纳米流体与合成酯类在数据中心散热新应用 

随着时代数字化进程的不断加快，数据中心成为信息存储、信息处理及信息传输的主要载体，其规模出现快速扩张。但是，在数据中心高算力、高密度的发展，设备运行过程中会出现很多热量，这些热量会影响期性能和平稳性。以往风冷散热方法不能契合多元化的散热要求，液冷技术依靠其超强的散热能力崭露头角，变成数据中心散热领域的研究核心内容。纳米流体和合成酯类是一种先进的冷却液，呈现出超强的应用潜能，为数据中心散热带来全新的解决方法。

一、纳米流体与合成酯类基础特性

（一）纳米流体特性

对于纳米流体性能而言，挑选恰当的纳米材料尤为重要，尽管经常见到的技术纳米可以具有良好的导热性能，但是很容易氧化；氧化物纳米颗粒的平稳性优良、成本不高，氧化铝经常应用于一般散热场景中；碳基纳米颗粒具备高导热和优良的机械性能，需要打破不分散稳定性。在挑选时应全面考虑导热性、成本、平稳性和基础流体的兼容性。然而纳米颗粒的添加明显改变了纳米流体的热物理性质，其导热系数凭借纳米颗粒布朗运动、界面热阻减少等机制得到显著提高，水基流体增加之后，导热系数提升了 40% 左右，同时颗粒浓度、颗粒尺寸等会对比热容和黏度产生直接影响，需要加以完善。根据上述特点，纳米流体可以在散热方面发挥效用，其高导热和强对流换热能力，可以让服务器芯片温度与以往流体相比下降 5^～10 摄氏度，提高设备的平稳性；高效散热能够减小冷却系统的范围，缩减空间，节约成本；较低的运行温度可以减少服务器耗损，实现数据中心能源的合理化使用，为数据中心散热提供有效的解决方案。

（二）合成酯类冷却液特性

合成酯类冷却液以多样纯酯、单酯等分子结构，在酯化反应过程中经过准确控制原料配比、温度和时间等，调整分子结构，契合数据中心散热性能的要求。其呈现出明显的热稳定性和氧化安定性，采取热重分析等方式确定热分解的特点，搭配胺类、酚类抗氧化剂，能够更好地控制氧化，保证在复杂数据中心环境中平稳使用。低粘度特性减少泵送功耗，快速冷却液循环，根据优良的粘温特点，在不同工况下可以用有效的对流换热。从环保方面来看，其酯键结构很容易分解微生物，利用二氧化碳生成法等评价，生物的降解性显然优于以往的冷却液，契合数据中心绿色发展的方向，具备较强的散热有效性与环境友好性。

二、纳米流体与合成酯类在数据中心散热新应用

（一）纳米流体在数据中心散热中的应用

1. 直接浸没式冷却

直接浸没式冷却以高效性的优势在数据中心的散热技术创新中成为核心。把服务员电子元件直接浸没在纳米流体中，使用纳米流体出色的对流和导热能力可以传递热量。纳米流体中的纳米可以依靠较大的比表面积，增强和流体分子之间的热交换作用。比如包含碳化硅纳米颗粒的矿物油冷却中，在高雷诺数工况下，与以往矿物油相比，传热效果提高了 12.4% 。这种冷却方式可以使服务器各部件全面浸没于冷却液，保证均匀散发热量。同时纳米流体具备较强的绝缘性能，为电子元件提供良好的运行环境，防止出现短路的风险，在一定程度上有效保证服务器平稳运行。另外，直接浸没式还能够缩减散热系统的复杂管道布局，减少数据中心空间，节约建设成本。

2. 间接冷却

间接冷却系统中，纳米流体可以当作主要的传热载体。在数据中心中，服务器散发的热量传输给纳米流体，然后纳米流体经过热交换器，把热量传递到水、空气等外部冷却介质。在这个过程中可以全面发挥纳米流体高导热系数的特性，迅速吸收服务器的热量，同时快速传输给外部介质。和以往传热介质对比，纳米流体能够明显提高热交换效率，进而减少冷却系统的总体耗能。比如在大型数据中心的间接冷却系统中，使用纳米流体之后，显著降低了制冷设备的运行功率，在确保服务器平稳运转的基础上，降低了数据中心的电力耗损，快速达到节能目标。与此同时，间接冷却方法方便维护与管理冷却系统，外部冷却介质处理起来也比较简单，从而可以保证数据中心散热系统的高效性与平稳性。

（二）合成酯类在数据中心散热中的应用

1. 单相浸没式冷却

合成酯类在数据中心散热中经常使用单相浸没式冷却这一模式。通过把服务器完全浸没在合成酯类冷却液当中，使用冷却液的显热吸收电子元件运行过程中散发的热量。合成酯类冷却液的热稳定性比较优良，可以在比较宽的温度范围中保持较强的平稳性，经过长期运行，依然可以承担散热任务。其黏度特性可以让冷却液在系统中表现出良好的流动性，加快循环散发热量，全面覆盖服务器的每个发热位置，从而下降电子元件的温度。在具体运用过程中，很多数据中心利用这个方法，成功把服务器温度掌控在恰当的范围中，明显提高了服务器的可靠性，延长了使用寿命。同时，合成酯类冷却液和电子元件、材料具有较强的兼容性，不会出现腐蚀等不良影响，能够更好地保证服务器长期平稳地运行。

2. 相变冷却

根据合成酯类指定温度下的相变特点，衍生出相变冷却技术。当服务器热量让合成酯类冷却液由液态改变为气态时，相变过程就会吸收很多热量，快速冷却电子元件。比如，当高功率服务器集群运转时，合成酯类冷却液迅速吸收热量出现相变，散发热量，防止服务器因为太热而降低性能。相变后的气态冷却液流进冷凝器中，受冷却的影响重新变成液态，接着参加循环散热。在这个过程中，实现热量的快速转移，同时与以往冷却方法对比，可以在较小的空间中吸收更多热量。与此同时，合成酯类的高介电强度保证了在相变冷却期间，电子元件一直在安全的绝缘环境中，从而可以保证数据中心散热系统的平稳性和安全性。

结论

纳米流体与合成酯类是一种先进的冷却介质，它们以各自特殊的优势，如纳米流体的高导热性能与合成酯类良好的平稳性、生物降解性等，广泛应用于数据中心散热领域，呈现出巨大的应用价值。经过各自应用或者是共同应用，可以加快数据中心散热，减少耗损，保证服务器的安全性与稳定性。

参考文献：

[1] 刘圣春 , 徐智明 , 李雪强 , 等 . 单相浸没式液冷箱体关键参数的仿真研究 [J]. 制冷学报 ,2023,44(2):159-166.

[2] 杨雨薇 , 齐文亮 , 王婉人 , 等 . 纳米冷却液在电子设备冷却中的应用[J]. 机械研究与应用 ,2023,36(3):179-182.

基金项目：2024 年宁波市高新区重点科技项目：国产芯片服务器新型液冷复合热管理材料研发及应用示范 2024CX050001

作者简介：白瑞晨（1987 年 1 月 5 日），男，蒙古，辽宁省沈阳市人，日本熊本大学博士研究生，主要研究方向为先进机械系统。

林子杰（1984 年 11 月 5 日），男，满，吉林省吉林市人，日本熊本大学博士研究生，主要研究方向为热工学和能源转化领域