CN115572579A - 一种液冷用全氟化合物组合物及其在浸没式冷却中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液冷技术，具体涉及一种液冷用全氟化合物组合物及其在浸没式冷却中的应用。本发明将PFBE与氟代烷烃制冷剂混合，得到液冷用全氟化合物组合物，将服务器的电子器件浸入其中完成冷却。液冷技术可提高散热密度、节能减排、降低数据中心的碳足迹，开展数据中心液冷技术的应用研究具有积极的科学意义与工业意义。现有技术都聚焦于冷却液的冷却能力以及安全性能，期望达到降低碳排放、节能的效果，但是没有研究者提出冷却剂对电子器件的劣化影响。本发明不仅提供了冷却性能好的氟组合物，更主要的是意外的发现该组合物对电子器件没有性能影响。
Description
技术领域
本发明属于液冷技术，具体涉及一种液冷用全氟化合物组合物及其在浸没式冷却中的应用。
背景技术
随着5G网络、人工智能以及工业互联网的飞速发展，传统制冷系统无法满足需求，液冷技术正在取而代之。液冷散热是通过液体热循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。液冷技术由于液体的热容量大，升温慢，有利于计算机在出现突发事件时确保不会瞬间烧毁CPU，主要分类有喷雾式、喷淋式、浸没式三种：喷雾式是指冷却液加压后在喷头喷出后雾化为粒度很小的液滴，喷淋到电子元器件表面沸腾换热，将热量带走；喷淋式是利用了高速强制对流换热强化换热密度的特点，原理与喷雾式类似；浸没式是指将电子元器件浸没在冷却液内换热，根据换热过程是否发生相变分为单相浸没式与相变浸没式两种。数据中心浸没式冷却通过直接将IT硬件浸没在液体中，帮助改进其散热设计。电子元件产生的热量直接高效地传递到液体中，从而减少了对导热界面材料、散热器和风扇等主动冷却组件的需求。这些改进提高了能源效率和封装密度。
CN108089679 A公开了一种浸没式液冷系统，包括：冷却槽，冷却槽内部填充有绝缘的冷却剂、并设置有冷凝盘管，冷凝盘管设置在冷却剂的液面上方；其中，冷凝盘管的至少部分表面为超疏水表面，该技术通过对冷凝盘管的表面进行超疏水处理，能够强化凝结换热的效果，但是没有给出冷却剂的组成。现有技术为取代氯氟烃、氢氯氟烃而开发新的用于空调或者热泵的传热流体，包括多种氟化物，但是直接将IT硬件浸没在液体中冷却的需求与常规流体传热不同，提出来新的技术以及应用要求，比如液体冷却剂对芯片工作温度的影响，液体组成对电路板运行的影响，尤其对电性能、介电性能的影响，当然还需考虑毒性。纵观现有技术，并未查阅到用于浸没式服务器冷却的全氟化合物组合物冷却剂。
发明内容
本发明氟化冷却液热传导性能出色，绝缘性能良好及与其类似物互溶性好，可成为主流半导体、液晶制造过程中蚀刻、曝光、离子注入、封装测试等电子制造设备所采用的冷媒，以及超级计算机、云计算服务器机组的直、间接冷却解决方案。
本发明采用如下技术方案：
一种液冷用全氟化合物组合物，包括PFBE与氟代烷烃制冷剂；所述氟代烷烃制冷剂中，烷烃的碳原子数为2～8，优选2～5，最优选2～4，为短链氟代烷烃制冷剂；优选的，所述氟代烷烃制冷剂的主链含有氧原子，即所述氟代烷烃制冷剂为氟代醚制冷剂；优选的，所述液冷用全氟化合物组合物的共沸点为40～60℃，优选45～55℃。
本发明中，将PFBE与氟代烷烃制冷剂混合，得到液冷用全氟化合物组合物。
本发明中，氟代烷烃制冷剂为以下化合物中的一种或几种，优选一种或两种：1-（二氟甲氧基）-1,2,2-三氟乙烷、2-氟甲氧基-1,1,1,2-四氟乙烷、2-甲氧基-1,1,1,2-四氟乙烷、1-甲氧基-1,1,2,3-四氟乙烷、1-二氟甲氧基-2,2-二氟乙烷、2-甲氧基-1,1,2-三氟乙烷、1,1-二氟-2-甲氧基乙烷、1,1,1,3,3,3-六-2-（氟甲氧基）丙烷、1,1,2-三氟-1-甲氧基-2（三氟甲氧基）乙烷、1,1,1,2,3,3-六氟-3-甲氧基丙烷、1,1,1,3,3,3-六氟-2-甲氧基丙烷、1,1,2,2,3,3-六氟-3-甲氧基丙烷、1-乙氧基-1,1,1,2-四氟乙烷、2-乙氧基-1,1,2,2-四氟乙烷、1,1,1-三氟-2-乙氧基乙烷、1,1,1-三氟-3-甲氧基丙烷、1,1,1-三氟-2-甲氧基丙烷、1-乙氧基-1,2,2-三氟乙烷、2,3-二氟-4-（三氟甲基）氧杂环丁烷。
本发明公开了上述液冷用全氟化合物组合物作为浸没式冷却液或者在制备浸没式冷却液中的应用；优选的，浸没式冷却为服务器浸没式冷却，具体为服务器中电子器件的冷却。作为常规方法，浸没式冷却柜中的服务器发热部件浸没在密闭的冷却液中，热的冷却液挥发，遇冷后降温，降温后的冷却液再循环到服务器冷却柜中，如此循环冷却从而确保服务器稳定运行。
本发明公开了一种服务器浸没式冷却方法，将服务器的电子器件浸入上述液冷用全氟化合物组合物，完成服务器浸没式冷却。
目前，生产适合浸没式液冷氟化液的厂家较少，主要集中在3M公司，壳牌等。本发明首次公开了服务器浸没式冷却用冷却液，高效节能，液体直接与服务器各部件接触传热速度快，无噪音，适用性强，无论服务器运行功率是3kW还是200kW可兼容使用，并且冷却液在系统内两相循环，几乎无损耗。
附图说明
图1为密闭容器结构示意图，密闭容器内部上方设有冷凝管，下方设有冷却液，服务器主板浸入冷却液中。
图2为浸没式冷却装置使用状态示意图，多个服务器主板排列浸入冷却液中。
具体实施方式
本发明采用现有全氟中长链化合物，形成双组份或三组分冷却液，用于服务器的液冷技术，可以长时间平稳运行。
在密闭容器内安装温度传感器以及气压传感器，随时观察、记录液体温度、蒸汽压力数值。沸点测试在常压（1个标压）下进行。
将服务器主板浸入含有液冷用全氟化合物组合物（冷却液）的密闭容器（常规液冷柜，有常规冷凝管与温度传感器、气压传感器，参见图1），采用戴尔R720服务器，主板CPU工作状态60℃（理论），360小时不间断常规运行（工作），观察冷却液温度变化、密闭容器内压力变化，通过常规软件显示主板CPU的温度。
实施例
将组分A（PFBE，全氟丁基乙烯） 和组分B （短链氟代烷烃制冷剂）常规混合，组成液冷用全氟化合物组合物，组成以及沸点见表1、表2以及表3，液冷用全氟化合物组合物的共沸点为40～60℃范围内，都可满足360小时稳定运行（指，主板CPU的温度变化在2℃以内）。尤其是表中，当共沸物沸点温度在45～55℃时，能够最大限定发挥处理器工作能力，实现CPU20%的超频（此时，主板CPU的温度变化依然在2℃以内），且液冷柜气压符合安全规范，共沸物沸点温度在此范围外的冷却液只能实现CPU10%的超频，或者不能超频，否则主板CPU的温度偏高或者气压偏高。
作为对比，如果采用沸点温度超过60℃的冷却液，不满足稳定运行；如果采用沸点温度低于40℃的冷却液，密闭容器内气压偏大，不符合安全规范。
作为对照，3M FC-3284作为冷却液进行平行对照实验，服务器主板CPU的温度变化存在3～8℃的情况。
液冷技术可提高散热密度、节能减排、降低数据中心的碳足迹，开展数据中心液冷技术的应用研究具有积极的科学意义与工业意义。由于浸没式液冷系统的冷却液直接和电子器件接触，必须确保冷却液与电子器件的绝缘，同时，良好的热物理性能、化学及热稳定性、无腐蚀且环境友好也是该类冷却液非常重要的特性。两相浸没式液冷系统的冷却液除了需要合适的沸点、较窄的沸程范围及高汽化潜热外，还需要避免对电子器件的劣化。
众所周知，电容是各种电路板中极其重要的元器件之一，它体积小、成本低，但最大的痛点就是电容容量容易衰减，以往的风冷主要是粉尘、振动带来影响，浸没式冷却避免这两个问题，但是带来冷却液浸泡的影响，本发明通过1年浸泡冷却，研究制冷剂对电子器件的影响。
电容衰减测试方法：准备R720的服务器主板，标上编号，然后对每片主板上主要电容也分别编号，利用电容测试仪进行断电电容检测，记录下测试数据；把R720服务器主板分别浸入不同冷却液（常规液冷柜）中， 常规运行1年后对主要电容，按编号进行检测，记录下测试数据，（测量误差控制在1‰以内）。
按质量百分数，将43%的PFBE与57%的1-（二氟甲氧基）-1,2,2-三氟乙烷混合，得到PFBE组分；氟代醚组分是全氟甲基乙烯基醚；氟代烯烃组分是全氟己酮。
经过以上平行实验，本发明冷却液，电容值下降较小，小于1%，有的电容甚至几乎没有受到影响；氟代醚组分溶液电容值下降较多，5%～6%；氟代烯烃组分溶液电容下降3%～5%；FC-3284组分溶液电容下降1%～4%，主要在2.5%～4%。
按质量百分数，将22%的PFBE与78%的1,1,1-三氟-2-乙氧基乙烷混合，得到20Kg冷却液A；按质量百分数，将22%的PFBE与56%的1-（二氟甲氧基）-1,2,2-三氟乙烷、22%的2,3-二氟-4-（三氟甲基）氧杂环丁烷混合，得到20Kg冷却液B；按质量百分数，将52.3%的PFBE与47.7%的1-二氟甲氧基-2,2-二氟乙烷混合，得到20Kg冷却液C；按质量百分数，将8.2%的PFBE与91.8%的1,1,1-三氟-2-甲氧基丙烷混合，得到20Kg冷却液D；按质量百分数，将29.1%的PFBE与70.9%的1-乙氧基-1,2,2-三氟乙烷混合，得到20Kg冷却液E。以上冷却液进行主板浸泡冷却实验，时间在三个月至半年不等，电容值下降都在0.8%以内。
浸没液冷为最近提出的概念，原理为将服务器直接浸泡在冷却液中，较以往的风冷具有高的冷却效率、低的能耗，核心是冷却液，主要为单相液冷与双相液冷，其中双相液冷是冷却液在循环散热过程中不断经历液态-气态-液态的过程，其充分利用冷却液的蒸发潜热。目前，对于冷却液，大都处于研发阶段，以往用于空调等设备的氟碳化合物被尝试用于双相浸没式液冷，但是能够实际应用的较少，只有3M公司公开了电子氟化液，其中FC-3284市场应用最好，但是所有研发都没有考虑冷却液对主板性能的影响，这是由于浸没式液冷概念提出时间太短，都聚焦在冷却上，而这是工业化应用过程无法避免的，因为主板泡在冷却液中，必然受到冷却液的影响。本发明首次以组分A（PFBE，全氟丁基乙烯） 为必要组成，与组分B （短链氟代烷烃制冷剂）创造性组合，得到冷却液，不仅具有与现有好的冷却液相当甚至更优的冷却效果，而且对电路板的不利影响明显弱于现有产品，这是意料之外的结果。本发明产品具有优良的稳定性、非油基、低毒性、无腐蚀性，是数据中心等可信赖、可持续的高性能冷却方案。
Claims (10)
1.一种液冷用全氟化合物组合物，其特征在于，包括PFBE与氟代烷烃制冷剂。
2.根据权利要求1所述液冷用全氟化合物组合物，其特征在于，所述氟代烷烃制冷剂中，烷烃的碳原子数为2～8。
3.根据权利要求1所述液冷用全氟化合物组合物，其特征在于，所述氟代烷烃制冷剂的主链含有氧原子。
4.根据权利要求1所述液冷用全氟化合物组合物，其特征在于，所述液冷用全氟化合物组合物的共沸点为40～60℃。
5.权利要求1所述液冷用全氟化合物组合物的制备方法，其特征在于，将PFBE与氟代烷烃制冷剂混合，得到液冷用全氟化合物组合物。
6.权利要求1所述液冷用全氟化合物组合物作为浸没式冷却液或者在制备浸没式冷却液中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，浸没式冷却为服务器浸没式冷却。
8.一种服务器浸没式冷却方法，其特征在于，将服务器的电子器件浸入权利要求1所述液冷用全氟化合物组合物，完成服务器浸没式冷却。
9. PFBE与氟代烷烃制冷剂在制备浸没式冷却液中的应用。
10.一种浸没式制冷系统，包括冷却槽，其特征在于，所述冷却槽中设有权利要求1所述液冷用全氟化合物组合物。
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Denomination of invention: A perfluorinated compound composition for liquid cooling and its application in immersion cooling Granted publication date: 20231013 Pledgee: Bank of Nanjing Limited by Share Ltd. Wuxi branch Pledgor: Aojiang (Wuxi) network energy Co.,Ltd. Registration number: Y2024980016551 |