用于浸没式冷却的流体的制作方法

本公开涉及可用于浸没式冷却系统的组合物。

背景技术：

浸没式冷却中使用的各种流体描述于例如p.e.tuma的“氟酮c2f5c(o)cf(cf3)2作为非能动和泵送2相应用的传热流体”第174-181页，2008年3月16日至20日在加利福尼亚州圣何塞举行的第24届ieee半热研讨会(“fluoroketonec2f5c(o)cf(cf3)2asaheattransferfluidforpassiveandpumped2-phaseapplications,”24thieeesemi-thermsymposium,sanjose,ca,pp.174-181,march16-20,2008)；和tuma,p.e.的待公布的“与非能动2相浸没式冷却的非热方面相关的设计考虑”，2011年3月20日至24日在美国加利福尼亚州圣何塞举行的第27届ieee半热研讨会纪要(“designconsiderationsrelatingtonon-thermalaspectsofpassive2-phaseimmersioncooling,”tobepublished,proc.27thieeesemi-thermsymposium,sanjose,ca,usa,mar.20-24,2011)。

技术实现要素：

在一些实施方案中，提供了浸没式冷却系统。所述浸没式冷却系统包括壳体，所述壳体具有内部空间；发热部件，所述发热部件设置在所述内部空间内；和工作流体液体，所述工作流体液体设置在所述内部空间内，使得所述发热部件与所述工作流体液体接触。工作流体包含具有结构式(ia)的化合物

每个rf¹和rf²独立地为(i)具有1-6个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的直链或支链的全卤化无环烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n；或(ii)具有3-7个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的全卤化5–7元环状烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n。

在一些实施方案中，提供了一种用于冷却发热部件的方法。该方法包括将发热部件至少部分地浸没在工作流体中；以及使用所述工作流体从所述发热部件传递热量。工作流体包含具有结构式(ia)的化合物

每个rf¹和rf²独立地为(i)具有1-6个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的直链或支链的全卤化无环烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n；或(ii)具有3-7个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的全卤化5–7元环状烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n。

本公开的以上概述不旨在描述本公开的每个实施方案。本公开中的一个或多个实施方案的细节也阐述在以下说明中。依据说明书和权利要求书，本公开的其它特征、目标和优点将显而易见。

具体实施方式

大型计算机服务器系统在其运行期间可以执行大量工作负载并生成大量的热量。大部分的热量是由这些服务器的运行生成的。部分由于生成大量的热量，这些服务器通常经由附接到机架背面或服务器生态系统内的其他位置的内部风扇和/或风扇进行机架安装和空气冷却。由于访问越来越大的处理和存储资源的需要持续增大，因此服务器系统的密度(即，放置在单个服务器上的处理功率和/或存储装置的量、放置在单个机架中的服务器的数量和/或部署在单个服务器场上的服务器和或机架的数量)持续増加。由于期望在这些服务器系统中増加处理或存储密度，因此所产生的热挑战仍然是显著障碍。常规的冷却系统(例如，基于风扇的)需要大量的功率，并且驱动此类系统所需的功率成本随着服务器密度的増加而成指数増加。因此，需要用于冷却服务器的高效低功耗系统，同时允许服务器系统期望的増加的处理和/或存储密度。

两相浸没式冷却是高性能服务器计算市场的一种新的冷却技术，其依赖于在将液体(冷却流体)蒸发至气体(即，蒸发的热量)的过程中吸收的热量。用于本申请中的流体必须满足某些要求，以在应用中是可行的。例如，操作期间的沸腾温度应在例如30℃-75℃之间的范围内。一般来讲，该范围适应于将服务器部件保持在足够冷却的温度下，同时允许热量有效地耗散到最终的散热器(例如，外部空气)。流体必须是惰性的，使得其与构造的材料和电子部件相容。某些全氟化和部分氟化的材料可满足该要求。流体应为稳定的，使得其不与常见的污染物诸如水或与诸如活性炭或氧化铝的试剂反应，所述试剂可用于在运行期间擦洗流体。母体化合物及其降解产物的全球变暖潜势(gwp，100yrith)和臭氧损耗潜势(odp)应分别低于可接受的限度，例如小于250和0.01。流体应具有小于2.5的介电常数(在1khz下在室温(约25℃)下测量)，使得高频率电子部件和连接器可浸没在流体中而不会显著损失信号完整性。

单相浸没式冷却在计算机服务器冷却中具有很长的历史。在单相浸没中没有相变。相反，当液体流动或被泵送到计算机服务器和换热器时，液体分别升温和冷却，从而将热量从计算机服务器传递走。用于计算机服务器的单相浸没式冷却中的流体应满足如上文关于两相浸没式冷却所概述的相同要求，不同的是它们通常具有超过约40-75℃的更高的沸腾温度以限制蒸发损失。

一般理解，全氟化液体可表现出2.0或更小的介电常数。然而，这些材料常常与高gwp相关联，远远超出许多工业应用的要求，包括两相和单相浸没式冷却。因此，持续需要可用于两相和单相浸没式冷却的工作流体，其满足工业的介电常数要求(小于2.5)，同时还表现出低于工业的可接受限值(通常小于约250)的gwp(100yrith)。

一般来讲，本公开涉及表现出使得它们尤其适于用作两相和单相浸没式冷却系统中的冷却流体的沸点、反应性、稳定性、gwp和介电常数的组合物或工作流体。

如本文所用，“链中杂原子”意指除了碳之外的原子(例如，氧、氮或硫)，该原子键合至碳链(直链或支链或在环内)中的至少两个碳原子以便形成碳-杂原子-碳链。

如本文所用，“氟-”(例如，涉及基团或部分，诸如“氟代亚烷基”或“氟代烷基”或“氟烃”)或“氟化的”意指(i)部分地氟化，使得存在至少一个键合碳的氢原子，或者(ii)全氟化的。

如本文所用，“全氟-”(例如，涉及基团或部分，诸如就“全氟亚烷基”或“全氟烷基”或“全氟烃”而言)或“全氟化的”意指完全地氟化，使得除非另外表明，否则任何碳键合的氢被氟原子置换。

如本文所用，“全卤化的”意指完全卤化的，使得除非另有指明，否则任何碳键合氢被卤素原子置换。

如本文所用，单数形式“一个”、“一种”、和“所述”包括复数指代，除非内容清楚指示其它含义。如本说明书和所附实施方案中所用的，除非内容清楚指示其它含义，否则术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用。

如本文所用，通过端点表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4和5)。

除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、性质测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望属性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的数值的有效数位的数量并通过应用惯常的四舍五入法来解释。

在一些实施方案中，本公开的组合物可包含组合物或工作流体，所述组合物或工作流体包含具有以下结构式(ia)的氢氟烯烃化合物：

令人惊讶的是，已发现结构式(ia)的亚烷基链段(即其中链段的每个碳键合到一个氢原子和一个e(或反式)构型的全卤化部分的亚烷基链段)令人惊讶地提供小于2.5的低介电常数。未发现提供类似低介电常数的其它氢氟烯烃结构。因此，已发现本公开的氢氟烯烃化合物具有测量的介电常数，该介电常数使得它们尤其适于用作浸没式冷却系统中的工作流体，尤其是用于在高频率(例如，大于2ghz、或大于3ghz、或大于4ghz、或大于5ghz、或大于6ghz、或大于7ghz、或大于8、或大于9、或大于10ghz)下运行的高性能计算机服务器硬件或设备的浸没式冷却的那些。

结构式(ia)的氢氟烯烃化合物表示氢氟烯烃的e(或反式)异构体，其可以两种异构形式存在，另一种异构形式为结构式(ib)中所示的z(或顺式)异构体：

令人惊讶的是，也已发现(e)异构体(结构式(ia))具有比其(z)对应物显著更低的介电常数，并且因此，富含(z)异构体的组合物不表现出将适于用作高性能服务器浸没式冷却系统中的工作流体的介电常数。

在一些实施方案中，每个rf¹和rf²可独立地为(i)具有1-6、2-5或3-4个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的直链或支链的全卤化无环烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n；或(ii)具有3-7或4-6个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的全卤化5–7元环状烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n。在一些实施方案中，每个全卤化rf¹和rf²可仅被氟原子或氯原子取代。在一些实施方案中，每个全卤化rf¹和rf²可仅被氟原子和一个氯原子取代。

在一些实施方案中，每个rf¹和rf²可独立地为(i)具有1-6、2-5或3-4个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的直链或支链的全氟化无环烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n；或(ii)具有3-7或4-6个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的全氟化5–7元环状烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n。在一些实施方案中，rf¹和rf²可为相同的全氟化烷基基团(无环的或环状的，包括任何链中杂原子)。

在一些实施方案中，本公开的组合物可富含结构式(ia)的异构体(e异构体)。就这一点而言，在一些实施方案中，基于组合物中具有结构式(ia)和(ib)的氢氟烯烃的总重量计，本公开的组合物可以至少85重量％、90重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％、或99.5重量％的量包含具有结构式(ia)的氢氟烯烃。

在各种实施方案中，通式(i)的化合物的代表性示例包括下列化合物：

在一些实施方案中，本公开的氢氟烯烃化合物可为疏水的、相对化学惰性的和热稳定的。这种氢氟烯烃化合物可具有较低的环境影响。就这一点而言，本公开的氢氟烯烃化合物可具有零或接近零的臭氧损耗潜势(odp)和小于500、300、200、100、或小于10的全球变暖潜势(gwp，100yrith)。如本文所用，gwp为基于化合物结构的化合物的全球变暖潜势的相对量度。由政府间气候变化委员会(ipcc)于1990年定义且于2007年更新的化合物的gwp计算为在指定积分时间范围(ith)内，相对于释放1千克co2引起的变暖，释放1千克化合物引起的变暖。

在该公式中，ai为大气中每单位质量的化合物增加的辐射强迫(由于该化合物的ir吸收引起的穿过大气的辐射通量的改变)，c为化合物的大气浓度，τ为化合物的大气寿命，t为时间，并且i为受关注的化合物。通常接受的ith为100年，这表示短期效应(20年)和长期效应(500年或更长)之间的折中。假定大气中有机化合物i的浓度遵循准一级动力学(即，指数式衰减)。相同时间间隔内的co2浓度采用从大气交换和除去co2的更复杂模型(bern碳循环模型)。

在一些实施方案中，根据astmd-3278-96e-1测试方法(“通过小型闭杯装置测定液体闪点(flashpointofliquidsbysmallscaleclosedcupapparatus)”)，本公开的氢氟烯烃化合物中的氟含量可足以使化合物不可燃。

在一些实施方案中，由结构式(ia)表示的氢氟烯烃化合物可通过wo2009079525、wo2015095285、us8148584、j.氟化学(1984年第24版第93-104页)和wo2016196240中所述的方法合成。

在一些实施方案中，本公开的组合物或工作流体可包含基于组合物的总重量计至少25重量％、至少50重量％、至少70重量％、至少80重量％、至少90重量％、至少95重量％或至少99重量％的上述氢氟烯烃。除了氢氟烯烃之外，基于工作流体的总重量计，组合物还可包含总计至多75重量％、至多50重量％、至多30重量％、至多20重量％、至多10重量％、至多5重量％、或至多1重量％的以下组分中的一种或多种(单独地或以任何组合)：醚、烷烃、全氟烯烃、烯烃、卤化烯烃、全氟烃、全氟化叔胺、全氟化醚、环烷烃、酯、全氟化酮、酮、环氧乙烷、芳族化合物、硅氧烷、氢氯烃、氢氯氟烃、氢氟烃、氢氟烯烃、氢氯烯烃、氢氯氟烯烃、氢氟醚、或它们的混合物；或基于工作流体的总重量计的烷烃、全氟烯烃、卤化烯烃、全氟烃、全氟叔胺、全氟化醚、环烷烃、全氟化酮、芳族化合物、硅氧烷、氢氯烃、氢氯氟烃、氢氟烃、氢氟烯烃、氢氯氟烯烃、氢氟醚、或它们的混合物。可选择此类附加组分以改变或增强用于特定用途的组合物的特性。

在一些实施方案中，如根据astmd150在室温下所测量，本公开的组合物或工作流体可具有小于2.5、小于2.4、小于2.3、小于2.2、小于2.1、小于2.0、或小于1.9的介电常数。

在一些实施方案中，本公开的组合物或工作流体可具有介于30-75℃、或35-75℃、40-75℃、或45-75℃之间的沸点。在一些实施方案中，本发明的组合物或工作流体可具有大于40℃、或大于50℃、或大于60℃、大于70℃、或大于75℃的沸点。

在一些实施方案中，本公开可涉及包含上述含氢氟烯烃的工作流体的浸没式冷却系统。浸没式冷却系统可为单相或两相浸没式冷却系统。

在一些实施方案中，浸没式冷却系统可作为用于冷却一个或多个发热部件的两相蒸发冷凝冷却系统运行。如图1中所示，在一些实施方案中，两相浸没式冷却系统10可包括具有内部空间15的壳体10。在内部空间15的较低体积15a内，可设置有含氢氟烯烃的工作流体的液相20，所述工作流体具有上液体表面20a(即，液相20的最高液位)。内部空间15还可包括从液体表面20a向上延伸至壳体10的上部10a的上部体积15b。

在一些实施方案中，发热部件25可设置在内部空间15内，使得其至少部分地浸没(并且至多完全浸没)在工作流体的液相20中。也就是说，虽然发热部件25被示出为仅部分地浸没在上部液体表面20a的下方，但在一些实施方案中，发热部件25可被完全浸没在液体表面20a的下方。在一些实施方案中，发热部件可包括一个或多个电子设备，诸如计算服务器。

在各种实施方案中，换热器30(例如，冷凝器)可设置在上部体积15b内。一般来讲，换热器30可被配置成使得其能够使工作流体的蒸汽相20b冷凝，该蒸汽相由于由发热元件25产生的热量而生成。例如，换热器30可具有被保持在低于工作流体的蒸汽相的冷凝温度的温度下的外表面。就这一点而言，在换热器30处，当上升的蒸汽相20b与换热器30进行接触时，可通过将潜热释放到换热器30来使工作流体的上升的蒸汽相20b冷凝回到液相或冷凝物20c。然后可使所得冷凝物20c返回到设置在15a的较低体积中的液相20。

在一些实施方案中，本公开可涉及通过单相浸没式冷却来运行的浸没式冷却系统。一般来讲，单相浸没式冷却系统类似于两相体系的系统，因为其可包括设置在壳体的内部空间内的发热部件，使得其至少部分地浸没(并且至多完全浸没)在工作流体的液相中。单相系统还可包括泵和换热器，所述泵运行以将工作流体移动到发热部件和换热器以及从发热部件和换热器移出，并且换热器运行以冷却工作流体。换热器可设置在壳体内或壳体外部。

虽然本公开描述了合适的两相和单相浸没式冷却系统的示例，但应当理解，本公开的含氢氟烯烃的工作流体的有益效果和优点可在任何已知的两相或单相浸没式冷却系统中实现。

在一些实施方案中，本公开可涉及用于冷却电子部件的方法。一般来讲，所述方法可包括将发热部件(例如，计算机服务器)至少部分地浸没在包含上述氢烯烃化合物或工作流体的液体中。该方法还可包括使用上述氢烯烃化合物或工作流体从发热组件传递热量。

实施方案列举

1.一种浸没式冷却系统，包括：

壳体，所述壳体具有内部空间；

发热部件，所述发热部件设置在所述内部空间内；

所述内部空间内的工作流体液体，所述工作流体被定位成使得所述发热部件与所述工作流体液体接触；

其中所述工作流体包含具有结构式(ia)的化合物

其中每个rf¹和rf²独立地为(i)具有1-6个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的直链或支链的全卤化无环烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n；或(ii)具有3-7个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的全卤化5–7元环状烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n。

2.根据实施方案1所述的浸没式冷却系统，其中每个rf¹和rf²独立地为(i)具有1-6个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的直链或支链的全氟化无环烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n；或(ii)具有3-7个碳原子且任选地含有一个或多个链中杂原子的全氟化5–7元环状烷基基团，所述一个或多个链中杂原子选自o或n。

3.根据实施方案2所述的浸没式冷却系统，其中rf¹和rf²为相同的全氟化烷基基团。

4.根据实施方案1-3中任一项所述的浸没式冷却系统，其中基于工作流体中具有结构式(ia)的化合物和具有结构式(ib)的化合物的总重量计，具有结构式(ia)的化合物以至少90重量％的量存在于

所述工作流体中。

5.根据实施方案1-4中任一项所述的浸没式冷却系统，其中基于所述工作流体的总重量计，具有结构式(ia)的所述化合物以至少50重量％的量存在于所述工作流体中。

6.根据实施方案1-5中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述工作流体具有小于2.5的介电常数。

7.根据实施方案1-6中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述工作流体具有30-75℃的沸点。

8.根据实施方案1-7中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述工作流体具有大于75℃的沸点。

9.根据实施方案1-8中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述发热部件包括电子设备。

10.根据实施方案9所述的浸没式冷却系统，其中所述电子设备包括计算服务器。

11.根据实施方案10所述的浸没式冷却系统，其中所述计算服务器以大于3ghz的频率运行。

12.根据实施方案1-11中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述浸没式冷却系统还包括设置在所述系统内的换热器，使得在所述工作流体液体蒸发时，所述工作流体蒸汽接触所述换热器；

13.根据实施方案1-12中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述浸没式冷却系统包括两相浸没式冷却系统。

14.根据实施方案1-11中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述浸没式冷却系统包括单相浸没式冷却系统。

15.根据实施方案1-11或14中任一项所述的浸没式冷却系统，其中所述浸没式冷却系统还包括泵，所述泵被配置成将所述工作流体移动到换热器以及从换热器移出。

本公开的操作将参照以下详述的实施例另外描述。提供这些实施例以进一步说明多种实施方案和技术。然而，应当理解，可做出许多变型和修改而仍落在本公开的范围内。

实施例

本公开更具体地描述于以下实施例中，这些实施例仅旨在作为示例说明，因为在本公开范围内的许多修改和变型对于本领域中那些技术人员来说将是显而易见的。除非另外指明，否则以下实施例中提及的所有份数、百分比和比率均按重量计。除非另外指明，否则试剂购自美国密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇化工公司(sigmaaldrichcompany,st.louis,mo,usa)。

实施例1、3和4以及比较例ce2、ce3和ce4购自美国阿拉丘亚佛罗里达州的synquest实验室，并且按原样使用。

为了制备实施例2，在600mlparr反应器中装入五氟化锑(30g，138.41mmol)。将反应器密封，并且在干冰中冷却。然后在反应器冷却时施加真空。然后将1,1-二氟-n-(三氟甲基)甲烷胺(205g，1541.1mmol，由二(三氟甲基)氨基氟化物的脱羧来制备，其可由二甲基甲酰胺的电化学氟化制备)和(e)-1,3,3,3-四氟丙-1-烯(240g，2104.5mmol，购自霍尼韦尔(honeywell))作为液体依次装入反应器的顶部空间。然后将反应器放置在底座中，搅拌并允许其升温至室温。一旦在室温下，反应器上的热量逐渐增加至70℃。保持16小时后，将反应器冷却、排气，并且倒到冰之上。回收的粗制含氟化合物产物的重量为138g。根据gc分析，回收的总质量的大约68％为所需的产物。随后通过分馏来纯化所述材料，并且通过gc/ms和f19以及h1nmr证实所述结构主要为3,3,3-三氟-n，n-二(三氟甲基)丙-1-烯-1-胺的(e)异构体。

为了制备比较例ce1，在配备有顶置式搅拌、热电偶、冷水冷凝器、干燥n2线和加料漏斗的1l的3颈圆底烧瓶中，装入硼氢化钠(5.23g,138mmol)和二甘醇二甲醚(102g)。搅拌混合物，以溶解硼氢化物中的一些。然后将混合物冷却至-72℃，然后在搅拌下经由加料漏斗逐滴加入1,1,1,3,4,4,5,5,5-九氟-2-(三氟甲基)戊-2-烯(103g，343.285mmol)，同时将温度保持在-72℃至-63℃之间。一旦加入完成，则将批料在-72℃下再搅拌一小时。然后将反应混合物升温至15℃，并且用10g水和400g35％h3po4淬灭。将反应混合物转移到分液漏斗，收集90g产物。gc-ms结果表明粗产物主要由一氢化物和二氢化物组成。通过分馏进一步纯化所需的一氢化物，从而得到纯材料。材料的沸点为52℃。通过gc/ms以及f19和h1nmr对结构进行确认。

使用astmd150在室温下确定介电常数，并且报告1khz下的平均值。

虽然本文出于说明一些实施方案的目的对具体实施方案进行了举例说明和描述，但是本领域中普通技术人员应当理解，在不脱离本公开范围的前提下，各种替代和/或等同实施方式可取代举例说明和描述的具体实施方案。