Zasady projektowania systemów i rozwiązań chłodzenia cieczą produktów elektronicznych

 

I Systemy chłodzenia cieczą i ich elementy

 

Wraz z szybkim wzrostem gęstości mocy chipów i komponentów na poziomie płyty, wiele nowych produktów zaczyna wykorzystywać chłodzenie cieczą. Istnieje jednak również wiele zewnętrznych wątpliwości i obaw, takich jak to, czy należy wziąć pod uwagę ryzyko takie jak wycieki, wydajność chłodzenia i koszty.

 

Definicję układu chłodzenia cieczą pokazano na rysunku 1. Ciepło wytwarzane przez elementy PCB jest gromadzone przez dołączone zimne płyty, a następnie transportowane do zbiornika cieczy za pomocą chłodziwa. Następnie schłodzona ciecz krąży z powrotem do zimnych płyt. W ten sposób powstaje pętla cieczy lub system chłodzenia.

 

▲ Rysunek 1. Układ chłodzenia cieczą

 

Rysunek 2 przedstawia tradycyjny układ chłodzenia stosowany w układach elektronicznych.

 

▲ Rysunek 2. Chłodzenie cieczą wspomagane powietrzem w układach elektronicznych

 

W tej konstrukcji ciecz pełni rolę medium przenoszącego ciepło ze źródła ciepła do zimnej płyty, a następnie do powietrza poprzez wymiennik ciepła. Wydajność chłodnicza tego systemu jest ograniczona konstrukcją wymiennika ciepła lub jego wydajnością cieplną.

 

Porównując powyższe systemy można zaobserwować istotne różnice. W prawdziwym układzie chłodzenia cieczą (rysunek 1) zbiornik jest izotermiczny zgodnie z jego termodynamiczną definicją.

 

Oznacza to, że jego temperatura nie zmienia się pod wpływem doprowadzonego ciepła. Objętość zbiornika jest wystarczająco duża, aby utrzymać stałą średnią temperaturę, ostatecznie wymieniając ciepło z atmosferą i otoczeniem. Ta aplikacja jest obecnie szeroko stosowana w chłodzeniu zanurzeniowym centrów danych.

 

Chłodzenie wspomagane powietrzem to zasadniczo układ chłodzenia powietrzem, w którym ciecz jest wykorzystywana jako nośnik ciepła pomiędzy źródłem a radiatorem.

 

W obu systemach chłodzenie cieczą ma pewne wyraźne zalety. Korzyści te obejmują zdolność przenoszenia ciepła przez ciecze na jednostkę objętości i bardziej efektywną dyfuzję ciepła.

 

Przenikanie ciepła spowodowane zmianą entalpii w układzie otwartym oblicza się w sposób pokazany w równaniu 1.

Równanie 1:

Q = m( - ) 

 

Gdzie m=ρVA (gdzie ρ to gęstość płynu, V to prędkość, A to pole przekroju poprzecznego) ijest ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu.

 

Zakładając, że prędkość i pole przekroju poprzecznego są stałe, przenikanie ciepła można obliczyć dla różnych płynów za pomocąi ρ.

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

 

▲ Tabela1. Właściwości termodynamiczne typowych chłodziw

 

Powyższe wyraźnie wskazuje na przewagę płynów o dużej gęstości i pojemności cieplnej w przenoszeniu obciążeń termicznych.

Chłodzenie cieczą może również odgrywać kluczową rolę w zarządzaniu temperaturą chipów. Lokalne zużycie energii na poziomie płytki i chipa stanowi poważne wyzwanie w projektowaniu udanego produktu.

 

Rysunek 3 przedstawia przykład od dużego producenta, gdzie strumień ciepła w danym miejscu chipa przekracza 2500 W/cm².

 

▲ Rysunek 3. Strumień ciepła w mikroprocesorze przekraczający 2500 W/cm²

 

Jest oczywiste, że zlokalizowanym strumieniem ciepła można skuteczniej zarządzać, rozprowadzając ciepło na większej powierzchni.

 

Przewodnictwo i konwekcyjne przenoszenie ciepła to główne metody tego projektu rozpraszania ciepła. Materiały o wysokiej przewodności cieplnej, takie jak blachy diamentowe i grafitowe, znacznie pomogą w skuteczniejszym rozprowadzaniu ciepła na większej powierzchni.

Badając liczbę Nusselta (Nu) i współczynnik przenikania ciepła, można zaobserwować, jak ciecze skutecznie rozpraszają ciepło na większej powierzchni. Nu równa sięhL/koraz współczynnik przenikania ciepłahdla płaskiej płyty przy przepływie laminarnym wynika z równania 2.

 

Równanie 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Gdzie

 

h: współczynnik przenikania ciepła

k: przewodność cieplna płynu

L: długość charakterystyczna

Odnośnie: Liczba Reynoldsa

Pr: Numer Prandtla

 

RozmiarOdnośniejest funkcją prędkości i właściwości płynu, natomiastPrzależy od lepkości i gęstości płynu. Oczywiście płyny o wyższej zawartościkwartość jest większaOdnośnieIPrco skutkuje większymh. Dlatego też, rozważając prawo chłodzenia Newtona,

 

Równanie 3:

Q = h () 

 

W tych samych warunkach przepływu zmiana rodzaju płynu z gazowego na ciekły (tzn. z powietrza na wodę) skutkuje znacznie większym przenikaniem ciepła.

 

Zmniejsza to średnią temperaturę powierzchni i poprawia skuteczność konstrukcji rozpraszania ciepła w urządzeniu. Stosowanie chłodzenia cieczą, czystego (zanurzenie) lub wspomaganego powietrzem, może ułatwić większy transfer ciepła i lepsze systemy zarządzania temperaturą.

 

Jednak sprzęt wdrażający systemy chłodzenia wspomaganego cieczą zazwyczaj wymaga chłodzenia powietrzem w celu zapewnienia cyrkulacji. Często skupiamy się na problemach takich jak awaria wentylatora i hałas.