水冷门机柜改造增加直接接触散热冷水栅格方案
随着能耗密度的增加和全球能源短缺问题的突出，数据中心面临着能源使用效率低下的挑战。据统计，用于服务器散热的能源占据传统数据中心能耗的一半，有些甚至更高。因此，提升能源利用效率、降低数据中心的能源使用效率（PUE）成为业界竞争的焦点之一。为了应对这一挑战，数据中心的服务器散热正从传统的风冷机柜逐渐演进为水冷机柜和全水冷服务器
现有的水冷机房解决方案主要包括传统水冷机房和水冷门。传统水冷机房结构有两个液路循环。在室内循环中，低温水进入机柜，带走热量，通过冷热分配单元（CDU）和室外液路循环进行热交换，将热量释放到外界。水冷门解决方案在传统水冷机房方案的基础上，通过两个液路循环将热量经CDU散热到外界。同时，水冷门风扇强制机柜通风，将室温空气从前面板进入机柜，经过散热片带走热量并降温，然后通过水冷门进行降温后排出机房。然而，这种降温散热方案仍然需要配置空调来控制机房的温度和湿度。总体而言，这种方案仍然依赖空气作为热媒来进行散热，而空气的热传导效率相对较低。
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
液冷解决方案可以显著减少空调系统的能耗，有效提高能源使用效率。然而，通常液冷方案需要复杂的管路设计，并对数据中心的基础设施有较高的要求。对于已经运行的数据中心来说，实施液冷方案的改造或扩展往往面临较大的困难和风险。传统的水冷方案存在以下缺点：首先，室外机不仅需要解决散热问题，还需要对水进行冷却处理，这不仅消耗大量能源，还需要增加低温冷水机组等配套设备，导致购置和运营成本较高。其次，IT设备内部仍然采用空气导热冷却方式，在进行热交换时需要高速运转的散热风扇，导致散热效率较低。最后，大量散热风扇的运转会产生较大的噪音。因此，寻找既能提高数据中心能源使用效率又方便实施和运营的解决方案成为非常重要的需求。
文献中提出了在水冷机柜和机柜之间增加冷水栅格的方案。冷水栅格由金属管构成，通过管道中的水流来保持低温状态。热管或蒸发导热腔一端与发热器件贴紧，另一端与冷水栅格贴紧。热量从发热器件传导到冷水栅格，以实现降温的目标。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，有进水口和出水口。冷却水以18℃的温度流入冷水栅格，在经过栅格冷却后从出口流出。服务器的发热部件与热管直接接触，将热量传递给热管，热管通过良好的接触与冷水栅格充分接触，将热量传递给冷水栅格。这样可以实现发热部件到冷水栅格的热量单向传递，实现降温。图中显示了铜质冷水栅格的示意图，其中一端是进冷水口，另一端是出常温水口。根据机柜服务器的数量，可以设置多个横向回水栅格，每层设置相应数量的热交换接触台，以便与热管接触，促进导热。图中还展示了一个热管的实施案例，通过增加铝块来增加导热面积，并在冷水栅格的接触台和铝块接触面上涂抹导热硅胶，以提高热传导效率。冷水栅格位于机柜背面，在机柜和水冷机柜之间，需要连接多个服务器的热管。这种方案需要使用许多紧固件，对于服务器的维护来说不太方便。此外，如果将水冷栅格直接安装在水冷机柜背面，通过螺丝固定与热管接触，这会使打开和关闭水冷栅格与热管的接触变得非常不便。因此，快速打开和关闭水冷栅格与热管的接触也是一个需要考虑的关键问题。
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
图5 热管示意图
下面是一种简易方案，用于快速接触和脱离冷水栅格与热管。根据如图所示的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，并内置导热硅胶。热管可以直接插入这些管状接触套筒，顺利传导热量，并且不会影响到水冷门或冷水栅格的开合。这种方案能够快速实现冷水栅格与热管的接触，并在需要时轻松脱离。
图6 直插式接触导热示意图
在现有水冷门机柜的基础上增加冷水栅格，并通过热管导热直接降低发热器件温度的方案具有多个优点。首先，这种改造对现有机柜的影响很小，不会干扰机柜的正常运行。其次，相较于复杂的水冷改造，只需更换热管或散热器件，无需设置复杂的管道系统，也避免了潜在的漏液风险。第三，通过热管将发热器件的热直接导至冷水栅格，比纯风扇散热方式更高效。此外，由于散热效率的提高，系统风扇的转速和风量要求可以降低，减少了机房的噪音。冷水栅格供应常温水，无需控制进水温度，简化了室外低温水设备的设置。最后，这种方案不仅提高了数据中心的能源利用效率，还相对简单地实现了扩展。
本文标题：水冷门机柜改造增加直接接触散热冷水栅格方案
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