CN110382659A - 对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统中的冷却液组合物 - Google Patents

对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统中的冷却液组合物 Download PDF

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Abstract

对设置在印刷电路板(PCB)上的生热元件(22)进行冷却的液冷系统(10)中的一种冷却液组合物，其包含：共聚物的浓度范围为0.05质量％至20质量％的含有共聚物的水性溶液。

Description

对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统中的 冷却液组合物
本发明涉及用于对设置在印刷电路板(PCB)上的生热元件进行冷却的液冷系统的冷却液组合物。
在现有技术中，用于对设置在印刷电路板上的生热集成电路元件进行液冷的冷却液通常包括蒸馏水或去离子水、降低冰点的添加剂、腐蚀抑制添加剂(即，降低材料腐蚀速率的化学化合物)、生物生长抑制添加剂和用于液体着色的染料或颜料作为其组分。在生产具有浑浊或不透明外观的已知冷却液的情况下，通常加入颜料粉末形式的不透明颜料。通常，二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO)用作不透明颜料。然而，上述不透明颜料或颜料粉仅以水悬浮液的形式以未指定的量加入。
特别是上述不透明颜料(即，TiO2、Al2O3和ZnO)各自是无机来源的并且基本上不溶于水。因此，现有技术中已知的不透明颜料仅可以以微粉末或纳米粉末悬浮液的形式添加到冷却液中。在冷却系统中使用该冷却液的结果是当系统运行未恒定时，即，当液冷泵并未稳定运行或具有更短和更长时间的停机时间时，微粉末或纳米粉末颜料颗粒可能在悬浮液中发生沉积。这基本是由于颜料颗粒在悬浮液中的保留将不再充足。
上述沉积通常发生在系统不运行期间或当用于使冷却液再循环的液体冷却泵不能提供所需的强制冷却液流时发生，所述强制冷却液流有助于保持微粒和纳米颗粒保留在悬浮液中。因此，微小的颜料颗粒可能会沉降入系统液体冷却热交换器的微通道和系统空气-水热交换器(散热器)的细窄液体管中。这种情况可能导致系统中冷却液流动堵塞，并且最终可能阻碍液冷系统运行。例如，沉入或在泵蜗壳(pump volute)内和转子上的颜料颗粒可能妨碍启动时的旋转，或者甚至可能由于颜料颗粒或粉末积聚在泵蜗壳内使电动机过载而损坏液冷泵。反过来，不工作的液冷泵将导致液冷系统的灾难性故障，因为系统在泵没有适当运行的情况下基本上不能在严重热负荷下运行。
此外，已知的冷却液还具有以下缺点：难以去除的干燥污渍可能留在液冷热交换器的表面上。最常见的是，成功去除由液体中所含颜料颗粒干燥所产生污渍的仅有的方法是机械研磨(即，抛光和砂磨)。然而，这可能导致液体热交换器设备的损坏。
因此，已知冷却液的常规问题是其仅提供了保留不充足的液体中所含颜料颗粒，这与液冷系统内的次优冷却液流动相关。
本发明的目的在于提供对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统的冷却液组合物，从而允许冷却液在液冷系统中最佳流动。
该目的通过具有权利要求1特征的冷却液组合物来完成。本发明的有利改进在从属权利要求中有所限定。
根据一个实施方式，提供了对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统的冷却液组合物。冷却液组合物包含共聚物浓度范围为0.05质量％至20质量％的含有共聚物的水性溶液。特别是共聚物浓度为0.06质量％至15质量％，0.07质量％至13质量％，0.08质量％至12质量％，或0.09质量％至11质量％，优选0.1质量％至10质量％。因此，可以避免由于液体中所含颜料颗粒的保留不充分导致的液冷系统中的次优冷却液流动。因此，可以实现液冷系统中冷却液的最佳流动。最佳冷却液流动可以显著降低由于冷却通道堵塞导致的液冷系统故障的风险，或者由于泵蜗壳和泵轮内的颗粒或粉末积聚导致的液冷泵损坏的风险。
优选地，共聚物包括2-甲基-2-丙烯酸与苯乙烯的聚合物。使用该特定共聚物允许为冷却液提供稳定的浑浊或不透明视觉外观。
当冷却液组合物包含平均直径为0.1μm至0.5μm的共聚物颗粒时是有利的。特别是共聚物颗粒的平均直径为0.15μm至0.4μm，优选0.18μm至0.35μm。由于相对小尺寸的共聚物颗粒，基本可以防止冷却液流动降低。
例如，冷却液组合物还可以包含颜料和/或染料。通过提供另外的颜料和/或染料，可以实现冷却液的所需视觉颜色效果。特别是，提供溶解的染料允许获得相对稳定的视觉颜色效果，而不会对冷却液流动产生不利效果。
优选地，冷却液组合物还包含颜料，该颜料不包括二氧化钛、氧化铝或氧化锌。由于省略了这些化合物，可以有效避免可能的颜料颗粒保留问题。
当冷却液组合物还包含浓度为5质量％至80质量％、优选10质量％至75质量％的丙二醇时是有利的。通过附加的丙二醇，可以提供合适的降低冰点的添加剂。
使用丙二醇作为降低冰点的添加剂是优选的，因为其相对环境友好并且使急性中毒危害最小化。
或者，冷却液体组合物还可包含单乙二醇或选自甘油、乙醇和甲醇的化合物。这些化合物可用作不同的降低冰点的添加剂。可以提供这些化合物中的任意用作降低冰点的添加剂，作为使用丙二醇的替代方案。
当冷却液组合物还包含浓度为0.5质量％至20质量％、优选1.5质量％至15质量％的2-乙基己酸钠时是有利的。通过附加的2-乙基己酸钠，可以提供高效的腐蚀抑制添加剂。
优选地，冷却液组合物还包含浓度为0.005质量％至0.15质量％、优选0.01质量％至0.1质量％的5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮与2-甲基-3(2H)-异噻唑酮。通过附加的5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮与2-甲基-3(2H)-异噻唑酮，可以提供高效的生物生长抑制添加剂。
或者，冷却液组合物可以进一步包含化合物混合物，所述化合物混合物包含至少两种选自下组的化合物：1,2-苯并异噻唑-3(2H)-酮、N-(3-氨基丙基)-N-十二烷基丙烷-1,3-二胺、5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮和2-甲基-3(2H)-异噻唑酮。这样的化合物混合物可以用作不同的生物生长抑制添加剂。可以提供这种化合物混合物用作生物生长抑制添加剂，作为使用5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮与2-甲基-3(2H)-异噻唑酮的替代方案。
当冷却液组合物还包含浓度为10质量％至90质量％、优选20质量％至80质量％的蒸馏水时是有利的。蒸馏水可以用作基础材料。作为使用蒸馏水作为基础材料的替代方案，也可以使用去离子水。
优选地，冷却液组合物是不透明或半透明的。
当冷却液组合物还包含浓度为0.2质量％至2质量％、优选0.25质量％至1质量％的聚丙烯酸钠盐时是有利的。通过聚丙烯酸钠盐，可以显著增加不透明剂(即，共聚物)的长期稳定性。
根据一个实施方式，提供了对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统。将液冷系统构造成在液冷系统内产生冷却液体流。冷却液包含冷却液组合物，所述冷却液组合物包含含有共聚物的水溶液。水性溶液的共聚物浓度范围为0.05质量％至20质量％。
例如，生热元件可以是微处理器、集成电路、或设置在印刷电路板上的任何其他PCB部件，例如、存储器IC(RAM)、非易失性存储IC(闪存)、总线开关(PCIe开关)、FPGA、ASIC、I/O控制器、PHY控制器、线圈、二极管、或电压转换器。
本发明的其他特征和优点将通过基于与附图有关的实施方式更详细解释本发明的下文进行详述。
图1显示用于生产不同示例性冷却液组合物的组分或化合物的表格；并且
图2a显示对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统的一个实施方式的示意图；并且
图2b显示了根据图2a的液冷系统的实施方式的部件的示意图。
图1显示用于生产不同示例性冷却液组合物的组分或化合物的表格。图1所示表格的第一列显示了根据优选实施方式的用于生产冷却液组合物不同组分或化合物。在该优选实施方式中，具体使用的组分或化合物是蒸馏水、丙二醇(CAS#57-55-6)、苯乙烯/丙烯酸类共聚物(CAS#9010-92-8)、2-甲基己酸钠(CAS#19766-89-3)、CMIT:MIT＝3:1的5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮与2-甲基-3(2H)-异噻唑酮(CAS#55965-84-9)。这些组分或化合物的质量百分比的相应浓度显示在图1所示表格的第二列中。图1所示表格的第三列显示了根据其它不同实施方式可以用作生产冷却液组合物的替代物的不同组分或化合物。用于生产其它实施方式的组分或化合物具体为单乙二醇(CAS#107-21-1)、甘油(CAS#56-81-5)、乙醇(CAS#64-17-5)、甲醇(CAS#67-56-1)和包含不同活性物质[即，1,2-苯并异噻唑-3(2H)-酮(CAS#2634-33-5)，N-(3-氨基丙基)-N-十二烷基丙烷-1,3-二胺(#CAS2372-82-9)、5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮(CAS#26172-55-4)和2-甲基-3(2H)-异噻唑酮(CAS#2682-20-4)]的化合物的混合物。
参考图1所示表格，苯乙烯/丙烯酸类共聚物(CAS#9010-92-8)也称为2-甲基-2-丙烯酸与苯乙烯的聚合物。进一步参考图1所示表格，CMIT:MIT表示CMIT(甲基氯异噻唑啉酮)和MIT(甲基异噻唑啉酮)的比率。
在优选实施方式中，通过以0.1质量％至10质量％的浓度向混合物中添加苯乙烯/丙烯酸类共聚物(CAS#9010-92-8)来生产冷却液组合物，所述混合物为浓度10质量％至75％的丙二醇(CAS#57-55-6)、浓度为20质量％至80质量％的蒸馏水(或去离子水)、浓度为1.5质量％至15质量％的2-甲基己酸钠(CAS#19766-89-3)、浓度为0.01质量％至0.1质量％的CMIT:MIT比率＝3:1的5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮与2-甲基-3(2H)-异噻唑酮(CAS#55965-84-9)。根据优选实施方式的冷却液组合物的特征是浑浊或不透明视觉外观。水性溶液中苯乙烯/丙烯酸类共聚物颗粒的尺寸相对较小，即，其特征为平均直径为0.18μm至0.35μm。优选实施方式的冷却液组合物中所提供的苯乙烯/丙烯酸类共聚物使冷却液产生了稳定的浑浊或不透明视觉外观。
在本文中，应注意，冷却液组合物的不同组分或化合物的浓度值或范围总是相对于总混合物(而不是相对于例如水性溶液)质量表示。
在其它优选实施方式中，可以将聚丙烯酸钠盐(CAS#9003-04-7)添加到优选实施方式的冷却液组合物中。由此，可以在更苛刻的环境中进一步稳定不透明剂(即，苯乙烯/丙烯酸类共聚物)。换言之，附加的聚丙烯酸钠盐允许使冷却液获得更稳定的浑浊或不透明的视觉效果。
作为使用生物生长抑制添加剂5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮与2-甲基-3(2H)-异噻唑酮的替代方案，可以提供由以下活性物质制成的不同生物生长抑制添加剂1,2-苯并异噻唑-3(2H)-酮(CAS#2634-33-5)、N-(3-氨基丙基)-N-十二烷基丙烷-1,3-二胺(#CAS2372-82-9)、5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮(CAS#26172-55-4)和2-甲基-3(2H)-异噻唑酮(CAS#2682-20-4)。
在其它不同实施方式中，冷却液组合物还可以通过使用单乙二醇(CAS#107-21-1)替代丙二醇(CAS#57-55-6)进行生产。然而，优选使用丙二醇，因为冷却液由此对环境更友好，同时使急性中毒危害最小化。此外，生产冷却液组合物不限于使用丙二醇和单乙二醇，但是还可以使用任何以下防冻添加剂：甲醇、乙醇和甘油。
在一些实施方式中，冷却液还可以通过使用另外的染料或颜料进行着色。典型地，颜料着色和染料着色之间的不同在于颜料着色中，染料完全溶解在冷却液中，而颜料着色产生悬浮液。通过溶解的染料和包含共聚物的特定水性溶液的组合，可以生产特征为稳定视觉颜色效果的冷却液。
不同于现有技术，本发明的冷却液组合物可以防止冷却液受由颜料或粉末颗粒保留问题影响，因为其基本不含二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、或氧化锌(ZnO)颗粒或其悬浮液。
本发明的一些实施方式提供了如下优点：冷却液组合物不会因冷却通道堵塞而导致液冷系统故障，或者不会因颗粒积聚在泵蜗壳和泵轮内而损坏液冷泵。
本发明的一些实施方式还提供对许多类型金属(例如铝、铜、黄铜、不锈钢)的广谱腐蚀保护，并且与位于液冷系统内部的许多类型的塑料材料(例如，POM、PC、PCCM、PMMA、PPS、ABS和MABS)兼容。
本发明冷却液组合物的进一步特征为允许用水或醇简单去除干燥的污渍或斑点。
图2a显示对设置在印刷电路板上的生热元件进行冷却的液冷系统10的一个实施方式的示意图。图2b显示了根据图2a的液冷系统的实施方式的部件(即，冷板12和生热元件22)的示意图。如图2a所示，液冷系统10包括冷板12、具有液体储存器15的液冷泵14(例如，膨胀容器)和散热器16。冷板12也可以称为冷却液块(cooling liquid block)。例如，液冷泵14是电动泵。例如，散热器16是液体-空气热交换器，并且包括多个风扇18a至18c。冷板12和散热器16通过柔性冷却管道20a至20c连接至液冷泵14。图2a所示的液冷系统10的实施方式可以集成到计算机外壳(例如，塔式PC)，用于对其CPU进行冷却。
在运行时，冷板12可以与设置在印刷电路板上的生热元件22热接触。将冷板12构造成吸收生热元件22所产生的热量。该热吸收过程由图2b中的箭头Q表示。
参见图2a，液冷系统10在液冷系统10内产生冷却液(例如，前述实施方式的冷却液组合物)流动。冷却液的流动通过液冷泵14产生。液冷泵14泵送液体储存器15所提供的冷却液，以使得冷却液产生从液冷泵14经由柔性冷却管道20a流动至散热器16，从散热器16经由柔性冷却管道20b流动到冷板12，并且从冷板12经由柔性冷却管道20c流动到液冷泵14。冷却液的该流动由图2a中的箭头P1至P3表示。
冷却过程的特征如下。冷板12吸收生热元件22所产生的热量。流动通过冷板12的冷却液吸收热量，并通过液冷泵14将该热量传递到散热器16。在散热器16中，发生散热使得流动通过其的冷却液高效冷却。对于散热，散热器16可以与另一侧(箭头P4所示)上的相对冷的空气进行热接触，并且可以在散热器16的另一侧(箭头P5所示)上产生相对较热的空气。相对较热的空气可以通过散热器16的风扇18a至18c吹走。因此，生热元件22可以通过在散热器16中散热后使冷却液流动通过冷板12来高效地进行冷却。

Claims (16)

1.一种冷却液组合物，该冷却液组合物用于用来对设置在印刷电路板(PCB)上的生热元件(22)进行冷却的液冷系统(10)，其中，冷却液组合物包含：
共聚物浓度为0.05质量％至20质量％的含有共聚物的水性溶液。
2.如权利要求1所述的冷却液组合物，其中，共聚物浓度为0.06质量％至15质量％，0.07质量％至13质量％，0.08质量％至12质量％，或0.09质量％至11质量％，优选0.1质量％至10质量％。
3.如权利要求1或2所述的冷却液组合物，其中，共聚物包括2-甲基-2-丙烯酸与苯乙烯的聚合物。
4.如权利要求1至3中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物包含平均直径为0.1μm至0.5μm的共聚物颗粒。
5.如权利要求4所述的冷却液组合物，其中，共聚物颗粒的平均直径为0.15μm至0.4μm，优选0.18μm至0.35μm。
6.如权利要求1至5中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物还包含颜料和/或染料。
7.如权利要求1至6中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物还包含颜料，该颜料不包括二氧化钛、氧化铝或氧化锌。
8.如权利要求1至7中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物包含浓度为5质量％至80质量％、优选10质量％至75质量％的丙二醇。
9.如权利要求1至7中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液体组合物还包含单乙二醇，或者冷却液组合物还包含选自甘油、乙醇和甲醇的化合物。
10.如权利要求1至9中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物还包含浓度为0.5质量％至20质量％、优选1.5质量％至15质量％的2-乙基己酸钠。
11.如权利要求1至10中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物还包含浓度为0.005质量％至0.15质量％、优选0.01质量％至0.1质量％的5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮与2-甲基-3(2H)-异噻唑酮。
12.如权利要求1至10中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物还包含化合物混合物，其中，化合物混合物包含至少两种选自下组的化合物：1,2-苯并异噻唑-3(2H)-酮、N-(3-氨基丙基)-N-十二烷基丙烷-1,3-二胺、5-氯-2-甲基-3(2H)-异噻唑酮和2-甲基-3(2H)-异噻唑酮。
13.如权利要求1至12中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物还包含浓度为10质量％至90质量％、优选20质量％至80质量％的蒸馏水。
14.如权利要求1至13中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物是不透明或半透明的。
15.如权利要求1至14中任一项所述的冷却液组合物，其中，冷却液组合物还包含浓度为0.2质量％至2质量％、优选0.25质量％至1质量％的聚丙烯酸钠盐。
16.一种对设置在印刷电路板上的生热元件(22)进行冷却的液冷系统(10)，其中，液冷系统(10)构造成在液冷系统(10)中产生冷却液流动，该冷却液包含如权利要求1至15中任一项所述的冷却液组合物。
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