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액체 냉각이란 무엇인가요?
액체 냉각은 공기 대신 액체를 열원과 접촉시켜 냉각하는 방식입니다. 냉각 액체와 전자 부품의 접촉 방식에 따라 간접 액체 냉각과 직접 액체 냉각으로 나뉩니다. 간접 액체 냉각은 주로 냉각판 액체 냉각 기술을 기반으로 하며 표준화 및 일반화가 가능합니다. 직접 액체 냉각은 주로 침수 액체 냉각 기술을 기반으로 하며 상변화형과 비상변화형으로 다시 분류할 수 있습니다. 직접 액체 냉각은 더 효율적이지만 운영 및 유지보수 비용이 더 많이 들고 설계가 더 엄격하고 복잡합니다.
간접 액체 냉각
액체 냉각판
액체 냉각판은 플레이트 내부의 채널을 통해 흐르는 액체를 열 전달 매체로 활용합니다. 열전달을 통해 열원을 냉각하는 비접촉식 액체 냉각 기술입니다. 액체 냉각판 시스템에서는 배터리, 서버 칩 등 열을 발생시키는 부품이 액체와 직접 접촉하지 않습니다. 대신 냉각이 필요한 전자 부품에 부착된 냉각판의 조립을 통해 열을 방출합니다.
이 접근 방식은 기존의 열 발생 부품 및 관련 부품을 최소한으로 수정하여 작동성을 향상시킵니다. 현재 가장 성숙하고 널리 적용되는 액체 냉각 솔루션입니다. (냉각판은 스탬핑, 브레이징, CNC 가공 등 다양한 방법을 통해 생산할 수 있으며, 제조 공정에 따라 제품의 성능 특성이 달라집니다).
액체 냉각 튜브/냉각 튜브/사문석 튜브
열 전도성 금속(일반적으로 구리 또는 알루미늄 합금)으로 구성된 튜브는 압출 및 주름 공정을 거쳐 특정 수의 채널이 있는 내부 구조를 만듭니다. 이 채널은 배터리 셀의 표면에 단단히 밀착됩니다. 일반적으로 1~2열의 배터리 셀이 두 개의 뱀 모양 납작한 튜브 사이에 끼워져 있습니다. 이 설계는 배터리 측면의 열 교환 표면적을 효과적으로 증가시켜 개별 셀이 작동하는 동안 보다 균일한 온도 분포를 촉진하고 전체 배터리 팩의 전반적인 온도 차이를 줄입니다.
히트 파이프 액체 냉각
알루미늄 기판을 CNC 가공하여 홈을 가공한 다음 스탬핑기를 사용하여 미리 구부러진 구리 파이프를 알루미늄 기판 위에 압착합니다. 그 후 구리 파이프를 납땜한 다음 추가 가공을 통해 수냉식 냉각판을 만듭니다. 매립형 튜브 수냉판은 일반적으로 얕은 매립형 튜브 수냉판, 깊은 매립형 튜브 수냉판, 양면 튜브 클램핑 공정 수냉판의 세 가지 형태로 제공됩니다.
직접 액체 냉각
침수 액체 냉각
직접 접촉식 액체 냉각의 대표적인 형태인 침수식 액체 냉각은 가열된 전자 부품을 냉각수(냉각액)에 담그는 방식입니다. 액체의 순환에 의존하여 열을 제거합니다. 침수식 액체 냉각은 열을 발생시키는 부품과 냉각수가 포괄적으로 직접 접촉하기 때문에 기존 냉각 방식(공냉식 및 액체 냉각)에 비해 방열 효율이 높습니다. 또한 냉각판이나 스프레이 액체 냉각에 비해 소음 수준이 낮은 경향이 있습니다.
스플래시 액체 냉각
스플래시 액체 냉각은 전자 기기용으로 설계된 정밀 스프레이 방식의 직접 접촉식 액체 냉각 기술입니다. 냉각 액체를 중력 또는 시스템 압력에 의해 IT 장비의 열 발생 부품이나 연결된 고체 열 전도성 물질에 직접 분사할 수 있습니다. 이를 통해 열 교환이 이루어져 IT 장비의 열 관리를 실현할 수 있습니다.
액체 냉각의 적용 분야
초기 액체 냉각 기술은 주로 팬을 대체하고 방열 효율을 높이기 위해 개발되었습니다. 2010년까지 액체 냉각 기술이 지속적으로 개선됨에 따라 그 적용 범위가 점차 확대되었습니다. 수년간의 실험과 구현을 통해 액체 냉각 기술은 이제 다양한 전자 장치의 열 관리 시스템, 전기 자동차 배터리 팩의 냉각 시스템뿐만 아니라 자동차 부품, 기계, 전기 화학 에너지 저장 및 기타 여러 분야에서 널리 사용되고 있음이 분명해졌습니다. 이 기술은 상당히 발전했습니다. 현재 대부분의 서버 칩은 마이크로 채널 냉각판을 사용하고 있으며, 신에너지 전기 자동차는 스탬핑 액체 냉각 파이프 또는 액체 냉각판을 사용합니다.
새로운 에너지 차량의 예로 파워 배터리용 액체 냉각 시스템을 살펴보겠습니다.
온도가 전기 화학 에너지 저장 시스템의 용량, 안전성 및 수명에 미치는 영향으로 인해 새로운 에너지 차량의 전력 배터리 시스템에 대한 열 관리를 구현해야 합니다.
액체 냉각 시스템 구성 요소
액체 냉각 시스템은 냉각수의 높은 열 용량을 활용하여 순환하면서 배터리 시스템에서 과도한 열을 제거하여 배터리 팩의 최적의 작동 온도 조건을 달성할 수 있습니다. 기본 구성 요소로는 라디에이터(액체 냉각판/액체 냉각 튜브), 냉각 팬, 팽창 탱크, 냉각수 펌프, 냉각수, 액체 냉각 회로(호스, 고압 및 저압 배선, 온도 센서, 밸브 포함), 액체 냉각 장치(히터 옵션) 등이 있습니다. 액체 냉각 시스템은 액체 냉매의 누출을 방지하고 배터리 팩 내 개별 셀 간의 균일성을 보장하기 위해 더 복잡하고 엄격한 구조 설계가 필요한 경우가 많습니다.
열 관리 솔루션
파워 배터리의 열 관리 솔루션은 크게 세 가지 측면으로 구성됩니다:
1. 배터리 팩 냉각: 저온 냉각수의 순환을 통해 달성됩니다.
2. 배터리 팩 예열: 내부 및 외부 가열 방법.
3. 배터리 팩의 단열: 추운 지역에 적용되는 파워 배터리 팩의 경우, 일반적으로 배터리 박스는 열 방출을 늦추기 위해 단열 조치가 필요합니다.
냉각 효율에 영향을 미치는 주요 고려 요소(다음을 포함하되 이에 국한되지 않음):
1. 주변 온도(작동 조건)
2. 배터리 셀의 열 전도성
3. 냉각 액의 온도
4. 냉각 액체 유량/속도
5. 배터리 개수/비열 용량
6. 액체 냉각판에 대한 관련 정보
7. 열 인터페이스의 열 전도도(열 전도성)
액체 냉각이 공랭식보다 나은 이유
공랭식 냉각 기술의 장점은 단순성, 저렴한 비용, 손쉬운 유지보수 등입니다. 하지만 방열 효율이 상대적으로 낮고 고성능 컴퓨팅, 데이터 센터 및 이와 유사한 분야의 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. 이러한 경우에는 액체 냉각 기술이 더 적합할 수 있습니다.
액체 냉각의 장점:
1. 더 높은 방열 효율: 액체 냉각 기술은 디바이스의 온도를 효과적으로 낮춰 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다. 액체의 열전도율은 공기보다 뛰어나기 때문에 액체 냉각을 통해 디바이스에서 발생하는 열을 효율적으로 제거할 수 있습니다.
2. 낮은 소음 수준: 팬에서 발생하는 소음에 비해 액체 냉각은 더 낮은 소음으로 작동하여 더 조용한 작업 환경을 제공합니다.
3. 더욱 유연한 설계: 액체 냉각 기술을 사용하면 보다 유연한 설계가 가능하므로 라디에이터와 액체 파이프라인을 다양한 위치에 설치하여 장비의 설계 요구 사항을 더 잘 충족할 수 있습니다.
4. 더 환경 친화적입니다: 액체 냉각은 에너지를 절약하고 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 팬에서 발생하는 열에 비해 액체는 더 쉽게 재활용하고 재사용할 수 있습니다.
액체 냉각 시장의 추진 요인
정책의 중복이 주요 원인입니다. 저탄소 경제는 전 세계적으로 보편적으로 인식되고 있으며, 정부와 시장 모두 산업의 친환경 및 저탄소 개발을 매우 중요하게 생각합니다. 따라서 산업과 비즈니스 운영자에게 친환경 및 저탄소 이니셔티브, 비용 절감, 효율성 향상은 광범위한 환경적 맥락에서 요구되는 사항일 뿐만 아니라 지속적인 필수 요소입니다.
수냉식 냉각이 시장에 보급된 근본적인 이유는 전력 증가 때문입니다. 데이터 센터의 경우 5G, 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터, 고성능 AI 칩과 같은 기술의 혁신적인 발전으로 인해 데이터 센터 건설 규모와 양이 급격히 증가했습니다. 예측에 따르면 2025년까지 전 세계 데이터센터의 캐비닛당 평균 전력은 25kW에 달할 것으로 예상됩니다. 방대한 시설 규모와 컴퓨팅 성능에 대한 수요 증가로 인해 기존의 공랭식 냉각 기술로는 데이터센터의 증가하는 열 방출 요구 사항을 충족하기에 부적합합니다. 액체 냉각은 차세대 데이터센터 건설을 위한 거의 '유일한 선택'이 되었습니다.
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