关键词：高密机柜  液冷技术  泵驱两相、数据中心

一、引言

     在现代信息技术飞速发展的当下，数据中心作为技术基础设施的重要组成部分，其良好的运行效率和可靠的散热机制对整个IT生态系统至关重要。随着人工智能、大数据、云计算等新技术的不断发展，数据中心所需的算力和存储能力急剧增加。根据国际数据公司（IDC）的预测^[1] ，到2025年，全球数据中心将处理超过80%的企业数据（IDC, 2022）。这种快速增长的背后，传统的冷却方式，尤其是以风冷为基础的系统，已经难以满足日益提高的散热需求，亟需寻找更为高效的冷却方案。

     液冷技术因其良好的热导性和相较于传统风冷方案显著的散热效率，逐渐被行业所重视。泵驱两相液冷技术在众多液冷方案中脱颖而出，其原理是利用冷媒在相变过程中吸收和释放热量，通过高效的泵系统实现稳定的冷却效果。通过重复循环，冷媒的相变过程可以有效降低数据中心设备的温度，提高整体系统的稳定性与能效^[2]。

     本文围绕泵驱两相液冷技术在数据中心的应用进行深入探讨，力求为相关研究人员和实践者提供必要的理论依据与应用参考。

二、背景现状

     全球数据中心发展态势 随着互联网的普及与各类数字化服务的爆炸式增长，全球数据中心的数量和规模不断扩大。《2024年全球数据中心指数报告》显示，数字化转型加速、云计算普及及5G网络部署成为主要驱动力^[3]。国金证券指出，2024年全球数据中心投资额超4000亿美元，美国、欧洲和中国分别占比30%、24%和23%。目前，大型云服务提供商，如亚马逊、谷歌和微软等，正在大力投资建设数据中心，以满足全球用户对云服务的需求。这一趋势无疑加剧了数据中心的散热压力。传统冷却技术显露出其局限性，传统的风冷系统主要依靠风扇驱动空气流动进行散热。这一方法在机柜功率密度达到10KW以上时，散热效果显著下降，极易导致设备过热。同时风冷系统不仅能效不足，还产生高温且不均匀的工作环境，加剧了设备工作负载的不稳定性。此外，风冷带来的高能耗也引发了显著的碳排放，给可持续发展带来了压力。

     随着对散热效率和能源消耗日益关注，液冷技术逐渐崭露头角。相比于传统冷却方案，液冷技术能够通过直接与设备接触的液体来高效散热，尤其在高密度机柜的应用中展现出显著优势。泵驱两相液冷技术因其高效、环境友好，以及较小的空间需求而成为了当前的热门研究方向。

     液冷技术经历了从早期的浸没冷却，到现在的高效泵驱两相流冷却的演变。两种技术各有优缺点：浸没冷却技术是将整个系统浸没在绝缘液体中。这种方法能够有效地散热，但成本较高，且在后期维护和更新设备时存在一定挑战；泵驱两相流技术通过制冷剂在不同状态之间的转换进行散热。其高效的热交换能力使得设备能够在较小的温差下继续运作，广泛适用于需要高效冷却的领域。

     目前，泵驱两相液冷技术正逐步在全球范围内得到推广与应用。在一些大型数据中心，该技术已经实现了商业化应用。例如，某大型运营商在建设新数据中心时，将泵驱两相液冷技术作为其核心冷却方案，成功降低了机柜的频繁故障率，并显著提升了系统的能效比。通过不断优化冷却系统，企业从能源效率和运营成本中获得了可观收益。

三、泵驱两相液冷技术原理与优势

     1、技术工作原理

     泵驱两相液冷系统的工作原理基于相变热传导。液态冷媒在设备热源处吸热而蒸发形成气态，随后气态冷媒被泵送至冷凝器进行冷却，冷却后重新变为液态返回设备。此种循环过程形成稳定的冷却效能。

     目前衍生出两种应用场景及对应系统形式，泵驱两相冷板液冷技术及泵驱两相背板空调。泵驱两相冷板液冷技术是指冷却工质在冷板式蒸发器内吸收热量后沸腾，液相冷却工质发生相变，转化为气液两相或完全的气相状态，流出冷板流向热交换器，冷却工质释放热量恢复为液相状态。与传统冷板系统相比，相变冷板式液冷系统最大的变化是二次侧的冷却介质在冷板内部吸热后会发生相变，利用了汽化潜热进一步提高冷板单位面积散热量。同时还有更进一步的系统可以直接取消中间冷量换热分配单元，可实现进一步节能。

     泵驱两相背板空调系统通常安装在服务器机柜的背面，通过与机柜内部的设备直接接触，将设备产生的热量通过热交换器迅速移走。该技术通过增强机柜与冷却系统之间的热传递，实现快速卸载设备热负荷；背板空调使用制冷剂作为冷却媒介。热空气通过背板的冷却回路被吸入并与冷却媒介进行热交换。经过该过程后，冷却后的空气重新被送回机柜内，形成封闭的冷却循环；系统能够根据实时监测的数据动态改变冷却强度，确保机柜内部各个区域的温度保持在可接受范围内。通过安装温度传感器和风扇转速调节系统，背板空调能够精确控制冷却的效率和能耗。

     2、技术优势

     泵驱两相液冷技术与其它液冷技术及重力热管技术相比，具备显著的优势。两相工质、安全高效，无泄露危害，对室内外设备无特殊高差要求，寿命长，性能稳定，变频调节冷量，可靠性高；可满足1500W芯片的散热；可靠性高，液体泄露将直接蒸发掉，不存在导致IT设备短路风险；系统安装简单，无需考虑系统防冻；扩展性好，室外侧可采用水质也可以采用制冷剂等工质进行散热。系统节能性高，全年PUE＜1.1。

     背板系统因其设计考虑了热源与冷却源的紧密接触，背板空调能够实现高效的散热。研究显示，与传统中央空调系统相比，背板空调可以将热量移除能力提升至30%-50%。通过这一高效的散热方式，可以保障设备在高负载下的安全运行，降低故障率。

     背板空调通常只在需要时运行，动态调整冷却输出，显著降低整体能耗。采用背板空调后，数据中心的整体能耗降低了15%-25%。全年PUE＜1.25。随着对可持续发展和绿色数据中心设计要求的不断增强，这一点显得尤其重要。

     与此同时，背板空调具备灵活性与可扩展性，背板的模块化设计使其适用于各种规模的数据中心。在不同的工作负载和温控需求下，背板空调系统可以轻松扩展或调整，以适应快速变化的技术需求。此外，背板空调对于高密度机柜和高性能计算（HPC）环境尤为适用，提供更为灵活的冷却解决方案。

     背板空调设计有助于保持数据中心环境的温度均匀性，从而降低设备因温度波动而导致的性能退化风险。通过对热分布的有效管理，可以确保设备在最优性能区域内稳定运行，提高了设备的工作效率和使用寿命。

     相较于传统的风冷系统，背板空调可以显著降低噪音水平。由于其工作原理使得设备中的风扇使用频率降低，从而减少了设备运行时产生的噪音，提供了一个更加安静的工作环境，尤其适用于对噪音敏感的行业。

四、 应用案例分析

     1、北方地区

     在我国北京地区某数据中心应用泵驱两相液冷系统，机柜单机柜15KW、背板承担全部机柜热量。一、二次侧均采用制冷剂工质，背板根据各机柜发热量调整制冷量，整体设计满足高密服务器散热需求。

     我们收集北京地区整个夏季工况运行数据，由数据可知，在5-10月期间，机房整体室内温差波动控制在±3℃内，夏季空调能耗低于0.29，此外，液冷系统的应用，还使得运维人员操作频率减少，降低了人力成本。

     在南方的湿热气候条件下，某数据中心率先引入泵驱两相液冷，单台背板制冷量24KW，背板室外系统采用风冷直膨形式与背板侧进行换热，在相对湿度较高的情况下，主机房内设置一台恒湿机，通过实时监测系统，机房运行温度波动控制在±3摄氏度以内，提高了服务器的运行频率与寿命。此外，利用该技术，系统能耗降低了20%以上，空调PPUE低于0.24，助力企业实现更高能效比。

五、未来与展望

     未来数据中心的冷却系统将向着更高效、节能和智能化的方向发展。泵驱两相液冷技术作为液冷的一种重要实现方案，其市场潜力不容小觑。随着科技的进步，预计将会有更多创新型的液冷解决方案出现，结合人工智能、大数据进行温控调节，进一步提高系统的智能化水平。同时，国际社会对碳中和、绿色环保的重视，也将推动液冷技术朝着更加可持续的方向发展。

     在未来，泵驱两相液冷技术可应用于更多场景，例如边缘计算、车载计算等领域，推动整个行业向智能化、高效化发展。加强液冷技术的标准化、模块化设计，将为实现大规模普及奠定基础。

六、结论

     结合当前数据中心散热需求与环保要求，泵驱两相液冷技术无疑是实现高效能和可持续发展的理想方案。未来亟待研发更多性价比高的解决方案，并加强液冷相关技术的标准化与普及，为推动数字经济与环保协调发展贡献力量。通过这一系列的探讨与分析，本文希望能够为研究和应用泵驱两相液冷技术提供信息支持，也希望能够引起更多学术界和工业界对这一领域的关注。