Der Unterschied zwischen direkter Flüssigkeitskühlung und indirekter Flüssigkeitskühlung

Der erste Schritt im thermischen Design- und Entwicklungsprozess besteht darin, zu bestätigen, welche Kühlmethode das Produkt verwenden muss, um in der frühen Phase des Produkts entsprechenden Designraum zu reservieren. Derzeit werden die Kühlmethoden für elektronische Produkte hauptsächlich in vier Kategorien unterteilt: natürliche Wärmeableitung, erzwungene Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung. Aufgrund ihrer effizienten Kühlleistung und des geringeren Energieverbrauchs werden in der thermischen Auslegung zunehmend Flüssigkeitskühlungssysteme eingesetzt, die weiter in direkte Kühlung und indirekte Kühlung unterteilt werden.

Direkte Kühlung: Die Komponenten werden zur Wärmeableitung direkt in eine Flüssigkeit eingetaucht. Wird auch als Immersionsflüssigkeitskühlung oder Immersionsflüssigkeitskühlung bezeichnet. Derzeit ist diese Technologie auf dem Vormarsch und einige Rechenzentren nutzen diese Kühlmethode bereits. Die direkte Flüssigkeitskühlung weist eine extrem hohe Wärmeübertragungseffizienz auf und der Energieverbrauch für die Temperaturregelung ist im Vergleich zur Luftkühlung deutlich reduziert. Daher kann der PUE-Wert (Power Usage Efficiency, PUE=Total Equipment Energy Consumption/IT Equipment Energy Consumption) von Rechenzentren mit Tauchflüssigkeitskühlung stark reduziert werden, und es gibt Berichte, dass sogar Werte unter 1,05 liegen können erreicht.

Aufgrund der Kontaktform zwischen flüssigem Arbeitsmedium und Komponenten kann die direkte Flüssigkeitskühlung in zwei Arten unterteilt werden: 1) Unter Eintauchen oder Immersionsflüssigkeitskühlung versteht man das Eintauchen elektronischer Produkte in flüssige, elektrisch isolierende, chemisch stabile, ungiftige und nicht korrosive Kühlmedien ; 2) Flüssigkeitskühlung vom Sprühtyp bezieht sich auf die Kühlung, die durch Aufsprühen von Isolierflüssigkeit auf die Heizkomponenten erreicht wird. Eine Analogie aus dem wirklichen Leben besteht darin, dass die Flüssigkeitskühlung durch Eintauchen einem Bad ähnelt, während die Flüssigkeitskühlung durch Sprühen einer Dusche ähnelt.

Wenn bei der direkten Flüssigkeitskühlung der Siedepunkt des verwendeten Kühlmittels ausreichend niedrig ist, verdampft das flüssige Arbeitsmedium auf der Oberfläche des Heizelements oder der Wärmeableitungsausdehnungsfläche über dem Element, was zu einem extrem hohen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten führt Fähigkeit, eine große Wärmemenge bei extrem geringem Temperaturunterschied abzutransportieren. Es ist derzeit die kommerziell verfügbare Wärmeübertragungsmethode mit der höchsten Wärmeübertragungseffizienz. Die Blasen im Inneren der Anzeigemaschine mit eingetauchter Flüssigkeitskühlung im obigen Bild sind das verdampfte Kühlarbeitsmedium. Die Dichte des gasförmigen Kühlmediums ist gering und an der Oberseite bilden sich Blasen. Durch einen Wärmetauscher kondensieren sie wieder in der Flüssigkeit und kehren dann in den Hohlraum zurück, um den Kühlzyklus abzuschließen. Die Schlüsseltechnologie der direkten Flüssigkeitskühlung ist die Abdichtung des Kühlraums und die Kontrolle von Gas-Flüssigkeits-Leckagen im System. Wenn in einem direkten Flüssigkeitskühlsystem mit Phasenwechsel die Temperatur nicht richtig kontrolliert wird, kann es zu schnellen Druckänderungen in der Gerätekammer kommen und das Kühlmittel verdampfen und entweichen. Im Extremfall kann das Gerät sogar explodieren.

Indirekte Flüssigkeitskühlung: Die Wärme von der Wärmequelle wird zunächst auf die feste Kühlplatte übertragen, die mit flüssigem zirkulierenden Arbeitsmedium gefüllt ist. Das flüssige Arbeitsmedium überträgt die von elektronischen Produkten abgegebene Wärme an den Wärmetauscher, wo die Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Bei der indirekten Flüssigkeitskühlung kommen elektronische Komponenten nicht direkt mit dem flüssigen Wärmeträger in Kontakt. Derzeit nutzen elektronische Produkte mit hoher Integration und hoher Leistungsdichte eine indirekte Flüssigkeitskühlung zur Wärmeableitung. Wenn die Leistungsdichte des Produkts weiter zunimmt oder die Anforderungen an die Temperaturregelung strenger werden, sind Entwurfsmethoden für die Wärmeableitung mit höherer Effizienz der Wärmeübertragung erforderlich. Automobilmotoren gehörten zu den ersten Produkten, die indirekte Flüssigkeitskühlung verwendeten. Im Bereich elektronischer Produkte wird die indirekte Flüssigkeitskühlung auch häufig in Servern, Akkupacks, Wechselrichtern und anderen Geräten eingesetzt.

Bei der indirekten Flüssigkeitskühlung kommen elektronische Komponenten nicht direkt mit dem flüssigen Wärmeträger in Kontakt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem flüssigen Kühlmedium hier lediglich um ein Wärmeübertragungsmedium, dessen Funktion darin besteht, die von den Komponenten abgegebene Wärme an einen Raum zu übertragen, der für den Wärmeaustausch mit der Außenwelt geeignet ist. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt die Wärme weder zu noch ab. Nachdem die Flüssigkeit Wärme an einen weit von der Wärmequelle entfernten Ort übertragen hat, muss sie noch durch den Wärmetauscher fließen, um Wärme an die Außenwelt zu übertragen. Dadurch entsteht ein geschlossener Kreislauf: Die Wärme der Komponenten wird auf das flüssige Kühlmedium übertragen und die Temperatur des flüssigen Kühlmediums steigt. Wenn das flüssige Kühlmedium mit hoher Temperatur durch den Wärmetauscher strömt, tauscht es Wärme mit der Außenwelt aus, wobei die Temperatur sinkt und dann zur Komponentenseite zurückfließt, um Wärme aufzunehmen. Das gesamte indirekte Flüssigkeitskühlsystem umfasst nicht nur den Wärmeübertragungsteil, sondern auch das passende Wärmeaustauschsystem.

Es ist zu beachten, dass der Unterschied in der Wärmeableitungskapazität zwischen indirekter Flüssigkeitskühlung und forcierter Luftkühlung bei einer Berechnung auf der Grundlage des Gesamtraums, der von allen thermischen Designkomponenten eingenommen wird, nicht signifikant ist. Dies ist auch einer der Hauptgründe, warum viele Produkte, die sich nicht für den Einsatz von Peripheriegeräten eignen oder über standardisierten Platz verfügen, keine indirekte Flüssigkeitskühlung verwenden.