Technologie de refroidissement liquide direct et de refroidissement liquide indirect

La première étape du processus de conception et de développement thermique consiste à confirmer la méthode de refroidissement que le produit doit utiliser, afin de réserver l'espace de conception correspondant dès le début du produit. Actuellement, les méthodes de refroidissement des produits électroniques sont principalement divisées en quatre catégories : dissipation naturelle de la chaleur, refroidissement par air forcé et refroidissement liquide. Grâce à leur capacité de refroidissement efficace et à leur faible taux de consommation d'énergie, les systèmes de refroidissement liquide sont de plus en plus utilisés dans la conception thermique, qui sont ensuite divisés en refroidissement direct et refroidissement indirect.

Refroidissement direct : Les composants sont directement immergés dans un liquide pour dissiper la chaleur. Également connu sous le nom de refroidissement par liquide d’immersion ou refroidissement par liquide d’immersion. À l’heure actuelle, cette technologie est en plein essor et certains centres de données ont déjà utilisé cette méthode de refroidissement. Le refroidissement liquide direct présente une efficacité de transfert de chaleur extrêmement élevée et la consommation d'énergie pour le contrôle de la température est considérablement réduite par rapport au refroidissement par air. Par conséquent, la valeur PUE (Power Usage Efficiency, PUE =Consommation d'énergie totale de l'équipement/Consommation d'énergie de l'équipement informatique) des centres de données utilisant un refroidissement liquide immergé peut être considérablement réduite, et certains rapports indiquent que des valeurs encore inférieures à 1,05 peuvent être atteint [1].

À partir du formulaire de contact entre le fluide de travail liquide et les composants, le refroidissement liquide direct peut être divisé en deux types : 1) Le refroidissement liquide par immersion ou par immersion fait référence au trempage de produits électroniques dans une isolation électrique liquide, un milieu de refroidissement chimiquement stable, non toxique et non corrosif. ; 2) Le refroidissement liquide par pulvérisation fait référence au refroidissement obtenu en pulvérisant du liquide isolant sur les composants chauffants. Une analogie réelle est que le refroidissement par liquide par immersion est similaire à un bain, tandis que le refroidissement par liquide par pulvérisation est comme une douche.

Dans le refroidissement liquide direct, lorsque le point d'ébullition du liquide de refroidissement utilisé est suffisamment bas, le fluide de travail liquide se vaporise sur la surface de l'élément chauffant ou sur la surface d'expansion de dissipation thermique au-dessus de l'élément, ce qui entraîne un coefficient de transfert de chaleur par convection extrêmement élevé et le capacité à évacuer une grande quantité de chaleur avec une différence de température extrêmement faible. Il s’agit actuellement de la méthode de transfert de chaleur la plus disponible dans le commerce, avec la plus grande efficacité de transfert de chaleur. Les bulles à l'intérieur de la machine d'affichage à refroidissement liquide immergé dans l'image ci-dessus sont le fluide de travail de refroidissement vaporisé. La densité du fluide de refroidissement gazeux est faible et les bulles se rassemblent au sommet. Ils se condensent dans le liquide via un échangeur de chaleur, puis retournent dans la cavité pour terminer le cycle de refroidissement. La technologie clé du refroidissement liquide direct est l’étanchéité de l’espace de refroidissement et le contrôle des fuites gaz-liquide dans le système. Dans un système de refroidissement liquide direct avec changement de phase, si la température n'est pas correctement contrôlée, elle peut provoquer des changements rapides de pression dans la chambre de l'équipement et la vaporisation et la fuite du liquide de refroidissement. Dans des cas extrêmes, l'appareil peut même exploser.

Refroidissement liquide indirect : la chaleur de la source de chaleur est d'abord transférée à la plaque froide solide, qui est remplie de fluide de travail en circulation de liquide. Le fluide de travail liquide transfère la chaleur émise par les produits électroniques à l'échangeur de chaleur, où la chaleur est dissipée dans l'environnement. Dans le refroidissement liquide indirect, les composants électroniques n'entrent pas directement en contact avec le fluide caloporteur liquide. À l'heure actuelle, les produits électroniques à haute intégration et à haute densité de puissance utiliseront le refroidissement liquide indirect pour la dissipation thermique. Lorsque la densité de puissance du produit augmente encore ou que les exigences de contrôle de la température deviennent plus strictes, des méthodes de conception de dissipation thermique à efficacité de transfert de chaleur plus élevée sont nécessaires. Les moteurs automobiles ont été l’un des premiers produits à utiliser le refroidissement liquide indirect. Dans le domaine des produits électroniques, le refroidissement liquide indirect a également été largement utilisé dans les serveurs, les batteries de puissance, les onduleurs et autres équipements.

Dans le refroidissement liquide indirect, les composants électroniques n'entrent pas directement en contact avec le fluide caloporteur liquide. En d’autres termes, le fluide de refroidissement liquide n’est ici qu’un fluide caloporteur, dont la fonction est de transférer la chaleur émise par les composants vers un espace propice aux échanges thermiques avec le monde extérieur. Selon la première loi de la thermodynamique, la chaleur n'augmente ni ne diminue. Une fois que la chaleur est transférée par le liquide vers un endroit éloigné de la source de chaleur, elle doit encore circuler à travers l'échangeur de chaleur pour transférer la chaleur vers le monde extérieur. Cela forme une boucle fermée : la chaleur des composants est transférée au fluide de refroidissement liquide et la température du fluide de refroidissement liquide augmente. Lorsque le fluide de refroidissement liquide à haute température traverse l'échangeur de chaleur, il échange de la chaleur avec le monde extérieur et la température diminue, puis retourne vers le côté composant pour absorber la chaleur. L'ensemble du système de refroidissement liquide indirect comprend non seulement la partie transfert de chaleur, mais également le système d'échange thermique correspondant.

Il convient de noter que si elle est calculée sur la base de l'espace total occupé par l'ensemble des composants de conception thermique, la différence de capacité de dissipation thermique entre le refroidissement liquide indirect et le refroidissement par air forcé n'est pas significative. C'est également l'une des principales raisons pour lesquelles de nombreux produits pour lesquels il n'est pas pratique d'appliquer des périphériques ou qui disposent d'un espace standardisé n'utilisent pas de refroidissement liquide indirect.