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兩相被動浸入冷卻是指使用改變相的沸騰液體來去除一個或多個表面的熱量的冷卻系統。

然后蒸汽被移動到冷凝器，然后被動地落回液浴。如果要冷卻電子設備，那么液體需要介電介質，這些電子組件通常浸在密封容器中的液體中。

一些例子是高壓牽引系統中的柵極關閉（GTO）晶閘管，絕緣柵極雙極晶體管（IGBT），如圖1a-b所示。

這種技術相當有前途，當設備以任意形式密集封裝時尤其有用。

與傳統的液體冷卻系統相比，這種冷卻系統具有價格競爭力，因為它不需要泵、風扇、冷板、軟管、管組、接頭等。

然而，傳統上，電子和熱工程師反對讓活體電子設備直接與液體接觸，而且有許多非熱的、微妙的方面，在結合這種冷卻技術時需要仔細考慮和考慮。

需要評估的不同的設計和實踐方面可以列出如下：

1. 液體化學

   a.物理屬性

   b.電氣性能

2. 材料的兼容性

3. 對系統中的空氣和水的影響

4. “熱性分解”

流體化學

在過去使用了氯氟碳（CFC），但由于它對臭氧層消耗的負面影響，它們的使用受到了限制。

氯氟化碳為全氟碳（PFC）讓路，但由于其較高的全球變暖潛力，它的使用量也在下降。

目前，它們的替代品將主要包括氫氟醚（HFE）和氟酮（FK）。人們關注的是碳氫化合物的償付能力。

可移動的有機污染物很可能進入浸沒系統，一般來說，這些污染物是碳氫化合物，揮發性不太高。

PFC和FK流體對碳氫化合物的溶劑很差，而HFE則稍好一些。考里丁醇測試是對碳氫化合物償付能力的一種測量，建議工程師擁有建議流體的KB值的數據。

一般來說，一個PCB和它上面的電子設備被設計成在空氣中運行，具有其自身固有的雙電特性。

當介質變為上述任何一種流體時，都需要仔細評估這些性能。一種可能的情況是，蒸汽氣泡的運動導致流體的電特性的瞬態不連續。

此外，介電特性也與頻率有關。HFE流體在高頻下介電常數顯著降低，圖2，表明這不是高頻應用的好選擇。

對所設計的系統，應仔細考慮所選工作流體的特性。表1顯示了在25°C下的代表性流體性能。

材料可混用性

兩相冷卻固有的兩個過程是沸騰和系統健康，可能影響材料兼容性和凝結。在沸騰過程中，一些相對非揮發性的物質，如溶解在液體中的油被蒸餾留下。

由此產生的冷凝物（在蒸汽冷凝后）對同一物質具有很高的親和力，因為它不含該物質。如果這種冷凝物與含有這種可溶解油的彈性體直接接觸，它將提取或溶劑化這些油。

這可能會對沉浸式游戲的過程產生意想不到的后果。索氏萃取試驗對于評估兩相應用中的材料相容性非常有用。

對o型環樣品進行索氏環提取相容性測試的典型裝置如圖3所示。對該測試的詳細描述見。

有必要進行此測試，因為一種物質中的流體可溶性物質會影響另一種物質或流體本身。

此外，流體可溶性物質可以通過填充成核位置和增加熱阻而對沸騰性能產生不利影響。

一般來說，提出的一些有用的設計技巧是：

1. 不得使用含有可提取有機物的材料

2. 預處理材料，以去除有機物

3. 通過使用活性炭在原位去除有機物

空氣在系統中的影響

在密封的被動兩相系統中存在空氣會通過影響冷凝熱傳遞導致系統在高于最佳溫度下運行。

即使在自動凈化空氣的系統中，這也可能是流體損失的一個來源，因為一些蒸汽會隨著空氣一起排出體外。

由于空氣中存在氧氣而造成的腐蝕也是一個潛在的關注領域。

空氣可以由于泄漏和或通過彈性體/塑料擴散而進入系統。

由于擴散是由系統和環境之間的分壓差驅動的，所以即使當系統壓力高于環境時，空氣也可以進入系統。

圖4清楚地顯示了空氣如何擴散到一個加壓容器中，在這種情況下是一個氣球。

為了防止空氣進入或其對系統的影響，一些策略已經嘗試和測試。

使用揮發性流體（沸點Tb<20°C），使系統壓力即使在最低的預期環境溫度下也保持高于大氣溫度。當操作溫度接近臨界溫度或所需壓力變高時，這可能不可行。

在GTO牽引逆變器等較大的系統中，使用了>48°C的流體，但使用嚴格的泄漏檢查，如氦泄漏檢查方法，以減少空氣滲透。

另一種實用的方法，讓系統呼吸到環境或必要時使用波紋箱，以保持所需的壓力。該策略已成功應用在連續恒定功率的系統中，如數據設備。

在系統中的水的影響

一般來說，可以溶解在液體中的微量水不會對系統造成很大的危害。然而，液態的水可以溶劑化系統中存在的微量離子污染物，并具有腐蝕性。

液態水不與PFC流體反應，但在>150°C溫度下惡化HFE流體的熱分解。FK流體在室溫下與水發生反應。

在這兩種情況下，水會溶劑化某些成分并變得具有腐蝕性。一般來說，最好確保系統始終沒有水。

當系統溫度低于環境露點，空氣進入系統時，水可以隨時進入系統。

如果這個策略被用來減少空氣的進入是讓系統呼吸空氣，環境露點低于系統溫度，那么這就不是問題了。

然而，如果聚合物中含有大量的水，或者水通過可滲透的材料擴散，那么水仍然可以進入系統。

從系統中去除水的一種方法是使用干燥劑在制冷系統中進行現場排水。需要注意的一點是，通過預測可能進入系統的水量來使用適量的干燥劑。

表2顯示了可用于不同流體的干燥劑。

熱解

一般來說，在正常運行條件下，PFC和FK流體不太可能發生流體熱分解，因為它們通常穩定在300個以下°C.HFE液體往往在200°C左右分解，不建議使用這些液體在150以上連續工作°C.

然而，在某些情況下，當流體中存在高壓弧和設備故障導致高溫、持續的溫度時，分解是可能的，通常是在穩定的蒸汽膜下，也稱為膜沸騰。

雖然這些失敗是隨機現象，但目前正在進行研究，以評估在這種情況下分解的程度。

通過注入堿性（pH ~ 11）氧化鋁顆粒來原位去除分解產物，如過氟異丁烯。目前，人們正在研究其他合適的去除分解產物的試劑。

總之，兩相浸入式冷卻是冷卻電力電子設備和高性能計算機的可行選擇。然而，在實施這種冷卻系統時，了解將在系統的正常運行中發揮重要作用的熱方面是非常重要的。

熱工程師除了了解兩相浸沒冷卻技術的熱性能外，還需要預先了解這些因素。

必須確保材料的兼容性，減輕空氣和水進入系統的影響，選擇合適的工作流體，并了解所選工作流體熱分解的潛在風險。