Suoran nestejäähdytyksen ja epäsuoran nestejäähdytyksen ero
Lämpösuunnittelun ja -kehityksen ensimmäinen vaihe on varmistaa, mitä jäähdytysmenetelmää tuote tarvitsee, jotta vastaava suunnittelutila voidaan varata tuotteen alkuvaiheessa. Tällä hetkellä elektroniikkatuotteiden jäähdytysmenetelmät on jaettu pääasiassa neljään kategoriaan: luonnollinen lämmönpoisto, pakotettu ilmajäähdytys ja nestejäähdytys. Tehokkaan jäähdytyskapasiteetin ja alhaisemman energiankulutuksen ansiosta lämpösuunnittelussa käytetään yhä enemmän nestejäähdytysjärjestelmiä, jotka jaetaan edelleen suorajäähdytykseen ja epäsuoraan jäähdytykseen.
Suora jäähdytys: Komponentit upotetaan suoraan nesteeseen lämmön haihduttamiseksi. Tunnetaan myös nimellä immersion nestejäähdytys tai upotusnestejäähdytys. Tällä hetkellä tämä tekniikka on nousussa, ja jotkut datakeskukset ovat jo käyttäneet tätä jäähdytysmenetelmää. Suoralla nestejäähdytyksellä on erittäin korkea lämmönsiirtohyötysuhde, ja lämpötilan säätelyn energiankulutus on huomattavasti pienempi kuin ilmajäähdytyksen. Siksi upotettua nestejäähdytystä käyttävien palvelinkeskusten PUE-arvoa (Power Usage Efficiency, PUE=Total Equipment Energy Consumption/IT Equipment Energy Consumption) voidaan vähentää huomattavasti, ja on raportoitu, että jopa 1,05:tä pienemmät arvot voidaan laskea saavutettu.
Nestemäisen käyttönesteen ja komponenttien välisestä kosketusmuodosta suora nestejäähdytys voidaan jakaa kahteen tyyppiin: 1) Upotus- tai upotusnestejäähdytys tarkoittaa elektronisten tuotteiden liottamista nestemäiseen sähköeristeeseen, kemiallisesti stabiiliin, myrkyttömään ja syövyttävään jäähdytysaineeseen. ; 2) Suihketyyppinen nestejäähdytys tarkoittaa jäähdytystä, joka saavutetaan suihkuttamalla eristenestettä lämmityskomponenttien päälle. Tosielämän analogia on, että upotusnestejäähdytys on samanlaista kuin kylpy, kun taas ruiskunestejäähdytys on kuin suihku.
Suorassa nestejäähdytyksessä, kun käytetyn jäähdytysnesteen kiehumispiste on riittävän alhainen, nestemäinen käyttöneste höyrystyy lämmityselementin pinnalle tai elementin yläpuolella olevalle lämpöhajoamispinnalle, mikä johtaa erittäin korkeaan konvektiiviseen lämmönsiirtokerrokseen ja kyky kuljettaa pois suuri määrä lämpöä erittäin pienellä lämpötilaerolla. Se on tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla oleva lämmönsiirtomenetelmä, jolla on korkein lämmönsiirtotehokkuus. Yllä olevassa kuvassa upotetun nestejäähdytysnäyttölaitteen sisällä olevat kuplat ovat höyrystynyttä jäähdytysnestettä. Kaasumaisen jäähdytysväliaineen tiheys on alhainen ja kuplia kerääntyy yläosaan. Ne tiivistyvät takaisin nesteeseen lämmönvaihtimen kautta ja palaavat sitten onteloon viimeistelemään jäähdytyssyklin. Suoran nestejäähdytyksen avainteknologia on jäähdytystilan tiivistäminen ja kaasu-nestevuodon hallinta järjestelmässä. Suorassa nestejäähdytysjärjestelmässä, jossa on vaihemuutos, jos lämpötilaa ei säädetä kunnolla, se voi aiheuttaa nopeita muutoksia laitekammion paineessa ja jäähdytysnesteen höyrystymistä ja karkaamista. Äärimmäisissä tapauksissa laite voi jopa räjähtää.
Epäsuora nestejäähdytys: Lämmönlähteestä tuleva lämpö siirretään ensin kiinteälle kylmälevylle, joka täytetään nestemäisellä kiertävällä työnesteellä. Nestemäinen käyttöneste siirtää elektroniikkatuotteiden lähettämän lämmön lämmönvaihtimeen, jossa lämpö johdetaan ympäristöön. Epäsuorassa nestejäähdytyksessä elektroniset komponentit eivät kosketa suoraan nestemäistä lämmönsiirtoainetta. Tällä hetkellä elektroniikkatuotteet, joissa on korkea integrointi ja korkea tehotiheys, käyttävät epäsuoraa nestejäähdytystä lämmönpoistoon. Kun tuotteen tehotiheys edelleen kasvaa tai lämpötilan säätövaatimukset tiukenevat, tarvitaan korkeamman lämmönsiirtotehokkuuden lämmönpoiston suunnittelumenetelmiä. Autojen moottorit olivat yksi ensimmäisistä tuotteista, jotka käyttivät epäsuoraa nestejäähdytystä. Elektroniikkatuotteiden alalla epäsuoraa nestejäähdytystä on käytetty laajalti myös palvelimissa, tehoakuissa, inverttereissä ja muissa laitteissa.
Epäsuorassa nestejäähdytyksessä elektroniset komponentit eivät kosketa suoraan nestemäistä lämmönsiirtoainetta. Toisin sanoen nestemäinen jäähdytysväliaine tässä on vain lämmönsiirtoväliaine, jonka tehtävänä on siirtää komponenttien lähettämä lämpö tilaan, joka on kätevä lämmönvaihdolle ulkomaailman kanssa. Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan lämpö ei nouse eikä pienene. Kun neste siirtää lämpöä paikkaan, joka on kaukana lämmönlähteestä, sen täytyy edelleen virrata lämmönvaihtimen läpi siirtääkseen lämpöä ulkomaailmaan. Tämä muodostaa suljetun silmukan: komponenttien lämpö siirtyy nestemäiseen jäähdytysväliaineeseen ja nestemäisen jäähdytysväliaineen lämpötila nousee. Kun korkean lämpötilan nestemäinen jäähdytysaine virtaa lämmönvaihtimen läpi, se vaihtaa lämpöä ulkomaailman kanssa, ja lämpötila laskee ja virtaa sitten takaisin komponentin puolelle absorboimaan lämpöä. Koko epäsuora nestejäähdytysjärjestelmä sisältää lämmönsiirtoosan lisäksi myös vastaavan lämmönvaihtojärjestelmän.
On huomattava, että jos lasketaan koko lämpösuunnittelukomponenttien joukon viemän kokonaistilan perusteella, ero lämmönpoistokapasiteetissa epäsuoran nestejäähdytyksen ja pakotetun ilmajäähdytyksen välillä ei ole merkittävä. Tämä on myös yksi tärkeimmistä syistä, miksi monet tuotteet, joissa oheislaitteita ei ole kätevä käyttää tai joissa on standardoitu tila, eivät käytä epäsuoraa nestejäähdytystä.
