南昌大学多级热管系统突破液冷机柜散热瓶颈,实现低功耗高可靠运行,成果在Applied Thermal Engineering刊登

研究背景

高热流密度下的散热难题亟待破解随着云计算、大数据与人工智能技术的飞速发展，数据中心服务器算力需求持续暴涨，单机柜发热量显著增加，传统风冷方式已难以满足高热流密度设备的散热需求。液冷技术凭借高换热效率成为新一代数据中心的核心发展方向，但现有液冷系统普遍存在能耗高、结构复杂、维护成本高的问题。

在此背景下，利用自然冷源的被动/半被动散热技术备受关注。重力热管因无外部动力需求、传热效率高、结构可靠等优势，成为数据中心节能散热的优选方案。南昌大学研究团队聚焦这一方向，开展多级分离重力热管冷却系统研究，为数据中心高可靠、低能耗散热提供技术支撑。

核心创新

三大突破打造机柜级高效冷却方案研究团队针对液冷机柜散热需求，设计搭建了多级分离重力热管（SGHP）混合冷却系统，通过结构与机理创新实现性能跃升：

1. 多级热分区结构：容错性与稳定性双提升采用三段式分离重力热管设计，蒸发端三台板式换热器串联适配不同温度等级需求，冷凝端三台微通道换热器并联强化散热。三条独立气液回路既实现热量传递，又相互隔离，即便某一级换热失效，其余部分仍可正常运行，大幅提升系统容错能力与运行稳定性。

 2. 柜门集成设计：紧凑化与易维护兼顾创新将完整热虹吸换热系统嵌入液冷服务器机柜后门，相较于传统机房级、列级布置方案，散热路径更短、结构更紧凑，同时降低部署与维护难度，提升工程适配性。

3. 液-气协同机理：自然冷源高效利用采用液冷与空冷协同的混合冷却模式，板式换热器高效吸收液冷回路热量，微通道冷凝器将热量释放至环境空气，充分利用自然冷源，在保证换热能力的同时显著降低系统能耗。

实验关键发现

参数调控决定系统高效运行 团队围绕充液率、冷却液流量、过热度与过冷度等关键参数开展系统测试，揭示核心运行规律：充液率与流量协同调控是关键，30%-30%-30%充液组合表现最佳，低充液率下过高流量易导致局部干涸，高充液率下提升流量可强化换热，二者协同可降低总热阻；多级换热呈现梯度分布，低温级始终承担最大换热比例，冷却性能优于中温级与高温级，充液率在最优范围时该级换热占比最高；过热度与过冷度需精准控制，过热度提升可增强换热，但超过阈值后效果减弱；适度过冷度利于冷凝，过大则抑制换热，合理优化可保障系统高效稳定运行。

图1.实验系统示意图

图2.不同入口温度下传热能力随充液率的变化趋势图

图3.单级换热系统和三级换热系统换热能力对比图

图4.不同流量下随充液率变化趋势图

图5.热传递能力及各级进气温度下过热和过冷的相应变化图

该研究通过结构集成与机理创新，为液冷数据中心机柜散热提供了低能耗、高可靠的全新解决方案，有望推动数据中心冷却技术升级，助力“双碳”目标实现。