數(shù)據(jù)中心用浸沒式冷卻液的研究進(jìn)展

隨著數(shù)字化社會(huì)的加速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必不可少的“算力底座”，是助推數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的重要引擎。截至2020年底，中國(guó)在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模達(dá)到400萬架，大型及超大型大數(shù)據(jù)中心占比75%以上；市場(chǎng)規(guī)模從2016年的714.5億元快速增長(zhǎng)至2020年的2238.7億元，預(yù)計(jì)2022年增至2803.9億元。2018年，全國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量1500億千瓦時(shí)，達(dá)到社會(huì)總用電量的2%。為滿足數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)需求，通過增加單機(jī)柜的功率密度來提升服務(wù)器的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)中心的承載能力。2020年，全球數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜平均功率達(dá)到16.5kW，比2008年增長(zhǎng)175%，預(yù)計(jì)2025年達(dá)到25kW。數(shù)據(jù)中心的散熱占電力消耗的比重巨大，電力消耗的43%是用于數(shù)據(jù)中心的散熱。隨著數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率越來越大，采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)進(jìn)行散熱已不能滿足數(shù)據(jù)中心快速、高效的制冷要求。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的指引下，開發(fā)低碳高效的冷卻技術(shù)來解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心散熱困難的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色低碳發(fā)展成為必然的選擇。液冷方式主要分為冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷3種。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)相比，液冷技術(shù)具有高效制冷、節(jié)能降耗、靜音低噪、系統(tǒng)穩(wěn)定、節(jié)約空間的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)目前浸沒式冷卻液存在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)混亂、應(yīng)用場(chǎng)景混亂、成本較高等不足，綜合考慮數(shù)據(jù)中心浸沒式液冷的實(shí)際需求，本文首先提出了理想浸沒式冷卻液的技術(shù)要求，通過綜述目前數(shù)據(jù)中心用浸沒式冷卻液的發(fā)展現(xiàn)狀，探究現(xiàn)有的哪些產(chǎn)品符合理想浸沒式冷卻液的技術(shù)要求，同時(shí)指出浸沒式冷卻液的未來發(fā)展趨勢(shì)，以期對(duì)浸沒式冷卻液的開發(fā)與應(yīng)用提供指導(dǎo)性建議。摘要：液冷技術(shù)是解決數(shù)據(jù)中心散熱難題的有效方案。在液冷的3種方式中，浸沒式液冷是最理想和環(huán)保綠色的液冷技術(shù)。該文綜述了浸沒式液冷技術(shù)的關(guān)鍵材料——浸沒式冷卻液的發(fā)展現(xiàn)狀，提出理想浸沒式冷卻液的技術(shù)指標(biāo)，介紹了目前浸沒式冷卻液的分類、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)前最為理想的浸沒式冷卻液。鑒于當(dāng)前研究開發(fā)的成果和存在的問題，今后的研究重點(diǎn)在于對(duì)浸沒式冷卻液進(jìn)行科學(xué)的分子設(shè)計(jì)、建立高效和全面的篩選機(jī)制、開發(fā)綠色合成工藝路線結(jié)論通過研究數(shù)據(jù)中心的液冷方式、理想浸沒式冷卻液的技術(shù)指標(biāo)和浸沒式冷卻液的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮環(huán)境性能、絕緣性能、熱傳遞性能、熱穩(wěn)定性、安全性、是否易于合成等因素，認(rèn)為全氟烯烴是當(dāng)前最具前景的浸沒式冷卻液（見圖8）。鑒于當(dāng)前研究開發(fā)的成果和存在的問題，今后的研究重點(diǎn)在于：（1）分子設(shè)計(jì)的科學(xué)建模，精準(zhǔn)構(gòu)建浸沒式冷卻液候選物的分子結(jié)構(gòu)。目前，浸沒式冷卻液的分子設(shè)計(jì)大多基于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，其建模存在諸多不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)得到的候選物篩選范圍過大，其精確程度存在很大的偏差，以至于大多數(shù)的分子設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中參考價(jià)值受到很大的挑戰(zhàn)。由圖8可知，化合物分子中的H原子，不利于介電強(qiáng)度的提升，比如：氫氟烴和氫氟醚，即使像(E)-氫氟烯烴的介電常數(shù)可以很小，但是其介電強(qiáng)度很低，難以滿足浸沒式冷卻液的絕緣要求。而引入醚鍵的方式，對(duì)化合物GWP值和介電常數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)影響并不顯著。引入F原子是降低化合物介電常數(shù)的有效手段，與此同時(shí)，C==C或環(huán)結(jié)構(gòu)則可以顯著降低GWP值。因此，在分子設(shè)計(jì)中，不飽和結(jié)構(gòu)的全氟化合物將成為最重要的研究方向。（2）建立高效、全面的浸沒式冷卻液篩選機(jī)制。目前，浸沒式冷卻液的篩選具有極高的挑戰(zhàn)性，研究涉及多專業(yè)的協(xié)作，是單一單位或組織難以完成的工作。國(guó)內(nèi)對(duì)浸沒式冷卻液的環(huán)境性能大多停留在估算階段，缺乏實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。通過獲得浸沒式冷卻液的系統(tǒng)性數(shù)據(jù)，從而編制出適用于數(shù)據(jù)中心的浸沒式冷卻液的標(biāo)準(zhǔn)。比如：全氟烯烴具有優(yōu)異的電絕緣性能、熱傳遞性能和環(huán)境性能，基本滿足理想浸沒式冷卻液的技術(shù)指標(biāo)，但是關(guān)于其長(zhǎng)期使用是否會(huì)對(duì)電子器件產(chǎn)生腐蝕，這方面的信息披露太少，沒有形成嚴(yán)格的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。（3）開發(fā)浸沒式冷卻液的綠色合成工藝路線。開發(fā)浸沒式冷卻液高效率、零污染、綠色的合成路線及工藝過程，使其突破合成路線和工藝過程的限制，使其大規(guī)模應(yīng)用成為可能。比如：全氟胺采用全氟亞胺與全氟烯烴在催化劑存在下發(fā)生液相加成反應(yīng)得到；全氟烯烴是在催化劑存在下，原料單體（如六氟丙烯、八氟環(huán)戊烯等）發(fā)生液相加成反應(yīng)得到[27,32]；上述兩類化合物的合成工藝，均采用了大量溶劑的液相