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浸没式绝缘冷却液主要类型和性能特点

随着数据中心行业的快速发展以及对高效冷却技术需求的不断增加,浸没式冷却市场规模呈现出快速增长的态势。据相关研究预测,到 2029 年中国数据中心浸没式冷却液市场规模将达到较高水平,全球数据中心液体浸入式冷却市场在未来五年内也将加速增长,相比于传统的风冷技术,浸没式液冷具有更高的热容量和热导率,能够更高效地散热,可有效应对高功率密度服务器和芯片的散热挑战。同时,该技术还有助于优化数据中心的空间利用、降低噪音污染,并显著提升硬件的耐久性和可靠性,浸没式液冷技术在数据中心、高性能计算、人工智能等领域得到了重要应用,并且随着这些领域的不断发展,其应用范围还在不断拓展。例如,工业储能领域,大功率电力电子,超级充电桩等,都开始逐渐布局浸没式解决方案,并且已经开始逐步有商业化案例。
浸没式绝缘冷却液主要类型和性能特点
我们知道浸没式冷却,主要是将发热的器件泡在绝缘冷却液中,考虑到这种冷却方式是一种全新的解决方案,需要兼顾产品性能及可靠性,绝缘冷却液的选择就显得尤为重要,与传统的水基冷却液不同的是,绝缘冷却液只是针对其绝缘这个特性来说的,他并不是特指某类介质,对于没有接触过这个领域的朋友来说,就会造成一定的误解,认为绝缘冷却液就是一类产品,实际上不是的,能够实现绝缘的流体种类很多,而且化学结构都各不相同,所以其性能表现也会有非常大的差别,为了方便刚进入这个领域的朋友对于绝缘冷却液可以有一个初步的认识,下面我来介绍一下目前市面上主流的绝缘冷却液产品以及他们的特性。
目前市场上在推广的绝缘冷却介质主要分为几大类:1)氟化液 2)矿物油 3)合成类碳氢基础油 4)合成酯 5)硅油
01
氟化液

工业上最早应用的是氟化液,其一直作为电子产品测试清洗的介质,有着广泛的应用,但是随着PFAS法案的规定(另外一篇单独介绍这个背景),基本宣告氟化液要退出工业应用领域了,美国最大的氟化液供应商3M公司,已经宣布了2025年开始停售所有的氟化液产品。

优点:

优异的绝缘性能:具有非常高的绝缘性,能够确保电气设备的安全运行,可广泛应用于高压变压器、高功率电子元器件以及超级计算机系统等对绝缘要求极高的设备。

良好的化学惰性:化学性质稳定,不易与其他物质发生化学反应,不会对设备造成腐蚀或损害,能够保证设备的长期稳定运行。

不燃性:无闪点,属于不燃液体,在使用过程中大大降低了火灾等安全事故的发生风险。

出色的热传导性:热传导性能良好,能够快速有效地将设备产生的热量传递出去,保证设备在正常的温度范围内运行。

材料兼容性好:对大多数金属及硬质塑料具有良好的兼容性,可广泛用于清洗行业绝大多数材质零部件的清洗以及作为各种电子设备的冷却液。

可蒸馏再生:通过蒸馏的方式可以实现再生,能够反复使用,降低了使用成本。

缺点:

价格昂贵:由于其生产工艺复杂,原材料成本较高,导致氟化液的价格相对较高,这在一定程度上限制了其在一些对成本敏感的领域的应用。

环保性:虽然氟化液的臭氧消耗潜能值(ODP)为零,但某些氟化液的全球变暖潜能值(GWP)较高,对环境可能会产生一定的影响,其环保性在一些情况下仍存在争议。

健康安全:人员在接触环境中的某些 PFAS 可能会对人类的健康产生有害影响。研究表明,PFAS 可能与多种健康问题相关,如癌症、胆固醇升高、甲状腺疾病、免疫系统功能下降、生殖系统异常、发育异常等

02
矿物油

矿物油故名思意,主要是通过化工产品中通过化学工艺炼化而来,矿物油是从石油中提炼出来的。石油经过分馏、精制等一系列复杂的加工过程,可得到不同类型和用途的矿物油。在分馏过程中,根据石油中各成分沸点的不同,将其分离成不同馏分,其中一些馏分经过进一步处理就成为矿物油产品。

优点:

价格低廉:相比其他一些高性能的绝缘冷却液,矿物油的成本相对较低,在一些对成本控制要求较高的应用场景中具有一定的优势。

环境友好:单相矿物油无味、无毒且不易挥发,对环境的影响相对较小。

绝缘性能较好:能够满足基本的绝缘要求,可在一定程度上保障电气设备的正常运行,防止短路等故障的发生。

缺点:

粘性较高:作为绝缘冷却介质,导热性能是最为重要的性能,但是因受工艺的限制,矿物油的粘度通常没有办法做到非常低。相比于一些专门设计的高性能冷却液,矿物油的热传导性能相对较弱,在一些对散热要求较高的设备中,可能无法满足散热需求

材料兼容性:因为矿物油不是完全纯净的单一组分,结合在生产过程中也会有S等成分杂质的混入,进而会导致一些材料兼容性的问题。

维护便利性:容易在设备表面和管道中残留,长期使用可能会影响设备的散热效果,并且增加了设备维护和清洁的难度。

03
酯类油
酯类油的来源主要有两种方式:

1) 天然来源:动、植物油脂是酯类油天然的来源之一。在古代,人们就发现并使用动植物油脂来减轻劳动负荷、润滑车轮等。例如,橄榄油曾被用于古埃及的运输作业中。不过,天然的动植物油脂虽然具有一定的润滑性能,但也存在抗氧化性能及低温性能较差等缺点,不能完全满足现代工业的需求。

2) 化学合成:现代工业中使用的酯类油大多是通过化学合成的方式得到的。合成酯类油可以根据具体的需求,对其性能进行精确的调控和优化,从而更好地满足各种不同的应用场景, 其生产主要是使用有机酸:常用的有机酸有己二酸、癸二酸等二元脂肪酸,以及其他各种具有特定结构和性能的有机酸。这些有机酸的选择会影响酯类油的性能,如热稳定性、氧化安定性等。 然后选择合适的醇进行酯化反应:醇的种类也很多,包括直链脂肪醇、支链脂肪醇、新戊基多元醇等。不同的醇与有机酸反应生成的酯类油具有不同的性能特点,例如支链脂肪醇可以改善酯类油的低温流动性。

酯化反应:这是生产酯类油的主要方法。有机酸和醇在一定的条件下发生酯化反应,生成酯类化合物和水。例如,二元脂肪酸与长链一元醇反应可以得到双酯;具有新戊基的多元醇,如三羟甲基丙烷、季戊四醇等,和一元脂肪酸酯化可生成多元醇酯。

优点

热安定性好:单纯从热分解温度来看,双酯类油一般在 280℃左右,醇酯类超过 300℃,以新戊基多元醇酯化而来的全阻化酯分解温度更高。这意味着在高温工作条件下,酯类油不易发生热分解反应,能够保持较好的稳定性,可适用于高温、高压等苛刻的工作环境。

低温流动性好:酯类油具有宽泛的液态范围,就酯类本身而言,双酯类黏度较小,粘度指数比较高,其倾点一般都能够低于 - 60℃,在低温环境下仍能保持良好的流动性,确保在低温启动时能够快速到达润滑部位,减少发动机的磨损。

环保性较好:部分酯类油具有可生物降解性,生物降解率可达 90% 以上,可减少对生态环境的污染。
与材料兼容性较好:对于大多数金属材料具有良好的兼容性,不过对某些结构的橡胶制品可能会有明显溶胀现象,但总体来说,在合理的应用范围内与材料的兼容性是比较可靠的。
挥发性低:在使用过程中挥发损失较少,能够减少油品的消耗,降低使用成本,同时也减少了因挥发产生的油气对环境的污染。
极性高:极性高对于极性橡胶的兼容性更好
缺点:

水解安定性差:由于含有极性基团,酯类油容易吸潮,在酸碱环境下稳定性较差。并且机油中含有的许多含磷、硫的添加剂以及工作过程中磨损下来的细小金属颗粒,在金属催化下添加剂会产生酸性物质,进一步催化酯的水解。

价格偏高:酯类油是一种高端合成润滑油,其生产工艺复杂,原材料成本较高,因此价格相对较贵,这在一定程度上限制了它的广泛应用。

水溶性差:遇水容易发生乳化,当然取决于浸没式的使用场景,是不是会有大量的水分侵入,如果没有这种情况,

 
04
合成碳氢类基础油
合成碳氢基础油是通过化学合成方法制备的碳氢化合物基础油,以下是一些常见的合成碳氢基础油及其生产方式,常见的合成类基础油有聚 α 烯烃(PAO),环烷基油,烷烃化合物等。
优点:
良好的低温流动性:在低温环境下,低粘度 PAO 仍能保持较好的流动性
出色的热稳定性和氧化安定性:在高温环境下,不易发生热分解和氧化反应,能够保持良好的性能稳定性。这使得它适用于高温工作条件的设备,相比一些传统的矿物油基础油,低粘度 PAO 的热氧化安定性能更为优越,能够更好地应对高温、高压等苛刻的工作环境
低挥发性:油品的蒸发度较低,能够减少润滑油在使用过程中的消耗,降低使用成本。同时,低挥发性也有助于减少因油品挥发而对环境造成的污染。
环保性相对较好:具有可生物降解性,对环境的影响相对较小,符合现代社会对环保产品的要求。
材料兼容性:合成类碳氢类基础油整体比较适合作为绝缘冷却介质,通常其材料兼容性兼容性较好,
缺点:
但在某些特定的密封材料下,低粘度 PAO 可能会对密封件产生一定的影响,如导致密封件膨胀、老化等问题,需要在使用时注意与密封材料的匹配性。
05
硅油

硅油:硅是自然界中另外一种除了氟以外比较稳定的物质,键能也比较高,硅油是一种在一定温度下维持液态的线型聚硅氧烷产品。主要有2种类型:

甲基硅油:这是最常见的硅油类型,也称为普通硅油,其有机基全是甲基。具有优异的化学稳定性、绝缘性和疏水特性。在许多领域应用广泛,是硅油中最重要的类型之一。

改性硅油:通过用某些有机基团代替甲基硅油里的部分甲基基团,来改进硅油的某些性能以适应各种不同的用途。常见的改性硅油有氨基改性硅油、聚醚改性硅油、羧基改性硅油、醇羟基改性硅油、酚羟基改性硅油等。

优点:

良好的流动性和渗透性:低粘度使得硅油能够快速、顺畅地在各种微小间隙和狭窄空间中流动,例如可以轻松渗透到机械设备的精密部件之间,为其提供良好的润滑和保护,减少部件之间的摩擦和磨损。在一些对润滑要求较高的小型仪器、精密机械或电子设备中,低粘度硅油的这一特性尤为重要。

优异的热稳定性:硅油本身具有较高的热稳定性,而低粘度硅油在高温环境下依然能够保持稳定的性能,不易发生分解、变质等现象。这使得它在高温工作条件下,如高温烘箱、热处理设备等,能够作为优良的传热介质或润滑剂使用,确保设备的正常运行。在一些需要经受高温处理的工艺过程中,低粘度硅油可以为材料提供稳定的保护,防止材料因高温而受损。

出色的化学稳定性:对大多数化学物质具有良好的耐受性,不易与其他化学物质发生反应。这使得低粘度硅油在各种复杂的化学环境中都能保持稳定的性能,不会因与其他物质发生反应而影响其使用效果。

良好的绝缘性能:是一种优良的电绝缘材料,低粘度硅油也不例外。它具有较高的电阻率,能够有效地隔绝电流,防止电气设备发生短路、漏电等故障。因此,在电子、电气等行业中,低粘度硅油常被用于电子元件的封装、绝缘保护等方面。

低温性能好:在低温环境下,低粘度硅油仍能保持较好的流动性,不会因温度降低而变得过于粘稠或凝固,确保在低温条件下也能正常发挥作用。这使得它在一些需要在低温环境下工作的设备,如低温冷冻机、航空航天设备等,具有广泛的应用。

无毒性和生理惰性:经过严格的质量控制和检测,符合相关标准的低粘度硅油通常是无毒的,且对人体组织和生物系统具有良好的生物相容性,不会引起过敏、刺激等不良反应。因此,在一些对安全性要求较高的领域,如医疗器械、化妆品等行业,低粘度硅油也得到了应用。

缺点:

挥发问题:虽然低粘度硅油的挥发性相对较低,但在一些高温或长期暴露在空气中的情况下,仍可能会有一定程度的挥发。挥发的硅油可能会对周围环境造成污染,并且会影响硅油的使用效果和使用寿命。

低表面张力:低表面张力使得硅油能够在物体表面快速铺展,形成均匀的薄膜,具有良好的润湿性能。但是从另外的角度,也导致硅油比较难密封,对于一些对密封要求比较高的场景,就不是很适合。

价格较高:因为用于绝缘冷却液这个场景里,多为改性硅油,硅油的生产成本较高,尤其是低粘度硅油的生产工艺相对复杂,这导致其价格相对较高。在一些对成本敏感的应用领域,低粘度硅油的高价格可能会限制其应用。

与某些材料的兼容性问题:因为相似相溶原理,低粘度硅油与某些材料,如某些橡胶、塑料等,可能存在兼容性问题。长期接触可能会导致这些材料发生溶胀、老化等现象,从而影响设备的密封性能和使用寿命。因此,在使用低粘度硅油时,需要对与之接触的材料进行充分的兼容性测试。

不易清洗:由于硅油具有良好的附着性和稳定性,一旦附着在物体表面,不易被清洗掉。这在一些需要保持设备清洁或对产品表面清洁度要求较高的场合,可能会带来一定的麻烦。

环保:因为硅也是非常稳定的物质,所以硅没有办法在自然界里分解,这也就导致含硅成分的液体需要单独的回收和处理。

浸没式绝缘冷却液主要类型和性能特点
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