Porównanie bezpośredniego chłodzenia cieczą i pośredniego chłodzenia cieczą

Pierwszym krokiem w procesie projektowania i rozwoju rozwiązań termicznych jest potwierdzenie, jaką metodę chłodzenia ma zastosować produkt, aby zarezerwować odpowiednią przestrzeń projektową na wczesnym etapie tworzenia produktu. Obecnie metody chłodzenia produktów elektronicznych dzielą się głównie na cztery kategorie: naturalne odprowadzanie ciepła, wymuszone chłodzenie powietrzem i chłodzenie cieczą. Dzięki wydajnej wydajności chłodniczej i niższemu wskaźnikowi zużycia energii, w projektowaniu systemów termicznych coraz częściej stosuje się systemy chłodzenia cieczą, które dzielą się dalej na chłodzenie bezpośrednie i chłodzenie pośrednie.

Chłodzenie bezpośrednie: Komponenty są bezpośrednio zanurzane w cieczy w celu odprowadzenia ciepła. Znane również jako chłodzenie cieczą zanurzeniową lub chłodzenie cieczą zanurzeniową. Obecnie technologia ta zyskuje na popularności, a niektóre centra danych już zastosowały tę metodę chłodzenia. Bezpośrednie chłodzenie cieczą charakteryzuje się wyjątkowo wysoką wydajnością wymiany ciepła, a zużycie energii na kontrolę temperatury jest znacznie zmniejszone w porównaniu z chłodzeniem powietrzem. Dlatego wartość PUE (efektywność zużycia energii, PUE=całkowite zużycie energii przez sprzęt/zużycie energii przez sprzęt IT) w centrach danych korzystających z zanurzonego chłodzenia cieczą może zostać znacznie zmniejszona, a istnieją raporty, że mogą być osiągane nawet wartości niższe niż 1,05 osiągnięty [1].

Ze względu na formę kontaktu ciekłego płynu roboczego z komponentami, bezpośrednie chłodzenie cieczą można podzielić na dwa typy: 1) Zanurzeniowe lub zanurzeniowe chłodzenie cieczą odnosi się do zanurzania produktów elektronicznych w płynnej izolacji elektrycznej, chemicznie stabilnym, nietoksycznym i niekorozyjnym środku chłodzącym ; 2) Chłodzenie cieczą natryskową oznacza chłodzenie osiągane poprzez natryskiwanie cieczy izolacyjnej na elementy grzejne. Prawdziwą analogią jest to, że chłodzenie cieczą zanurzeniową przypomina kąpiel, podczas gdy chłodzenie cieczą natryskową przypomina prysznic.

W bezpośrednim chłodzeniu cieczą, gdy temperatura wrzenia stosowanego chłodziwa jest wystarczająco niska, ciekły płyn roboczy odparuje na powierzchni elementu grzejnego lub powierzchni rozszerzającej rozpraszanie ciepła nad elementem, co skutkuje wyjątkowo wysokim współczynnikiem konwekcyjnego przenikania ciepła i zdolność do odprowadzania dużej ilości ciepła przy wyjątkowo małej różnicy temperatur. Jest to obecnie najbardziej dostępna na rynku metoda wymiany ciepła o najwyższej efektywności wymiany ciepła. Pęcherzyki wewnątrz zanurzonej maszyny chłodzącej na powyższym zdjęciu to odparowany chłodzący płyn roboczy. Gęstość gazowego czynnika chłodzącego jest niska, a na górze gromadzą się pęcherzyki. Skraplają się z powrotem do cieczy poprzez wymiennik ciepła, a następnie wracają do wnęki, aby zakończyć cykl chłodzenia. Kluczową technologią bezpośredniego chłodzenia cieczą jest uszczelnienie przestrzeni chłodzącej i kontrola wycieków gaz-ciecz w układzie. W układzie bezpośredniego chłodzenia cieczą ze zmianą fazy, jeśli temperatura nie jest odpowiednio kontrolowana, może to spowodować gwałtowne zmiany ciśnienia w komorze urządzenia, a także odparowanie i ucieczkę chłodziwa. W skrajnych przypadkach urządzenie może nawet eksplodować.

Pośrednie chłodzenie cieczą: Ciepło ze źródła ciepła jest najpierw przekazywane do stałej płyty chłodzącej, która jest wypełniona krążącym płynem roboczym. Płynny płyn roboczy przenosi ciepło emitowane przez produkty elektroniczne do wymiennika ciepła, gdzie ciepło jest oddawane do otoczenia. W pośrednim chłodzeniu cieczą elementy elektroniczne nie stykają się bezpośrednio z ciekłym nośnikiem ciepła. Obecnie produkty elektroniczne o wysokiej integracji i dużej gęstości mocy będą wykorzystywać pośrednie chłodzenie cieczą do rozpraszania ciepła. Gdy gęstość mocy produktu dalej wzrasta lub wymagania dotyczące kontroli temperatury stają się bardziej rygorystyczne, potrzebne są metody projektowania rozpraszania ciepła o wyższej wydajności przenoszenia ciepła. Silniki samochodowe były jednymi z pierwszych produktów, w których zastosowano pośrednie chłodzenie cieczą. W dziedzinie produktów elektronicznych pośrednie chłodzenie cieczą jest również szeroko stosowane w serwerach, zestawach akumulatorów, falownikach i innym sprzęcie.

W pośrednim chłodzeniu cieczą elementy elektroniczne nie stykają się bezpośrednio z ciekłym nośnikiem ciepła. Innymi słowy, ciekły czynnik chłodzący jest tu po prostu nośnikiem ciepła, którego funkcją jest przenoszenie ciepła emitowanego przez komponenty do przestrzeni dogodnej do wymiany ciepła ze światem zewnętrznym. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki ciepło nie wzrasta ani nie maleje. Po oddaniu ciepła przez ciecz do miejsca oddalonego od źródła ciepła, nadal musi ono przepłynąć przez wymiennik ciepła, aby przekazać ciepło światu zewnętrznemu. Tworzy to zamkniętą pętlę: ciepło z komponentów jest przenoszone do ciekłego środka chłodzącego, a temperatura ciekłego środka chłodzącego wzrasta. Kiedy wysokotemperaturowy ciekły czynnik chłodzący przepływa przez wymiennik ciepła, wymienia ciepło ze światem zewnętrznym, a temperatura spada, a następnie przepływa z powrotem na stronę elementu, aby pochłonąć ciepło. Cały system pośredniego chłodzenia cieczą obejmuje nie tylko część przenoszącą ciepło, ale także pasujący do niej system wymiany ciepła.

Należy zauważyć, że jeśli obliczono ją na podstawie całkowitej przestrzeni zajmowanej przez cały zestaw elementów konstrukcji termicznej, różnica w zdolności rozpraszania ciepła pomiędzy pośrednim chłodzeniem cieczą a wymuszonym chłodzeniem powietrzem nie jest znacząca. Jest to również jeden z kluczowych powodów, dla których wiele produktów, w których nie ma wygodnego zastosowania urządzeń peryferyjnych lub mają ustandaryzowaną przestrzeń, nie wykorzystuje pośredniego chłodzenia cieczą.