مقایسه خنک کننده مایع مستقیم و خنک کننده مایع غیر مستقیم

اولین گام در فرآیند طراحی و توسعه حرارتی، تأیید این است که محصول باید از کدام روش خنک کننده استفاده کند تا فضای طراحی مربوطه را در مراحل اولیه محصول رزرو کند. در حال حاضر، روش های خنک کننده محصولات الکترونیکی عمدتاً به چهار دسته تقسیم می شوند: اتلاف حرارت طبیعی، خنک کننده هوای اجباری و خنک کننده مایع. با ظرفیت خنک کنندگی کارآمد و نسبت مصرف انرژی کمتر، طرح های خنک کننده مایع به طور فزاینده ای در طراحی حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند که بیشتر به خنک کننده مستقیم و خنک کننده غیر مستقیم تقسیم می شوند.

خنک کننده مستقیم: اجزاء به طور مستقیم در یک مایع برای اتلاف گرما غوطه ور می شوند. همچنین به عنوان خنک کننده مایع غوطه وری یا خنک کننده مایع غوطه وری شناخته می شود. در حال حاضر این فناوری در حال افزایش است و برخی از مراکز داده قبلا از این روش خنک کننده استفاده کرده اند. خنک کننده مستقیم مایع دارای راندمان انتقال حرارت بسیار بالایی است و مصرف انرژی برای کنترل دما در مقایسه با خنک کننده هوا به طور قابل توجهی کاهش می یابد. بنابراین، مقدار PUE (بازده مصرف انرژی، PUE{0}}مصرف انرژی کل تجهیزات/مصرف انرژی تجهیزات فناوری اطلاعات) مراکز داده با استفاده از خنک‌کننده مایع غوطه‌ور می‌تواند تا حد زیادی کاهش یابد، و گزارش‌هایی وجود دارد که حتی مقادیر کمتر از 1.05 را می‌توان کاهش داد. به دست آورد [1].

از شکل تماس بین سیال کار مایع و اجزا، خنک کننده مستقیم مایع را می توان به دو نوع تقسیم کرد: 1) خنک کننده مایع غوطه وری یا غوطه وری به خیساندن محصولات الکترونیکی در عایق الکتریکی مایع، از نظر شیمیایی پایدار، غیر سمی و محیط خنک کننده غیر خورنده اشاره دارد. ; 2) خنک کننده مایع نوع اسپری به خنک کاری اشاره دارد که با پاشیدن مایع عایق بر روی اجزای گرمایش حاصل می شود. یک قیاس واقعی این است که خنک کننده مایع غوطه وری شبیه به حمام است، در حالی که خنک کننده مایع اسپری مانند دوش است.

در خنک سازی مستقیم مایع، زمانی که نقطه جوش مایع خنک کننده مورد استفاده به اندازه کافی پایین باشد، سیال عامل مایع روی سطح المنت گرمایشی یا سطح انبساط اتلاف حرارت در بالای المنت تبخیر می شود و در نتیجه ضریب انتقال حرارت همرفتی بسیار بالا و توانایی انتقال مقدار زیادی گرما با اختلاف دمای بسیار کم. در حال حاضر این روش تجاری ترین روش انتقال حرارت با بالاترین راندمان انتقال حرارت است. حباب های داخل دستگاه نمایشگر خنک کننده مایع غوطه ور در تصویر بالا سیال خنک کننده تبخیر شده است. چگالی محیط خنک کننده گازی کم است و حباب ها در بالا جمع می شوند. آنها از طریق یک مبدل حرارتی دوباره به مایع متراکم می شوند و سپس برای تکمیل چرخه خنک کننده به حفره باز می گردند. فناوری کلیدی خنک کننده مستقیم مایع، آب بندی فضای خنک کننده و کنترل نشت گاز-مایع در سیستم است. در سیستم خنک کننده مستقیم مایع با تغییر فاز، اگر دما به درستی کنترل نشود، می تواند باعث تغییرات سریع در فشار محفظه تجهیزات و تبخیر و خروج مایع خنک کننده شود. در موارد شدید، دستگاه حتی ممکن است منفجر شود.

خنک کننده مایع غیرمستقیم: گرمای منبع گرما ابتدا به صفحه سرد جامد منتقل می شود که با سیال کاری در گردش مایع پر شده است. سیال عامل مایع، گرمای ساطع شده از محصولات الکترونیکی را به مبدل حرارتی منتقل می کند، جایی که گرما در محیط پخش می شود. در خنک کننده مایع غیرمستقیم، اجزای الکترونیکی مستقیماً با محیط انتقال حرارت مایع تماس ندارند. در حال حاضر محصولات الکترونیکی با یکپارچگی بالا و چگالی توان بالا از خنک کننده مایع غیرمستقیم برای اتلاف گرما استفاده می کنند. هنگامی که چگالی توان محصول بیشتر افزایش می‌یابد یا الزامات کنترل دما سخت‌تر می‌شود، روش‌های طراحی اتلاف حرارت با راندمان انتقال حرارت بالاتر مورد نیاز است. موتورهای خودرو یکی از اولین محصولاتی بودند که از خنک کننده مایع غیر مستقیم استفاده می کردند. در زمینه محصولات الکترونیکی نیز از خنک کننده مایع غیرمستقیم در سرورها، بسته های باتری برق، اینورترها و سایر تجهیزات استفاده زیادی شده است.

در خنک کننده مایع غیرمستقیم، اجزای الکترونیکی مستقیماً با محیط انتقال حرارت مایع تماس ندارند. به عبارت دیگر، محیط خنک کننده مایع در اینجا فقط یک محیط انتقال حرارت است که وظیفه آن انتقال گرمای ساطع شده توسط اجزا به فضایی است که برای تبادل حرارت با دنیای خارج مناسب است. طبق قانون اول ترمودینامیک، گرما نه افزایش می‌یابد و نه کاهش می‌یابد. پس از اینکه گرما توسط مایع به مکانی دور از منبع گرما منتقل شد، همچنان باید از طریق مبدل حرارتی جریان یابد تا گرما را به دنیای خارج منتقل کند. این یک حلقه بسته تشکیل می دهد: گرمای اجزاء به محیط خنک کننده مایع منتقل می شود و دمای محیط خنک کننده مایع افزایش می یابد. هنگامی که محیط خنک کننده مایع با دمای بالا از طریق مبدل حرارتی جریان می یابد، گرما را با جهان خارج مبادله می کند و دما کاهش می یابد، سپس برای جذب گرما به سمت جزء جریان می یابد. کل سیستم خنک کننده مایع غیرمستقیم نه تنها بخش انتقال حرارت، بلکه سیستم تبادل حرارتی منطبق را نیز شامل می شود.

لازم به ذکر است که اگر بر اساس فضای کل اشغال شده توسط کل مجموعه اجزای طراحی حرارتی محاسبه شود، تفاوت ظرفیت اتلاف گرما بین خنک کننده غیر مستقیم مایع و خنک کننده هوای اجباری قابل توجه نیست. این نیز یکی از دلایل کلیدی است که چرا بسیاری از محصولاتی که برای استفاده از لوازم جانبی مناسب نیستند یا فضای استانداردی دارند از خنک کننده مایع غیرمستقیم استفاده نمی کنند.