中国科学院上海有机研究所吴永明发表致辞

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  • 9 August 2018

谢谢主席,也谢谢组委会让我有这么一个机会在这里和大家分享一下我们在冷却介质方面的一些研究成果,这个课题我们已经做了10年的研究。我今天报告的题目是‘’氟碳冷却介质的研制及应用‘’,这个技术我们已经和企业已经有了一些合作,已经产业化了。
我的报告分三个部分。发热是我们工业生产和仪器仪表运行过程中的一个共性问题,为了使生产正常运行,我们必须把这些散发的热量非常高效和及时的转移出去,我这里举了一些例子,就像数据中心的服务器、风机、新能源汽车的锂电池、这个是我们自己本行化学反应过程中、高压输电系统换流站里面的换流阀、还有高功率LED灯等等很多,我这里只是举了几个例子。

中国科学院上海有机研究所吴永明

现在散热有很多的方法。其中,最高效的是蒸发冷却技术,它是通过特定沸点的特殊绝缘介质,蒸发时的汽化潜热带走发热体的热量,使其降温的一种散热技术。所以,它是一种高绝缘、低沸点、自循环、经济高效的冷却技术。与传统的风冷及水冷技术相比,它的效率有很大的提高。要实现蒸发冷却散热,最关键的就是要研制一些特别绝缘介质,就是今天讨论所谓的冷却介质。
对于冷却介质我们提出了这么一些要求,首先是不燃、不爆、没有腐蚀性。其次要对环境友好,ODP等于0,不破坏臭氧层;GWP低,温室效应影响很小。我这里只是举了几个最基本的要求,当然还有很多。要满足这么多的条件,我们认为只能是一些含氟的产品才有可能。可能大家会问为什么要含氟化物呢?我给大家稍微科普一下。
氟元素是在元素周期表里面最左边最上端的一个化学元素,它的原子半径跟氢原子是最相近的,电负性是所有元素中最大,达到4.0。因此它具有我们通常说的四大效应。由于氟元素的特殊性,在国际上有非常多的科学家和研究机构,还有大公司,象前面两家公司都是针对氟来展开的,我们中科院上海有机所,专门为了研究这么一个元素成立了一个‘’中科院上海有机所有机氟化学重点实验室‘’,所以它是非常特殊的化学元素。
由于氟原子的特殊性,它有它的两面性。有些含氟化物是非常毒的,我这里举了几个例子,就像氢氟酸,还有原来的化学武器——全氟异丁烯,它本身无色无味但是非常危险。还有如这个一氟醋酸,也是一个剧毒化学品,而且只要是具有偶数碳的末端含有有一个氟原子的羧酸,都是致命的。另一方面有些含氟化合物又是非常安全的,有一些是治病的良药,这个是氟西汀,它是一个治疗抑郁症的药物。这个是立普妥,它是治疗心血管系统的一个药物,这是2009年的神药,当时销量排名第一的。这个是环丙沙星,这个是除草剂,这个是杀虫剂,我们夏天杀蚊子就是用这个功夫菊酯,还有很多。在我们很多的国民经济领域和我们的日常生活中,都要用到含氟的材料,由于时间的关系我就不展开了。
我们是在2008年开始,受一个企业的委托开始做这个方面的研究,当时这个企业希望我们给他筛选出一种含氟的,用在变压器里面代替矿物油的介质,我们也帮他们开发出来,也在运行,现在有一定的产量,但由于含氟介质的性价比,所以只能是特殊的场合。
后来我们和北京电工所进行了合作,又得到了科学院重点部署项目的支持,在这个项目里面,我们设计和合成了近百种含氟化学物进行筛选,得到了一系列含氟的介质,所有这些介质都是经过测试的,最重要的我们这些介质在设计过程当中已经考虑到它的环保问题,所以是第三代或者第四代的替代品,就是HFE或者是HFO的,所以他们的GWP值都是很低的,下面还会涉及到这个问题。
这里面其中一个介质我们跟国内的一家知名企业已经在合作应用推广了,但是因为保密协议这个名字我就不讲了。这个是我举了一个自己研制出来的FCM的一些测试结果,测试出来应该是无毒的,这个是皮肤刺激的、眼刺激的,都是非常理想的。除了这些以外,我们自己也用我们所里开发的一个软件,对他们的长期致畸性和致癌性进行了一些计算和预测,结果也都是安全的。
刚才讲的介质的沸点是一个点一个点的,但如果有某种需求,他们的沸点要求落在点的中间,那只能花钱、花时间再去研制新的介质,而且还不一定成功。所以我们又采取了另外一种策略,利用混合介质,来解决这个问题。我们选取了两种不能共沸的介质,利用两个介质不同的比例来进行混合,可以得到不同回流温度介质。
还有一个沸程,如果对混合工质进行蒸馏,从初始蒸馏出来的温度到最后出来的温度那个区间,我们叫做沸程,如果把这些数据进行作图,就会有这么一张曲线图。利用这个办法,我们就可以把问题简单化了,如果有一个用户需要90度沸点的介质,我们只要在这张温度曲线图中找出介质的相应比例,进行配制,就可以很容易的提供产品,满足他们的需求。当然对于混合物有要求,由于它们不是共沸的混合物,在系统泄露的时候其比例会发生改变,所以系统的密封性要非常好的情况下才能使用。
这里有不同的性能,一个是击穿电压,还有一个是GWP值,我们请相关的单位测试了以后,出来结果是7,大气层的寿命是0.19,那就是两个多月的时间内就分解掉了,这个混合工质本身,所有的GWP反正是在20以下。
这里有一个小插曲,是国内一家非常知名的企业,我们一直在沟通,但是因为有保密协议,所以在这里不能讲他们的名字。他们原来是用国外的介质在实验,但是他们发现那个介质GWP值非常高,大概是8千以上,他们不太满意,希望找我们开发一个新的工质。他们提的第一个要求是GWP要在150以下。第二个原因是前段时间有一个非常轰动的事件,美国把国内某公司的芯片给禁止掉了,公司也差一点倒闭了。这是一个非常深刻的教训,也为国内所有的高科技企业敲了个警钟。这个公司为了使他提高这个安全性能,所他们希望跟我们合作来开发,他们是愿意出经费,让我们帮他们开发,时间关系我就不展开了。
下面我就把他们的一些应用研究,我们是研究单位只是跟人家去提建议,希望跟他们合作。第一个就是电力行业,一个是蒸发冷却变压器,现在又得到了一个深圳的企业合作机会,开发一种新的介质。
这个是我们自己做的一个实验,就是把台式机的外壳拆掉,我们外加热热源,让它形成爆沸,通过这里铜管的换热,介质被快速的冷却,液体不停往下滴。通过这样的冷却技术,系统能保持常压,电脑能保持正常工作,CPU温度保持的介质的沸点附近。
这是我们自己做了一个浸没式的服务器,刚刚有位说有没有看过浸没式的服务器,我们这里有。介质里面都是刀片,这个地方是16张,还有有两台交换机。我们分别使用了单相介质的和双相介质进行了试验。,这个是汽箱的温度,这个是下面介质的温度,这个是进水的温度,这个是冷凝水出来的温度,水在在外面进行换热循环。
这个可能跟我们的关系不是很大,但这个也是锂离子电池的穿刺实验。新能源汽车的锂离子电池有一定的安全隐患,大家经常听到哪里烧了,哪里炸了。如果锂离子电池一破会产生大量的气体燃烧,如果发生爆炸就有生命危险。如果相同的穿刺实验,有介质介入的情况下又会怎么样呢?大家看火又没有了,产生的大量热量把我们这个介质沸腾了,所以这样就把这个危险的地方给避免了。
这是另外一个应用,就是风机的,我们也是在找合作单位,这个是LED灯的,前段时间叫化工企业,成功用我们的介质使他的生活安全性大大提高了。这个是换流站,我们也在和相关企业在谈,他们是用自来水的,因为价格的原因,可能还要慢慢的沟通。
这个是核电站,这个门槛很高,我们也在努力,还有其他一些发明就不太适合讲,我们也在沟通,最后谢谢大家,请大家多提宝贵的意见,谢谢!