水冷門機柜改造增加直接接觸散熱冷水柵格方案

文/王愛梅 鄭洪濤

隨著能耗密度的增加，全球能源短缺，能源使用效率低下成為各大數據中心的痛點，根據統計，用于服務器散熱的能源占到傳統數據中心能耗的一半，有些甚至更高。如何提升能源利用效率，降低數據中心PUE是業界競爭的一個焦點之一。數據中心服務器散熱正從風冷機柜向水冷機柜、全水冷服務器演進。

1 現有水冷門解決方案

現有水冷機房解決方案。如圖1所示的傳統水冷機房的結構示意圖，這里一共有兩個液路循環，在室內循環里，低溫水流入機柜，將熱量帶出來，通過冷熱分配單元（CDU）和室外的液路循環的進行熱交換，交換出來的熱進入室外循環，被帶到室外機設備散發到外界。

現有水冷門解決方案。如圖2所示，傳統水冷門在圖1所示的傳統水冷機房方案基礎上，通過兩個液路循環將熱量經CDU散熱到外界。通過水冷門風扇強制機柜通風，室溫空氣從前面板進入機柜，流經發熱部件的散熱片，帶走熱量，對發熱器件降溫。熱空氣從機柜后面流經水冷門，進行降溫后排入機房室內。

在這個降溫散熱方案中，機柜內空氣通過通過機柜的水冷門散熱，機房內的空氣還需要同時配置空調進行溫度和濕度的控制。整體來看還是通過熱傳導效率比較低的空氣來作為熱媒進行散熱。

2 現有方案存在的問題

液冷解決方案可以大量節省空調系統耗電，能有效提高能源使用效率。但是通常液冷解決方案涉及到復雜的管路設計，對數據中心的基礎建設有較高要求。對已運行的數據中心，實施液冷方案改造或者擴展難度較大、風險較高。

傳統水冷門除存在復雜管道設計和室外設備安裝和運營的問題，還有以下缺點：

（1）室外機不僅僅是散熱的問題，由于要求低溫進水，溫度一般低于18度，這就需要先對水進行冷卻處理，不但帶來大量消耗能源，還需要增加低溫冷水機組等配套設備，購置成本和運營成本都很高。

（2）IT設備內部仍為空氣導熱冷卻，需要高轉速散熱風扇，熱空氣和水冷門體液路進行熱交換，冷卻效率低。

（3）大量散熱風扇的運轉，帶來極大的噪音。

如何提高數據中心的能源使用效率，同時又方便實施運營的解決方案成為非常重要的需求。

3 新的改造方案

本文探討在水冷門和機柜之間增加一扇冷水柵格，由金屬管構成，水從管道中流過，保證水管一直處低溫狀態。熱管或者蒸發導熱腔一端貼緊發熱器件，另一端貼緊冷水柵格。熱量從發熱器件一端，傳導至冷水柵格，以達到給發熱器件降溫的目的。

如圖3為水冷機柜內冷水柵格示意圖。冷水柵格是由銅管焊接而成的柵欄狀熱交換器，具有良好的導熱性能，具有進水端和出水端。進水端接入18℃冷卻水，流入冷水柵格，冷卻冷水柵格后從出口經常溫水管流出。服務器中發熱部件同熱管之間進行直接接觸，將熱量傳遞給熱管，熱管通過壓緊部件同冷水柵格充分接觸，將熱量傳遞至冷水柵格。以此實現發熱部件到冷水柵格的熱量單向傳遞，以實現降溫的目的。

圖4是銅質冷水柵格，一端為進冷水，一段出常溫水，根據機柜服務器層級數量，設置橫向回水柵格數量，每層根據發熱器件數量設置對應的熱交換接觸臺，用于同熱管結合，便于導熱。圖5 是熱管的一個實施案例，通過增加鋁塊，增加導熱面積，同時在冷水柵格的接觸臺和鋁塊接觸面涂導熱硅膠，以增加熱傳導效率。

冷水柵格在機柜背面，處于機柜和水冷門之間，需要連接眾多服務器的熱管，采用圖5 的熱管示意圖，緊固件眾多，對于服務器的維護來說，不是很方便。而且水冷柵格如果直接安裝在水冷門的背面，同熱管通過螺絲緊固，開合水冷門操作極為不便，如何快速的打開和合上水冷柵格同熱管的接觸，也是需要考慮的一個關鍵問題。

圖1：傳統水冷機房結構示意圖

圖2：水冷門機柜結構分解示意圖

圖3：水冷機柜內冷水柵格示意圖

圖4：銅質冷水柵格示意圖

下面介紹1種冷水柵格同熱管快速接觸和脫離的簡易方案。

圖6 直插式接觸導熱示意圖，每層冷水柵格，根據熱管的位置和數量焊接對應的管狀接觸套筒，內置導熱硅膠，熱管直接插入管狀接觸套筒，順利導熱，并且不影響水冷門或者冷水柵格的開合。

4 方案優勢

在水冷門的基礎上實施增加冷水柵格，對現有機柜進行改造，通過熱管導熱直接降低發熱器件溫度的方案，具有下列優點：

（1）對現有水冷門機柜改造不大，不影響現有機柜的運行；

（2）不必對服務器進行水冷改造，設置復雜的管道系統，僅需更換原有服務器內部的熱管或者散熱器件，不存在液冷方案漏液帶來的潛在風險；

（3）該冷水柵格通過熱管將發熱器件的熱直接導至水冷柵格，散熱效率優于純風扇散熱的方式；

（4）對系統風扇要求降低，轉速和風量降低，機房噪音低；

（5）冷水柵格可直接供常溫水，無需控制進水溫度，室外低溫水設備簡化；

（6）數據中心整體能源利用效率提高，擴展相對簡單。

5 未來展望

本方案對于對傳統水冷機柜的局部改造，能夠降低提高系統散熱效率，降低機房噪音。如果能在服務器和機柜初始設計時就按照此方案的思路進行針對性的優化設計，效果一定更好。

圖5：熱管示意圖

圖6：直插式接觸導熱示意圖