Razlika između izravnog hlađenja tekućinom i neizravnog hlađenja tekućinom

Prvi korak u procesu toplinskog dizajna i razvoja je potvrditi koju metodu hlađenja proizvod treba koristiti, kako bi se rezervirao odgovarajući prostor za dizajn u ranoj fazi proizvoda. Trenutno se metode hlađenja za elektroničke proizvode uglavnom dijele u četiri kategorije: prirodno odvođenje topline, prisilno hlađenje zrakom i hlađenje tekućinom. Sa svojim učinkovitim kapacitetom hlađenja i nižim omjerom potrošnje energije, sheme hlađenja tekućinom sve se više koriste u toplinskom projektiranju, koje se dalje dijele na izravno hlađenje i neizravno hlađenje.

Izravno hlađenje: komponente su izravno uronjene u tekućinu radi odvođenja topline. Također poznato kao imerzijsko hlađenje tekućinom ili imerzijsko hlađenje tekućinom. Trenutno je ova tehnologija u porastu, a neki podatkovni centri već koriste ovu metodu hlađenja. Izravno hlađenje tekućinom ima izuzetno visoku učinkovitost prijenosa topline, a potrošnja energije za kontrolu temperature značajno je smanjena u usporedbi s hlađenjem zrakom. Stoga se PUE vrijednost (Power Usage Efficiency, PUE=ukupna potrošnja energije opreme/potrošnja energije IT opreme) podatkovnih centara koji koriste hlađenje tekućinom u vodi može znatno smanjiti, a postoje izvješća da čak niže vrijednosti od 1,05 mogu biti postignut .

Iz oblika kontakta između tekuće radne tekućine i komponenti, izravno hlađenje tekućinom može se podijeliti u dvije vrste: 1) Uranjanje ili hlađenje tekućinom uranjanjem odnosi se na natapanje elektroničkih proizvoda u tekuću električnu izolaciju, kemijski stabilan, netoksičan i nekorozivni rashladni medij ; 2) Tekućinsko hlađenje raspršivanjem odnosi se na hlađenje koje se postiže prskanjem izolacijske tekućine na grijaće komponente. Analogija iz stvarnog života je da je hlađenje tekućinom uranjanjem slično kadi, dok je hlađenje tekućinom u spreju poput tuša.

U izravnom hlađenju tekućinom, kada je vrelište upotrijebljene rashladne tekućine dovoljno nisko, tekuća radna tekućina će ispariti na površini grijaćeg elementa ili ekspanzionoj površini rasipanja topline iznad elementa, što će rezultirati izuzetno visokim konvektivnim koeficijentom prijenosa topline i sposobnost odvođenja velike količine topline uz izrazito nisku temperaturnu razliku. To je trenutno najkomercijalnija metoda prijenosa topline s najvećom učinkovitošću prijenosa topline. Mjehurići unutar uronjenog uređaja za displej s tekućim hlađenjem na gornjoj slici ispareni su radni fluid za hlađenje. Gustoća plinovitog rashladnog medija je niska, a mjehurići se skupljaju na vrhu. Kondenziraju se natrag u tekućinu kroz izmjenjivač topline, a zatim se vraćaju u šupljinu kako bi završili ciklus hlađenja. Ključna tehnologija izravnog hlađenja tekućinom je brtvljenje rashladnog prostora i kontrola istjecanja plin-tekućina u sustavu. U sustavu izravnog tekućeg hlađenja s faznom promjenom, ako temperatura nije pravilno kontrolirana, to može uzrokovati brze promjene tlaka u komori opreme i rashladnog sredstva da ispari i iscuri. U ekstremnim slučajevima uređaj može čak i eksplodirati.

Neizravno hlađenje tekućinom: Toplina iz izvora topline prvo se prenosi na čvrstu hladnu ploču koja je ispunjena tekućom radnom tekućinom. Tekuća radna tekućina prenosi toplinu koju emitiraju elektronički proizvodi na izmjenjivač topline, gdje se toplina rasipa u okolinu. Kod neizravnog hlađenja tekućinom elektroničke komponente ne dolaze u izravni kontakt s tekućim medijem za prijenos topline. Trenutačno će elektronički proizvodi s visokom integracijom i velikom gustoćom snage koristiti neizravno hlađenje tekućinom za odvođenje topline. Kada se gustoća snage proizvoda dodatno poveća ili zahtjevi za kontrolom temperature postanu stroži, potrebne su metode projektiranja veće učinkovitosti prijenosa topline i disipacije topline. Automobilski motori bili su jedan od najranijih proizvoda koji su koristili neizravno hlađenje tekućinom. U području elektroničkih proizvoda, neizravno hlađenje tekućinom također se široko koristi u poslužiteljima, baterijskim paketima, pretvaračima i drugoj opremi.

Kod neizravnog hlađenja tekućinom elektroničke komponente ne dolaze u izravni kontakt s tekućim medijem za prijenos topline. Drugim riječima, tekući rashladni medij ovdje je samo medij za prijenos topline, čija je funkcija prijenos topline koju emitiraju komponente u prostor koji je pogodan za izmjenu topline s vanjskim svijetom. Prema prvom zakonu termodinamike, toplina se ne povećava niti smanjuje. Nakon što tekućina prenese toplinu na mjesto koje je daleko od izvora topline, ona i dalje mora teći kroz izmjenjivač topline kako bi prenijela toplinu u vanjski svijet. Ovo čini zatvorenu petlju: toplina iz komponenti prenosi se na tekući rashladni medij, a temperatura tekućeg rashladnog medija raste. Kada visokotemperaturni tekući rashladni medij teče kroz izmjenjivač topline, on izmjenjuje toplinu s vanjskim svijetom i temperatura se smanjuje, zatim teče natrag na stranu komponente kako bi apsorbirao toplinu. Cijeli sustav neizravnog tekućeg hlađenja uključuje ne samo dio za prijenos topline, već i odgovarajući sustav za izmjenu topline.

Treba napomenuti da ako se izračunava na temelju ukupnog prostora koji zauzima cijeli skup komponenti toplinskog dizajna, razlika u kapacitetu rasipanja topline između neizravnog hlađenja tekućinom i prisilnog hlađenja zrakom nije značajna. Ovo je također jedan od ključnih razloga zašto mnogi proizvodi koji nisu pogodni za primjenu perifernih uređaja ili nemaju standardizirani prostor ne koriste neizravno hlađenje tekućinom.