Varför kylning?
Många saker i världen behöver kylas av olika anledningar. Ibland har material och ämnen egenskaper som fungerar bäst i vissa temperaturintervaller, och därför krävs kylning av materialet för att få optimala resultat. Det kan vara kylning av ångan i ett kraftverk genom en värmeväxlare eller elektronisk utrustning som kyls med flänsar och fläktar. Luftkylning är i sig vanligt, men mycket mindre effektivt än vattenkylning. Om exempelvis datorutrustning inte har tillräcklig kylning för sin kapacitet kan det skada komponenterna och göra dem oanvändbara, därför är kylningen en viktig del av att planera exempelvis ett datorbygge.
Vatten
Vatten är både grundläggande för allt liv och har intressanta fysikaliska egenskaper. Vätskan har som högst densitet vid 4 grader Celsius och temperaturer både under och över detta har lägre täthet. De flesta känner till att vatten kokar vid 100 grader Celsius under normala tryckförhållanden, men färre känner till hur hög värmekapacitet vatten har. Värmekapacitet innebär hur mycket ett ämne måste hettas upp för att ändra fas, alltså gå från vätska till gas, solid till flytande eller tvärtom. Dess höga värmekapacitet innebär att det krävs mycket energi för att värma upp vatten, vilket i sin tur innebär att det blir ett mycket effektivt kylmedel då det tar värme från ett annat material och denna kan ledas bort genom cirkulation och värmeväxling. Detta är hela den grundläggande filosofin bakom vattenkylning.
Värmeväxlar
e
Eftersom vi befinner oss i en atmosfär som består av de olika gaserna som utgör luft finns det utmaningar med vattenkylning. Vattnet måste ledas mot en kontaktyta som effektivt överför värmeenergin till vattnet som cirkuleras i slangar, men för att kylningen ska fungera optimalt måste vattnet också kunna göra sig av med denna energi. Detta sker vanligtvis till den omgivande luften. Kontaktytan som värmen leds bort ifrån är mycket mindre än den där vattnet kyls ner igen, vilket sker genom luftcirkulation. Detta är också basen till hur ett kylskåp fungerar, men i dem används olika gaser istället för vatten, eftersom tryckförändringar av en gas skapar temperaturförändringar och därför kan “skapa” kyla. En komponent som är vattenkyld blir aldrig svalare än den omgivande luften för vattnets värmeväxlare.
Termisk konduktivitet
Ett materials förmåga att jämna ut temperatur kallas bland annat för termisk konduktivitet. Vakuum har en mycket dålig termisk konduktivitet, och är alltså isolerande, medan silver har mycket bra både elektrisk och termisk konduktivitet. Denna egenskap är en nyckelfaktor för effektiv kylning, eftersom det möjliggör ledning av värmeenergi från ett material till ett annat. Till exempel är ett datachip tillverkat av kisel inte särskilt bra på att leda bort värmeenergi, men med silverpasta som ett lager mellan chippet och exempelvis en kylfläns av metall kan värmeenergin som chippet genererar snabbt ledas till kylflänsen och det resterande kylsystemet och man kan därmed undvika skador på elektroniken.
