単相と2相浸漬冷却

浸漬冷却とは何ですか？

簡単な用語で説明するために、ハードウェア（ラックマウントされた機器）を非-導電性液体（誘電体として知られている）に浸すことで、浸漬冷却が達成され、冷たい空気を循環するのではなく冷却します。液体は、低温を維持するために冷たい熱交換器を介して循環します。

特に高-パワー-データセンターなどの密度アプリケーションで、効率的な熱管理の追求において、浸漬冷却は革新的な解決策として浮上しています。そのバリアントの中で、単一の-フェーズと2つの-位相浸漬冷却技術が際立っており、それぞれに独自の特性、利点、制限があります。

単相浸漬冷却

単一の-位相浸漬冷却では、クーラントは熱伝達プロセス全体で単一の（通常は液体）状態のままです。熱は、主に対流により、熱いコンポーネント（データセンターのサーバーなど）からクーラントに転送されます。この対流を駆動するには、自然で強制された2つの一般的な方法があります。

自然対流：電子成分が周囲のクーラントを加熱すると、成分の近くの液体が暖かくなります。暖かい液体は涼しい液体よりも密度が低いため、上昇します。末梢からの涼しい液体は、上昇する暖かい液体を交換して、自然循環ループを作成します。たとえば、シンプルさが重要ないくつかの低- power -密度アプリケーションでは、自然対流-ベースのシングル-位相浸漬冷却が効果的です。ただし、自然対流の熱伝達速度は、温度変動によって引き起こされる密度の違いのみに依存するため、比較的低いです。

強制対流：冷却能力を高めるために、ポンプはしばしば単一の-位相浸漬システムで使用されます。ポンプは、クーラントを強制的にコンポーネントの周りにより迅速に循環させます。クーラークーラントは、熱いコンポーネントに向かって押され、熱を吸収し、その後熱交換器に向けられます。ここでは、熱は二次冷却培地、通常は水に移動し、冷却されたクーラントが再循環されます。この方法は、自然対流と比較して熱伝達係数を大幅に増加させることができ、多くの最新のデータセンターのように、熱負荷の高いアプリケーションに適しています。

2相浸漬冷却

2つの-位相浸漬冷却により、位相変化の力が熱を伝達します。これらのシステムで使用されるクーラントは、沸点が比較的低いです。ホットコンポーネントがクーラントを加熱すると、沸点に達し、蒸発し始めます。この相変化液から蒸気への変化は、気化の潜在熱として知られる大量の熱を吸収します。

クーラントが蒸発すると、結果として生じる蒸気がエンクロージャーの上部に上がります。ここでは、通常、二次クーラント（水など）で冷却されるコンデンサーと接触します。蒸気は液体に凝縮し、蒸発中に吸収された潜熱を放出します。凝縮された液体はエンクロージャーの底に戻り、コンポーネントからより多くの熱を吸収し、サイクルを完了します。 2つの-位相浸漬冷却での潜熱を使用すると、非常に高い熱伝達速度が可能になり、高-パフォーマンスコンピューティングクラスターやデータセンター内のいくつかの高度なサーバーセットアップなど、非常に高い出力密度の高いアプリケーションに適した-に適しています。

作業原則の違いは、システムアーキテクチャを直接決定します。

単一-フェーズシステム：比較的単純な構造があります。コアコンポーネントには、タンク、循環ポンプ、熱交換器（CDU）、および外部ドライクーラーが含まれます。閉じた油圧ループシステムです。位相の変化と圧力を管理するという課題がなければ、システムはより安定しており、その設計とメンテナンスはより簡単です。

2つの-フェーズシステム：より複雑です。蒸気を液体に戻すには、正確なコンデンサーシステムを含める必要があります。タンク全体を密閉して内圧と蒸気バランスを管理するために密閉されている必要があります。これは、より高い圧力評価とシーリングの完全性を必要とし、設計と製造コストを増加させます。

どちらも非常に効率的な熱管理ソリューションですが、さまざまな分野で優れています。

単一-フェーズシステム：非常に安定した予測可能な冷却パフォーマンスを提供します。クーラントの沸点は高いため、局所的な沸騰を避けます。熱伝達は、流体の比熱容量と流量に依存します。フロー設計とポンプの出力を最適化することにより、コンポーネントの温度は露点よりも正確に制御でき、凝縮のリスクを完全に排除できます。これにより、極端な温度安定性を要求するシナリオに最適です。

2つの-フェーズシステム：非常に短い期間にわたって瞬間的で極端な熱流束を扱うのに優れています。位相変化プロセスは、賢明な熱よりも大幅に多くのエネルギー（潜熱）を吸収し、チップから「バースト」熱を迅速に除去できます。理論的には、それらは究極のチップ-レベルの冷却制限に有利です。ただし、システムの安定性は、周囲条件の変化（たとえば、コンデンサーの水温）の影響を受けやすい場合があります。

クーラント損失：

単一-フェーズシステム：実質的にゼロ損失を経験します。高い沸点クーラントは非常に低い揮発性を持っています。初期の塗りつぶしと定期的なチェックのみが必要であり、その結果、非常に低い運用コストが発生します。

2つの-フェーズシステム：継続的な軽微な損失を経験します。タンクは密閉されていますが、低い-沸騰-ポイントクーラントが容易に蒸発し、蓋が開いたときにメンテナンス中に失われます。これには、定期的で高価なトップ- UPSが必要で、特殊な高-コスト液が必要です。

メンテナンスの利便性：

単一-フェーズシステム：明確な利点を提供します。サーバーは、滴下を最小限に抑えて、メンテナンスのためにバスから直接持ち上げることができます。液体は清掃が簡単で、システムコンポーネントは多くの場合、標準的な工業部品であり、メンテナンスが技術的に要求が厳しくなります。

2つの-フェーズシステム：より面倒なメンテナンスを伴います。タンクを開くと、大幅な液体蒸発、コストの増加、潜在的な環境への懸念が生じます。システムの複雑さには、多くの場合、より専門的な技術者がサービスを提供する必要があります。

高い信頼性、総所有コストの低い（TCO）、および大規模な-スケールの展開と日常業務の容易さを求めている企業の顧客の大多数にとって、単一の-位相浸漬冷却は、より成熟し、経済的かつ実用的な選択です。極端な冷却パフォーマンスと産業の実現可能性のバランスを完全にバランスさせます。

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