Сравнение между директно течно охлаждане и индиректно течно охлаждане

Първата стъпка в процеса на термично проектиране и разработка е да се потвърди кой метод на охлаждане продуктът трябва да използва, за да се запази съответното пространство за проектиране в ранния етап на продукта. Понастоящем методите за охлаждане на електронни продукти се разделят основно на четири категории: естествено разсейване на топлината, принудително въздушно охлаждане и течно охлаждане. Със своя ефективен охлаждащ капацитет и по-нисък коефициент на потребление на енергия, схемите за течно охлаждане все повече се използват в топлинния дизайн, които допълнително се разделят на директно охлаждане и непряко охлаждане.

Директно охлаждане: Компонентите са директно потопени в течност за разсейване на топлината. Известно още като потапящо течно охлаждане или потапящо течно охлаждане. В момента тази технология е във възход и някои центрове за данни вече са използвали този метод на охлаждане. Директното течно охлаждане има изключително висока ефективност на топлообмен, а консумацията на енергия за контрол на температурата е значително намалена в сравнение с въздушното охлаждане. Следователно стойността на PUE (ефективност при използване на енергия, PUE=обща консумация на енергия на оборудване/консумация на енергия на ИТ оборудване) на центрове за данни, използващи потопено течно охлаждане, може да бъде значително намалена и има доклади, че дори по-ниски стойности от 1,05 могат да бъдат постигнато [1].

От формата на контакт между течния работен флуид и компонентите, директното течно охлаждане може да се раздели на два типа: 1) Потапяне или течно охлаждане с потапяне се отнася до накисване на електронни продукти в течна електрическа изолация, химически стабилна, нетоксична и некорозивна охлаждаща среда ; 2) Спрей тип течно охлаждане се отнася до охлаждане, постигнато чрез пръскане на изолационна течност върху нагревателните компоненти. Аналогия от реалния живот е, че охлаждането с течност чрез потапяне е подобно на вана, докато охлаждането с течност със спрей е като душ.

При директно течно охлаждане, когато точката на кипене на използваната охлаждаща течност е достатъчно ниска, течната работна течност ще се изпари на повърхността на нагревателния елемент или на разсейващата топлина повърхност на разширението над елемента, което води до изключително висок конвективен коефициент на топлопреминаване и способност да отвежда голямо количество топлина с изключително ниска температурна разлика. В момента това е най-достъпният в търговската мрежа метод за топлопренос с най-висока ефективност на топлопренос. Мехурчетата вътре в потопената машина за течно охлаждане на дисплея на горната снимка са изпарената охлаждаща работна течност. Плътността на газообразната охлаждаща среда е ниска и мехурчетата се събират на върха. Те кондензират обратно в течността чрез топлообменник и след това се връщат в кухината, за да завършат цикъла на охлаждане. Ключовата технология на директното течно охлаждане е уплътняването на охлаждащото пространство и контрола на изтичането на газ-течност в системата. В система за директно течно охлаждане с промяна на фазата, ако температурата не се контролира правилно, това може да доведе до бързи промени в налягането на камерата на оборудването и охлаждащата течност да се изпари и да излезе. В екстремни случаи устройството може дори да експлодира.

Индиректно течно охлаждане: Топлината от източника на топлина първо се прехвърля към твърдата студена плоча, която е пълна с течен циркулиращ работен флуид. Течната работна течност пренася топлината, излъчвана от електронните продукти, към топлообменника, където топлината се разсейва в околната среда. При непряко течно охлаждане електронните компоненти не контактуват директно с течната среда за пренос на топлина. Понастоящем електронните продукти с висока интеграция и висока плътност на мощността ще използват индиректно течно охлаждане за разсейване на топлината. Когато плътността на мощността на продукта допълнително се увеличи или изискванията за контрол на температурата станат по-строги, са необходими методи за проектиране на по-висока ефективност на топлопренос и разсейване на топлината. Автомобилните двигатели са едни от най-ранните продукти, които използват индиректно течно охлаждане. В областта на електронните продукти индиректното течно охлаждане също е широко използвано в сървъри, захранващи батерии, инвертори и друго оборудване.

При непряко течно охлаждане електронните компоненти не контактуват директно с течната среда за пренос на топлина. С други думи, течната охлаждаща среда тук е просто топлоносител, чиято функция е да пренася топлината, излъчвана от компонентите, в пространство, което е удобно за топлообмен с външния свят. Съгласно първия закон на термодинамиката, топлината нито се увеличава, нито намалява. След като топлината се пренесе от течността на място, далеч от източника на топлина, тя все още трябва да тече през топлообменника, за да пренесе топлина към външния свят. Това образува затворен цикъл: топлината от компонентите се прехвърля към течната охлаждаща среда и температурата на течната охлаждаща среда се повишава. Когато високотемпературната течна охлаждаща среда протича през топлообменника, тя обменя топлина с външния свят и температурата намалява, след което се връща обратно към страната на компонента, за да абсорбира топлината. Цялата система за индиректно течно охлаждане включва не само топлопреносната част, но също и съответстващата система за топлообмен.

Трябва да се отбележи, че ако се изчисли въз основа на общото пространство, заето от целия набор от компоненти на топлинния дизайн, разликата в капацитета на разсейване на топлината между непрякото течно охлаждане и принудителното въздушно охлаждане не е значителна. Това е и една от основните причини, поради която много продукти, които не са удобни за прилагане на периферни устройства или имат стандартизирано пространство, не използват индиректно течно охлаждане.