Công nghệ làm mát bằng chất lỏng trực tiếp và gián tiếp
Bước đầu tiên trong quy trình thiết kế và phát triển tản nhiệt là xác nhận xem sản phẩm cần sử dụng phương pháp làm mát nào để dành không gian thiết kế tương ứng trong giai đoạn đầu của sản phẩm. Hiện nay, các phương pháp làm mát cho sản phẩm điện tử chủ yếu được chia thành bốn loại: tản nhiệt tự nhiên, làm mát bằng không khí cưỡng bức và làm mát bằng chất lỏng. Với khả năng làm mát hiệu quả và tỷ lệ tiêu thụ năng lượng thấp hơn, các sơ đồ làm mát bằng chất lỏng ngày càng được sử dụng nhiều trong thiết kế nhiệt, được chia thành làm mát trực tiếp và làm mát gián tiếp.
Làm mát trực tiếp: Các bộ phận được ngâm trực tiếp vào chất lỏng để tản nhiệt. Còn được gọi là làm mát bằng chất lỏng ngâm hoặc làm mát bằng chất lỏng ngâm. Hiện tại, công nghệ này đang phát triển và một số trung tâm dữ liệu đã sử dụng phương pháp làm mát này. Làm mát trực tiếp bằng chất lỏng có hiệu suất truyền nhiệt cực cao và mức tiêu thụ năng lượng cho việc kiểm soát nhiệt độ giảm đáng kể so với làm mát bằng không khí. Do đó, giá trị PUE (Hiệu suất sử dụng năng lượng, PUE=Tổng mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị/Tiêu thụ năng lượng của thiết bị CNTT) của trung tâm dữ liệu sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng nhúng có thể giảm đáng kể và có những báo cáo cho thấy giá trị thậm chí còn thấp hơn 1,05 đạt được [1].
Từ hình thức tiếp xúc giữa chất lỏng làm việc bằng chất lỏng và các bộ phận, làm mát bằng chất lỏng trực tiếp có thể được chia thành hai loại: 1) Làm mát bằng chất lỏng ngâm hoặc ngâm là việc ngâm các sản phẩm điện tử trong chất cách điện lỏng, môi trường làm mát ổn định về mặt hóa học, không độc hại và không bị ăn mòn ; 2) Làm mát bằng chất lỏng dạng phun đề cập đến việc làm mát đạt được bằng cách phun chất lỏng cách nhiệt lên các bộ phận làm nóng. Một sự tương tự trong đời thực là làm mát bằng chất lỏng ngâm tương tự như bồn tắm, trong khi làm mát bằng chất lỏng phun giống như vòi hoa sen.
Trong làm mát bằng chất lỏng trực tiếp, khi điểm sôi của chất làm mát được sử dụng đủ thấp, chất lỏng làm việc sẽ bay hơi trên bề mặt của bộ phận làm nóng hoặc bề mặt giãn nở tản nhiệt phía trên bộ phận, dẫn đến hệ số truyền nhiệt đối lưu cực cao và khả năng mang đi một lượng nhiệt lớn với chênh lệch nhiệt độ cực thấp. Đây hiện là phương pháp truyền nhiệt có sẵn trên thị trường nhất với hiệu suất truyền nhiệt cao nhất. Các bong bóng bên trong máy hiển thị làm mát bằng chất lỏng ngâm trong hình trên là chất lỏng làm việc làm mát hóa hơi. Mật độ của môi trường làm mát dạng khí thấp và bong bóng tập trung ở phía trên. Chúng ngưng tụ trở lại chất lỏng thông qua bộ trao đổi nhiệt và sau đó quay trở lại khoang để hoàn thành chu trình làm mát. Công nghệ chủ chốt của làm mát bằng chất lỏng trực tiếp là bịt kín không gian làm mát và kiểm soát rò rỉ khí-lỏng trong hệ thống. Trong hệ thống làm mát bằng chất lỏng trực tiếp có sự thay đổi pha, nếu nhiệt độ không được kiểm soát đúng cách có thể khiến áp suất của buồng thiết bị và chất làm mát thay đổi nhanh chóng, bay hơi và thoát ra ngoài. Trong trường hợp cực đoan, thiết bị thậm chí có thể phát nổ.
Làm mát bằng chất lỏng gián tiếp: Nhiệt từ nguồn nhiệt trước tiên được truyền đến tấm lạnh rắn, chứa đầy chất lỏng làm việc tuần hoàn chất lỏng. Chất lỏng làm việc ở dạng lỏng truyền nhiệt phát ra từ các sản phẩm điện tử đến bộ trao đổi nhiệt, tại đây nhiệt được tiêu tán ra môi trường. Trong làm mát bằng chất lỏng gián tiếp, các linh kiện điện tử không tiếp xúc trực tiếp với môi trường truyền nhiệt bằng chất lỏng. Hiện nay, các sản phẩm điện tử có độ tích hợp cao và mật độ năng lượng cao sẽ sử dụng phương pháp làm mát bằng chất lỏng gián tiếp để tản nhiệt. Khi mật độ năng lượng của sản phẩm tăng thêm hoặc yêu cầu kiểm soát nhiệt độ trở nên nghiêm ngặt hơn thì cần có phương pháp thiết kế tản nhiệt hiệu suất truyền nhiệt cao hơn. Động cơ ô tô là một trong những sản phẩm đầu tiên sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng gián tiếp. Trong lĩnh vực sản phẩm điện tử, làm mát bằng chất lỏng gián tiếp cũng đã được sử dụng rộng rãi trong máy chủ, bộ pin điện, bộ biến tần và các thiết bị khác.
Trong làm mát bằng chất lỏng gián tiếp, các linh kiện điện tử không tiếp xúc trực tiếp với môi trường truyền nhiệt bằng chất lỏng. Nói cách khác, môi trường làm mát bằng chất lỏng ở đây chỉ là môi trường truyền nhiệt, có chức năng truyền nhiệt lượng tỏa ra từ các bộ phận sang không gian thuận tiện cho việc trao đổi nhiệt với thế giới bên ngoài. Theo định luật nhiệt động thứ nhất, nhiệt lượng không tăng cũng không giảm. Sau khi nhiệt được chất lỏng truyền đến một vị trí cách xa nguồn nhiệt, nó vẫn cần chảy qua bộ trao đổi nhiệt để truyền nhiệt ra thế giới bên ngoài. Điều này tạo thành một vòng khép kín: nhiệt từ các bộ phận được truyền sang môi trường làm mát bằng chất lỏng và nhiệt độ của môi trường làm mát bằng chất lỏng tăng lên. Khi môi trường làm mát bằng chất lỏng ở nhiệt độ cao chảy qua bộ trao đổi nhiệt, nó sẽ trao đổi nhiệt với thế giới bên ngoài và nhiệt độ giảm xuống, sau đó chảy ngược về phía linh kiện để hấp thụ nhiệt. Toàn bộ hệ thống làm mát bằng chất lỏng gián tiếp không chỉ bao gồm bộ phận truyền nhiệt mà còn có hệ thống trao đổi nhiệt phù hợp.
Cần lưu ý rằng nếu tính dựa trên tổng không gian bị chiếm bởi toàn bộ bộ linh kiện thiết kế tản nhiệt thì sự chênh lệch về khả năng tản nhiệt giữa làm mát bằng chất lỏng gián tiếp và làm mát bằng không khí cưỡng bức là không đáng kể. Đây cũng là một trong những lý do chính khiến nhiều sản phẩm không thuận tiện khi gắn thiết bị ngoại vi hoặc có không gian tiêu chuẩn nên không sử dụng phương pháp làm mát bằng chất lỏng gián tiếp.
