Jak wybrać najlepsze kompaktowe wymienniki ciepła do chłodzenia elektroniki

 

Zastosowanie komponentów o dużej gęstości mocy w produktach elektronicznych szybko rośnie, co sprawia, że ​​chłodzenie cieczą jest realnym rozwiązaniem w zastosowaniach wymagających dużego strumienia ciepła, co jest obecnie głównym trendem. Skuteczny system chłodzenia cieczą opiera się między innymi na zdolności rozpraszania ciepła wymiennika ciepła. Te wymienniki ciepła różnią się typem, rozmiarem i konfiguracją w zależności od scenariusza zastosowania.

 

 

I Podstawowa konstrukcja

 

Rysunek 1 przedstawia typowy system typu woda-powietrze, chłodzony cieczą, z obiegiem zamkniętym. Płyn chłodzący jest pompowany przez zimną płytę stykającą się z elementami układu scalonego. Ciepło pobrane z komponentów jest odprowadzane do powietrza przez wymiennik ciepła, a schłodzona ciecz przepływa dalej przez pętlę, powtarzając cykl.

 

▲ Rysunek 1. Hybrydowa pętla chłodząca wodno-powietrzna do urządzeń elektronicznych

 

Wzór na obliczenie ciepła przekazanego z wody do powietrza jest następujący:

 

Gdzie:

• Tw2: temperatura płynu wpływającego do wymiennika ciepła;
• Ta: temperatura otoczenia wymiennika ciepła;
• Cmin: mniejszy ze współczynników pojemności cieplnej powietrza (Ca) lub wody (Cw), będący iloczynem masowego natężenia przepływu i ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu;
• ε: efektywność wymiennika ciepła, definiowana jako stosunek rzeczywistego transferu ciepła w wymienniku do maksymalnego możliwego termodynamicznie transferu ciepła.

 

Temperaturę powierzchni elementów układu scalonego stykających się z zimną płytą oblicza się za pomocą wzoru 2.

 

 

Gdzie:

• Tw1 to temperatura wody na wlocie płyty zimnej;
• Rcp to opór cieplny elementów układu scalonego do wlotu płyty zimnej, obejmujący rezystancję granicy faz między elementami a płytą zimną.

 

Wzrost temperatury wody pod wpływem ciepła wydzielanego przez składniki można oszacować za pomocą następującego wzoru:

 

 

Gdzie:Cw to współczynnik pojemności cieplnej cieczy, będący iloczynem masowego natężenia przepływu i ciepła właściwego cieczy.

Całkując wzory 1-3, wyprowadzamy wzór 4:

 

 

Łączy to temperaturę powierzchni elementów układu scalonego z wydajnością płyty zimnej i wymiennika ciepła.

W powyższych równaniach, jeżeli w wymienniku ciepła stosowane są różne typy płynów, indeksy dolne „w” i „a” należy zmienić na ogólne indeksy dolne „c” i „h”, aby przedstawić właściwości odpowiednio zimnego i gorącego płynu .

 

Powierzchnia wymiennika ciepła

 

Powierzchnia wymiennika ciepła musi być bardzo duża, zwłaszcza po stronie wystawionej na działanie powietrza. Dzieje się tak dlatego, że współczynnik przenikania ciepła w przypadku chłodzenia powietrzem jest znacznie niższy niż w przypadku chłodzenia cieczą. Zwiększenie powierzchni po stronie powietrza zmniejsza opór cieplny, umożliwiając większy transfer ciepła pomiędzy cieczą a powietrzem.

 

Pomimo konieczności stosowania dużych powierzchni w celu skutecznego odprowadzania ciepła, w wielu projektach nie ma wystarczającej ilości miejsca, aby pomieścić duże jednostki wymienników ciepła, szczególnie w zastosowaniach na poziomie urządzenia w przypadku komponentów i płytek.

 

Wybór odpowiedniego wymiennika ciepła w ramach dostępnej przestrzeni ma kluczowe znaczenie. Dodatkowo można regulować parametry takie jak masowe natężenie przepływu, stosowanie cieczy o wyższym cieple właściwym lub zwiększanie mocy wentylatora chłodzącego, aby poprawić wydajność chłodzenia.

 

 

II Typy żeberek wymienników ciepła

 

Strona powietrzna wymienników ciepła jest zwykle wyposażona w kompaktowe żebra, aby zwiększyć wymianę ciepła między powietrzem a cieczą.

Rodzaj żeberek musi być odpowiedni do konkretnego scenariusza zastosowania. BibliaKompaktowe wymienniki ciepławprowadza kilka typów żeberek, w tym żebra proste, żebra żaluzjowe, żebra paskowe, żebra faliste i żebra kołkowe, jak pokazano na rysunku 2.

 

▲ Rysunek 2. Rodzaje żeberek wymienników ciepła

 

W badaniach przetestowano chłodzone powietrzem wymienniki ciepła iprzedstawił wytyczne dotyczące optymalizacji konstrukcji płetwypoprzez połączenie wymiany ciepła, spadku ciśnienia, rozmiaru, wagi i kosztu.

 

Korelacje wykorzystania współczynnika Colburna (JH) i współczynnika tarcia (f) do opisu wskaźnika przenikania ciepła i wskaźnika spadku ciśnienia przedstawiono we wzorach 5 i 6.

 

 

 

 

Gdzie:ρ i v to gęstość płynu i lepkość kinematyczna.

 

Liczbę Stantona (St) we wzorze 5 można przepisać w następujący sposób:

 

 

We wzorach 5-7 Pr, t, v, NU i Re oznaczają odpowiednio liczbę Prandtla, naprężenie ścinające ścianki, lepkość kinematyczną płynu, liczbę Nusselta i liczbę Reynoldsa.

 

Rysunek 3 pokazuje zależność między stosunkiem (JH/f) a liczbą Reynoldsa dla struktur żeber pokazanych na rysunku 2.

 

 

▲ Rysunek 3. Zależność pomiędzy strukturami żeber i liczbą Reynoldsa

 

Z rysunku 3 można wyraźnie zobaczyć, że gdy kluczowym czynnikiem konstrukcyjnym wymiennika ciepła jest przenoszenie ciepła na jednostkę spadku ciśnienia, najbardziej wydajne są proste żebra, a następnie konstrukcje żaluzjowe, faliste, z przesuniętymi paskami i żebrami kołkowymi.

 

W różnych warunkach prędkości lotu opór cieplny prostych żeberek był najniższy.

 

Na rysunku 4 współczynnik przenikania ciepła na jednostkę wysokości i współczynnik liczby Reynoldsa wskazują, że żebra kołkowe są najbardziej odpowiednią konfiguracją, a następnie żaluzje, listwy przesunięte, żebra faliste i proste.

 

▲ Rysunek 4. Przenikanie ciepła na wysokość jednostki dla różnych konfiguracji wymienników ciepła

 

Kolejnym ważnym czynnikiem konstrukcyjnym jest waga. Na przykład podczas optymalizacji wymienników ciepła stosowanych w systemach awioniki często w pierwszej kolejności traktuje się żebra żaluzjowe, a następnie konstrukcje faliste, z przesuniętymi paskami, sworzniami i prostymi żebrami.

 

 

III Kompaktowy płyn chłodzący do wymienników ciepła

 

W zależności od systemu i zastosowania małe wymienniki ciepła wykorzystują różne rodzaje płynów. Niektóre płyny charakteryzują się większym przenoszeniem ciepła i bardziej efektywną dyfuzją ciepła na jednostkę objętości.

 

Aby to zilustrować, rozważ transport ciepła w wyniku zmiany entalpii w układzie otwartym, jak pokazano we wzorze 8.

 

 

Gdzie:

 

 

(ρ to gęstość płynu, V to prędkość, a A to pole przekroju poprzecznego), Cp to ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu.

 

Jeśli prędkość i pole przekroju poprzecznego są uważane za stałe, Cp i ρ określają wymianę ciepła przy użyciu różnych płynów.

 

Tabela 1 przedstawia wartości Cp, ρ, μ i k dla glikolu etylenowego, wody i powietrza w temperaturze 300 K.

 

▲ Tabela 1. Właściwości termodynamiczne typowych chłodziw

 

Tabela 1 pokazuje, że płyny o większej gęstości i pojemności cieplnej mogą odprowadzać więcej ciepła. Stosowanie takich płynów znacznie zwiększa wymianę ciepła w zastosowaniach wymagających dużych strumieni ciepła.

 

Jednakże użycie cieczy o lepszych możliwościach przenoszenia ciepła wymaga większej mocy pompy do przetłoczenia płynu przez system.

 

Aby zmniejszyć moc wymaganą do cyrkulacji chłodziwa, wymiennik ciepła wykorzystuje przenoszenie ciepła wrzenia.

 

W niektórych systemach płyn chłodzący pochłania ciepło ze źródła ciepła i odparowuje.

 

W zależności od złożoności systemu, gorący płyn chłodzący jest pompowany przez żebrowaną sekcję skraplacza, gdzie chłodziwo jest schładzane i powraca do fazy ciekłej.

 

Ponieważ płyn chłodzący zmienia fazę z cieczy w gaz i traci gęstość, moc pompowania wymagana do cyrkulacji chłodziwa jest znacznie zmniejszona.

 

W miarę szybkiego rozwoju obwodów scalonych i stosowania komponentów o większej gęstości mocy, kompaktowe wymienniki ciepła stają się niezbędne w elektronicznych rozwiązaniach chłodzących.

 

Aby w pełni wykorzystać te urządzenia, ważne jest zrozumienie ich koncepcji, zalet i ograniczeń. Aby prawidłowo używać systemów wymienników ciepła, należy nadać priorytet czynnikom projektowym, takim jak spadek ciśnienia, przenikanie ciepła, rozmiar, waga i koszt.