CN112629156A - Novec1230作为沉浸式绝缘冷却液的应用 - Google Patents

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徐佳琦
曾睿原
金志燊
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Abstract

本发明公开了Novec 1230作为沉浸式绝缘冷却液的应用。目前Novec 1230主要用作灭火剂。将Novec1230置于在密闭容器中，待冷却电子芯片置于Novec1230液体内，蒸汽压缩式制冷循环中的蒸发器设置在密闭容器内的上部，Novec1230吸热达到沸点时，液体蒸发变为气体，通过蒸发器再冷凝为液体，滴落回密闭容器中。本发明采用Novec 1230作为沉浸式绝缘冷却中的冷却液，可以有效对电子芯片等用电设备进行冷却，冷却效果显著，且符合绝缘要求。

Description

Novec1230作为沉浸式绝缘冷却液的应用
技术领域
本发明属于冷却技术领域，具体是沉浸式绝缘冷却技术领域，具体涉及Novec1230作为沉浸式绝缘冷却液的应用。
背景技术
带电元器件工作时候会产生大量的热量，因此需要冷却装置或者冷却液对其进行降温。目前的芯片冷却装置多采用外置散热片和风扇，这两种芯片冷却装置都是通过空气的对流传热来移除芯片的热量。相比之下，作为强迫对流传热的风扇散热装置效率更高，以计算机CPU所用的风扇散热装置为例，在风扇叶片高达4000r/min的转速下，基本能避免CPU的温度过高，但该装置噪声很大，而且散热能力已经达到空气对流传热的极限。随着微电子技术的快速发展，单芯片的集成功能更复杂、时钟频率快速提高、封装变薄、封装的引脚间距减小、封装的引脚数降低等因素导致单芯片不断地向大功率和小型化方向发展，传统的冷却方式已经满足不了单芯片和芯片组的散热要求。当芯片的工作频率达到800MHz以上时，最大功率可达到100W，外壳与散热装置间的平均热流密度可达到7.1W/cm2以上，当系统使用大量大功率芯片时，使用散热片或者风扇可控的温度只能在100℃左右，而通常保证芯片正常工作的温度为60℃左右。
由此可见，高密度大功率芯片的热控制问题已经越来越突出，而在一些光电通讯设备，核、电气控制设备等等领域内，同样也面临着很多急需解决的热控制问题。解决这一问题的关键在于针对不同芯片中的高密度热源，寻求一种高效的热输运方式。由于液体的对流传热效率高于气体，目前出现了一种浸没式液冷装置，通过芯片的上表面与散热片直接接触，散热片的另一面浸在液体中，液体在外部泵的作用下循环流动，从而将芯片的热量输送到大气环境。该装置虽然有较好的冷却效果，却占用较大空间，影响芯片的后序集成和封装。
目前沉浸式绝缘冷却有以下方式：自然冷却、自冷冷却、外部冷却、开路通风、表面冷却、循环冷却、液体冷却、直接气体冷却、直接液体冷却。可使用一种性能良好的冷却液，通入电子芯片内，通过流体的循环流动将热量从电子芯片内构件传递至冷却液并流出电子芯片，将热量从电子芯片带出，以达到沉浸式绝缘冷却的目的。冷却液在电子芯片外进行将热量放出，以此循环。
对于冷却液，其性能要求包括：(1)具有优良的热力学特性，以便能在给定的温度区域内运行时有较高的循环效率。具体要求为：临界温度高于冷凝温度，与冷凝压力不宜过高、标准沸点较低、流体比热容小、绝热指数低、单位容积制热量大等；(2)具有优良的热物理性能，具体要求为：较高的传热系数、较低的粘度及较小的密度；以便减轻电子芯片的重量；(3)具有良好的化学稳定性，要求工质在高温下具有良好的化学稳定性，不易与金属等材料发生反应；(4)安全性工质应无毒、无刺激性、无燃烧性及爆炸性；(5)有良好的电气绝缘性，无磁性；(6)经济性要求工质低廉，易于获得。
2001年5月，美国3M公司推出了商品名称为Novec 1230的新型清洁灭火剂，并在2001 年9月进入商业推广阶段。Novec 1230属于氟化酮(Fluorinated ketone)类，氟原子取代了酮上部分氢原子。该灭火剂既不属于HFC，也不属于惰性气体类哈龙替代品，是一种全新的哈龙替代品，在哈龙替代领域取得了突破性进展。
发明内容
本发明的目的就是提供一种沉浸式绝缘冷却技术，具体是Novec 1230作为沉浸式绝缘冷却液的应用。
Novec 1230，中文名为全氟异丙基己酮，分子式为CF3CF2C(O)CF(CF3)2，相对分子质量为316.04，在常温下是一种清澈、无色、微味、容易气化的液体，不属于危险物品，释放后不留残余物，是一种全新的哈龙替代品。Novec 1230具有良好的导热性，且不具有导电性，目前用作高效灭火剂。
Novec 1230具体物理特性包括：液体密度1.60g/ml，气体密度0.0136g/ml，熔点-108.0 ℃，沸点49.2℃，临界温度168.7℃，临界压力18.65bar，临界体积494.5cc/mol，临界密度639.1kg/m3，0℃下粘度0.56mPa·s，25℃下粘度0.39mPa·s。
Novec 1230与冷却液相关的物理参数包括：25℃下蒸发热88.0kJ/kg，25℃下汽化潜热95kJ/kg，液态、25℃下比热容1.103kJ/(kg·℃)、蒸气状态下0.891kJ/(kg·℃)。
Novec 1230在25℃(77°F)下，沸点为49.2℃(120.6°F)，且汽化热非常低，大约比水少25倍，并且蒸汽压力比水高12倍，导致Novec 1230流体的蒸发速度比水快50倍以上，这能使Novec 1230流体能够快速吸收电子芯片内构件的热量，并以气体的形式将热量带离电子芯片。Novec 1230具有无极性，无导电性和无腐蚀性，能够用作冷却液使沉浸式绝缘冷却系统长时间高效运行。
由此可见，将Novec 1230作为沉浸式绝缘冷却系统的冷却液，在电子芯片运行温度内，以液体形式输入电子芯片，通过电子芯片内的转子与定子等构件，充分吸收热量，且沸点较低，能以蒸汽的形式将热量带出，在该温区内有较强的制冷潜力。Novec 1230的比热容、密度、粘度较小，符合用作冷却液的要求。
Novec 1230对环境友好，其中不含有溴、氯元素，使用后不破坏臭氧层，其臭氧消耗潜能值为零。同时更为重要的是，Novec 1230的温室效应潜能值极低，GWP＝1，与CO2相当，而且Novec 1230在大气中的存活寿命很短，只有3-5天，因而对环境较为友好。且Novec1230安全性能高，低毒性，4小时急性吸入几乎无毒。即使出现泄露现象，也不会对环境和使用者造成较大影响。
本发明采用Novec 1230作为沉浸式绝缘冷却中的冷却液，可以有效对电子芯片等用电设备进行冷却，冷却效果显著，且符合绝缘要求。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的冷却方式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，将Novec1230置于在密闭容器1中，蒸汽压缩式制冷循环中的蒸发器(冷凝铜管)设置在密闭容器1内的上部。蒸汽压缩式制冷循环包括压缩机3、冷凝器4、膨胀机构5、蒸发器2。压缩机的出口连接冷凝器的进口，冷凝器的出口连接膨胀机构的进口，膨胀机构的出口连接蒸发器的进口，蒸发器的出口连接压缩机的进口，构成制冷回路。膨胀机构为膨胀阀或毛细管。制冷循环中的制冷工质可以为普通的氟利昂制冷剂。
待冷却电子芯片6置于Novec1230液体内。冷却时，冷却液Novec1230吸热达到沸点49.2℃时，液体蒸发变为气体，通过蒸发器再冷凝为液体，滴落回密闭容器中。
根据沸腾表面换热公式：
Figure BDA0002851912220000031
式中，qs表示电子芯片表面热流密度，μ表示冷却液Novec1230的粘度，Δi表示冷却液Novec1230 的汽化潜热，ρl表示冷却液Novec1230的液体密度，ρv表示冷却液Novec1230的气体密度， cl表示冷却液Novec1230的液态比热容，Pr冷却液Novec1230的液体普朗特数，ΔT表示电子芯片表面与却液Novec1230的温度差，ΔT＝Ts-Tl，Ts为电子芯片表面温度，Tl为却液 Novec1230的液体温度。
采用典型的换热工况分析，待冷却的电子芯片浸泡在饱和压力101kPa下的Novec1230 的冷却液中，电子芯片表面热流密度qs在1～20W/cm2情况下，电子芯片表面温度和冷却液 Novec1230液体温度如表1：
Figure BDA0002851912220000041
表1
由表1可见，从表格中可以看出，当芯片的表面热流密度从1W/cm2提高到20W/cm2时候，芯片表面温度从49.16℃升高到49.58℃，几乎没有明显的表面温度的升高，这进一步说明了采用Novec1230冷却液冷却芯片的优越性，即当3.5cm×3.5cm芯片的发热功率从12.5W上升到375W的过程中，采用Novec1230的冷却液总能使得芯片温度维持在49.58℃的正常工作温度范围内，所以采用这种完全绝缘的Novec1230冷却液能够最大程度的提升芯片的工作性能。
待冷却的电子芯片浸泡在饱和压力140kPa下的Novec1230的冷却液中，电子芯片表面热流密度qs在1～20W/cm2情况下，电子芯片表面温度和冷却液Novec1230液体温度如表2：
Figure BDA0002851912220000042
Figure BDA0002851912220000051
表2
由表格2可以看出，当密封箱内的压力提升到1.4个大气压时候，芯片表面温度仅有 10℃左右的升高，即从49.74℃升高到59.2℃，依然处于芯片的高性能工作区间。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.Novec 1230作为沉浸式绝缘冷却液的应用。
2.如权利要求1所述的Novec 1230作为冷却液的应用，其特征在于：将Novec1230置于在密闭容器中，待冷却电子芯片置于Novec1230液体内，蒸汽压缩式制冷循环中的蒸发器设置在密闭容器内的上部；蒸汽压缩式制冷循环包括压缩机、冷凝器、膨胀机构、蒸发器；压缩机的出口连接冷凝器的进口，冷凝器的出口连接膨胀机构的进口，膨胀机构的出口连接蒸发器的进口，蒸发器的出口连接压缩机的进口，构成制冷回路；Novec1230吸热达到沸点时，液体蒸发变为气体，通过蒸发器再冷凝为液体，滴落回密闭容器中。
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