單相浸沒式液冷常用冷卻液性能比較及選型

中圖分類號：TQ013 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）05-0127-04

Abstract：The performance of several commonlyused single-phase immersion coolants was compared，and the effects of coolant inletflowrate and heating power on the effect of colant-coled electronic component substrates were analyzed.The test results showed that among several commonly used single-phase immersion coolants，the electronic fluorinated fluidFC-3283had the best cooling efecton the substrate，and the mineral oil hadthe worstcoling effect.Under the conditions of 200W heating power and O.O5 m/s inlet flow rate，the maximum temperature of the cooled substrate of mineral oil was ，thestandard temperature difference was 3.8 C ，andtherelative thermal resistancecoeffcient was about 2.98，while the maximum temperatureof thecooled substrate of electronic fluorinated liquid FC -3283 was about ，the standard temperature difference was about 1.9 C ，and the relative thermal resistance coefficient was about 1.58.When the thermal power was 400W andthe inlet flow rate was 0.05m/s ，the maximum temperature of the mineral oil-cooled substrate exceeded ，and the cooling effect did not meet thecooling requirements of electronic components.The maximum temperature of the substrate coled by the electronic fluorinated fluid FC -3283 was about 62.3degreeC ，which shows good cooling performance and meets the cooling requirements of electronic components.

KeyWords：singlephase immersioncooling；liquid cooledcoolant；cooling performance；cooling effctof electronic components

隨著現代信息技術的高速發展，對數據中心規 模也有了更高的要求，電子元件熱功耗也隨之增加，

服務器的冷卻需求也越來越高。傳統空氣冷卻方式無法達到服務器冷卻要求，因此需要選擇一種效果更好的冷卻方式。單相浸沒式液冷是目前效果較好的一種對服務器內電子元件的降溫方式，通過將服務器的電子元件浸泡在液冷機柜中，在冷卻液循環過程中傳遞熱量，完成降溫過程。目前常用的冷卻液存在沸點低、易揮發和容易達到熱解上限的問題，使其應用受到了很大的限制。對單相浸沒式液冷常用冷卻液性能進行分析，可以有效增強冷卻液的應用效果。對此，部分學者也進行了很多研究，如張呈平[1]對浸沒式冷卻液的發展現狀進行綜述，提出理想浸沒式冷卻液的技術指標，介紹了目前浸沒式冷卻液的分類、物化性能特點，綜合考慮環境性能、電絕緣性能、熱傳遞性能、熱穩定性、安全性等因素，認為全氟烯烴是當前最為理想的浸沒式冷卻液。李嘉煜[2]從納米顆粒材料和散熱器幾何結構2方面綜述了近年來納米流體在電子冷卻中的應用研究進展，總結了這一領域未來的研究機會和存在的挑戰。朱佳佳[3]圍繞浸沒式液冷技術展開研究，介紹了浸沒式液冷技術提出的背景，相對傳統冷卻技術的優勢，單相和雙相浸沒式液冷的技術要點，商業化進展以及浸沒式液冷技術在未來應用中面臨的問題與挑戰。以上學者的研究為單相浸沒式液冷發展提供了參考，但在冷卻液性能方面還有需要優化的空間，基于此，實驗以李斌4論文中的方法為參考，對幾種單相浸沒式液冷常用冷卻液性能進行比較。

1冷卻液機理及特性分析

由于單相浸沒式冷卻液需要直接接觸電子設備，因此對其電絕緣性的要求較高[5-6]。在介電常數、材料兼容性、化學穩定性和物理穩定性方面均有較高的要求[7-8]。目前常見的單相浸沒式冷卻液主要有去離子水、礦物油、硅油、電子氟化液

礦物油：主要由烷烴和脂肪烴構成。優點為：價格低，無毒不易揮發。缺點為：粘性大，流動阻力大，功能消耗大，設備清洗難度高，接觸明火可燃，存在一定的安全隱患[9-10]。物理特性為：導熱系數0.13W/（m'K） ，比熱 1670J/（kg'K） ，黏度（204 12MPa，密度 。

硅油：主要成分為聚二甲基硅氧烷。優點為：價格低廉，無色無味無毒，不易揮發。缺點為：黏度大，阻力大，難清理，易分解，可燃[1-12]。物理特性為：導熱系數 ，比熱 1550J/（kg'K） ，黏度 ，密度 。

電子氟化液：主要成分為氟碳化合物。優點為：惰性液體，穩定不易燃，幾乎不與其他物質發生反應，節點常數較好，具備較好的流動性。缺點，價格昂貴[13-14]。以FC-40和FC -3283為代表，FC-40物理特性為：沸點 ，導熱系數 0.065W/（m'K） ，比熱 ，黏度 3.4MPa ·s，密度 。FC-3283物理特性：沸點 ，導熱系數 0.066W/（m'K） ，比熱 1100J/（kg'K） 黏度 1.4MPa ，密度 。

2 結果與討論

2.1冷卻液性能比較

2.1.1基板最高溫度冷卻液對基板最高溫度的影響如圖1所示。

由圖1可知，在幾種冷卻液中，2種電子氟化液的冷卻效果最好，經過FC-40和FC-3283冷卻后的基板最高溫度分別為 和 ，表現出良好的冷卻效果。而硅油和礦物油冷卻的基板最高溫度分別為 和 ，冷卻效果明顯差于電子氟化液。出現這個變化的主要原因在于，電子氟化液的黏度較低，在流動過程中湍流度高，這就增加了冷卻液與散熱器肋片間的熱交換，換熱效率增加，冷卻效果好[15-16]。硅油的黏度略高于電子氟化液，導熱系數高，因此換熱效果差，對基板的冷卻效果差于電子氟化液。而礦物油的黏度大，換熱效果差，冷卻效果差。

2.1.2 相對熱阻系數

相對熱阻系數主要對冷卻液的冷卻效果進行表征，冷卻液相對熱阻系數越小，則熱阻值越接近水，冷卻效果越好。相對熱阻系數測試結果如圖2所示。

由圖2可知，FC-3283和礦物油的相對熱阻系數分別為1.58和2.98。這就說明FC-3283的冷卻效果最好，礦物油的冷卻效果最差，該結論與冷卻液冷卻基板最高溫度一致。在相同的熱功耗條件下，礦物油的熱阻值約為FC-3283的2倍。

2.1.3 基板均溫性

基板均溫性測試結果如圖3所示。

由圖3可知，FC-3283冷卻的基板溫度標準差最低為 。礦物油和硅油的溫度差分別達到了 和 ，這就說明電子氟化液作為單相浸沒冷卻液時，對基板溫度均勻性產生積極的效果，避免了基板在使用過程中出現局部溫差過高的現象[17-18]。綜合上述結論，電子氟化液在3種冷卻液中，對基板的冷卻效果和均溫效果表現最好，是一種性能較完全的冷卻液。

2.2 功耗和流量變化的影響

2.2.1 流速對溫度的影響

流速是影響溫度的重要因素，隨流速的增加，基板雷諾數也會隨之增加，換熱效果也明顯增加[19-20]。固定發熱功耗為200 W，冷卻液進口流速的影響如圖4所示。

圖4流速對溫度的影響Fig.4Effect of flow rate on temperature

由圖4可知，隨進口流速的增加，使用冷卻液的基板最高溫度均有一定下降，且隨流速的增加，最高溫度下降趨勢均逐漸變得平緩。同時還能從圖4中觀察到，幾種冷卻液中，礦物油溫度下降趨勢最明顯。當進口流速從 0.05m/s 增加至 0.25m/s 時，基板最高溫度從 下降至 。下降趨勢最為緩慢的是FC-3283，基板最高溫度從 下降至 。這就表明FC-3283是所有冷卻液中，冷卻性能最好。

2.2.2 發熱功耗溫度的影響

在 0.05m/s 流速下發熱功耗對溫度的影響結果如圖5所示。

由圖5可觀察到，基板最高溫度隨發熱功耗的增加而增加。當發熱功率達到 400V 時，礦物油冷卻的基板最高溫度超過了 ，冷卻效果達不到電子元件降溫要求。而電子氟化液FC-3283冷卻的基板最高溫度最低，約為 62.3degreeC ，表現出良好的冷卻性能，滿足電子元件冷卻要求。

2.3 FC-3283性能分析

以上研究中，已經確定了電子氟化液FC-3283對基板冷卻效果最好，因此進一步分析由FC-3283冷卻的基板溫度受發熱功率和流速變化規律，結果如圖6所示。

由圖6可知，基板最高溫度隨流速變化趨勢基本一致。在固定流速的條件下，發熱功率與最高溫度的變化規律約為，發熱功率每增加100W，基板最高溫度增加 10% 。

在流速固定的條件下，進一步對基板最高溫度與發熱功率關系進行分析，結果如圖7所示。

由圖7可知，當冷卻液進口流速固定，發熱功率與基板最高溫度表現出線性關系。當發熱功率達到了 600mum 時，基板最高溫度為 ，滿足電子元件工作需求。

3結語

實驗選擇的幾種冷卻液中，電子氟化液對電子元件基板的冷卻效果最好，在實際應用中，可以根據需求選擇適合的冷卻液。

（1）冷卻液對基板的冷卻效果受冷卻液黏度的影響，黏度越低，在流動過程中湍流度越高，增強了冷卻液與散熱器肋片間的熱交換，換熱效率越好；

（2）在固定冷卻液進口流速和發熱功率為200W的條件下，礦物油對基板的冷卻效果最差，基板最高溫度為 ，標準溫度差達到 ，相對熱阻系數約為2.98。電子氟化液FC-3283對基板的冷卻效果最好，經過冷卻后，基板最高溫度約為55℃，標準溫度差約為 ，相對熱阻系數約為1.58；（3）熱功耗和冷卻液流速均是影響基板溫度的主要因素，隨熱功耗和冷卻液流速的增加，基板的最高溫度也隨之增加；（4）當熱功率為400W，進口流速為 0.05m/s時，礦物油冷卻的基板最高溫度超過了90℃，冷卻效果較差。而電子氟化液FC-3283冷卻的基板最高溫度約為62.3℃，表現出良好的冷卻性能，滿足電子元件冷卻要求；（6）在固定流速的條件下，FC-3283冷卻的基板最高溫度與發熱功率存在線性關系，當發熱功率為600W時，基板最高溫度為80 C ，滿足電子元件工作溫度冷卻要求，表現出良好的冷卻效果。

【參考文獻】

[1] 張呈平，郭勤，賈曉卿，等.數據中心用浸沒式冷卻液的研究進展[J].精細化工，2022，39（11）：2184-2195.

[2] 李嘉煜，張華.納米流體在電子冷卻中的應用研究進展[J].能源研究與信息，2022，38（2）：117-123.

[3] 朱佳佳，趙妍.數據中心浸沒式液冷技術研究[J].通信管理與技術，2022（1）：12-15.

[4] 李斌.服務器單相浸沒式液冷數值模擬與優化[D].濟南：山東大學，2021.

[5] 李芳寧，曹海山.數據中心兩相冷卻技術現狀與展望[J].制冷學報，2022，43（3）：28-36.

[6] 張進強，王海民，魯南.絕緣油浸沒式冷卻小型NCM811動力電池模組的溫度場特性實驗[J].儲能科學與技術，2022，11（8）：2612-2619.

[7]李昕光，元佳宇，王文超.基于均勻設計的電池組液冷結構多目標優化[J].電子測量技術，2022，45（13）：33-39.

[8]吳曦蕾，楊佳亮，郭豪文，等.數據中心浸沒式液體冷卻系統的發展歷程及關鍵環節設計[J].制冷與空調，2022，22（11） ：61-74.

[9] 謝麗娜，邢玉萍，藍濱.數據中心浸沒液冷中冷卻液關鍵問題研究[J].信息通信技術與政策，2022（3）：40-46.

[10] 袁慧，侯娜娜，李樹謙，等.數據中心相關器件的浸沒液冷技術研究進展[J].能源研究與管理，2022（1）：19-28.

[11] 齊文亮，王婉人，楊雨薇，等.航空電子設備噴霧冷卻技術研究進展[J].科技導報，2022，40（5）：95-104.

[12] 于漢啟.新型高分子膠粘劑在變電站線路保護的應用[J].粘接，2020，42（6）：11-15.

[13] 章嘉晶，張蘭春.液冷板分配流道結構參數對散熱性能影響研究[J].江蘇理工學院學報，2021，27（6）：79-88.

[14］李棒，陳前，林智.服務器單相浸沒式液冷散熱性能影響因素分析[J].電子世界，2021（19）：75-78.

[15]：鐘楊帆，郭銳，張京，等.基于電子氟化液的單相浸沒液冷服務器長期可靠性評估［J].中國電信業，2021（S1） ：55-60.

[16] 王輝.XPS 測試下不同溫度對高溫粘結劑粘接界面化學結構變化研究[J].粘接，2022，49（11）：16-19.

[17] 李聰聰，唐本亭，魯江華，等.邊緣數據中心節點的液冷系統部署可行性評估［J].電信工程技術與標準化，2021，34（9） ：84-88.

［18］馮會良.電力電子設備市場展望及水冷系統冷卻液性能要求[J].石油商技，2021，39（2）：10-13.

[19] 王文豪，李波，丁月，等.基于雙層分形微通道的液冷板散熱性能分析[J].電源技術，2020，44（11）：1587-1590.

[20] 劉倩，石千磊，李凱璇，等.鋰離子電池結合棋盤拓撲分流結構的浸沒冷卻熱管理研究［J].發電技術，2021，42（2） ：218-229.

（責任編輯：平海）