水基冷卻液（Water-based Coolant）
3 秒看懂
一句話： 水基冷卻液是資料中心液冷系統中以去離子水為基底、新增防腐/抑菌/緩蝕等功能新增劑的工作介質，憑藉遠超空氣的比熱容與導熱係數，成為 AI 高功耗晶片（單卡 700 W+）散熱的主流冷板方案核心載體。
關鍵數字錨點：
- 水的比熱容 ~4.18 kJ/(kg·K)，約為空氣的 ~4 倍（定壓比熱容口徑）
- 水的導熱係數 ~0.60 W/(m·K)，約為空氣的 ~25 倍
- 當前 AI 訓練卡單卡 TDP 持續攀升（H100 SXM ~700 W、B200 級別據公開資訊已跨入 ~1000 W 區間），風冷散熱逼近極限，液冷成為剛需
3 分鐘產業解釋
為什麼 AI 基礎設施需要液冷？
傳統資料中心以空氣為載熱介質（CRAC/CRAH + 風冷散熱器），但 AI 訓練叢集的功率密度正在以指數級攀升：
- 單卡功耗飆升： 從 A100 的 ~400 W 到 H100 的 ~700 W，再到新一代 B 系列據公開報道已突破 ~1000 W 量級，風冷散熱器的熱阻能力逐漸不足。
- 叢集熱密度集中： 一臺 8 卡 DGX 伺服器整機功耗可達 ~10 kW 以上，傳統機櫃風冷散熱能力上限通常在 ~15–20 kW/櫃，液冷可將單櫃散熱能力提升至 50–100 kW 量級 [行業估算，口徑因廠商/方案差異較大]。
- PUE 壓力： 液冷系統可將 PUE 從傳統風冷的 1.3–1.5 壓縮至 1.05–1.15 區間 [行業共識估算]，對於動輒百 MW 級的 AI 資料中心，節省的電費極為可觀。
水基冷卻液在液冷體系中的位置
液冷技術按液體是否接觸晶片可分為兩大路線：
| 路線 | 冷卻介質是否直接接觸晶片 | 典型介質 | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|
| 冷板式（間接液冷） | 否，冷板貼合晶片表面，液體在封閉流道內迴圈 | 水基冷卻液（去離子水+新增劑） | AI 訓練/推論伺服器，當前市場主流 |
| 浸沒式（直接液冷） | 是，整板/整機浸入液體 | 單相：礦物油/合成油；兩相：氟化液 | 高密度 HPC、邊緣場景 |
水基冷卻液是冷板液冷方案的核心工作介質，佔據當前 AI 資料中心液冷市場的主導份額（據多家行業報告估計，冷板方案佔比超過液冷整體市場的 60–80%，但具體數字因統計口徑和時期而異）。
15 分鐘專家深入
核心技術挑戰
水基冷卻液看似簡單——“不就是水嗎”——但在工程實踐中面臨一系列技術挑戰：
1. 腐蝕問題（Corrosion）
純水（尤其是去離子水）是極強的溶劑，會腐蝕銅、鋁等常見冷板/管路金屬材料：
- 銅冷板與鋁管路之間的電偶腐蝕（galvanic corrosion）是典型失效模式
- 解決方案：新增緩蝕劑（inhibitor），常見體系包括：
- 有機酸型（OAT，如癸二酸、苯甲酸鈉等）
- 無機鹽型（矽酸鹽、磷酸鹽、鉬酸鹽等）
- 混合型（hybrid OAT）
- 緩蝕劑配方是各冷卻液廠商的核心 IP 壁壘
2. 微生物滋生（Biofouling）
水基環境在適宜溫度（20–50°C）下極易滋生微生物（細菌、藻類、真菌），導致：
- 流道堵塞
- 生物膜（biofilm）覆蓋換熱面，熱阻急劇增加
- 解決方案：新增殺菌劑（biocide），如異噻唑啉酮類、氧化型殺菌劑等
3. 結垢與沉積（Scale & Deposit）
水中溶解的鈣、鎂等離子在高溫區域（如晶片熱點附近）可能析出形成水垢：
- 水垢導熱係數極低（碳酸鈣 ~2.2 W/(m·K)，遠低於銅 ~400 W/(m·K)），嚴重惡化散熱
- 解決方案：使用去離子水為基底 + 新增阻垢劑（antiscalant）
4. 材料相容性（Material Compatibility）
冷板液冷系統涉及多種材料：銅（冷板流道）、鋁（部分管路）、不鏽鋼（快接頭）、EPDM/矽膠（密封圈）、聚合物（管路）等，冷卻液必須與所有接觸材料相容：
- 某些緩蝕劑可能侵蝕特定橡膠密封件
- 需要進行全面的材料相容性測試（通常按 ASTM 或廠商內部標準）
關鍵技術引數
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 水基冷卻液 vs 其他冷卻介質的關鍵物性對比 │
│ (基於工程常用值，非特定產品實測) │
├──────────────┬──────────┬──────────┬─────────────────┤
│ 引數 │ 去離子水 │ 水-乙二醇 │ 氟化冷卻液 │
│ │ (25°C) │ (50/50) │ (如工程氟化液) │
├──────────────┼──────────┼──────────┼─────────────────┤
│ 比熱容 │ ~4.18 │ ~3.3 │ ~1.0–1.1 │
│ [kJ/(kg·K)] │ │ │ │
├──────────────┼──────────┼──────────┼─────────────────┤
│ 導熱係數 │ ~0.60 │ ~0.40 │ ~0.05–0.07 │
│ [W/(m·K)] │ │ │ │
├──────────────┼──────────┼──────────┼─────────────────┤
│ 密度 │ ~997 │ ~1070 │ ~1600–1800 │
│ [kg/m³] │ │ │ │
├──────────────┼──────────┼──────────┼─────────────────┤
│ 粘度 │ ~0.89 │ ~2.5–3.0 │ ~0.6–0.8 │
│ [mPa·s] │ │ │ │
├──────────────┼──────────┼──────────┼─────────────────┤
│ 電導率 │ ~5.5×10⁻⁶│ 導電 │ 不導電 │
│ [S/m] │(理論純水)│ │ (介電液體) │
├──────────────┼──────────┼──────────┼─────────────────┤
│ 凝固點 │ 0°C │ -35~-37 │ - │
│ │ │ (依配比) │ │
├──────────────┼──────────┼──────────┼─────────────────┤
│ 主要用途 │ 資料中心 │ 北方戶外/ │ 浸沒式冷卻 │
│ │ 冷板液冷 │ 防凍場景 │ 兩相冷卻 │
└──────────────┴──────────┴──────────┴─────────────────┘
注：上述數值為工程參考範圍，不同廠商產品/濃度/溫度下差異較大。
去離子水的極低電導率對應的是理論超純水，實際冷卻液因新增劑
會顯著提高電導率。水基冷卻液的組分體系
一款商用資料中心水基冷卻液通常包含以下組分：
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ 水基冷卻液組分架構 │
│ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 基底水 │ 去離子水 / RO 純水 │
│ │ (85-99%+) │ 電導率通常要求 < 1 μS/cm │
│ └──────┬───────┘ │
│ │ │
│ ┌──────┴───────────────────────────────────┐ │
│ │ 功能新增劑 (1-15%) │ │
│ ├──────────┬───────────┬──────────┬────────┤ │
│ │ 緩蝕劑 │ 殺菌劑 │ 阻垢劑 │pH 緩衝│ │
│ │Inhibitor │ Biocide │Antiscalant│ 劑 │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │·有機酸型 │·異噻唑啉酮 │·聚羧酸類 │·硼酸鹽│ │
│ │·無機鹽型 │·氧化型 │·膦酸類 │·碳酸鹽│ │
│ │·混合型 │ │ │ │ │
│ └──────────┴───────────┴──────────┴────────┘ │
│ │
│ 可選：著色劑（便於檢漏）、消泡劑、潤溼劑等 │
└─────────────────────────────────────────────────┘技術原理
傳熱機制
水基冷卻液在冷板液冷系統中的傳熱過程可分為三個串聯熱阻環節：
┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌───────────┐ ┌──────────┐
│ 晶片 Die │───▶│ 冷板(銅/鋁) │───▶│ 液體邊界層 │───▶│ 主流體 │───▶ 冷卻塔/CDU
│ │ │ 固體導熱 │ │ 對流換熱 │ │ 對流+混合 │
│ 熱流密度 │ │ │ │ │ │ │
│ 可達 100+ │ │ 熱阻: ~0.01 │ │ 熱阻: ~0.01│ │ 熱阻: ~ │
│ W/cm² │ │ K/W 量級 │ │ -0.05 K/W │ │ 0.001 K/W│
└──────────┘ └──────────────┘ └───────────┘ └──────────┘
▲ ▲
結構熱阻(設計可控) 流量/流速可調關鍵傳熱引數：
- 對流換熱係數 h： 在典型冷板流道（微通道/翅片結構）中，水基冷卻液的 h 值可達 ~10,000–50,000 W/(m²·K) 範圍，遠超空氣強制對流的 ~50–200 W/(m²·K) [工程估算，視流道設計/流量而異]。
- 熱阻 = 1/(h·A)， 其中 A 為換熱面積。微通道冷板通過增大比表面積來降低總熱阻。
努塞爾數 (Nu) 關聯：
在微通道湍流條件下，水基冷卻液的 Nu 數可由經驗關聯式估算：
Nu = (f/8)·(Re - 1000)·Pr / [1 + 12.7·(f/8)^0.5·(Pr^(2/3) - 1)]
-- Gnielinski 關聯式 (適用於 Re ~2300-5×10⁶)
其中：
f = (0.790·ln(Re) - 1.64)^(-2) -- Petukhov 摩擦因子
Re = ρ·v·D_h / μ -- 雷諾數
Pr = μ·c_p / k -- 普朗特數
水在 40°C 時：
Pr ≈ 4.3（遠低於氟化液 Pr ≈ 6-25，但其高 k 值補償）
這意味著水的熱邊界層發展特性不同，冷板設計需針對性最佳化壓降與泵功
冷板設計的核心 trade-off 之一：換熱能力 vs 壓降（泵功消耗）。
- 增加流量 → 換熱係數 h 提升 → 但壓降 ΔP ∝ v² 快速增長
- 微通道設計 → 換熱面積增大 → 但通道越窄，壓降越高
- 水的粘度較低（25°C 時 ~0.89 mPa·s），相比水-乙二醇混合液（~2.5–3 mPa·s）或某些氟化液，泵功優勢明顯
典型冷板壓降範圍（水基冷卻液，視流道設計）：~10–100 kPa [工程估算，高度依賴具體冷板設計]
CDU（Coolant Distribution Unit）架構
水基冷卻液通常不在機櫃內直接散熱，而是通過 CDU 實現二次換熱：
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 典型冷板液冷架構 │
│ │
│ 一次側（設施水/冷卻塔水） │
│ ┌─────────┐ ┌──────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ 冷卻塔/ │────▶│ CDU │────▶│ 二次側分配 │ │
│ │ 冷水機組 │ │(板式換熱器│ │ (機櫃行級) │ │
│ │ │◀────│ 熱交換) │◀────│ │ │
│ └─────────┘ └──────────┘ └──────┬──────┘ │
│ 可能含乙二醇 ┌──────┐ │ │
│ 或開放式冷卻水 │ 水泵 │ ▼ │
│ │ 過濾器│ ┌──────────────────┐ │
│ │ 膨脹罐│ │ 機櫃內 manifold │ │
│ └──────┘ └───────┬──────────┘ │
│ ▼ │
│ ┌────────────────┐ │
│ │ GPU/CPU 冷板 │ │
│ │ (銅微通道結構) │ │
│ └────────────────┘ │
│ │
│ 二次側管路中迴圈的就是水基冷卻液 │
│ 一次側可能是開放式冷卻水或閉式乙二醇水溶液 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘CDU 的關鍵作用：
- 隔離一次側與二次側水質，防止汙染
- 精確控溫（流量、溫度調節）
- 監測漏液、流量、水質引數
技術演進史
| 時期 | 階段 | 關鍵事件 |
|---|---|---|
| 1960s–1990s | 大型機時代 | IBM 大型機已使用水冷；水基冷卻液主要用於主機（mainframe）散熱 |
| 2000s | 風冷主導 | x86 伺服器普及，風冷成本低、部署簡單，液冷技術被擱置 |
| 2010s | HPC 復甦 | 高效能運算叢集（如超級計算機）重新採用液冷；CoolIT、Asetek 等廠商推廣冷板方案 |
| 2016–2020 | GPU 加速興起 | NVIDIA V100（~300 W）推動液冷試水，但風冷仍可覆蓋 |
| 2021–2023 | 拐點來臨 | A100（~400 W）、H100（~700 W）使高階 GPU 風冷散熱逼近極限；微軟 Azure、Google 等大規模部署液冷 |
| 2024+ | 全面加速 | B100/B200（~1000 W 級別據公開報道）、GB200 NVL72 等新架構全面採用液冷設計；冷板液冷成為新建 AI 資料中心標配趨勢 |
技術路線對比
| 維度 | 水基冷卻液（冷板式） | 氟化液（浸沒式） | 礦物油（浸沒式） | 風冷 |
|---|---|---|---|---|
| 散熱效率 | ★★★★★ | ★★★★ | ★★★ | ★★ |
| 電氣安全性 | ★★★（非介電，需防漏） | ★★★★★（介電） | ★★★★（介電但粘稠） | ★★★★★ |
| 系統複雜度 | ★★★（CDU+管路+快接） | ★★★★（浸沒槽體+密封） | ★★★★（維護不便） | ★ |
| 初始成本 | ★★★ | ★★★★★（氟化液價格高） | ★★ | ★ |
| 運維成本 | ★★★（水質管理） | ★★（液體損耗低） | ★★★★（更換週期長） | ★★ |
| 相容性 | ★★（需防漏設計） | ★★★★★ | ★★★★ | ★★★★★ |
| PUE | ~1.05–1.15 | ~1.02–1.10 | ~1.03–1.12 | ~1.3–1.5 |
| 適用功率密度 | 單櫃 50–100 kW | 單櫃 100+ kW | 單櫃 50–80 kW | 單櫃 15–25 kW |
| 產業鏈成熟度 | ★★★★★ | ★★★ | ★★★ | ★★★★★ |
| 當前 AI 資料中心份額 | 主流（佔液冷大頭） | 增長中 | 小眾 | 仍佔存量多數 |
注：星級為定性評估，PUE 與功率密度為行業常見範圍估算，具體取決於設計實現。★越多越好（成本項則越少★越好）。
上下游
產業鏈全景
上游 中游 下游
───────── ───────── ─────────
原料供應商 冷卻液配製/CDU裝置 終端使用者
┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
│去離子水 │ │ 冷卻液廠商 │ │ 雲端廠商/AI │
│純水裝置 │──────────▶│ ·3M(工程液) │─────────▶│ ·Microsoft │
│(如 Ecolab)│ │ ·陶氏化學 │ │ ·Google │
└──────────┘ │ ·專用配方商 │ │ ·Meta │
└──────┬───────┘ │ ·字節跳動 │
┌──────────┐ ┌──────┴───────┐ │ ·阿里雲端 │
│緩蝕劑/ │──────────▶│ CDU 製造商 │ └──────────────┘
│殺菌劑/ │ │ ·Vertiv │
│阻垢劑 │ │ ·Schneider │ ┌──────────────┐
│化工原料 │ │ ·CoolIT │ │ 伺服器 OEM │
└──────────┘ │ ·英維克 │─────────▶│ ·Dell │
│ ·曙光數創 │ │ ·HPE │
┌──────────┐ └──────┬───────┘ │ ·浪潮 │
│銅材/鋁材 │ │ │ ·超聚變 │
│冷板加工 │──────────────────┘ └──────────────┘
│(如健策、 │
│ 鴻準) │
└──────────┘
┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
│快接頭 │──────────▶│ 冷板整合商 │─────────▶│ GPU/晶片廠商 │
│管路/閥件 │ │ │ │ ·NVIDIA │
│密封件 │ │ │ │ (參考設計 │
│(如Stäubli│ │ │ │ 含液冷規格) │
│ Parker) │ │ │ └──────────────┘
└──────────┘ └──────────────┘關鍵供應關係
- NVIDIA 的角色： NVIDIA 在 H100/B200 等產品的參考設計中已明確支援冷板液冷，其 DGX 系統和 GB200 NVL72 機架方案均內建液冷架構，從晶片端向上拉動了整個水基冷卻液供應鏈。
- CDU 是價值量最高的環節： 單臺 CDU 價格通常在數萬至十數萬元區間 [行業估算，因規格差異大]，是液冷系統中價值量最集中的部件。
- 快接頭（Quick Disconnect）是易漏點： 液冷系統中每個連線點都是潛在漏液風險，快接頭需要零洩漏（zero-spill）設計，單價雖不高但技術壁壘和可靠性要求極高。
關鍵指標
| 指標 | 含義 | 典型要求/範圍 | 重要性 |
|---|---|---|---|
| 電導率 | 衡量水中離子含量 | 純水基底要求 < 1 μS/cm；成品冷卻液視配方而定 | ★★★★★（洩漏時影響電氣安全） |
| pH 值 | 酸鹼度，影響腐蝕速率 | 通常要求 7.0–9.5 範圍 [工程要求，因緩蝕體系不同而異] | ★★★★ |
| 緩蝕效率 | 對銅/鋁/不鏽鋼的腐蝕抑制率 | 通常要求 > 95%（按 ASTM D1384 等方法測試） | ★★★★★ |
| 比熱容 | 單位質量載熱能力 | 純水 ~4.18 kJ/(kg·K)，新增劑會略微降低 | ★★★★ |
| 導熱係數 | 熱傳導能力 | 純水 ~0.60 W/(m·K) | ★★★★ |
| 粘度 | 影響泵功與流速分佈 | 純水 ~0.89 mPa·s (25°C)，越低越好 | ★★★ |
| 使用壽命 | 冷卻液更換週期 | 通常要求 ≥ 3–5 年（不更換）[廠商承諾，因工況而異] | ★★★★ |
| 閃點/燃點 | 安全指標 | 水基冷卻液無可燃性，這是其安全優勢之一 | ★★★ |
| 材料相容性 | 與密封件/管路材料相容 | 需通過全套材料相容性測試 | ★★★★★ |
供需與市場資料
⚠️ 重要說明： 以下市場資料來自多家行業研究機構的公開報告摘要與供應鏈估算，不同機構口徑差異較大，僅供參考定性趨勢，不可作為精確投資依據。
市場規模
- 全球資料中心液冷市場 整體規模，據多家行業報告的公開摘要，2023 年約為數十億美元量級，預計到 2027–2028 年可能增長至百億美元級別 [多家行業報告綜合估算]。
- 水基冷卻液（含 CDU 系統） 是其中佔比最大的細分（冷板方案），但單獨的冷卻液作為耗材的價值量相對有限——CDU、冷板、快接頭等硬體的價值量遠高於冷卻液本身。
- 冷卻液本身在液冷系統總成本中佔比較低（通常 < 5%–10% [行業估算]），但其配方決定了系統可靠性，是”小而關鍵”的環節。
供需格局
- 供給側： 目前全球商用資料中心水基冷卻液供應商以國際化工巨頭（如陶氏、巴斯夫、3M 等在工程冷卻液領域有版面配置）和專業配方廠商為主。國內方面，部分散熱系統整合商（如英維克、曙光數創等）也在版面配置冷卻液配方 [公開資訊]。
- 需求側： 由 AI 訓練/推論叢集的建設速度驅動，北美雲端廠商（Microsoft Azure、Google Cloud、AWS）和國內網際網路大廠（字節跳動、阿里、騰訊等）是主要需求方。
代表公司與資本對映
| 環節 | 代表公司 | 上市情況 | 與水基冷卻液的關係 |
|---|---|---|---|
| CDU/系統整合 | Vertiv (VRT) | 美股上市 | 全球領先的資料中心熱管理方案商，CDU 產品線齊全 |
| CDU/系統整合 | Schneider Electric | 歐股上市 | EcoStruxure 液冷方案 |
| CDU/冷板 | CoolIT Systems | 未上市（獲多輪融資） | 冷板液冷方案專業廠商，與多家 OEM 深度合作 |
| CDU/冷板 | Asetek (ASETEK.OL) | 挪威上市 | 液冷技術先驅，從消費級向資料中心拓展 |
| 冷卻塔/配套設施 | Vertiv / Schneider | 見上 | 一次側冷卻基礎設施 |
| 國內 CDU/整合 | 英維克 (002837.SZ) | A 股上市 | 國內精密溫控龍頭，液冷產品線覆蓋 CDU 等 |
| 國內 CDU/整合 | 曙光數創 (872541.BJ) | 北交所上市 | 中科曙光體系，浸沒/冷板液冷方案 |
| 國內 CDU/整合 | 申菱環境 (301018.SZ) | A 股上市 | 資料中心溫控，含液冷產品 |
| 快接頭 | Stäubli | 瑞士未上市 | 全球快接頭龍頭，零洩漏液冷快接頭 |
| 快接頭/管路 | Parker Hannifin (PH) | 美股上市 | 流體連線件全球龍頭 |
| 冷板加工 | 鴻準/健策等 | 臺股 | 精密金屬加工，冷板散熱器 |
| GPU 廠商（需求端拉動） | NVIDIA (NVDA) | 美股上市 | GB200 NVL72 全液冷參考設計，產業拉動核心 |
注：部分公司的液冷業務在其總營收中佔比可能仍然較小，投資對映需關注業務佔比。
投資邏輯
看多邏輯
- AI 算力需求是確定性趨勢，液冷是被動剛需： 單卡功耗持續攀升（700W → 1000W → 更高），風冷物理上限逐步觸及，液冷滲透率將持續提升。
- 新建資料中心佔比加速： 據行業共識，2024–2026 年新建 AI 專用資料中心中液冷滲透率可能從早期的 20%–30% 向 50%+ 攀升 [行業估算]。
- 存量改造空間巨大： 大量已有資料中心仍採用風冷，改造需求將持續釋放。
- 中國”東數西算”等政策推動高能效資料中心建設，PUE 要求趨嚴利好液冷。
核心風險
- 冷卻液本身價值量佔比低： 真正的價值集中在 CDU、冷板、快接頭等硬體環節，而非冷卻液耗材本身。投資標的選擇需注意業務對映的準確性。
- 技術路線不確定性： 浸沒式液冷技術如果突破成本瓶頸，可能分流冷板式份額，間接影響水基冷卻液的需求路徑（但浸沒式目前成本更高、運維更復雜）。
- 競爭格局分散： 冷卻液配方門檻相對有限，可能面臨價格競爭。
- 宏觀經濟週期： 資料中心建設節奏受資本支出週期影響。
常見誤讀糾偏
誤讀 1：“水基冷卻液就是普通自來水/純淨水，沒什麼技術含量”
糾偏： 純水（去離子水）雖然熱物性優異，但直接使用會導致嚴重腐蝕和微生物問題。商用冷卻液的核心 IP 在於緩蝕/殺菌/阻垢新增劑的配方——如何在不顯著降低熱物性的前提下實現 3–5 年免更換的系統可靠性，是化工配方工程問題。配方不當的冷卻液可能導致冷板穿孔、管路堵塞等災難性故障。
誤讀 2：“液冷 = 浸沒式冷卻，水基冷卻液主要用於浸沒式”
糾偏： 恰恰相反。當前 AI 資料中心液冷的主流方案是冷板式（間接液冷），水基冷卻液在冷板內部封閉迴圈，不與晶片直接接觸。浸沒式冷卻使用的通常是氟化液（介電液體）或礦物油。將”液冷”等同於”浸沒式”是概念混淆。
誤讀 3：“冷卻液漏了就會燒晶片”
糾偏： 水基冷卻液確實導電，洩漏確實有電氣風險。但現代冷板液冷系統設計了多重防護：
- 零洩漏快接頭設計
- 漏液檢測感測器（導電率/溼度感測器）
- CDU 壓力監測與自動關斷
- 冷板貼合面密封設計（O-ring 或焊接）
實際工程中，漏液事件發生率極低（據廠商宣稱，百萬小時級別的 MTBF [廠商資料，未經獨立驗證]），但確實需要將此風險納入設計冗餘考慮。這也是部分極高可