液体冷却が解決策であると判断したら、使用する伝熱流体を知っていますか? One of the most important factors when choosing a liquid cooling technology for your application is the compatibility of the heat transfer fluid with the wetted surfaces of each part of liquid cooling loop. This includes liquid cold plates, heat exchangers, CDUs, tubes, and any quick disconnects.
冷却システムに一般的な液体の概要
Long-term liquid cooling system reliability depends on heat transfer fluid compatibility. Other heat transfer fluid requirements may include high thermal conductivity, specific heat, low viscosity, low freezing point, high flash point, low corrosivity, low toxicity, and thermal stability. これらの基準に基づいて、今日の液冷アプリケーションに最も一般的に使用されている冷却水は次のとおりです。
- 水
- 脱イオン水
- 抑制グリコールおよび水溶液
- 誘電性流体
By selecting a compatible pairing of heat transfer fluid and wetted materials, you’ll minimize the risk of corrosion and optimize thermal performance.
Copper is compatible with water and glycol/water solutions.
Aluminum is compatible with glycol/water solutions, dielectric fluids, and oils.
Stainless steel is better for deionized water or other corrosive fluids because of its improved corrosion resistance over other metals.
Most cooling systems are compatible with water or glycol/water solutions but require specialized plumbing for deionized water or a dielectric fluid like polyalphaolefin (PAO).
材料と流体の適合性
| Metal | 水 | グリコール | Deionized | 誘電性流体 (Fluorinert, PAO) |
|---|---|---|---|---|
| 銅 | X | X | X | |
| アルミニウム | X | X | ||
| ステンレススチール | X | X | X | X |
Water as a Heat Transfer Fluid
水は、熱容量と熱伝導率が高いことから、液冷用途に最適な選択肢の1つです。また、流体管路に使用するのに最適な熱伝導材料の1つである銅とも互換性があります。
Facility Water or Tap Water
液冷用の水はさまざまな供給源から来ています。たとえば、水道水は公営の水処理施設や井戸から来ています。施設や水道水を使用する利点は、すぐに利用できること、そして安価である点です。 What is important to note about facility water or tap water is that it is likely untreated and likely to contain impurities. Impurities can cause corrosion in the liquid cooling loop and/or clog fluid channels. Therefore, using good quality water is recommended to minimize corrosion and optimize thermal performance.
Water’s Potential for Corrosion
金属を腐食する水の能力は、その化学組成によって大きく異なります。 Corrosive chloride is commonly found in tap water.施設または水道水に25PPMを超える塩化物が含まれている場合は、液冷ループで使用するべきではありません。
The levels of calcium and magnesium in the water also need to be considered. Calcium and magnesium can form scale on metal surfaces and reduce the thermal performance of the components.
Water Liquid Cooling Recommended Limit of Minerals
| ミネラル | 推奨制限値 |
|---|---|
| カルシウム | < 50 ppm |
| 塩化物 | < 25 ppm |
| マグネシウム | < 50 ppm |
| 硫酸塩 | < 25 ppm |
| 総硬度 | < 100 ppm (5 grains) |
Deionized Water or Filtered Water
If your facility water or tap water contains a large percent of minerals, salts, or other impurities, you can either filter the water or purchase filtered or deionized water.
Corrosion Inhibitors: Phosphate, Tolyltriazole, and Organic Acids
We still recommend using a corrosion inhibitor for additional protection even if your facility or tap water is relatively pure and meets recommended limits. リン酸塩は、ステンレス鋼やほとんどのアルミニウム部品に対して効果的な腐食防止剤となります。 It's also effective for pH control. One disadvantage of phosphate is that it precipitates with calcium in hard water.銅と真ちゅうの場合は、トリルトリアゾールが使用されることが多く、非常に効果的な腐食防止剤となります。アルミニウムの場合は、2-エチルヘキサン酸やセバシン酸などの有機酸で保護を提供します。
脱イオン水
脱イオン水とは、ナトリウム、カルシウム、鉄、銅、塩化物、臭化物などのイオンを除去した水です。脱イオン処理では、腐食やスケール形成を引き起こす可能性のある有害なミネラル、塩、およびその他の不純物を除去します。 Compared to tap water and most other fluids, deionized water has a high resistivity. Deionized water is an excellent insulator which is ideal for electrical components manufacturing or immersion cooling where components bust be electrically isolated.
Corrosivity of Deionized Water
ただし、水の抵抗率が高くなるにつれ、腐食性も高くなります。 Deionized water is approximately pH 7.0 but will quickly become acidic when exposed to air. The carbon dioxide in air dissolves in the water, introducing ions and reduces the pH to 5.0. Corrosion inhibitors are required when using virtually pure water. When using deionized water in a recirculating chiller or CDU, special high purity plumbing are a must.継手はニッケルメッキにして、蒸発器をニッケルろう付けする必要があります。 When using deionized water in cold plates or heat exchangers, stainless steel tubing is recommended.
Pros to Deionized Water in Liquid Cooling Systems
水道水は、ほとんどの液体冷却アプリケーションのニーズを満たしています。ただし、脱イオン(DI)水には化学的および電気的特性があるため、液体回路にマイクロチャネルが含まれている場合、または敏感な電子機器が関与している場合の冷却に最適です。
DI water has an extremely low concentration of ions which defines important performance attributes. First, it eliminates mineral deposits which block coolant flow which degrade cooling efficiency and system operating performance. Second, it eliminates the risk of electrical arcing due to static charge build-up from the circulating coolant. Arcing can damage sensitive control electronics in the cooled equipment. No ions in DI water eliminates both problems.
液体冷却システムで脱イオン水を使用する方法
Applications that need DI water are found in industries such as:
- 医療機器
- ラボ機器
- Pharmaceutical production and food processing
- Cosmetic
- 半導体製造
- Lasers, plating, chemical and other industrial processing
Exercise care when using DI water. The lack of ions makes this coolant unusually corrosive. Called the "universal solvent," deionized water is one of the most aggressive solvents known. It will dissolve everything to which it is exposed to varying degrees. Therefore all materials in the cooling loop must be corrosion-resistant.
Copper’s Non-compatibility with Deionized Water
銅や他の多くの一般的な材料はDI水と互換性がなく、汚染します。DI水を使用してシステムを設計する場合は、ステンレス鋼やニッケルなどのDI互換材料を必ず指定してください。
Stainless Steel Wetted Paths for Deionized Water
In a heat exchanger or cold plate, we recommend a stainless steel fluid path. A DI friendly recirculating chiller should contain a nickel-brazed evaporator, a stainless steel pump head, and nickel-plated fittings.最後に、DI水の純度を維持するために、脱イオンカートリッジを含める必要があります。すべての消耗品と同様に、DIカートリッジは定期的に交換する必要があります。
In summary, many types of equipment and applications require DI water-cooled systems.適切に設計および保守されている場合、これらのシステムは長年にわたって信頼性の高い冷却と漏れのない動作を提供できます。
Inhibited Glycol and Water Solutions in Liquid Cooling
The two types of glycol most commonly used for liquid cooling applications are ethylene glycol and water (EGW) and propylene glycol and water (PGW) solutions.
Ethylene Glycol and Water
エチレングリコールは、高沸点、低凝固点、広範囲の温度にわたる安定性、高い比熱および熱伝導率など、望ましい熱特性を有しています。 It also has low viscosity, meaning reduced pumping requirements.EGWの熱伝導率は水ほど高くはありませんが、凍結保護性があるため使用中または輸送中に有益です。
Propylene Glycol and Water
Although EGW has more desirable physical properties than PGW, propylene glycol/water is used in applications where toxicity might be a concern. PGW is generally recognized as safe for use in food or food processing applications and can also be used in enclosed spaces.
Automotive Ethylene Glycol and Water
Ethylene glycol is used in automotive antifreeze. However, automotive glycol should not be used in a cooling system or heat exchanger because it contains silicate-based rust inhibitors.これらの抑制剤は、ゲル化して汚れることがあり、熱交換器の表面をコーティングし、効率を低下させる可能性があります。 Silicates have also been shown to significantly reduce the lifespan of pump seals.
Choosing the Right Rust Inhibitor for Glycol and Water Solutions
While the wrong inhibitors can cause significant problems, the right inhibitors can prevent corrosion and significantly prolong the life of a liquid cooling loop. Inhibited glycols can be purchased from specialized fluid production companies and are highly recommended over non-inhibited glycols.
Glycol Concentration
As the concentration of glycol in the solution increases, the thermal performance of the heat transfer fluid decreases. Use the lowest possible concentration of inhibited glycol necessary to meet your corrosion and freeze protection needs. Dow Chemical recommends a minimum concentration of 25-30% EGW4. At this minimum concentration, ethylene glycol also serves as a bactericide and fungicide. With recirculating chillers, a solution of 30% ethylene glycol will result in only about a 3% drop in thermal performance over using water alone but will provide corrosion protection as well as freeze protection down to -15°C (5°F).
Water Quality in Glycol Solutions
グリコール溶液に使用される水の質も重要です。 The water should meet or exceed the limits specified in the Recommended Mineral Limit table, even if you're using an inhibited glycol.水中に含まれるイオンにより、阻害剤が溶液から抜け落ち、汚れや腐食を引き起こす可能性があります。
冷却水へのグリコール追加
When Is It Necessary to Add Glycol in Your Coolant?
Boydは、冷却水温度の設定値が10°C（48°F）未満の場合は常に、再循環チラーで30/70グリコールと水の混合液を使用することを推奨しています。グリコールは混合液の凝固点を下げます*（図1）。冷却水にグリコールを追加すると、冷却水の凝固点が約-34°Cに低下し、凍結でチラーが損傷されるリスクを防ぎます。
グリコールは純水と同様に熱を伝達しません（図2および3）。 So if there is no risk of freezing, use 100% water as adding glycol to your system will decrease performance.ただし、設定温度が10°C（48°F）未満の場合は凍結の恐れがあるため、グリコールを水に加える必要があります。性能のわずかな低下は、より低い温度を安全に設定するためのトレードオフです。
How Coolants Work in Chillers
In a recirculating chiller, the liquid coolant flows through the application, removing excess heat and raising the temperature of the liquid.次に、この冷却水を、蒸発器と呼ばれる熱交換器に流すことで設定温度に戻す必要があります。
Learn more about Compressor-Based Refrigeration.
The heat exchanger transfers heat between the liquid coolant and the system's refrigerant gas. The refrigerant's temperature must be lower than the temperature of coolant liquid for heat to flow and for coolant temperature to be effectively returned to set point.
通常、冷媒の温度は、熱を流すために冷却水の温度より5°Cから10°C低くなっています。したがって、設定温度が10°C（48°F）未満の場合、冷媒の温度は水の凝固点に近いか、それ以下になる可能性があります。冷却水が凍結すると、蒸発器が閉塞し、水の流れが妨げられる可能性があります。 Water expands as it freezes, which can permanently damage the evaporator.
誘電性流体
Power electronics, laser, and semiconductor industries might be more likely to choose dielectric fluids over water. A dielectric fluid is non-conductive and preferred over water when working with sensitive electronics.
Perfluorinated Carbons as a Heat Transfer Fluid
3Mの誘電性流体フロリナート™などのパーフルオロ系炭素は、不燃性、非爆発性で、幅広い動作温度で熱的に安定しています。脱イオン水も非導電性ですが、フロリナート™は脱イオン水よりも腐食性が低いため、一部の用途に対してはより適正がある場合があります。 However, water has a thermal conductivity of approximately 0.59 W/m°C (0.341 BTU/hr ft °F), while Fluorinert™ FC-77 has a thermal conductivity of only about 0.063 W/m°C (0.036 BTU/hr ft °F). Fluorinert™ is also much more expensive than deionized water.
Polyalphaolefin Liquid Cooling
PAO is a synthetic hydrocarbon used frequently in defense and aerospace applications for its dielectric properties and wide range of operating temperatures.たとえば、今日のジェット戦闘機の火器管制レーダーは、PAOを使用して液冷されています。 Boyd has PAO compatible recirculating chillers for testing cold plates and heat exchangers that will use PAO in their final application.PAOの熱伝導率は0.14W/m°C（0.081BTU/時フィート°F）です。 Although dielectric fluids provide low risk liquid cooling for electronics, they generally have a much lower thermal conductivity than water and most water-based solutions.
Selecting Your Heat Transfer Fluid
水、脱イオン水、グリコール/水溶液、およびフルオロカーボンやPAOなどの誘電性流体は、高性能液冷アプリケーションで最も一般的に使用される熱伝導流体です。流体管路との互換性があり、腐食保護性があるか腐食のリスクを最小限に抑えることができ、アプリケーションに固有の要件を満たすことができる熱伝導流体を選択することが重要です。適切な化学的性質を使用することで、熱伝導流体で液冷ループを非常に効果的に冷却することができます。
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