Razlika med neposrednim hlajenjem s tekočino in posrednim hlajenjem s tekočino

Prvi korak v procesu toplotnega načrtovanja in razvoja je potrditev, katero metodo hlajenja mora izdelek uporabiti, da se rezervira ustrezen prostor za načrtovanje v zgodnji fazi izdelka. Trenutno so metode hlajenja za elektronske izdelke v glavnem razdeljene v štiri kategorije: naravno odvajanje toplote, prisilno zračno hlajenje in tekočinsko hlajenje. Zaradi učinkovite hladilne zmogljivosti in nižjega razmerja porabe energije se v toplotnem načrtovanju vedno pogosteje uporabljajo sheme hlajenja s tekočino, ki se nadalje delijo na neposredno hlajenje in posredno hlajenje.

Neposredno hlajenje: komponente so neposredno potopljene v tekočino za odvajanje toplote. Znano tudi kot potopno tekočinsko hlajenje ali potopno tekočinsko hlajenje. Trenutno je ta tehnologija v porastu in nekateri podatkovni centri že uporabljajo ta način hlajenja. Neposredno tekočinsko hlajenje ima izredno visoko učinkovitost prenosa toplote, poraba energije za nadzor temperature pa je bistveno manjša v primerjavi z zračnim hlajenjem. Zato se lahko vrednost PUE (Power Usage Efficiency, PUE=Total Equipment Energy Consumption/Total Equipment Energy Consumption/IT Equipment Energy Consumption) podatkovnih centrov, ki uporabljajo potopljeno tekočinsko hlajenje, zelo zmanjša, in obstajajo poročila, da so lahko tudi nižje vrednosti od 1,05 dosežen .

Glede na kontaktno obliko med tekočo delovno tekočino in komponentami lahko neposredno tekočinsko hlajenje razdelimo na dve vrsti: 1) Potopno ali potopno tekočinsko hlajenje se nanaša na namakanje elektronskih izdelkov v tekoči električni izolaciji, kemično stabilni, nestrupeni in nejedki hladilni mediji ; 2) Tekočinsko hlajenje s pršenjem se nanaša na hlajenje, ki ga dosežemo z brizganjem izolacijske tekočine na grelne komponente. Analogija iz resničnega življenja je, da je potopno tekočinsko hlajenje podobno kopeli, medtem ko je tekočinsko hlajenje s pršenjem podobno prhi.

Pri neposrednem hlajenju s tekočino, ko je vrelišče uporabljenega hladilnega sredstva dovolj nizko, bo tekoča delovna tekočina uparila na površini grelnega elementa ali raztezni površini za odvajanje toplote nad elementom, kar ima za posledico izjemno visok konvekcijski koeficient prenosa toplote in sposobnost odvajanja velike količine toplote z izjemno nizko temperaturno razliko. Trenutno je najbolj komercialno dostopen način prenosa toplote z najvišjo učinkovitostjo prenosa toplote. Mehurčki znotraj potopljenega prikazovalnika s tekočinskim hlajenjem na zgornji sliki so uparjena hladilna delovna tekočina. Gostota plinastega hladilnega medija je nizka, na vrhu pa se zbirajo mehurčki. Skozi toplotni izmenjevalnik kondenzirajo nazaj v tekočino in se nato vrnejo v votlino, da zaključijo hladilni cikel. Ključna tehnologija neposrednega tekočinskega hlajenja je tesnjenje hladilnega prostora in nadzor uhajanja plin-tekočina v sistemu. V sistemu neposrednega tekočinskega hlajenja s fazno spremembo, če temperatura ni ustrezno nadzorovana, lahko povzroči hitre spremembe tlaka v komori opreme in hladilno sredstvo, da izhlapi in uide. V skrajnih primerih lahko naprava celo eksplodira.

Posredno tekočinsko hlajenje: Toplota iz vira toplote se najprej prenese na trdno hladno ploščo, ki je napolnjena s tekočo krožno delovno tekočino. Tekoča delovna tekočina prenaša toploto, ki jo oddajajo elektronski izdelki, v toplotni izmenjevalnik, kjer se toplota odvaja v okolje. Pri posrednem hlajenju s tekočino elektronske komponente nimajo neposrednega stika s tekočim medijem za prenos toplote. Trenutno bodo elektronski izdelki z visoko integracijo in visoko gostoto moči uporabljali posredno tekočinsko hlajenje za odvajanje toplote. Ko se gostota moči izdelka dodatno poveča ali zahteve za nadzor temperature postanejo strožje, so potrebne metode za načrtovanje odvajanja toplote z večjo učinkovitostjo prenosa toplote. Avtomobilski motorji so bili eden prvih izdelkov, ki so uporabljali posredno tekočinsko hlajenje. Na področju elektronskih izdelkov se posredno tekočinsko hlajenje pogosto uporablja tudi v strežnikih, napajalnih baterijskih paketih, pretvornikih in drugi opremi.

Pri posrednem hlajenju s tekočino elektronske komponente nimajo neposrednega stika s tekočim medijem za prenos toplote. Z drugimi besedami, tekoči hladilni medij je tukaj le medij za prenos toplote, katerega funkcija je prenos toplote, ki jo oddajajo komponente, v prostor, ki je primeren za izmenjavo toplote z zunanjim svetom. V skladu s prvim zakonom termodinamike se toplota niti ne povečuje niti ne zmanjšuje. Ko tekočina prenese toploto na lokacijo, ki je daleč od vira toplote, mora še vedno teči skozi toplotni izmenjevalnik, da prenese toploto v zunanji svet. To tvori zaprto zanko: toplota iz komponent se prenese na tekoči hladilni medij, temperatura tekočega hladilnega medija pa se poveča. Ko visokotemperaturni tekoči hladilni medij teče skozi izmenjevalnik toplote, izmenjuje toploto z zunanjim svetom in temperatura se zniža, nato pa teče nazaj na stran komponente, da absorbira toploto. Celoten posredni sistem za hlajenje s tekočino ne vključuje samo dela za prenos toplote, temveč tudi ustrezni sistem za izmenjavo toplote.

Upoštevati je treba, da razlika v zmogljivosti odvajanja toplote med posrednim tekočinskim hlajenjem in prisilnim zračnim hlajenjem ni bistvena, če se izračuna na podlagi skupnega prostora, ki ga zaseda celoten niz komponent toplotne zasnove. To je tudi eden od ključnih razlogov, zakaj mnogi izdelki, ki niso primerni za uporabo zunanjih naprav ali imajo standardiziran prostor, ne uporabljajo posrednega tekočinskega hlajenja.