CN115717057A - 一种单相浸没式冷却介质、冷却系统和冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单相浸没式冷却介质、冷却系统和冷却方法，其中单相浸没式冷却介质包括由氟碳化合物类物质组成的下层液冷剂以及由硅油类物质组成的上层隔绝层。由下层液冷剂起到传热作用，发热部件浸没于下层液冷剂中进行冷却，由于下层液冷剂由氟碳化合物类物质组成，主要成分为六氟丙烯三聚体，相比较于传统氟化合物液冷剂，具有流动性好、GWP值低的优点，但易挥发、易氧化降解；而组成冷却介质的上层隔绝层的作用主要是避免下层液冷剂挥发与氧化降解，有效地降低了冷却介质的损耗率，降低了该冷却介质的使用成本。
Description
【技术领域】
本发明属于液冷技术领域，具体涉及单相浸没式冷却技术。
【背景技术】
在人工智能和5G时代，随着数据中心的规模越来越大，部署的机架越来越密集，对服务器负载的要求越加苛刻，传统的空气冷却技术不能满足数据中心的制冷要求。为解决这个问题，许多企业在其数据中心开始采用浸没式液体冷却技术。
浸没式液冷，是一种典型的直接接触型液冷，它是将发热的电子元件浸没在冷媒(冷却液)中，依靠液体热交换带走热量。浸没式液冷由于发热元件与冷媒全方位直接接触，散热效率相比于传统的散热方式：风冷和水冷，它的散热效率更高，而相对于冷板或喷淋液冷，它的噪音更低。
目前浸没式液冷系统主要分为单相系统和两相系统，单相系统冷却介质不发生相变，通过流动循环带走发热部件的热量；两相系统冷却介质在换热过程中吸收发热部件产生的热量，从液态转变为气态，从而带走热量，然后由冷凝器冷凝回流，循环往复。两相系统由于在冷却过程中涉及相变，对冷却介质的要求较高，目前应用来说具有相对较高的使用成本。并且由于冷却过程中需要蒸发冷凝，整个冷却系统的密封性必须较好，否则冷却介质损失过多，进一步增加了应用成本。另外，还有相关报道指出可能会发生冷却介质造成电子元器件损坏的情况。
因此，成本更低、操作更简单、对设备要求不高的单相浸没式液冷系统作为未来数据中心主流的冷却系统正在不断发展。过去浸没式冷却液主要有矿物油、煤油、硅油等惰性液体来进行导热，但是这些物质的流动性较差，散热效果不佳，且矿物油、煤油等均易燃，一旦设备产生火花则容易发生燃烧爆炸。目前主流采用氟碳化合物，主要是氟烷烃和全氟聚醚类化合物作为冷却剂，具有低毒性、高化学稳定性、优异的介电性等优点。但该类化合物GWP值较高，温室效应严重，最终难免面临淘汰的结局。因此获得一种流动性较好、对电子元器件相容性好、对环境友好、高效散热的用于集成芯片电路板冷却用的冷却液十分重要。
专利CN113717699A公开了一种组合物、含硅液冷剂及其制备方法以及浸没冷却系统，该技术方案使用了以全氟聚醚类物质为主，添加流动促进剂、三氟丙基甲基硅油、六氟丙烯三聚体共同组成含硅液冷剂，该配方在一定程度上能够解决全氟聚醚作为冷却剂流动性差的问题，但不能规避高GWP值物质对环境带来的影响。
专利CN109072054A公开了使用六氟丙烯三聚体作为液冷传热流体的技术方案，六氟丙烯三聚体具有低GWP值、低粘度等优点，能够解决上述问题，但是由于其沸点较低，在使用过程中损耗率较高，存在使用成本过高的问题。
综上所述，目前单相浸没式冷却介质主要存在的问题在于冷却介质散热性、环境友好性、应用成本间的矛盾。使用氟烷烃和全氟聚醚类化合物，虽然具有较高的沸点，损耗率低，但一般粘度较大，不易循环带走发热元件产生的热量，且温室效应严重。而使用低沸点氟碳化合物，虽然流动性好，散热性能优异，但是应用过程中损耗率高，需要不断补充冷却介质导致应用成本较高。
【发明内容】
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种单相浸没式冷却介质，可以有效解决传统冷却介质存在的流动性不佳、GWP值高、使用损耗高的缺点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
首先，本发明提供了一种单相浸没式冷却介质，包括由氟碳化合物类物质组成的下层液冷剂以及由硅油类物质组成的上层隔绝层。
优选的，所述硅油类物质具有下述结构：
其中，R1、R2为H或C1-C20的烷基或芳烷基。
优选的，所述硅油类物质的沸点≥120℃，且25℃下粘度为5-500cP。
优选的，所述硅油类物质为二甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基苯基硅油、甲基乙基硅油、甲基丙基硅油、甲基丁基硅油、甲基戊基硅油、甲基己基硅油、甲基十二烷基硅油、甲基含氢硅油中的任意一种或者任意两种以上的混合物。
优选的，所述上层隔绝层的厚度≥1mm，且占冷却介质总高度的比例≤10％。
优选的，所述氟碳化合物类物质由以下重量份的组分组成：六氟丙烯三聚体90-100份；全氟聚醚0-10份。
优选的，所述氟碳化合物类物质的沸点≥150℃，且25℃下粘度10-10000cP。
另外一方面，本发明还提供了一种冷却系统，包括冷却介质储槽和存储于冷却介质储槽中的冷却介质，所述冷却介质采用所述的单相浸没式冷却介质，发热部件设于冷却介质储槽内且浸没在冷却介质中进行冷却。
进一步的，所述冷却系统还包括与冷却介质储槽连接的液冷剂循环泵和换热装置。
此外，本发明还提供了一种冷却方法，采用所述的冷却系统对发热部件进行冷却，发热部件浸没于所述单相浸没式冷却介质中进行冷却，并且下层液冷剂与换热装置进行热交换。
本发明采用的技术方案，由下层液冷剂起到传热作用，发热部件浸没于下层液冷剂中进行冷却，由于下层液冷剂由氟碳化合物类物质组成，主要成分为六氟丙烯三聚体，相比较于传统氟化合物液冷剂，具有流动性好、GWP值低的优点，但易挥发、易氧化降解；而组成冷却介质的上层隔绝层的作用主要是避免下层液冷剂挥发与氧化降解，有效地降低了冷却介质的损耗率，降低了该冷却介质的使用成本。
因此，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、该冷却介质与传统氟烷烃和全氟聚醚类化合物冷却液相比，具有更高的流动性、更低的GWP值，使用该冷却介质的冷却系统散热更为高效。
2、该冷却介质相比单纯使用六氟丙烯三聚体作为冷却液，挥发度低，使用损耗率低，应用成本低。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式中详细的揭露。
【附图说明】
图1为本发明提供的一种实施方式的单相浸没式冷却系统运行示意图。
图中，1-发热部件，2-下层液冷剂，3-上层隔绝层，4-液冷剂循环泵，5-换热装置。
【具体实施方式】
下面结合本发明实施例对本发明的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
目前单相浸没式冷却介质主要存在的问题在于冷却介质散热性、环境友好性、应用成本间的矛盾。因此，本发明实施方式提供了一种单相浸没式冷却介质，当然，由于冷却介质为液态，如图1所示，因此该冷却介质需要设置在冷却介质储槽内，该冷却介质包含由硅油类物质组成的上层隔绝层3和氟碳化合物类物质组成的下层液冷剂2。
其中，硅油类物质为具有下述结构的一种物质或多种物质的混合物：
其中，R1、R2为H或C1-C20的烷基或芳烃基。
具体的，适用于该冷却介质上层隔绝层的硅油类物质可以为二甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基苯基硅油、甲基乙基硅油、甲基丙基硅油、甲基丁基硅油、甲基戊基硅油、甲基己基硅油、甲基十二烷基硅油、甲基含氢硅油中的任意一种或者任意两种以上的混合物。
氟碳化合物包含以下重量份的组分：六氟丙烯三聚体90-100份；全氟聚醚0-10份。
本发明实施方式中，由于下层起主要传热作用的液冷剂主要成分为六氟丙烯三聚体，相比较于传统氟化合物液冷剂，其具有易挥发、易氧化降解的特点。因此组成冷却介质的上层隔绝层的作用主要是避免下层液冷剂挥发与氧化降解，有效地降低了冷却介质的损耗率，降低了该冷却介质的使用成本。
本发明实施方式中，使用的硅油类物质其沸点大于等于120℃，其25℃下粘度为5-500cP。作为上层隔绝层的硅油沸点过低，无法起到抑制下层挥发的效果。而其室温下粘度超过500cP时，则会由于粘度过大，在更换冷却介质、移动发热元件等过程中产生不便。
优选的，使用的硅油类物质其沸点大于等于150℃，其25℃下粘度为5-100cP。
本发明实施方式中，下层液冷剂使用六氟丙烯三聚体和全氟聚醚的混合物，也能够在不影响流动性的前提下，在一定程度上降低六氟丙烯三聚体在使用过程中的损耗。
本发明实施方式中，使用的全氟聚醚其沸点大于等于150℃，其25℃下粘度为10-10000cP。当全氟聚醚的沸点大于等于150℃时，全氟聚醚的加入能够降低下层液冷剂的挥发度，从而降低下层液冷剂在使用过程中的损耗。但全氟聚醚具有沸点越高、粘度越大的特点，在上述混合比例下，当加入的全氟聚醚室温下粘度超过10000cP时，会使液冷剂粘度大幅提升，影响使用过程中的流动性。
本发明实施方式中，由硅油类物质组成的上层隔绝层厚度不低于1mm且占总冷却介质高度的占比不高于10％。由于硅油类物质和下层液冷剂具有一定的表面张力差异，因此要使得其能够在下层液冷剂上方完全铺展，其厚度将不低于1mm。而在实际使用过程中上层隔绝层高度占总冷却介质高度的占比达到10％以上时，其隔绝效果基本没有变化，继续增加上层隔绝层高度占比，会导致发热元件无法完全接触下层液冷剂，增加冷却系统冷却介质储槽的高度。
如图1所示，本发明还提供了一种冷却系统，包含封闭或半封闭冷却介质储槽、冷却介质，其中冷却介质为上述的单相浸没式冷却介质，冷却介质存储于冷却介质储槽中。发热部件在冷却介质储槽中与冷却介质接触，具体是将发热部件全部浸没于所述单相浸没式冷却介质的下层液冷剂中。所述冷却系统还包括与冷却介质储槽下部连接的液冷剂循环泵4和换热装置5，以及对应的管道。液冷剂循环泵4连接层液冷剂和换热装置，在液冷剂循环泵4的作用下，下层液冷剂与其它换热装置进行热交换。
可以理解的是，上述的发热部件可以为数据中心或其它电子元器件。
本发明还提供了一种冷却方法，将发热部件的主体部分或全部浸没与上述单相浸没式冷却介质的下层液冷剂中，然后下层液冷剂与换热装置进行热交换。即由硅油类物质组成的上层隔绝层不参与冷却介质循环，氟碳化合物组成的下层液冷剂参与冷却介质循环。
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明中使用的材料，除非另有说明，否则均使用市售的常规材料。
本发明中针对冷却介质的粘度测定，使用旋转粘度计测定。
本发明中针对冷却介质的介电击穿强度测定，根据ASTM D149测定。
本发明中针对冷却介质的介电常数、体积电阻率测定，使用宽频介电阻抗谱仪测定。
实施例1
在长60cm、宽30cm、高60cm的方形冷却介质储槽中，注入45cm高的液冷剂，液冷剂成分为100％六氟丙烯三聚体，然后注入1mm高的二甲基硅油，将电脑主机全部浸没在液冷剂中，使用泵循环液冷剂与储槽外换热器进行热交换。在CPU满负荷运行的情况下，使计算机平稳运行24h，并通过相应电脑程序检测CPU的温度，机身配数显温度计显示冷却介质温度。
上述测试数据结果、冷却介质损耗率见表1，冷却介质粘度、介电击穿强度、介电常数、体积电阻率检测数据见表2。
实施例2
在其它条件与实施例1相同的前提下，液冷剂成分为99％六氟丙烯三聚体、1％全氟聚醚PFPE1(市售品)。具体检测结果见表1、表2。
实施例3
在其它条件与实施例1相同的前提下，液冷剂成分为98％六氟丙烯三聚体、2％全氟聚醚PFPE1(市售品)。具体检测结果见表1、表2。
实施例4
在其它条件与实施例1相同的前提下，液冷剂成分为95％六氟丙烯三聚体、5％全氟聚醚PFPE1(市售品)。具体检测结果见表1、表2。
实施例5
在其它条件与实施例1相同的前提下，液冷剂成分为90％六氟丙烯三聚体、10％全氟聚醚PFPE1(市售品)。具体检测结果见表1、表2。
实施例6
在其它条件与实施例1相同的前提下，注入二甲基硅油高度为2cm。具体检测结果见表1、表2。
实施例7
在其它条件与实施例1相同的前提下，注入二甲基硅油高度为4.5cm。具体检测结果见表1、表2。
实施例8
在其它条件与实施例1相同的前提下，注入二甲基硅油高度为6cm。具体检测结果见表1、表2。
实施例9
在其它条件与实施例1相同的前提下，注入乙基硅油作为隔绝层。具体检测结果见表1、表2。
对比例1
使用全氟聚醚PFPE2(市售品)作为冷却介质，通过实施例1方法测试。具体检测结果见表1、表2。
对比例2
使用六氟丙烯三聚体(市售品)作为冷却介质，通过实施例1方法测试。具体检测结果见表1、表2。
表1实施例1-9、对比例1、2液冷测试结果
表2实施例1-9、对比例1、2冷却介质物性测试结果
由表1、表2中数据显而易见的，本发明提供的冷却介质具有较好的冷却效果、优异的介电性能，而使用全氟聚醚类物质作为冷却介质，其较大的粘度会导致循环受阻不易散热，而单纯使用六氟丙烯三聚体作为冷却介质则面临着物料损耗的问题。
以上所述，仅为发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.一种单相浸没式冷却介质，其特征在于，包括由氟碳化合物类物质组成的下层液冷剂以及由硅油类物质组成的上层隔绝层。
2.根据权利要求1所述的一种单相浸没式冷却介质，其特征在于，所述硅油类物质具有下述结构：
其中，R1、R2为H或C1-C20的烷基或芳烷基。
3.根据权利要求1所述的一种单相浸没式冷却介质，其特征在于，所述硅油类物质的沸点≥120℃，且25℃下粘度为5-500cP。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种单相浸没式冷却介质，其特征在于，所述硅油类物质为二甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基苯基硅油、甲基乙基硅油、甲基丙基硅油、甲基丁基硅油、甲基戊基硅油、甲基己基硅油、甲基十二烷基硅油、甲基含氢硅油中的任意一种或者任意两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种单相浸没式冷却介质，其特征在于，所述上层隔绝层的厚度≥1mm，且占冷却介质总厚度的比例≤10％。
6.根据权利要求1所述的一种单相浸没式冷却介质，其特征在于，所述氟碳化合物类物质由以下重量份的组分组成：六氟丙烯三聚体90-100份、全氟聚醚0-10份。
7.根据权利要求6所述的一种单相浸没式冷却介质，其特征在于，所述氟碳化合物类物质的沸点≥150℃，且25℃下粘度为10-10000cP。
8.一种冷却系统，包括冷却介质储槽和存储于冷却介质储槽中的冷却介质，其特征在于，所述冷却介质采用权利要求1至7中任意一项所述的单相浸没式冷却介质，发热部件设于冷却介质储槽内且浸没在冷却介质中进行冷却。
9.根据权利要求8所述的一种冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括与冷却介质储槽连接的液冷剂循环泵和换热装置。
10.一种冷却方法，其特征在于，采用权利要求9所述的冷却系统对发热部件进行冷却，发热部件浸没于所述单相浸没式冷却介质中进行冷却，并且下层液冷剂与换热装置进行热交换。
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