CDU泵技术发展如何满足75～200kW数据中心机架需求
概述
随着机架功率密度现在已经攀升到75～120kW及以上，传统风冷散热正在达到其物理和经济极限，因此数据中心的风冷时代正在快速结束。直接芯片冷却（D2C）的液体制冷已成为未来唯一可行的技术路线，这种技术能够在热量产生的源头高效、可预测地进行散热。
但是，随着制冷分配单元（CDU）不断发展以服务于这种新型高密度机架，需要重新关注一个重要的子系统：泵。就CDU而言，是选取离心泵，还是容积泵（positive displacement pump）不仅关系到设计细节，也决定了散热效率、系统对负载变化的响应灵活性、以及对系统进行扩展成本方面的要求。
本文将探讨为什么离心泵是75～120kW及以上现代液冷CDU的最佳解决方案，并分析了影响性能、可靠性和总体成本的关键设计因素。
CTO和热管理工程师需关注的要点
- 液体制冷目前已经势在必行，而不再是一种奢侈品。对于超过40kW的机架密度，仅仅通过空气已经不能可靠地制冷。而且随着功率密度进一步增大，液体制冷变得越来越重要。传统的空气制冷仅能够支持每机架20～40kW，当代先进的RDHx技术（使用冷水的背板热交换器）可将其扩展到50～80kW。若功率密度再进一步提高，需要直接液体制冷才能可靠运行。离心泵能够实现可变计算负载的自适应流量控制，减少能源浪费，并确保系统的热稳定性。
- 系统级优化非常重要。泵、热交换器和传感器必须作为一个集成式系统进行综合设计，避免出现气穴、振动和效率损失。
- 50～120 kW的CDU代表了系统设计的“最佳点”，离心泵在这个功率范围内非常合适，能够在紧凑性、可扩展性和成本效益之间达到最佳平衡。
- 公司内部工程能力（设计、原型制作、验证）有助于精确控制泵的运行曲线、材料和性能，以满足数据中心的可靠性要求
- ASHRAE W级定义了IT设备采用供给制冷水（或制冷剂）的标准温度范围，它们可作为数据中心设计师和操作员设置允许供给液体温度的指导，供给液体通过降低ΔT、增加流体粘度和更小NPSH裕度可直接影响泵的性能，这些都是选择可靠CDU泵设计的关键因素。通过规定每种等级（如W32或W40）的最低和最高允许进水温度，这些指南可直接影响泵的尺寸、材料选择、流速和控制策略。进而能够确保即便在峰值负载下，制冷剂也能在所需的温度和压力下可靠地输送。
液体制冷的效率优势
过去几十年以来，风冷一直在为数据中心提供良好的服务，但目前这种技术正接近其散热上限。传统的室内风冷一般功率不超过每机架15～20kW；采用背板热交换器可将其增加到约50～80kW，但75～120kW及以上的AI/HPC机架通常需要直接到芯片液体制冷。
根据具体的比热、密度和温度，在20℃温度下，液体制冷的热容量比空气高3500倍以上 （ASHRAE TC 9.92024），可显著提高热效率，并实现更密集的计算，而不会受到过多气流的影响。通过将散热点更靠近芯片，D2C系统能够最大限度地降低温度梯度，即便机架功率上升，也能保持一致的入口温度。
50～120kW CDU “最佳点”
在此功率密度范围内，泵的工作状态定义了系统平衡状态。压力过大会导致功率浪费和潜在的密封磨损，流量过小则有出现热点和气穴的风险。
无论是紧凑型50 kW AI训练机架制冷，还是120 kW HPC设备，正确选择离心泵都能确保在所有负载瞬态下稳定、高效地运行。通过保持可预测的压力和流量特性，离心式CDU可提供一致的制冷液温度，并可延长服务器寿命。
应用介绍：
- 机架密度：50～120 kW（AI/HPC典型值≥75 kW）
- 流量范围：38～303 L/min（10～80 G/min），取决于工作条件、ΔT、压力和制冷剂特性
- 工作介质：水/乙二醇（典型值75/25）
- 设计重点：低净正吸入压头（NPSH）、高MTBF、最小占位面积
- 泵类型：离心泵
- 主要优点：高流量效率、可靠性、适应性
高功率密度机架的兴起
- Early 2000s: 2-5 kW per rack
- 2010-2020: 10-20 kW per rack for enterprise compute
- 2025: 100 kW AI clusters, HPC, and edge deployments regularly exceed 100 kW per rack
- 2030: Projected to be >250 kW per rack
高功率密度机架的发展毋庸置疑，单位机架的制冷需求正在呈指数级增长。
• 21世纪初：每个机架2～5kW
• 2010～2020年：用于企业计算的每个机架10～20kW
• 2025年：100 kW 人工智能集群、高性能计算、以及边缘部署通常每机架超过100 kW
• 2030年：预计每机架功率>250 kW
热密度的指数级增长已经超出了风冷技术的改进。为了维持系统性能，热管理工程师现在必须优化液体制冷回路中的每个子系统，包括能够主导整个系统流量和稳定性的CDU泵。
在这些功率密度下，CDU性能直接影响服务器的正常运行时间、用电效率（PUE）和总系统效率。选择合适的泵对于实现系统性能和可靠性目标至关重要。
离心泵与容积泵
为何离心泵在CDU应用中胜出
齿轮型或隔膜型等容积泵能够保持固定体积量输出，非常适合高压、低流量应用。然而，在系统压力相对较低，但流量调节至关重要的数据中心液体制冷环境中，容积泵的恒定流量特性则成为应对可变负载的一个缺点。
相比之下，离心泵能够将叶轮的旋转能转化为流体速度，自然地适应系统负荷。这会导致下列优势：
• 大容量液体平稳流动，能够输送大量制冷剂，确保许多直接制冷芯片的均匀温度控制
• 在典型的D2C制冷系统中，离心泵在处理低粘度流体时具有高能量效率，从而降低了能耗和运营成本
• 典型40～120kW CDU应用中，流量范围为38～303L/min（10～80G/min），离心泵效率极高
• 由于运动部件少，因而磨损少，振动低，运行更安静，维护成本低，可靠性更高
• 系统具有较低建造成本、较低前期成本、以及较低维护费用，从而降低了总体拥有成本
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离心泵能够为液冷数据中心应用提供极佳的性价比，特别是针对紧凑性和可变热负荷非常关键的应用。
离心泵内部设计
离心泵的核心部件是叶轮和蜗壳组件，它们能够使液体加速从旋转中心径向向外流动。当速度能量在蜗壳内转化为静压时，压力就会增大，从而产生连续可控的流动。
这种固有的平滑、无脉冲液体流动能够通过变频器（VFD）和传感器反馈进行微调控制。随着CDU系统变得更加智能，集成了温度、流量和压力传感器，离心泵的可调节流量特性也变得更有优势。
设计见解：
叶轮几何形状直接定义了扬程（head）和流量特性。塔克热系统（Tark Thermal Solutions）的内部设计和原型制作确保每台泵都符合50～120kW机架应用的目标性能曲线。
下图中的泵性能曲线突显了在最坏的温度/高度下，预期38～303L/min（10～80G/min）工作范围内的最佳效率点（BEP），要求NPSH裕度≥10～20%。
密封策略：提供无密封磁力驱动选项，以最大限度降低泄漏风险；否则，可指定与乙二醇混合物和添加剂兼容的机械密封类型/材料。
材料：接触液体的部件（SS316L、工程聚合物）、陶瓷轴承、与乙二醇兼容的腐蚀抑制剂。
洁净度和过滤：入口50～100µm Y型过滤器；侧流过滤；空气分离器/脱气器，以避免气穴和微气泡。
冗余：N+1台泵，具有自动故障切换功能；隔离阀和快速断开装置，便于维修使用。
控制：VFD关联到ΔT和压差设定值；低NPSHa/进气报警；CDU入口/出口和歧管分支处的流量、压力、温度传感器。
振动/声学：确定机架部署相邻设备的可接受振动（根据ISO 10816/20816等级）和噪声目标。
合规性：注意ASHRAE W级设计点（如W32/W40/W45）和设施接口（供水/回水温度、压力、水化学特性）。
工程和可靠性考虑因素
塔克热系统的公司内部泵工程项目将设计、原型制作和验证优化结合在一起，确保每个离心泵组件都符合严格的数据中心可靠性标准。
关键工程优先考虑事项包括：
• 防气穴：优化的入口几何形状和材料选择可防止在低压区形成蒸汽。
• 材料兼容性：不锈钢、工程聚合物和陶瓷轴承可确保在混合流体环境（水/乙二醇）中的长寿命。
• 紧凑的外形尺寸：易于集成的外形尺寸更适合现代CDU机柜，而不会牺牲液体流动空间。
• 耐热性：泵的专门设计确保在升高的制冷剂温度下全天候运行，可在数百万次循环中保持高性能。
• 可扩展输出：可配置设计支持10～60 GPM的流量，涵盖D2C CDU中常见的50～120 kW热管理范围。
塔克热系统泵模块完全有资质在体现Tier 3+数据中心环境的负载、压力和温度循环下连续运行。
结论：重新思考面向液冷未来的泵性能
数据中心行业的发展速度正在超出传统散热架构的适应能力。随着机架密度激增至75～120kW甚至更高，仅靠风冷无法满足散热要求，向D2C液体制冷的过渡不可避免，随之而来的是对CDU的更高性能要求。
与低粘度回路中用的尺寸过大产品或容积泵等竞争技术相比，尺寸合适的离心泵能够使工作时长的60～80%在BEP附近运行，NPSH裕度≥10-20%，能够有效地降低能耗，减少密封/轴承磨损，提高MTBF。
通过重新思考处在CDU核心的泵，工程师可针对下一代数据中心应用环境解锁更高的效率、更高的可靠性和可增加的制冷能力。
塔克热系统的离心泵技术是公司内部开发和测试，专为应对这些挑战而设计，兼具经过验证的液压性能（hydraulic performance）以及现代数据中心所需的紧凑性和高效率。
