使信息通信設(shè)備可以保持滿功率運(yùn)行。但相變的存在也使得相變液冷系統(tǒng)必須保持密閉,以防止蒸汽外溢流失,同時(shí)必須考慮相變過(guò)程導(dǎo)致的氣壓變化,以及系統(tǒng)維護(hù)時(shí)維護(hù)人員吸入氣體的健康風(fēng)險(xiǎn)。
0 4
液冷技術(shù)應(yīng)用建議
直接式液冷技術(shù)冷卻液與服務(wù)器內(nèi)部發(fā)熱器件直接接觸,因此服務(wù)器內(nèi)部器件及所使用的材質(zhì)需要進(jìn)行改造和適配,以滿足冷卻液與材質(zhì)的兼容性。目前,直接式液冷技術(shù)所使用的服務(wù)器都是通過(guò)常規(guī)服務(wù)器進(jìn)行改造而成的,如對(duì)PSU、SUB、VGA等線路接口進(jìn)行改造等。對(duì)于機(jī)械硬盤(pán)及光模塊等性能受冷卻液影響的器件,需要進(jìn)行獨(dú)立的封裝設(shè)計(jì)或更換。
與直接式液冷技術(shù)不同,間接式液冷技術(shù)僅解決了CPU、GPU等高功率密度發(fā)熱器件的散熱問(wèn)題,而對(duì)服務(wù)器內(nèi)存、PSU等低功率密度發(fā)熱器件仍舊采用風(fēng)冷散熱。因此對(duì)于間接式液冷數(shù)據(jù)中心,需要同時(shí)配置風(fēng)冷精密空調(diào)和液冷空調(diào)系統(tǒng),以滿足數(shù)據(jù)中心“分區(qū)”溫控需求,通常建議液冷占比達(dá)60%以上。
液冷占比是指液冷系統(tǒng)中直接通過(guò)液體帶走的熱量(功耗)與設(shè)備總功耗的比值。液冷占比體現(xiàn)液冷系統(tǒng)直接利用液體冷卻帶走熱量的效率,液冷占比越高,冷卻效率越高,推薦采用高液冷占比的系統(tǒng),以提升能源利用效率。
液冷占比計(jì)算公式:
LPE=PL/P0
(1)
式中,LPE為液冷性能效率,簡(jiǎn)稱液冷占比;PL為直接液冷功耗(是直接由液冷帶走的冷卻功耗);P0為系統(tǒng)總功耗,包含直接液冷功耗和風(fēng)冷功耗2部分。
0 5
結(jié)束語(yǔ)
目前液冷技術(shù)應(yīng)用主要集中在超算中心、AI等高算力場(chǎng)景,在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域尚處于推廣應(yīng)用階段,但隨著能耗管控壓力及PUE限令的執(zhí)行,液冷將逐漸成為一種綠色、低碳、高效的數(shù)據(jù)中心制冷解決方案。
目前液冷技術(shù)應(yīng)用較多的方式是采用“風(fēng)液配比”策略,既在風(fēng)冷式數(shù)據(jù)中心采用部分液冷技術(shù),既可以降低數(shù)據(jù)中心整體PUE以滿足建設(shè)或運(yùn)行要求,又可以控制建設(shè)投資。
由于液冷技術(shù)高效的散熱方式,液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)供液溫度普遍在40 ℃以上,供回液溫差為3~10 ℃,相比于水冷系統(tǒng)(供水溫度12 ℃或18 ℃)提高了供液溫度,減少了中間環(huán)節(jié)的溫差換熱損失,提高了系統(tǒng)自然冷源的時(shí)間利用。
與傳統(tǒng)的風(fēng)冷空調(diào)不同,應(yīng)用液冷技術(shù)時(shí),必須充分考慮液冷系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、操作和維護(hù)的方便性以及防止泄漏的措施。此外,在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用液冷技術(shù)時(shí),應(yīng)充分考慮設(shè)備的散熱功率和成本投資等因素,或者結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的制冷空調(diào)方式,選擇適合的液冷應(yīng)用(如冷板式、浸沒(méi)式、噴淋式等)及“風(fēng)液配比”,以提高或滿足數(shù)據(jù)中心最大化的節(jié)能效益。
參
考
文
獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
柯媛華,畢業(yè)于湖南大學(xué),高級(jí)工程師,主要從事通信和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的建設(shè)和維護(hù)工作;
成軍,畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué),碩士,主要從事通信與數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的建設(shè)工作;
楊瑛潔,教授級(jí)高級(jí)工程師,碩士,主要從事通信和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定等工作;
閆健,國(guó)家注冊(cè)暖通工程師,美國(guó)PMP認(rèn)證,碩士,主要從事通信機(jī)房空調(diào)制冷、電源相關(guān)技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)制定工作。
來(lái)源:郵電設(shè)計(jì)技術(shù)
