Какую жидкость мы выбрали для погружения ПК и почему?

Привет, SE7EN!

В предыдущей публикации мы разобрали:

0. Зачем делать иммерсионное охлаждение ПК

Логическим продолжением стал ключевой вопрос: если мы всерьез намерены погрузить весь системный блок в жидкость, какому именно составу отдать предпочтение?

Сразу оговоримся: мы не профессиональные химики, поэтому оцениваем свойства составов исключительно с точки зрения их практической применимости.

На первый взгляд дилетантский ассортимент диэлектриков поражает воображение — от традиционного трансформаторного масла и фторорганики до пищевой «экзотики».
Поэтому отталкиваемся от базовых требований к охлаждающей среде:

• Полное отсутствие электропроводности при высокой эффективности теплопередачи;

• Умеренная вязкость для оптимизации гидравлических контуров;

• Высокая химическая стойкость, гарантирующая неизменность свойств спустя год беспрерывной работы;

• Экологическая безопасность, нетоксичность и бережное отношение к комплектующим;

• Адекватная стоимость

Прежде чем приступать к конструированию корпуса, гидроразводки и подбору радиаторов, необходимо досконально разобраться с теплоносителем.

КАКИЕ КРИТЕРИИ ПРЕДЪЯВЛЯЮТСЯ К ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЖИДКОСТЯМ?

В конфигурациях с погружным охлаждением рабочая среда выполняет две незаменимые функции:

• Надежная электроизоляция комплектующих;

• Эффективный отвод тепла.

Однако специфика нашей задачи формирует куда более внушительный перечень требований:

• Повышенная удельная теплоемкость;

• Хорошая теплопроводность;

• Низкие показатели вязкости;

• Высокая температура кипения;

• Минимальная точка застывания;

• Химическая инертность;

• Стойкость к коррозионным процессам;

• Термическая стабильность при продолжительном нагреве;

• Безупречные диэлектрические параметры;

• Безопасность для здоровья человека;

• Пожароустойчивость;

• Абсолютная совместимость с полимерами, эластомерами, защитными лаками, припоями и сплавами;

• Разумный бюджет.

Нельзя опираться лишь на один показатель: скажем, впечатляющая теплоемкость еще не делает вещество идеальным теплоносителем. Чрезмерная вязкость потребует колоссальных затрат энергии на циркуляцию, а нестабильность параметров при нагреве приведет к тому, что все расчеты гидравлики окажутся ошибочными.

Типичная инженерная дилемма поиска оптимального баланса.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Упрощенно все рассматриваемые среды можно разделить на три основные категории:
— Нефтепродукты;
— Составы на растительной основе;
— Синтетические соединения.

Нефтяные масла

Наиболее очевидное и бюджетное решение.

Электроизоляционные масла нефтяного происхождения верой и правдой служат энергетике на протяжении десятилетий. Яркие примеры — трансформаторные, конденсаторные и кабельные марки.

Их первоначальное назначение — изоляция высоковольтного оборудования и одновременный отвод тепла в трансформаторах или силовых кабелях.

Почему же мы вообще смотрим в их сторону в контексте ПК?

Потому что их теплофизический потенциал выглядит весьма привлекательно.

В зависимости от марки теплоемкость колеблется в диапазоне 1500–2200 Дж/(кг·К), а кинематическая вязкость держится на уровне 10–30 мм²/с. Температура вспышки таких изоляционных масел стартует от 135–165 °C.

Однако здесь кроется фундаментальный подводный камень — старение.

Находясь в постоянном контакте с кислородом, микродозами влаги и горячими поверхностями, нефтяное масло неизбежно деградирует. Со временем накапливаются продукты окисления, органические кислоты, смолистые осадки и вода, что пагубно влияет на вязкость и диэлектрические свойства.

Для массивного трансформатора это штатная ситуация: масло регулярно тестируют, пропускают через фильтры или попросту заменяют.

Для нашего экспериментального кастомного ПК такой сценарий неприемлемо сложен. Обслуживание контура должно стремиться к абсолютному минимуму, а деградация характеристик исключена.

Растительные масла

Биомасла общедоступны, демократичны по цене, обладают достойной теплоемкостью и порой демонстрируют неплохие изолирующие способности.

Но их ахиллесова пята — органическая природа, делающая их уязвимыми к температурному стрессу, кислороду и влажности.

Окислительные реакции запускают цепную деструкцию: состав густеет, меняет структуру и образует осадок. Кроме того, свойства различных агрокультурных масел сильно разнятся, а их долгосрочное влияние на элементы электроники требует долгих тестов.

Сценарий проблем в точности повторяет нефтяной тупик, поэтому данный вариант отпадает.

Синтетические диэлектрики

Эти продукты рождаются не как побочная фракция нефтеперегонки, а создаются целенаправленно под заданный комплекс физико-химических и электрических параметров.

В профильных исследованиях синтетика позиционируется как более дорогое, но технически безупречное альтернативное решение.

Среди них выделяют несколько ключевых классов:

• хлорированные углеводородные соединения;

• кремнийорганические жидкости;

• фторорганика;

• синтетические углеводородные базисы.

Подобные среды невероятно вариативны и востребованы в самых разных отраслях. У некоторых составов порог кипения едва превышает 50–60 градусов Цельсия.

Тут мы подходим к еще одному водоразделу: однофазное или двухфазное охлаждение?

Мы осознанно фокусируемся на однофазной схеме, отталкиваясь от наших приоритетов: максимальная компактность, простота реализации и колоссальный ресурс автономной работы.

Конечно, двухфазные системы демонстрируют выдающуюся интенсивность теплообмена за счет скрытой теплоты фазового перехода, но платой за это становится усложнение конструкции: жесткие требования к герметичности, прецизионный контроль давления, температуры и сложная физика конденсации паров.

Сведем всех претендентов в единую матрицу для наглядности.

Минеральные и растительные масла отсеиваются из-за неминуемого старения. Хлорированные углеводороды исключены по причине высокой токсичности.

Свойство	Синтетические углеводороды	Кремнийорганические жидкости	Фторорганические жидкости (низкокипящие)
Теплоёмкость, Дж/(кг·К)	2000 — 2300	1370 — 1500	960 — 1180
Теплопроводность, Вт/(м·К)	0,14 — 0,16	0,15	0,057 — 0,073
Вязкость при 40 °C, мм²/с	5 — 31	35 — 40	0,3 — 0,4
Температура кипения, °C	от 350	от 300	49-61
Температура вспышки, °C	155 — 240	300 — 310	абсолютно негорюч
Химическая стабильность	Высокая	Высокая	Очень высокая
Основное применение	Однофазное охлаждение	Однофазное охлаждение	Двухфазное охлаждение
Соответствие нашей задаче	Высокое	Среднее	Низкое

Источник

Важная ремарка: представленная таблица — не универсальный хит-парад. К примеру, фторорганические агенты проигрывают по точке кипения не оттого, что они плохи, а потому, что эта особенность оптимизирована под кипящие двухфазные циклы, которые не вписываются в нашу концепцию.

Разумеется, за общими терминами скрываются вполне конкретные российские и зарубежные марки, однако мы сознательно опускаем коммерческие наименования во избежание рекламы, планируя проверять заявленные свойства в боевых условиях.

В проанализированной выборке синтетических составов теплоемкость варьировалась от 960 до 2270 Дж/(кг·К), теплопроводность составляла от 0,057 до 0,15 Вт/(м·К), а кинематическая вязкость при сорока градусах укладывалась в диапазон от единицы до 40 мм²/с.

При этом порог кипения отличался почти на порядок: от скромных 56 °C до внушительных 300 °C.

Именно эта специфика наглядно иллюстрирует главную сложность проектирования.

Идеального универсального теплоносителя в природе не существует.

У одного образца великолепная текучесть, но критически низкая температура фазового перехода.

Другой может похвастаться термостойкостью, но обладает избыточной вязкостью.

Третий демонстрирует эталонную химическую инертность, но его ценник делает интеграцию в экспериментальную сборку нецелесообразной.

Следовательно, подбирать нужно не «лучшую жидкость вообще», а оптимальный состав под конкретную концепцию охлаждения.

ИТОГОВЫЙ ВЫБОР

Тщательно взвесив все за и против, для нашего макета мы остановились на синтетической углеводородной диэлектрической жидкости.

Согласно заводской спецификации, выбранный диэлектрик при температуре 40 °C обладает следующими параметрами:

• удельная теплоёмкость около 2270 Дж/(кг·К);

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

• кинематическая вязкость в районе 15 мм²/с;

• температура кипения около 280 °C

• вполне разумная стоимость (отечественный сертифицированный продукт)

Планы на ближайшее будущее

Фундамент заложен — у нас есть проверенная рабочая среда с предсказуемым поведением.

Дальнейшие шаги выглядят еще более захватывающе:

Как рассчитать оптимальный объем теплоносителя? Какая компоновка текстолита окажется наиболее удачной? Хватит ли площади теплообменников для сброса тепла из ванны? Какая помпа справится с перекачкой и как спроектировать эффективный гидроконтур?

В следующих материалах мы поделимся результатами замеров воздушного охлаждения, проведем серию бенчмарков и выполним детальное численное моделирование.

 

P.S. Для тех, кто хочет погрузиться в тему глубже, делюсь списком профильной литературы и исследований, которые помогли нам в работе:

1. Сравнительный анализ 15 диэлектриков для однофазных систем

2. Обзор однофазных жидких диэлектриков, включая углеводородную синтетику

3. Базовая таксономия электроизоляционных жидкостей

 

Источник