CN114106787A - 一种冷却介质组合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种冷却介质组合物,所述冷却介质组合物中包括:80‑90重量份的低黏度合成型基础油、5‑15重量份的氟化液、0.5‑2重量份的偶联剂、0.1‑1重量份的抗氧剂、0.01‑0.1重量份的金属减活剂、0.1‑1重量份的分散剂和0.01‑0.1重量份的阻燃剂。该组合物具有良好的流动性能、黏温性能、换热性能和电性能,以及优异的化学和热稳定性、较高的闪点、良好的材料兼容性,该组合物可以满足动力电池、数据中心等电子设备浸没式冷却的技术要求,且具有一定的成本优势。
Description
技术领域
本公开涉及冷却介质技术领域,具体地,涉及一种冷却介质组合物及其制备方法和应用。
背景技术
随着动力电池、数据中心和芯片等电子技术的发展,电子元件的热流密度正在持续增加,某些电子元件上局部热流密度可达到1.5KW/cm2。为了更好地解决电子设备的散热问题,提髙其工作稳定性和延长其寿命,必须对高热流密度的电子设备进行热能控制。目前最常用的两种热能管理方式为风冷和液冷,其中液冷又可分为直接式液冷和间接式液冷。
风冷热管理系统结构简单、成本较低、安全稳定、维护方便,故大量的早期电子设备的热能控制皆选用了风冷方式,如现有的许多动力电池、数据中心等。但是风冷本身的散热换热效率相对较低,无法满足高热流密度电子元件的散热要求。
间接液冷技术是指液体冷却介质主要通过设计的冷板或冷管与电子元件进行换热。间接式液冷具有换热效率高,传热速度快,温度均匀性控制好,技术相对比较成熟等优点,是目前应用最广的高效电子设备热能控制方案,实际应用中间接式液冷技术选用的冷却介质主要为水和乙二醇的混合物。直接液冷技术是指冷却介质与电子元器件直接接触的换热过程,主要方式为浸没式冷却。浸没式是指将电子设备部分或全部浸没在冷却介质内换热,这样使得电子设备和冷却介质的接触面积比较大,在相同的条件下传热更充分,散热更均匀。
风冷和间接式液冷在一定程度上可以缓解电子设备的散热问题,但是不足以满足高热流密度电子元件的散热要求,其缺点明显,传热过程复杂,存在接触热阻及对流换热热阻,热阻总和大,换热效率低,同时可能导致电子设备内部热量叠加,无法达到控制设备中温度场的均匀。而直接浸没式冷却技术即将整个电子设备完全浸没在冷却介质中,相比于现有的间接式冷却技术,其具有换热效率高、结构简单、安全性能高、维护方便等诸多优点,虽然现在只有少数应用案例,但随着相关技术的发展,其将会是解决电子设备热失控问题的最佳选择。
由于浸没式冷却时电子设备与冷却介质直接接触,这也就要求冷却介质必须具有良好的绝缘性以防止电子设备工作时短路,此外,还需冷却介质具有良好的稳定性、电性能、材料相容性、换热性、安全性等。目前市场上应用较多且综合性能最好的浸没式冷却介质为氟化液,但氟化液成本相对较高,这将极大地限制其使用范围。
因此,亟需提供一种满足电子设备热管理要求且具有一定成本优势的浸没式冷却介质组合物。
发明内容
本公开的目的是提供一种电子设备浸没式冷却介质组合物及其制备方法,该组合物具有良好的流动性能、黏温性能、换热性能和电性能,以及优异的化学和热稳定性、较高的闪点、良好的材料兼容性,可以满足动力电池、数据中心等电子设备浸没式冷却的技术要求,且具有一定的成本优势。
为了实现上述目的,本公开第一方面提供一种冷却介质组合物,所述冷却介质组合物中包括:80-90重量份的低黏度合成型基础油、5-15重量份的氟化液、0.5-2重量份的偶联剂、0.1-1重量份的抗氧剂、0.01-0.1重量份的金属减活剂、0.1-1重量份的分散剂和0.01-0.1重量份的阻燃剂。
本公开第二方面提供了第一方面所述冷却介质组合物的制备方法,其中,所述方法包括如下步骤:按组分配比将低黏度合成型基础油、抗氧剂、金属减活剂、分散剂和阻燃剂均匀混合后注入调合釜中,采用自动批量调和或同步剂量调和方式进行调合,在40-50℃下搅拌1-2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入偶联剂和氟化液,搅拌1-2小时后即可得。
本公开第三方面提供了第一方面所述冷却介质组合物在电子设备中的应用。
本公开提供的电子设备浸没式冷却介质组合物的有益效果:(1)具有良好的黏温性能,在极端工况下也可以对电子设备进行有效的热管理;(2)良好的电性能,绝缘电阻和击穿电压均很高,不容易导电,在对电子设备进行冷却的过程中,可以避免因漏电而造成电子设备的损坏和人员的伤亡等;(3)良好的换热性能,黏度较低,保证冷却介质的良好的流动性和换热性能可以很好地对电子设备进行冷却;(4)良好的化学稳定性,保证冷却介质可长期稳定地冷却电子设备,减小了运维成本,延长了更换介质的周期,甚至达到设备寿命期内不更换冷却介质;(5)具有较高的闪点和燃点,保证设备运行温度过高、周围温度过高时不发生燃料烧,保证了电子设备的使用安全性;(6)良好的材料相容性,冷却介质不损害电子设备的金属材料、橡胶材料、塑料、油漆等材料,减小的设备的运维成本,延长设备使用寿命,可以满足电子设备浸没式冷却的技术要求,且具有一定的成本优势。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开,并不用于限制本公开。
本公开第一方面提供一种冷却介质组合物,所述冷却介质组合物中包括:80-90重量份的低黏度合成型基础油、5-15重量份的氟化液、0.5-2重量份的偶联剂、0.1-1重量份的抗氧剂、0.01-0.1重量份的金属减活剂、0.1-1重量份的分散剂和0.01-0.1重量份的阻燃剂。
根据本公开,其中,所述冷却介质组合物中包括:85-90重量份的低黏度合成型基础油、8-12重量份的氟化液、0.6-1.5重量份的偶联剂、0.2-0.8重量份的抗氧剂、0.02-0.08重量份的金属减活剂、0.2-0.8重量份的分散剂和0.02-0.08重量份的阻燃剂。
根据本公开,其中,所述低黏度合成基础油包括聚烯烃类合成油、合成酯类油、GTL油和CTL油中的至少一种;所述氟化液包括氢氟醚和/或全氟聚醚类化合物;所述偶联剂包括硅烷偶联剂和/或氟硅烷偶联剂类化合物;所述抗氧剂包括屏蔽酚和/或二烷基二苯胺类化合物;所述金属减活剂包括苯三唑类化合物及其衍生物;所述分散剂包括丁二酰亚胺类化合物;所述阻燃剂包括磷酸酯类化合物。
本公开所述合成烃类油具有绝缘、易导热、不易氧化、无腐蚀性、不易燃、无毒、流动性好等特性,可满足电子设备对浸没式冷却介质的性能要求,且其价格相对较低。
根据本公开,其中,所述低黏度合成型基础油的为运动黏度在100℃下为1-6mm2/s,闪点大于150℃的合成型基础油;优选地,所述低粘度合成型基础油包括PAO2、PAO4、PAO6、己二酸酯、辛二酸酯、GTL3、CTL3、GTL4和CTL4中的至少一种。
满足上述条件的合成型基础油进一步保证了本公开所制备的冷却介质组合物具有良好的流动性、导热性能和安全性。
由于低黏度合成型基础油中纯烃类油对添加剂的溶解性较差,并且对某些橡胶具有收缩作用,而酯类油对添加剂的溶解性较强,对橡胶具有膨胀作用,本公开优选合成烃类与酯类油混用的技术路线,合成烃类油为PAO2、PAO4和PAO6中的一种或几种,合成酯类油为己二酸酯和/或辛二酸酯。
为实现本公开目的,本公开所述冷却介质组合物中还加入一些特定功能的添加剂,用以改善组合物的特定性能。
根据本公开,其中,所述氢氟醚类化合物为碳原子数为6~10、氟原子数为10-18的氢氟醚类化合物,包括十三氟己基甲醚和/或十五氟庚基乙醚;
所述全氟聚醚类化合物为分子量在6000-10000之间的全氟聚醚类化合物。
氟化液的黏度较低,添加氟化液可以降低组合物黏度,增强组合物传热性能,且氟化液不可燃,沸点比基础油要低,所以氟化液的加入还可起到一定的阻燃效果,氟化液的比热容比一般的基础油要小,加入氟化液使组合物整体的比热容降低;此外,不同基础油与氟化液的电性能不同,其中相对介电常数从高到低依次为:氟化液、酯类油、PAO和CTL基础油,因此,所述冷却介质组合物中具有不同的基础油和氟化液配方会表现出不同的电性能和传热性能。
由于氟化液与合成基础油的互溶性较差,二者混合无法形成稳定均匀的液相体系,因此,本公开所述冷却介质组合物中还添加了偶联剂;基础油、偶联剂和氟化液可以形成稳定均匀的液相体系。
根据本公开,其中,所述偶联剂优选为氟硅烷偶联剂和硅烷偶联剂的组合物,所述组合物中氟硅烷偶联剂与硅烷偶联剂的重量比为1:(0.5-2);
所述氟硅烷偶联剂包括全氟庚基三甲氧基硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷和全氟癸基三甲氧基硅烷中的至少一种;
所述硅烷偶联剂包括乙烯基三甲氧基硅烷和/或乙烯基三乙氧基硅烷。
所述长碳链氟硅烷的一端可以与氟化液偶联,另一端可与乙烯基硅烷偶联,而乙烯基硅烷的另一端与合成型基础油偶联。
根据本公开,其中,所述抗氧剂优选为二烷基二苯胺和屏蔽酚类化合物的组合物,所述组合物中二烷基二苯胺类化合物与屏蔽酚类化合物的重量比为1:(1-10);
所述二烷基二苯胺类化合物选自二壬基二苯胺和二辛基二苯胺中的至少一种;
所述屏蔽酚类化合物选自2,6-二叔丁基对甲酚和2,4-二甲基-6-叔丁基酚至少一种。
所述苯三唑类化合物包括N,N’-二烷基氨基亚甲基苯三唑;
所述丁二酰亚胺类化合物选自分子量为900-1300的聚异丁烯丁二酰亚胺;所述磷酸酯类化合物选自碳原子数为15-25的磷酸酯类化合物,优选为磷酸甲苯二苯酯。
本公开提供的冷却介质组合物中所述抗氧剂和分散剂能够保证组合物具有良好的长期稳定性和有效性;所述金属减活剂能够保证组合物对金属材料无腐蚀性;所述阻燃剂能够保证组合物具有良好的抗燃性。
本公开第二方面提供了第一方面所述冷却介质组合物的制备方法,其中,所述方法包括如下步骤:按组分配比将低黏度合成型基础油、抗氧剂、金属减活剂、分散剂和阻燃剂均匀混合后注入调合釜中,采用自动批量调和或同步剂量调和方式进行调合,在40-50℃下搅拌1-2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入偶联剂和氟化液,搅拌1-2小时后即可得。
本公开第三方面提供了第一方面所述冷却介质组合物在电子设备中的应用。
本公开提供的电子设备浸没式冷却介质组合物的有益效果:(1)具有良好的黏温性能,在极端工况下也可以对电子设备进行有效的热管理;(2)具有良好的电性能,绝缘电阻和击穿电压均很高,不容易导电,在对电子设备进行冷却的过程中,避免因漏电而造成电子设备的损坏和人员的伤亡等;(3)具有良好的换热性能,黏度较低,保证冷却介质的良好的流动性和换热性可以很好地对电子设备进行冷却;(4)具有良好的化学稳定性,保证冷却介质可长期稳定地冷却电子设备,减小了运维成本,延长了更换介质的周期,甚至达到设备寿命期内不更换冷却介质;(5)具有较高的闪点和燃点,保证设备运行温度过高、周围温度过高时不发生燃烧,保证了电子设备的使用安全性;(6)具有良好的材料相容性,冷却介质不损害电子设备的金属材料、橡胶材料、塑料、油漆等材料,减小设备的运维成本,延长设备使用寿命。综上所述,该冷却介质组合物综合性能更好,可以满足电子设备浸没式冷却的技术要求,且具有一定的成本优势。
以下通过实施例进行进一步详细说明本公开,但是本公开并不因此受到任何限制。
本公开所使用的低黏度合成基础油主要购自于美孚、英力士、山西潞安、上海纳克等公司;本公开所使用的其他试剂均可通过购买得到。
实施例1
本实施例按照如下方法制备冷却介质(总质量100kg):将85重量份的低黏度合成基础油(25重量份的PAO2、20重量份的PAO4、25重量份的己二酸酯、和15重量份的CTL4)、0.8重量份的抗氧剂(0.2重量份的二辛基二苯胺和0.6重量份的2,6-二叔丁基对甲酚)、0.08重量份的金属减活剂(N,N’-二烷基氨基亚甲基苯三唑)、0.6重量份的分散剂(分子量为1000的聚异丁烯丁二酰亚胺)、0.06重量份的阻燃剂(磷酸三甲酚酯)均匀混合输入至调合釜中,采用同步剂量调和方式进行调合,在45℃下搅拌2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入1.5重量份的偶联剂(0.8重量份的全氟庚基三甲氧基硅烷和0.7重量份的乙烯基三甲氧基硅烷)和12重量份的氟化液(8重量份的十三氟己基甲醚和4重量份的Y型全氟聚醚(分子量9000)),继续搅拌2小时后即可得冷却介质。
实施例2
本实施例按照如下方法制备冷却介质(总质量100kg):将80重量份的低黏度合成基础油(42重量份的PAO2、8重量份的PAO6、30重量份的GTL4)、0.4重量份的抗氧剂(二辛基二苯胺)、0.1重量份的金属减活剂(N,N’-二烷基氨基亚甲基苯三唑)、0.1重量份的分散剂(聚异丁烯丁二酰亚胺(分子量1000))和0.1重量份的阻燃剂(磷酸三甲酚酯)均匀混合输入至调合釜中,采用同步剂量调和方式进行调合,在45℃下搅拌2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入1重量份的偶联剂(0.5重量份的全氟癸基三甲氧基硅烷、0.5重量份的乙烯基三甲氧基硅烷)和15重量份的氟化液(十五氟庚基乙醚),搅拌2小时后即可得冷却介质。
实施例3
本实施例按照如下方法制备冷却介质(总质量100kg):将84重量份的低黏度合成基础油(10重量份的PAO4、64重量份的CTL3、10重量份的PAO2)、0.85重量份的抗氧剂(二辛基二苯胺)、0.02重量份的金属减活剂(N,N’-二烷基氨基亚甲基苯三唑)、1重量份的分散剂(聚异丁烯丁二酰亚胺(分子量1200))和0.1重量份的阻燃剂(磷酸甲苯二苯酯)均匀混合输入至调合釜中,采用同步剂量调和方式进行调合,在45℃下搅拌2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入2重量份的偶联剂(1.3重量份全氟辛基三甲氧基硅烷、0.7重量份的乙烯基三甲氧基硅烷)和12重量份的氟化液(9重量份的十五氟庚基乙醚和3重量份的Y型全氟聚醚(分子量为9000)),搅拌2小时后即可得冷却介质。
实施例4
本实施例按照如下方法制备冷却介质(总质量100kg):将90重量份的低黏度合成基础油(6重量份的PAO6、20重量份的GTL4、64重量份的己二酸酯)、1重量份的抗氧剂(0.8重量份的2,6-二叔丁基对甲酚、0.2重量份的二壬基二苯胺)、0.1重量份的金属减活剂(N,N’-二烷基氨基亚甲基苯三唑)、1重量份的分散剂(聚异丁烯丁二酰亚胺(分子量1000))和0.01重量份的阻燃剂(磷酸三甲酚酯)均匀混合后输入至调合釜中,采用自动批量调和方式进行调合,在45℃下搅拌2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入1重量份的偶联剂(0.5重量份的全氟癸基三甲氧基硅烷、0.5重量份的乙烯基三甲氧基硅烷)和15重量份的氟化液(10重量份的十五氟庚基乙醚和5重量份的Y型全氟聚醚(分子量为8000)),搅拌2小时后即可得冷却介质。
实施例5
本实施例按照如下方法制备冷却介质(总质量100kg):将90重量份的低黏度合成基础油(10重量份的PAO2、60重量份的CTL3、10重量份的GTL4、10重量份的己二酸酯)、0.8重量份的抗氧剂(0.7重量份的2,4-二甲基-6-叔丁基酚、0.1重量份的二辛基二苯胺)、0.1重量份的金属减活剂(N,N’-二烷基氨基亚甲基苯三唑)、0.6重量份的分散剂(聚异丁烯丁二酰亚胺(分子量1200))和0.01重量份的阻燃剂(磷酸三甲酚酯)均匀混合后输入至调合釜中,采用自动批量调和方式进行调合,在45℃下搅拌2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入0.5重量份的偶联剂(全氟癸基三甲氧基硅烷)和8重量份的氟化液(十五氟庚基乙醚),搅拌2小时后即可得冷却介质。
对比例1
本对比例提供一种冷却介质,与实施例5不同之处在于:该冷却介质中不含有氟化液、偶联剂、抗氧剂。
对比例2
本对比例提供一种冷却介质,与实施例5不同之处在于:该冷却介质中不含有偶联剂。
测试实施例
对实施例1-5和对比例1制得的电子设备浸没式冷却介质组合物进行性能测试,其中对比例2无法制得均匀稳定的液相体系,故无法测其性能数据,其他测试结果见下表。
表1电子设备浸没式冷却介质的性能参数
注:(1)铜片腐蚀等级:1级最好,4级最差,且每一级中a优于b,b优于c;
(2)附着力等级:0级最好,5级最差,1级为表现优异。
根据表1可见,与对比例1相比,本公开实施例中的冷却介质组合物,在制备过程中加入了氟化液、偶联剂和抗氧剂,得到的产物在能够保证组合物整体性能的同时,具有更低的黏度、更好的流动性,和更高的换热效率,能够保证设备的良好换热性能;具有更高的闪点,能够保证设备的使用安全性和长期稳定性。
通过上述技术方案,本公开提供的冷却介质组合物具有良好的流动性能、黏温性能、换热性能和电性能,以及优异的化学和热稳定性、较高的闪点、良好的材料兼容性,综合性能更优异,在极端工况下可以对电子设备进行有效热管理,防止热失控,满足电子设备浸没式冷却的技术要求。
以上详细描述了本公开的优选实施方式,但是,本公开并不限于上述实施方式中的具体细节,在本公开的技术构思范围内,可以对本公开的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本公开的思想,其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种冷却介质组合物,其特征在于,所述冷却介质组合物中包括:80-90重量份的低黏度合成型基础油、5-15重量份的氟化液、0.5-2重量份的偶联剂、0.1-1重量份的抗氧剂、0.01-0.1重量份的金属减活剂、0.1-1重量份的分散剂和0.01-0.1重量份的阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的冷却介质组合物,其中,所述冷却介质组合物中包括:85-90重量份的低黏度合成型基础油、8-12重量份的氟化液、0.6-1.5重量份的偶联剂、0.2-0.8重量份的抗氧剂、0.02-0.08重量份的金属减活剂、0.2-0.8重量份的分散剂和0.02-0.08重量份的阻燃剂。
3.根据权利要求1或2所述的冷却介质组合物,其中,所述低黏度合成基础油包括聚烯烃类合成油、合成酯类油、GTL油和CTL油中的至少一种;
所述氟化液包括氢氟醚类化合物和/或全氟聚醚类化合物;
所述偶联剂包括硅烷偶联剂和/或氟硅烷偶联剂;
所述抗氧剂包括屏蔽酚和/或二烷基二苯胺类化合物;
所述金属减活剂包括苯三唑类化合物及其衍生物;
所述分散剂包括丁二酰亚胺类化合物;
所述阻燃剂包括磷酸酯类化合物。
4.根据权利要求3所述的冷却介质组合物,其中,所述低黏度合成型基础油为运动黏度在100℃下为1-6mm2/s,闪点大于150℃的合成型基础油,优选为PAO2、PAO4、PAO6、己二酸酯、辛二酸酯、GTL3、CTL3、GTL4和CTL4中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的冷却介质组合物,其中,所述氢氟醚类化合物为碳原子数为6~10、氟原子数为10-18的氢氟醚类化合物,包括十三氟己基甲醚和/或十五氟庚基乙醚;
所述全氟聚醚类化合物为分子量在6000-10000之间的全氟聚醚类化合物。
6.根据权利要求3所述的冷却介质组合物,其中,所述偶联剂优选为氟硅烷偶联剂和硅烷偶联剂的组合物,所述组合物中氟硅烷偶联剂与硅烷偶联剂的重量比为1:(0.5-2);
所述氟硅烷偶联剂为全氟庚基三甲氧基硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷和全氟癸基三甲氧基硅烷中的至少一种;
所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷和/或乙烯基三乙氧基硅烷。
7.根据权利要求3所述的冷却介质组合物,其中,所述抗氧剂优选为二烷基二苯胺和屏蔽酚类化合物的组合物,所述组合物中二烷基二苯胺类化合物与屏蔽酚类化合物的重量比为1:(1-10);
所述二烷基二苯胺类化合物选自二壬基二苯胺和二辛基二苯胺中的至少一种;
所述屏蔽酚类化合物选自2,6-二叔丁基对甲酚和2,4-二甲基-6-叔丁基酚中的至少一种。
8.根据权利要求3所述的冷却介质组合物,其中,所述苯三唑类化合物包括N,N’-二烷基氨基亚甲基苯三唑;
所述丁二酰亚胺类化合物选自分子量为900-1300的聚异丁烯丁二酰亚胺;所述磷酸酯类化合物选自碳原子数为15-25的磷酸酯类化合物,优选为磷酸甲苯二苯酯。
9.权利要求1-8中任意一项所述冷却介质组合物的制备方法,其中,所述方法包括如下步骤:按组分配比将低黏度合成型基础油、抗氧剂、金属减活剂、分散剂和阻燃剂均匀混合后注入调合釜中,采用自动批量调和/或同步剂量调和方式进行调合,在40-50℃下搅拌1-2小时后,在搅拌状态下依次缓慢加入偶联剂和氟化液,搅拌1-2小时后即可得。
10.权利要求1-8中任意一项所述冷却介质组合物在电子设备中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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