Technologie přímého chlazení kapalinou a nepřímého chlazení kapalinou

Prvním krokem v procesu tepelného návrhu a vývoje je potvrzení, jakou metodu chlazení produkt potřebuje použít, aby byl v rané fázi produktu vyhrazen odpovídající konstrukční prostor. V současné době se způsoby chlazení elektronických produktů dělí hlavně do čtyř kategorií: přirozený odvod tepla, chlazení nuceným vzduchem a chlazení kapalinou. Se svou účinnou chladicí kapacitou a nižším poměrem spotřeby energie se v tepelném designu stále více používají schémata kapalinového chlazení, která se dále dělí na přímé chlazení a nepřímé chlazení.

Přímé chlazení: Komponenty jsou přímo ponořeny do kapaliny pro odvod tepla. Také známé jako imerzní kapalinové chlazení nebo imerzní kapalinové chlazení. V současnosti je tato technologie na vzestupu a některá datová centra již tento způsob chlazení využila. Přímé kapalinové chlazení má extrémně vysokou účinnost přenosu tepla a spotřeba energie na regulaci teploty je výrazně snížena ve srovnání s chlazením vzduchem. Hodnota PUE (Účinnost využití energie, PUE=celková spotřeba energie zařízení / spotřeba energie IT zařízení) datových center využívajících ponořené kapalinové chlazení může být proto značně snížena a existují zprávy, že lze dosáhnout ještě nižších hodnot než 1,05. dosaženo [1].

Z kontaktní formy mezi kapalnou pracovní kapalinou a součástmi lze přímé kapalinové chlazení rozdělit do dvou typů: 1) Imerzní nebo ponorné kapalinové chlazení se týká namáčení elektronických produktů v kapalné elektrické izolaci, chemicky stabilních, netoxických a nekorozivních chladicích médiích. ; 2) Kapalinové chlazení sprejovým typem se týká chlazení dosaženého rozprašováním izolační kapaliny na topné součásti. Skutečnou analogií je, že imerzní kapalinové chlazení je podobné lázni, zatímco chlazení kapalinou sprejem je jako sprcha.

Při přímém kapalinovém chlazení, kdy je bod varu použité chladicí kapaliny dostatečně nízký, se kapalná pracovní tekutina vypařuje na povrchu topného článku nebo na expanzní ploše rozptylu tepla nad prvkem, což má za následek extrémně vysoký koeficient přenosu tepla konvekcí a schopnost odvádět velké množství tepla s extrémně nízkým teplotním rozdílem. V současnosti jde o komerčně nejdostupnější způsob přenosu tepla s nejvyšší účinností přenosu tepla. Bubliny uvnitř ponořeného kapalinového chladicího zobrazovacího stroje na obrázku výše jsou odpařená chladicí pracovní tekutina. Hustota plynného chladicího média je nízká a bubliny se shromažďují nahoře. Kondenzují zpět do kapaliny přes výměník tepla a poté se vracejí do dutiny, aby dokončily chladicí cyklus. Klíčovou technologií přímého kapalinového chlazení je utěsnění chladicího prostoru a kontrola úniku plyn-kapalina v systému. V přímém kapalinovém chladicím systému se změnou fáze, pokud není teplota správně řízena, může to způsobit rychlé změny tlaku v komoře zařízení a odpařování a úniku chladicí kapaliny. V extrémních případech může zařízení dokonce explodovat.

Nepřímé kapalinové chlazení: Teplo ze zdroje tepla se nejprve přenese na pevnou studenou desku, která je naplněna kapalinou cirkulující pracovní kapalinou. Kapalná pracovní tekutina předává teplo vyzařované elektronickými produkty do tepelného výměníku, kde je teplo odváděno do okolí. Při nepřímém kapalinovém chlazení se elektronické součástky nedotýkají přímo kapalného teplonosného média. V současné době budou elektronické produkty s vysokou integrací a vysokou hustotou výkonu využívat k odvodu tepla nepřímé kapalinové chlazení. Když se hustota výkonu produktu dále zvýší nebo se požadavky na řízení teploty zpřísní, jsou zapotřebí metody návrhu s vyšší účinností přenosu tepla odvádění tepla. Automobilové motory byly jedním z prvních produktů, které využívaly nepřímé kapalinové chlazení. V oblasti elektronických produktů se nepřímé kapalinové chlazení také široce používá v serverech, napájecích bateriových sadách, invertorech a dalších zařízeních.

Při nepřímém kapalinovém chlazení se elektronické součástky nedotýkají přímo kapalného teplonosného média. Jinými slovy, kapalným chladicím médiem je zde pouze teplonosné médium, jehož funkcí je přenášet teplo vydávané součástmi do prostoru, který je vhodný pro výměnu tepla s vnějším světem. Podle prvního termodynamického zákona se teplo ani nezvyšuje, ani nesnižuje. Poté, co je teplo přeneseno kapalinou do místa daleko od zdroje tepla, musí stále proudit přes výměník tepla, aby předalo teplo vnějšímu světu. To tvoří uzavřenou smyčku: teplo ze součástí se přenáší do kapalného chladicího média a teplota kapalného chladicího média se zvyšuje. Když vysokoteplotní kapalné chladicí médium protéká výměníkem tepla, vyměňuje si teplo s vnějším světem a teplota klesá, poté proudí zpět na stranu součásti, aby absorbovalo teplo. Celý systém nepřímého kapalinového chlazení zahrnuje nejen část pro přenos tepla, ale také odpovídající systém výměny tepla.

Je třeba poznamenat, že pokud se počítá na základě celkového prostoru obsazeného celou sadou tepelných konstrukčních součástí, rozdíl v kapacitě odvodu tepla mezi nepřímým kapalinovým chlazením a chlazením nuceným vzduchem není významný. To je také jeden z klíčových důvodů, proč mnoho produktů, které nejsou vhodné pro použití periferií nebo mají standardizovaný prostor, nepoužívá nepřímé kapalinové chlazení.