随着高功率部件（CPU、GPU 等）在 ITE 设备中的普及，单相冷板液冷解决方案已成为服务器制造商及数据中心运营商的主流选择。本文深入探讨了单相冷板液冷技术原理，并针对某高性能服务器 1U 半宽节点，对比分析了两种不同流道设计的液冷方案及其实验与仿真结果。
一、液冷技术基础与方案设计
单相冷板液冷通过冷却液流经直接接触热部件的冷板带走热量。根据回路设计可分为开环和闭环两类，其中开环系统具备更高的冷却能力。冷却液的选择需综合考量热性能、材料兼容性、环保性及成本，常用介质包括含添加剂的水及乙二醇基液体。为优化热性能，微通道冷板的翅片结构、流道设计及制造工艺（如 3D 打印）至关重要。此外，软管、歧管、快速接头及泄漏检测传感器等辅助配件也是确保系统长期可靠运行的关键。
1. 液冷节点设计方案
本研究针对搭载 350W Intel Sapphire Rapids CPU 与 DDR5 DIMM 的 1U 半宽节点，设计了开环单相冷板液冷方案。系统采用抑制丙二醇基导热液（PG25），由外部 CDU 供液，通过并联流路分别冷却 CPU 与 DIMM，其余热负载（如磁盘、电源）仍由风冷承担。
为全面评估不同设计对散热性能的影响，研究提出了两种节点方案：
- 节点方案 1（直流道）：CPU 冷板采用直管接头与直流道设计，翅片高度 5mm，进出液口位于侧面。该设计导致冷板顶盖较高，管路需绕行至冷板旁，占用内部空间较大。
- 节点方案 2（U 型流道）：CPU 冷板采用 L 型弯管接头与 U 型流道设计，翅片高度 3mm，进出液口位于顶部。该设计有效降低了冷板高度，允许管路走线至冷板上方，显著节省了服务器节点内部空间。
两种方案的 DIMM 冷板结构相似，均采用贴有抗摩擦导热界面材料的管式冷板，以适应组装公差并确保良好的热接触。
2. 设计目标
在 40℃供液温度、2LPM 流量条件下，系统设计目标如下：
- CPU 冷板热阻小于 0.04℃/W；
- 节点溶液总压降小于 20kPa；
- DIMM 温度低于 85℃。
二、实验设置
实验采用包含机架内 CDU、歧管及压差传感器的液冷测试平台。测试对象涵盖 CPU 冷板、DIMM 冷板及整机节点。CPU 测试使用英特尔热测试车（TTV）模拟 350W 热负载，整机测试则搭载真实 CPU 与 DIMM。通过嵌入式热电偶与内部传感器监测芯片外壳及 DIMM 温度，并依据公式计算冷板热阻。
三、实验结果分析
1. 节点方案 1 性能测试
CPU 冷板测试：在 1LPM 流量下，直流道 CPU 冷板热阻为 0.036℃/W。供液温度从 25℃升至 40℃时，由于冷却液粘度降低，压降下降约 10%~25%，但热阻变化不明显。
DIMM 冷板测试：DIMM 冷板压降略高于同流量下的 CPU 冷板，两组冷板压降表现一致。
整机节点测试：在双 CPU（270W）与 16 个 DIMM（10W）负载下，受软管布线影响，并联流路流量存在不均，导致 CPU 冷板 2 的温升比冷板 1 高 7%~11%。DIMM 温升受液冷流量与风扇转速共同影响，测试表明在 40℃供液、2LPM 流量及 75% 风扇转速下，系统可支持最高 33W 的 DIMM 功耗。
2. 节点方案 2 性能测试
CPU 冷板测试：U 型流道冷板因翅片高度较低且数量较少，增加了流体流速，其热阻（0.030℃/W）比方案 1 低约 0.006℃/W，但压降显著增加（5.8kPa）。此外，L 型弯管接头也 contributed 了额外的压降。
整机节点测试：得益于更合理的顶部走线设计，方案 2 的并行流路流量分配更均匀，CPU 间温差小于方案 1。然而，由于冷板及接头阻力较大，方案 2 的总压降比方案 1 高出约 20%~30%。
3. 压降分布对比
数据显示，虽然方案 2 的 CPU 冷板压降远高于方案 1，但其软管及接头压降较低。综合来看，方案 2 的总压降仍高于方案 1，主要归因于冷板内部流道设计的差异。
四、仿真验证与修正
利用 Simcenter Flotherm 软件建立数值模型进行仿真验证。结果显示，冷板热阻仿真误差控制在 5% 以内，压降仿真误差在 10% 以内（极低流量除外）。
针对整机节点总压降仿真值偏高的问题（约高出实测 15%~30%），研究指出这是因软件将光滑软管弯头简化为直角折管所致。通过引入经验公式对局部阻力系数进行修正后，仿真结果与实测数据吻合度显著提升，误差缩小至 10% 以内。仿真还进一步证实了并联流路间存在的微小流量分配差异，解释了实验中观察到的热性能偏差。
五、总结与结论
本研究通过对两种单相冷板液冷方案的设计、实验及仿真分析，得出以下核心结论：
- 方案可行性：两种方案均能满足 350W CPU 及 33W DIMM 的散热需求，符合设计目标。
- 热阻与压降权衡：U 型流道冷板（方案 2）凭借优化的翅片参数，热阻比直流道冷板（方案 1）低 10%~20%，但单体压降高出 2~3 倍。
- 系统级表现：尽管方案 2 的冷板压降较高，但因其优化的管路布局降低了软管阻力，使得系统总压降仅比方案 1 高出 20%~30%，在空间紧凑性上具有明显优势。
- 温度影响：供液温度升高会显著降低系统压降（源于冷却液粘度变化），但对热阻影响有限。
- 混合散热效应：DIMM 散热是液冷与风冷共同作用的结果，未来需进一步优化冷板设计以兼顾散热效率与维护便利性。
- 仿真修正必要性：在使用通用热分析软件时，需针对管路弯头等细节应用经验公式修正，以确保压降预测的精准度。