ההבדל בין קירור נוזלי ישיר לקירור נוזלי עקיף
השלב הראשון בתהליך התכנון והפיתוח התרמי הוא לאשר באיזו שיטת קירור המוצר צריך להשתמש, על מנת לשמור מקום עיצובי מתאים בשלב המוקדם של המוצר. נכון להיום, שיטות הקירור של מוצרים אלקטרוניים מחולקות בעיקר לארבע קטגוריות: פיזור חום טבעי, קירור אוויר מאולץ וקירור נוזלי. עם יכולת הקירור היעילה ויחס צריכת האנרגיה הנמוך יותר, נעשה שימוש הולך וגובר בתוכניות קירור נוזלי בתכנון תרמי, המחולקות עוד יותר לקירור ישיר וקירור עקיף.
קירור ישיר: הרכיבים שקועים ישירות בנוזל לפיזור חום. ידוע גם בשם קירור נוזל טבילה או קירור נוזל טבילה. נכון לעכשיו, הטכנולוגיה הזו נמצאת במגמת עלייה, וכמה מרכזי נתונים כבר השתמשו בשיטת הקירור הזו. לקירור נוזלי ישיר יעילות העברת חום גבוהה במיוחד, וצריכת האנרגיה לבקרת טמפרטורה מופחתת משמעותית בהשוואה לקירור אוויר. לכן, ניתן להפחית במידה ניכרת את ערך ה-PUE (יעילות צריכת חשמל, PUE=Total Equipment Energy Consumption/IT Equipment Energy Consumption) של מרכזי נתונים המשתמשים בקירור נוזלי שקוע, וישנם דיווחים שיכולים להיות אפילו ערכים נמוכים מ-1.05 הושג.
מצורת המגע בין נוזל עבודה נוזלי לרכיבים, ניתן לחלק קירור נוזלי ישיר לשני סוגים: 1) קירור נוזלי טבילה או טבילה מתייחס להשריית מוצרים אלקטרוניים בבידוד חשמלי נוזלי, חומרי קירור יציבים כימית, לא רעילים ולא קורוזיביים ; 2) קירור נוזלי מסוג תרסיס מתייחס לקירור המושג על ידי ריסוס נוזל בידוד על רכיבי החימום. אנלוגיה מהחיים האמיתיים היא שקירור נוזלי טבילה דומה לאמבטיה, בעוד שקירור נוזל בהתזה הוא כמו מקלחת.
בקירור נוזלי ישיר, כאשר נקודת הרתיחה של נוזל הקירור בשימוש נמוכה מספיק, נוזל העבודה הנוזלי יתאדה על פני גוף החימום או משטח ההתפשטות של פיזור החום מעל האלמנט, וכתוצאה מכך מקדם העברת חום הסעה גבוה במיוחד. היכולת לסחוב כמות גדולה של חום עם הפרש טמפרטורות נמוך במיוחד. זוהי כיום שיטת העברת החום הזמינה ביותר עם יעילות העברת החום הגבוהה ביותר. הבועות בתוך מכונת תצוגת הקירור הנוזל הטבול בתמונה למעלה הן נוזל העבודה הקירור המאוד. הצפיפות של תווך קירור גזי נמוך, ובועות מתאספות בחלק העליון. הם מתעבים בחזרה לתוך הנוזל דרך מחליף חום ואז חוזרים לחלל כדי להשלים את מחזור הקירור. טכנולוגיית המפתח של קירור נוזלים ישיר היא איטום חלל הקירור ובקרה על דליפת גז-נוזל במערכת. במערכת קירור נוזל ישיר עם שינוי פאזה, אם הטמפרטורה לא נשלטת כראוי, זה יכול לגרום לשינויים מהירים בלחץ של תא הציוד ונוזל הקירור להתאדות ולברוח. במקרים קיצוניים, המכשיר עלול אפילו להתפוצץ.
קירור נוזל עקיף: החום ממקור החום מועבר תחילה לצלחת הקרה המוצקה, אשר מלאה בנוזל עבודה נוזלי במחזור. נוזל העבודה הנוזלי מעביר את החום הנפלט ממוצרים אלקטרוניים אל מחליף החום, שם החום מתפזר לסביבה. בקירור נוזלי עקיף, רכיבים אלקטרוניים אינם נוגעים ישירות במדיום העברת החום הנוזלי. נכון לעכשיו, מוצרים אלקטרוניים עם אינטגרציה גבוהה וצפיפות הספק גבוהה ישתמשו בקירור נוזלי עקיף לפיזור חום. כאשר צפיפות ההספק של המוצר עולה עוד יותר או שדרישות בקרת הטמפרטורה מחמירות, יש צורך בשיטות עיצוב פיזור חום ביעילות גבוהה יותר של העברת חום. מנועי רכב היו אחד המוצרים המוקדמים ביותר לשימוש בקירור נוזלי עקיף. בתחום המוצרים האלקטרוניים נעשה שימוש נרחב בקירור נוזלי עקיף גם בשרתים, ערכות סוללות מתח, ממירים וציוד אחר.
בקירור נוזלי עקיף, רכיבים אלקטרוניים אינם נוגעים ישירות במדיום העברת החום הנוזלי. במילים אחרות, מצע הקירור הנוזלי כאן הוא רק תווך להעברת חום, שתפקידו להעביר את החום שפולטים הרכיבים לחלל שנוח להחלפת חום עם העולם החיצון. על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, החום לא עולה ולא יורד. לאחר העברת חום על ידי הנוזל למקום מרוחק ממקור החום, הוא עדיין צריך לזרום דרך מחליף החום כדי להעביר חום לעולם החיצון. זה יוצר לולאה סגורה: החום מהרכיבים מועבר לתווך הקירור הנוזלי, והטמפרטורה של מצע הקירור הנוזלי עולה. כאשר מדיום הקירור הנוזלי בטמפרטורה גבוהה זורם דרך מחליף החום, הוא מחליף חום עם העולם החיצון, והטמפרטורה יורדת, ואז זורמת חזרה לצד הרכיב כדי לספוג חום. כל מערכת הקירור הנוזל העקיף כוללת לא רק את חלק העברת החום, אלא גם את מערכת חילופי החום המתאימה.
יש לציין כי אם מחושב על סמך השטח הכולל התפוס על ידי כל מערך רכיבי התכנון התרמי, ההבדל ביכולת פיזור החום בין קירור נוזל עקיף לקירור אוויר מאולץ אינו משמעותי. זו גם אחת הסיבות המרכזיות לכך שמוצרים רבים שאינם נוחים ליישום ציוד היקפי או בעלי שטח סטנדרטי אינם משתמשים בקירור נוזלי עקיף.
