Tecnologia di raffreddamento a liquido diretto e raffreddamento a liquido indiretto

Il primo passo nel processo di progettazione e sviluppo termico è confermare quale metodo di raffreddamento il prodotto deve utilizzare, al fine di riservare lo spazio di progettazione corrispondente nella fase iniziale del prodotto. Attualmente, i metodi di raffreddamento per i prodotti elettronici sono principalmente suddivisi in quattro categorie: dissipazione del calore naturale, raffreddamento ad aria forzata e raffreddamento a liquido. Grazie alla sua efficiente capacità di raffreddamento e al minor consumo energetico, gli schemi di raffreddamento a liquido vengono sempre più utilizzati nella progettazione termica, che sono ulteriormente suddivisi in raffreddamento diretto e raffreddamento indiretto.

Raffreddamento diretto: i componenti sono immersi direttamente in un liquido per la dissipazione del calore. Noto anche come raffreddamento a liquido per immersione o raffreddamento a liquido per immersione. Attualmente questa tecnologia è in aumento e alcuni data center hanno già utilizzato questo metodo di raffreddamento. Il raffreddamento diretto a liquido ha un'efficienza di trasferimento del calore estremamente elevata e il consumo di energia per il controllo della temperatura è significativamente ridotto rispetto al raffreddamento ad aria. Pertanto, il valore PUE (efficienza di utilizzo dell'energia, PUE=consumo energetico totale delle apparecchiature/consumo energetico delle apparecchiature IT) dei data center che utilizzano il raffreddamento a liquido immerso può essere notevolmente ridotto e, secondo alcuni rapporti, anche valori inferiori a 1,05 possono essere raggiunto [1].

Dalla forma di contatto tra il fluido di lavoro liquido e i componenti, il raffreddamento a liquido diretto può essere suddiviso in due tipi: 1) Il raffreddamento a liquido per immersione o immersione si riferisce all'immersione di prodotti elettronici in isolamento elettrico liquido, mezzi di raffreddamento chimicamente stabili, non tossici e non corrosivi ; 2) Il raffreddamento a liquido del tipo a spruzzo si riferisce al raffreddamento ottenuto spruzzando liquido isolante sui componenti del riscaldamento. Un’analogia nella vita reale è che il raffreddamento a liquido per immersione è simile a un bagno, mentre il raffreddamento a liquido a spruzzo è come una doccia.

Nel raffreddamento a liquido diretto, quando il punto di ebollizione del refrigerante utilizzato è sufficientemente basso, il fluido di lavoro liquido vaporizza sulla superficie dell'elemento riscaldante o sulla superficie di espansione della dissipazione del calore sopra l'elemento, determinando un coefficiente di trasferimento di calore convettivo estremamente elevato e capacità di portare via una grande quantità di calore con una differenza di temperatura estremamente bassa. Attualmente è il metodo di trasferimento del calore più disponibile in commercio con la massima efficienza di trasferimento del calore. Le bolle all'interno della macchina espositiva con raffreddamento a liquido immerso nell'immagine sopra sono il fluido di lavoro di raffreddamento vaporizzato. La densità del mezzo di raffreddamento gassoso è bassa e le bolle si accumulano nella parte superiore. Si condensano nuovamente nel liquido attraverso uno scambiatore di calore e poi ritornano nella cavità per completare il ciclo di raffreddamento. La tecnologia chiave del raffreddamento a liquido diretto è la sigillatura dello spazio di raffreddamento e il controllo delle perdite gas-liquido nel sistema. In un sistema di raffreddamento a liquido diretto con cambio di fase, se la temperatura non è adeguatamente controllata, può causare rapidi cambiamenti nella pressione della camera dell'apparecchiatura e la vaporizzazione e la fuoriuscita del refrigerante. In casi estremi, il dispositivo potrebbe addirittura esplodere.

Raffreddamento a liquido indiretto: il calore della fonte di calore viene prima trasferito alla piastra fredda solida, che è riempita con fluido di lavoro circolante liquido. Il fluido di lavoro liquido trasferisce il calore emesso dai prodotti elettronici allo scambiatore di calore, dove il calore viene dissipato nell'ambiente. Nel raffreddamento a liquido indiretto, i componenti elettronici non entrano direttamente in contatto con il mezzo di trasferimento del calore liquido. Attualmente, i prodotti elettronici con elevata integrazione ed elevata densità di potenza utilizzeranno il raffreddamento a liquido indiretto per la dissipazione del calore. Quando la densità di potenza del prodotto aumenta ulteriormente o i requisiti di controllo della temperatura diventano più severi, sono necessari metodi di progettazione di dissipazione del calore con maggiore efficienza di trasferimento del calore. I motori automobilistici sono stati uno dei primi prodotti a utilizzare il raffreddamento a liquido indiretto. Nel campo dei prodotti elettronici, il raffreddamento a liquido indiretto è stato ampiamente utilizzato anche nei server, nelle batterie di alimentazione, negli inverter e in altre apparecchiature.

Nel raffreddamento a liquido indiretto, i componenti elettronici non entrano direttamente in contatto con il mezzo di trasferimento del calore liquido. In altre parole, il mezzo di raffreddamento liquido qui è semplicemente un mezzo di trasferimento del calore, la cui funzione è trasferire il calore emesso dai componenti in uno spazio adatto allo scambio di calore con il mondo esterno. Secondo la prima legge della termodinamica, il calore non aumenta né diminuisce. Dopo che il calore è stato trasferito dal liquido in un luogo lontano dalla fonte di calore, deve ancora fluire attraverso lo scambiatore di calore per trasferire calore al mondo esterno. Ciò forma un circuito chiuso: il calore dei componenti viene trasferito al mezzo di raffreddamento liquido e la temperatura del mezzo di raffreddamento liquido aumenta. Quando il mezzo di raffreddamento liquido ad alta temperatura scorre attraverso lo scambiatore di calore, scambia calore con il mondo esterno e la temperatura diminuisce, quindi rifluisce verso il lato del componente per assorbire calore. L'intero sistema di raffreddamento a liquido indiretto comprende non solo la parte di trasferimento del calore, ma anche il sistema di scambio di calore corrispondente.

Va notato che se calcolata in base allo spazio totale occupato dall’intero set di componenti del progetto termico, la differenza nella capacità di dissipazione del calore tra il raffreddamento a liquido indiretto e il raffreddamento ad aria forzata non è significativa. Questo è anche uno dei motivi principali per cui molti prodotti a cui non è conveniente applicare periferiche o che hanno spazio standardizzato non utilizzano il raffreddamento a liquido indiretto.