冷板式液冷的泄漏检测与缓解对策
原创 热管理行业观察 热管理行业观察 2023-08-23 21:42 发表于广东

液冷服务器中的液体泄漏可能造成多种潜在风险和损害。首先，液体泄漏可能导致器件短路，对设备造成损坏，并可能引发火灾。其次，液体泄漏还可能对服务器内部的电子元件和线路造成腐蚀，从而影响服务器的性能和可靠性。此外，大量泄漏的液体会在数据中心内引发混乱，并需要耗费大量时间和成本进行清理。因此，液体泄漏对数据中心运营和维护都带来了一定的风险和损害。

为了应对这些风险，在液冷服务器中实施液体泄漏检测和采取缓解对策非常重要。

丨部署泄漏传感器

泄漏传感器技术通过与服务器底板管理控制器（BMC）连接，然后被整合到服务器机箱中。泄漏传感器部署在机箱中的不同位置，并通过固件和硬件配置，实时监测液体泄漏并采取主动措施来保护设备。

经常采用的绳索泄漏传感器是一种用于检测液体泄漏的传感器设备。它由传感器绳、电源电缆和电路组成。

绳索泄漏传感器

在液冷服务器中使用绳索泄漏传感器时，常见的安装方法是将传感器绳安装在管道连接处或储液罐最低点的位置。这种安装方式适用于可以容忍小泄漏的应用场景，因为传感器只有在泄漏速率足够大以至于通过重力流动并接触到传感器时才能检测到泄漏。

服务器节点泄漏检测设计（图源：OCP）

对液体泄漏非常敏感的电子冷却应用，传感器绳索的安装必须能够快速响应泄漏。推荐的传感器绳索安装方式是沿着液流路径从进口到出口快速断开连接器的位置安装绳索。此外，在传感器和管道连接处包裹吸水胶带有助于提前检测泄漏情况。

丨部署负压液冷系统

负压冷板式液冷技术是 Chilldyne 的核心专利，Chilldyne 是这项防泄漏液冷方案的开拓者。Chilldyne 的技术组合使用了真空泵和液体泵，以提供负压，使液冷系统的液体不会在电气元件附近泄漏。

负压液体冷却系统与正压液体冷却系统看起来非常相似，然而负压系统中的泵不是增加冷却回路中的压力，而是将两侧保持在弱真空状态或低于环境气压。当负压液体冷却系统发生线路损坏时，因为系统的两侧都低于环境气压，空气会被吸入冷却管路，液体回流至储液罐，而不会出现冷却液泄漏。

当管路被剪断时，液体在负压力的作用下停留在管道内，而不是滴落在设备内部（图片来源：Chilldyne）

水冷负压系统的一个潜在问题是，在低的绝对压力下，水可能会沸腾。例如，在 50°C 时，水的沸点为 4 英寸汞柱，因此系统压力不可能达到那么低，而且必须使用低汽蚀余量的泵，以使水不会在泵入口处产生汽蚀。

负压液冷系统能够降低部署成本。Chilldyne 的 CEO Steve Harrington 表示，负压解决方案可以将连接器成本降低14倍。通过采用价格低廉的通用连接器套件，替代价格昂贵的无滴液连接器，在一个包含1000个服务器的集群中（每个服务器2套连接器），连接器的成本可节约高达51.9万美元。

丨部署无水两相系统

由于水是理想的传热剂，因此，服务器液冷系统常采用丙二醇（PG）、去离子水（DI）与添加剂混合物的水基冷却剂。随着时间的推移，水会导致金属部件腐蚀，导致昂贵的维修或更换费用。随着腐蚀的加剧，可能发生的水泄漏将导致设备的短路和损坏。

无水两相液冷系统正是针对以上弊端，利用介电制冷剂的绝缘特性来避免漏液短路，并依靠制冷剂高效的两相沸腾和冷凝过程，最大程度的提高冷却效率。

例如，业界知名的 ZutaCore HyperCool 无水两相液冷方案基于自调节式、增强型池沸腾冷板蒸发器，能够冷却高达1000W处理器。ZutaCore的方案已获得 Intel 和 AMD 的认证，并部署在 Dell、SuperMicro、Gigabyte 和 Cisco 等主要服务器制造商的产品中。

丨考虑无泄漏3D打印冷板

著名的德国金属 3D 打印服务商 EOS 与新加坡国立大学旗下的 CoolestDC 进行了一项服务器无泄漏一体式冷板的合作。

该一体式冷板采用 EOS Copper CuCP 材料增材制造，消除了冷板垫圈和接头，并支持内部翅片的自由设计，可承受 6 bar 及以上的水压。

3D 打印技术做为钎焊和组装冷板的替代方案，能最大限度地降低冷板式液冷应用中的泄漏风险。

采用 Oblique Fin 技术的 EOS 一体成型3D打印冷板

另外一个好处是，3D 打印冷板技术支持生产更复杂的几何形状，在热交换和液体压降方面能获得更好的性能。通过结合拓扑优化的生成式设计，Diabatix 的研究案例表明，与传统的车削翅片冷板相比，生成式 3D 打印铜冷板的热阻降低了 55%。

Diabatix ColdStream 平台给出的CPU冷板设计

参考：

1、OCP 《White Paper: An Advanced Liquid Cooling Rack Design for Data Center》

2、Intel 《Leak Detection and Mitigation for Direct Liquid Cooled Server》

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