算力向前冷却先行：龙蟠润滑油拓展数据中心液冷热管理新场景

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1.概述

1.1 什么是 CDU？

CDU（Cooling Distribution Unit，冷却分配单元）是一种以可控方式将热量从一种流体源传递到另一种流体源的设备。它不仅是一个换热终端，内部还集成了水泵及其他控制组件以实现精准调控。本白皮书将解释这些设备是什么、其工作原理以及应用场景。

1.2 为什么要使用 CDU？

CDU 允许用户在隔离流体差异的前提下建立不同的冷却循环回路。一次侧流体回路/设施水系统（Facility Water System，简称 FWS）与二次侧流体回路/技术冷却系统（Technology Cooling System，简称 TCS）相分隔，后者专门针对计算应用进行定制。通过换热器物理边界分隔流体，CDU 还能实现一次侧与二次侧不同压力和温度体制的解耦。随着人工智能（AI）加速卡/GPU 芯片的快速普及，对液冷的需求日益迫切。虽然风冷依然普遍，但已不足以冷却高功耗机柜。大多数数据中心环境将采用液冷与风冷相结合的方式，以实现机房环境与 IT 设备的整体散热调节。

2.组件

2.1水泵

水泵是任何 CDU 的核心部件，为冷却液在 TCS 二次侧回路内的循环提供驱动力，提供必要的扬程以克服冷板（Cold Plates）、分水管/集水管（Manifolds）和换热器（Heat Exchangers）产生的系统阻力损失，确保带走服务器产生热量所需的额定流量

。为 CDU 选择合适的水泵并非一成不变的决定

。虽然满足正确的工况点（流量和扬程）是根本，但也应仔细评估其他参数：能源效率、紧凑性、控制能力、可靠性与维护需求，以及总拥有成本（TCO）

。

能源效率 (Energy Efficiency)

虽然水泵可能不是数据中心中能耗最大的设备，但其连续运行特性意味着它们对整体能耗仍有重要影响，优化其效率是提高冷却系统整体性能的关键环节

。水泵能效受多个相互关联因素的影响：电机效率、水力效率、电机与叶轮之间的机械联轴方式，以及电机功率相对于额定工况点的选型匹配

。

电机效率 (Motor efficiency)

CDU 水泵可采用多种电机技术，包括 ECM（电子换向电机）、感应电机和永磁电机。电机效率由国际电工委员会标准 IEC TS 60034-30-2 划分，将电机从 IE1 分级至 IE5（超高效超高能效等级）。

高效率电机可带来多重运行效益。电机损耗降低意味着发热量减少，从而可以使用较小的冷却风扇，实现更安静的运行。高效电机的低发热损耗还对电机轴承寿命产生积极影响，因为润滑脂在较低温度下承受的热应力较小，从而延长了使用寿命。较低的热量输出还降低了 CDU 机柜内部的热负荷，有助于提高系统整体性能和可靠性。同时，低发热量允许高效电机在满载轴功率下在更高的环境温度下运行而无需降额。

图 1：IEC TS 60034-30-2 标准中 IE 效率等级随电机功率变化的定义

水力效率 (Hydraulic efficiency)

水力效率同样至关重要，因为泵内部的任何水力损耗都会直接转化为冷却液的热量，必须在系统的其他位置予以排除。出于这个原因，必须选择在大部分运行时间内都能在其最高效率点（BEP）附近运行的水泵。如果在偏离水泵性能曲线过远的位置运行，会显著降低效率，增加能耗和冷却系统的热负荷。

扭矩传输 (Torque transmission)

从电机到叶轮的扭矩传输方式对系统整体效率也起着关键作用。磁力驱动泵（磁力泵）虽然能实现零泄漏运行，但通常会引入较大的能量损耗——往往达到千瓦级别——这些损耗会直接传递到冷却液中。能量损耗主要是由于磁力联轴器外驱动器与内驱动器之间的交变磁场产生的涡流损耗造成的。损耗大小取决于驱动器所用磁体类型，以及用于防止泵端液体外泄的隔离套材质和厚度。相比之下，采用机械密封设计的轴封泵传输损耗显著降低，是 CDU 应用中更高能效的选择。

可靠性 (Reliability)

泵系统的可靠性定义为在漫长的运行周期内提供稳定性能的能力，且无需频繁的计划外维护或发生故障。在数据中心冷却、工业过程和暖通空调（HVAC）等应用中，水泵的可靠性直接影响系统在线率、运行稳定性以及全生命周期成本。实现高可靠性需要在机械坚固性、热稳定性和长期运行完好性方面给予高度关注。关键部件——包括轴承、轴封和叶轮——必须经过精密的工程设计与选型，以承受连续载荷、高温以及乙二醇/丙二醇基热传递流体的特定化学特性。同样重要的是确保所有过流（湿式）部件与热传递流体之间的材质兼容性，以防止过早磨损、腐蚀或泄漏导致的停机。

水泵性能曲线 (Pump curves)

水泵性能曲线是评估和选择水力系统中水泵的基本工具。它们以图表形式展示了水泵在不同流量下的性能，揭示了流量与扬程、效率、功率消耗以及必需汽蚀余量（NPSH）之间的关系。通过分析这些曲线，工程师可以确定水泵的最佳效率点（BEP），确保足够的吸入条件以避免气蚀，并验证水泵将在系统的水力特性范围内可靠运行。当与反映摩擦阻力损失、静扬程及其他系统需求的系统阻力曲线相结合时，水泵曲线揭示了水泵能力与系统需求相相交的实际工作点。这使得水泵曲线不仅对于初始水泵选型至关重要，而且对于优化能耗、评估系统变更影响以及在水泵全生命周期内诊断性能故障也必不可少。

图 2：离心泵的典型性能曲线。扬程、功耗、效率和 NPSH 均显示为流量的函数

用于 CDU 的水泵类型 (Pumps for CDUs)

在冷却分配单元（CDU）中，可根据系统设计需求、性能规范和工程偏好应用各种水泵类型；然而，离心泵因其坚固性和对连续、稳定运行的适应性，仍然是最常用的类型。离心泵工作时，液体被引导至叶轮中心（吸入口），旋转动能传递给流体，离心力驱动流体向叶轮外缘运动，同时提高速度和压力。这种设计提供了平稳、无脉动的流量，并允许在不损坏水泵的情况下进行出口节流，使其高度适应动态运行工况。

图 3：液体穿过水泵的流向

CDU 中使用的离心泵根据几个关键特征在结构配置上有所不同，包括级数（满足中等扬程需求的单级泵，或满足更高压力需求的多级泵）、轴向朝向（易于维护的卧式泵，或减小占地面积并改善 NPSH 性能的立式泵），以及进出口几何形状（如轴向进水、径向出水的端吸泵，或对齐吸入和排出接口以简化管道布局的管道泵）。

图 4：离心泵示意图：a. 卧式单级端吸直联泵；b. 立式单级管道直联泵；c. 卧式多级端吸泵

卧式端吸泵 (Horizontal End-Suction Pumps)

卧式端吸泵由于结构简单、可靠性高且易于维护，在 CDU 中得到广泛应用。在这种配置中，泵轴水平放置，液体沿轴向通过吸入口进入泵内，并沿径向从排出口流出。这种设计提供了直观的管道集成，并使水泵极易于维护，因为无需拆卸连接的管路即可对电机和水力部件进行检修。卧式端吸泵在 CDU 应用中的主要优势包括紧凑坚固的设计、稳定的水力性能、在中低扬程需求下的高效运行，以及行业内的广泛适用性，这确保了选型和替换的灵活性。此外，这些水泵通常在标准 CDU 运行条件（如 PG25 介质）下提供良好的 NPSH 性能，并可配备多种叶轮和电机配置，以满足特定冷却回路的需求。

图 5：CDU 中卧式端吸多级泵（左）和卧式端吸单级泵（右）的示意图

立式管道多级泵 (Vertical inline multistage pump)

另一种受青睐的水泵是立式管道多级泵，特别是在需要更高压力能力时。在这种设计中，吸入和排出接口呈直线对齐，允许水泵直接安装在管道线路上，从而最小化占地面积并简化系统布局。由串联排列的多个叶轮组成的多级配置，使水泵相比单级替代方案能够产生显著更高的扬程，同时保持精确冷却管理所需的平稳、无脉动流量特性。立式管道多级泵在 CDU 中的关键优势包括在极高压力需求下的高效率、空间占用小、运行安静，以及在不同负载条件下保持一致性能的优异能力。它们的立式管道结构还减少了对大量管道支撑的需求，并可在吸入条件有限的系统中改善 NPSH 裕度。

图 6：CDU 中立式管道多级泵的示意图

无泄漏水泵 (Leakage free pumps)

水泵通常使用机械轴封（机械密封），其设计依赖于密封端面之间形成的一层薄润滑膜。该膜层确保了良好的密封效果，但也会导致微量的控制泄漏，这属于正常现象。泄漏率取决于压力、粘度以及密封间隙的几何形状等因素。泄漏率可使用以下公式估算：

式中：

= 单位时间泄漏量
= 密封面平均半径
= 密封面间隙高度
= 压差
= 介质的动力粘度
= 密封间隙径向宽度

然而，需要指出的是，PG25（25% 丙二醇水溶液）通常包含约 75% 的水，水分会迅速蒸发。丙二醇本身也会蒸发，尽管速度较慢。因此，实际的液体泄漏极少肉眼可见。看起来像泄漏的现象通常是乙二醇混合物中的添加剂或矿物质残留物，而非冷却液本身。在广泛安装中积累的行业经验一致表明，可能会发生轻微泄漏，但由于蒸发和密封过程的特性，这种泄漏通常保持不可见的形态。

如果希望采用完全无泄漏的解决方案，存在几种替代方案。实现无泄漏设计最常用的方法是利用磁力联轴器（磁力驱动）。带有磁力联轴器的离心泵在端吸泵和管道泵中均有应用。

图 7：水泵磁力联轴器结构

另一种替代方案是使用配备液冷电机的多级泵，它允许将整个泵和电机组件密封在一个套筒内，形成全密封、无泄漏的设计。这种配置可以提供更高的效率，因为它消除了与磁力联轴器相关的涡流损耗。此外，轴承系统由被输送的介质本身润滑，从而在水泵的使用寿命期间实现免维护运行。

图 8：带液冷电机的无泄漏多级泵

对于机柜内（In-rack）CDU——其内部高度极其宝贵——一种常见的水泵选择是屏蔽泵（Canned motor pump）。这种类型的泵是一个全密封、高度集成的单元，其中电机和泵共用一个外壳，无需机械密封。被输送的液体流过转子室，转子室由一层薄薄的转子屏蔽套与定子隔开，提供液体与电气之间的全密封屏障。这种设计实现了极度紧凑的占地面积、极低的噪音水平和极高的可靠运行。

图 9：屏蔽泵结构示意图

关于机柜内（In-rack）CDU 水泵的扩展建议（Jonas, Brinkmann）

对于机柜内（In-rack）CDU 而言，每一单位的高度（U）都至关重要，屏蔽泵已成为常见选择。它是一个全密封、高度集成的单元，泵和电机共用一个外壳和一根轴：叶轮和电机转子安装在同一根轴上，消除了传统设计中的机械密封、联轴器以及与之相关的对中要求。循环冷却液流过转子室本身（见图 10 中的白色箭头），一个薄壁非磁性隔离套（电机屏蔽套）将湿式转子室与定子绕组隔开。其结果是在流体和电气部分之间形成静态的全密封屏障，在泵的任何位置都没有动态密封面。

循环流体还起到了第二个作用。一部分流量被分流穿过电机内部，带走电机的部分热损耗并润滑轴承——轴承运行在被输送的流体中而非润滑脂或润滑油中——然后再重新汇入叶轮处的主流量。这种自包含的冷却与润滑回路意味着无需外部冷却风扇，无需加注润滑脂的轴承，也没有润滑油位需要监控或维护。这也意味着电机的一部分电损耗被排放到了冷却液中，而不是周围的空气中。在机柜内 CDU 中，这通常是一个优势，因为它减少了散发到机柜内部环境的热量。然而，它确实将这些损耗作为附加热负荷引入了二次侧回路内部，因此应在二次侧热算量中予以考虑。

这些特性在液冷 IT 环境中具有多方面的相关性。轴封的消除去除了传统水泵最常见的磨损和泄漏风险点之一，这在水泵紧邻带电 IT 设备运行的场景中尤为重要。由于所有旋转部件都在封闭的电机外壳内部运行且不需要冷却风扇，噪音和振动水平极低。集成式结构带来了适合机柜式 CDU 浅型底盘的紧凑占地面积，无密封设计有助于实现高平均故障间隔时间（MTBF）和低维护需求。这些优势的代价是屏蔽套中的涡流损耗和转子间隙中的流体摩擦带来轻微的效率降低。

图 10：全密封屏蔽泵中的流体路径

泵驱动电机与驱动器 (Pump Motor Drives)

单速感应电机水泵通常运行在固定的电网频率下（50Hz 或 60Hz）。为了提高效率，希望能够调节水泵转速。电机驱动器用于向水泵提供电源并调节其运行转速。带有驱动器的水泵电机可以调节旋转转速，从而改变可用于驱动流量的压力。变频器（VFD）设备通常通过改变其输出交流电的频率来改变感应电机的转速。电子换向电机（ECM）驱动器则通过调节直流电压来实现转速变化。在使用变频器（VFD）时，电机有可能运行在高于电网频率的转速下。驱动器可以设置为“设定后即设定（Set and forget）”、压力驱动、温度驱动或计算机控制。例如，CDU 控制器可以指示驱动器将转速提高 5% 以匹配设定值。

驱动器形态：独立式变频器 & 水泵组合 | 集成式泵/驱动器一体化组合（可以是集成式，也可以是分离式）

2.2换热器 (Heat Exchangers)

钎焊板式换热器 (BPHE)

钎焊板式换热器是一种紧凑型换热器，结合了波纹不锈钢板片与钎焊焊缝，用于两种流体之间的热交换。占地面积约为 80–350 平方英寸。总换热面积随着板片数量的增加而按比例扩大。

该设计在 CDU 中的优势包括：紧凑性、高热效率、配置灵活性、密封式结构以及自清洁能力。BPHE 在单位换热面积制冷量（kW/HTA）和单位材料重量制冷量（kW/Kg）方面始终超越所有其他技术。由于高度紊流带来的自清洁流态，它几乎不需要维护。使用场景涵盖了从机柜内（In-rack）CDU 的唯一选择，到采用多达 3 个 BPHE 并联、制冷量高达 2.5 MW 的机架行间（In-row）/列间 CDU。

图 11：钎焊板式换热器示例

2.3控制系统 (Controls)

可编程逻辑控制器（PLC）

专用控制器

继电器

接触器

电源类型（AC/DC）

配电单元 (PDU)

2.4过滤器 (Filters)

高效过滤是液冷数据中心的关键需求，尤其是在部署冷板、微通道散热器和精密冷却硬件的场所。这些部件依赖清洁、稳定的冷却液来保持热性能并防止长期性能劣化。高效过滤器旨在以经验证的高捕集效率去除极细小的颗粒物，通常采用绝对额定、固定孔径的滤材。其性能由过滤比（Beta ratio）定义，这是一个指示在给定粒径下被捕集颗粒百分比的标准指标。

典型的极高效基准包括：

Beta 1000（99.9% 捕集效率）
Beta 5000（99.98% 捕集效率）
Beta 10000（99.99% 捕集效率）

对于带有微通道冷板的液冷系统，通常建议在目标粒径下至少达到 Beta 5000，以防止结垢、堵塞

图 12：用于液冷系统的滤芯与过滤器外壳

过滤器利用滤芯或滤袋，针对较小粒径提供更高效的过滤。主要关注小于 25 微米（<25 μm）的微粒，过滤器用于去除流体中的微生物和微观颗粒成分。滤材通常由聚丙烯材料制成，包含多层结构，以提高过滤效率和使用寿命。由于小颗粒截留和一次性使用的特性，过滤器通常并联并组使用，以增加流量能力并保持低压降。过滤器也可用于“旁路/侧流（Side-stream）”应用，其中一部分流量被分流并穿过过滤器，随着时间的推移净化流体。过滤器主要为一次性使用，不宜清洗/重复使用。

芯片直冷（Direct-to-Chip，DTC）液冷系统中不可或缺的微通道冷板具有极其狭窄的流道。这些通道中的堵塞会导致灾难性的组件过热和失效。因此，过滤精度必须显著细于最小通道直径，且冷却液品质必须遵循严格的标准。微通道冷板的过滤系统应根据高效要求进行设计和选型。

管道过滤器/粗滤器 (Strainers)

管道过滤器用于通过去除工艺流体中的杂质和颗粒物来保护其他工艺设备。对换热器和冷板等设备的保护，使管道过滤器成为保障热效率的切实需求。

管道过滤器有多种结构配置，包括直通式（In-line）、角式（Angle-line）和 Y 型（Y-strainer）。管道过滤器通常用于去除大于或等于 25 微米（≥25 μm）的大颗粒物，而精细过滤则侧重于去除 <25 μm 的颗粒。粗滤可以通过不同的过滤元件完成，例如楔形丝网、冲孔管或编织网筛。管道过滤器可以从系统中拆下、清洗并重复使用。

在选择管道过滤器规格时，了解以下特性至关重要：流量、运行压力、过滤器表面积以及颗粒尺寸/形状。流量和过滤网微米级孔径主要影响单元上的压降。管道过滤器可以并联安装以分流流量能力，有助于维持较低的压降。表面积主要影响两次清理之间的时间间隔。较大的表面积意味着更高的污垢容纳能力和更长的连续运行时间。

图 13：卫生级不锈钢直通式管道过滤器与侧进式管道过滤器（25 或 50 微米）

2.5阀门 (Valves)

二通阀（Two Way）：卫生级不锈钢蝶阀、全包覆或非包覆卫生级球阀。
三通阀（Three Way）：包覆型卫生级三通球阀，用于切换/分流流量。
止回阀（Check Valve）：止回阀用于允许单向流动。通常安装在水泵出口处。

2.6充注 / 排放点 (Fill / Drain points)

TCS 管道系统应包含允许充注和排放回路液体的功能.充注通常通过专用接口完成，通常位于 CDU 内部或附近，并通常提供花园软管级别的连接接口。有些尺寸较大或较小，连接方式有所不同。为了进行充注，还必须有从系统中排除空气的方法。最常见的方法是使用自动排气阀（也称为锅炉排气阀）。这些设备允许空气离开系统，同时防止液体泄漏。

需要注意，在排气过程中可能会出现少量液滴或“喷溅”，这属于正常现象。一些排气阀通过小孔或螺纹孔将空气排入环境，而另一些排气阀则允许连接外部软管将液滴引导至排水沟。这些排气阀应大量布置在整个 TCS 回路中，特别是在系统的每个主要高点。排气阀对于降低回路中的含气量非常重要。空气将在初始充注、调适试运行以及设备接入回路时释放。此外，液体将在运行的前一个月左右发生脱气，这也可以通过排气阀排除。排气阀可以关闭，也可以保持在自动排气的位置。

2.7温度传感器 (Temperature sensors)

CDU 中使用了各种类型的温度传感器，最常见的是热电偶或热电阻（RTD）。它们可以绑扎在管道外壁上通过管壁导热读取温度，也可以浸入流道内的密封盲管（套管）中，或者直接接触流体。湿式直接接触流体的方式在 CDU 中较少见。这些传感器支持系统的控制，应布置在供水、回水以及 CDU 内部的不同位置。还可以添加外部传感器以实现更佳的控制。

例如：可能希望在靠近回路末端最后一个设备的位置测量回水温度，而不是在返回 CDU 的入口处测量，因为在此处能更快读取到温度变化。越早响应越好，因为这能允许 CDU 更快地对负载变化做出反应。

温度传感器是热管理的核心，专注于 CDU 内部的效率与安全。通过监控供/回冷却液的温差，它们可以支持热负荷的计算并动态调节水泵系统。这有助于确保 CDU 表面和冷却液温度保持在机房露点温度以上，防止凝露。温度传感器还实时监控冷却液温度，触发报警并调节流量以防止芯片损坏。分析换热器等部件两侧的温差还有助于诊断堵塞或效率下降等问题。

2.8压力传感器 (Pressure Sensors)

压力传感器是 CDU 在众多应用中的关键部件。它们可以通过监控异常压降来提供漏液检测，并通过测量差压来计算冷却液流量。这些传感器还可以监控水泵压力，为水泵控制提供反馈，并接入预测性维护方案。温压一体传感器可以通过减少组件和电气控制连接的数量来降低系统复杂性。

2.9流量传感器 (Flow Sensor)

图 14：流量传感器示例

流量传感器的作用是监控液体流量，以确保数据中心稳定、高效和安全的冷却运行。流量传感器应用于一次侧回路和包含机柜内（In-rack）及行间（In-row）CDU 在内的 TCS 回路。流量范围、管道尺寸和运行条件决定了所使用的流量传感器类型。精度和压降是选择流量传感器时需要关注的关键指标。推荐精度小于全量程的 ±1%（<±1% FS）。较高的压降意味着水泵必须更努力地工作以维持相同的流量，从而导致更高的成本和系统效率低下。保持极低的压降（例如在 40 L/min 下 <50 mbar）至关重要。在流量传感器中集成温度传感器可以实现实时冷却监控，并降低材料和安装成本。