Hur man väljer de bästa kompakta värmeväxlarna för elektronikkylning

 

Användningen av komponenter med hög effektdensitet i elektroniska produkter ökar snabbt, vilket gör vätskekylning till en hållbar lösning för tillämpningar med högt värmeflöde, vilket för närvarande är en stor trend. Bland andra faktorer är ett effektivt vätskekylningssystem beroende av värmeavledningskapaciteten hos dess värmeväxlare. Dessa värmeväxlare varierar i typ, storlek och konfiguration beroende på applikationsscenariot.

 

 

I Grundkonstruktion

 

Figur 1 visar ett typiskt vatten-till-luft, vätskekylt, slutet system. Kylvätskan pumpas genom en kall platta i kontakt med IC-komponenterna. Värmen som absorberas från komponenterna avleds till luften genom värmeväxlaren och den kylda vätskan fortsätter genom slingan och upprepar cykeln.

 

▲ Figur 1. Vatten- och lufthybridkylslinga för elektroniska enheter

 

Formeln för att beräkna värmen som överförs från vatten till luft är följande:

 

Där:

• Tw2: temperaturen på vätskan som kommer in i värmeväxlaren;
• Ta: den omgivande lufttemperaturen för värmeväxlaren;
• Cmin: den minsta av värmekapacitetshastigheterna för luft (Ca) eller vatten (Cw), som är produkten av massflödeshastighet och specifik värme vid konstant tryck;
• ε: värmeväxlarens effektivitet, definierad som förhållandet mellan den faktiska värmeöverföringen i värmeväxlaren och den högsta möjliga värmeöverföringen termodynamiskt.

 

Yttemperaturen på IC-komponenterna i kontakt med den kalla plattan beräknas med formel 2.

 

 

Där:

• Tw1 är vattentemperaturen vid inloppet av den kalla plattan;
• Rcp är den termiska resistansen från IC-komponenterna till den kalla plattans inlopp, inklusive gränssnittsresistansen mellan komponenterna och den kalla plattan.

 

Temperaturökningen i vattnet på grund av värmen från komponenterna kan uppskattas med hjälp av följande formel:

 

 

Där:Cw är vätskans värmekapacitet, vilket är produkten av massflödet och vätskans specifika värme.

Genom att integrera formler 1-3 härleder vi formel 4:

 

 

Detta kopplar yttemperaturen på IC-komponenterna till prestanda hos den kalla plattan och värmeväxlaren.

I ovanstående ekvationer, om olika vätsketyper används i värmeväxlaren, bör sänkningarna "w" och "a" ändras till allmänna sänkningar "c" och "h" för att representera egenskaperna för de kalla respektive varma vätskorna. .

 

Värmeväxlare Yta

 

Värmeväxlarens yta måste vara mycket stor, speciellt på den sida som är exponerad för luft. Detta beror på att värmeöverföringskoefficienten vid luftkylning är mycket lägre än vid vätskekylning. Att öka ytan på luftsidan minskar termiskt motstånd, vilket möjliggör högre värmeöverföring mellan vätska och luft.

 

Trots behovet av stora ytor för att effektivt avleda värme, har många projekt inte tillräckligt med utrymme för att rymma stora värmeväxlarenheter, särskilt i applikationer på enhetsnivå för komponenter och kort.

 

Att välja lämplig värmeväxlare inom det tillgängliga utrymmet är avgörande. Dessutom kan parametrar som massflöde, användning av vätskor med högre specifik värme eller ökad kylfläkts effekt justeras för att förbättra kylprestanda.

 

 

II värmeväxlare fentyper

 

Luftsidan på värmeväxlare är vanligtvis utrustade med kompakta flänsar för att öka värmeväxlingen mellan luft och vätska.

Typen av fenor måste vara lämplig för det specifika tillämpningsscenariot. BokenKompakta värmeväxlareintroducerar flera fentyper, inklusive raka fenor, lamellfenor, remsfenor, vågiga fenor och stiftfenor, som visas i figur 2.

 

▲ Figur 2. Typer av värmeväxlarfenor

 

Studier har testat luftkylda värmeväxlare ochtillhandahållit riktlinjer för optimering av fendesigngenom att kombinera värmeöverföring, tryckfall, storlek, vikt och kostnad.

 

Korrelationerna för att använda Colburn-faktorn (JH) och friktionsfaktorn (f) för att beskriva värmeöverföringsindex och tryckfallsindex visas i formlerna 5 och 6.

 

 

 

 

Där:ρ och v är vätskans densitet och kinematiska viskositet.

 

Stantonnumret (St) i formel 5 kan skrivas om enligt följande:

 

 

I formlerna 5-7 representerar Pr, t, v, NU och Re Prandtl-talet, väggskjuvspänningen, vätskans kinematiska viskositet, Nusselt-talet respektive Reynolds-talet.

 

Figur 3 visar förhållandet mellan (JH/f)-förhållandet och Reynolds-talet för fenstrukturerna som visas i figur 2.

 

 

▲ Figur 3. Förhållandet mellan fenstrukturer och Reynolds nummer

 

Det kan tydligt ses från figur 3 att när den viktigaste designfaktorn för värmeväxlaren är värmeöverföringen per enhet tryckfall, är raka flänsar de mest effektiva, följt av lameller, vågiga, förskjutna remsor och stiftstrukturer.

 

Under olika flyghastighetsförhållanden var de raka fenornas termiska motstånd lägst.

 

I figur 4 indikerar värmeöverföringen per höjdenhet och Reynolds talförhållande att stiftfenor är den mest lämpliga konfigurationen, följt av jalusi, förskjuten remsa, vågiga och raka fenor.

 

▲ Figur 4. Värmeöverföring per höjdenhet för olika värmeväxlarkonfigurationer

 

En annan viktig designfaktor är vikt. Till exempel, optimering av värmeväxlare som används i flygelektroniksystem prioriterar ofta lamellerna först, följt av vågiga, förskjutna remsor, stift och raka fenor.

 

 

III Kompakt värmeväxlare kylvätska

 

Beroende på system och tillämpning använder små värmeväxlare olika typer av vätskor. Vissa vätskor har större värmeöverföring och effektivare termisk diffusion per volymenhet.

 

För att illustrera detta, överväg värmetransport på grund av entalpiförändring i ett öppet system, som visas i formel 8.

 

 

Där:

 

 

(ρ är vätskedensiteten, V är hastighet och A är tvärsnittsarean), Cp är den specifika värmen vid konstant tryck.

 

Om hastighet och tvärsnittsarea anses vara konstanter, bestämmer Cp och ρ värmeöverföringen vid användning av olika vätskor.

 

Tabell 1 visar värdena för Cp, ρ, μ och k för etylenglykol, vatten och luft vid 300K.

 

▲ Tabell 1. Termodynamiska egenskaper hos typiska kylmedel

 

Tabell 1 visar att vätskor med högre densitet och värmekapacitet kan ta bort mer värme. Användning av sådana vätskor ökar avsevärt värmeöverföringen i applikationer med högt värmeflöde.

 

Men att använda vätskor med bättre värmeöverföringsförmåga kräver högre pumpeffekt för att driva vätskan genom systemet.

 

För att minska den effekt som krävs för kylvätskecirkulation använder värmeväxlaren kokande värmeöverföring.

 

I vissa system absorberar kylvätskan värme från värmekällan och avdunstar.

 

Baserat på systemets komplexitet pumpas den varma kylvätskan genom en flänsförsedd kondensordel, där kylvätskan kyls och återgår till vätskefasen.

 

Eftersom kylvätskan växlar fas från vätska till gas och blir lägre i densitet, reduceras den erforderliga pumpeffekten för kylvätskecirkulationen avsevärt.

 

Allt eftersom integrerade kretsar utvecklas snabbt, med komponenter som har högre effekttäthet, blir kompakta värmeväxlare viktiga i elektroniska kyllösningar.

 

För att fullt ut kunna använda dessa enheter är det viktigt att förstå deras koncept, fördelar och begränsningar. För att korrekt använda värmeväxlarsystem måste designfaktorer som tryckfall, värmeöverföring, storlek, vikt och kostnad prioriteras.