浸没式冷却
液浸冷却
理论：液体热容与沸腾
概述
听说数据中心把服务器浸在液体里冷却，真的那么能冷却吗？
空气与液体传热能力相差几个数量级。单位体积热容，绝缘油约为空气的1,500倍，所以少量流量就能带走大量热量，也不需要风扇功率。用氟化液沸腾的两相浸没利用潜热，能把元件温度几乎保持在沸点。但沸腾有临界热流密度这一上限，氟化液远低于水。我们从热容、自然对流、沸腾三方面比较空气、油和氟化液。
热容与自然对流
$$ \dot V = \frac{\dot Q}{\rho c_p\,\Delta T},\qquad Nu_L = \left\{0.825 + \frac{0.387\,Ra_L^{1/6}}{\left[1+(0.492/Pr)^{9/16}\right]^{8/27}}\right\}^2 $$
上式为以温升 $\Delta T$ 输送热量 $\dot Q$ 所需体积流量，下式为竖直表面的自然对流（Churchill-Chu公式）。
沸腾临界热流密度
$$ q''_{CHF} = 0.149\,h_{fg}\,\rho_v\left[\frac{\sigma g(\rho_l-\rho_v)}{\rho_v^2}\right]^{1/4} $$
Coffee Break 随笔闲谈
始于超级计算机
把电子设备浸入液体冷却并不新鲜。1985年的超级计算机Cray-2就把电路板浸在氟化惰性液体中冷却。此后风冷重新成为主流，但2010年代后期AI计算使每台服务器发热急增，浸没式冷却在数据中心再次受到关注，因为它不需要风扇功率，能大幅降低冷却能耗。
算例
例1：以10 K温升冷却30 kW机柜所需流量
| 冷却介质 | 单位体积热容 | 所需流量 |
|---|---|---|
| 空气 | 1.17 kJ/m³K | 2.57 m³/秒 |
| 绝缘油 | 1.70 MJ/m³K | 106 L/分 |
| 水（参考） | 4.16 MJ/m³K | 43 L/分 |
例2：30 mm高表面自然对流（温差20 K）
| 流体 | 普朗特数 | 换热系数 | 热流密度 |
|---|---|---|---|
| 空气 | 0.7 | 6.7 W/m²K | 0.01 W/cm² |
| 绝缘油 | 262 | 121 W/m²K | 0.24 W/cm² |
| 氟化液（单相） | 9.2 | 277 W/m²K | 0.55 W/cm² |
例3：两相浸没的临界热流密度
| 流体 | 临界热流密度（Zuber） |
|---|---|
| 氟化液（相当FC-72） | 16.2 W/cm² |
| 水（参考，大气压） | 125.9 W/cm² |
2 cm见方芯片以临界热流密度的70%为上限时，氟化液约为45 W。
氟化液沸腾只能带走水的八分之一热流，为什么还要用？
水导电，不能直接浸没电子电路。氟化液绝缘性好、化学稳定，沸点可选在50℃左右，能把元件表面温度几乎保持在沸点，温度不均小。临界热流密度低的弱点，可以在芯片上装铜均热块扩大沸腾面积，或在表面做细微凹凸促进沸腾来弥补。单相油不沸腾，没有临界热流密度的担忧，但自然对流换热系数只有约120 W/m²K，大发热元件要加散热器或用泵循环。
设计要点
- 按元件热流密度和温度要求选择单相或两相。
- 两相时确认热流密度最高的元件对临界热流密度有余量。
- 单相时求解槽内流动，避免受热液体滞留在元件周围。
- 确认液体与元件、电缆、密封件材料的相容性（溶胀、老化）。
- 两相时考虑蒸汽冷凝器能力和液体蒸发损失管理。
Coffee Break 随笔闲谈
“只有GPU过热”
某两相浸没试验中，CPU冷却没有问题，只有高性能GPU接近温度上限。GPU芯片单位面积发热大，表面热流密度接近氟化液的临界热流密度。在芯片上装上带强化沸腾多孔涂层的铜板扩大沸腾面积后，温度大幅下降。即使是浸没式冷却，也要关注局部热流密度。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 按平均热流密度判断 | 局部超过CHF | 按最大热流密度确认 |
| 沿用水的CHF | 能力高估8倍 | 按液体物性计算 |
| 忽略槽内流动 | 局部高温 | 分析流动 |
| 不看材料相容性 | 元件老化 | 浸泡试验 |
| 忽略油粘度随温度变化 | 传热算错 | 用温度依赖物性 |
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