冷却液分配单元 (CDU) 是高密度数据中心冷却的关键部件，它连接着机房的冷冻水回路和机架的液冷回路。本文将定义冷却液分配单元，概述其核心组件和配置，并涵盖运行注意事项，包括冷却介质（水/乙二醇）、流量和压力控制、监控以及安全。

 

我们还讨论了与机架级组件的集成、维护最佳实践和典型用例，最后给出了 CDU 的功能比较表。

 

 

什么是冷却液分配单元？
冷却液分配单元 (CDU) 是一种专用于现代数据中心和高性能计算 (HPC) 环境的液冷子系统。它在建筑物的冷冻水或冷凝水系统与 IT 设备的冷却回路之间提供了一个闭环接口。CDU 循环并调节冷却液，使其流向芯片直接冷却板、后门热交换器或液浸式冷却系统，同时保持设施用水的独立性。

 

其热交换器将两个回路隔离，从而避免设施用水（通常水质不稳定或使用不同的冷却液）接触敏感的IT冷却回路。这种热隔离可保护硬件，并允许独立控制两侧冷却液的温度、流量和压力。实际上，CDU可将精确、无污染的冷却液输送到服务器冷板，然后将吸收的热量传递到楼宇系统。

 

CDU（冷却分配单元）位于机房冷却和机架级冷却之间，能够在不使服务器直接接触机房自来水的情况下，实现液冷优势（更高的容量和效率）。正如 Hays Fluid Controls 公司所解释的，CDU 使运营商能够“使用工程流体（例如乙二醇基冷却剂）”，并将冷却液循环温度维持在露点以上，从而避免冷凝。简而言之，CDU 能够处理超出空气冷却能力范围的热负荷，使高功率、高密度部署成为可能。

 

 

 

冷却液分配单元的核心部件
一个典型的冷却液分配单元包含以下几个关键部件：

 

换热器：隔离式液-液换热器（通常为钎焊板式或壳管式）是常温冷却装置 (CDU) 的核心部件。它将热量从二次回路 (IT) 传递到主回路，而不会混合流体。这可以防止污染并允许独立回路控制。
泵：集成泵以所需的流量将冷却剂输送到 IT 回路。大多数 CDU 采用冗余泵配置（1+1 热插拔泵），以便在一个泵发生故障或需要维修时无需停机。泵可以是恒速或变速的，其尺寸设计旨在克服机架回路（冷板、歧管、过滤器等）的压降。 

控制阀：电动或手动阀用于调节流量分配和温度控制。例如，旁通阀或差压阀可根据机架的不同需求进行调节，从而保持所有支路的流量平衡。CDU 的控制系统利用这些阀门来调节冷却剂并维持设定值。
传感器：传感器网络持续监测 CDU。温度传感器跟踪进/出口冷却剂温度；压力传感器监测回路压力；流量计测量冷却剂流量；电导率或泄漏检测传感器检查流体纯度。这些仪表可实现实时控制和报警。Burkert 指出，CDU 通常包含“压力、温度和电导率传感器”以及流量计，以保护设备并与楼宇监控系统集成。

控制系统：嵌入式PLC或控制器负责监控CDU的运行。它读取传感器数据，驱动泵和阀门，并可与数据中心基础设施管理（DCIM）系统或楼宇管理系统（BMS）连接。操作人员使用控制界面（Web用户界面或网络协议）查看CDU状态并调整参数。许多CDU通过控制单元提供报警和安全联锁功能。
过滤和膨胀： CDU在IT回路侧配备精细过滤器以去除颗粒物（通常为5-50微米过滤器），有时在设施侧也配备过滤器。可能还设有膨胀罐或缓冲罐以适应热胀冷缩引起的体积变化。这些功能可保护闭环系统并维持流体质量。

 

这些组件共同构成了一个独立的循环系统：它将冷却剂泵入机架回路，对其进行过滤和监控，通过热交换器进行热隔离，然后将其返回到设施回路中。

 

 

 

典型配置（机架式CDU、机柜式CDU 等）

CDU（冷却分配单元）有多种外形尺寸，以适应不同的数据中心布局。主要有两种类型：机架式（或行内式）CDU 和落地式（行内式）CDU。

机架式CDU（通常是 1U-4U 模块）直接安装在单个设备机架或一小组机架中，仅服务于这些机柜。

机柜式CDU（通常是全高机架单元，例如38U-42U）放置在机架之间或沿热通道放置，为多个机架供电。落地式CDU也可以服务于整排或整组机架。

 

机架内CDU：紧凑型单元，安装于单个机架上，可处理高达数百千瓦的热量。例如，Supermicro的机架式CDU每个机架可处理约100-250千瓦的热量。它们适用于仅对少数机架进行液冷升级的渐进式液冷方案。

机柜式CDU (CDU)：体积更大、容量更高的机柜（100 kW 至 1 MW 以上）。链力液冷指出，行内式冷排单元可支持高达约 2000 kW 的机架总负载。这些单元通常配备更大的热交换器、更多的水泵和更大的流量。它们为多个相邻机架供冷，并直接连接到设施的冷冻水管道。

定制机架/CDU系统：一些供应商将小型CDU集成到机架外壳中（尤其适用于高性能计算或GPU密集型机架）。其他供应商则使用专用的“液冷架”或后门热交换器，并结合中央CDU为整排设备散热。

 

所有配置均使用软管套件或管道将冷却分配单元 (CDU) 连接到数据中心的冷冻水供回水系统。在每个机架内，冷却剂通常通过歧管（通常称为冷却剂分配歧管，或 CDM）分配到服务器的冷板。

歧管将加热后的冷却液送回CDU的输入端。软管连接CDU和设施的管道系统。

 

 

冷却介质：水与乙二醇
冷却液分配单元 (CDU) 的主要冷却介质是水，通常会添加添加剂。大多数 CDU 在辅助回路中使用去离子水或高纯水。为了防止冻结或微生物滋生，可以添加乙二醇（乙二醇或丙二醇）或其他抑制剂。例如，Lori Technology 的行内式 CDU 支持使用去离子水或浓度高达约 30% 的乙二醇/丙二醇混合物。

 

乙二醇的优势在于防止结冰（适用于室外冷却器）和减少腐蚀。水的优势在于其卓越的比热容和导热性。现代常温冷凝器和冷板设计用于纯水或乙二醇-水混合物，操作人员必须相应地管理流体化学成分。ASHRAE 指南建议在 IT 回路中保持极低的离子污染（例如氯化物 <5 ppm，硬度 <20 ppm），以保护材料。

 

无论使用纯水还是乙二醇，常温冷凝器通常都在较高的温度下运行（通常冷却剂供应温度为 20–30 °C），以保持高于露点。这样可以避免电子元件上出现冷凝水。常温冷凝器的控制系统会根据需要维持设定温度（例如高于环境露点 2 °C），以确保安全、“100% 显热”的冷却。

 

 

流量和压力管理
流量和压力控制在常温排水装置 (CDU) 的运行中至关重要。CDU 水泵必须提供足够的流量以满足热负荷。一个经验法则是每千瓦热量大约需要 1.5 至 2.0 升/分钟的流量（具体取决于温差）。例如，一台处理 100 千瓦热量的 CDU 可能需要循环 150 至 200 升/分钟的冷却剂。变速驱动器或多级泵使 CDU 能够根据需求调节流量。

 

许多设计采用正压运行：CDU泵使IT回路的压力略高于大气压。这意味着泄漏会将冷却剂排出（而不是空气进入），从而提高安全性。相比之下，“负压”系统（真空回路）在发生泄漏时可能会吸入空气，从而导致气塞和腐蚀。

 

在常量配电装置 (CDU) 回路中，阀门和分流支路确保均衡分配。支路流量计和压力传感器（每个机架或回路）用于验证每个机架是否获得其应有的配额。例如，伯克特 (Burkert) 提供调节旁通阀和流量计，以便精确测量和控制支路流量。泄压阀或平衡阀可防止过压。差压传感器通常用于检测过滤器堵塞或泵故障。

 

实际上，当系统负载发生变化（例如服务器空闲或负载增加）时，CDU 的 PLC 可以通过调节泵速或打开旁通阀来维持所需的温度和压力。控制逻辑会持续将传感器读数与目标值进行比较，并据此调整泵速和阀门位置。良好的 CDU 设计可以避免压力尖峰，并在所有运行范围内保持冷却液流量的稳定。

 

 

 

 

监控系统

现代冷却剂分配装置 (CDU) 集成了先进的监控系统，以确保安全高效的运行。如前所述，它们通常在换热器的设施侧和 IT 侧都配备了流量计、压力传感器和温度探头。这些数据传输至 CDU 的控制器或数据中心基础设施管理 (DCIM) 平台。操作人员可以通过 SNMP、Modbus 或 Web 界面实时查看冷却剂进出口温度、各支路流量和回路压力等遥测数据。

 

冷却液分配单元 (CDU) 通常支持远程管理：可以为任何参数（例如高压、低流量、高温）设置报警阈值。例如，出口温度或流量的突然下降可能会触发警报，提示可能存在泵故障或泄漏。连续电导率监测（如 [15] 中所述）甚至可以检测冷却液纯度的变化。泄漏检测器或湿度传感器可以安装在机架下方，并与 CDU 报警系统连接。

 

Supermicro指出，他们的CDU系统可与机架管理软件（“SuperCloud Composer”）集成，并支持Web用户界面访问。同样，施耐德电气建议在部署过程中实施全面的泄漏检测和快速断开接头。简而言之，CDU是整个数据中心控制架构的一部分，其PLC或控制器可主动管理泵/阀门，并将状态报告给设施管理系统。

 

 

 

维护最佳实践

正确的维护保养能够确保冷却液分配装置的可靠性。关键的维护保养措施包括：

过滤器维护：定期检查并更换过滤器。由于板式换热器和冷板的通道很小，颗粒物容易造成堵塞。操作人员应监测过滤器压差：压降升高通常表明过滤器堵塞。ASHRAE 建议“通过压降监测过滤器负荷”，并按计划更换过滤器。通常，设备侧和 IT 侧回路都配备网状过滤器或滤芯过滤器；IT 侧的精细过滤器（通常为 5–50 µm）可能需要根据污染程度每月或每季度更换一次。

流体质量：维护流体化学成分。定期检查冷却液的 pH 值、杀菌剂、缓蚀剂和电导率。根据需要更换去离子器滤芯或进行处理，以使溶解矿物质保持在目标水平。水质差会加速结垢或腐蚀。

泵和阀门检查：定期测试冗余泵。即使是冗余泵，也应运行并测试每台泵（1+1 系统）。检查是否存在异常振动或噪音。应定期活动阀门（尤其是电动控制阀），以防止卡滞。

传感器校准：验证温度、压力和流量传感器的精度。校准误差可能导致控制不当。流量计（如有脏污）应进行清洁，压力表应进行检查。
泄漏检查：定期检查所有连接件、接头和软管组件，查看是否有冷却液泄漏的迹象。即使配备了泄漏检测报警器，人工目视检查也能发现滴漏或接头渗水等问题。施耐德电气建议对冷却装置单元 (CDU)、歧管和冷板进行例行检查，以“防止泄漏、堵塞或系统故障”。

软件更新：如果 CDU 有固件或软件（用于控制或用户界面），请按照供应商建议将其更新至最新版本。补丁程序可以修复问题或添加新功能。

文件记录和培训：保持 CDU 管道、控制架构和设定点的清晰文件记录。确保员工接受过紧急停机程序培训（例如，发生重大泄漏时隔离水泵）。

 

遵循既定的维护计划（通常与设施制冷维护计划相一致）可以最大限度地延长系统正常运行时间。美国采暖、制冷与空调工程师学会 (ASHRAE) 强调，设施和技术回路都需要监控和定期维护，以避免出现意外情况。

 

 

 

安全和泄漏管理

液冷系统中安全至关重要。冷却分配单元 (CDU) 集成了应对泄漏和故障的功能：

正压设计：如前所述，大多数冷却装置 (CDU) 的 IT 回路都采用略微正压运行。这意味着任何泄漏都会导致冷却液流出（而不是吸入空气），泄漏的冷却液往往会流到接水盘或地板上，而不是渗入设备内部。

泄漏检测：应在机架内和空调机组 (CDU) 下方安装集成式或外置式泄漏传感器。当传感器检测到水分时，CDU 控制系统可以自动关闭水泵并隔离回路。许多系统提供“泄漏检测报警输入”，以便与楼宇管理系统 (BMS) 或监控与数据采集系统 (SCADA) 连接。施耐德电气特别建议配备泄漏检测器和快速断开歧管，以“降低运行风险”。

过压释放： CDU 通常配备压力释放阀或热力释放阀，以防止泵失控或阀门关闭时出现过压。这些装置可保护冷板和软管。

电气安全：水泵和控制器应正确接地并符合电气安全标准。鉴于循环泵靠近水源，任何循环泵都应连接具有接地故障保护的电路。

紧急隔离： CDU 与机架之间的管道应配备手动阀或电动阀，用于紧急隔离。软管组件上的快速接头有助于在紧急情况下快速断开连接。

泄漏控制： CDU 和机架应放置在滴水盘或密封容器中，以收集泄漏物。控制室应制定液体处理方案，以应对可能发生的泄漏事故。

 

通过针对这些风险进行设计，并监测压力和流量异常，操作人员可以避免灾难性故障。例如，CDU IT回路中压力突然下降可以触发警报并停止泵运行，从而防止冷却剂泄漏到系统之外。

 

 

 

与机架和机箱的集成：
冷却液分配单元 (CDU) 通过歧管和软管连接到机架级液冷组件。在典型的配置中：CDU 将冷却液泵送到机架式冷却液分配歧管 (CDM)，然后由 CDM 将冷却液分配到每个服务器的冷板。连接到 CPU/GPU 的冷板冷却芯片，然后将热冷却液返回到机架歧管，最终返回到 CDU。一些设计将歧管功能集成到服务器中，或使用机箱级接头。

 

Supermicro 和其他供应商提供标准化的软管套件和快速接头，以便机架可以连接到 CDU 机柜。例如，机架的液冷层架可能带有进/回水口，可与 CDU 的出水口匹配。这些连接通常采用防漏接头，易于更换。软管套件的灵活性也允许未来的扩展：CDU 可以根据需要连接到备用管线和额外的机架歧管。

 

在物理位置上，冷却液分配单元（尤其是行内式）通常放置在机架排的末端或热通道的中间。冷却软管从架空地板下方或上方连接到每个机架。在封闭式机架系统中，冷却液分配单元与该排的分配系统相连。在较小的部署中，单个机架的冷却液分配单元可以安装在机架外壳的顶部或底部。

 

 

冷却液分配单元的应用案例和优势

在热负荷超过空气冷却极限的情况下，空调机组（CDU）的价值最为显著。常见应用场景包括：

高性能计算 (HPC) 和人工智能 (AI)：这些环境通常包含数十个 GPU 或多个高性能 CPU 的机架。基于 CDU 的液冷技术可直接从芯片中散热，从而实现每个机架 30–100+ kW 的功率密度。据 Supermicro 称，CDU 能够实现远超 CRAC 机组的“极高机架密度”。

云计算和超大规模数据中心：拥有数千台服务器的大型数据中心会在特定的热点区域或下一代设计中使用冷配电单元 (CDU)。通过逐步部署 CDU，数据中心可以逐机架地提升冷却能力，而无需对整个设施进行改造。

科学和工业数据中心：金融交易大厅、油气建模中心和政府研究中心都依赖液冷技术来实现超低延迟和最高能效。Supermicro 列出的行业包括云服务提供商、研究机构、人工智能/机器学习、油气等。

边缘计算：较小的设施（例如电信或汽车测试实验室）可以使用紧凑型 CDU 对装有发热服务器的机架进行定向冷却。

其他：浸没式或电池充电式数据中心也可能使用 CDU 来回收热量或处理特殊流体。

 

优势：使用冷却液分配单元 (CDU) 可带来诸多益处。它通过消除大型风扇负荷并利用自然冷却（高温冷却液）来提高能源效率。CDU 可稳定冷却，使 IT 硬件保持在精确的温度范围内且高于露点，从而减少停机时间。

 

它们允许在混合配置中同时部署液冷和风冷，从而降低风险和资本支出。从长远来看，由于 CDU 将更多设施的散热输送到冷水机循环回路，而不是耗能巨大的精密空调机组 (CRAC)，因此可以降低 PUE（电源使用效率）和运营成本。其模块化设计也意味着数据中心可以从几个液冷机架开始，并根据需要进行扩展。总之，CDU 现在已成为实现高密度、高效率数据中心的“黄金标准”。

 

 

冷却液分配单元功能对比

特征	典型规格/范围	为什么这很重要
制冷能力	机架级功率约为 50–250 千瓦；行内功率可达 1,000–1,800 千瓦	决定设备能够去除多少热量。
泵配置	冗余（2×）正压泵（1+1）	即使一台泵发生故障，也能确保持续运行。
流速	每个机架回路的流量约为 100–500 升/分钟（随功率负载而变化）	充足的水流能确保热量有效散去。
压力等级	约0.3–0.7兆帕（45–100磅/平方英寸）	与冷板/管材规格相匹配，避免泄漏或破裂。
冷却液类型	去离子水或乙二醇（乙烯/丙烯）水溶液	乙二醇能降低冰点；水的比热容更高。
过滤	IT侧的精细过滤器（5–50 μm）	保护狭窄的冷板通道免受碎屑/堵塞。
传感器与监测	集成温度/压力/频率传感器；PLC/SCADA接口	支持实时控制、报警和 DCIM 集成。
占地面积/外形尺寸	机架式（1U-4U）至全机架式（42U）	影响 CDU 在数据中心的安装位置。
控制界面	Web 用户界面、SNMP/Modbus、BMS 集成	支持远程管理和警报。

 

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关于冷却液分配单元的常见问题
冷却液分配单元如何提高数据中心的能源效率？
冷却液分配单元通过直接冷却高热组件来提高能源效率，从而减少对传统空调的依赖。通过循环温水回路并在露点温度以上运行，CDU 优化了热源的散热，降低了电源使用效率 (PUE)，并减少了整体冷却成本。

冷却液分配单元有哪些商业优势？
冷却液分配单元通过提高机架密度、降低能耗和支持逐步部署液冷系统，带来长期的商业效益。这种灵活性有助于数据中心在无需大量基础设施投资的情况下高效扩展，从而最大限度地提高投资回报率和可持续性。

哪些行业最能从冷载流子单元 (CDU) 中获益？
那些需要处理大量高性能计算工作负载的行业对冷载流子单元的依赖程度最高。关键行业包括云计算服务、人工智能/机器学习研究、金融服务、石油天然气和先进制造业，这些行业的散热负荷超过了传统空气冷却能力。