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产品应用 半导体与数据中心冷却液 数据中心用浸没式冷却液的研究进展

数据中心用浸没式冷却液的研究进展

2022-08-15 44

1. 浸没式冷却液技术指标

近年来,随着国家政策对数据中心PUE值(电能使用效率)限制的不断缩紧,液冷技术作为降低PUE值的公认利器,已成行业焦点技术。发改委、工信部等四部门印发的最新文件要求到2025年,大型、超大型数据中心PUE值降到1.3以下,而液冷可将PUE值降低至1.1左右,达到政策要求。此外,液冷可解决高密度散热问题,节约建设成本,同时还具备静音低噪、易于选址的优势,更适应未来发展。

对电子应用的液体冷却剂有许多要求,因应用类型而异,一般可能包括:

– 良好的热物理特性(高导热性和比热;低粘度;两相应用的高蒸发潜热)。

– 低凝固点和爆裂点(有时为了运输和/或储存的目的,需要在-40°C或更低的温度下进行爆裂保护)。

– 单相系统要求沸点高(或工作温度下的蒸汽压力低);两相系统要有合适的沸点。

– 在电子系统的使用寿命内具有良好的化学和热稳定性。

– 高闪点和自燃温度(有时要求不可燃性)。

– 对结构材料无腐蚀性(金属以及聚合物和其他非金属)。

– 没有或仅有极少的法规限制(环境友好、无毒,可生物降解)。

– 经济性。

由于在浸没式液冷技术中,冷却液与电子产品直接接触,对冷却液的绝缘性、传热性等性能有严格的要求,认为理想的浸没式冷却液需满足以下技术指标:

(1)绝缘体储存电能的性能较弱,介电常数<2.5(1 kHz条件下),使得高频率电子部件和连接器浸没在冷却液中而不会显著损失信号完整性;

(2)绝缘性能优异,体积电阻率>1×1012 Ω•cm,介电强度>24 kV(2.54 mm gap);

(3)低表面张力,低黏度,在最低使用温度下液体的运动黏度<50cSt;

(4)双相浸没式冷却液的沸点一般为 20~100 ℃;单相浸没式冷却液的沸点一般大于 100 ℃;

(5)优异的热传递性能,比热容≥0.96 J/(g·K ),液体导热率≥0.06 W/(m·K);

(6)材料相容性好,化学稳定性高,不燃,且与电子部件接触时不产生任何腐蚀;

(7)急性毒性要求 LC 50>2000 mg/kg;

(8)环境性能友好,臭氧消耗潜能值(ODP)为零,全球变暖潜能值(GWP)<250[3]。

按照目前的研究经验,业已表明:介电常数、GWP值、绝缘性能指标等指标难以同时满足。因此,这些指标成为开发浸没式冷却液成败的关键指标。

2.浸没式冷却液的产品现状

截至目前,浸没式冷却液可根据分子结构特性分为以下4种:氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物和全氟不饱和化合物,进一步可细分为氢氟烃、氢氟醚、氢氟烯烃、不饱和氢氟醚、全氟烷烃、全氟胺、全氟聚醚、全氟烯烃、全氟烯基胺、全氟烯基醚等种类。

2.1  氢氟饱和化合物

氢氟饱和化合物浸没式冷却液主要包括氢氟烃和氢氟醚,其特点是GWP值较高、介电常数较大。通常而言,氢氟烃的介电常数和GWP值均较高,其绝缘性能和环境性能不符合理想浸没式冷却液的技术指标。氢氟醚的介电常数都较高,均远大于2.5,究其原因是分子极性较大,导致增加了其介电常数。目前,氢氟醚主要用于对介电常数要求不是很严苛的领域。

2.2  氢氟不饱和化合物

由于氢氟烃和氢氟醚等饱和化合物的GWP值较高,不属于环境友好物质,通过向上述结构中引入C=C或环结构,得到氢氟烯烃或不饱和氢氟醚等不饱和化合物,可明显增强其与OH自由基的反应活性,从而降低GWP值,提升其环境性能。

2.3  全氟饱和化合物

由于氢氟烃和氢氟醚等氢氟饱和化合物的介电常数较高,不属于非介电流体。

由于氟原子半径小和负电荷集中,导致氟具有较低的电子和原子极化率。因此,氟取代引起 的独特作用之一是降低化合物分子的极化率,从而降低化合物的介电常数。研究认为,化合物中的氟 元素质量百分含量和分子体积极化率是影响介电常数的主要因素,结果表明,氟元素的质量百分含 量越高,其介电常数越小;分子体积极化率越小,其介电常数也越小。

向介电常数较高的氢氟烃和氢氟醚等氢氟饱和化合物结构中引入氟原子,将结构中的氢原子全取代,得到全氟烃或全氟聚醚等全氟饱和化合物,可降低分子极化率,从而降低介电常数。

2.4  全氟不饱和化合物

尽管全氟烃、全氟胺、全氟聚醚等全氟化合物的介电常数很低,从技术指标层面上,可满足理想浸没式的要求。但是上述化合物的GWP值一般大于5000,具有强温室效应。因此,在全氟化合物中引入C=C结构或环结构,成为改善其环境性能的主要策略。

3. 理想的浸没式冷却液

为满足大数据、云计算的基础——数据中心的快速、高效散热需求,泉州宇极新材料科技有限公司开发了具有独立知识产权的系列浸没式含氟电子冷却液,如:FEC-50、FEC-80、FEC-110、FEC-140、FEC-160 等。

该系列产品具有零消耗臭氧潜能值(ODP)、低全球变暖潜能值(GWP)、低介电常数(DK)、宽温域、低毒性、良好的热传递性能等特点,可以满足不同浸没式冷却系统的传热要求。具体指标见下表:

物化参数 FEC-50 FEC-80 FEC-110 FEC-140 FEC-160
产品性状 无色液体 无色液体 无色液体 无色液体 无色液体
摩尔质量,g/mol 300 362 450 512 600
液体密度,g/mL,25℃ 1.5873 1.72(20℃) 1.83 1.546 1.709±0.06
比热容,J/(kg K) 1.2977 1.0465 0.865 1.4601 1.7113
导热系数,W/(m k) 0.07130 0.0709 0.06844 0.0701 0.0635
汽化潜热,KJ/mol 28.93±3.0 29.94 32.067 33.29±3.0 40.92±3.0
沸点,℃ 47.1 83.6 107.2 108.5±40.0 158.6
饱和蒸汽压,mmHg(25℃) 215 18.35 / 30.2 0.749
可燃性 不燃 不燃 不燃 不燃 不燃
介电常数(1kHz,25℃) 2.00 1.68 1.87 1.84 <2
ODP值 0 0 0 0 0
GWP100 135 53 420 62 480

 

参考文献:

[1] 张呈平,郭勤,贾晓卿,权恒道.数据中心用浸没式冷却液的研究进展[J/OL].精细化工. https://doi.org/10.13550/j.jxhg.20220510

[2] GUO L (郭亮), XIE L N (谢丽娜), LAN B (蓝滨), et al. The technical requirements and test methods of cooling liquid in the data center liquid cooling system: YD/T 3982—2021[S]. 2021-12-02.

[3]BULINSKI M J, TUMA P E, COSTELLO M G, et al. Fluids for immersion cooling: US20200178414A1[P]. 2020-06-04.