来源 | Energy Conversion and Management

链接 | https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120688

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背景介绍

随着对数据中心计算能力需求的不断扩大，2030年数据中心用电量将超过1,000太瓦时，其中冷却系统能耗约占数据中心总能耗的40%，数据中心的平均电力使用效率（PUE）为1.8 ~ 2.0。受 “双碳” 目标及欧盟碳关税等政策约束，亟需先进热管理技术降低能耗与碳排放。传统冷却技术局限：空冷的对流换热系数低，热流密度超 200 W/cm² 时无法维持安全温度，存在芯片烧毁风险；常规液冷的换热系数为空冷的 3~5 倍，但需外部冷源，PUE 优化空间有限（难低于 1.1）；环路热虹吸凭借高效被动传热装置（无泵、无外部能耗），但与沉浸式相变结合的研究较少，实际应用受限于服务器机柜体积与高能耗。

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成果掠影

近期，西安交通大学马祥团队提出了一种利用环路热虹吸管的浸入式相变冷却系统。以 HFE-7100 为工质，在 120 W~420 W 热负荷范围内探究关键参数影响；实验发现，液体充液率 65% 时系统实现热工水力平衡，绝热段高度 80 cm 最小化热阻且保证足够过冷度，液位高度 50 cm 抑制温度波动并防干烧，优化气液分离罐体积使温度波动降低 10~50%；在气流速率 127 CFM、热负荷 390 W 工况下，系统 PUE 低至1.038，研究为大功率浸没式相变制冷系统提供了一个参数化设计框架，为数据中心实现超低能耗目标提供了一个参考。研究成果“Immersion phase-change thermal management system coupled with loop thermosyphons for utilization in data centers cooling”为题发表在《Energy Conversion and Management》。

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图文导读

图1.实验装置示意图。

图2. 绝热段高度对回路热虹吸管热启动的影响（Q = 120 W，F = 65%，H₂= 50 cm）

图3.回路热虹吸管在不同液位高度（Q = 120 W，F = 65%，H₁ = 60 cm）下的热启动特性。

图4.充液率（65%~ 95%）对浸没式相变制冷系统（H₁= 60 cm，H₂= 50 cm）热循环特性的影响。

图5.绝热段高度对系统热循环特性的影响（F₁ = 65%，H₂ = 50 cm）。

图6.液位高度对系统热循环特性的影响（F = 65%，H₁= 60 cm）。

图7.（a）冷凝器出口液体过冷度和（b）不同空气流速下的PUE（F = 65%，H₁= 60 cm，H₂= 50 cm）。

图8.汽液分离罐对冷却系统的影响，（a）实验装置，（b）-（e）温度变化曲线，（f）温度波动。

图9.不同气液分离罐下的系统PUE（127 CFM，F = 65%，H₁= 60 cm，H₂ = 50 cm）。