【新技术】5G基站路由器液冷系统的设计
5G基站和数据中心建设是“新基建”的两大核心内容，其冷却设备是数据中心和5G基站可靠运行的关键保障。目前，专门基于5G基站冷却系统的研究并不像想象中多，今天，我们就单纯地了解下有关5G路由器最新液冷系统的研究成果。
设备单板元器件热量通过热传导传递给液冷板，液冷板与无水工质间通过强而有效的对流换热带走热量；然后，无水工质通过冷却液分配单元（Coolant Distribution Unit, CDU）中的板式换热器将热量传递给一次侧冷却液；最终，热量通过冷却塔排出至外界环境中，完成整个系统的热量传递。液冷系统热量传递路径如图1所示。
1.1 整体液冷系统组成及布局
图2为某路由器液冷系统设备布局示意图。整个系统包括一次侧（冷却塔）和二次侧（CDU、液冷机柜和歧管），其中液冷机柜包括两种类型单板、水冷板、快接以及风扇、电源模块等部件。
设备在风冷基础上进行液冷设计，兼容风冷和液 冷两种散热方式。热设计相关设计要求如表1所示。
1.2 关键部件设计
该路由器液冷插箱由两种规格的单板组成，单板上主要大功率芯片采用液冷散热，其余器件仍采用风冷散热。考虑到结构兼容性和可靠性，该路由器设备采用前插的液冷方案。液冷系统一次侧采用闭式冷却塔，二次侧为CDU+液冷主设备。系统关键部件包括冷却塔、CDU、分液器、液冷管路组件和液冷板。针对液冷系统关键部件，下文主要介绍单板和CDU的设计。
1.2.1 液冷板的设计
液冷板是液体冷却系统中的重要组成器件，电子元件通过界面材料与液冷板表面贴合，电子元件热量通过热传导传递给液冷板，液冷板与冷却介质间通过对流换热带走热量。常见的液冷板类型有埋管式、铣槽道式、扰流片式和微通道式等，不同形式冷板的散热能力存在较大差异。
本文针对业界常用冷板分别进行散热能力评估，最终选择散热能力最强的微通道式冷板作为液冷样机冷板的设计形式。不同形式冷板的几何模型见图3，评估结果见表 2。表2中数据在单芯片300 W，进液流量1.5L/min 工况下得出。
单板1上的3个主要芯片采用液冷方案。冷板内部结构采用微通道形式，流道尺寸适配芯片尺寸。冷板包含基板和盖板，通过焊接相连。铲齿顶部与盖板 之间增加弹片，避免液体从两者间隙流过，降低换热效果。单板2上的1个主要芯片采用液冷方案。冷板内部结构采用微通道形式。冷板包含基板和盖板，通过焊接相连。铲齿顶部与盖板之间增加弹片，避免液体从两者间隙流过，降低换热效果。
1.2.2 CDU设计
CDU的设计包含二次侧和一次侧两个循环系统。二次侧采用非水基冷却介质，一次侧采用乙二醇水溶液作为冷却介质。
CDU采用离心泵配置为二次侧冷却介质提供克服沿程阻力的动力驱动，可变频控制，使恒定压力和流量的冷却介质源源不断地进入板式换热器，与一次侧冷却介质进行热交换而被冷却。冷却介质从板式换热器流出后先经过过滤器再进入机柜，经分液器配流后进入各个被冷却器件，将器件热量带出。冷却介质携带热量从回液管路汇流后回到CDU内，经脱气罐回流到离心泵进口，形成二次侧闭式循环冷却回路。
一次侧系统采用离心泵配置为冷却介质提供克服沿程阻力的动力驱动。加压后的冷却介质先经过板 式换热器与二次侧完成热交换，再流经电动阀进入冷却塔盘管，经冷却塔散热后回流到离心泵入口，形成 一次侧闭式循环冷却回路。
CDU控制器根据被冷却器件热负荷的变化，通过调节一次侧冷却液流量来控制换热设备工作负荷，从而达到精确控制冷却介质温度的要求，确保被冷却器件进液温度在设计范围之内。
1.3 液冷系统流量及流阻设计
1.3.1 系统流量计算
系统所需冷却介质为：
根据计算，单板1的液冷散热功耗为750W时，所 需冷却介质流量为2.4 L/min；单板2的液冷散热功耗为300 W时，所需冷却介质流量为0.96 L/min。单板 2的散热量较低，为了保持相同的支路压降，进行系统 流阻匹配，额定设计流量为1.75L/min。因此，系统总 设计流量为57.2 L/min。
1.3.2 系统流阻核算
流量分配设计过程中，为使所有单板液冷管路实现流量匹配，主要从冷板设计、接头设计以及分液器和 管路设计3个方面进行流量匹配设计，从而使得两个不同布局的单板支路的流量处于可控范围。液冷系统流阻计算见表3。根据系统流阻核算，在当前的支路流量设计 下，各个独立液冷区域的阻力近似相等（100.7∼ 101.9 kPa），因此可认为各支路流量分配无误，且在额定工况下，机柜进出口压降在163.6 kPa左右。
2.1 仿真模型设置
热仿真是借助于数值计算软件模拟计算设备或部件散热状况的方法，在使设备的寿命周期费用降至最 低的前提下实现热设计的目标，同时能大大提高设计效率。本文利用6SigmaET液冷专业仿真软件对目 标液冷系统进行了温度和流阻的仿真评估，使其满足芯片的散热要求和系统的流阻匹配。
2.2 仿真结果处理
设计工况下的仿真结果如下。由于单板1的芯片 高度不同，所以冷板跟芯片不在同一平面，因此做两个截面的仿真云图进行展示。单板1设计流量（2.4 L/min）下的芯片壳温云图和 压力云图如图4所示。单板2设计流量（1.75L/min）下的芯片壳温云图和压力云图如图5所示。
热仿真分析结论如下：
1）单板1的设计流量为 2.4 L/min，单板2的设计流量为1.75L/min；
2）两种单 板的并联各支路的流阻基本一致，系统流量分配设计 满足要求；
3）在当前流量分配设计下，液冷芯片温度满 足长期降额要求；
4）机柜进出口压差为163.6 kPa。
3.1 测试说明
测试仪器：
1）温度测试仪器为数据采集器和热电偶；
2）其他测试仪器包括压力表和流量计；
3）其他配套 设备及物料包括无水工质、高效导热硅脂等。
测试环境准备：将一次侧冷却塔、CDU和液冷设 备进行连接，然后将热电偶等粘贴完毕，最后进行调试，确保设备都能正常运行。在正式测试之前，将系统连通，进行功能性测试， 对单板和快速流体连接器进行多次插拔测试，确保系 统不泄露，能可靠运行。
3.2 测试回归分析
3.2.1 流阻回归分析
系统所有支路通液，测试系统压力– 流阻 （Pressure and Quantity of flow, PQ）特性，并根据 各类型单板的支路PQ测试结果推算系统流量分配情 况。流阻回归分析见表4。
流阻回归分析结论如下：
1）根据各支路PQ测试结果以及系统支路压差值，可以推算出对应工况下两个 单板的流量分配情况，推算结果与实测值偏差在10% 以内，证明了支路PQ拟合公式的准确性；
2）在设计支 路压差100 kPa下，根据支路PQ特性测试结果推算各 支路流量分配情况（单板1单支路流量为2.2 L/min， 单板2单支路流量为1.8L/min），与设计流量偏差不 超过10%。
3.2.2 系统散热能力测试回归分析
所有支路通液，系统满配，在不同流量下测试系统 整机散热能力，测试结果见表5。
根据单个液冷板（单板1）热测试结果对液冷板进 行仿真回归分析，见表6。
液冷板仿真回归分析结论如下：
1）整机功耗为 17 753 W，液冷散热量占比约为73%；
2）液冷单板芯片 散热余量较大（单板1冷板底面最高温升为18.7 ◦C，单 板2冷板底面最高温升为20.6 ◦C），满足散热要求；
3） 液冷板温度仿真回归分析结果表明，仿真结果与实测 数据误差不超过5%。