引言

全球数字化不断深入，数据中心作为算力基础设施的核心，其能耗与热管理问题日益突出。传统风冷及单相液冷技术在高热流密度场景下已难以满足高效散热需求，浸没相变液冷因利用工质潜热换热，展现出显著优势。然而，现有相变浸没系统多存在结构复杂、冷却介质成本高昂等问题，制约其规模化应用。为应对上述挑战，本文设计并搭建了模块化服务器浸没相变液冷换热器实验平台，以氟化液为冷却介质，通过实验探究真空度及液位高度对系统传热性能的影响规律，旨在为数据中心高效、低成本液冷技术的优化设计提供实验依据与理论参考。

1研究背景

随着全球各行各业全面数字化转型的发展，算力成为了继热力、电力之后新一代的生产力。中国算力发展指数白皮书指出：“算力发展指数每提高1点，国内生产总值增长约1293亿元”。因此，数据中心(internet datacenter，IDC)作为算力基础设施的核心组成部分，具有重要的战略意义。截至2022年底，我国数据中心机架总规模已超过650万个标准机架，用电量超过全社会的2.71%。IDC已成为我国高耗能、高碳排、高成本的电力负荷之一。数据中心作为能源密集型行业，其大量的能源消耗对环境和气候变化产生影响，而且传统能源价格的波动和不确定性对数据中心的运营造成了一定的影响。此外，许多国家和地区出台了支持可再生能源发展的政策和法规，并对企业的能源消耗和碳排放提出了限制和要求。因此要求数据中心采取更加高效节能的冷却方式对芯片在高热流密度条件下进行冷却，浸没式液冷就是其中之一。

然而，为了保持设备高效工作，我们面临着有效热管理的挑战。传统基于强制对流的单相冷却方法已经遇到了瓶颈，已不足以满足急剧增长的冷却需求。沸腾依靠快速的气泡诱导流动和液-汽相变过程中伴随的潜热，能够以相对较低的装置表面温度带走大量的热量。沸腾过程可分为池沸腾、内流沸腾、外流沸腾以及它们组合的混合配置。池式沸腾是上述沸腾配置中最简单的方案，并且具有所谓的被动冷却的显著优点，而不需要系统中的泵送动力或移动部件。尽管自20世纪50年代以来已得到广泛研究，但池沸腾的传热机理仍然是讨论的热点话题。经验和半经验相关性已被广泛用于预测沸腾传热性能，然而它们大多仅在特定条件下有效，否则会产生较大误差。本研究旨在对使用两相浸没沸腾的数据中心冷却技术进行实验分析，并研究这些沸腾配置的传热性能。

Huijuan Wang 等对单相浸没式冷却（SPIC）系统进行了全面的性能评估和优化，以应对数据中心服务器冷却方面的挑战。构建不同冷却方式的刀片服务器三维模型并进行数值求解，比较热传输性能、流动特性和能耗性能。进一步研究了不同油冷却剂和工况对系统性能的影响机制。结果表明，SPIC方案在传热能力、传热均匀性和流阻损失方面表现出显著的优势。此外，与强制风冷和水冷板解决方案相比，系统的电源使用效率（PUE）分别降低了20.8%和17.6%。油冷却剂的动态粘度对SPIC性能影响最大；高粘度硅油会增加SPIC系统的流动阻力，削弱冷却剂与部件之间的对流换热能力。通过确保安全运行，提高油冷却剂的入口温度可以减少流动阻力损失并增强传热能力。最初增加质量流量可以提高对流换热能力，但传热改善在超过一定阈值后逐渐减弱，而流动阻力损失显著增加。Qingyi Luo 等人采用绝缘碳化硅油基纳米流体作为新型浸入式冷却工作液来替代传统的矿物油，对浓度范围为0.1–10.3 vol% 的纳米流体热物理性质进行了表征，并通过 Ansys CFD 方法选择最佳浓度。Bryony Watson 对风冷型（热通道封闭风冷）和液冷型（单相液浸冷却）两种冷却系统进行了对比仿真，展示在机架密度从15 kW增加到30 kW时两系统的灵活性。Shuai Shao研究了2.7 kW/U 功率水平和5U 高度浸入式冷却箱的浸入式冷却；模拟 GPU服务器产生的热量传递到辅助回路冷却剂，再通过热交换器与主回路冷却剂交换，并控制主回路冷却器的供应和返回温度及流量。Xi Chen 提出品质因数（FOM）以指导 SPILC 系统 EFL 的选择与开发；构建实验平台测量宽温度范围内的 EFL 热物性，并数值研究不同 EFL 的热物性对系统流动与传热性能的影响机制。Ilham Wahyu Kuncoro 使用田口方法研究了影响矿物油浸没冷却性能的因素，实测 CPU 温度和能耗并评估各因素贡献。Chin-Chi Cheng 提出在主板浸没于工程流体3M Novec7100 中并结合散热器与强制循环的单相浸没冷却系统设计。

Simiao Fan 等综述了浸没沸腾配置（池沸腾、浸没射流冲击与受限射流冲击）的传热性能，检查的特性包括核态沸腾的起始、核态沸腾传热系数与临界热通量（CHF）。对工作流体（传统冷却剂、介电流体和纳米流体）的研究进行了比较。Fei Duan讨论了表面参数（粗糙度、接触角、加热器尺寸、表面取向、表面老化与结构）对沸腾传热的影响。关于浸没/受限射流冲击沸腾中射流参数影响的矛盾结果表明，应进一步研究浸没/受限射流冲击沸腾的传热机制。另一方面，已证实浸没射流通过向受热表面提供足够液体补充来有效延迟 CHF。Leonardo Lachi Manetti 基于不同介电流体在池沸腾中的金属泡沫表面尺寸分析建立相关性模型，考虑了多孔受热面特性（孔隙率、孔径和厚度）、工作流体热物性及其相互作用，并通过开放文献数据库验证。Nitesh D. Nimkar研究了增强型表面散热器的制造技术并记录一维池沸腾传热数据，采用高速摄影量化气泡离开频率、离开直径、活性位点密度并观察相互作用；Mohamed S. El-Genk研究了 PF-5060 电介质液体在不同直径凹坑的铜表面上的自然对流与核沸腾，以期应用于高功率计算机芯片的浸没冷却。

数据中心服务器相变式浸没冷却热管理的核心问题在于浸没介质成本较高且用量大，系统复杂，更新换代较难，需要大型储液罐、氟化液蒸汽冷凝器以及氟化液冷量分配单元等装置。为解决该难题，本文设计并建立了模块化服务器浸没相变液冷换热器实验平台，实现了降低系统复杂度，并能够使 CPU 在安全温度范围内稳定运行的目的，并对结果进行了分析。

2 实验装置与方法

2.1 实验平台装置构成

数据中心浸没式相变冷却系统测试实验平台如图1所示。该系统主要由真空实验箱、可调直流电源、真空泵、压力变送器、热电偶、数据采集仪、陶瓷发热片等组成。相关参数见表1。

因为空气会导致降低沸腾及冷凝传热系数，尤其是冷凝传热，所以必须使用真空泵将试验箱抽真空，然后利用气压将氟化液倒吸入试验箱中。直流电源用于给模拟发热的电子元件设备供电，直流电源可调功率，用于模拟发热元件在不同功率下的运行状态。使用 K 型热电偶采集温度数据，压力变送器采集压力数据，变送器输出4–20 mA 信号，数据汇总到数据采集仪用于记录和保存。箱体内外电气连接通过安装在顶板上的航空插头实现，航空插头用于线路电气连接并可实现密封。

名称	参数	功能
数据采集仪	采样频率	实时记录热电偶温度及箱内压力
直流电源	功率可调	给发热元件供电
K型热电偶	测试范围-200~800℃	测量温度
压力变送器	压力范围-101~101kPa	测量箱体内压力
氟化液	61℃	冷却介质

2.2 实验方法

实验方案为：首先使用真空泵抽出装置内的空气，并使箱体内部保持真空状态。利用大气压将氟化液倒吸入实验箱体内，使模拟 CPU 的陶瓷加热片浸没在氟化液中。氟化液从液体到气体的相变促进了热交换，蒸汽在顶部设置的冷源处冷凝成液体滴回液体池完成循环。实验平台系统图如图1所示。

3 实验数据及分析

3.1 不同真空度下对氟化液沸腾及冷凝的影响

在膜状凝结过程中，若蒸气中含有不凝性气体（如空气），即使其含量极小，也会对凝结换热产生极大影响，显著降低冷凝换热效率，恶化冷凝过程。不凝性气体还会降低箱体内氟化液蒸汽分压力，从而影响沸腾换热。因此，有必要对不同真空度下换热器内的冷凝及沸腾换热进行研究，以模拟换热器内未完全真空或漏气的情况。实验中 CPU 功率为100 W，内存条每条2 W。结果显示，当真空度上升时，浸没于液体中的 CPU 温度略有上升；在绝对真空度大于4 kPa 后，内存条温度急剧上升，且观察到冷凝液滴量减少，表明不凝性气体极大地阻碍了氟化液气体的冷凝换热。

3.2 不同液位高度下的 CPU 温度分析

图3 给出了不同液位高度下 CPU 功率对 CPU 温度的影响。随着 CPU 功率增加，热流密度增大，CPU 表面温度升高，气化核心数量增多，气泡生成、长大与破裂的速率加快，增强了液体的湍动度，提高了沸腾换热系数。液位高度对沸腾换热的影响存在一个最佳液位，约为4 mm。在重力作用下，高液位时气泡运动和液体流动阻力相对较大，从而抑制沸腾传热性能；当液位高度较低时，气泡对液池内液体的扰动作用相差不大，因此温度数值接近；当液位过低时，CPU 表面容易发生蒸干现象，导致 CPU 温度上升。

4结论与展望

本文针对数据中心相变式浸没冷却系统的核心痛点，完成模块化服务器浸没相变液冷换热器实验平台的设计与搭建，通过系统实验探究了真空度和液位高度对氟化液传热性能的影响规律，得出以下主要结论：

• 不凝性气体是影响氟化液冷凝换热性能的关键因素。实验表明，绝对真空度大于4 kPa 时，不凝性气体的累积会显著阻碍冷凝过程，导致内存条温度急剧上升、冷凝液滴量减少，而 CPU 温度仅略有上升，说明不同发热元件对不凝性气体的敏感性存在差异。该结果明确了系统真空度控制的临界阈值，为避免因漏气或真空度不足导致的换热失效提供依据。
• 液位高度对沸腾换热性能存在显著调控作用，存在约4 mm 的最佳液位高度。高液位会增大气泡运动和流体流动阻力，抑制传热；低液位则易引发 CPU 表面蒸干，导致温度骤升；最佳液位下可实现气泡扰动效应与流体稳定性的平衡，保障高效沸腾换热。
• 所搭建的模块化实验平台有效降低了传统相变式浸没冷却系统的复杂度，无需大型储液罐等冗余装置，即可实现 CPU 在安全温度范围内的稳定运行，验证了模块化设计思路在简化系统结构与降低成本方面的可行性与优越性。

未来研究可从以下方向进一步深化与拓展：一是扩大实验变量范围，探究不同氟化液类型、发热功率等级、表面结构对传热性能的影响，完善多参数耦合作用下的传热规律模型；二是引入数值模拟方法，建立实验与仿真相结合的研究体系，精准揭示沸腾与冷凝的微观传热机理；三是基于本研究得出的关键参数，开展模块化冷却系统的优化设计与工程化试应用，进一步验证其在实际数据中心场景中的节能效益与稳定性；四是探索新型高效冷却介质（如纳米改性氟化液）与模块化系统的适配性，进一步提升传热效率、降低介质成本，推动浸没相变液冷技术的规模化应用。

5结语

数据中心冷却技术的高效化、节能化是支撑算力产业绿色发展的关键。本文通过实验研究明确了模块化服务器浸没相变液冷换热器的核心影响参数及优化方向，所提出的模块化设计与关键参数控制策略，为解决传统相变式浸没冷却系统的痛点提供了有效路径。后续通过工程化转化与技术迭代，有望为数据中心热管理系统的升级改造提供重要技术支撑，助力实现算力产业的低碳可持续发展。

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