Tecnología de refrigeración líquida directa y refrigeración líquida indirecta

El primer paso en el proceso de diseño y desarrollo térmico es confirmar qué método de enfriamiento debe utilizar el producto, para reservar el espacio de diseño correspondiente en la etapa inicial del producto. Actualmente, los métodos de enfriamiento para productos electrónicos se dividen principalmente en cuatro categorías: disipación de calor natural, enfriamiento por aire forzado y enfriamiento líquido. Con su capacidad de enfriamiento eficiente y su menor índice de consumo de energía, los esquemas de enfriamiento líquido se utilizan cada vez más en el diseño térmico, que se dividen a su vez en enfriamiento directo y enfriamiento indirecto.

Enfriamiento directo: los componentes se sumergen directamente en un líquido para la disipación del calor. También conocido como refrigeración líquida por inmersión o refrigeración líquida por inmersión. En la actualidad, esta tecnología está en auge y algunos centros de datos ya han utilizado este método de refrigeración. La refrigeración líquida directa tiene una eficiencia de transferencia de calor extremadamente alta y el consumo de energía para el control de la temperatura se reduce significativamente en comparación con la refrigeración por aire. Por lo tanto, el valor PUE (Eficiencia de uso de energía, PUE=Consumo total de energía del equipo/Consumo de energía del equipo de TI) de los centros de datos que utilizan refrigeración líquida sumergida se puede reducir considerablemente, y hay informes de que se pueden reducir valores incluso inferiores a 1,05. logrado [1].

Desde la forma de contacto entre el fluido de trabajo líquido y los componentes, el enfriamiento líquido directo se puede dividir en dos tipos: 1) El enfriamiento líquido por inmersión o inmersión se refiere a remojar productos electrónicos en aislamiento eléctrico líquido, medios de enfriamiento químicamente estables, no tóxicos y no corrosivos. ; 2) El enfriamiento líquido tipo rociador se refiere al enfriamiento que se logra rociando líquido aislante sobre los componentes calefactores. Una analogía de la vida real es que la refrigeración líquida por inmersión es similar a un baño, mientras que la refrigeración líquida por pulverización es como una ducha.

En el enfriamiento líquido directo, cuando el punto de ebullición del refrigerante utilizado es suficientemente bajo, el fluido de trabajo líquido se vaporizará en la superficie del elemento calefactor o en la superficie de expansión de disipación de calor sobre el elemento, lo que dará como resultado un coeficiente de transferencia de calor por convección extremadamente alto y la capacidad de disipar una gran cantidad de calor con una diferencia de temperatura extremadamente baja. Actualmente es el método de transferencia de calor más disponible comercialmente y con la mayor eficiencia de transferencia de calor. Las burbujas dentro de la máquina de visualización de enfriamiento líquido sumergido en la imagen de arriba son el fluido de trabajo de enfriamiento vaporizado. La densidad del medio refrigerante gaseoso es baja y las burbujas se acumulan en la parte superior. Se condensan nuevamente en el líquido a través de un intercambiador de calor y luego regresan a la cavidad para completar el ciclo de enfriamiento. La tecnología clave de la refrigeración líquida directa es el sellado del espacio de refrigeración y el control de las fugas de gas-líquido en el sistema. En un sistema de refrigeración líquida directa con cambio de fase, si la temperatura no se controla adecuadamente, se pueden provocar cambios rápidos en la presión de la cámara del equipo y que el refrigerante se vaporice y escape. En casos extremos, el dispositivo podría incluso explotar.

Refrigeración líquida indirecta: el calor de la fuente de calor se transfiere primero a la placa fría sólida, que se llena con fluido de trabajo en circulación. El fluido de trabajo líquido transfiere el calor emitido por los productos electrónicos al intercambiador de calor, donde el calor se disipa al medio ambiente. En la refrigeración líquida indirecta, los componentes electrónicos no entran en contacto directo con el medio líquido de transferencia de calor. En la actualidad, los productos electrónicos con alta integración y alta densidad de potencia utilizarán refrigeración líquida indirecta para la disipación de calor. Cuando la densidad de potencia del producto aumenta aún más o los requisitos de control de temperatura se vuelven más estrictos, se necesitan métodos de diseño de disipación de calor con mayor eficiencia de transferencia de calor. Los motores de automóvil fueron uno de los primeros productos en utilizar refrigeración líquida indirecta. En el campo de los productos electrónicos, la refrigeración líquida indirecta también se ha utilizado ampliamente en servidores, paquetes de baterías, inversores y otros equipos.

En la refrigeración líquida indirecta, los componentes electrónicos no entran en contacto directo con el medio líquido de transferencia de calor. En otras palabras, el medio de refrigeración líquido aquí es simplemente un medio de transferencia de calor, cuya función es transferir el calor emitido por los componentes a un espacio que sea conveniente para el intercambio de calor con el mundo exterior. Según la primera ley de la termodinámica, el calor no aumenta ni disminuye. Después de que el líquido transfiere el calor a un lugar alejado de la fuente de calor, aún necesita fluir a través del intercambiador de calor para transferir calor al mundo exterior. Esto forma un circuito cerrado: el calor de los componentes se transfiere al medio refrigerante líquido y la temperatura del medio refrigerante líquido aumenta. Cuando el medio refrigerante líquido de alta temperatura fluye a través del intercambiador de calor, intercambia calor con el mundo exterior, la temperatura disminuye y luego regresa al lado del componente para absorber el calor. Todo el sistema de refrigeración líquida indirecta incluye no sólo la parte de transferencia de calor, sino también el sistema de intercambio de calor correspondiente.

Cabe señalar que si se calcula en base al espacio total ocupado por todo el conjunto de componentes del diseño térmico, la diferencia en la capacidad de disipación de calor entre la refrigeración líquida indirecta y la refrigeración por aire forzado no es significativa. Esta es también una de las razones clave por las que muchos productos que no son convenientes para aplicar periféricos o tienen un espacio estandarizado no utilizan refrigeración líquida indirecta.