不同電子氟化液對浸沒式相變冷卻系統(tǒng)性能的影響

吳曦蕾 劉 瀅 倪 航 黃炯亮 郭豪文 莊 園 韓曉紅

(1 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室 浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027；2 浙江工業(yè)大學化學工程學院 杭州 310014；3 含氟溫室氣體替代及控制處理國家重點實驗室 浙江省化工研究院 杭州 310007)

在信息化高速發(fā)展的時代，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的部分。根據(jù)綠色和平組織聯(lián)合華北電力大學發(fā)表的《點亮綠色云端：中國數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》[1]統(tǒng)計，2018年我國數(shù)據(jù)中心機架總數(shù)約為 271.06萬，預(yù)計2019—2023年，5年內(nèi)新增機架數(shù)為177.56萬，總增長率為65.51%。在如此龐大的數(shù)據(jù)中心總量基礎(chǔ)上，為了滿足其高計算精度和速度要求，高熱流電子芯片大量集成，同時要求設(shè)備零停機時間和不間斷運行，數(shù)據(jù)中心的熱負荷急劇攀升，在有限的空間內(nèi)其電子元件面臨的熱失效和熱退化問題尤為突出[2]。

因此，數(shù)據(jù)中心散熱的優(yōu)化已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，良好的散熱和溫度控制，不僅可以最大程度發(fā)揮其工作性能，也能帶來極為可觀的經(jīng)濟效益。為了評價數(shù)據(jù)中心的能效水平，提出了電源使用效率(power usage effectiveness,PUE)這一重要指標，如式(1)所示，該值越接近于1，表示能效水平越好[3]。據(jù)2018年3月國家工信部首次公布的《全國數(shù)據(jù)中心應(yīng)用發(fā)展指引》，全國超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE達1.50，大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.69[4]；而據(jù)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》要求，到2020年，新建大型云計算數(shù)據(jù)中心PUE值不得高于1.4[5]。根據(jù)現(xiàn)有機房能耗大致構(gòu)成可知[2]，冷卻系統(tǒng)能耗是PUE的重要影響因素，隨著政府和社會對能效水平要求的逐步提高，數(shù)據(jù)中心高效冷卻技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。

(1)

風冷是目前應(yīng)用最廣泛、應(yīng)用設(shè)施最完善的冷卻方式，但由于空氣低密度、低排熱能力的特性，其最大散熱能力僅達37 W/cm2[6]，相比于峰值熱流密度高達80～200 W/cm2的主流性能刀片式服務(wù)器單片CPU[7]，散熱能力明顯不足。在此背景下，液體冷卻技術(shù)備受關(guān)注。相比于空氣冷卻，液體冷卻技術(shù)的冷卻能力大幅提升。如3M公司針對數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的浸沒式液體冷卻與風冷的性能進行了對比[8]，結(jié)果表明，液體冷卻條件下的散熱熱流密度和傳熱系數(shù)明顯高于風冷，散熱效果更佳且更節(jié)能，PUE降至1.02。Bao Kangli等[9]總結(jié)了采用風冷、熱管及液體冷卻散熱技術(shù)的冷卻能力范圍，如圖1所示。由圖1可知采用液體冷卻技術(shù)的散熱方式具有顯著優(yōu)勢。

圖1 各種散熱技術(shù)的冷卻能力[9]Fig.1 The heat dissipation capacity of some cooling technology[9]

液體冷卻技術(shù)根據(jù)冷卻液是否與電子器件直接接觸，可分為直接液體冷卻和間接液體冷卻。其中，直接液體冷卻包括液體射流冷卻、噴霧冷卻和液體浸沒冷卻等。液體浸沒冷卻是將電子器件直接浸沒在不導電液體中，通過導熱、對流及器件表面液體沸騰提供較高的傳熱系數(shù)，降低芯片表面溫度，同時由外部制冷系統(tǒng)帶走冷卻劑中的熱量。但其傳熱系數(shù)的相對大小受冷卻液種類和對流傳熱模式的影響，即自然對流、強制對流或兩相沸騰。通常根據(jù)冷卻液有無相變，浸沒冷卻可分為單相浸沒冷卻和相變浸沒冷卻，圖2所示為兩種浸沒冷卻方式的冷卻機理。相比于傳統(tǒng)冷卻方式，浸沒式液體冷卻的優(yōu)勢顯著[2,10]：1)節(jié)能降耗，相對于傳統(tǒng)風冷數(shù)據(jù)中心能耗降低90%～95%，降低PUE可大幅降低機房的運營成本；2)低噪無污染，無需使用風扇，最大限度減少噪聲的污染，同時無需擔心空氣中的灰塵對高潔凈度要求器件的干擾；3)節(jié)約空間，利用浸沒式液冷的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)所占的空間體積可減小至風冷系統(tǒng)的1/3；4)換熱能力強，能夠滿足超高熱流密度器件的散熱需求。

圖2 兩種浸沒冷卻方式[11]Fig.2 Two immersion liquid cooling methods[11]

近年來國內(nèi)外開展了諸多針對浸沒式相變冷卻系統(tǒng)的研究。B.B.Kanbur等[12]對浸沒式相變冷卻系統(tǒng)進行了性能評估，研究了在 3.43～9.17 kW間6種不同運行負載下系統(tǒng)的熱力學性能和經(jīng)濟性，結(jié)果表明，在最高運行負載下可獲得最高性能系數(shù)COP為6.67，在最低運行負載下可得到最大PUE為1.15，PUE和COP有成反比的趨勢。M.S.El-Genk[13]提出利用Cu的高導熱率和多孔石墨(PG)增強核態(tài)沸騰的優(yōu)勢制成芯片復(fù)合散熱器，結(jié)果表明該復(fù)合表面上的最大核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)hMNB和臨界熱流密度顯著提高，其散熱效果遠優(yōu)于同厚度的Cu散熱器。C.Woodcock等[14]在器件表面增設(shè)微鰭(PPF)結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁上制造凹腔，擴展核沸騰區(qū)域，減小核沸騰所需的過熱度并增加傳熱面積，實驗測得，在該結(jié)構(gòu)下工質(zhì)HFE-7000可利用兩相沸騰傳熱帶走700 W/cm2的熱量。

冷卻液是浸沒式液體冷卻技術(shù)非常關(guān)鍵的技術(shù)問題之一。不同的冷卻液，由于熱物性、絕緣性能等性質(zhì)的差異，適用的液冷技術(shù)也不盡相同。用于單相浸沒冷卻的工質(zhì)主要有礦物油、硅油、大豆油和一些氟化物；Green Revolution Cooling(GRC)公司使用一種名為Electrosafe的礦物油，工作過程中礦物油不發(fā)生相變，傳熱性能是空氣的1 200倍，將單個機組浸沒于該工質(zhì)中能夠?qū)崿F(xiàn)100 kW的散熱[15]；M.Matsuoka 等[16]模擬了以硅油、大豆油和兩種氟化物(FC-3283和FC-43)為工質(zhì)的單相浸沒冷卻系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)包含48片發(fā)熱量為100 W以上的CPU以及384根內(nèi)存，模擬結(jié)果表明這幾種工質(zhì)均能將CPU溫度控制在約50 ℃，其中氟化物的冷卻效果最好。用于浸沒式相變冷卻系統(tǒng)的工質(zhì)主要有電子氟化液(如HFE-7100、Novec 649、FC-72，D-1等)以及一些常用的制冷劑，如3M公司所提供的數(shù)據(jù)中心設(shè)備冷卻方案以HFE-7100為工質(zhì)，可實現(xiàn)單機組250 kW的散熱，并且將數(shù)據(jù)中心的PUE降至1.02[17]；A.Habibi Khalaj 等[18]研究表明，使用電子氟化液的浸沒式相變冷卻方案散熱效果基本優(yōu)于空氣冷卻，結(jié)合泡沫金屬、噴霧、射流等技術(shù)可輕松實現(xiàn)100 W/cm2的高熱流散熱。綜上可知，目前關(guān)于電子氟化液的散熱性能對比研究較少。為了更好地了解這些電子氟化液應(yīng)用于浸沒式相變冷卻系統(tǒng)時對其性能的影響，本文將以浸沒式相變冷卻系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立浸沒式相變冷卻系統(tǒng)性能分析模型，針對目前可用于浸沒式冷卻系統(tǒng)的4種電子氟化液在同一系統(tǒng)中的散熱效果進行對比分析，以期來判斷電子氟化液與浸沒式相變冷卻系統(tǒng)的匹配性能，為其在實際工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 采用電子氟化液的浸沒式相變冷卻系統(tǒng)建模

1.1 電子氟化液

相比于空調(diào)、熱泵中使用的工質(zhì)，目前可用于浸沒式相變冷卻的工質(zhì)種類較少，主要有：FC-72、Novec 649和HFE-7100及D-1，主要物性參數(shù)如表1所示。

表1 FC-72、Novec 649、HFE-7100和D-1物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters of FC-72,Novec 649,HFE-7100 and D-1

1.2 應(yīng)用電子氟化液的浸沒式相變冷卻系統(tǒng)性能模擬

本文所計算的液冷系統(tǒng)基本參考3M公司為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散熱所提供的液冷方案[8]，發(fā)熱部件浸沒于盛有電子氟化液的密閉箱體中，不同之處是本系統(tǒng)中蒸氣冷凝盤管為蛇形管，其模型簡圖如圖3所示。本文所計算的系統(tǒng)中，芯片處發(fā)生飽和核態(tài)沸騰，液態(tài)的電子氟化液吸收熱量后轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)；氣態(tài)的電子氟化液上升至蛇形管處，在蛇形管表面發(fā)生膜狀冷凝，凝結(jié)為液體重新滴落至電子氟化液池中，同時熱量轉(zhuǎn)移至蛇形管內(nèi)的冷卻水，由冷卻水攜帶至室外。

圖3 浸沒式相變冷卻模擬計算系統(tǒng)Fig.3 The simulation system of immersion phase change cooling

首先討論芯片處發(fā)生的核態(tài)沸騰。氣泡的生成需要汽化核心和一定的過熱度[23]。以下計算中認為芯片表面提供的汽化核心半徑R為0.65 μm。發(fā)熱芯片貼壁處液體過熱度最大，為Tw-Ts。根據(jù)氣泡內(nèi)外力平衡條件以及克勞修斯-克拉貝龍方程，需要的過熱度如式(2)所示：

(2)

式中：Tw為芯片表面的溫度，K；Ts為電子氟化液的飽和溫度，K；σ為表面張力，N/m；ΔH為蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；ρv和ρl分別為氣相和液相的密度，kg/m3。

隨著過熱度增加，更加狹小的空間能夠成為汽化核心，氣泡數(shù)量增多。當氣泡匯聚并覆蓋在熱源表面，傳熱開始惡化。這一傳熱惡化轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的熱流密度為臨界熱流密度(critical heat flux,CHF)。CHF的估算采用J.H.Lienhard等[24]依據(jù)Zuber方程的修正公式，如式(3)所示。式(3)中的系數(shù)主要與池沸騰的電子氟化液相關(guān)，J.H.Lienhard等[24]采用四氯化碳、正戊烷、乙醇等幾種有機工質(zhì)對式(3)進行實驗驗證，結(jié)果表明不同工質(zhì)的該參數(shù)取值均在0.149附近變化，因此本文計算一律取0.149。在計算CHF時要考慮傾角的修正，修正公式如式(4)[25]所示：

(3)

7.794 01×10-6θ2-

1.376 78×10-7θ3

(4)

式中：g為重力加速度，m2/s；θ為發(fā)熱表面的傾角，本文取90°。

電子氟化液核態(tài)沸騰傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算采用K.Nishikawa等[26]的關(guān)聯(lián)式，如式(5)所示，90°傾角對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較小[27]，所以對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不作傾角的修正。

(5)

式中：h為沸騰傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；pc為臨界壓力，MPa；Tc為臨界溫度，K；M為相對分子質(zhì)量；p為壓力，MPa；q為熱流密度，W/m2。

電子氟化液蒸氣在水平圓管外表面發(fā)生層流膜狀凝結(jié)，該過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算如式(6)所示[27]。熱量在圓管壁穩(wěn)態(tài)導熱過程中，通過整個圓管壁面的熱流量Q如式(7)所示[28]：

(6)

(7)

式中：λl為液相導熱系數(shù)，W/(m·K)；ηl為液相動力黏度，Pa·s；di、do分別為圓管內(nèi)、外管直徑，m；ri、ro分別為圓管內(nèi)、外管半徑，m；Ti、To分別為圓管內(nèi)、外壁溫，K。

冷卻水在蛇形管內(nèi)流動時，層流和湍流下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別采用Sieder-Tate公式[28]和Gnielinski公式[28]，如式(8)和式(9)所示。按文獻[21]推薦使用式(10)對阻力系數(shù)f進行計算。此外，式(9)用于蛇形管的彎管處時，還應(yīng)乘以一個修正系數(shù)，如式(11)所示：

(Re<2 300)

(8)

(2 300≤Re<1×106)

(9)

f=(1.82lgRewater-1.64)-2

(10)

(11)

式中：l為管長，m；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；f為阻力系數(shù)；R為管道的彎曲半徑，m；下標“water,i”表示溫度等于內(nèi)壁溫時水相應(yīng)的熱力性質(zhì)。

考慮冷卻水在流動過程的壓損[29]，可由下面式(12)～式(15)進行計算。式(15)適用于蛇形管彎管處的壓損計算。

(12)

(2 300

(13)

(14)

(15)

式中：Δp為壓損，MPa；ρ為水的密度，kg/m3；u為水的流速，m/s。

2 性能模擬結(jié)果與討論

在計算之前，先進行如下假設(shè)：

1)計算的過程處于穩(wěn)態(tài)工況；

2)電子氟化液池底面尺寸為300 mm×600 mm；

3)芯片尺寸為3.5 mm×3.5 mm，將芯片視為均勻的熱源，但最高溫度不高于80 ℃，且沒有采用任何強化傳熱的措施；

4)假定蛇形管的材料為銅，蛇形管采用一寸管(外徑為25.4 mm)，圓管壁厚為1.2 mm，彎頭處的彎曲半徑為1.5倍的圓管外徑；

5)冷卻水密度恒為998 kg/m3，比熱容恒為4.183 kJ/(kg·K)。

2.1 不同壓力下的熱流密度適用范圍

由于電子氟化液的揮發(fā)性較強，一般需要完備的密封措施，避免大量的電子氟化液蒸氣外逸。因此，假定裝有電子氟化液的箱體內(nèi)能夠保持一定的壓力，且忽略芯片浸沒深度對芯片處壓力的影響。不同壓力下本文所討論的各種電子氟化液熱流密度適用范圍如圖4所示。計算過程中大部分的物性數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4中各電子氟化液適用范圍的下限由最大成核半徑(即上文提及的R=0.65 μm值)對應(yīng)的最小過熱度所確定，該過熱度條件下的熱流密度為適用范圍的下限。由圖4可知，下限值隨著壓力的增大而緩慢下降。上限的確定分為兩部分，隨壓力增加緩慢上升部分由對應(yīng)壓力下的臨界熱流密度所確定，上限值即為臨界熱流密度，是該壓力下池沸騰傳熱所能實現(xiàn)的最大散熱熱流密度；隨壓力增大急劇下降部分則由芯片的最高允許溫度所確定，此處上限值并不是池沸騰傳熱的臨界熱流密度，臨界熱流密度要高于此上限值，但是臨界熱流密度的實現(xiàn)需要較大的過熱度，使芯片溫度高于設(shè)定的最高值80 ℃，因此該處上限值是芯片溫度為80 ℃時對應(yīng)的熱流密度值。

由圖4還可知，4種電子氟化液中，F(xiàn)C-72、Novec 649和HFE-7100的上限值拐點分別出現(xiàn)在150、200、135 kPa的壓力條件下，相比之下，D-1的壓力應(yīng)用范圍最廣，壓力達到約215 kPa，實現(xiàn)臨界熱流密度時芯片溫度才會高于80 ℃。同時，相同壓力下D-1適用范圍的下限值要低于其余三種電子氟化液，這也表明池沸騰在 D-1 中啟動所需的熱流密度最小，可應(yīng)用于低熱流密度的散熱條件。此外，相同壓力下，4種電子氟化液能夠?qū)崿F(xiàn)的最大散熱熱流密度從高至低排序分別為HFE-7100、FC-72、D-1 和Novec 649。綜上可知，D-1適用壓力范圍最廣，啟動所需的熱流密度最小，最大散熱能力較好，是一種綜合性能較強的電子氟化液，可在浸沒式相變冷卻中替換現(xiàn)有的Novec 649。

需說明的是，箱體內(nèi)壓力并非始終保持恒定，且芯片浸沒深度對芯片處壓力也會有所影響(本次計算中忽略了該因素)，一定壓力下浸沒深度的影響同樣可參考圖4的計算結(jié)果。氟化液適用的壓力范圍廣，也就表明能將發(fā)熱元件浸沒在更深處而不會對散熱能力產(chǎn)生影響，所以在豎直方向上能夠設(shè)置更多的發(fā)熱元件，有利于服務(wù)器設(shè)備的集成，節(jié)約用地空間。

圖4 各氟化液不同壓力下的熱流密度適用范圍Fig.4 The applicable range of heat flux of each fluoride liquid under different pressure conditions

2.2 不同冷卻水流速對散熱能力的影響

假定模型箱體內(nèi)壓力為100 kPa，冷卻水進溫為298.15 K，當蛇形管處于各種電子氟化液蒸氣環(huán)境中，冷卻水在穩(wěn)態(tài)工況所能攜帶的熱量隨冷卻水流速變化情況如圖5所示。由圖5可知，隨著流速的增大，蛇形管處于FC-72、Novec 649、HFE-7100和D-1這4種電子氟化液蒸氣環(huán)境中時，冷卻水所能攜帶的熱量基本分別穩(wěn)定于4 450、3 200、4 700、3 300 W，可知在相同壓力下，D-1 膜狀冷凝換熱的表現(xiàn)與Novec 649相仿，但遠不如FC-72和HFE-7100。然而，如2.1小節(jié)所述，D-1具有最廣泛的適用范圍，換熱量的差距可通過適量提高箱體內(nèi)壓力進行彌補，從而使蛇管在D-1蒸氣環(huán)境中的最大換熱能力接近FC-72和HFE-7100。為了驗證此彌補方法的可行性，不同壓力下冷卻水穩(wěn)態(tài)所能攜帶的熱量隨冷卻水流速變化如圖6所示。由圖6可知，當裝有D-1的箱體內(nèi)壓力升至160 kPa時，D-1的膜狀冷凝換熱性能與100 kPa下的HFE-7100相當；此外，提高箱體內(nèi)壓力能夠有效避免外部空氣和水蒸氣的進入，防止惡化冷凝傳熱。

圖5 不同冷卻水流速下的散熱量Fig.5 The heat dissipation under different flow velocity conditions

圖6 不同壓力對散熱量的影響Fig.6 The heat dissipation under different pressure conditions

由于冷卻水在蛇管內(nèi)流動過程中，存在與管壁的摩擦、流體間的黏度、流動中的慣性、流態(tài)的變化等因素，使得流動時受到阻力而產(chǎn)生壓降損失。不同冷卻水流速下蛇形管內(nèi)的壓降如圖7所示。由圖7可知，隨著冷卻水流速的增大，蛇形管內(nèi)的壓降逐漸增大，且壓降變化逐漸明顯；但在不同的電子氟化液蒸氣環(huán)境中，管內(nèi)冷卻水的壓降變化曲線基本重合，這是由于蛇形管內(nèi)流動壓降根據(jù)通用的壓降計算公式(式(12)～式(15))計算所得，該壓降公式只與管內(nèi)冷卻水本身的特性和流速有關(guān)，而與管外電子氟化液的換熱情況無關(guān)。

圖7 不同冷卻水流速下蛇形管內(nèi)的壓降Fig.7 The pressure drop in serpentine tube under different pressure conditions

2.3 不同冷卻水進口溫度對散熱能力的影響

提高冷卻水溫度能夠提高冷卻水中能量的品位，有利于能源的再利用，而降低冷卻水進口溫度有利于增大傳熱溫差，強化換熱效果。假定箱體內(nèi)壓力為100 kPa，蛇形管內(nèi)冷卻水流速為0.6 m/s時，不同進溫條件下，冷卻水流過整段蛇形管后的溫升如圖8所示。由圖8可知，4種工質(zhì)的總體變化趨勢相似，隨著進口溫度的增大，冷卻水的出口溫升逐漸減小，但使用 FC-72 和HFE-7100時，冷卻水出口溫度能夠達到約330 K，能量的品位顯著提升，而使用Novec 649和D-1，冷卻水最大出口溫度約320 K，同時系統(tǒng)散熱能力下降。

圖8 不同進口溫度下冷卻水的出口溫升Fig.8 The temperature rise of cooling water under different inlet temperature conditions

圖9所示為不同進口溫度條件下，冷卻水所能攜帶的熱量。由圖9可知，隨著冷卻水進口溫度的提高，冷卻水的散熱能力迅速降至幾百瓦，該數(shù)值一般不能滿足芯片散熱的需求，因此在實際設(shè)計過程中要在散熱能力和能量回收中進行權(quán)衡。此外，較低的進水溫度能夠得到較大的散熱量，但出水溫度可能只有十幾攝氏度，大量冷量被浪費，所以在實際設(shè)計過程可考慮冷卻水管道在多個機組中串聯(lián)，以提高冷量的利用率。

圖9 不同進口溫度下冷卻水的散熱能力Fig.9 The heat dissipation capacity of cooling water under different inlet temperature conditions

2.4 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析

為了驗證上述模擬結(jié)果可靠性，本文選擇了與本文模擬系統(tǒng)具有一定的相似度的來自B.B.Kanbur等[12]的實驗結(jié)果。B.B.Kanbur等[12]針對浸沒式相變冷卻系統(tǒng)在3.43～9.17 kW范圍內(nèi)6種不同運行負載下，進行了冷凝螺旋管內(nèi)的冷卻水的進出口溫度、焓值及熵值等參數(shù)的實驗研究。由于該實驗系統(tǒng)采用螺旋管作為冷凝管，與本文模擬選用的蛇形冷凝管不同，冷凝管進出口的壓降變化不便驗證，因而此處主要驗證在HFE-7100工質(zhì)環(huán)境下，冷卻水所能攜帶的熱量。

以文獻中9.17 kW工況下的系統(tǒng)運行結(jié)果為例。冷卻水體積流量為5 m3/h(由于文獻中并未列出冷凝管徑，而選擇常見冷凝管徑計算后得冷卻水流速約為3 m/s)，運行穩(wěn)定后冷凝管進出口平均水溫分別為303.65 K和304.39 K，可得冷卻水流量及其所攜帶的熱量：

=1.389 kg/s

(16)

=4 317 W

(17)

對照本文模擬結(jié)果，在實驗冷卻水流速為3 m/s時，冷卻水所能攜帶的熱量為4 317 W與模擬結(jié)果的4 700 W稍有差異，但由于實驗過程中存在一定的漏熱及測量誤差(通常為5%～10%)，因此可視為模擬結(jié)果與實驗結(jié)果接近，具有一定的可靠性。

3 結(jié)論

由于使用氟化物以及制冷劑的浸沒式相變冷卻方案散熱可較容易實現(xiàn)100 W/cm2的高熱流散熱，因此，在空氣冷卻散熱能力不足，已無法滿足服務(wù)器工作條件的背景下，選擇合適的電子氟化液用于浸沒式相變冷卻系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)中心的散熱研究意義重大。針對已經(jīng)開始應(yīng)用的或具有潛力的4種電子氟化液(FC-72、Novec 649、HFE-7100和D-1)在浸沒式相變冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用時的性能，本文建立了浸沒式相變冷卻系統(tǒng)數(shù)值模型，采用4種電子氟化液對浸沒式相變冷卻系統(tǒng)性能進行了詳細分析，得到如下結(jié)論：

1)D-1適用壓力范圍最廣，啟動所需的熱流密度最小，但最大散熱能力弱于FC-72 和HFE-7100，與Novec 649接近，可在浸沒式相變冷卻中替換現(xiàn)有的電子氟化液Novec 649。

2)隨著流速的增大，蛇形管處于FC-72、Novec 649、HFE-7100和D-1這4種電子氟化液蒸氣環(huán)境中時，冷卻水所能攜帶的熱量最終基本趨于一個穩(wěn)定值。管內(nèi)冷卻水在FC-72和HFE-7100蒸氣環(huán)境中所能帶走的熱量最多；D-1具有廣泛的工作壓力范圍，因此可通過適量提高工作壓力彌補散熱能力的不足。

3)不同電子氟化液對管內(nèi)冷卻水壓降的影響基本相同。

4)提高冷卻水的進口溫度能夠提升出口冷卻水的能量品位，有利于能源回收利用，但散熱能力會隨之下降，降低進口溫度雖能提升散熱能力，但可能會出現(xiàn)冷量利用效率較低的問題。因此實際設(shè)計過程要在散熱能力和能量回收中進行權(quán)衡，并且可考慮冷卻水管道在多個機組中串聯(lián)，提高冷量的利用率。