水冷门机柜改造增加直接接触散热冷水栅格方案

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。

图1：传统水冷机房结构示意图

图2：水冷门机柜结构分解示意图

图3：水冷机柜内冷水栅格示意图

图4：铜质冷水栅格示意图

下面介绍1种冷水栅格同热管快速接触和脱离的简易方案。

图6 直插式接触导热示意图，每层冷水栅格，根据热管的位置和数量焊接对应的管状接触套筒，内置导热硅胶，热管直接插入管状接触套筒，顺利导热，并且不影响水冷门或者冷水栅格的开合。

4 方案优势

在水冷门的基础上实施增加冷水栅格，对现有机柜进行改造，通过热管导热直接降低发热器件温度的方案，具有下列优点：

（1）对现有水冷门机柜改造不大，不影响现有机柜的运行；

（2）不必对服务器进行水冷改造，设置复杂的管道系统，仅需更换原有服务器内部的热管或者散热器件，不存在液冷方案漏液带来的潜在风险；

（3）该冷水栅格通过热管将发热器件的热直接导至水冷栅格，散热效率优于纯风扇散热的方式；

（4）对系统风扇要求降低，转速和风量降低，机房噪音低；

（5）冷水栅格可直接供常温水，无需控制进水温度，室外低温水设备简化；

（6）数据中心整体能源利用效率提高，扩展相对简单。

5 未来展望

本方案对于对传统水冷机柜的局部改造，能够降低提高系统散热效率，降低机房噪音。如果能在服务器和机柜初始设计时就按照此方案的思路进行针对性的优化设计，效果一定更好。

图5：热管示意图

图6：直插式接触导热示意图