摘要：电子产品功耗及热流密度的不断增加，而温度控制对电子产品可靠性具有至关重要的作用，元器件温度每升高10℃，其可靠性就会降低50%，因此使较传统风冷效率更高的液体冷却得以越来越广泛的应用。冷却液作为冷却系统的传热介质，除了具有冷却的作用外，还具有防腐、防垢以及防冻的作用，但由于乙二醇在高温热负荷运转条件下会氧化，生成以甲酸为主具有侵蚀作用的混合酸，这样比没加冷却液的自来水更加具有腐蚀性。本文以乙二醇型冷却液为例，说明冷却液对液冷产品的腐蚀性危害，并提出预防和维护建议。
关键词：液冷；冷却液；腐蚀
中图分类号：TB37
1引言
自晶体管问世以来，随着电子技术的不断发展和应用，电子元器件得以迅猛发展，越来越
大器件功率和越来越小器件体积以及高度集成化形成了大量高热流密度的电子设备，热流密度通常达到传统风冷设备的7～10倍。据美军整体计划分析报告里指出：电子设备的失效有55%是由温度引起的，而元器件温度每升高10℃，其可靠性就会降低50%。因此，元器件温度控制对电子设备可靠性具有至关重要的作用。由于液体的导热系数及比热均比空气大，因而可以大大减小各有关换热环节热阻，提高换热效率，因此液冷技术正得到越来越广泛的应用。冷却液作为冷却系统中的传热介质，其主要功能之一是将冷板及芯片温度控制在许可的极限内。乙二醇由于具有优异的降低冰点的效果，其水溶液在冷却液中普遍使用，乙二醇型冷却液普遍应用于发动机冷却系统及军用飞机冷却系统。冷却系统使用冷却液后，冷却系统的金属部件表面会形成一层具有钝化作用的保护膜，可延缓或阻止腐蚀进一步发展。但由于乙二醇在高温热负荷运转条件下会氧化，冷却系统充气及使用大量的铜和铜合金元件均会促进乙二醇氧化生成以甲酸为主具有侵蚀作用的混合酸。这种溶液比没加防冻剂的自来水更加具有腐蚀性。本文以乙二醇型冷却液为例，说明冷却液对液冷产品的腐蚀性危害，并提出预防和维护建议。
2乙二醇型冷却液
2.1冷却液组成
冷却液是冷却系统中的传热介质，具有冷却、防腐、防垢以及防冻等作用。乙二醇型冷却液的主要组成成分为水、乙二醇、缓蚀剂等其他添加剂。
水是冷却液的重要组成部分，不但因为水具有良好的导热性能，而且乙二醇防冻剂只有配成一定浓度的水溶液才能发挥其防冻作用。但一般的水中含有大量的溶解性物质，而磷酸根、硅酸根、碳酸根以及碳酸氢根和硫酸氢根离子在加热条件下与溶液中的钙、镁和铁等阳离子生成水垢，堵塞管道，降低传热效率，而氯离子或硫酸根离子达到一定的浓度时，会严重加剧冷却系统的腐蚀。因此冷却液必须使用蒸馏水或去离子水。
乙二醇由于具有优异的降低冰点的效果，乙二醇能够与水以任意比互溶，在一定浓度范围内大大降低水的冰点，体积分数在56.0%时冰点最低达到-48.0℃。同时具有沸点高（乙二醇水溶液的沸点在体积分数为58.0%时为110.0℃，100%时为197.8℃。）、黏度适中、毒性低的特点，在冷却液中普遍使用。汽车发动机及军用航空冷却液（65号冷却液）的主要成分均为水和乙二醇。
缓蚀剂是冷却液中最主要的添加剂，主要作用是防止冷却系统金属管路腐蚀穿孔，以免造成冷却液渗漏或流失。
2.2 冷却液的缓蚀剂
乙二醇在高温热负荷运转条件下会氧化，冷却系统充气及使用大量的铜和铜合金元件均会促进乙二醇氧化生成以甲酸为主具有侵蚀作用的混合酸。这种溶液比没加冷却液的自来水更加具有腐蚀性，试验数据表明，冷却系统在加入乙二醇后，很多金属的腐蚀速度比只用水时高。因此，在确定了冷却液的基础液成分后，缓蚀剂将在很大程度上决定冷却液的性能。
缓蚀剂是冷却液中最主要的添加剂，主要作用是防止冷却系统金属管路腐蚀穿孔，以免造成冷却液渗漏或流失。它以适当的浓度和形式存在于环境中时，可以减缓或防止腐蚀的产生。缓蚀剂的保护作用具有严格的选择性、与腐蚀介质的性质、温度、流动状态、材料的种类和性质以及缓蚀剂本身的种类和剂量都有很大的关系。所以对某种介质和金属具有良好保护作用的缓蚀剂，对另一种介质或金属就不一定具有同样的效果，在某种条件下保护效果很好，而在别的条件下保护效果就可能很差，有可能加速腐蚀。
硅酸盐是铝和铝合金的特效缓蚀剂，对钢铁和其他有金属也有一定的保护作用，但硅酸盐在使用过程中存在一个主要问题是，硅酸盐经过一定时间的储存和使用后稳定性变差，容易形成凝胶状物质析出。美国和英国的军用飞机冷却液规范中采用三乙醇胺、磷酸盐等缓发动机冷却液
蚀剂配方。
3 冷却液对液冷产品腐蚀性分析
3.1腐蚀性分析
液冷系统主要由冷板、循环管路、泵、外部换热器四部分组成，所用的材料通常为铝合金及不锈钢等。在同种金属合金内部不用种元素之间、不同金属之间的接触电位不同，在冷却液组成的电解液中会产生原电池腐蚀。某型飞机供液管路上曾发现焊接接头及部分管壁有白结晶体，经化验白结晶体中含有少量氧化铝成分，白结晶体脱落后管壁及焊缝处表面粗糙度变差，存在腐蚀现象。
结晶一种情况可能是凝胶或其他附着物，硅酸盐是铝和铝合金的特效缓蚀剂，对钢铁和有金属都有一定的保护作用。冷却液中使用的硅酸盐实际上都是偏硅酸盐，常用的有偏硅酸钠和偏硅酸钾，一般简称硅酸盐。硅酸盐在使用过程中存在的主要问题是经过一定时间的储存和使用后稳定性变差，容易形成凝胶状物质析出，使防腐蚀性能降低。产生的凝胶在使用过程中容易堵塞管道和附在散热器内表面，降低传热效果。另外磷酸盐类也存在不稳定性，易于水中的钙、镁离子反应形成水垢。
另一种情况结晶物可能是氢氧化铝Al（OH）3（或者称铝酸（H3AlO3））。供液管路由于缓蚀剂氧化作用在管壁上存在一层Al2O3，Al2O3是一种两性氧化物，遇到强酸显弱碱性，遇到强碱则显弱酸性。因此其即可以和酸反应也可以和碱反应。
乙二醇在高温热负荷运转条件下会氧化，冷却系统充气及铜和铜合金元件均会促进乙二醇氧化生成以甲酸为主具有侵蚀作用的混合酸，因此在酸性条件下，Al2O3与酸反应可生成氢氧化铝Al（OH）3：
Al2O3+6H+= Al（OH）3↓（2H3AlO3）
Al（OH）3+3H+=Al3++3H2O
乙二醇型冷却液呈碱性，PH值在7.5～11之间，而作为两性氧化物的Al2O3在碱性条件下可与碱反应生成偏铝酸，并与水中的铝离子进一步可反应生成氢氧化铝Al（OH）3：
Al2O3+2OH- =2AlO2-+ H2O
2Al+2 OH-+2H2O=2 AlO2-+ 3H2↑
3AlO2-+ Al3++6H2O= 4Al（OH）3↓
Al（OH）3不溶于水，在水中为白悬浮物。因此吸附在环控系统管壁上的白结晶体应该为Al（OH）3，因此如果冷却液中存在偏酸或者偏碱的情况，AL2O3就会从液体管道上脱落进入冷却液中，从而造成管道表面腐蚀以及管道表面的结晶。
3.2对液冷系统的危害
3.2.1 对泵、过滤器、管道的危害
由于存在冷却液中添加剂的不稳定性以及乙二醇水溶液的腐蚀性问题，则冷却液缓蚀剂的不稳定性可能造成硅酸盐凝胶析出，或者磷酸盐与水中钙、镁等离子的反应，析出的凝胶附着在管道或者泵上，降低传热性能，会造成泵的腐蚀，生成的沉淀物则会造成过滤器及管路过早堵塞，影响整机流阻，造成冷却系统故障，影响电子设备及飞机的安全。
3.2.2 对液冷板的危害
为了减轻重量，液冷板均采用铝合金采用焊接等工艺加工而成。在集成化模块中，液冷
模块进出液口及内部通道尺寸均较小，仅为毫米级。冷却液中采用的缓蚀剂中的如硅酸盐成分稳定性较差，会产生凝胶，而磷酸盐易产生水垢，且乙二醇的水溶液pH值控制不佳可能产生氢氧化铝沉淀，现象则如上面提到的白晶体即为冷却液中添加剂或腐蚀产物形成的，造成传热效率下降，影响流阻，严重时可能会堵塞进出口及流道。
3.2.3 对集成机架及液冷接头的危害
液冷机架对应于模块的冷却液进口根据各模块功耗不同一般需进行流量分配，因此机架与液冷板进液口接口大小不一，小的开孔可能小于1mm。另液冷接头通径较小，液体可通过的缝隙仅为0.9mm，如果发生腐蚀，液冷模块中的腐蚀杂质首先需要通过的是液冷接头，极易在接头出口处堆积，造成堵塞；液冷模块在维护拔插过程中，腐蚀杂质就会很容易卡在密封圈周围，使得接头密封性受到影响，造成液体泄漏。
因此冷却液的稳定性以及防腐蚀性能极为重要，若产生凝胶或者沉淀，会造成机架冷却液流量分配孔及液冷接头堵塞，增加流阻，影响模块正常供液，热量集中使得电子设备故障。
4结论及建议
4.1腐蚀性是客观存在的
由以上可以看出水和乙二醇溶液对铝合金是有腐蚀的，而且乙二醇可能会加速铝合金腐蚀，硅酸盐缓蚀剂是铝合金的特效缓蚀剂，可防止铝合金腐蚀，但是硅酸盐缓蚀剂也存在稳定性的问题，磷酸盐又可与水中的钙、镁离子反应形成水垢。
4.2腐蚀解决办法
液冷设备的防腐蚀问题，一方面需要通过改进金属材料性能改进；另一个重要方面就是提高冷却液的防腐蚀性。
4.2.1提高通道抗腐蚀能力
试验证明，采用化学氧化或阳极氧化等工艺对铝合金的防腐蚀是有好处的，液冷产品通道内部物理尺寸较小，目前仅液冷机架内通道可采用化学氧化的方法。
另外如果机架或液冷通道内残留有氧化液，氧化液会成为模块内部电解液，会在通道内形成原电池腐蚀，为了避免冷却液以及环控系统受到污染，必须对液冷机架以及模块内部进行了冲洗。保证通道洁净度，确保污染物不会进入冷却液，影响冷却液的稳定性。
4.2.2提高冷却液防腐蚀性能
防止液冷设备中铝合金腐蚀决定因素在冷却液，提高冷却液防腐蚀性能的方法就是使用缓蚀剂，无论从汽车发动机还是国外飞机环控系统，冷却液的防腐蚀性主要是依靠缓蚀剂。
由于大多数金属腐蚀过程的本质是电化学反应，不仅与溶液中缓蚀剂的浓度有关，而且与溶液的pH值有关。由上述调研分析情况也可以看出，防止液冷设备中铝合金腐蚀需要控制冷却液的酸碱度，一般情况下是在控制65号冷却液的酸碱度在7～11之间，低于或高于这个值都会使腐蚀速度加快。合适的pH值是冷却液仍然具有防腐性能的前提条件，但pH值合适并不一定能保证溶液仍然具有很好的防腐蚀效果。
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