間接液冷的案例
一種用于數據中心的間接液冷系統的設計與性能研究
服務器的冷卻技術一般分為風冷、液冷、熱傳導和智能冷卻技術。液冷技術以其散熱性能高、能效好、可靠性高的特點，成為未來邊緣計算服務器熱管理的最佳選擇。服務器的液冷技術主要分為兩類:直接液冷和間接液冷。浸沒式液冷技術是直接液冷的主要形式。浸沒式液冷需要改變服務器架構以適應浸入式系統，成本昂貴，與直接液冷相比，間接液冷技術不需要對服務器架構進行太多調整。
間接液冷技術具有實現服務器完全液冷的潛力和良好的節能效果，但所涉及的配套設備較為復雜。此外，室外循環液冷管道大多受環境影響，存在冷卻劑污染問題。基礎設施建設和維護規范的不成熟導致更多的研究和開發側重于小型或單機柜原型測試。此外，大多數液冷服務器都存在冷卻劑泄漏的風險，這也是用戶對液冷服務器接受度低的重要原因。目前微通道強制對流換熱與熱管相變高效換熱相結合是未來大功率電子芯片散熱領域的突出研究趨勢，可有效解決液體泄漏風險。
02
成果掠影
近期，華南理工大學的潘敏強教授團隊針對邊緣數據中心服務器受冷卻技術的制約的問題，提出了邊緣數據中心服務器集成間接液冷系統的概念。本文提出了一種集成微通道的間接液冷系統。采用傳統風冷與液冷相結合的冷卻方式。處理器的熱量由循環冷卻液帶走，服務器內其他加熱裝置采用傳統風冷散熱。首先，通過實驗和數值模擬對影響系統性能的因素進行了研究。然后，對系統的傳熱性能、流動特性和穩定性進行了分析。最后，采用數值模擬方法對風冷和液冷服務器的溫度控制能力進行了比較和分析。
結果表明，當芯片表面溫度和熱阻降低時，增大流量可以改善芯片的散熱性能。但流量的進一步增加減緩了這一趨勢。系統的散熱性能也隨著冷卻液溫度的升高而降低。
展開 一種用于服務器芯片散熱的液冷板實驗研究
然而，用于液冷的冷卻介質比熱容是空氣的1000-3500倍，導熱系數是空氣的15-25倍，可以達到更高的熱流密度散熱。應用于服務器的液冷技術可分為單相間接液冷、兩相間接液冷、熱管冷卻和浸沒式液冷。
浸沒式液體冷卻由于與冷卻介質直接接觸，具有極低的熱阻。浸沒式液冷需要額外的密封手段和一套完整的專用服務器或機柜，這給數據中心維護和改造帶來了巨大挑戰。間接液冷技術適應性強，可用于新舊數據中心的改造。液冷板是間接液冷的關鍵部件之一。液冷板的材料、結構和制造工藝對散熱性能有很大影響。
目前微通道成形技術包括微銑削、微線切割、激光微加工、光刻等。液冷板的焊接方法有回流焊、擴散焊、摩擦焊等。微通道采用電火花線切割加工。雖然微通道液冷板具有優良的散熱性能，但微通道液冷板的制造工藝存在一定的弊端。
為了保證良好的密封條件，液冷板需要焊接成一個整體。大多數焊接工藝存在成本高、生產效率低的問題。即使采用效率更高的回流焊，微通道也容易被焊料堵塞。微通道液冷板制造工藝的缺陷阻礙了其在數據中心的大規模部署。
02
成果掠影
為了解決服務器冷卻技術中結構復雜、制造成本高、制造周期長等問題，華南理工大學潘敏強教授團隊提出了一種新型的加工工藝的液冷板。輥粘工藝起源于制冷行業的蒸發器制造工藝。此工藝可批量生產，并可靈活調整產品結構。采用輥粘接工藝可大大降低生產成本和液冷板泄漏風險。近年來，對輥粘液冷板的研究主要集中在PV/T太陽能集熱系統和動力電池熱管理方面。目前，將其應用于服務器散熱的研究較少。為此，針對一種低成本、可批量生產的服務器芯片熱管理方案，提出一種輥粘液冷卻板(RBLCP)，并通過實驗研究其傳熱性能和流動特性。該團隊建立了RBLCP的性能測試平臺。
展開 中國石化長城潤滑油，以先進液冷為中國算力產業發展護航
為推動數據中心實現高質高效的液冷化發展,中國石化潤滑油有限公司自2018年起開展數據中心液冷產品的研制,已完成間接式液冷二代產品的迭代延壽升級。
據中國石化潤滑油有限公司總經理、中國石化集團公司營銷領域首席專家張春輝介紹:有別于傳統冷卻系統,間接式液冷數據中心熱管理系統采用微通道金屬冷板,為保證在10年的使用壽命內換熱效率穩定和避免出現腐蝕滲漏造成數據中心宕機等重大事故,長效數據中心液冷產品具有持久的抗沉積、抗菌抑菌和有色金屬緩蝕性能,以及良好的非金屬相容性,能夠為液冷數據中心的長效安全性提供堅實的保障。
為更好地助力新能源智能汽車行業算力建設的高水平發展,潤滑油公司基于數據中心液冷產品技術積淀,開展了新能源智能汽車車載數據中心冷板式和單相浸沒液冷工質的開發,與國內頭部企業智能汽車團隊開展了深度合作,可以為“車載數據中心”提供強大的液冷配套。
張春輝指出:新能源汽車動力電池、鋰電池儲能、充電樁和數據中心超級計算屬于國務院國資委“9+6”重點領域,在高安全性、高效率、節能綠色低碳等新質生產力因素牽引下,新能源領域重大技術裝備正處于“從風冷向全面液冷”的轉型升級進程,這是一次最新的技術變革。中國石化潤滑油公司在動力電池、鋰電池儲能、充電樁和數據中心等戰新領域新型液冷介質技術積累深厚,目前已形成全面覆蓋冷板式液冷、單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷三大液冷體系的熱能油液集群產品,是潤滑油公司打造戰略高地、開拓新領域的重要方向。
展開 車規級功率半導體模塊散熱基板行業基本情況及發展趨勢
2）散熱方式與結構
從實踐看，目前常見的功率模塊熱管理方式主要有空冷散熱和液冷散熱。空冷散熱一般分為自然對流散熱和強迫對流散熱，自然對流的散熱路徑主要是芯片將熱量傳遞給散熱器上的翅片，熱量通過翅片自然對流散發，其優點是結構簡單可靠，但由于自然對流冷卻的熱交換系數較低，因此無法滿足大功率模塊的散熱需求。強迫對流是在自然對流的結構基礎上增加散熱風扇，通過加速翅片表面的空氣流動性提高散熱效率。雖然強迫對流散熱在一定條件下可以滿足部分大功率模塊的散熱要求，但因風扇的存在，需要增加額外的通風結構設計，其體積一般較大，且同時會有噪聲，因此空冷散熱并沒有在車規級功率模塊中得到廣泛使用。
目前，車規級功率模塊采取的主流散熱方式為液冷散熱，其體積較小且性能穩定可靠。而液冷散熱又分為間接液冷與直接液冷，兩者結構區別如下：
相比間接液冷散熱，直接液冷散熱不需要導熱硅脂，也無需使用液冷板，模塊整體熱阻值可降低 30%左右，因而已成為車規級功率模塊的主流散熱方式，包括英飛凌、博世、安森美、日立、中車時代、斯達半導等在內的知名廠商生產的車規級功率模塊均主要采用直接液冷散熱，搭配針式散熱基板。針式散熱基板與平底散熱基板對比如下所示：
（2）產品發展歷程
英飛凌作為全球車規級功率半導體領域的龍頭企業，其對配套的散熱基板要求較高，產品除需在熱導率、熱膨脹系數、硬度等性能指標方面表現優異，還需要兼具性價比和經濟性。英飛凌采用的針式散熱基板產品演化歷程，較為全面地反映了該產品的技術發展路徑。
展開 
從零開始學散熱 書籍目錄-前言-后記
···································································································129
1 液冷設計概述····························································································129
1.1 直接液冷··························································································129
1.2 間接液冷··························································································130
2 液冷散熱的特點 ·························································································130
3 液冷系統的分類與組成················································································131
3.1 封閉式單循環系統··············································································131
3.2 封閉式雙循環系統··············································································132
3.3
展開 iTherM Talks 第7期-數據中心液冷技術發展與挑戰
理論聯系實際，通過案例分析，幫助學員明確理解數據中心液冷技術的特征和發展趨勢，切實提高一線從業人員的技術開發水平。
[15:00-16:00] 升力降碳-液冷技術助力數據中心高質量發展
[演講嘉賓] 潘敏強，華南理工大學機械制造工程系教授/博士生導師，主要從事芯片熱管理與液冷高效節能技術，近年致力于國家新基建重點產業的數據中心/儲能系統液冷技術產業化研究。廣東液冷時代科技有限公司創始人；廣東省優粵卡B類人才，廣東省特支計劃青年拔尖人才，廣東省高等學校千百工程培養對象，廣州市珠江科技新星。主要從事芯片熱控技術、數據中心液冷技術的研究工作，主持30余項國家級、省部級、市級以及其它項目，發表論文100余篇，多篇論文發表在傳熱與能源領域的國際權威期刊上。曾獲得2009年度廣東省科學技術獎一等獎。2020年入選佛山南海區“藍海人才計劃“創新創業團隊以及佛山高新區高技術產業化創業團隊，主持的創業項目“數據中心熱管間接液冷高效節能技術”獲得2020年第九屆中國創新創業大賽節能環保行業初創組廣州賽區第一名，初創組廣東賽區第一名，國賽優秀企業獎；獲得2021年第十屆中國創新創業大賽節能環保行業佛山賽區初創組第一名。
[報告摘要] 液冷技術被認為是當前甚至未來解決服務器高算力計算需求和降低數據中心能耗最可行的技術方案。本次課程從以下四個方面，1.芯片算力需求和熱流密度發展趨勢；2.數據中心建設政策解讀及現有節能技術總結；3.當前數據中心液冷技術分類、原理、系統構成、特點以及經濟性分析等；4.團隊自有數據中心液冷技術優勢及應用案例進行分享。
展開 電子產品熱管理現狀和未來技術方向思考
其中，熱管理問題是這三個方向共同面臨的難題：清潔能源中，風力發電機、光伏逆變器需要溫度控制，電動車中的熱管理系統甚至是決定汽車安全性的核心技術；5G基站、終端產品的熱問題更是直接影響使用體驗，近乎成為每個商家在宣傳產品時重點強調的技術點；人工智能需要巨大的算力支持，元器件發熱量急劇加大，間接液冷甚至浸沒冷卻已經在數據中心廣泛使用。
援引英特爾在2010年半導體熱管理會議上的數據（下圖1），單芯片功耗在16nm工藝制程時已經達到了700W，熱流密度甚至已經超過2.0W/mm^2。這意味著為了達成溫度目標（通常在100℃左右），外部的散熱手段要在數十度的溫升前提下在硬 幣大小的面積上每秒鐘轉移數百焦耳的熱量。
圖1 不同工藝制程下Intel NOC芯片的功耗值[1]
圖2 不同工藝制程下Intel NOC芯片的功耗密度值[1]
手機、平板電腦等可觸摸類消費電子產品的綜合熱流密度雖然不高，但其溫度設計空間小（通常在20℃左右），散熱手段受到空間、噪聲、電磁信號等影響和限制，熱設計難度也非常大。受制于此，電子產品的熱設計正迅速從數年前的毫不關注到現出全方位設計的方向演進。
可觸摸類消費終端散熱現狀概述
熱設計是一門應用型學科，熱設計方案在產品中體現為熱管理相關物料的選型、組合和擺放形式。當熱設計工程師掌握了基本的溫度控制思路，產品溫度表現實際取決于材料或散熱部件的熱物理性能。隨著產品的智能化和使用場景的復雜化，熱設計方案還包含軟件控制算法，使設備性能和產品散熱能力之間建立匹配關系，確保溫度和性能的平衡，但這不在本文的討論范圍內。
展開 基于Icepak的船舶儲能電池散熱特性仿真分析
[17] 胡興軍，惠政，郭鵬，等.鋰離子電池組間接接觸液冷散熱結構研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2019,46(2):44-50.
文章來源：計算機仿真
為儲能行業提供新的解決方案
就目前的儲能冷卻技術而言，液冷技術因為其導熱率高、散熱更均勻、能耗較低、占地面積少等優勢，正成為儲能市場的主流。據了解，液冷技術是利用冷卻液高效散熱方式，通過循環帶走電池系統熱量，實現儲能系統的最佳工作溫度條件。近年來，伴隨大規模儲能以及新能源產業時代的到來，對儲能系統和電池技術提出了更高的要求，液冷儲能也面臨一些挑戰。
首先，液冷管路復雜，接口多，如何保障整體全生命周期下管路的運行可靠性是重點；其次，防凍液的壽命偏短，需要定期維護，一般3-5年后需要涉及一定的運維或更換；最后，液冷pack的整體重量是幾百公斤等級，對pack級的維護需要專用設備及工具，也對運維提出了較高的要求。因此，在新能源大規模應用的背景下，儲能技術與產業面臨新的考驗。動力電池的高速發展對電池安全與熱管理提出更高要求，直接催生出對低電導率冷卻液等產品的迫切需求。
率先布局，為能源管理提供更多可能性
為緊抓機遇，統一石化在判斷市場前景的基礎上，從2021年開始戰略性布局儲能動力電池領域領域。“我們看準了儲能產業快速發展的戰略機遇期，以務實的行動邁出了關鍵一步。”高雷表示，經過持續努力，公司已在低電導率冷卻液等多個細分領域實現突破，相關產品性能達到行業領先水平。
統一的儲能冷卻液產品主要適用于電化學儲能方式，電化學儲能系統的冷卻方式分別是冷板式液冷、浸沒式液冷。具體來說，統一的間接式液冷具有低電導率、長效性、耐腐蝕等優勢，從2μs/cm-500μs/cm，全覆蓋全應用；浸沒式冷卻液不僅具有極低電導率，還同時具有低粘度、高傳熱系數、高絕緣性能、高閃點、使用安全和壽命長的特點，除了上述冷卻解決方案外，在儲能產業鏈中統一還具備成熟的導熱油系列產品熱管理解決方案，廣泛應用于新能源動力電池及儲能電池生產。
展開 技術 \\ 數據中心液冷化改造適用技術探析
一是液冷技術的高效制冷效果（液體帶走熱量是同體積空氣的3000倍，液體導熱能力是空氣的25倍）有效提升了服務器的使用效率、降低故障率，同時使得數據中心在單位物理空間可以部署更多的服務器，提高數據中心運算效率。
二是液冷技術的應用，替代了傳統數據中心的風扇、精密空調等風冷基礎設施，相應增加了循環泵及冷卻液系統，與傳統的空調系統相比噪聲更小。
三是液冷技術應用不受海拔、氣壓等地域影響，可以保持較高的散熱效率，保證數據中心在高海拔地區的運行效率和性能，余熱還可以滿足附近居民的供暖、溫水供應等需求，為數據中心創造更多的附加價值。
因此，液冷替代風冷是高密度數據中心演進不可或缺的散熱技術方向。
02
數據中心液冷技術
按照冷卻液與發熱器件的接觸方式，行業將液冷技術分為“間接接觸型”和“直接接觸型”兩大類。
間接接觸型液冷技術
冷板式液冷是最典型的間接接觸型液冷技術。冷板式液冷系統中，服務器芯片等發熱器件不直接接觸冷卻液，而是通過裝配在需要冷卻的電子元器件上的冷板（通常是銅、鋁等高導熱金屬構成的封閉腔體）將熱量間接傳導給封閉在循環管路中的冷卻液體，通過冷卻液體將熱量帶走的一種散熱方式。
冷板式液冷數據中心散熱系統架構由室外（一次側）和室內（二次側）兩部分組成，室外冷卻塔中的冷卻液通過室內冷卻液體流量分配單元（CDU）提供冷卻液循環動力，經冷卻液體流量分配單元（CDU）二次側輸出并與服務器中CPU、GPU、內存等發熱量大的電子元器件導熱冷板直接進行熱交換，形成的熱液經冷卻液體流量分配單元（CDU）輸出到室外冷卻塔進行冷卻后再循環。而服務器中的硬盤、電源等其他發熱量相對小一些的器件或單元還是得需要通過傳統風冷方式散熱。
展開 動力電池浸沒式冷卻液的熱管理與流變動力學研究
傳統的空氣冷卻與間接式液冷存在接觸熱阻大、溫度一致性差等物理局限。浸沒式液冷技術通過將電芯完全浸沒在絕緣冷卻液中，徹底消除了固-固接觸熱阻，實現了熱量的快速傳導與吸收，是解決局部熱點問題的最佳方案。為了進一步突破碳氫基礎液體的導熱極限，引入高導熱的金屬氧化物納米顆粒制備成納米流體（Nanofluids），成為了熱管理介質的前沿攻關方向。
▲ 圖1 冷板液冷（a）與浸沒液冷（b）溫度均勻性對比
本研究以浸沒式冷卻液（以純碳氫基礎液為基底，分別添加納米氧化銅與納米氧化鋁顆粒）為對象，從流變動力學與導熱性能的雙重維度開展系統性表征與機理剖析，旨在為動力電池熱管理系統的介質選型、流道設計提供可靠的數據支撐與科學驗證方法。
原料選擇
在評估新型熱管理介質時，基礎流體的理化特性及其與納米顆粒的適配性是決定宏觀性能的核心。研究團隊選用的基礎液為高性能碳氫冷卻液，專為動力電池及數據中心浸沒式液冷設計。為確保測試基準的嚴謹性，團隊對其核心物理參數進行了詳盡測量。
展開 
鋰離子電池組液冷測試系統的數值-實驗方法設計
當前，對BTMS的研究根據冷卻方式主要分為風冷、液冷、相變材料（PCM）冷卻等三大類。風冷具有結構簡單、易于封裝、維護成本低、能耗低等特點。雖然提供相對較低的熱交換能力，但該冷卻系統在 LIB 系統中得到了很好的采用，對在較高電流速率下進行快速充電和放電操作的要求不高。液冷式一般傳熱系數較高，溫度分布均勻，根據電池表面是否與傳熱流體直接接觸，液冷方式一般分為直接接觸式和間接接觸式液冷。與間接接觸冷卻相比，直接接觸液體冷卻使用介電流體有效地去除電池熱量，具有很大的緊湊性和高冷卻速率，但在商業應用中可能不實用。另一方面，間接接觸冷卻更容易實施，并且使用較低粘度的流體以減少泵功率需求，并且已被廣泛采用和研究，具有液體冷板（LCP），波浪管和熱管。PCM 冷卻本身是一種被動熱管理類型，具有運行成本較低和溫度均勻性較高的優點。PCM 冷卻使用大量潛熱，這些潛熱可以存儲在材料中以維持電池溫度，并能夠降低 LIB 電池組的最高溫度和溫差。然而，純PCM由于導熱系數較低，容易產生過多的熱量積累，從而大大增加了熱系統的重量。將泡沫金屬和翅片應用于 PCM 被動冷卻中，以增強 PCM 的傳熱，證明 PCM、泡沫金屬和翅片的組合可以有效提高 LIB 的熱性能并將溫度保持在較低水平。在 PCM 壁上耦合了石墨烯增強的高導熱金屬隔板，該系統可以有效地將 4C 充電期間的最高溫度限制在 55°C 以下。與風冷和 PCM 相比，液冷方法通常被設定為基準并廣泛應用于汽車行業，鋰離子電池 (LIB) 組的液體冷卻系統 (LCS) 對于延長電池壽命和提高電動汽車 (EV) 可靠性至關重要。
展開 基于Star-CCM+動力電池液冷系統熱管理仿真完整攻略
3）液冷系統
液冷方式主要把冷卻液作為冷卻介質為電池系統降溫。常用的純電動汽車熱管理液冷系統主要包括冷凝器、壓縮機、水泵、熱交換器等部件。首先，冷卻液流經冷凝器、壓縮機后被強制降溫，然后低溫冷卻液經過電池系統內部冷卻流道與電芯發生熱交換以后，再流經熱交換器與低溫制冷劑進行熱交換，從而將電池產生的熱量帶出電池系統，降低電池溫度。液冷比風冷的散熱效率高，能夠滿足大功率充放電的散熱需求，同時液冷散熱更均勻，電芯溫差小，溫度一致性高，能夠大幅提高電池系統穩定性和壽命。但是，液冷系統結構較風冷系統復雜，液冷系統運轉時會消耗電池本身的能量，且相對風冷系統成本也略有增加。
六、認識電池包的液冷系統
液冷系統指的是電池系統內部的液冷系統，一套完整的液冷系統不僅包括電池系統內部的液冷系統，還包括電池系統外部的液冷系統。圖是一套完整液冷系統的工作原理圖：電芯產生的熱量通過電池系統 內部液冷系統被帶出電池系統，然后進入電池系統外部液冷回路中，緊接著這部 分熱量通過換熱器傳遞給整車空調系統，最后通過整車空調系統將這部分熱量傳遞到環境空氣中。
（一）液冷工質
根據液冷工質電導率不同，液冷工質可以分為直接接觸式和間接接觸式，直接接觸式的液冷工質可以與電芯直接接觸并將熱量散入環境中，硅油和篦麻油屬于直接接觸式液冷工質，間接接觸式的液冷工質不能直接與電芯接觸，通常需要利用金屬容器進行盛裝，并利用金屬容器與電芯進行接觸從而將熱量散入環境中，且金屬容 器與電芯之間需要添加絕緣層，水和乙二醇溶液屬于間接接觸式液冷工質。
(二)液冷系統設計流程
整個液冷系統設計的流程可以分為設計目標、系統總體方案設計、傳熱路徑設計、液冷回路設計、液冷板設計、冷卻策略設計、機械結構設計、仿真分析和測試驗證等。
展開 【STAR-CCM+電池冷卻】基于直流道液冷板的動力電池冷卻性能仿真
液冷板是間接接觸式液冷系統的重要部件，一般安裝于電池包底部，通過與電池單體的大面積接觸吸收電池單體產生的熱量，液冷板吸收的熱量再通過液冷板流道內的冷卻液將熱量帶走。因此，合理的液冷板結構對電池組的散熱性能有著至關重要的作用。優化前的模型1為等長直流道液冷板，作者前期研究分析表明，該型冷板存在外側流道冷卻液流量明顯大于內側冷卻液流量，各流道流量分配不均勻的弊端，導致液冷板溫度分布不均勻，如圖5a 所示，進而使得電池組散熱不均勻。優化后的模型2 為V 型非等長直流道，最外側流道最長，最內側流道最短，綜合考慮了冷卻液流動改善效果和液冷板加工工藝的可行性, 選擇相鄰流道相差10 mm 的模型，圖2 為液冷板結構示意圖。
2.2 計算域網格劃分
在計算流體仿真過程中，網格的精度對計算結果和收斂性影響較大，該模型流道區域結構較為復雜。在STAR-CCM+ 軟件中對導入的幾何模型進行表面修復且檢查無表面問題后，采用多面體網格生成器對計算域進行網格劃分，電池模組、殼體區域設置較大的網格尺寸，對流體區域設置較小的網格尺寸并設置一定厚度的邊界層網格，使計算更加準確，計算域網格劃分如圖3 所示。
2.3 模型邊界條件設定及網格無關性驗證
用STAR-CCM+ 軟件對液冷式電池熱管理系統進行仿真計算時，對仿真模型做出如下假設：
1） 電池組產熱仿真過程中，只考慮熱傳遞和熱對流，輻射換熱量極小，忽略熱輻射對電池組散熱的影響；
2） 電池內部物質均勻一致，且工作時恒定不變；
3） 電池充放電時，電池組內部產熱均勻一致。
展開 