Načela za projektiranje sustava i rješenja tekućinskog hlađenja elektroničkih proizvoda

 

I Sustavi hlađenja tekućinom i njihove komponente

 

S brzim porastom gustoće snage čipova i komponenti na razini ploče, mnogi novi proizvodi počinju koristiti hlađenje tekućinom. Međutim, postoje i mnoge vanjske nedoumice i brige, kao što je treba li uzeti u obzir rizike poput curenja, učinkovitosti hlađenja i troškova.

 

Definicija sustava za hlađenje tekućinom prikazana je na slici 1. Toplina koju generiraju PCB komponente skuplja se kroz pričvršćene hladne ploče, a zatim rashladnom tekućinom prenosi u spremnik tekućine. Nakon toga, ohlađena tekućina cirkulira natrag do hladnih ploča. Tako se stvara tekućinska petlja ili sustav hlađenja.

 

▲ Slika 1. Sustav hlađenja tekućinom

 

Slika 2 prikazuje tradicionalni sustav hlađenja koji se koristi u elektroničkim sustavima.

 

▲ Slika 2. Hlađenje tekućinom potpomognuto zrakom u elektroničkim sustavima

 

U ovoj strukturi, tekućina djeluje kao prijenosni medij, prenoseći toplinu s izvora topline na hladnu ploču, a zatim na zrak preko izmjenjivača topline. Kapacitet hlađenja ovog sustava ograničen je dizajnom izmjenjivača topline ili njegovim toplinskim svojstvima.

 

Usporedbom navedenih sustava uočavaju se značajne razlike. U pravom sustavu za hlađenje tekućinom (Slika 1), spremnik je izotermičan prema svojoj termodinamičkoj definiciji.

 

To znači da se njegova temperatura ne mijenja zbog unosa topline. Volumen rezervoara je dovoljno velik da održava konstantnu prosječnu temperaturu, eventualno izmjenjujući toplinu s atmosferom i okolinom. Ova se aplikacija trenutno široko koristi u uronjenim hlađenjima podatkovnih centara.

 

Hlađenje uz pomoć zraka u biti je sustav hlađenja zrakom gdje se tekućina koristi kao medij za prijenos topline između izvora i hladnjaka.

 

U oba sustava hlađenje tekućinom ima neke jasne prednosti. Ove prednosti uključuju sposobnost prijenosa topline tekućina po jedinici volumena i učinkovitiju difuziju topline.

 

Prijenos topline uzrokovan promjenom entalpije u otvorenom sustavu izračunava se kako je prikazano u jednadžbi 1.

Jednadžba 1:

Q = m( - ) 

 

Gdje je m=ρVA (gdje je ρ gustoća fluida, V je brzina, A je površina poprečnog presjeka), ije specifična toplina pri konstantnom tlaku.

 

Pod pretpostavkom da su brzina i površina poprečnog presjeka konstantni, prijenos topline može se izračunati za različite tekućine koristećii ρ.

Tablica 1 prikazuje vrijednosti, ρ, μ i k za vodu i zrak na 300 stupnjeva K.

 

▲ Tablica1. Termodinamička svojstva tipičnih rashladnih sredstava

 

Navedeno jasno ukazuje na prednost fluida visoke gustoće i toplinskog kapaciteta u prijenosu toplinskih opterećenja.

Hlađenje tekućinom također može igrati ključnu ulogu u upravljanju toplinom čipa. Lokalna potrošnja energije na razini ploče i čipa predstavlja značajan izazov u dizajniranju uspješnog proizvoda.

 

Slika 3 prikazuje primjer velikog proizvođača, gdje toplinski tok na danom mjestu na čipu prelazi 2500 W/cm².

 

▲ Slika 3. Toplinski tok veći od 2500 W/cm² u mikroprocesoru

 

Jasno je da se lokaliziranim toplinskim protokom može učinkovitije upravljati širenjem topline preko veće površine.

 

Provođenje i konvekcijski prijenos topline glavne su metode za ovaj dizajn rasipanja topline. Materijali visoke toplinske vodljivosti, kao što su dijamantni i grafitni listovi, uvelike će pomoći u učinkovitijem širenju topline preko veće površine.

Ispitivanjem Nusseltova broja (Nu) i koeficijenta prijenosa topline može se uočiti kako tekućine učinkovito raspršuju toplinu preko veće površine. Nu jednakohL/k, i koeficijent prolaza toplinehza ravnu ploču u laminarnom strujanju dana je jednadžba 2.

 

Jednadžba 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Gdje

 

h: koeficijent prolaza topline

k: toplinska vodljivost tekućine

L: karakteristična duljina

Ponovno: Reynoldsov broj

Pr: Prandtlov broj

 

Veličina odPonovnoje funkcija brzine i svojstava fluida, dokProvisi o viskoznosti i gustoći tekućine. Jasno, tekućine s višimkvrijednost imaju većuPonovnoiPr, što je rezultiralo većimh. Stoga, kada se razmatra Newtonov zakon hlađenja,

 

Jednadžba 3:

Q = h () 

 

Pod istim uvjetima protoka, promjena vrste fluida iz plina u tekućinu (tj. iz zraka u vodu) rezultira znatno većim prijenosom topline.

 

To smanjuje prosječnu površinsku temperaturu i poboljšava učinkovitost dizajna rasipanja topline uređaja. Korištenje tekućeg hlađenja, bilo čisto (uronjenje) ili uz pomoć zraka, može omogućiti veći prijenos topline i bolje sustave upravljanja toplinom.

 

Međutim, oprema koja implementira rashladne sustave potpomognute tekućinom obično zahtijeva hlađenje zrakom za cirkulaciju. Fokus je često na problemima kao što su kvar ventilatora i buka.