中圖分類號(hào)：TQ013 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)中心規(guī) 模也有了更高的要求，電子元件熱功耗也隨之增加，

服務(wù)器的冷卻需求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)空氣冷卻方式無(wú)法達(dá)到服務(wù)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(méi)式液冷是目前效果較好的一種對(duì)服務(wù)器內(nèi)電子元件的降溫方式，通過(guò)將服務(wù)器的電子元件浸泡在液冷機(jī)柜中，在冷卻液循環(huán)過(guò)程中傳遞熱量，完成降溫過(guò)程。目前常用的冷卻液存在沸點(diǎn)低、易揮發(fā)和容易達(dá)到熱解上限的問(wèn)題，使其應(yīng)用受到了很大的限制。對(duì)單相浸沒(méi)式液冷常用冷卻液性能進(jìn)行分析，可以有效增強(qiáng)冷卻液的應(yīng)用效果。對(duì)此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如張呈平[1]對(duì)浸沒(méi)式冷卻液的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，提出理想浸沒(méi)式冷卻液的技術(shù)指標(biāo)，介紹了目前浸沒(méi)式冷卻液的分類、物化性能特點(diǎn)，綜合考慮環(huán)境性能、電絕緣性能、熱傳遞性能、熱穩(wěn)定性、安全性等因素，認(rèn)為全氟烯烴是當(dāng)前最為理想的浸沒(méi)式冷卻液。李嘉煜[2]從納米顆粒材料和散熱器幾何結(jié)構(gòu)2方面綜述了近年來(lái)納米流體在電子冷卻中的應(yīng)用研究進(jìn)展，總結(jié)了這一領(lǐng)域未來(lái)的研究機(jī)會(huì)和存在的挑戰(zhàn)。朱佳佳[3]圍繞浸沒(méi)式液冷技術(shù)展開(kāi)研究，介紹了浸沒(méi)式液冷技術(shù)提出的背景，相對(duì)傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，單相和雙相浸沒(méi)式液冷的技術(shù)要點(diǎn)，商業(yè)化進(jìn)展以及浸沒(méi)式液冷技術(shù)在未來(lái)應(yīng)用中面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。以上學(xué)者的研究為單相浸沒(méi)式液冷發(fā)展提供了參考，但在冷卻液性能方面還有需要優(yōu)化的空間，基于此，實(shí)驗(yàn)以李斌4論文中的方法為參考，對(duì)幾種單相浸沒(méi)式液冷常用冷卻液性能進(jìn)行比較。

1冷卻液機(jī)理及特性分析

由于單相浸沒(méi)式冷卻液需要直接接觸電子設(shè)備，因此對(duì)其電絕緣性的要求較高[5-6]。在介電常數(shù)、材料兼容性、化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性方面均有較高的要求[7-8]。目前常見(jiàn)的單相浸沒(méi)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(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)為：價(jià)格低，無(wú)毒不易揮發(fā)。缺點(diǎn)為：粘性大，流動(dòng)阻力大，功能消耗大，設(shè)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(dǎo)熱系數(shù)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(yōu)點(diǎn)為：價(jià)格低廉，無(wú)色無(wú)味無(wú)毒，不易揮發(fā)。缺點(diǎn)為：黏度大，阻力大，難清理，易分解，可燃[1-12]。物理特性為：導(dǎo)熱系數(shù) ，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(yōu)點(diǎn)為：惰性液體，穩(wěn)定不易燃，幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，節(jié)點(diǎn)常數(shù)較好，具備較好的流動(dòng)性。缺點(diǎn)，價(jià)格昂貴[13-14]。以FC-40和FC -3283為代表，F(xiàn)C-40物理特性為：沸點(diǎn) ，導(dǎo)熱系數(shù) 0.065W/（m'K） ，比熱 ，黏度 3.4MPa ·s，密度 。FC-3283物理特性：沸點(diǎn) ，導(dǎo)熱系數(shù) 0.066W/（m'K） ，比熱 1100J/（kg'K） 黏度 1.4MPa ，密度 。

2 結(jié)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(duì)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(jīng)過(guò)FC-40和FC-3283冷卻后的基板最高溫度分別為 和 ，表現(xiàn)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(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，電子氟化液的黏度較低，在流動(dòng)過(guò)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(dǎo)熱系數(shù)高，因此換熱效果差，對(duì)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(duì)熱阻系數(shù)

相對(duì)熱阻系數(shù)主要對(duì)冷卻液的冷卻效果進(jìn)行表征，冷卻液相對(duì)熱阻系數(shù)越小，則熱阻值越接近水，冷卻效果越好。相對(duì)熱阻系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，F(xiàn)C-3283和礦物油的相對(duì)熱阻系數(shù)分別為1.58和2.98。這就說(shuō)明FC-3283的冷卻效果最好，礦物油的冷卻效果最差，該結(jié)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(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，F(xiàn)C-3283冷卻的基板溫度標(biāo)準(zhǔn)差最低為 。礦物油和硅油的溫度差分別達(dá)到了 和 ，這就說(shuō)明電子氟化液作為單相浸沒(méi)冷卻液時(shí)，對(duì)基板溫度均勻性產(chǎn)生積極的效果，避免了基板在使用過(guò)程中出現(xiàn)局部溫差過(guò)高的現(xiàn)象[17-18]。綜合上述結(jié)論，電子氟化液在3種冷卻液中，對(duì)基板的冷卻效果和均溫效果表現(xiàn)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(duì)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(shù)也會(huì)隨之增加，換熱效果也明顯增加[19-20]。固定發(fā)熱功耗為200 W，冷卻液進(jìn)口流速的影響如圖4所示。

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

由圖4可知，隨進(jìn)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(shì)均逐漸變得平緩。同時(shí)還能從圖4中觀察到，幾種冷卻液中，礦物油溫度下降趨勢(shì)最明顯。當(dāng)進(jìn)口流速?gòu)?0.05m/s 增加至 0.25m/s 時(shí)，基板最高溫度從 下降至 。下降趨勢(shì)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(fā)熱功耗溫度的影響

在 0.05m/s 流速下發(fā)熱功耗對(duì)溫度的影響結(jié)果如圖5所示。

由圖5可觀察到，基板最高溫度隨發(fā)熱功耗的增加而增加。當(dāng)發(fā)熱功率達(dá)到 400V 時(shí)，礦物油冷卻的基板最高溫度超過(guò)了 ，冷卻效果達(dá)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(xiàn)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(jīng)確定了電子氟化液FC-3283對(duì)基板冷卻效果最好，因此進(jìn)一步分析由FC-3283冷卻的基板溫度受發(fā)熱功率和流速變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，基板最高溫度隨流速變化趨勢(shì)基本一致。在固定流速的條件下，發(fā)熱功率與最高溫度的變化規(guī)律約為，發(fā)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(jìn)一步對(duì)基板最高溫度與發(fā)熱功率關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)冷卻液進(jìn)口流速固定，發(fā)熱功率與基板最高溫度表現(xiàn)出線性關(guān)系。當(dāng)發(fā)熱功率達(dá)到了 600mum 時(shí)，基板最高溫度為 ，滿足電子元件工作需求。

3結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)選擇的幾種冷卻液中，電子氟化液對(duì)電子元件基板的冷卻效果最好，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求選擇適合的冷卻液。

（1）冷卻液對(duì)基板的冷卻效果受冷卻液黏度的影響，黏度越低，在流動(dòng)過(guò)程中湍流度越高，增強(qiáng)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(jìn)口流速和發(fā)熱功率為200W的條件下，礦物油對(duì)基板的冷卻效果最差，基板最高溫度為 ，標(biāo)準(zhǔn)溫度差達(dá)到 ，相對(duì)熱阻系數(shù)約為2.98。電子氟化液FC-3283對(duì)基板的冷卻效果最好，經(jīng)過(guò)冷卻后，基板最高溫度約為55℃，標(biāo)準(zhǔn)溫度差約為 ，相對(duì)熱阻系數(shù)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(dāng)熱功率為400W，進(jìn)口流速為 0.05m/s時(shí)，礦物油冷卻的基板最高溫度超過(guò)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(xiàn)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，F(xiàn)C-3283冷卻的基板最高溫度與發(fā)熱功率存在線性關(guān)系，當(dāng)發(fā)熱功率為600W時(shí)，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(xiàn)出良好的冷卻效果。

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（責(zé)任編輯：平海）