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액체 냉각을 위한 최고의 열전달 유체
장기적인 액체 냉각 시스템의 신뢰성은 열전달 유체 호환성에 따라 달라집니다. 다른 열전달 유체 요건에는 높은 열전도율, 비열, 낮은 점도, 낮은 빙점, 높은 인화점, 낮은 부식성, 낮은 독성 및 열 안정성이 포함될 수 있습니다. 이러한 기준에 따라 오늘날 액체 냉각 응용 분야에 가장 일반적으로 사용되는 냉각수는 다음과 같습니다.
열전달 유체 및 유체와 접하는 자재의 호환 가능한 조합을 선택하면 부식 위험을 최소화하고 열 성능을 최적화할 수 있습니다.
구리는 물 및 글리콜/물 용액과 호환됩니다.
알루미늄은 글리콜/물 용액, 유전체 유체 및 오일과 호환됩니다.
스테인리스 스틸은 다른 금속에 비해 향상된 내식성으로 인해 탈이온수 또는 기타 부식성 유체에 더 적합합니다.
대부분의 냉각 시스템은 물 또는 글리콜/물 용액과 호환되지만, 탈이온수 또는 폴리알파올레핀(PAO)과 같은 유전체 유체에는 특수 배관이 필요합니다.
금속 |
물 |
글리콜 |
탈이온 |
유전체 유체 |
| 동선 | X | X | X | |
| 알루미늄 | X | X | ||
| 스테인리스강 | X | X | X | X |
액체 냉각용 물은 다양한 공급원에서 나옵니다. 예를 들어, 수돗물은 공공 소유의 수처리 시설 또는 우물에서 나옵니다. 시설 용수 또는 수돗물을 사용할 때의 이점은 쉽게 구할 수 있고 저렴하다는 것입니다. 시설 용수 또는 수돗물에 대해 유의해야 할 중요한 사항은 처리되지 않았으며 불순물을 함유할 가능성이 높다는 것입니다. 불순물은 액체 냉각 루프에서 부식을 일으키고/또는 유체 채널을 막을 수 있습니다. 따라서 부식을 최소화하고 열 성능을 최적화하기 위해 우수한 품질의 물을 사용하는 것이 좋습니다.
금속을 부식시키는 물의 능력은 화학적 조성에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 부식성 염화물은 수돗물에서 흔히 발견됩니다. 시설 용수 또는 수돗물은 25 PPM 이상의 염화물이 포함된 경우 액체 냉각 루프에 사용해서는 안 됩니다.
물 속의 칼슘과 마그네슘 수치 또한 고려해야 합니다. 칼슘과 마그네슘은 금속 표면에 스케일을 형성하고 구성 요소의 열 성능을 감소시킬 수 있습니다.
미네랄 |
권장 한도 |
| 칼슘 | < 50ppm |
| 염화물 | < 25ppm |
| 마그네슘 | < 50ppm |
| 황산염 | < 25ppm |
| 총 경도 | < 100ppm(5 그레인) |
시설 용수나 수돗물에 미네랄, 염 또는 기타 불순물이 많이 포함되어 있는 경우 물을 여과하거나 여과수 또는 탈이온수를 구입할 수 있습니다.
시설 용수나 수돗물이 비교적 순수하고 권장 한계를 충족하더라도 추가적인 보호를 위해 부식 억제제를 사용하는 것이 좋습니다. 인산염은 스테인리스 스틸 및 대부분의 알루미늄 부품에 효과적인 부식 억제제입니다. pH 조절에도 효과적입니다. 인산염의 한 가지 단점은 경수에서 칼슘과 함께 침전된다는 것입니다. 톨릴트리아졸은 구리 및 황동에 대한 흔하고 매우 효과적인 부식 억제제입니다. 알루미늄의 경우 2-에틸헥사노산 또는 세바스산과 같은 유기산이 보호 기능을 제공합니다.
탈이온수는 나트륨, 칼슘, 철, 구리, 염화물 및 브롬화물을 포함하여 이온이 제거된 물입니다. 탈이온화 공정은 부식 또는 스케일 형성을 유발할 수 있는 유해한 미네랄, 염 및 기타 불순물을 제거합니다. 수돗물 및 대부분의 다른 액체와 비교하여 탈이온수는 비저항이 높습니다. 탈이온수는 우수한 절연체로, 부품을 전기적으로 절연해야 하는 전기 부품 제조 또는 침수 냉각에 이상적입니다.
그러나 물의 비저항이 증가함에 따라 부식성도 증가합니다. 탈이온수는 약 pH 7.0이지만 공기에 노출되면 빠르게 산성이 됩니다. 공기 중의 이산화탄소는 물에 용해되어 이온을 유입시키며 pH를 5.0으로 낮춥니다. 부식 억제제는 사실상 순수한 물을 사용할 때 필요합니다. 재순환 칠러 또는 CDU에서 탈이온수를 사용할 때 특수한 고순도 배관이 필수입니다. 피팅은 니켈 도금되어야 하며 증발기는 니켈 브레이징되어야 합니다. 콜드 플레이트 또는 열교환기에서 탈이온수를 사용할 때는 스테인리스 스틸 튜브를 사용하는 것이 좋습니다.
수돗물은 대부분의 액체 냉각 응용 분야의 요구를 충족합니다. 그러나 탈이온수(DI)는 액체 회로에 마이크로 채널이 포함되어 있거나 민감한 전자 장치가 관련되어 있을 경우, 냉각에 최적의 선택이 되는 화학적 및 전기적 특성을 가지고 있습니다.
탈이온수는 이온 농도가 매우 낮아 중요한 성능 특성을 결정합니다. 첫째, 냉각수 흐름을 차단해 냉각 효율과 시스템 작동 성능을 저하시키는 미네랄 침전물을 제거합니다. 둘째, 순환하는 냉각수로 생기는 정전기 축적으로 인한 전기 아크 발생 위험을 제거합니다. 아크는 냉각된 장비의 민감한 제어 전자 장치를 손상시킬 수 있습니다. 탈이온수에 이온이 없으면 두 가지 문제가 모두 제거됩니다.
탈이온수가 필요한 응용 분야는 다음과 같은 산업에서 찾아볼 수 있습니다:
탈이온수 사용 시 주의하십시오. 이온이 부족하면 이 냉각수는 이례적으로 부식성이 강해집니다. “범용 용매”라고 불리는 탈이온수는 알려진 가장 공격적인 용매 중 하나입니다. 노출되는 모든 것을 정도의 차이는 있지만 용해시킵니다. 따라서 냉각 루프의 모든 재료는 내부식성이 있어야 합니다.
구리 및 기타 많은 일반적인 재료는 탈이온수와 호환되지 않으며 이를 오염시킵니다. 탈이온수를 사용하여 시스템을 설계할 때는 스테인리스 스틸 또는 니켈과 같은 탈이온수 호환 재료를 지정해야 합니다.
열교환기 또는 콜드 플레이트에서는 스테인리스 스틸 유체 경로를 권장합니다. DI 친화적 재순환 칠러는 니켈 브레이징된 증발기, 스테인리스 스틸 펌프 헤드 및 니켈 도금 피팅을 포함해야 합니다. 마지막으로, DI수의 순도를 유지하려면 탈이온화 카트리지를 반드시 포함해야 합니다. 모든 소모품과 마찬가지로, DI 카트리지는 주기적으로 교체해야 합니다.
요약하면, 많은 유형의 장비와 응용 분야에는 DI 수냉식 시스템이 필요합니다. 이러한 시스템은 적절하게 설계 및 유지 관리되면 수년 동안 신뢰할 수 있는 냉각과 누출 없는 작동을 제공할 수 있습니다.
액체 냉각 응용 분야에 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 유형의 글리콜은 에틸렌 글리콜 및 물(EGW)과 프로필렌 글리콜 및 물(PGW) 용액입니다.
에틸렌 글리콜은 높은 비등점, 낮은 빙점, 광범위한 온도 범위에서의 안정성, 높은 비열 및 열전도성을 포함한 바람직한 열적 특성을 갖습니다. 또한 점도가 낮아 펌핑 요구 사항이 줄어듭니다. EGW의 열전도율은 물만큼 높지는 않지만 사용 또는 배송 중에 유용할 수 있는 동결 방지 기능을 제공합니다.
EGW는 PGW보다 더 바람직한 물리적 특성을 가지고 있지만, 프로필렌 글리콜/물은 독성이 우려될 수 있는 응용 분야에 사용됩니다. PGW는 일반적으로 식품 또는 식품 가공 응용 분야에 사용하기에 안전한 것으로 인식되며 밀폐된 공간에서도 사용할 수 있습니다.
에틸렌 글리콜은 자동차 부동액에 사용됩니다. 그러나 자동차용 글리콜은 규산염계 녹 억제제를 함유하고 있기 때문에 냉각 시스템 또는 열교환기에서 사용해서는 안 됩니다. 이러한 억제제는 겔화되고 오염을 일으켜 열교환기 표면을 코팅하고 효율성을 감소시킬 수 있습니다. 또한 규산염은 펌프 씰의 수명을 크게 줄이는 것으로 나타났습니다.
잘못된 억제제는 심각한 문제를 일으킬 수 있지만 올바른 억제제는 부식을 방지하고 액체 냉각 루프의 수명을 크게 연장시킬 수 있습니다. 억제제가 포함된 글리콜은 전문 유체 생산 회사로부터 구입할 수 있으며 억제제가 포함되지 않은 글리콜보다 적극 권장됩니다.
용액 중 글리콜의 농도가 증가함에 따라 열전달 유체의 열 성능이 감소합니다. 부식 및 동결 방지 요구 사항을 충족하는 데 필요한 가장 낮은 농도의 억제제 포함 글리콜을 사용하십시오. Dow Chemical은 최소 농도 25~30% EGW4를 권장합니다. 이러한 최소 농도에서 에틸렌 글리콜은 또한 살균제 및 살진균제로서 작용합니다. 재순환 칠러를 사용하면 30% 에틸렌 글리콜 용액은 물만 사용하는 것보다 열 성능이 약 3%만 떨어지지만, 부식 방지는 물론 -15°C(5°F)까지 동결 보호 기능을 제공합니다.
글리콜 용액에 사용되는 물의 품질도 중요합니다. 억제제 포함 글리콜을 사용하더라도 물은 권장 광물 한도 표에 명시된 한도를 충족하거나 초과해야 합니다. 물 속의 이온은 억제제가 용액에서 빠져 나오게 하여 오염물 축적과 부식을 초래할 수 있습니다.
이튼은 냉각수 온도 설정점이 10°C(48°F) 미만일 때마다 재순환 칠러와 함께 30/70 글리콜-물 혼합물을 사용할 것을 권장합니다. 글리콜은 혼합물의 빙점을 낮춥니다 *(그림 1). 냉각수에 글리콜을 추가하면 냉각수의 빙점이 약 -34°C로 낮아져 동결로 인한 칠러 손상 위험을 방지합니다.
글리콜은 순수한 물만큼 열을 잘 전달하지 못합니다(그림 2 및 3). 따라서 동결 위험이 없는 경우, 시스템에 글리콜을 추가하면 성능이 저하되므로 100% 물을 사용하십시오. 그러나 설정점이 10°C(48°F) 미만일 경우 동결 위험이 있으므로 물에 글리콜을 첨가해야 합니다. 약간의 성능 감소는 낮은 온도 설정점을 안전하게 허용하기 위해 필요한 트레이드오프입니다.
재순환 칠러에서 액체 냉각제는 응용 장치를 통해 흐르며 과도한 열을 제거하고 액체의 온도를 상승시킵니다. 그런 다음 이 냉각수는 증발기라고 하는 열교환기를 통해 흐르면서 설정점 온도로 되돌아가야 합니다.
압축기 기반 냉동에 대해 자세히 알아보십시오.
열교환기는 액체 냉각수와 시스템의 냉매 가스 간에 열을 전달합니다. 열이 흐르고 냉각수 온도가 효과적으로 설정점으로 되돌아가려면 냉매의 온도는 냉각수 액체의 온도보다 낮아야 합니다.
냉매의 온도는 일반적으로 열이 흐를 수 있도록 냉각수 온도보다 5°C~10°C 낮습니다. 따라서 온도 설정점이 10°C(48°F) 미만인 경우 냉매의 온도는 물의 빙점에 가깝거나 심지어 그 아래에 있을 수 있습니다. 냉각수가 얼면 증발기가 막혀 물의 흐름을 방해할 수 있습니다. 물은 얼 때 팽창하므로 증발기가 영구적으로 손상될 수 있습니다.
전력 전자 장치, 레이저 및 반도체 산업은 물보다 유전체 유체를 선택할 가능성이 더 높을 수 있습니다. 유전체 유체는 비전도성이며 민감한 전자 장치로 작업할 때 물보다 선호됩니다.
3M의 유전체 유체 Fluorinert™와 같은 과불소화 탄소는 비인화성, 비폭발성이며 광범위한 작동 온도에서 열적으로 안정적입니다. 탈이온수도 비전도성이지만, Fluorinert™는 탈이온수보다 부식성이 적으므로 일부 응용 분야에 더 나은 선택이 될 수 있습니다. 그러나 물은 약 0.59W/m°C(0.341 BTU/hr ft °F)의 열전도성을 갖는 반면, Fluorinert™ FC-77은 약 0.063W/m°C(0.036 BTU/hr ft °F)의 열전도성만을 갖습니다. 또한 Fluorinert™는 탈이온수보다 훨씬 고가입니다.
PAO는 유전체 특성과 광범위한 작동 온도 때문에 국방 및 항공우주 응용 분야에서 자주 사용되는 합성 탄화수소입니다. 예를 들어, 오늘날의 제트 전투기의 사격 통제 레이더는 PAO를 사용하여 액체 냉각됩니다. 이튼은 최종 응용 분야에서 PAO를 사용할 콜드 플레이트 및 열교환기를 테스트하기 위한 PAO 호환 재순환 칠러를 보유하고 있습니다. PAO의 열전도율은 0.14W/m°C(0.081 BTU/hr ft °F)입니다. 유전체 유체는 전자 장치에 위험이 적은 액체 냉각을 제공하지만, 일반적으로 물 및 대부분의 수성 용액보다 훨씬 낮은 열전도율을 갖습니다.
물, 탈이온수, 글리콜/물 용액 및 불화탄소 및 PAO와 같은 유전체 유체는 고성능 액체 냉각 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 열 전달 유체입니다. 유체 경로와 호환되고 부식 방지 또는 부식 위험을 최소화하며, 응용 분야의 특정 요구 사항을 충족하는 열 전달 유체를 선택하는 것이 중요합니다. 적절한 화학적 조성을 갖추면 열 전달 유체는 액체 냉각 루프에 효과적인 냉각을 제공할 수 있습니다.
액체 냉각 기술 및 시스템에 사용할 적절한 작동 유체에 대한 자세한 내용은 당사에 문의하십시오.
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