Prinsipper for utforming av elektroniske produkter og væskekjølesystemer og løsninger

 

I Flytende kjølesystemer og deres komponenter

 

Med den raske økningen i effekttettheten til brikker og komponenter på bordnivå, begynner mange nye produkter å bruke væskekjøling. Imidlertid er det også mange eksterne tvil og bekymringer, for eksempel om risikoer som lekkasjer, kjøleeffektivitet og kostnader bør tas i betraktning.

 

Definisjonen av et væskekjølesystem er vist i figur 1. Varmen som genereres av PCB-komponenter samles opp gjennom festede kalde plater og transporteres deretter til et væskereservoar av kjølevæsken. Deretter sirkulerer den avkjølte væsken tilbake til de kalde platene. Dermed skapes en væskesløyfe eller kjølesystem.

 

▲ Figur 1. Væskekjølingssystem

 

Figur 2 viser det tradisjonelle kjølesystemet som brukes i elektroniske systemer.

 

▲ Figur 2. Luftassistert væskekjøling i elektroniske systemer

 

I denne strukturen fungerer væsken som et overføringsmedium, og overfører varme fra varmekilden til den kalde platen, og deretter til luften via en varmeveksler. Kjølekapasiteten til dette systemet er begrenset av utformingen av varmeveksleren eller dens termiske ytelse.

 

Ved sammenligning av systemene ovenfor, observeres betydelige forskjeller. I et ekte væskekjølesystem (figur 1) er reservoaret isotermisk i henhold til dens termodynamiske definisjon.

 

Dette betyr at temperaturen ikke endres på grunn av varmetilførsel. Volumet av reservoaret er stort nok til å holde gjennomsnittstemperaturen konstant, og til slutt utveksler varme med atmosfæren og omgivelsene. Denne applikasjonen er for tiden mye brukt i nedsenking av datasenter.

 

Luftassistert kjøling er i hovedsak et luftkjølesystem der væsken brukes som varmeoverføringsmedium mellom kilden og kjøleribben.

 

I begge systemene har væskekjøling noen klare fordeler. Disse fordelene inkluderer varmeoverføringsevnen til væsker per volumenhet og mer effektiv varmespredning.

 

Varmeoverføringen forårsaket av endringen i entalpien i et åpent system beregnes som vist i ligning 1.

Ligning 1:

Q = m( - ) 

 

Hvor m=ρVA (hvor ρ er væsketetthet, V er hastighet, A er tverrsnittsareal), oger den spesifikke varmen ved konstant trykk.

 

Forutsatt at hastighet og tverrsnittsareal er konstant, kan varmeoverføringen beregnes for ulike væsker vha.og ρ.

Tabell 1 viser verdiene av, ρ, μ og k for vann og luft ved 300 grader K.

 

▲ Tabell1. Termodynamiske egenskaper til typiske kjølevæsker

 

Ovennevnte indikerer klart fordelen med væsker med høy tetthet og varmekapasitet ved overføring av termiske belastninger.

Væskekjøling kan også spille en avgjørende rolle i chip termisk styring. Lokalt strømforbruk på brett- og brikkenivå utgjør en betydelig utfordring i utformingen av et vellykket produkt.

 

Figur 3 viser et eksempel fra en stor produsent, hvor varmefluksen på et gitt sted på brikken overstiger 2500 W/cm².

 

▲ Figur 3. Varmestrøm som overstiger 2500 W/cm² i en mikroprosessor

 

Det er klart at den lokaliserte varmefluksen kan håndteres mer effektivt ved å spre varmen over et større overflateareal.

 

Ledning og konvektiv varmeoverføring er hovedmetodene for denne varmeavledningsdesignen. Materialer med høy termisk ledningsevne, som diamant- og grafittplater, vil i stor grad hjelpe til mer effektivt å spre varme over en større overflate.

Ved å undersøke Nusselt-tallet (Nu) og varmeoverføringskoeffisienten kan man observere hvordan væsker effektivt sprer varme over et større overflateareal. Nu er likhL/k, og varmeoverføringskoeffisientenhfor en flat plate i laminær strømning er gitt av ligning 2.

 

Ligning 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Hvor

 

h: varmeoverføringskoeffisient

k: væskens varmeledningsevne

L: karakteristisk lengde

Re: Reynolds nummer

Pr: Prandtl-nummer

 

Størrelsen påReer en funksjon av hastighet og væskeegenskaper, mensPravhenger av væskens viskositet og tetthet. Klart, væsker med en høyerekverdien har størreReogPr, noe som resulterer i en størreh. Derfor, når man vurderer Newtons lov om kjøling,

 

Ligning 3:

Q = h () 

 

Under de samme strømningsforholdene vil endring av væsketype fra gass til væske (dvs. fra luft til vann) resultere i betydelig høyere varmeoverføring.

 

Dette reduserer den gjennomsnittlige overflatetemperaturen og forbedrer effektiviteten til enhetens varmeavledningsdesign. Bruk av væskekjøling, enten ren (nedsenking) eller luftassistert, kan lette høyere varmeoverføring og bedre termiske styringssystemer.

 

Imidlertid krever utstyr som implementerer væskeassisterte kjølesystemer vanligvis luftkjøling for sirkulasjon. Fokus er ofte på problemer som viftefeil og støy.