Принципи за пројектовање система и решења течног хлађења електронских производа

 

И Системи за хлађење течности и њихове компоненте

 

Са брзим повећањем густине снаге чипова и компоненти на нивоу плоче, многи нови производи почињу да користе течно хлађење. Међутим, постоје и многе спољне сумње и недоумице, као што је да ли треба узети у обзир ризике попут цурења, ефикасности хлађења и трошкова.

 

Дефиниција система за течно хлађење је приказана на слици 1. Топлота коју стварају ПЦБ компоненте се сакупља преко причвршћених хладних плоча, а затим се расхладном течношћу транспортује у резервоар за течност. Након тога, охлађена течност циркулише назад до хладних плоча. Тако се ствара течна петља или систем хлађења.

 

▲ Слика 1. Систем за хлађење течности

 

Слика 2 приказује традиционални систем хлађења који се користи у електронским системима.

 

▲ Слика 2. Течно хлађење уз помоћ ваздуха у електронским системима

 

У овој структури, течност делује као преносни медиј, преносећи топлоту са извора топлоте на хладну плочу, а затим у ваздух преко измењивача топлоте. Капацитет хлађења овог система је ограничен дизајном измењивача топлоте или његовим термичким перформансама.

 

Приликом поређења наведених система уочавају се значајне разлике. У правом течном систему за хлађење (слика 1), резервоар је изотермичан према својој термодинамичкој дефиницији.

 

То значи да се његова температура не мења због уноса топлоте. Запремина резервоара је довољно велика да задржи своју просечну температуру константном, на крају размењујући топлоту са атмосфером и околином. Ова апликација се тренутно широко користи у хлађењу дата центара.

 

Ваздушно хлађење је у суштини систем ваздушног хлађења где се течност користи као медиј за пренос топлоте између извора и хладњака.

 

У оба система, течно хлађење има неке јасне предности. Ове предности укључују способност преноса топлоте течности по јединици запремине и ефикаснију дифузију топлоте.

 

Пренос топлоте узрокован променом енталпије у отвореном систему израчунава се као што је приказано у једначини 1.

Једначина 1:

Q = m( - ) 

 

Где је м=ρВА (где је ρ густина течности, В је брзина, А је површина попречног пресека), ије специфична топлота при константном притиску.

 

Под претпоставком да су брзина и површина попречног пресека константне, пренос топлоте се може израчунати за различите флуиде коришћењеми ρ.

У табели 1 приказане су вредности од, ρ, μ и к за воду и ваздух на 300 степени К.

 

▲ Табела1. Термодинамичка својства типичних расхладних течности

 

Горе наведено јасно указује на предност флуида велике густине и топлотног капацитета у преношењу топлотних оптерећења.

Течно хлађење такође може играти кључну улогу у управљању топлотом чипа. Локална потрошња енергије на нивоу плоче и чипа представља значајан изазов у ​​дизајнирању успешног производа.

 

Слика 3 приказује пример великог произвођача, где топлотни ток на датој локацији на чипу прелази 2500 В/цм².

 

▲ Слика 3. Топлотни ток који прелази 2500 В/цм² у микропроцесору

 

Јасно је да се локализованим топлотним током може ефикасније управљати ширењем топлоте на већу површину.

 

Кондукција и конвективни пренос топлоте су главне методе за овај дизајн дисипације топлоте. Материјали високе топлотне проводљивости, као што су дијамантски и графитни листови, у великој мери ће помоћи у ефикаснијем ширењу топлоте на већу површину.

Испитивањем Нуселтовог броја (Ну) и коефицијента преноса топлоте може се уочити како течности ефикасно дифундују топлоту преко веће површине. Ну једнакохЛ/к, и коефицијент пролаза топлотеhза равну плочу у ламинарном току је дата једначином 2.

 

Једначина 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Где

 

h: коефицијент пролаза топлоте

k: топлотна проводљивост флуида

L: карактеристична дужина

Ре: Рејнолдсов број

Пр: Прандтлов број

 

Величина одРеје функција брзине и својства флуида, докПрзависи од вискозитета и густине течности. Јасно, течности са вишимkвредност имају већуРеиПр, што резултира већимh. Стога, када се узме у обзир Њутнов закон хлађења,

 

Једначина 3:

Q = h () 

 

Под истим условима протока, промена типа флуида из гаса у течност (тј. из ваздуха у воду) доводи до знатно већег преноса топлоте.

 

Ово смањује просечну температуру површине и побољшава ефикасност дизајна одвођења топлоте уређаја. Коришћење течног хлађења, било чистог (урањањем) или уз помоћ ваздуха, може олакшати већи пренос топлоте и боље системе управљања топлотом.

 

Међутим, опрема која примењује системе за хлађење уз помоћ течности обично захтева хлађење ваздуха за циркулацију. Фокус је често на проблемима као што су квар вентилатора и бука.