CN111726971A - 一种浸没式液态相变冷却介质及其在电子设备的冷却系统中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浸没式液态相变冷却介质及其在电子设备的冷却系统中的应用，所述冷却介质为全氟‑4‑甲基‑2‑戊烯、六氟丙烯三聚体、全氟己酮、全氟庚烷、全氟辛烷、全氟‑2‑甲基‑2,3‑环氧戊烷、全氟己烷、全氟戊烷中的一种、两种或三种混合而成的混合物。本发明提供的浸没式相变冷却介质具有高电绝缘性能、低粘度、较低沸点、高气化潜热、良好的兼容性和稳定性、不可燃且可抑制燃烧、低全球变暖潜能值（GWP）、零臭氧消耗潜能值（ODP）等特点。

Description

一种浸没式液态相变冷却介质及其在电子设备的冷却系统中 的应用

技术领域

本发明属于液态冷却介质领域，特别涉及一种浸没式低能耗、高安全性相变冷却介质及其在电子设备的冷却系统中的应用。

背景技术

在数字经济时代，随着人工智能、云计算、区块链、大数据技术、超级计算机的迅速发展，使得对IT基础设备的性能要求越来越高，使用频率也越来越快，直接导致服务器等基础设施的功耗不断增加。在单机柜服务器数量不变的情况下，数据中心整机柜的功耗呈现快速增长的趋势，给机房散热带来前所未有的挑战，导致安全隐患，过热的服务器也成为了制约数据中心发展的重大瓶颈。

目前数据中心主要使用空气冷却技术，通过降低环境温度并进行强制通风的手段对服务器进行散热，从而减少因热过载而导致硬关机的可能性，保护服务器的损坏。但这种方法具有能耗大，效率相对较低，空间要求大，噪声大等缺点，制约着其进一步的发展。为降低能耗，某些单位将数据中心建在环境温度较低的地区或位置，这些方案虽然能降低一部分能耗，但建设成本高昂，选址较复杂，同时受到环境要求的限制，不具有普遍的适用性。后来发展到使用热管和冷板冷却，这两种冷却方式都是通过导热材料间接地将热量带走，但由于冷却液没有直接接触发热器件，因此换热效率较低。目前新兴的冷却技术是浸没式冷却技术。浸没式冷却技术是一种以液体作为传热介质，将发热器件完全或部分浸没在液体中，发热器件与液体直接接触并进行热交换的冷却技术。液体浸没式冷却技术直接从热源（核心处理单元、内存模块等）中吸收热量，消除了安全因素，同时能降低能耗与节省空间。浸没冷却按照热交换过程中传热介质是否存在相变，可分为单相浸没和相变浸没。

浸没式冷却介质按性质分类主要可分为三种：水、矿物油、氟碳介质。由于水容易引入杂质离子使其电绝缘性下降，从而容易造成设备短路。矿物油具有较高的电绝缘性能，但矿物油具有可燃性，一旦设备产生电火花或有外来火源、静电等都容易发生燃烧爆炸。氟碳介质冷却液具有高绝缘性、低粘度、低/无毒、良好的兼容性和稳定性、不可燃性、低全球变暖潜能值（GWP）、零臭氧消耗潜能值（ODP）等特点，得到了普遍认可并广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色环保、安全、高效的浸没式相变氟碳冷却介质，其能够应用于数据中心服务器、超级计算机、矿机或集成处理服务器的冷却系统中。

所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质为全氟-4-甲基-2-戊烯、六氟丙烯三聚体、全氟己酮、全氟庚烷、全氟辛烷、全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷、全氟己烷、全氟戊烷中的一种、两种或三种混合而成的混合物。

所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质是由三种组分混合而成的混合物，所述三种组分的组成配比为质量占比4%-70%的第一组分、质量占比4%-80%的第二组分和质量占比4%-90%的第三组分；其中，所述第一组分为全氟-4-甲基-2-戊烯，所述第二组分为六氟丙烯三聚体、全氟己酮、全氟庚烷、全氟辛烷中的任意一种，所述第三组分为全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷、全氟己烷、全氟戊烷中的任意一种。包含上述三种组分的冷却介质，其组分的质量占比分别在上述范围内的，具有更优的制冷能力以及能效性能。

所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质的制备方法为：按照原料配方比，将所述三种组分在常温常压液相状态下进行物理混合而成。

所述的浸没式液态相变冷却介质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、矿机或集成处理服务器。

所述的浸没式相变冷却介质在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于将数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、矿机或集成处理服务器的电路板浸没于所述冷却介质中，通过冷却介质的蒸发-冷凝循环即能进行冷却。

所述的浸没式相变冷却介质在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、矿机或集成处理服务器的电路板均置于密闭的机箱内，机箱内装有冷却介质及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却介质的上方，数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、矿机或集成处理服务器的电路板浸没于所述冷却介质中，冷却介质遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷凝下来，实现通过冷却介质的蒸发-冷凝循环进行冷却；其中热交换管网内通入普通自来水或冷空气进行冷却降温。

本发明可通过改变冷却液组成，改变冷却液的沸点，从而控制浸没于其中的电子设备温度恒定在50-90℃。通过改变冷却液组成，可以将冷却液介电常数控制在1.8以下，从而增强电子设备数据传输能力。

与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：

1）本发明提供的浸没式相变冷却介质具有高电绝缘性能、低粘度、较低沸点、低介电常数（低极性）、高热传导率、高气化潜热、良好的兼容性和稳定性、不可燃且可抑制燃烧、低全球变暖潜能值（GWP）、零臭氧消耗潜能值（ODP）等特点。与传统的空气冷却技术相比，能耗可节约90%左右。

2）本发明冷却液（即冷却介质）应用范围广，可用于-115℃～165℃的环境中，冷却液不会凝固和气化，并保持良好的热导率和流动性。

本发明提供的几种浸没式相变冷却介质的主要成分的化学特性如下表1所示：

从表1可以看出，本发明提供的浸没式相变冷却介质有着足够的安全性能，不可燃、不爆、不无毒及对环境友好。

3）与现有技术常用的水和矿物油冷却介质相比，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，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，使用中不会漏液。

4）本发明冷却液具有不导电特性，长时间运行条件下，不对电子设备造成短路危害。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

对照例一：

与实施例1相同配置的台式电脑，用普通风扇对CPU换热，同时运行Fur Mark和3D Mark烤机程序进行主机双烤，通过CPU-Z程序进行温度检测。显示CPU温度为98℃，GPU温度117℃。计算机出现死机现象。

实施例1：

将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用全氟-4-甲基-2-戊烯为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为51℃、GPU温度为62℃、冷却液温度为38℃。计算机配置如下表2。

实施例2：

采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用全氟己酮为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为53℃、GPU温度为65℃、冷却液温度为39℃。

实施例3：

采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为52℃、GPU温度为67℃、冷却液温度为39℃。

实施例4：

采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用65%质量分数的全氟-4-甲基-2-戊烯与35%质量分数的六氟丙烯三聚体的混合液为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为57℃、GPU温度为69℃、冷却液温度为41℃。

实施例5：

采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用70%质量分数的全氟-4-甲基-2-戊烯与30%质量分数的全氟庚烷的混合液为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为52℃、GPU温度为63℃、冷却液温度为39℃。

实施例6：

采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用50%质量分数的全氟-4-甲基-2-戊烯、25%质量分数的全氟己酮和25%质量分数全氟戊烷的混合液为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为54℃、GPU温度为60℃、冷却液温度为38℃。

实施例7：

采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用60%质量分数的全氟-4-甲基-2-戊烯、20%质量分数的全氟辛烷和20%质量分数全氟己烷的混合液为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为55℃、GPU温度为62℃、冷却液温度为39℃。

实施例8：

采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却液的上方，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用40%质量分数的全氟-4-甲基-2-戊烯、25%质量分数的六氟丙烯三聚体和35%质量分数全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷的混合液为冷却液。CPU运行过程中发热，冷却液遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷却下来（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为54℃、GPU温度为64℃、冷却液温度为38℃。

该实验中，本发明实施例1-8利用的冷却介质，使电脑连续稳定运行了五个月，电脑性能均能够保持稳定，未发现冷却液对主板、CPU、GPU等部件造成损害。此时对机箱内的冷却液取样做色谱分析，均未发现新组分产生，说明本发明冷却液对主机内部材料的相容性好，能保证计算机和数据中心稳定安全的运行。

对比实验1：

同样条件下，采用与实施例1相同的电脑配置将台式电脑主机置于密闭的液冷装置，液冷装置内装有冷却液及热交换管网，热交换管网浸没在冷却液内，电脑主机的所有配件浸没在冷却液中。采用15%质量分数的甘油、25%质量分数的烷基硅油，60%质量分数的轻质矿物油的混合液作为冷却液，CPU运行过程中发热使冷却液遇热，冷却液接触到热交换管网时被冷却（热交换管网内通入普通自来水进行冷却降温）。电脑主机外联显示器。通过CPU-Z程序检测CPU与GPU的温度，机身配数显温度计显示冷却液温度。在CPU 与GPU满负荷运行的情况下，计算机平稳运行24h，CPU温度为73℃、GPU温度为84℃、冷却液温度为65℃。

由此可以看出，将主机在相同的的使用条件下，利用矿物油作为主机冷却液的效果不如本发明提供的冷却介质，并且长期浸泡在油中的线和橡胶类类物品会慢慢被腐蚀，会影响整个系统的故障，影响计算机和数据中心的运行。

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 (6)

1.一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质为全氟-4-甲基-2-戊烯、六氟丙烯三聚体、全氟己酮、全氟庚烷、全氟辛烷、全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷、全氟己烷、全氟戊烷中的一种、两种或三种混合而成的混合物。

2.如权利要求1所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质是由三种组分混合而成的混合物，所述三种组分的组成配比为质量占比4%-70%的第一组分、质量占比4%-80%的第二组分和质量占比4%-90%的第三组分；其中，所述第一组分为全氟-4-甲基-2-戊烯，所述第二组分为六氟丙烯三聚体、全氟己酮、全氟庚烷、全氟辛烷中的任意一种，所述第三组分为全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷、全氟己烷、全氟戊烷中的任意一种。

3.如权利要求2所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质的制备方法为：按照原料配方比，将所述三种组分在常温常压液相状态下进行物理混合而成。

4.如权利要求1-3任意一项所述的浸没式液态相变冷却介质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、矿机或集成处理服务器。

5.如权利要求4所述的浸没式相变冷却介质在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于将数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、矿机或集成处理服务器的电路板浸没于所述冷却介质中，通过冷却介质的蒸发-冷凝循环即能进行冷却。

6.如权利要求5所述的浸没式相变冷却介质在电子设备的冷却系统中的应用，其特征在于数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、矿机或集成处理服务器的电路板均置于密闭的机箱内，机箱内装有冷却介质及热交换管网，热交换管网悬挂在冷却介质的上方，数据中心服务器、超级计算机的主机CPU、矿机或集成处理服务器的电路板浸没于所述冷却介质中，冷却介质遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管网时被冷凝下来，实现通过冷却介质的蒸发-冷凝循环进行冷却；其中热交换管网内通入普通自来水或冷空气进行冷却降温。