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Was ist Flüssigkeitskühlung?
Die Flüssigkeitskühlung ist eine Methode, bei der Flüssigkeit anstelle von Luft zur Kühlung mit der Wärmequelle in Kontakt kommt. Je nach Art des Kontakts zwischen der Kühlflüssigkeit und den elektronischen Bauteilen wird zwischen indirekter Flüssigkeitskühlung und direkter Flüssigkeitskühlung unterschieden. Die indirekte Flüssigkeitskühlung basiert hauptsächlich auf der Technologie der Kühlplatten-Flüssigkeitskühlung, die eine Standardisierung und Verallgemeinerung ermöglicht. Die direkte Flüssigkeitskühlung basiert in erster Linie auf der Technologie der Flüssigkeitskühlung durch Eintauchen und kann weiter in Phasenwechsel- und Nichtphasenwechsel-Typen unterteilt werden. Obwohl die direkte Flüssigkeitskühlung effizienter ist, erfordert sie höhere Betriebs- und Wartungskosten sowie ein strengeres und komplexeres Design.
Indirekte Flüssigkeitskühlung
Flüssigkeitskühlplatte
Eine Flüssigkeitskühlplatte nutzt eine Flüssigkeit als Wärmeübertragungsmedium, die durch interne Kanäle in der Platte fließt. Es handelt sich um eine berührungslose Flüssigkeitskühlung, bei der die Kühlung der Wärmequelle durch Wärmeübertragung erfolgt. Bei einem Flüssigkeitskühlplattensystem kommen die wärmeerzeugenden Komponenten wie Batterien und Serverchips nicht direkt mit der Flüssigkeit in Berührung. Stattdessen wird die Wärmeableitung durch die Montage einer Kühlplatte erreicht, die an den zu kühlenden elektronischen Komponenten angebracht ist.
Dieser Ansatz erfordert nur minimale Änderungen an den vorhandenen wärmeerzeugenden Komponenten und den dazugehörigen Teilen, was die Betriebsfähigkeit verbessert. Es ist derzeit die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Lösung zur Flüssigkeitskühlung. (Kühlplatten können durch verschiedene Methoden wie Stanzen, Löten, CNC-Bearbeitung usw. hergestellt werden, und die verschiedenen Herstellungsverfahren tragen zu den unterschiedlichen Leistungsmerkmalen des Produkts bei).
Flüssigkühlungsrohr/Kühlungsrohr/Serpentinenrohr
Die Rohre bestehen aus wärmeleitfähigem Metall, in der Regel Kupfer oder eine Aluminiumlegierung, und werden durch Strangpressen und Riffelung zu einer inneren Struktur mit einer bestimmten Anzahl von Kanälen geformt. Diese Kanäle haften fest an der Oberfläche der Batteriezellen. In der Regel sind ein bis zwei Reihen von Batteriezellen zwischen jeweils zwei gewundenen Flachrohren angeordnet. Durch diese Konstruktion wird die Wärmeaustauschfläche auf der Batterieseite effektiv vergrößert, was zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung während des Betriebs der einzelnen Zellen und zu einer Verringerung der Gesamttemperaturdifferenz über das gesamte Batteriepaket führt.
Wärmerohr-Flüssigkeitskühlung
Das Aluminiumsubstrat wird CNC-bearbeitet, um Nuten zu fräsen, und dann werden vorgebogene Kupferrohre mit einer Stanzmaschine auf das Aluminiumsubstrat gepresst. Anschließend werden sie miteinander verlötet und anschließend weiterverarbeitet, um eine Wasserkühlplatte zu schaffen. Tauchrohr-Flüssigkeitskühlplatten gibt es in der Regel in drei Formen: flach eingebettete Rohr-Flüssigkeitskühlplatte, tief eingebettete Rohr-Flüssigkeitskühlplatte und doppelseitige Rohr-Klemm-Prozess-Flüssigkeitskühlplatte.
Direkte Flüssigkeitskühlung
Flüssigkeits-Tauchkühlung
Bei der Flüssigkeits-Tauchkühlung, einer typischen Form der Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung, werden die erhitzten elektronischen Bauteile in eine Kühlflüssigkeit getaucht (Kühlflüssigkeit). Sie beruht auf der Zirkulation der Flüssigkeit zur Wärmeabfuhr. Aufgrund des umfassenden direkten Kontakts zwischen den wärmeerzeugenden Bauteilen und der Kühlflüssigkeit bietet die Flüssigkeits-Tauchkühlung im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmethoden (Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung) eine höhere Wärmeableitungseffizienz. Außerdem ist der Geräuschpegel im Vergleich zu Kühlplatten oder Sprühflüssigkeitskühlung tendenziell niedriger.
Splash-Flüssigkeitskühlung
Splash-Flüssigkeitskühlung ist eine Präzisionssprühkühlung mit direktem Kontakt, die für elektronische Geräte entwickelt wurde. Die Kühlflüssigkeit kann direkt auf die wärmeerzeugenden Komponenten von IT-Geräten oder auf feste, wärmeleitende Materialien, die mit ihnen verbunden sind, gesprüht werden, entweder durch Schwerkraft oder durch Systemdruck. Dies ermöglicht einen Wärmeaustausch und damit ein Wärmemanagement für IT-Geräte.
Die Anwendungsbereiche der Flüssigkeitskühlung
Die ersten Technologien zur Flüssigkeitskühlung wurden in erster Linie entwickelt, um Lüfter zu ersetzen und die Effizienz der Wärmeableitung zu verbessern. Bis 2010 wurde die Flüssigkeitskühlungstechnologie immer weiter verbessert und ihre Anwendungsmöglichkeiten wurden schrittweise erweitert. Nach jahrelangen Versuchen und Umsetzungen ist es offensichtlich, dass die Flüssigkeitskühlung heute in den Wärmemanagementsystemen verschiedener elektronischer Geräte, in den Kühlsystemen von Elektrofahrzeugbatterien sowie in Automobilkomponenten, Maschinen, elektrochemischen Energiespeichern und vielen anderen Bereichen weit verbreitet ist. Die Technologie hat sich erheblich weiterentwickelt. Derzeit werden in den meisten Serverchips Mikrokanal-Kühlplatten verwendet, und in Elektrofahrzeugen mit neuer Energie werden gestanzte Flüssigkeitskühlrohre oder Flüssigkeitskühlplatten eingesetzt.
Am Beispiel der neuen Energiefahrzeuge - Flüssigkeitskühlsysteme für Strombatterien
Da sich die Temperatur auf die Kapazität, Sicherheit und Lebensdauer elektrochemischer Energiespeichersysteme auswirkt, ist es notwendig, ein Wärmemanagement für das Batteriesystem von Fahrzeugen mit neuer Energie zu implementieren.
Komponenten des Flüssigkeitskühlsystems
Das Flüssigkeitskühlsystem nutzt die hohe Wärmekapazität der Kühlflüssigkeit, die zirkulieren kann, um überschüssige Wärme aus dem Batteriesystem abzuführen und so optimale Betriebstemperaturen für den Batteriesatz zu erreichen. Zu den grundlegenden Komponenten gehören unter anderem: Kühler (Flüssigkühlplatte/Flüssigkühlrohr), Kühlgebläse, Ausdehnungsgefäß, Kühlmittelpumpe, Kühlmittel, Flüssigkühlkreislauf (einschließlich Schläuche, Hoch- und Niederdruckleitungen, Temperatursensoren, Ventile) und Flüssigkühlaggregat (optionales Heizgerät). Flüssigkühlsysteme erfordern oft komplexere und strengere Konstruktionen, um das Auslaufen von flüssigem Kühlmittel zu verhindern und die Gleichmäßigkeit zwischen den einzelnen Zellen innerhalb des Batteriesatzes zu gewährleisten.
Thermal Management Lösungen
Die Lösungen für das Wärmemanagement von Leistungsbatterien umfassen hauptsächlich drei Aspekte:
1. die Kühlung des Akkupacks: Wird durch die Zirkulation von Niedertemperatur-Kühlmittel erreicht.
2. das Vorheizen des Akkupacks: Interne und externe Heizmethoden.
3. die Isolierung des Batteriesatzes: Bei Leistungsbatterien, die in kälteren Regionen eingesetzt werden, muss der Batteriekasten in der Regel isoliert werden, um die Wärmeabgabe zu verlangsamen.
Wichtige Faktoren, die die Kühleffizienz beeinflussen (einschließlich, aber nicht beschränkt auf):
1. die Umgebungstemperatur (Betriebsbedingungen)
2. die Wärmeleitfähigkeit von Batteriezellen
3. die Temperatur der Kühlflüssigkeit
4. die Durchflussmenge/Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit
5. die Anzahl der Batterien/spezifische Wärmekapazität
6. relevante Informationen über die Flüssigkeitskühlplatte
7. thermische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) der thermischen Schnittstelle
Warum Flüssigkeitskühlung besser ist als Luftkühlung
Zu den Vorteilen der Luftkühlungstechnologie gehören Einfachheit, niedrige Kosten und einfache Wartung. Allerdings ist ihre Wärmeableitungseffizienz relativ gering, so dass sie den Anforderungen von Hochleistungsrechnern, Rechenzentren und ähnlichen Bereichen nicht gerecht wird. In solchen Fällen kann die Flüssigkeitskühlung besser geeignet sein.
Vorteile der Flüssigkeitskühlung:
1. höhere Effizienz bei der Wärmeableitung: Die Flüssigkeitskühlung kann die Temperatur von Geräten effektiv senken und so deren Leistung und Lebensdauer erhöhen. Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeit ist besser als die von Luft, so dass die Flüssigkeitskühlung die von den Geräten erzeugte Wärme effizient ableiten kann.
2. geringerer Geräuschpegel: Verglichen mit dem von Lüftern erzeugten Lärm arbeitet die Flüssigkeitskühlung geräuschärmer und sorgt für eine ruhigere Arbeitsumgebung.
3. flexibleres Design: Die Flüssigkeitskühlung ermöglicht flexiblere Konstruktionen, bei denen Kühler und Flüssigkeitsleitungen an verschiedenen Stellen installiert werden können, um die Konstruktionsanforderungen des Geräts besser zu erfüllen.
4. mehr Umweltfreundlichkeit: Durch Flüssigkeitskühlung kann Energie gespart und die Umweltbelastung verringert werden. Im Vergleich zu der von Lüftern erzeugten Wärme kann die Flüssigkeit leichter recycelt und wiederverwendet werden.
Treibende Faktoren für den Markt für Flüssigkeitskühlung
Die Überschneidung der Politikbereiche ist der wichtigste Faktor. Eine kohlenstoffarme Wirtschaft ist weltweit anerkannt, und sowohl die Regierungen als auch die Märkte messen der grünen und kohlenstoffarmen Entwicklung der Industrie große Bedeutung bei. Daher sind grüne und kohlenstoffarme Initiativen, Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen für Industrie und Unternehmen nicht nur Anforderungen des allgemeinen Umweltkontextes, sondern auch ständige Notwendigkeiten.
Der Hauptgrund für das Vordringen der Flüssigkeitskühlung auf dem Markt ist die Leistungssteigerung. Im Zusammenhang mit Rechenzentren hat die innovative Entwicklung von Technologien wie 5G, Cloud Computing, Big Data und leistungsstarken KI-Chips zu einem rasanten Wachstum des Umfangs und der Menge des Baus von Rechenzentren geführt. Prognosen zufolge wird die durchschnittliche Leistung pro Schrank in globalen Rechenzentren bis 2025 voraussichtlich 25 kW erreichen. Aufgrund der enormen Ausmaße der Einrichtungen und der wachsenden Nachfrage nach Rechenleistung sind herkömmliche Luftkühlungstechnologien nicht mehr in der Lage, die steigenden Anforderungen an die Wärmeabfuhr in Rechenzentren zu erfüllen. Die Flüssigkeitskühlung ist fast die einzige Wahl" für den Bau von Rechenzentren der nächsten Generation geworden.
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