一种用于低压两相液冷系统的低温沸腾混合工质及其应用与维护方法与流程

本发明涉及数据中心液冷散热，特别涉及一种用于低压两相液冷系统的低温沸腾混合工质及其应用与维护方法。

背景技术：

1、随着人工智能与高性能计算的爆发式增长，服务器芯片的热流密度已突破100w/cm²，单机柜功率向80kw乃至150kw以上快速攀升。传统的单相液冷系统依靠工质显热升温带走热量，所需流量大、泵功耗高、管路尺寸庞大，难以经济地应对超高密度散热需求。

2、两相潜热液冷技术利用工质的汽化潜热吸热，单位质量工质可带走的热量是单相显热的数十倍，因此所需循环流量和泵功耗均可大幅降低，成为解决超高密度散热的必然技术路径。然而，两相液冷系统的性能高度依赖于工质的热物理性质，现有工质普遍存在以下问题：

3、第一，氟化液类工质。如fc-72、novec系列等，虽然绝缘性好、化学性质稳定，但价格极其昂贵（每升数百元），且全球变暖潜能值（gwp）较高，面临日益严格的环保法规限制。

4、第二，纯水。水是最理想的传热工质之一，比热大、潜热大、成本极低、完全环保。但常压下水在100℃才沸腾，远高于芯片安全工作温度（通常不超过85℃）。若强行用于两相系统，芯片早已过热损坏。

5、第三，低沸点有机溶剂。纯乙醇沸点约78℃（常压），接近芯片允许的最高温度，但常压下沸腾温度仍偏高，安全裕量不足。且纯乙醇闪点仅13℃，极易挥发燃烧，在数据中心存在严重的消防隐患。其他如甲醇、丙酮等溶剂毒性或易燃性更强，不具备工程实用价值。

6、第四，现有工质缺乏在线监测与维护手段。工质在长期运行中浓度可能漂移，沸点发生变化，影响散热稳定性。目前行业内尚无针对两相液冷工质的在线监测、沸点漂移补偿和寿命评估的系统性方法。

7、第五，工质与系统运行参数缺乏协同优化。现有系统通常固定工质配比和运行压力，无法根据负载变化和环境条件动态调整，导致部分工况下能效未达最优。

8、综上，现有两相液冷工质存在成本高、环保性差、沸腾温度不匹配、安全风险大、缺乏在线维护手段及协同优化策略等突出缺陷。亟需一种成本极低、沸腾温度适配芯片安全区间、安全环保，且具备在线维护与协同优化能力的新型两相冷却工质体系。为此，提出一种用于低压两相液冷系统的低温沸腾混合工质及其应用与维护方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种用于低压两相液冷系统的低温沸腾混合工质及其应用与维护方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题之一，至少提供一种有益的选择。

2、本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种用于低压两相液冷系统的低温沸腾混合工质，其特征在于，由至少一种低沸点极性溶剂与水按比例混合而成，通过调控所述低沸点极性溶剂的种类与配比，使该工质在预设的低压环境下的沸腾起始温度落入芯片安全工作温度区间；在密闭低压循环管路中，利用低压环境下液体沸点降低的物理原理，使工质在所述温度区间内发生沸腾相变，以汽化潜热形式带走热量。

3、一、工质成分配比

4、工质主要成分为至少一种低沸点极性溶剂与水的混合溶液。所述低沸点极性溶剂为可与水互溶的醇类、酮类或其他低沸点极性有机物中的一种或多种。通过调控溶剂的种类和体积浓度，使工质在目标低压环境下的沸腾起始温度落入45-70℃区间。

5、醇类溶剂优选自乙醇、异丙醇、正丙醇、丙二醇、乙二醇中的一种或多种。酮类溶剂优选自丙酮、丁酮中的一种或多种。不同溶剂的沸点、汽化潜热、与水共沸特性各异，可根据芯片结温要求、系统压力设定及安全规范综合选择。

6、在一个优选实施方案中，所述低沸点极性溶剂为乙醇，其体积浓度为20%-40%，在绝对压力约0.4bar时沸腾起始温度约60-62℃。在另一优选实施方案中，所述低沸点极性溶剂为异丙醇，其体积浓度为15%-35%，在相同压力下沸腾起始温度约58-63℃。在又一实施方案中，所述低沸点极性溶剂为乙醇与丙二醇的混合物，通过调节两者比例可精准调控沸腾温度并改善低温防冻性能。

7、水在工质中提供高汽化潜热（约2260kj/kg），同时显著提高混合溶液的闪点，使其远高于纯有机溶剂，可燃性大幅降低。工质不含氟化物，臭氧消耗潜能值（odp）为零，全球变暖潜能值（gwp）低于10。

8、在一个优选实施方案中，所述溶剂与水的配比使混合工质形成共沸或近共沸混合物，在沸腾过程中气相与液相组成基本一致，避免因优先蒸发导致的浓度漂移。

9、二、缓蚀组分添加

10、根据需要，可向工质中添加适量缓蚀组分。缓蚀组分可选用唑类（如苯并三氮唑）、钼酸盐类（如钼酸钠）、硅酸盐类（如硅酸钠）中的一种或多种复配，添加量按工质总质量的0.01%-1%调配。缓蚀组分用于保护循环管路、冷板微通道及冷凝器板片等金属部件，延长系统使用寿命。

11、三、低压工作环境

12、本工质专为低压两相液冷系统设计。系统中的冷却液分配单元通过压力维持装置建立并维持管路内的低压环境。所述低压环境的压力值根据工质配比和目标沸腾温度确定，通过温度-压力等效关系曲线进行设定，使工质沸腾起始温度落入45-70℃区间。在一个优选实施方案中，所述低压环境的绝对压力为0.2-0.6bar。

13、四、相变散热工作过程

14、工质在循环泵驱动下以液态进入芯片冷板的微通道。芯片发热使冷板壁面温度升至工质沸腾起始温度以上，接触壁面的工质发生核态沸腾，大量微气泡生成并迅速脱离壁面，吸收大量汽化潜热。生成的蒸汽和未沸腾的液体形成汽液两相混合物，经回汽管路进入cdu冷凝器。蒸汽在冷凝器中被一次侧冷却水冷凝为液体，与未沸腾的凝液汇合，流回储液罐，完成循环。

15、五、工质在线监测与维护方法

16、本发明还公开了一种用于所述低温沸腾混合工质的在线监测与维护方法，包括以下一种或多种步骤：

17、（a）工质浓度在线检测：通过密度计、折光仪、声速传感器或电导率传感器中的一种或多种，在线检测工质中有机溶剂与水的比例，判断浓度是否偏离设定范围；

18、（b）沸点漂移监测与补偿：通过监测系统运行压力与工质沸腾温度的对应关系，判断沸点是否因工质浓度变化或杂质累积而发生漂移；当漂移量超过预设阈值时，发出报警并自动或手动进行浓度调整或工质更换；

19、（c）工质寿命评估：累计工质运行时间及经受的高温循环次数，评估缓蚀组分消耗程度及工质综合性能衰减情况，给出工质剩余有效寿命预测及更换建议。

20、六、工质与系统的协同优化方法

21、本发明还公开了一种工质与低压两相液冷系统的协同优化方法，包括：

22、根据实时it负载、环境温湿度及芯片结温反馈，动态调整以下一项或多项运行参数：

23、（a）通过调节系统压力维持装置的设定值，改变管路内绝对压力，从而动态调整工质沸腾起始温度以适配变化的热负荷；

24、（b）当系统配置可变浓度工质充注装置时，通过向循环管路中补充去离子水或有机溶剂，动态调整工质浓度以优化沸腾温度和换热系数；

25、（c）协同调整循环泵转速和一次侧冷却水流量，使系统在满足散热需求的前提下总功耗最小化。

26、本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

27、1.沸腾温度精准适配：利用低压降低沸点的原理，使工质沸腾温度精准落入芯片安全工作温度区间，既不会过早沸腾影响系统稳定性，也不会因沸腾过晚导致芯片过热。

28、2.成本极低：工质主要原料为大宗有机溶剂和水，成本仅为氟化液类工质的数十分之一，极大降低了数据中心冷却系统的初始充注和后期补液成本。

29、3.安全环保：水基混合溶液闪点远高于纯有机溶剂，数据中心使用风险可控；工质不含氟化物，臭氧消耗潜能值（odp）为零，全球变暖潜能值（gwp）极低。

30、4.换热效率高：水基工质保留了水的高汽化潜热特性，沸腾换热系数高，能以极小流量和极低泵功耗实现超高密度散热。

31、5.配方灵活，适配性强：多种溶剂和配比可选，可根据芯片要求、环境条件和安全规范灵活配制。

32、6.在线监测保障长期稳定：浓度检测、沸点漂移补偿和寿命评估技术，确保工质在全生命周期内性能稳定，降低运维风险。

33、7.协同优化提升全工况能效：工质与系统联动调节，根据负载动态优化沸腾温度和换热效率，最大化系统能效。

34、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。