引言：随着云计算、人工智能、大数据分析等技术的普及与快速发展，全球数据中心能耗逐年攀升。国际能源署（IEA）统计数据显示，2022 年全球数据中心能耗达460TW·h，约占全球总用电量的2%，预计2026 年将超过1000 TW·h。我国《“十四五”信息通信行业发展规划》明确要求，到2025年数据中心的电能利用效率（PUE）需降至1.3以下。另外，高性能数据中心对散热的要求不断提高，机架功率密度需达到10 千瓦/机架，热通量达到100 W/cm2。在数据中心散热领域，传统空气冷却技术因其固有局限性，已难以满足日益增长的散热需求。面对数据中心能耗持续攀升、能源使用效率偏低等问题，冷却系统的技术革新与效能优化成为应对这些挑战的重要途径。浸没式液冷技术作为一种新型散热方案，其核心原理是将发热器件直接浸没于冷却液中实现热量传递，利用液体介质比热容大、导热系数高等优势，实现高效传热。根据冷却液是否发生相变，浸没式液冷可分为单相和相变2种工作模式。在单相浸没式液冷中，冷却液始终维持液态进行热交换；相变浸没式液冷则通过冷却液的沸腾-冷凝相变过程，利用相变潜热实现更高效的热量传递，从而获得更优的散热性能。以冷却液为传热介质的浸没式液冷技术，在数据中心热管理上展现出一定的技术优势，为解决现代数据中心的散热难题提供了新的技术路径。冷却液作为浸没式液冷技术的关键材料，自问世以来持续受到广泛关注。随着高电绝缘性能、高传热性能的全氟胺和全氟聚醚系列产品的开发，浸没式液冷用含氟冷却液已成为氟化学领域的研究热点。含氟分子因其独特的分子结构特征（C—F 键较 C—H 键更稳定）被认为是理想的浸没式液冷用含氟冷却液候选物，具有优异的传热性能、电绝缘性能和材料相容性等优势。截至目前，根据分子结构特性，常用的浸没式液冷用含氟冷却液可分为以下7大类：全氟烃（PFC）、全氟烯烃（PFO）、氢氟烃（HFC）、氢氟醚（HFE）、氢氟烯烃（HFO）、全氟胺（PFA）和全氟聚醚（PFPE），分子结构及元素关联如图1所示。
常用的浸没式液冷用含氟冷却液分子结构及元素关联
随着浸没式液冷技术和工程应用的发展，浸没式液冷用含氟冷却液物性技术指标不断完善。中国工程建设标准化协会于2024 年发布了T/CECS1722—2024《数据中心液冷系统技术规程》，对数据中心浸没式液冷用含氟冷却液物性做了相关规定，如表1所示。
浸没式液冷用含氟冷却液的电绝缘性能及环保性能可以由体积电阻率和全球变暖潜值（GWP）表征。除此之外，《规程》中还提出可以用比较传热优值（FOM）的方式表征浸没式冷却液的传热性能，FOM 的表达式由冷却液的各个基本物性组成，如密度、比热容、黏度、导热系数等，可根据不同的换热场景使用针对性的FOM 进行表征。笔者主要针对单相/相变浸没式液冷系统冷却液的应用研究展开讨论，旨在为浸没式液冷技术中冷却液的选择提供有价值的参考。
1 单相浸没式液冷用含氟冷却液
1.1 单相浸没式液冷系统
数据中心单相浸没式液体冷却系统如图2 所示，服务器完全浸没在封闭箱体内的高沸点冷却液中，此系统的核心是CDU（coolant distribution unit，冷却液分配单元），由泵、热交换器、传感器和过滤器组成。冷却液在泵驱动下于箱体内部循环，吸收电子元器件的热量，升温后的冷却液进入CDU，与室外冷却设备的低温液体进行热交换，重新冷却后再次送回箱体。在单相浸没式液冷的散热过程中冷却液不发生相变，因此基本无挥发损失，具有传热性能强、能效高、结构紧凑、配置简单等优点。科研人员对其开展了大量研究，主要分为4个方面：冷却液选择、液冷结构设计、运行条件控制和传热增强机制。
图2 数据中心单相浸没式液体冷却系统
目前，单相浸没式液冷系统已有较为成熟的应用案例。例如，在杭州余杭的阿里巴巴浙江云计算仁和数据中心PUE为1.09，相比风冷系统降低了36%，每年可节省用电7000万kW·h；另外，采用单相浸没式液冷的阿里云磐久液冷一体机 Immersion DC 1000 系列可使整体能耗下降34.6%。
1.2 单相浸没式液冷用含氟冷却液的物化性能
市场上可用于单相浸没式液冷的含氟冷却液的物化性能如表2和表3所示，其中大部分种类冷却液有多个产品，而全氟烯烃（PFO）冷却液产品仅有一种。
1.3 单相浸没式液冷用含氟冷却液的应用性能
单相浸没式液冷用含氟冷却液的电绝缘性能如图3所示。由图可知，同一类单相浸没式液冷的含氟冷却液电绝缘性能具有相似性，如HT 系列冷却液均有较大的体积电阻率，Novec系列冷却液的体积电阻率普遍较低。综合来看，PFPE/PFA的电绝缘性能较好，PFO 中等，HFE较差，表明H元素及H 键的结构会增强冷却液的导电性。
图3 单相浸没式液冷用含氟冷却液的电绝缘性能
单相浸没式液冷用含氟冷却液的环保性能如图4所示。
图4 单相浸没式液冷用含氟冷却液的环保性能
由图4可知，同一类含氟冷却液的环保性能具有相似性，如HT系列和FC系列冷却液均有较高的GWP，Novec系列冷却液均有较低的GWP。综合来看，PFPE/PFA 的环保性较差，HFE/PFO 较好，表明在分子中引入不饱和键和H 元素可以降低冷却液的GWP。
单相浸没式液冷数据中心常用泵驱动冷却液进行对流换热，其换热系数与雷诺数和普朗特数有关：
式（1）中：h 为对流换热系数（W/(m2·K)）；k 为冷却液导热系数（W/(m·K)）；D 为水力直径（m）；Re为无量纲雷诺数；Pr 为无量纲普朗克数；v 为特征速度（m/s）；ρ 为冷却液密度（kg/m3）；cp 为冷却液定压比热容（J/(kg·K)）；μ 为冷却液动力黏度（kg/(m·s)）。
单相浸没式液冷用含氟冷却液传热性能由传热优值FOM表征，FOM值越高，表示冷却液的传热性能越好。从式（1）中提取出仅与冷却液物性相关的参数可以得到FOM 的计算公式，为
单相浸没式液冷用含氟冷却液的传热性能如图5所示，其中冷却液传热性能均与沸点呈负相关，与冷却液类别无明显相关性，冷却液传热性能较为接近。
按照较好（3）、中等（2）、较差（1）对单相浸没式液冷用含氟冷却液进行综合评价，如图6 所示。可以看出，PFO 综合性能较好，是较为理想的单相浸没式液冷用含氟冷却液。
图5 单相浸没式液冷用含氟冷却液的传热性能
图6 单相浸没式液冷用含氟冷却液综合评价
2 相变浸没式液冷用含氟冷却液
2.1 相变浸没式液冷系统
相变浸没式液冷系统如图7所示，服务器完全浸没在封闭箱体内的低沸点冷却液中，其产生的热量使冷却液温度升高，当冷却液温度达到其沸点时，冷却液开始沸腾，产生的蒸气在液面上方形成气相区，蒸气在箱体上方的冷凝管外壁冷凝为液体后重新回到冷却液中。而冷凝管中的水吸收冷却液热量后升温，在循环泵驱动下进入室外散热设备进行散热，冷却后再次进入冷凝管，形成循环。
图7 数据中心相变浸没式液体冷却系统
与单相浸没式液冷相比，相变浸没式液冷通过液体的相变传递热量，利用冷却液的蒸发潜热获得更好的冷却效果，传热效率更高，但机制复杂、影响因素繁多、系统设计难度较大。近年来，国内外研究人员开展了诸多针对相变浸没式冷却系统的研究，同时一些企业进行了将相变浸没式液冷系统应用于数据中心的尝试，比如3M 和Submer等公司对相变浸没式液冷系统进行了测试，结果表明使用相变浸没式液冷系统的数据中心PUE能达到1.02；中科曙光的“硅立方”高性能计算机采用了相变浸没式液冷技术，实现精确制冷，最大限度降低了高密度大型数据中心的制冷能耗，PUE为1.04。
2.2 相变浸没式液冷用含氟冷却液的物化性能
目前市场上已应用于相变浸没式液冷的含氟冷却液的物化性能如表4 所示，其沸点在34~61℃。
2.3 相变浸没式液冷用含氟冷却液应用性能
相变浸没式液冷用含氟冷却液的电绝缘性能如图8所示。由于相变浸没式液冷系统适用冷却液沸点区间较窄，适用的冷却液产品较少，同种类冷却液的电绝缘性能相似性参考单相浸没式液冷用含氟冷却液结论，其中PFO/PFC的电绝缘性能较好，PFPE中等，HFE/HFC/HFO 较差，表明H元素及H 键的结构会增强液体冷却液的导电性。相变浸没式液冷用含氟冷却液的环保性能如图9所示，由于相变液冷适用的沸点区间较窄，同种类冷却液大部分仅有一款产品，同种类冷却液环保性能相似性参考单相浸没式液冷冷却液结论，其中PFPE/PFC的环保性能较差，其余冷却液较好，表明不饱和键和H 元素的引入可以降低冷却液的GWP。
图8 相变浸没式液冷用含氟冷却液的电绝缘性能
图9 相变浸没式液冷用含氟冷却液的环保性能
相变浸没式液冷用含氟冷却液传热性能由传热优值FOM 表征，相变传热涉及冷却液的气液变化，故除了冷却液的基本热物性，还与冷却液的饱和气液密度差、饱和气液焓差（蒸发焓）、表面张力有关，从中提取出仅与冷却液物性相关的参数可以得到FOM 的计算公式，为
式中：Hvap为冷却液汽化潜热（kJ/kg）；ρv 为冷却液饱和气相密度（kg/m3）；ρl 为冷却液饱和液相密度（kg/m3）。相变浸没式液冷用含氟冷却液的传热性能如图10 所示。其中HFC 的传热性能较好，PFO/HFE/PFC/HFO中等，PFPE 较差，表明O 元素/聚合结构的引入会导致冷却液相变传热性能恶化。
图10 相变浸没式液冷用含氟冷却液的传热性能
按照较好（3）、中等（2）、较差（1）对相变浸没式液冷用含氟冷却液进行综合评价，如图11所示。可以看出，PFO 的综合性能较好，是较为理想的浸没式液冷用含氟冷却液。
图11 相变浸没式液冷用含氟冷却液综合评价
3 总结与展望
笔者比较了各种浸没式液冷用含氟冷却液，从电绝缘性能、环保性能和传热性能的角度对浸没式液冷用含氟冷却液进行了综合比较。研究表明，全氟烯烃（PFO）浸没式液冷用含氟冷却液的综合性能较好，是较为理想的浸没式液冷用含氟冷却液。通过对比冷却液分子结构/元素与冷却液应用性能的关系，得出如下结论：
1）H 元素与H 键的引入会增强冷却液的导电性能，电绝缘性能下降，但能降低冷却液的GWP，提升冷却液的环保性能。
2）不饱和键的引入会降低冷却液的GWP，提升冷却液的环保性能。
3）O 元素/聚合结构的引入会导致相变浸没式液冷用含氟冷却液传热性能恶化。
鉴于当前的研究现状和存在的问题，今后的研究可有如下方向：
1）加强全氟烯烃（PFO）浸没式液冷用含氟冷却液的研究，现有PFO 不同沸点产品较少，单相浸没式液冷用含氟冷却液各仅有单一沸点产品，与成系列的成熟产品差距较大。
2）加强分子设计的建模研究，例如如何综合考虑或通过其他分子结构改善H 元素的双面性，如何增加分子的不饱和度的结构以降低冷却液的GWP。
3）完善含氟冷却液综合评价体系，笔者仅比较了电绝缘性能、传热性能、环保性能三类指标，后续可增加合成性能、材料相容性等维度进行综合评价。
4）加强环保型单相浸没式液冷用含氟冷却液开发，现有满足电绝缘性能标准要求的单相冷却液的最小GWP超过2000。随着环保政策的日益严格，GWP更低（如GWP<1000）的冷却液才更具有竞争力。
文章来源：《数据中心浸没式液冷用含氟冷却液应用研究进展》付立宸 费筱禛 管祥添 岑淑婷 欧阳洪生 郭智恺
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- 热交换核心 ：冷板（CPU/GPU专用）、CDU（冷量分配单元）；
- 循环网络 ：Manifold分液器、EPDM/PTFE管路、快接头；
- 动力与控制 ：变频循环泵（如飞龙股份电子泵）、智能温控系统。
