What is the best liquid for liquid cooling?

导言

伴随着电子系统中功率密度和热负载的持续上升，以及特定分析和诊断测试过程对温度稳定性的更高要求，越来越多的设备设计师、研发实验室和诊断实验室选择液体冷却方案来实现更好的热管理。为了提高结果的准确性、提升设备性能、减少停机时间、降低维护成本、确保安全性以及满足环境合规性，选择合适的冷却液至关重要。然而，选用何种冷却液依赖于多个因素，包括温度要求、热传导效率、抗腐蚀性、材料兼容性以及安全性考量。纯水或去离子水是循环冷却系统中最常用且最有效的冷却液，因此被视为其他冷却液的比较标准。其他常见的冷却液类型包括乙二醇、丙二醇、矿物油及绝缘液体。这些冷却剂的差异明显，极大地影响着冷却系统的设计。本文将概述常见冷却液类型，并探讨如何根据特定应用选择最佳冷却液。

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冷却液及其应用

纯水

在液体冷却应用中，水的工作温度范围为0°C至100°C（32°F至212°F）。纯水是经过化学物质和污染物去除的水，尽管仍可能含有矿物质。蒸馏水是一种纯水，已去除所有污染物和矿物质。虽然某些杂质因其潜在的腐蚀性而应避免，但完全纯净的水，比如高度蒸馏水，因渴求离子会从冷却系统中的金属剥离电子，使其表现得非常激进且具破坏性，因此不应在循环冷却器应用中使用。

自来水的质量取决于其存储、传输及最终来源（地下水与地表水）。它可能含有腐蚀性杂质，如氯离子、碱性碳酸盐或悬浮固体。污染水也是一种电解桥梁，可促进不同金属间的电偶腐蚀。

作为冷却液，水在循环系统中同样易受生物污染的困扰。藻类、细菌或真菌可能因系统光照、热量以及湿润组件中的养分可用性而形成。这产生的黏液或生物膜会妨碍流体与接触表面间的热传递。此外，生物膜可能导致与电动机相接的泵的机械密封处漏水。因此，必须考虑添加剂的浓度。例如，乙二醇通常用作控制生物生长的添加剂，但若浓度低于20%，其效果有限；实际上，低于1%时，丙二醇和乙二醇则作为细菌养分。

纯水

• 卓越的热传导性能
• 普遍可得且成本低
• 无毒且环保
• 容易处理与处置

• 各地区质量差异大
• 在低温下易冻结
• 在存在矿物质和氧的情况下可能会腐蚀
• 可能需要定期维护与水处理，以防止结垢与生物生长

去离子水

去离子水（DI）去除了包括钠、钙、铁、铜、氯化物和溴化物在内的离子。去离子化过程采用树脂床过滤器，以去除这些可能造成腐蚀或结垢的离子及其他杂质。去离子水是一种专用冷却液，广泛应用于中高压系统，尤其在需要保持高纯度并防止离子引起的腐蚀的场合。去离子水具有高度的电绝缘性，因为其含有的矿物离子极少，从而降低了水的电导率。

即便采取了保证冷却液回路中接触表面被钝化的措施，水中的离子杂质仍会随着时间的推移而发展。这是因为水的性质决定了它会从接触的矿物中吸收离子，去离子水因缺乏离子物质而对它们产生强烈的需求，从而极具侵略性地从接触表面获取离子。

要保持水的原电介质性能，必须不断地通过树脂床来循环水。然而，这些树脂床会缓慢失效，若不定期更换，就需进行再生，混合床的再生系统复杂，并且对阳离子和阴离子树脂需采用不同的再生剂。油、淤泥或金属颗粒（无论是机械加工过程中的还是因化学反应沉淀形成的铁）也会缩短树脂床的使用寿命。

去离子水

• 卓越的热传导性能
• 高纯度
• 最低限度的腐蚀性
• 推荐在中高压系统中使用
• 低电导率
• 无毒且环保

• 在低温下易冻结
• 去离子水与某些材料如铁、铝、铜、80 PVC不兼容
• 可能需要定期维护与水处理，以防止结垢与生物生长
• 生产和维护去离子水的成本可能高于使用未处理水或其他冷却液

乙二醇-水混合液的优缺点

在选择不同类型的乙二醇-水混合液时，有几个复杂且相互关联的因素需加以考虑。乙二醇（EG）和丙二醇（PG）是这类混合液中使用最多的两种乙二醇。它们被称为冷却液或防冻液，了解这些混合液的优势很有必要。它们是有机化合物，因其能降低水的冰点并提升其沸点而受到广泛欢迎。乙二醇的操作温度范围大约在-50°C至150°C（-58°F至302°F）之间，因此在寒冷及炎热环境中都非常适用。虽然乙二醇的使用更为普遍，但它对人和动物是有毒的，而丙二醇则相对低毒，常在食品和制药等需要安全保障的行业中使用。

丙二醇的比热容比乙二醇高，但其热导率更低，粘度更高。这使得在许多情况下，乙二醇的整体性能优于丙二醇。通常情况下，乙二醇与水的混合使用是更为普遍的选择，因其优秀的热传导性能。而为了达到等效的冷却效果，EG所需的浓度通常低于PG。

值得注意的是，处理以及处置乙二醇-水混合液需谨慎，因为纤维素木质素的潜在毒性。制造商通常会提供其产品的安全信息及处理指南。

乙二醇与水混合液

• 冰点低于单一水的混合液
• 可与纯水或去离子水混合
• 提供一定的抗腐蚀保护
• 适用于冷气候及低至-50°C的热传导应用
• 具备生物杀灭特性

• 相较于纯水，其热传导效率降低
• 乙二醇类流体的成本可能高于水
• 由于其毒性，排放需遵循环保规范

丙二醇与水混合液

• 可与纯水或去离子水混合
• 提供一定的抗腐蚀保护
• 适用于冷气候及低至-50°C的热传导应用
• 毒性低于乙二醇

• 相较于纯水，其热传导效率降低
• 乙二醇类流体的成本可能高于水
• 由于其毒性，排放需遵循环保规范
• 有生物生长的风险

合成矿物油

油冷却系统的冷却器设计用于循环变压器油，广泛应用于那些热源温度超过水基冷却剂的工作温度限制的场合，或需要特种绝缘性能的冷却回路。矿物油冷却是一种浸入式冷却方法，提供均匀的冷却效果。用于冷却的合成矿物油不仅不导电而且具有良好的热稳定性，温度范围大约在-40°C至290°C（-40°F至554°F）之间，能有效为被浸入油中的所有组件提供冷却。这种液体无味、无毒，并且相比其他冷却系统减少了噪声。

然而，实施矿物油冷却是一个复杂却繁琐的过程。构建一个定制外壳，并确保密封性可能会面临很大的挑战。此外，矿物油随着时间的推移可能会受到尘埃和其他颗粒的污染，因此必定需要定期的清理与维护。同样，不是所有组件都适合于浸入冷却，例如铜和某些弹性体不应被浸入油中。

矿物油

• 有效的热传导
• 对浸没冷却来说噪声小
• 均匀冷却
• 污染物保护
• 无味且无毒

• 复杂的设置
• 维护与清洁繁琐
• 成本高廉

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绝缘液体

用于高压应用中的电绝缘剂，如变压器、电容器和高压电缆，绝缘液体的种类繁多，包括合成油和氟化液体，来满足特定应用要求。它们的工作温度范围一般在-40°C到105°C（-40°F到221°F）或更高，常根据其电绝缘强度、热导率和化学稳定性来选择。绝缘液体如Shell Diala S4、XG Galden或Fluorinert，能为电子设备提供完全浸入，从而实现电绝缘、抑制电晕和电弧，并同时提供冷却。

这些经过工程设计的绝缘液体具有极高的化学稳定性，且导电程度低于水。在电气变压器和设备中的电绝缘和冷却中，它们能防止因高压产生的电弧问题。此外，绝缘液体还用于X光管冷却，要求在数十千伏的电压下不导电。

尽管绝缘液体在电绝缘和高效热散发中表现出色，但它们也存在潜在的几大不足，包括复杂的设置、维护困难、成本较高和环境问题。对绝缘液体的使用应基于对特定要求和权衡的仔细评估。

绝缘液体

• 卓越的电绝缘性能
• 出色的热散发能力
• 宽广的温度范围

• 复杂的设置
• 因毒性和潜在泄漏而引发的环保问题
• 成本高于某些其他冷却选项
• 需特殊的处理和处置要求

液体性能

在评估液体热性能时，需考虑几种热物理性质，包括热导率、比热、流体密度和粘度。优化这些性能的目标在于改善流体与热交换表面之间的热传递。直接评估这些条件下的热传递系数需依赖诀窍，以便为各种几何条件计算出系数。

热导率表示流体通过导热转移热能的效率，这反映了流体从高温区域向低温区域导热的能力。其单位为每米厚度每摄氏度温差所传导的瓦特数（W/mK）。高热导率意味着高热传递，也意味着流体比低热导率的流体更快速地升温或降温。

比热是指将1克物质温度提高1摄氏度（°C）所需的能量，通常单位为卡路里或焦耳/克/摄氏度。水通常用作冷却液，因为其比热高达4.186 J/g-K。换句话说，水在每单位温度变化时能够吸收更多的能量，以此取得其他物质的优势。

液体密度是指给定液体中两粒子间的空间度量，通常用足量质量可得出（kg/m3）。密度详述了大多数热传递流体往往通过流量（例如流量率）来描述，而较高密度的流体将拥有更高的质量，通常意味着更好的吸热能力（比热与质量成正比）。

粘度则是指流体内部流动的阻力，通常和液体的稠度相关，单位通常为厘泊（CPS）或泊（100厘泊=1泊）。例如，水在70°F / 21°C时的粘度为1 cP，而Shell Diala S4这种油的粘度超过7 cP。

热传导系数用于测量通过导热、对流或辐射从一个介质转移到另一个介质的速度。水的热传导系数，或U值，大约为 W/(m2 °C) [176 Btu/(hr-ft2°F)]。

液体性能表

液体 | 热导率 (W/mK) | 比热 (J/kgK) | 粘度 (cP) | 密度 (kg/m3) | 成本 | 沸点 (°C) | 冰点 (°C)

水 | 0.580 | 1.00 | $ | 100 | 0

去离子水 | 0.606 | 1.00 | 997 | $+ | 100 | 0

50-50水/乙二醇 | 0.402 | 2.51 | $$ | 107 | -37

50-50水/丙二醇 | 0.357 | 5.20 | $$ | 106 | -45

Dynalene HC30 | 0.519 | 3.70 | $$$ | 112 | -40

Galden HT200 | 0.065 | 963 | 4.30 | $$$ | 200 | -85*

Fluorinert FC72 | 0.057 | 0.64 | $$$ | 56 | -90*

Shell Diala S4 | 0.142 | 7.57 | 805 | $$$ | >280 | -40

矿物油 | 0.136 | 10至+ | 870 | $$$ | 218至643 | -40

材料兼容性

不锈钢，特别是300系列不锈钢（奥氏体不锈钢），由于其表面自然形成的铬（III）氧化物钝化层，对几乎所有热传导流体都具有惰性。当使用去离子水时，不锈钢和镍适合用作湿润表面。尽管不锈钢在大多数情况下对腐蚀有良好抵抗，但其热导率相比其他金属（如铝或铜）较低。

铝及其合金具有良好的热导率，介于160-210 W/mK之间。但铝较容易受到未经纯化水中的杂质腐蚀或破坏。即使在蒸馏水中混有某些乙二醇，EG和PG也会在铝中形成酸性化合物，这是由于其氧化作用。这会导致与液体接触的表面腐蚀并生成有机酸副产品。预防方法包括向流体中加入防腐剂，或者通过阳极氧化等措施对接触面进行处理。

铜及铜镍合金在抗腐蚀性方面表现良好，并且对生物生长具有天然的抗性。同样，对于铝而言，使用防腐剂应当是必要的，以免腐蚀性产生。

泵的湿润表面应与流体及预期的运行条件相兼容。使用不同湿润金属的系统中的电偶腐蚀可能会导致泵密封失效及有毒液体泄漏。

成本考量

水是最容易获得且成本最低的选项，而纯水的成本根据所需的纯度级别将会更高。

特定类型的冷却液相关维护成本也是值得关注的，包括过滤、去离子床、电化学保护以及由于蒸发或泄漏的液体添加。处置也是一个方面——自来水或纯化水通常可以通过常规排水进行废弃，但与醇类、其他有机物或任何有机液体混合的水，通常需要另外的处置方案。需要定期冲刷和更换的冷却液或在系统使用完毕后需要处理的冷却液，可能会有其处置成本超出初始冷却液成本的风险。

随着时间推移，在不完全封闭的系统中（如接缝或密封处漏水），液体水平预期会降低。为保持液位，必要时需添加特定浓度的冷却液与现有流体相匹配。然而，在时间推移下，乙二醇可能会分解成有机酸，通过测量系统流体的pH值与检测固体和生物污染，可能会评估其需要更换。

结论

市面上有多种冷却液可供选择以满足不同应用的要求。选择合适的冷却液需要了解流体的特性及热物理特性，包括性能、兼容性及维护因素。理想情况下，冷却液应为成本低、无毒并具备优异的热物理特性。每种冷却液展示出不同的物理性能如热导率、比热和热稳定性，并且具有相应的优势，但其使用最终将基于可靠性和经济性。

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