一种浸没式液冷系统及冷却方法

技术领域

本发明涉及冷却技术领域，尤其是一种浸没式液冷系统及冷却方法。

背景技术

近年来，随着国家对新建数据中心的节能减排的要求越来越高，数据中心主要的耗能是空调的耗能，所以对于数据中心绿色节能提出了更高的诉求。传统的风冷冷却虽然凭借其低成本、易维护等特性成为当前主要冷却方式，但存在空气换热系数过低、换热性能低下、冷却能耗过高的缺陷，而且需要设置大量的空间来放置空调、机架和送风通道，导致占用空间大、部署密度低，不利于节能环保，所以采用液冷的方式成为了数据中心新型的冷却方式。

与风冷冷却方式相比，浸没式冷却的热量完全由冷却液从发热源传递出去，因与发热源直接接触，液体的流向更容易控制，其效率远高于风冷，单位体积可以支持的计算密度也更高。另一方面，相比自然风冷对环境温度、湿度和空气腐蚀性的苛刻要求，浸没冷却技术对外界环境的要求非常宽泛，可部署的弹性非常大。同时浸没冷却系统可重复使用的特性也节省了系统升级中制冷方案的重新设计，缩短了系统布置时间。

当前浸没式冷却的缺点在于无法有效解决发热部件局部高热流密度区域的快速散热，容易导致局部过热发生热失控。同时，在浸没式冷却中，冷却液如果选用氟化液体对发热部件进行浸没式冷却，如专利US20210395213A1、US20200178414A1与CN113717698A等公开的氢氟醚、氟代烃与含氟烯烃齐聚物，存在冷却液价格昂贵、冷却液具有臭氧破坏能力导致温室效应以及冷却系统维护困难等缺陷。

在浸没式冷却中选用烃类化合物作为冷却液，如专利WO2022076207A1、CN115340850A与CN115349010A等公开的直链α烯烃(LAO)与费托合成烃，冷却液的成本低廉，低碳数烃类化合物运动黏度低、冷却效果好但其闪点低、介电性能差容易引发事故，高碳数烃类化合物闪点高、介电性能强、安全性好但运动黏度相对更高，载热流动能力较差，冷却效果不如低碳数烃类化合物。而当前标准YD/T 3982-2021中的5.4条规定浸没式冷却液体的闪点应当大于150℃，或者选用无闪点的不燃性液体(氟化液体)。由此可知，由于冷却液自身闪点过低原因，浸没式冷却的冷却液种类的选择受到限制，热传递性能更好的冷却液难以应用于浸没式冷却。

CN102760920B提出车用动力电池组液氮冷却方法及其装置，利用液氮在气化过程中需要吸收大量热量，将液氮气化后对动力电池组进行冷却，从而实现较好的冷却效果，延长了动力电池组的使用寿命，避免因电池组温度过高带来的安全隐患，但氮气的比热容不如氟化液体与烃类化合物高，通过持续不断地通入液氮利用其相变吸热实现对电池组的冷却，该方案对于数据中心、计算机服务器等需长时间工作的发热部件进行冷却消耗的液氮更多，需要频繁更换液氮储罐，同样增加了冷却系统的运行成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出在浸没式液冷系统的冷却槽中通入气体，通过气液两相流动起到强化换热效果，由此提高冷却液对发热部件的冷却作用，同时气体为阻燃气体或者惰性气体，可以避免冷却液因闪点过低发生燃烧，或者发热部件出现短路、腐蚀等后果，即使发热部件出现热失控，也能避免失火爆炸等严重事故发生，从而保证浸没式液冷系统的使用安全性、可靠性，尤其适用于数据中心、计算机服务器等大型、多组并列的浸没式液冷系统。

第一方面，本发明提出一种浸没式液冷系统，包括：冷却槽和冷却槽内设置的冷却液及发热部件；冷却槽上连接设置有冷却液循环系统，冷却槽上连接设置有充气系统，充气系统连接至冷却槽往冷却液中泵入无腐蚀性、不溶或难溶于冷却液且与冷却液之间不发生化学反应的气体，并在冷却槽上部设置有气体的排气管；所述充气系统包括用于储存气体的储气罐，所述储气罐连接设置有气体通道，气体通道与冷却槽相连接的部位被冷却液覆盖。其中，所述冷却液为单相冷却液，单相冷却液的定义为冷却液在吸收、转移发热部件产生的热量过程中未发生相变。

进一步的，在冷却槽中的冷却液温度不超过临界温度的低温工况下，保持充气系统与冷却槽相连的气体流量为10~50 mL/min，控制冷却槽中的压力为1~5bar；在冷却槽中的冷却液温度超过临界温度的高温工况下，保持充气系统与冷却槽相连的气体流量为50~1000 mL/min，控制冷却槽中的压力为1~5bar；优选，所述临界温度为30~45℃，再优选的，所述临界温度为30~40℃。

进一步的，冷却液循环系统包括换热器和冷却液管路，所述冷却液管路的两端设置在冷却槽上形成循环的回路，冷却液管路上设有从冷却槽中抽取冷却液的单向泵，所述冷却液管路中的其中一段管路设置于换热器内，换热器设置有截止阀，用于调节循环管路中冷却液的流量大小。优选，所述换热器内设有冷却水，所述冷却水为流动循环的水，冷却水能完全浸没这一段冷却液管路，冷却水的温度保持在20摄氏度以下。

进一步，气体通道上还设置有气体调压装置与流量检测装置，排气管与冷却槽连接，排气管上还设有排气阀，优选的，气体通道在连接冷却槽之前还可以使用多通道阀门将其分成2条或者更多条支路，通过多支路连接冷却槽。

其中，储气瓶中的气体为无腐蚀性、不溶或难溶于冷却液且与冷却液之间不发生化学反应的气体，优选的，气体为阻燃气体或者惰性气体，再优选，气体为氮气或者二氧化碳，进一步的，储气瓶中的气体为经过压缩得到的压缩气体，压缩气体的压力为50~500bar。

进一步的，所述储气瓶可以被对应气体的发生装置替换，如变压吸附PSA氮气发生器可以替换氮气储气瓶。

进一步的，所述气体通道为不锈钢毛细管，优选的，所述不锈钢毛细管的材质为201、304或316L，外径为1.0~18.0 mm，壁厚为0.1~2 mm；

其中，所述气体调压装置为气体减压阀、气体比例阀或两者串联，优选的，气体调压装置为气体减压阀和气体比例阀串联；

其中，所述流量检测装置为流量计或流速计，优选的，所述流量检测装置为流量计，进一步优选的，所述流量计为玻璃转子流量计。

在一个或多个实施例中，浸没式液冷系统有至少两组冷却槽并列，气体通道经过多通道阀门形成至少2至多个个分支分别与储气瓶与冷却槽的侧面和/或底面进行连接。

进一步的，冷却槽为具有内部空间的全封闭壳体，顶部设有可以打开或关闭的冷却槽盖，发热部件与冷却液设置在上述冷却槽的内部空间内，发热部件与冷却液接触。优选的，冷却槽的内部空间内还设置有支架，用于对冷却槽中的发热部件起到支持、固定的作用，支架材料优选为铝。

进一步的，冷却槽还设有温度传感器与压力传感器，用于检测冷却液的温度以及冷却槽内部空间的压力。温度传感器与压力传感器分别将收集的温度与压力信号传输至控制单元，控制单元首先将传输过来的温度与压力信号转化为数字，再通过自身的显示器进行显示，显示器可以与控制单元一体化设计，也可以通过无线或者有线的方式进行设计。

优选的，使用数据采集卡分别与温度传感器、压力传感器电性连接，数据采集卡再与计算机电性连接，由数据采集卡将温度传感器、压力传感器的感应电阻分别转化为温度、压力数据输出到计算机。

进一步的，冷却液定义为低电导率、低可燃性和低凝固点的介电油质流体，包括API-III类基础油、API-IV类基础油、API-V类基础油、硅油或者氟化液等。

进一步的，所述API-III类基础油优选为8至50个碳原子的异链烷烃化合物，如ICCSYN®系列异构脱蜡基础油产品ICCSYN®2、ICCSYN®3、ICCSYN®4和ICCSYN®6等，以及由煤制合成气再经费托合成制成SINOPURE®系列异构烷烃产品1016H、1620H、2028H和2835等。

进一步的，所述API-IV类基础油优选为8至50个碳原子的聚α烯烃(PAO)，如Synfluid®系列全合成基础油Synfluid® PAO 2、Synfluid® PAO 2.5、Synfluid® PAO4、Synfluid® PAO 5和Synfluid® PAO 6，亚培烯科技有限公司的ApaCool

进一步的，所述API-V类基础油优选为8至50个碳原子的烷基化芳香烃、8至50个碳原子的合成酯或合成醚，如Synesstic

进一步的，所述硅油包括：Shin-Etsu KF-96系列有机硅流体KF-96A-1cs、KF-96A-1.5cs、KF-96A-2cs、KF-96A-5cs、KF-96A-6cs、KF-96A-10cs与KF-96A-20cs等。

进一步的，所述氟化液包括：3M Fluorinert

优选的，冷却液包括8至30个碳原子的API-IV类基础油、API-V类基础油，以及25℃下运动黏度为10 cst以下的硅油，如KF-96A-1.5cs、KF-96A-2cs、KF-96A-5cs、KF-96A-6cs与KF-96A-10cs，再优选，冷却液为8至20个碳原子的API-IV类基础油、API-V类基础油、以及25℃下运动黏度为5 cst以下的硅油，如KF-96A-1.5cs、KF-96A-2cs与KF-96A-5cs。

优选的，所述冷却液符合标准YD/T 3982-2021中第5条接触式(绝缘性)冷却液体应用性能中5.1-5.3的要求。

优选的，所述冷却液的倾点低于-40℃，再优选，所述冷却液的倾点低于-50℃。

进一步的，发热部件可包括一个或多个计算机与网络设备、电子器件、光电器件、电池单元或电气单元。

其中，所述计算机与网络设备包括计算机服务器、计算机服务器群、互联网服务器、数据中心、5G基站、云计算服务器、计算机游戏设备和加密货币矿场等，优选的，所述数据中心为运行频率大于3GHz的数据中心，再优选，所述数据中心可包括集中管理的计算资源和相关支持系统的设备或部分数据中心，及与其它模块一起提供数据中心的模块部件；

电子器件包括中央处理器、微处理器、主机板、显卡、存储器、用于制造半导体器件的半导体晶圆、半导体管芯、封装的或未封装的半导体器件、多芯片模块和电路板等；

光电器件定义为利用光-电转换效应制成的功能器件或者半导体薄片，实现将光能转换为电能或者将电能转换为光能，所述光电器件包括发光二极管、激光二极管、太阳能电池板和光电探测器等；

电池单元定义为将化学能转化为电能的电化学反应器，所述电化学反应器包括各类电化学电池，具体可以包括：燃料电池、动力电池、钠离子电池和锂离子电池等；

电气单元包括配电开关设备、电力变压器和充电桩等。

第二方面，本发明提出使用上述浸没式液冷系统的冷却方法，该方法采用直接冷却方法，直接冷却方法为使用冷却液直接浸没发热部件进行冷却的方法，具体包括：发热部件放置在冷却槽中，冷却液浸没发热部件的一部分或者全部；

在冷却槽中的冷却液温度不超过临界温度的低温工况下，开启并调节气体调压装置，保持与冷却槽相连的气体通道中气体流量为10~50 mL/min，控制冷却槽中的压力为1~5bar。在低温工况下通入气体的作用在于为冷却槽的内部空间提供一个惰性与阻燃的氛围，避免冷却液因闪点过低发生燃烧失火。

在冷却槽中的冷却液温度超过临界温度的高温工况下，调节气体调压装置，保持与冷却槽相连的气体通道中气体流量为50~1000 mL/min，控制冷却槽中的压力为1~5bar。在高温工况下通入气体的作用不仅在于提供惰性与阻燃的氛围，还要形成气液两相流动状态提高冷却液的热量传递效果，尽快对发热部件产生的热量进行转移。

其中，所述临界温度为30~45℃，优选的，所述临界温度为30~40℃。

本发明的有益效果是：

1、在浸没式液冷系统基础上设置充气系统，充气系统通过1至多条气体通道将与冷却液不相溶的气体输送到冷却液中，在换热过程中形成气液两相流动状态，由此起到强化换热的效果，还可以根据冷却液自身的温度情况对气体输送速度进行调整，低温工况下降低气体输送速度减少系统消耗，高温工况下提高气体输送速度可以在冷却液中制造湍流，增加冷却液的扰动，进而有利于冷却液的热量传递。

2、其中充气系统通过气体通道与气体调压装置将气体输送到多组并列的冷却槽中，由此能够对多组并列冷却系统起到同时提高冷却效果的作用，与在冷却系统中设置扰动装置、射流装置相比，本发明提出输送气体形成气液两相流动状态提高冷却效果的技术方案节约了装置设备，更为简单实用，经济性更好，尤其适用于数据中心服务器等大型、多组发热部件的冷却。

3、充气系统中气体为惰性气体或者阻燃气体，使冷却槽中的发热部件和冷却液处于惰性气体或者阻燃气体的氛围中，避免冷却液因闪点过低发生燃烧，或者发热部件出现短路等后果，即使发热部件出现热失控，也能避免失火爆炸等严重事故发生，从而保证浸没式液冷系统的使用安全性、可靠性。同时也扩大了冷却液的选择范围，低闪点的冷却液如KF-96A-1cs(闪点37℃)、KF-96A-1.5cs(闪点64℃)、KF-96A-2cs(闪点88℃)、1016H(闪点46℃)、1620H(闪点66℃)和2028H(闪点95℃)也可以用于浸没式液冷系统。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4-6在不同放电倍率与氮气流量的条件下，锂电池温度随放电时间的变化图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

同时应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例1：

如图1所示，一种浸没式液冷系统，其包括：冷却槽1和冷却槽1内设置的冷却液2及发热部件3；冷却槽1的一侧设有冷却液循环系统，冷却液循环系统包括换热器4和冷却液管路5，所述冷却液管路5的两端设置在冷却槽1上形成循环的回路，冷却液管路5上设有从冷却槽1中抽取冷却液2的单向泵6，所述冷却液管路5中的其中一段管路设置于换热器4内；冷却槽1的另一侧设有储气罐7，储气罐7内的气体为氮气，所述储气罐7通过气体管路8往冷却液2中泵氮气，所述气体管路8连接至冷却槽1的底面或侧面，所述气体管路8上设有气体调压装置9；冷却槽1的侧面的上部或顶面设有排气管10。

所述换热器4内设有冷却水，所述冷却水为流动循环的水，冷却水能完全浸没这一段冷却液管路5，冷却水的温度保持在20摄氏度以下。所述气体管路8上设有流量检测装置11，所述流量检测装置11设于气体调压装置9后端；所述气体管路8为不锈钢毛细管，其材质为316L，其外径为8.5mm，壁厚0.4mm。

该系统还设有检测传感器，所述检测传感器包括温度传感器121和压力传感器122，所述温度传感器121设于冷却槽1的侧面，所述温度传感器121用于检测冷却液2的温度；所述压力传感器122设于冷却槽1的顶部，所述压力传感器122与冷却槽1内气体相通；该系统还设有多个阀门，包括设于排气管10上的泄压阀131和冷却液管路5上的截止阀132。

其中，温度传感器121和压力传感器122分别为贴片式温度传感器与贴片式气压传感器，与NI数据采集卡（来自美国National Instruments公司）电性连接，NI数据采集卡再与计算机电性连接，由数据采集卡将贴片式温度传感器与贴片式气压传感器的感应电阻转化为温度与压力数据输出到计算机上的LabView程序，由此监测冷却液的温度变化以及冷却槽内气压变化。

所述冷却槽1的顶部设有箱盖14，所述箱盖14与冷却槽1的箱体为可掀开或可打开的结构，所述箱盖14与冷却槽1的箱体之间设有密封机构，箱盖14关闭时，冷却槽1保持密封状态。

其中，发热部件为6枚锂电池与支架组成的锂离子电池组，锂电池单体为3.62V-2150mAh Samsung-ICR-18650-22P型锂电池，来自韩国三星公司，外观为圆柱形，尺寸：直径18mm，高65mm，电池典型容量：2150mAh（0.2C，2.75V放电），充电电压：4.2V±0.05V，标称电压：3.62V（1C放电），充电方法：CC-CV（限流恒压），充电电流标准充电：1075mA，最大充电电流：2150mA，最大放电电流：10A（连续放电），放电截止电压：2.75V，电池最大重量：44.5g。使用BT-2018 P电池测试系统（湖北兰博新能源设备有限公司）控制电池的充放电过程。

其中浸没式液冷系统的冷却槽容积为960mL，尺寸为120×80×100 mm，气体通道为外径8.5mm，壁厚0.4mm的316L材质不锈钢毛细管，气体调压装置为气体减压阀与气体比例阀两者的串联，流量检测装置为玻璃转子流量计，储气瓶为内置200bar压力的40L压缩氮气。

实施例1使用的冷却液为基于茂金属催化剂体系与加氢饱和制备得到的C6 α烯烃三聚体(18C)，相关性能如下表所示。

将上述传热流体700mL添加到浸没式冷却槽中，ICR-18650-22P型锂离子电池放置在浸没式冷却槽并浸入到冷却液中进行冷却。对于充电/放电测试，电池组通过恒流恒压（CC-CV）方法以0.5C的倍率进行充电，并且在恒流下放电至截止电压。

锂离子电池在1.5C、2C与3C的倍率条件下放电时，冷却液通过循环管路进行循环的流量设为固定值：70 mL/min，调节气体调压装置，保持与冷却槽相连的气体通道中氮气流量为10~1000 mL/min，调节泄压阀控制冷却槽中的压力为1.5bar。

使用经标定(误差为±0.2℃)的温度数据采集仪Agilent 34970A以及Omegar K型热电偶从30° C作为起点开始记录电池的温度，K型热电偶放置在锂电池中部记录温度的变化。

其中，在不同放电倍率与氮气流量的条件下，锂电池温度随放电时间的变化如图4-6所示。由此可知，在冷却液中通入氮气，形成气液两相流后能够更好地控制发热部件的温度，锂离子电池在1.5C、2C与3C的倍率条件下放电，通入不同流量的氮气能够取得更好的温度控制效果，从图4、5可以看出，通入氮气流量越大对锂电池的温度控制效果越好，从图6可以看出，通入氮气流量增大到一定程度后对锂电池的温度控制效果趋于平稳。由此可知实施例1的浸没式液冷系统，在浸没式冷却的基础上，通入与冷却液不相容的氮气，在换热过程中形成气液两相流动状态，由此快速带走发热部件产生的热量，使其保持最佳温度范围内工作，同时氮气还可以为浸没式冷却槽内部空间提供惰性与阻燃气氛，实施例1的浸没式液冷系统具有换热能力强、安全性能高的优点。

实施例2：

如图2所示，本实施例采用上述实施例1的同时，在气体管路8的末端设有多条分支，多条分支通过多通道阀门与主气体管路8连接，所述气体管路8分支分别设置在发热严重的部件底部或侧面，所述气体管路8的分支与气体管路8由相同材质制成，这些分支泵出的气体可精确的处理各个高热部位，加快冷却液的流动，大大提高了冷却效率。其中，储气瓶为内置200bar压力的40L压缩氮气，冷却液为基于茂金属催化剂体系与加氢饱和制备得到的C6 α烯烃三聚体(18C)。

实施例3：

如图3所示，本实施例采用上述实施例1的方案的同时，将两个冷却槽并联起来，其底部的冷却液互相流通；冷却液的循环：从一个冷却槽中抽出冷却液，换热完成后注入另外一个冷却槽中；储气罐中的气体通过多通道阀门分成两道气，分气后各自通过减压装置和流量检测装置，再往各自的冷却槽内泵气，两个冷却槽有各自的排气管进行排气；两个冷却槽均设有温度和压力传感器。其中，储气瓶为内置200bar压力的40L压缩氮气，冷却液为基于茂金属催化剂体系与加氢饱和制备得到的C6 α烯烃三聚体(18C)。

本发明的运作原理，在基础的液冷系统中通入气体，该液冷系统能够完成正常的换热作用，该气体为阻燃气体或惰性气体，这些气体对冷却槽内的冷却液进行扰动，冷却液与发热部件换热后，可能这部分冷却液会长时间停留在附件，气体的泵入会推动这些冷却液进入换热循环，以此提高冷却效率。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。