Привет, хабр!

Ранее мы обсуждали:

0. Зачем делать иммерсионное охлаждение ПК

По итогам статьи мы подошли к довольно важной задаче: если мы действительно хотим погрузить компьютер целиком в жидкость, какую именно жидкость лучше применять?

Сразу хочу оговориться, что мы не являемся экспертами по химии, поэтому свойства жидкостей рассматриваем исключительно из их потребительских качеств.

На первый дилетантский взгляд вариантов диэлектриков много, от трансформаторного масла и фторорганики до растительного масла.
Поэтому исходим от требований к основному рабочему веществу:

• Жидкость не должна проводить электричество, но при этом хороши переносить тепло;

• Желательно иметь невысокую вязкость для упрощения гидравлической схемы;

• Хорошую химическую стабильность, чтобы через год эксплуатации свойства остались прежними;

• Жидкость не должна быть токсичной, агрессивной к материалам компьютера;

• Должна стоить разумных денег

Поэтому перед тем, как переходить к проектированию корпуса, гидравлики и теплообменника, мы решили сначала разобраться именно с теплоносителем.

ЧТО ТРЕБУЕТСЯ ОТ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ?

В системе иммерсионного охлаждения жидкость одновременно выполняет две ключевые функции:

• Электрическая изоляция компонентов;

• Теплоотвод.

Но с учетом особенностей эксплуатации конкретно нашей системы, список требований становится длиннее:

• Высокая теплоемкость;

• Высокая теплопроводность;

• Низкая вязкость;

• Высокая температура кипения;

• Низкая температура застывания;

• Химическая инертность;

• Отсутствие коррозионного воздействия;

• Стабильность при длительном нагреве;

• Хорошие электроизоляционные свойства;

• Низкая токсичность;

• Пожаробезопасность;

• Совместимость с пластиками, резиной, лаками, припоями и металлами;

• Приемлемая стоимость.

Причём нельзя выбрать жидкость по одному параметру: например, высокая теплоёмкость ещё не означает, что жидкость будет хорошим теплоносителем. Если она слишком вязкая, потребуется больше энергии на прокачку или если свойства кардинально меняются при нагреве системы посчитанная гидравлика и теплообмен не будут соответствовать действительности.

Получается классическая инженерная задача поиска компромисса.

КАКИЕ БЫВАЮТ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ

Если упростить классификацию, то интересующие нас жидкости делятся на три большие группы:
- Нефтяные;
- Растительные;
- Синтетические.

Нефтяные масла

Это самый очевидный и, пожалуй, самый дешёвый вариант.

Нефтяные электроизоляционные масла давно используются в электротехнике. Наиболее известные представители — трансформаторные, конденсаторные и кабельные масла.

Их основное назначение не связано с компьютерами: они используются для электрической изоляции и одновременно отвода тепла в трансформаторах, конденсаторах и маслонаполненных кабелях.

Почему тогда их вообще стоит рассматривать для иммерсионного охлаждения?

Потому что по теплофизическим характеристикам это вполне рабочие жидкости.

В зависимости от типа масла теплоёмкость может находиться примерно в диапазоне 1500-2200 Дж/(кг·К), а кинематическая вязкость варьируется в пределах 10-30 мм²/с. Температура вспышки у различных электроизоляционных масел находится в диапазоне 135 - 165 °C и выше.

Но есть серьёзная проблема - старение.

Нефтяное масло в процессе эксплуатации контактирует с кислородом, влагой и нагретыми поверхностями. Со временем в нём появляются продукты окисления, вода, кислоты, смолы и другие примеси. Это меняет вязкость и ухудшает электроизоляционные свойства.

Для трансформатора это привычная эксплуатационная задача: масло можно анализировать, фильтровать, очищать и при необходимости менять.

Для нашего экспериментального компьютера это не походит. Обслуживание жидкости нужно свести к минимуму и максимально забыть о потере теплофизических и электроизоляционных свойств.

Растительные масла

Растительные масла доступны, сравнительно недороги, обладают хорошей теплоёмкостью и в некоторых случаях могут демонстрировать вполне приемлемые электроизоляционные свойства.

Но у них есть фундаментальная проблема: это органические жидкости, химически чувствительные к температуре, кислороду и влаге.

Окисление приводит к изменению состава масла, росту вязкости и появлению продуктов деградации. Кроме того, свойства разных растительных масел могут существенно различаться, а их совместимость с материалами электроники и длительная стабильность требуют отдельной проверки.

Проблема аналогичная нефтяным маслам, а значит под наши задачи не подходит.

Синтетические диэлектрики

Синтетические диэлектрики создаются уже не как побочный продукт переработки нефти, а под конкретные требования к химическим, электрическим и эксплуатационным свойствам.

В исходном исследовании синтетические жидкости выделены в отдельную группу и рассматриваются как более дорогая, но обладающая более подходящими характеристиками альтернатива нефтяным маслам.

Среди них можно выделить несколько основных видов масел:

• хлорированные углеводороды;

• кремнийорганические жидкости;

• фторорганические жидкости;

• синтетические углеводородные составы.

Синтетические жидкости очень распространены и применяются для самых разных систем. Для некоторых жидкостей температура кипения составляет около 50-60 градусов по цельсию.

И здесь возникает ещё одно важное разделение: Однофазное или двухфазное охлаждение?

Для наших задач мы рассматриваем однофазную жидкость, исходя из наших общих требований к системе и её специфике: Компактность, простота эксплуатации, долгий эксплуатационный срок.

Да, безусловно двухфазные жидкости могут быть значительно эффективнее с точки зрения коэффициента теплоотдачи, за счет скрытой теплоты парообразования, при этом возрастает сложность системы: необходимо учитывать процессы кипения и конденсации, контролировать давление и температуру, а также обеспечивать соответствующую герметичность системы.

Для удобства сравнения сведем всех кандидатов.

Нефтяные и растительные масла отметаем сразу, из-за процессов окисления и старения. Хлорированные углеводороды также не рассматриваются из-за их токсичности.

Источник

Здесь важно отметить: это не универсальный рейтинг жидкостей. Например, фторорганическая жидкость проигрывает по температуре кипения не потому, что она «плохая», а потому что низкая температура кипения рассматривается для двухфазного охлаждения и под наши задачи не подходит.

Конечно, под общими названиями мы рассматриваем конкретные западные и отечественные жидкости, но названия их не приводим, так как это не рекламная статья и заявленные свойства будем проверять по ходу эксплуатации.

В исследованной выборке синтетических жидкостей теплоёмкость находилась в диапазоне от 960 до 2270 Дж/(кг·К), теплопроводность -  от 0,057 до 0,15 Вт/(м·К), а кинематическая вязкость при 40 °C - от менее 1 до 40 мм²/с.

При этом температура кипения различалась почти на порядок: от примерно 56 °C до 300 °C.

Именно эта таблица хорошо показывает главную проблему выбора.

Одной идеальной жидкости нет.

У одной отличная вязкость, но слишком низкая температура кипения.

У другой высокая температура кипения, но существенно выше вязкость.

У третьей прекрасная химическая стабильность, но цена делает её не слишком привлекательной для экспериментальной системы.

Поэтому приходится выбирать не лучшую жидкость вообще, а лучшую жидкость для конкретной архитектуры охлаждения.

НАШ ВЫБОР

После сравнения вариантов для нашего проекта мы остановились на синтетической углеводородной диэлектрическая жидкости.

По данным технической документации производителя для выбранного типа жидкости при 40 °C приведены:

• теплоёмкость около 2270 Дж/(кг·К);

• теплопроводность около 0,14 Вт/(м·К);

• кинематическая вязкость около 15 мм²/с;

• температура кипения около 280 °C

• адекватная стоимость (отечественный сертифицированный диэлектрик)

Что планируем дальше?

Теперь у нас есть главное - рабочая среда с известными характеристиками.

Следующие вопросы значительно интереснее:

Как рассчитать, сколько этой жидкости потребуется, как разместить компоненты ПК, хватит ли теплообменной поверхности для теплоотвода в диэлектрик, как отводить тепло от диэлектрика, какой потребуется насос и в целом гидравлическая система?

В следующих статьях займёмся экспериментальными данными по воздушному охлаждению и тестами, а также проведём численное моделирование.

P.S. Для заинтересованных этой тематикой специалистов прикладываю несколько источников, которыми мы в том числе пользовались для сбора информации:

1. Сравнение 15-ти диэлектриков для однофазного охлаждения

2. Однофазные диэлектрики, включая синтетические углеводороды

3. Общая классификация жидкостных диэлектриков