냉각 시스템용 일반 유체 소개
장기적인 액체 냉각 시스템의 신뢰성은 열 전달 유체 호환성에 달려 있습니다. 다른 열 전달 유체 요구 사항에는 높은 열전도율, 비열, 낮은 점도, 낮은 어는점, 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.
- 물
- 탈염수
- 방청 글리콜 및 수용액
- 유전체 유체
열 전달 유체와 습식 재료의 호환 가능한 조합을 선택하면 부식 위험을 최소화하고 열 성능을 최적화할 수 있습니다.
구리는 물 및 글리콜/물 용액과 호환됩니다.
알루미늄은 글리콜/수용액, 유전체 유체 및 오일과 호환됩니다.
스테인리스 스틸은 다른 금속에 비해 내식성이 향상되기 때문에 탈이온수 또는 기타 부식성 유체에 더 좋습니다.
대부분의 냉각 시스템은 물 또는 글리콜/수용액과 호환되지만 탈이온수 또는 폴리알파올레핀(PAO)과 같은 유전체 유체를 위한 특수 배관이 필요합니다.
소재 및 유체 호환성
| 금속 | 물 | 글리콜 | 탈이온화 | 유전체 유체 (불소, PAO) |
|---|---|---|---|---|
| 구리 | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | |
| 알루미늄 | Ⅹ | Ⅹ | ||
| 스테인리스강 | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ |
열 전달 유체로서의 물
물은 높은 열용량과 열전도율로 인해 액체 냉각 응용 분야에 가장 적합한 선택 중 하나입니다. 또한 유체 경로에 사용하기에 가장 좋은 열 전달 재료 중 하나인 구리와 호환됩니다.
시설 물 또는 수돗물
액체 냉각을 위한 물은 다양한 출처에서 나옵니다. 예를 들어, 수돗물은 공공 소유의 수처리 시설이나 우물에서 나옵니다. 시설이나 수돗물을 사용하는 것의 이점은 쉽게 구할 수 있고 저렴하다는 것입니다. 시설 용수 또는 수돗물에 대해 주의해야 할 중요한 점은 처리되지 않았을 가능성이 높고 불순물이 포함될 가능성이 높다는 것입니다. 불순물은 액체 냉각 루프에서 부식을 일으키거나 유체 채널을 막을 수 있습니다. 따라서 부식을 최소화하고 열 성능을 최적화하기 위해 양질의 물을 사용하는 것이 좋습니다.
물의 부식 가능성
금속을 부식시키는 물의 능력은 화학 성분에 따라 상당히 다를 수 있습니다. 부식성 염화물은 일반적으로 수돗물에서 발견됩니다. 시설 또는 수돗물에 25PPM 이상의 염화물이 포함된 경우 액체 냉각 루프에서 사용해서는 안 됩니다.
물 속의 칼슘과 마그네슘 수치도 고려해야 합니다. 칼슘과 마그네슘은 금속 표면에 스케일을 형성하고 구성 요소의 열 성능을 저하시킬 수 있습니다.
Water Liquid Cooling Recommended Limit of Minerals(수액 냉각 미네랄 권장 한계)
| 미네랄 | 권장 한계치 |
|---|---|
| 칼슘 | < 50PPM |
| 염화물 | < 25PPM |
| 마그네슘 | < 50PPM |
| 황산염 | < 25PPM |
| 총 경도 | < 100PPM (5그레인) |
탈이온수 또는 여과수
시설 용수 또는 수돗물에 미네랄, 염분 또는 기타 불순물이 많이 포함되어 있는 경우 물을 여과하거나 여과수 또는 탈이온수를 구입할 수 있습니다.
부식 억제제: 인산염, 톨릴트리아졸 및 유기산
시설이나 수돗물이 비교적 순수하고 권장 한도를 충족하는 경우에도 추가 보호를 위해 부식 방지제를 사용하는 것이 좋습니다. 인산염은 스테인리스강 및 대부분의 알루미늄 부품에 효과적인 부식 방지제입니다. pH 조절에도 효과적입니다. 인산염의 한 가지 단점은 경수에서 칼슘과 함께 침전된다는 것입니다. 구리와 황동의 경우 톨릴트리아졸은 일반적이고 매우 효과적인 부식 억제제입니다. 알루미늄의 경우 2-에틸 헥사노산 또는 세바신산과 같은 유기산이 보호 기능을 제공합니다.
탈염수
탈이온수는 나트륨, 칼슘, 철, 구리, 염화물 및 브롬화물을 포함하여 이온이 제거된 물입니다. 탈이온화 공정은 부식이나 스케일 형성을 유발할 수 있는 유해한 미네랄, 염분 및 기타 불순물을 제거합니다. 수돗물 및 대부분의 다른 유체에 비해 탈이온수는 저항률이 높습니다. 탈이온수는 우수한 절연체로 전기 부품 제조 또는 부품이 전기적으로 절연된 침수 냉각에 이상적입니다.
탈이온수의 부식성
그러나 물의 저항이 증가함에 따라 부식성도 증가합니다. 탈이온수는 약 pH 7.0이지만 공기에 노출되면 빠르게 산성으로 변합니다. 공기 중의 이산화탄소는 물에 용해되어 이온을 도입하고 pH를 5.0으로 낮춥니다. 부식 방지제는 거의 순수한 물을 사용할 때 필요합니다. 재순환 냉각기 또는 CDU에서 탈이온수를 사용할 때 특수 고순도 배관은 필수입니다. 피팅은 니켈 도금되어야 하고 증발기는 니켈 납땜되어야 합니다. 냉각판이나 열교환기에서 탈이온수를 사용할 때는 스테인리스강 튜브를 사용하는 것이 좋습니다.
액체 냉각 시스템에서 탈이온수의 장점
수돗물은 대부분의 액체 냉각 응용 제품의 요구를 충족시킵니다. 그러나 탈이온화(DI) 물은 화학적 및 전기적 특성을 가지고 있어 액체 회로에 마이크로 채널이 포함되어 있거나 민감한 전자 장치가 관련될 때 냉각에 최적 선택이 됩니다.
탈이온수는 이온 농도가 매우 낮아 중요한 성능 특성을 정의합니다. 첫째, 냉각 효율과 시스템 작동 성능을 저하시키는 냉각수 흐름을 차단하는 광물 침전물을 제거합니다. 둘째, 순환 냉각수에서 정전하 축적으로 인한 전기 아크의 위험을 제거합니다. 아크는 냉각된 장비의 민감한 제어 전자 장치를 손상시킬 수 있습니다. 탈이온수에는 이온이 없어 두 가지 문제를 모두 해결할 수 있습니다.
액체 냉각 시스템에서 탈이온수를 사용하는 방법
탈이온수가 필요한 응용 분야는 다음과 같은 산업에서 찾을 수 있습니다.
- 의료 장비
- 실험실 계측
- 의약품 생산 및 식품 가공
- 화장품
- 반도체 제조
- 레이저, 도금, 화학 및 기타 산업 공정
탈이온수를 사용할 때는 주의하십시오. 이온이 부족하면 이 냉각수가 비정상적으로 부식됩니다. "범용 용매"라고 불리는 탈이온수는 알려진 가장 공격적인 용매 중 하나입니다. 그것은 다양한 정도로 노출되는 모든 것을 용해시킬 것입니다. 따라서 냉각 루프의 모든 재료는 부식에 강해야 합니다.
구리와 탈이온수의 비호환성
구리 및 기타 많은 일반적인 재료는 DI 물과 호환되지 않으며 오염됩니다. DI 물을 사용하여 시스템을 설계할 때는 스테인리스 또는 니켈과 같은 DI 호환 재료를 지정해야 합니다.
탈이온수를 위한 스테인리스강 습식 경로
열교환기 또는 냉각판에서는 스테인리스강 유체 경로를 권장합니다. DI 친화적인 재순환 냉각기에는 니켈 납땜 증발기, 스테인리스강 펌프 헤드 및 니켈 도금 피팅이 포함되어야 합니다. 마지막으로, DI 물의 순도를 유지하려면 탈이온화 카트리지를 포함해야 합니다. 모든 소모품과 마찬가지로 DI 카트리지는 주기적으로 교체해야 합니다.
요약하면, 많은 유형의 장비 및 응용 분야에는 DI 수냉식 시스템이 필요합니다. 적절하게 설계되고 유지 관리되면 이러한 시스템은 수년 동안 안정적인 냉각 및 누출 없는 작동을 제공할 수 있습니다.
액체 냉각에서 억제된 글리콜 및 수용액
액체 냉각 응용 분야에 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 유형의 글리콜은 에틸렌 글리콜 및 물(EGW)과 프로필렌 글리콜 및 물(PGW) 용액입니다.
에틸렌 글리콜과 물
에틸렌 글리콜은 높은 끓는점, 낮은 어는점, 광범위한 온도에서의 안정성, 높은 비열 및 열전도율을 포함한 바람직한 열적 특성을 가지고 있습니다. 또한 점도가 낮아 펌핑 요구 사항이 줄어 듭니다. EGW의 열전도율은 물만큼 높지는 않지만 사용 또는 배송 중에 도움이 될 수 있는 동결 방지 기능을 제공합니다.
프로필렌 글리콜과 물
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 분야에서 사용하기에 안전한 것으로 알려져 있으며 밀폐된 공간에서도 사용할 수 있습니다.
자동차 에틸렌 글리콜 및 물
에틸렌 글리콜은 자동차 부동액에 사용됩니다. 그러나 자동차 글리콜은 규산염 기반 방청제를 함유하고 있기 때문에 냉각 시스템이나 열교환기에 사용해서는 안 됩니다. 이러한 억제제는 겔화되고 오염되어 열교환기 표면을 코팅하고 효율성을 감소시킬 수 있습니다. 규산염은 또한 펌프 씰의 수명을 크게 단축시키는 것으로 나타났습니다.
글리콜 및 수용액에 적합한 방청제 선택
잘못된 억제제는 심각한 문제를 일으킬 수 있지만, 올바른 억제제는 부식을 방지하고 액체 냉각 루프의 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 억제 글리콜은 전문 유체 생산 회사에서 구입할 수 있으며 비억제 글리콜보다 적극 권장됩니다.
글리콜 농도
용액의 글리콜 농도가 증가함에 따라 열 전달 유체의 열 성능이 저하됩니다. 부식 및 동결 방지 요구 사항을 충족하는 데 필요한 가능한 가장 낮은 농도의 억제된 글리콜을 사용하십시오. Dow Chemical은 최소 25-30% EGW4 농도를 권장합니다. 이 최소 농도에서 에틸렌 글리콜은 살균제 및 살균제 역할도 합니다. 재순환 냉각기의 경우 30% 에틸렌 글리콜 용액은 물만 사용할 때보다 열 성능이 약 3% 저하되지만 부식 방지 및 -15°C(5°F)까지 동결 방지 기능을 제공합니다.
글리콜 용액의 수질
글리콜 용액에 사용되는 물의 품질도 중요합니다. 물은 금지된 글리콜을 사용하는 경우에도 권장 미네랄 한계 표에 지정된 한계를 충족하거나 초과해야 합니다. 물 속의 이온으로 인해 억제제가 용액에서 떨어져 오염 및 부식이 발생할 수 있습니다.
냉각수에 글리콜 첨가하기
냉각수에 글리콜을 추가해야 하는 경우는 언제입니까?
Boyd 냉각수 온도 설정점이 30°C(70°F) 미만일 때마다 재순환 냉각기와 함께 10/48 글리콜-물 혼합물을 사용할 것을 권장합니다. 글리콜은 혼합물의 어는점을 낮춥니다 *(그림 1). 냉각수에 글리콜을 첨가하면 냉각수의 어는점이 약 -34°C로 감소하여 동결로 인한 냉각기 손상 위험을 방지할 수 있습니다.
글리콜은 순수한 물만큼 열을 전달하지 않습니다(그림 2 및 3). 따라서 동결의 위험이 없다면 시스템에 글리콜을 추가하면 성능이 저하되므로 100%의 물을 사용하십시오. 그러나 설정값이 10°C(48°F) 미만이면 결빙의 위험이 있으므로 글리콜을 물에 첨가해야 합니다. 약간의 성능 감소는 더 낮은 온도 설정값을 안전하게 허용하기 위해 필요한 절충안입니다.
냉각기에서 냉각수가 작동하는 방식
재순환 냉각기에서는 액체 냉각수가 응용 분야를 통해 흘러 과도한 열을 제거하고 액체의 온도를 높입니다. 그런 다음 이 냉각수는 증발기라고 하는 열교환기를 통해 흘러 설정점 온도로 되돌려야 합니다.
압축기 기반 냉동에 대해 자세히 알아보십시오.
열교환기는 액체 냉각수와 시스템의 냉매 가스 사이에 열을 전달합니다. 냉매의 온도는 열이 흐르고 냉각수 온도가 설정점으로 효과적으로 돌아가려면 냉각수 액체의 온도보다 낮아야 합니다.
냉매의 온도는 일반적으로 열이 흐를 수 있도록 냉각수 온도보다 5°C에서 10°C 낮습니다. 결과적으로 온도 설정점이 10°C(48°F) 미만인 경우 냉매의 온도는 물의 어는점에 가깝거나 심지어 낮을 수 있습니다. 냉각수가 얼면 증발기가 막혀 물의 흐름을 방해할 수 있습니다. 물이 얼면 팽창하여 증발기를 영구적으로 손상시킬 수 있습니다.
유전체 유체
전력 전자, 레이저 및 반도체 산업은 물보다 유전체 유체를 선택할 가능성이 더 높을 수 있습니다. 유전체 유체는 비전도성이며 민감한 전자 장치로 작업할 때 물보다 선호됩니다.
열 전달 유체로서의 과불화 탄소
3M의 유전체 유체 Fluorinert™와 같은 과불화 탄소는 불연성, 비폭발성 및 광범위한 작동 온도에서 열적으로 안정적입니다. 탈이온수도 비전도성이지만 Fluorinert™는 탈이온수보다 부식성이 적기 때문에 일부 응용 분야에서는 더 나은 선택일 수 있습니다. 그러나 물의 열전도율은 약 0.59W/m°C(0.341BTU/hr ft °F)인 반면 Fluorinert™ FC-77의 열전도율은 약 0.063W/m°C(0.036BTU/hr ft °F)에 불과합니다. 불소™는 또한 탈이온수보다 훨씬 비쌉니다.
폴리알파올레핀 액체 냉각
PAO는 유전 특성과 광범위한 작동 온도로 인해 방위 및 항공 우주 응용 분야에서 자주 사용되는 합성 탄화수소입니다. 예를 들어, 오늘날 제트 전투기의 사격 통제 레이더는 PAO를 사용하여 액체 냉각됩니다. Boyd에는 최종 응용 분야에서 PAO를 사용할 냉각판 및 열교환기를 테스트하기 위한 PAO 호환 재순환 냉각기가 있습니다. PAO의 열전도율은 0.14W/m°C(0.081BTU/hr ft °F)입니다. 유전체 유체는 전자 제품에 대한 위험이 낮은 액체 냉각을 제공하지만 일반적으로 물 및 대부분의 수성 솔루션보다 열전도율이 훨씬 낮습니다.
열 전달 유체 선택
물, 탈이온수, 글리콜/수용액 및 플루오로카본 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. 올바른 화학 물질을 사용하면 열 전달 유체가 액체 냉각 루프에 매우 효과적인 냉각을 제공할 수 있습니다.
액체 냉각 기술 및 시스템에 사용할 적절한 작동 유체에 대한 자세한 내용은 당사에 문의하십시오.
