英伟达团队：风-液CDU的深入研究及性能评估

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1 引言

在当今这个快节奏的世界里，随着企业逐步采用云计算并将人工智能 (AI) 融入日常运营，数据中心已成为日常活动的基石。物联网 (IoT) 和加密货币挖掘的普及推动了数据中心的广泛部署。为了满足不断增长的数据处理和存储需求，服务器的功率密度不断提高，允许在单个服务器上安装更多 CPU 和 GPU。这反过来又迅速增加了数据中心的冷却需求和能耗，因为冷却系统占数据中心 (DC) 总能耗的 30–50% 。风冷系统是传统数据中心的主要冷却形式，它们通常使用两种布局来冷却信息技术设备 (ITE)。在第一种布局中，计算机房空调 (CRAC) 或计算机房空气处理器 (CRAH) 单元放置在高架边缘周围的白色区域中。这些设备通过地板下的静压箱输送空气，空气通过穿孔地砖进入 ITE。第二种布局是非架空地板，使用外围设备或天花板供应冷空气 。

过去几年中，空气冷却已成为主要的冷却技术 。然而，空气的热性能受限，导致对流传热系数较差，这对风冷数据中心处理高密度服务器不断增长的热负荷提出了独特的挑战。此外，建立成功的气流管理系统可能很困难，因为并非所有数据中心都有资源来建立它 。直接或间接液体冷却等先进冷却技术正被单独或与传统空气冷却解决方案结合使用 。这些技术擅长有效地从组件中去除热量，这一优势归因于液体冷却剂比空气作为冷却介质具有更高的热容量 。传统风冷数据中心去除的最高热量通常为每机架 20-30 kW。另一方面，液体冷却可以大大提高这一门槛，每机架最高可去除 100 kW 。

液体冷却解决方案，例如液体到空气 (L2A) 和液体到液体 (L2L) 系统，提供了比传统空气冷却更有效的替代方案。然而，在许多较旧的数据中心实施单相液体冷却面临着重大挑战，包括缺乏架空地板、冷冻水供应有限以及空气分配路径受限。为了解决这些障碍，L2A 冷却剂分配单元 (CDU) 已成为一种实用的解决方案。L2A 冷却提供了一种更通用且更易于实施的方法，特别是在基础设施限制使 L2L 冷却系统不切实际的传统数据中心。与需要大量设施水连接和结构修改的 L2L 系统不同，L2A 系统可以在对现有基础设施进行最小改动的情况下部署。这使得 L2A 冷却成为希望从空气冷却过渡同时提高效率和控制能源成本的数据中心的经济高效的选择。通过提高冷却性能而无需进行重大升级，L2A 系统为寻求在不进行大量资本投资的情况下提高数据中心能源效率的运营商提供了一种有吸引力的解决方案。

CDU 是液冷数据中心的关键元件，在维持服务器和其他重要设备可靠运行所需的适当温度方面发挥着重要作用，可实现更密集、更紧凑的服务器布置。CDU 有多种配置，包括机架内、行内、后门和侧车 。图 1表示 L2A CDU 主要组件的通用示意图。CDU 有一个泵或一组泵，可在整个二次回路冷却系统中循环液体冷却剂。在二次回路中，液体冷却剂被泵入安装在热组件（如服务器 CPU 或 GPU）顶部的冷却回路，在那里吸收热量。然后，热流体从电子设备流向 CDU 热交换器（HX）。 HX 将热量从流体传递到主回路（通常是空气），方法是使用风扇将环境空气吹到加热的冷却剂上，从而将热量释放到周围区域，或者使用主冷却剂（如设施水），具体取决于 HX 的类型，无论是 L2A 还是 L2L 。图 2显示了从纯空气冷却到混合冷却再到完全液体冷却的转变。

图 1. CDU一次部件示意图。

图 2.高功率密度数据中心的冷却技术的转变。

Iyengar 等研究了机架级混合冷却，将低功率设备的空气冷却与高功率设备的液体冷却相结合，尤其是在高冷却剂供应温度下。实验证实了服务器处理更高冷却剂入口温度的能力，水温接近 45 ℃，空气接近 50 ℃。Nada 等 [ 30 ] 研究了服务器液冷系统的热效率和液压效率，在各种运行条件下试验了平行和蛇形配置等替代冷却液路线配置以及不同的几何尺寸。Chen 等 [ 31 ] 建议在 ITE 负载达到最大值的非高峰时段，除了主冷却系统外，还采用混合冷却系统。Shahi 等 [ 32 ] 研究了流量变化对液冷系统服务器级冷却效率的影响。研究表明，在总热负荷的 0 到 50% 之间，提高流体流速的影响较大，而在服务器整个热负荷的 50% 到 100% 之间，其相关性会降低。Manaserh 等人 [ 33 ] 提出了一种创新方法来促

进液体冷却系统的建设，并评估当前冷却水供应有限的架空地板数据中心的可持续性。建议的方法是将 L2A HX 嵌入穿孔地砖中，使该设备提供的冷空气在到达数据中心空间之前吸收液冷 IT 设备流体中的热量。Ling 等人 [ 34 ] 研究了空气和冷却水输入温度对水冷多分体热管系统冷却能力的影响，该系统用于冷却模块化数据中心区域。调查显示，当冷却水温度降低、送风温度升高时，冷却能力明显提高。Shahi 等人 [35] 研究了空气和冷却水输入温度对水冷多分体热管系统冷却能力的影响。 [ 35 ] 描述了使用液对液 CDU 的液冷数据中心的排歧管，他发现所有排歧管端口的流速都相同，差异为 1 lpm。

Heydari 在液压和热方面对使用机架内和行内 CDU 实施直接芯片液体冷却技术进行了几项深入研究。在液压方面，Heydari 等人 [ 36 ] 对各种 CDU 工作条件下机架级流量控制阀的液压瞬变进行了全面研究，包括恒定流量、恒定压差和恒定泵速。结果表明，CDU 级恒定压差是最佳和最有效的，它与流量控制设备具有出色的兼容性，并且在机架内冷却回路模块退役期间导致的流量上升量最小。在另一项研究 [ 37 ] 中，他介绍了调试 CDU 的一般准则，并通过实验研究了三种不同 CDU 在不同条件下运行的液压性能，包括稳态和瞬态条件。在热方面，他使用 L2L 机架内 CDU [ 38 ] 来评估主冷冻水源的温度稳定性对液体冷却系统整体稳定性的影响。结果表明，如果不及时处理，微小的波动可能会导致二次侧的显著波动。另一项实验研究 [ 39 ] 旨在评估机架式 L2A CDU 在有限空调环境下的性能。从噪音产生、温度、湿度和气流速度等方面介绍了此类 CDU 对室内环境的影响。在后来的一项研究 [ 40 ] 中，他通过实验评估了 L2A 行内 CDU 对高热密度机架的性能。该研究考察了各种热负荷和 SAT，而没有对二次回路温度使用控制或设定点。他发现，供应流体温度 (SFT) 受风扇速度和热负荷的影响，对于 50% 的热负荷，风扇速度的百分比会根据各种 SAT 而变化。在最近一项关于直接芯片液体冷却的综合研究中，Heydari 等人 [ 41 ] 展示了液体冷却技术的适应性，利用 L2A CDU 可实现每机架 52 kW 的出色功率。此外，该研究还评估了 CDU 的冷却能力并评估了 HX 的有效性。以前的研究主要集中在一般的液体冷却系统上，而没有对 CDU 的调试和优化进行深入分析。对于将 CDU 集成到数据中心的关键程序，特别是关于不同操作条件下的性能，仍然缺乏彻底的实验评估。解决这些差距对于推进 CDU 在现代数据中心环境中的部署和优化至关重要。

这项开创性的研究进入了数据中心液体冷却的前沿领域，对直接到芯片液冷数据中心中调试 CDU 所需的关键程序和测试进行了深入的实验评估。主要目标是建立一套关于 L2A CDU 的全面知识体系，为数据中心的直接到芯片冷却技术设定新的基准。这项研究具有很高的价值，因为它直接解决了液体冷却系统部署和优化中的一个关键差距，特别是在基础设施限制限制使用 L2L 系统的旧数据中心。通过专注于 L2A HX CDU，这项研究不仅提供了提高冷却能力、HX 效率和能源效率的可行见解，而且还为受现有基础设施限制的设施提供了高度适应性的解决方案。这种适应性使 L2A CDU 成为数据中心寻求从传统空气冷却过渡到更先进、更高效的冷却系统而无需进行大规模基础设施检修的关键技术。此外，对冷却能力 (CC)、HX 效率、部分功率使用效率 (PPUE)、接近温差 (ATD) 和液压性能等关键参数的详细评估确保该研究对满足高密度计算环境日益增长的需求做出重大贡献。随着数据中心不断发展以支持人工智能、物联网和云计算的进步，有效管理不断增加的热负荷的能力变得至关重要。从这项研究中获得的知识将对未来数据中心的设计和运营产生变革性影响，为实现更可持续、更具成本效益和更可靠的冷却解决方案提供途径。这些发现对于提高运营绩效、降低能源消耗以及使数据中心运营商能够做出符合长期可持续性和运营目标的明智战略决策至关重要。

2

实验装置

实验装置有三个机架，每个机架有六个热测试车辆 (TTV)。如图 3所示，此配置设计用于容纳两个行内 CDU 。本研究中表征的 CDU 具有三个泵、六个风扇和一个液-气热交换器，其额定冷却能力为 91 kW，最大流体流速为 98 LPM。CDU 配备离心风扇，位于热通道密封室内的设备后部。这些风扇通过控制气流分布和维持 HX 内的压力，在优化 HX 性能方面发挥着至关重要的作用。通过将离心风扇放置在热通道密封室内，可以有效地将热空气从 CDU 中引出，从而保持最佳热条件。这种设置通过促进更好的空气-液体热交换来提高 HX 的冷却能力，直接影响液体冷却系统的整体性能。 HX 使用由两个 CRAH 装置通过架空地板穿孔砖提供的冷空气，在一次侧使用风扇将空气吹过 HX，并在二次侧使用 PG-25（丙二醇和水冷却剂溶液）去除热量。通过排歧管，CDU 将 PG-25 输送到机架歧管，机架歧管将液体分配到连接到 TTV 的冷却回路。每个机架的排歧管回流侧都放置了控制阀。这些阀门用于调节和保证每个机架的适当流量，以及收集流量数据，如液体温度、乙二醇百分比和液体流速。此设置中使用了三种定制的机架歧管设计 [ 26 ]，X、Y 和 Z，每种都有六对快速断开装置。机架歧管和排歧管之间的连接通过使用 FD83 耦合一体式快速断开装置来实现。FD83 系列采用转动连接机制，可简化和加快耦合安装。这种设计降低了软管扭曲的风险，无需额外的适配器，从而降低了因结构缺陷而导致泄漏的可能性。每个机架歧管顶部都有 Schrader 气穴释放阀，用于去除滞留的空气或气泡。这可以防止产生过大的压差，从而避免损坏 CDU 泵。

图 3 .包括集气室下排歧管的实验装置[ 40 , 41 ]。

图 4（a）是热测试平台 (TTV)、冷却回路和仪表歧管的示意图。TTV 经过精心设计和定制，可复制产热部件的热特性 。TTV 包含 14 个加热器，总功率为 9.2 kW。其中，八个大型加热器（X 型）的表面积为 50 mm × 50 mm，每个加热器的功率可达 1 kW。此外，六个小型加热器（Y 型）的表面积为 25 mm × 25 mm，每个加热器的总功率可达 200 W。每个加热器中都安装了 T 型热电偶，以测量其外壳温度。如图 4（b）所示，部署了三种不同的冷却回路，每个冷却回路内的流体流动在参考文献  中进行了说明。具体而言，同一机架中的所有 TTV 都连接了相同的冷却回路。机架 A 有冷却回路 A，机架 B 配备有冷却回路 B，机架 C 配备有冷却回路 C。值得注意的是，每个冷却回路都有独特的流量分布。

图 4. ( a) 测试中使用的 TTV 的 CAD 截图。(b) 每个机架使用的冷却回路设计。

机架歧管通过装有温度、压力和超声波流量计的仪表入口和出口歧管连接到冷却回路。重要数据（包括压降、冷却回路流量和入口和出口处的冷却剂温度）均使用此类仪器测量，如图 5所示。表 1描述了实验中使用的仪器的型号和规格。

图 5. 3U底盘中的 TTV 加热器组件，配有冷却回路和仪表歧管。

表1.实验仪器的详细信息。

3 实验流程及评估阶段

CDU 到达后，首先要进行目视检查，并制作首件检验 (FAI) 报告，检查内部或外部部件是否有损坏。完成第一阶段后，下一步是清洁和冲洗 CDU 内的所有配件和管道。之后，对 CDU 的二次侧连接进行关键仪表更改，以确保合规并准备好进行系统连接。接下来是启动和冷却液充注阶段，在此期间进行彻底的目视检查，以识别和解决任何可能的泄漏，并在不同位置安装排气阀，以便在启动 CDU 的泵时排出系统中滞留的空气。充注 CDU 后必须完成几个液压调试步骤。这包括将 CDU 环路化、将 CDU 与排歧管组合、将 CDU 与排歧管和机架歧管组合，最后将 CDU 与排歧管、机架歧管和冷却回路集成。让该系统运行几个小时对于促进流体再循环和确保 CDU 过滤器有效捕获系统内的任何污染物至关重要。然后对装置进行全面冲洗并对过滤器进行目视检查。随后用新鲜冷却剂重新填充 CDU 以完成液压调试过程。图 6显示了实际部署 CDU 之前必须执行的程序流程图。

图6. CDU实际部署前的必要阶段。

进行了一系列试验来评估 CDU 的冷却性能和稳定性。在高 SAT 条件下，这些实验包括在最大和低功率水平下的评估。进行了冷却能力试验以确定 CDU 的最大冷却能力，并评估其在固定流速下不同输入功率水平下的性能。进行了另一项试验，以研究改变流体流速对 CDU 冷却性能的影响。此外，测试在 ASHRAE TC 9.9 指示的温度限制范围内进行，即 18°C 至 27°C [ 43,44 ] 。此外，还进行了瞬态热测试以确定 CDU 在系统内热负荷和流体流速快速变化时的稳定性。瞬态测试实施了以下实验程序。

1.检查 CDU 的一次和二次连接电源。

2.将所有 TTV 的冷却回路连接至机架歧管。

3.启动 CDU 并设置满足供应给 TTV 冷却回路的流速的压力。

4.留出足够的时间让系统和流量达到稳定的运行状态。

5.逐渐向系统施加热负荷并等待达到稳定状态。

6.达到稳定状态后，发生以下事件：

• 
  
  • a
    事件一：断开顶部TTV电缆电源，然后断开冷却回路。
  • b.
    事件二：断开第二层TTV电缆电源，然后断开冷却回路。
  • c.
    事件 III：继续断开电缆电源和冷却回路，直到有一个冷却回路连接到机架中的 TTV。
    
    

表 2总结了所进行的测试和相应的边界条件的列表。

表2.所进行的测试以及不同测试对应的边界条件。

4 绩效指标

5 结果
5.1不确定性分析

表 3与测量和计算参数相关的不确定性。

5.2 .液压调试

该测试仅考虑了 CDU 的液压特性，包括泵速、流体流量、风扇速度和压差。TTV 未施加任何热负荷。CDU 以恒压差模式运行。数据是在设备调试阶段收集的，包括设备自身循环时和设备并入整个系统时，整个系统包括行歧管、机架歧管和冷却回路。如图7所示，CDU 性能稳定，没有明显的变化或不稳定。此外，设备在规定点运行良好，与压差设定点相对应。

图 7 .调试期间 CDU 响应参数（a）其自身环路化；（b）其连接至整个系统。

过滤对于保持流体的高质量至关重要，这对于可靠性和性能来说必不可少。它可确保管道系统的固体颗粒水平在所有点都得到持续有效的控制。CDU 有一个 75 μm 过滤器，在调试程序的每个阶段都会对其进行检查。在第一个调试周期之后，需要将设备循环到自身，过滤器会捕获一些污染物，如图8所示。这强调了第一步调试的重要性，它可以促进设备内部的流体再循环，并正确清除制造过程中可能卡在 CDU 管道中的任何碎屑。

图 8.过滤器捕获的碎片和其他污染物。

5.3 .最大制冷能力

通过在特定边界条件下进行实验，研究了 CDU 的最大额定冷却能力。使用两个机架来实现所需的 91.3 kW 热负荷；CRAH 装置的 SAT 为 31°C，向机架供应的总流体流速为 89 LPM。在此测试中，SFT 没有设定点，风扇以 100% 的速度运行。此配置表示在这些条件下可以实现的最小 SFT 和 ATD。图 9显示，该装置在热力和液压方面都很稳定，在接近温度为 18.3°C 和风扇速度为 100% 时实现了 89.9 kW 的冷却能力 (CC)。等式(1)用于计算 CDU 的 HX CC，从图 9 (b)比较电源与 HX CC 的输入功率，表示 HX CC 与输入功率之比的热捕获率约为 98.5%。高热捕获率意味着热能有效地从 ITE 传输到冷却系统。此外，计算出的 HX 效率为 0.83。

图9.最大冷却能力试验结果（a）CDU响应参数。（b）冷却能力随温度接近而变化。（c）液压响应参数。

5.4 .不同的流速

为了研究改变液体流速对 CDU 性能和 TTV 加热器外壳温度的影响，在三种不同的流速下进行了实验：55、80 和 94 LPM，并且在每个点都达到稳定状态。电源输出的总功率为 56.6 kW，SAT 为 28 °C。在整个测试过程中，风扇速度保持在 100% 不变，二次流体温度没有设定点，旨在最大限度地提高流体冷却效果并提供尽可能低的流体温度。图 10 ( a ) 显示，随着流体流速的增加，ΔT 随着 SFT 的增加而减小，RFT 的减小，从 15.1 °C 减小到 8.9 °C。一般来说，传热系数随着流体流速的增加而增大。这是因为流速的增加会使流体的湍流增加，从而改善混合并增强对流传热。另一方面，由于流体在热交换器和加热部分的停留时间较短，供液温度较高，回液温度较低，因此 ΔT 较小。图 10 (b) 显示，在保持一次空气流量不变的情况下，随着冷却剂流量的增加，HX 效率和 ATD 增加，因为增加的流量增强了热量去除，改善了一次流体和二次流体之间的温度梯度。此外，在 SAT 保持不变的情况下，随着 SFT 的增加，ATD 也增加。由于 ATD 是 SFT 和 SAT 之间的差值，因此这会导致冷却剂和空气之间的温差更大。图 10 (c) 描绘了流体流量对加热器外壳温度的影响，并表明当流量从 55 LPM 增加到 80 LPM 时，出现了有利趋势，因为相应的外壳温度显著下降了 3.5 °C。在更高的流速下，冷却剂循环得更快，增强了加热器和冷却剂之间的热传递。这种改进的冷却效率使加热器表面保持较低的温度，因为热量可以更快地传递到冷却剂中。然而，随着流速从 80 LPM 增加到 94 LPM，增加流体流速的影响会降低，因为传热率达到了一个点，在此点上，流速的进一步增加对整体冷却性能的影响较小，导致外壳温度仅下降 0.9 °C。表 4总结了更详细的分析。

图 10。不同流体流速试验结果（a）CDU 响应参数。（b）HX 效率与接近温度。（c）加热器壳体温度与流速。（d）液压响应参数。

表4.不同冷却剂流量下的CDU响应参数。

研究了改变二次流速对 CDU HX 热性能的影响。电导实验结果如图 11所示。这些研究结果表明，随着二次流速的增加，电导有明显的增加趋势。较高流速下电导的增加是由于对流传热改善所致。随着二次流体流速的增加，热交换器内的流体速度和湍流也会增加，从而增加了总传热系数。湍流的增加可实现更有效的热混合，并加快从一次流体到二次流体的传热速度。因此，热交换器的总热性能会增加，这可以通过更高的电导值来证明。这些发现对于提高 L2A HX 系统的性能至关重要，尤其是在数据中心冷却等传热效率至关重要的应用中。

图11.不同二次流量下HX实验热导曲线。

5.5 .低热负荷下的性能

该测试的目的是确保 CDU 能够无论热负荷如何都保持合适的冷却性能，以及温度控制和散热能力在可接受的范围内保持稳定。该测试中使用了一台功率为 8.5 kW 的 TTV；SAT 为 30°C，向 TTV 供应的总流体流量为 8.6 LPM。CDU 上的流体设定点温度为 35 和 40，以实现 5°C 和 10°C 的较低 ATD。如图 12所示，当达到 35°C SFT 设定点下的所需功率时，风扇速度会显着振荡。这种振荡的级联效应导致 SFT、RFT、RAT、ATD 和冷却能力的超调。这些见解凸显了在这种情况下维持稳定性的困难，并深入了解了 CDU 在管理低功耗设备时的不稳定性。因此，通过将微分时间设置为零并增加风扇积分时间来稳定回路次级侧的 SFT，对 PID 风扇控制器进行了修改。如图12 (d)所示，当积分时间增加时，风扇速度变得更加稳定。尽管如此，需要大幅增加积分时间才能有效缓解显著的波动。对于 40°C 的第二个 SFT 设定点，风扇以最低速度运行以达到设定点温度，并且它在恒定风扇速度下运行时表现出 SFT、RFT、RAT、ATD 和冷却能力的更高稳定性，并实现了 7.5 kW 的冷却能力。在液压性能方面，泵以约 28% 的恒定速度运行，装置稳定并在 10.5 psi 的压力设定点下运行，这为 TTV 的冷却回路提供了所需的流量。

图 12。低功率测试结果（a）CDU 响应参数。（b）冷却能力随温度接近而变化。（c）液压响应参数。（d）改变 PID 设置对 SFT 和风扇振荡的影响。

5.6 .瞬态热工水力

该测试确定了 CDU 在多机架数据中心中连接和断开服务器时流体流速和热负荷突然变化时的稳定性。通过断开 TTV 电源线和冷却回路，该测试中的热负荷从最大机架功率 52 kW 变化到 8.5 kW。SAT 为 30 °C，总流体流速为 48 LPM，CDU 上的 SFT 设定点为 45 °C。

图 13 (a) 显示，在断开 TTV 的每个阶段，风扇速度都会波动，除非只连接一个 TTV，并且风扇以最低速度运行以获得指定的流体设定温度。但是，由于热负荷非常低，风扇无法在 10% 以下运行，SFT 保持在设定值以下。同样，在最后一次测试中，通过增加风扇积分时间来调整风扇控制器。然而，当连接两个 TTV 时，即使调整了风扇积分时间，风扇也会出现明显的波动。这导致 SFT 不稳定。尽管尝试改进控制器设置，如图 13 (b)所示，系统与两个 TTV 的交互仍然具有挑战性，导致风扇速度明显波动，因此 SFT 也出现波动。与热方面的风扇速度波动有关的另一件事是，CDU 需要更长时间才能达到稳定状态，正如每次事件所见。

图 13。瞬态试验结果（a）CDU 响应参数。（b）改变 PID 设置对 SFT 和风扇振动的影响。（c）液压响应参数。

在图 13 (c)中，系统的液压侧显示出稳定性，压力、冷却剂流量或泵速均无波动，但在最初三个瞬态事件期间，流体流量出现跳跃。在每次退役 TTV 期间，流量和泵速均会降低。总体而言，该装置通过保持 16.5 psi 的恒定压差，运行令人满意。尽管在瞬态事件期间变化很小，但这种液压稳定性表明 CDU 有效地管理了液压参数，在整个测试期间保持了稳定的运行和压力稳定性。

5.7 . ASHRAE-SAT 范围

为了评估 CDU 在不同 SAT 下的性能，进行了四项独立测试。在四种不同的热负荷：10%、50%、75% 和 100% 下，保持流体流速不变，达到了稳定状态。图 14展示了不同 SAT 下四次考试的结果。图 14 (a) 描绘了 19 °C SAT 测试的结果。每个功率水平都达到了稳定状态，SFT 位于设定点温度附近，最大功率下除外，此时 SFT 比设定点高 1.5 °C。然而，在 75% 热负荷下，风扇最初加速到 100% 速度，但后来降低到约 80%，因为 HX 需要更少的空气来维持设定点流体温度，并且在此期间 SAT 从 20 °C 降至 18.6 °C。对于图 14 (b) 和 (c)所示的 22 和 24 °C 测试，在 10% 和 50% 热负荷下，CDU 在不同风扇速度下均达到了 SFT 设定点，而当热负荷达到 75% 和 100% 时，尽管风扇全速运转，但它实现了高于设定点的 SFT。另一个观察结果是关于 SAT。当热负荷达到 75% 时，由于轻微的再循环，SAT 略微偏离设定点。图 14 (d) 显示了 27 °C 测试的结果。CDU 能够在 10% 热负荷下达到所需的 SFT 设定点，但与其他测试的区别在于风扇速度不是恒定在 30%；它不断变化以保持相同的冷却液温度，并且随着热负荷的增加，风扇速度在实验的剩余时间内跳至 100%。随着热负荷的增加，CDU 无法达到相同的 SFT 设定点，而需要高于设定点才能维持适当的 ATD，从而消除热负荷。

图 14. ( a) 19 °C SAT。(b) 22 °C SAT。(c) 25 °C SAT。(d) 27 °C SAT 的测试结果。

表 5显示了最大输入功率下的 CDU 数据摘要。结果表明，由于 ATD 相同，因此该装置在不同 SAT 下保持相似的冷却能力和效率。但是，在 22 °C SAT 下，ATD 会发生变化，因为进入 HX 的空气质量流量减少，导致 SFT 更高。此外，将 CDU HX 去除的热量除以电源提供的总输入功率，可估算冷却剂的平均热捕获率。根据研究结果，94% 的热量被捕获。

表5. CDU响应参数。

5.8 PPUE分析

PPUE 考虑了所有基础设施组件，并作为既定边界内的能耗指标，将数据中心划分为区域。在我们的分析中，我们考虑了液冷机架中 CDU 和 TTV 的功耗。图 15 (a) 表明，当热负荷从 10% 增加到 100% 时，PPUE 下降了 5%，通过保持固定的流速，泵送功率保持不变。热负荷的增加导致冷却系统效率提高，因为去除的热量与消耗的功率之比更有利。这表明，随着热负荷的增加，数据中心的基础设施变得更加节能。这可能是因为更大的负荷可以更好地利用冷却能力和其他基础设施组件。另一方面，图 15 (b) 显示，当流速增加时，PPUE 上升。冷却系统泵的功耗增加是造成这种情况的原因，因为它们的速度在最大二次流量下从 33% 上升到 100%。图 15 (C) 表明，最小和最大热负荷下的 SAT 似乎对 PPUE 没有影响，因为相同热负荷下的冷却系统功耗几乎相同。然而，在 50% 的热负荷下，随着风扇速度的增加，PPUE 在 24°C 和 27°C 的 SAT 下发生变化并增加，最终达到 100%。这表明，在最大热负荷下运行 ITE 表明，尽管 SAT 发生变化，但冷却系统仍然能够保持一致的能耗，这是一种有效且设计良好的冷却系统。

图 15.（a）不同热负荷下的 PPUE 计算值。（b）不同流体流速下的 PPUE 计算值。（c）不同 SAT 下的 PPUE 计算值。

5.9 .挑战与解决方案

CDU 调试过程中遇到的一个重大挑战是在热调试阶段。这涉及解决风扇速度波动问题，这可能导致 SFT 不稳定。这种不稳定性会影响 CDU 冷却能力、HX 效率和 TTV 加热器外壳温度。为了解决这个问题，必须更改风扇的 PID 配置 - 手动或使用自适应 PID 控制器。自适应 PID 控制器提供了一种在热调试期间减少风扇速度振荡的方法，方法是根据不同情况动态选择适当的 PID 设置。关于风扇速度波动需要考虑的另一点是，CDU 需要更长的时间才能达到稳定状态。这意味着在系统进入稳定运行状态之前，它会经历一个较长的瞬态期。建立稳定状态的时间越长，可能表明整个系统内部存在复杂的相互作用和热动力学，需要进行额外的研究并适当修改控制方法，以提高热性能并缩短瞬态响应时间。

热调试期间可能出现的另一个问题是热空气在热通道和冷通道封闭系统之间的再循环。如参考文献 [ 41 ]中所述，通过在机架背面安装盲板可以有效解决此问题。图 16展示了通过使用盲板可以有效消除空气再循环问题。

图 16. ( a) 机架背面的红外图像（无盲板）。(b) 和 (c) 机架背面的红外图像（有盲板）。

6 结论

本研究的主要目标是全面了解数据中心中用于直接冷却芯片的液-气 CDU，主要重点是实现最高的能源效率并提高与传统空气冷却相比的热性能。本研究旨在为其实施和评估创建一个坚实的框架，从而实现长期有效的整合。根据对实验调试和测试结果的详细分析，可以得出以下结论。

•

在将 CDU 连接到将冷却剂从冷板传输出去或传输到冷板的液体冷却管线（例如行和机架歧管）之前，必须冲洗二次回路。

•

据报道，当接近温度为 18.3°C 且二次冷却剂流速为 89 LPM 时，冷却能力约为 90kW。

•

热交换器的冷却能力和效率与送风温度无关，但受接近温度和二次冷却剂流速的强烈影响。

•

在低热负荷下维持稳定的供应冷却剂温度是一项挑战，这会影响热交换器的冷却能力，从而因风扇速度的波动而影响其效率。

•

为了克服风扇速度的波动，必须调整 PID 控制。

•

自适应 PID 控制器的实施稳定了风扇速度，在 40°C 设定点时，冷却系统实现了 7.5 kW 的冷却能力，并且流体温度调节更加一致。

•

在瞬态测试中，热负荷从 52 kW 变化到 8.5 kW，导致风扇速度和供应流体温度波动。尽管如此，液压系统仍保持 16.5 psi 的稳定压差，证明了 CDU 在突然的负荷和流量变化下的稳定性。

•

冷却系统在热负荷范围的两端都具有弹性和效率。但是，中等负荷下的较高 SAT 可能会因风扇速度较高而导致功耗增加。

•

为了增加每个机架的功率密度，应采取以下步骤：

o

在较低的 ATD 下实现更高的冷却能力。

o

实施自适应 PID 控制器，以在热负荷波动时实现更平稳的风扇运行。

o

为了提高 CDU 的冷却能力和热交换器的效率，改进泵送曲线至关重要。