Principer för design av vätskekylsystem och lösningar för elektroniska produkter

 

I Vätskekylsystem och deras komponenter

 

Med den snabba ökningen av effekttätheten för chips och komponenter på kortnivå börjar många nya produkter använda vätskekylning. Men det finns också många externa tvivel och farhågor, till exempel om risker som läckor, kylningseffektivitet och kostnad bör beaktas.

 

Definitionen av ett vätskekylsystem visas i figur 1. Värmen som genereras av PCB-komponenter samlas upp genom fästa kalla plattor och transporteras sedan till en vätskebehållare av kylvätskan. Därefter cirkulerar den kylda vätskan tillbaka till de kalla plattorna. Således skapas en vätskeslinga eller kylsystem.

 

▲ Bild 1. Vätskekylningssystem

 

Figur 2 visar det traditionella kylsystemet som används i elektroniska system.

 

▲ Figur 2. Luftunderstödd vätskekylning i elektroniska system

 

I denna struktur fungerar vätskan som ett överföringsmedium, som överför värme från värmekällan till den kalla plattan och sedan till luften via en värmeväxlare. Kylkapaciteten hos detta system begränsas av värmeväxlarens konstruktion eller dess termiska prestanda.

 

Vid jämförelse av ovanstående system observeras betydande skillnader. I ett äkta vätskekylningssystem (Figur 1) är reservoaren isotermisk enligt dess termodynamiska definition.

 

Detta innebär att dess temperatur inte ändras på grund av värmetillförsel. Reservoarens volym är tillräckligt stor för att hålla medeltemperaturen konstant och så småningom utbyta värme med atmosfären och omgivningen. Denna applikation används för närvarande flitigt i nedsänkning av datacenter.

 

Luftassisterad kyla är i huvudsak ett luftkylningssystem där vätskan används som värmeöverföringsmedium mellan källan och kylflänsen.

 

I båda systemen har vätskekylning några tydliga fördelar. Dessa fördelar inkluderar värmeöverföringsförmågan hos vätskor per volymenhet och effektivare värmespridning.

 

Värmeöverföringen som orsakas av förändringen i entalpi i ett öppet system beräknas enligt ekvation 1.

Ekvation 1:

Q = m( - ) 

 

Där m=ρVA (där ρ är vätskedensitet, V är hastighet, A är tvärsnittsarea), ochär den specifika värmen vid konstant tryck.

 

Om man antar att hastighet och tvärsnittsarea är konstanta kan värmeöverföringen beräknas för olika vätskor med hjälp avoch ρ.

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

 

▲ Tabell1. Termodynamiska egenskaper hos typiska kylmedel

 

Ovanstående indikerar tydligt fördelen med vätskor med hög densitet och värmekapacitet vid överföring av termiska belastningar.

Vätskekylning kan också spela en avgörande roll i chip termisk hantering. Lokal strömförbrukning på kort- och chipnivåer utgör en betydande utmaning för att designa en framgångsrik produkt.

 

Figur 3 visar ett exempel från en större tillverkare, där värmeflödet på en given plats på chipet överstiger 2500 W/cm².

 

▲ Figur 3. Värmeflöde som överstiger 2500 W/cm² i en mikroprocessor

 

Det är uppenbart att det lokala värmeflödet kan hanteras mer effektivt genom att sprida värmen över en större yta.

 

Konduktion och konvektiv värmeöverföring är de viktigaste metoderna för denna värmeavledningsdesign. Material med hög värmeledningsförmåga, såsom diamant- och grafitskivor, kommer i hög grad att hjälpa till att mer effektivt sprida värme över en större yta.

Genom att undersöka Nusselttalet (Nu) och värmeöverföringskoefficienten kan man observera hur vätskor effektivt sprider värme över en större yta. Nu är lika medhL/koch värmeöverföringskoefficientenhför en platt platta i laminärt flöde ges av ekvation 2.

 

Ekvation 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Där

 

h: värmeöverföringskoefficient

k: vätskans värmeledningsförmåga

L: karakteristisk längd

Re: Reynolds nummer

Pr: Prandtl nummer

 

Storleken påReär en funktion av hastighet och vätskeegenskaper, medanPrberor på vätskans viskositet och densitet. Klart, vätskor med en högrekvärde har störreReochPr, vilket resulterar i en störreh. Därför, när man betraktar Newtons lag om kylning,

 

Ekvation 3:

Q = h () 

 

Under samma flödesförhållanden resulterar byte av vätsketyp från gas till vätska (dvs från luft till vatten) i betydligt högre värmeöverföring.

 

Detta minskar den genomsnittliga yttemperaturen och förbättrar effektiviteten hos enhetens värmeavledningsdesign. Användning av vätskekylning, vare sig den är ren (nedsänkning) eller luftassisterad, kan underlätta högre värmeöverföring och bättre värmeledningssystem.

 

Emellertid kräver utrustning som implementerar vätskeunderstödda kylsystem vanligtvis luftkylning för cirkulation. Fokus ligger ofta på frågor som fläktfel och buller.