CN111475002A - 一种冷却液及其在电子设备的冷却系统中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷却液及其在电子设备的冷却系统中的应用，所述冷却液的主成分为全氟胺类化合物。全氟胺类化合物是全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三丁胺、全氟三戊胺和全氟N‑甲基吗啉中的一种或两种以上混合物。本发明的冷却液用于数据中心服务器、超级计算机、集成处理服务器或电动汽车电池组等电子设备的冷却系统时，具有热传递效果好、散热均匀、冷却效果稳定等特点。
Description
技术领域
本发明涉及液冷领域，具体涉及一种冷却液及其在电子设备的冷却系统中的应用。
背景技术
现如今，半导体行业和新能源汽车行业伴随着科技产业升级而迅速发展。但是，在高性能计算机主机、数据中心服务器和新能源汽车的运行过程中往往会产生大量热量降低运行效率而无法得到有效的处理，这已经成为阻碍其发展的瓶颈之一。如何将这些热量传递或者转化已成为这些新技术在选址、地区温度、绿色能源和供配电系统等各方面都需要考虑的重点问题。
因此，现在数据中心的电能耗主要集中在全年运转的服务器以及配套的散热设备上。设备采用有效的散热方式，可以转化热量并且大幅降低电能耗。散热设备有两种方式，目前普遍采用的是风冷散热系统，但风冷系统能效比较低，散热设备耗能居高不下。
而液冷散热系统分为间接接触式液冷和直接浸没式液冷。直接浸没式冷却是将服务器等完全浸入装满冷却液的箱体中，冷却液直接带走服务器的芯片、内存等部件产生的热量。液冷散热系统相比于传统风冷模式系统，不但具有更好的节能效果、制冷能力以及更小的噪音，还可以通过提高功率密度来减小服务器的尺寸。
另一方面，动力电池作为新能源汽车的动力来源，其充电、放电过程中会一直存在放热现象。长时间使用将导致电池的温度过高，放热严重。因此需要通过良好的散热系统来实现降低电池的表面温度，从而避免积热过多引发的电池热失控和内部高压爆炸。
动力电池的散热冷却系统有液冷式散热系统、自然冷却散热系统和风冷式散热系统。液冷式散热系统是将电池电芯工作时产生的热量通过导热硅胶垫片传递至液冷管，利用冷却液强大的比热容吸收热量，再通过自由循环流动带走热量，使整个电池包的温度均衡统一，在安全温度内运作。为了尽可能延长动力电池的使用寿命并获得最大功率，需在规定温度范围内使用蓄电池。一般动力电池单元在-40℃至+55℃的范围内处于可运行状态，因此需要搭配有良好的散热系统来调控整个电池系统的温度。
全氟胺类化合物(全氟三乙胺C6F15N、全氟三丙胺C9F21N、全氟三丁胺C12F27N、全氟三戊胺C15F33N和全氟N-甲基吗啉C5F11NO等)是无色透明液体化学品，具有良好的化学惰性、电气绝缘性能、热传导性和表面张力，广泛作为热传导介质和清洗介质应用于半导体制造行业。根据不同的应用需求，可配置其液体沸点范围为50℃至218℃，因此可作为溶剂和冷却液应用于上述方向。
中国专利CN106569566A提供了氟碳介质在超级计算机和数据中心处理器冷却系统中的应用。其氟碳介质为C3H4F4O或C6F12C6F12O或C4H4F6O或C5H3F9O或C6H4F10O，将超级计算机和数据中心处理器冷却系统的主机的CPU浸没于氟碳介质C3H4F4O或C6F12C6F12O或C4H4F6O或C5H3F9O或C6H4F10O中。该氟碳介质虽然具有良好的冷却降温效果，但是材料兼容性和相容性较差。在长时间的使用过程中，计算机主机中的橡胶等材料会产生溶胀的现象，甚至可能会导致硬件的损害。
中国专利CN106374161A提供了氢氟醚在动力锂离子电池领域中的应用。氟碳介质为C3H4F4O或C6F12或C6F12O或C4H4F6O或C5H3F9O或C6H4F10O，具体为将氟碳介质C3H4F4O或C6F12或C6F12O或C4H4F6O或C5H3F9O或C6H4F10O装入密封容器中，使C3H4F4O或C6F12或C6F12O或C4H4F6O或C5H3F9O或C6H4F10O浸没锂离子电池。同样的，该类氟碳介质有相同的局限性，即材料的相容性和兼容性较差，其应用的场景和条件也十分有限。
本发明提到的全氟胺除了具备不燃、不爆、无毒、绝缘、比热大等优异的性能外还有着优秀的材料兼容性。全氟胺类化合物及其组合物相比于氟碳类化合物，具有以下独特优势：一、毒性更低，更适合用于室内密闭环境中。其中，全氟三丙胺被称为“人造血液”，无毒，可应用在各类医疗电子设备中；二、材料兼容性更好，全氟胺类化合物可以兼容市面上的绝大多数材料，类似于处理器中的橡胶、金属等硬件不会出现腐蚀、溶胀的现象；三、沸点量程宽泛，可应用于各类冷却系统中。沸点68℃的全氟三乙胺和沸点50℃的全氟N-甲基吗啉可以用于双相液体冷却系统中，两者组合复配物可以应用在控制馏程需求在45～70℃之间的系统中。全氟三丁胺和全氟三戊胺沸点较高，不易挥发，可以应用于沸点需求高于150℃的单相冷却系统中。
因此全氟胺类化合物作为冷却液，可应用于多种新型冷却系统，具有非常好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够用于数据中心服务器、超级计算机、集成处理服务器或电动汽车电池组的冷却系统中的多用途冷却液。
为实现上述目的，本发明提供一种绿色安全、降温效果好、蒸发冷却稳定的全氟胺类化合物作为冷却液。
所述的一种冷却液，其特征在于所述冷却液的主成分为全氟胺类化合物。
所述的一种冷却液，其特征在于所述全氟胺类化合物是碳原子数在6～15之间的全氟胺类化合物。
所述的一种冷却液，其特征在于所述全氟胺类化合物是全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三丁胺、全氟三戊胺和全氟N-甲基吗啉中的一种或两种以上混合物。
所述的冷却液在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于所述电子设备为数据中心服务器、超级计算机、集成处理服务器或电动汽车电池组。
所述的冷却液在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于电子设备的冷却系统采用单相液体冷却方式进行冷却时，所述冷却液的沸点控制在128℃～218℃之间。电子设备的冷却系统采用双相液体冷却方式进行冷却时，所述冷却液的沸点控制在40℃～70℃之间。浸没式冷却系统可分为单相浸没式和双相浸没式，根据需求的不同，可以通过选择全氟胺类化合物中一种或者多种组合物控制沸点量程进行调节。
所述的冷却液在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于当电子设备为数据中心服务器、超级计算机或集成处理服务器时，将数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、集成处理服务器的电路板浸没于所述冷却液中进行冷却；当电子设备为电动汽车电池组时，所述冷却液置于液冷管中并通过该液冷管间接接触电动汽车电池组，利用冷却液在液冷管中的冷热循环流动，实现电动汽车电池组的散热冷却。
相对于现有技术，本发明取得的有益效果是：本发明提供了一种性能优异的冷却液，该冷却液全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三丁胺、全氟三戊胺和全氟N-甲基吗啉中的一种或两种以上混合物，它们都具有不燃、不爆、无毒、对环境友好等优良性能，而且其击穿电压大于30kV(2.5mm平板电极)，有很大的介电常数，可以保证电子元件沉浸在该介质中带电工作而不发生短路。本发明的冷却液用于数据中心服务器、超级计算机、集成处理服务器或电动汽车电池组等电子设备的冷却系统时，具有热传递效果好、散热均匀、冷却效果稳定等特点。
全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三丁胺、全氟三戊胺和全氟N-甲基吗啉等全氟胺类化合物的基本性质如表1所示。
表1全氟胺类化合物物性表
全氟胺类化合物作为浸没冷却液的对其有着要求如下：
一、该介质针对于不同的沉浸冷却体系都有合适的沸点。对于单相浸没式冷却采用高沸点的全氟胺和对于双相相变浸没式冷却采用低沸点的介质，大大提高其冷却效率。
二、有很大的介电常数，可以保证电子元件沉浸在该介质中带电工作而不发生短路。
三、有着足够的安全性能，不可燃，不爆，不无毒，对环境友好。
四、有着极好的材料兼容性，长时间的接触也不会发生腐蚀的现象，能够应用在各类敏感性材料上。对铝、PMMA、丁基橡胶、铜、聚乙烯、天然橡胶、碳钢、聚丙烯、丁腈橡胶、302不锈钢、聚碳酸酯、三元乙丙橡胶、黄铜、聚酯、钼、环氧树脂、钽、PET、钨、酚醛树脂、铜合金C172、ABS、镁合金AZ32B都有很强的兼容性。
与现有技术常用的水和矿物冷却介质相比，本发明的冷却液具有更好的安全效果及冷却性能。与现有技术已有的氟碳冷却介质相比(如中国专利CN106569566A)，本发明的冷却介质具有材料相容性更好，不会对设备中的芯片、线路造成溶胀腐蚀。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：
将普通的台式PC机的主机检查密封性，直接加入全氟胺冷却液，让电脑主机的所有配件浸没冷却在全氟胺中。同时装上冷热交换管，将冷热交换管浸在全氟胺冷却液中，冷热交换管内通自来水进行冷却降温。开机连续运行程序一个月，观察CPU温度变化。采用不同的全氟胺冷却液时的实验测试结果如表2所示。其中表2中的空白样是指：台式PC机的主机利用自带风扇转动进行冷却。
表2实验测试结果
从表2结果可以看出，台式PC机的主机连续运行工作一个月后，有全氟胺冷却液浸泡的CPU温度基本在40℃以下，而空白样的温度达到了57.6℃，可能会对CPU产生损伤。该实验表明全氟胺冷却液对CPU降温有着显著效果。
实施例2：
将普通的台式PC机的主机检查密封性，直接加入全氟胺冷却液，让电脑主机的所有配件浸没冷却在全氟胺中。同时装上冷热交换管，将冷热交换管浸在全氟胺冷却液中，冷热交换管内通自来水进行冷却降温。连续运行烤机软件程序，观察温度指示情况，测试结果如表3所示。其中表3中的空白样是指：台式PC机的主机利用自带风扇转动进行冷却。
表3烤机实验测试结果
表3中：*为采用双相冷却方式进行冷却，其余冷却液测试组采用单相冷却方式进行冷却。
从表3结果看出，没有冷却液的CPU温度在烤机软件运行后瞬间达到了90多度的高温，如果长时间运行必然对设备的硬件造成不可知的损伤；而具有冷却液的实验组，平均温度均下降了20度左右，能够有效保护CPU的安全，并且能够支持电脑超载运行一段时间而不受损害。
实施例3：
将新能源汽车的电池取出，不同全氟胺冷却液置于液冷管中并通过该液冷管间接接触新能源汽车的电池，液冷管的冷却端用自来水冷却。在电池上装上温度指示计，测试电池在不同氟化液冷却下的温度变化，测试结果如表4所示。其中表4中的空白样是指：新能源汽车的电池与环境空气接触的方式进行冷却。
表4实验测试结果
表4中通过对比发现，沉浸式冷却液可以保护电池运行过程中温度不会升温过高过快，能够保持在安全的温度，从而使电池更安全高效的运行。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (7)
1.一种冷却液，其特征在于所述冷却液的主成分为全氟胺类化合物。
2.如权利要求1所述的一种冷却液，其特征在于所述全氟胺类化合物是碳原子数在6~15之间的全氟胺类化合物。
3.如权利要求2所述的一种冷却液，其特征在于所述全氟胺类化合物是全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三丁胺、全氟三戊胺和全氟N-甲基吗啉中的一种或两种以上混合物。
4.如权利要求1所述的冷却液在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于所述电子设备为数据中心服务器、超级计算机、集成处理服务器或电动汽车电池组。
5.如权利要求4所述的冷却液在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于电子设备的冷却系统采用单相液体冷却方式进行冷却，所述冷却液的沸点控制在128℃~218℃之间。
6.如权利要求4所述的冷却液在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于电子设备的冷却系统采用双相液体冷却方式进行制冷，所述冷却液的沸点控制在40℃~70℃之间。
7.如权利要求4所述的冷却液在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于当电子设备为数据中心服务器、超级计算机或集成处理服务器时，将数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、集成处理服务器的电路板浸没于所述冷却液中进行冷却；当电子设备为电动汽车电池组时，所述冷却液置于液冷管中并通过该液冷管间接接触电动汽车电池组，利用冷却液在液冷管中的冷热循环流动，实现电动汽车电池组的散热冷却。
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