Jak vybrat nejlepší kompaktní výměníky tepla pro chlazení elektroniky

 

Používání součástek s vysokou hustotou výkonu v elektronických produktech rychle narůstá, takže kapalinové chlazení je životaschopným řešením pro aplikace s vysokým tepelným tokem, což je v současnosti hlavní trend. Účinný systém kapalinového chlazení se kromě jiných faktorů spoléhá na kapacitu tepelného výměníku odvádět teplo. Tyto výměníky tepla se liší typem, velikostí a konfigurací v závislosti na scénáři aplikace.

 

 

I Základní konstrukce

 

Obrázek 1 ukazuje typický systém voda-vzduch, kapalinou chlazený, s uzavřenou smyčkou. Chladicí kapalina je čerpána přes studenou desku v kontaktu se součástmi integrovaného obvodu. Teplo absorbované komponentami se odvádí do vzduchu přes výměník tepla a ochlazená kapalina pokračuje smyčkou a cyklus se opakuje.

 

▲ Obrázek 1. Hybridní chladicí smyčka vody a vzduchu pro elektronická zařízení

 

Vzorec pro výpočet tepla přeneseného z vody do vzduchu je následující:

 

Kde:

• Tw2: teplota tekutiny vstupující do výměníku tepla;
• Ta: teplota okolního vzduchu výměníku tepla;
• Cmin: menší z hodnot tepelné kapacity vzduchu (Ca) nebo vody (Cw), která je součinem hmotnostního průtoku a měrného tepla při konstantním tlaku;
• ε: účinnost výměníku tepla, definovaná jako poměr skutečného přenosu tepla ve výměníku tepla k maximálnímu možnému přenosu tepla termodynamicky.

 

Povrchová teplota komponent IC v kontaktu s chladnou deskou se vypočítá pomocí vzorce 2.

 

 

Kde:

• Tw1 je teplota vody na vstupu studené desky;
• Rcp je tepelný odpor od komponent IC ke vstupu studené desky, včetně odporu rozhraní mezi komponenty a studenou deskou.

 

Nárůst teploty ve vodě v důsledku tepla ze složek lze odhadnout pomocí následujícího vzorce:

 

 

Kde:Cw je rychlost tepelné kapacity kapaliny, která je součinem hmotnostního průtoku a měrného tepla kapaliny.

Integrací vzorců 1-3 odvodíme vzorec 4:

 

 

To spojuje povrchovou teplotu součástí IC s výkonem studené desky a tepelného výměníku.

Ve výše uvedených rovnicích, pokud jsou ve výměníku tepla použity různé typy kapalin, indexy „w“ a „a“ by se měly změnit na obecné indexy „c“ a „h“, aby reprezentovaly vlastnosti studených a horkých tekutin. .

 

Plocha povrchu výměníku tepla

 

Plocha tepelného výměníku musí být velmi velká, zejména na straně vystavené vzduchu. Je to proto, že koeficient přestupu tepla při chlazení vzduchem je mnohem nižší než při chlazení kapalinou. Zvětšení povrchové plochy na straně vzduchu snižuje tepelný odpor, což umožňuje vyšší přenos tepla mezi kapalinou a vzduchem.

 

Navzdory potřebě velkých povrchových ploch pro účinné odvádění tepla nemá mnoho projektů dostatek prostoru pro umístění velkých jednotek výměníků tepla, zejména v aplikacích součástek a desek na úrovni zařízení.

 

Výběr vhodného výměníku tepla v dostupném prostoru je zásadní. Pro zlepšení chladicího výkonu lze navíc upravit parametry, jako je hmotnostní průtok, použití kapalin s vyšším měrným teplem nebo zvýšení výkonu chladicího ventilátoru.

 

 

II Typy lamel výměníku tepla

 

Vzduchová strana výměníků tepla je obvykle vybavena kompaktními žebry pro zvýšení výměny tepla mezi vzduchem a kapalinou.

Typ žeber musí být vhodný pro konkrétní scénář použití. KnihaKompaktní výměníky teplapředstavuje několik typů žeber, včetně rovných žeber, lamelových žeber, pásových žeber, vlnitých žeber a žebrových žeber, jak je znázorněno na obrázku 2.

 

▲ Obrázek 2. Typy lamel výměníku tepla

 

Studie testovaly vzduchem chlazené výměníky tepla aposkytla pokyny pro optimalizaci designu ploutvíkombinací přenosu tepla, poklesu tlaku, velikosti, hmotnosti a nákladů.

 

Korelace pro použití Colburnova faktoru (JH) a faktoru tření (f) k popisu indexu přenosu tepla a indexu poklesu tlaku jsou uvedeny ve vzorcích 5 a 6.

 

 

 

 

Kde:ρ a v jsou hustota kapaliny a kinematická viskozita.

 

Stantonovo číslo (St) ve vzorci 5 lze přepsat takto:

 

 

Ve vzorcích 5-7 představují Pr, t, v, NU a Re Prandtlovo číslo, smykové napětí stěny, kinematickou viskozitu tekutiny, Nusseltovo číslo a Reynoldsovo číslo.

 

Obrázek 3 ukazuje vztah mezi poměrem (JH/f) a Reynoldsovým číslem pro struktury ploutví zobrazené na obrázku 2.

 

 

▲ Obrázek 3. Vztah mezi ploutvovými strukturami a Reynoldsovým číslem

 

Z obrázku 3 je jasně vidět, že když je klíčovým konstrukčním faktorem výměníku tepla přenos tepla na jednotku poklesu tlaku, jsou nejúčinnější rovná žebra, následovaná lamelovými, zvlněnými, přesazenými pásovými a kolíkovými žebry.

 

Za různých podmínek rychlosti vzduchu byl tepelný odpor rovných žeber nejnižší.

 

Na obrázku 4 ukazuje přenos tepla na jednotku výšky a poměr Reynoldsových čísel, že žebra s kolíčky jsou nejvhodnější konfigurací, následovaná lamelami, přesazenými pásy, vlnitými a rovnými žebry.

 

▲ Obrázek 4. Přenos tepla na jednotku výšky pro různé konfigurace výměníků tepla

 

Dalším důležitým konstrukčním faktorem je hmotnost. Například optimalizace výměníků tepla používaných v systémech avioniky často upřednostňuje nejprve lamely žaluzií, následované vlnitými, odsazenými pásy, kolíky a rovnými lamelami.

 

 

III Kompaktní chladicí výměník tepla

 

V závislosti na systému a aplikaci používají malé výměníky tepla různé typy kapalin. Některé tekutiny mají větší přenos tepla a účinnější tepelnou difúzi na jednotku objemu.

 

Pro ilustraci uvažujme přenos tepla v důsledku změny entalpie v otevřeném systému, jak ukazuje vzorec 8.

 

 

Kde:

 

 

(ρ je hustota tekutiny, V je rychlost a A je plocha průřezu), Cp je měrné teplo při konstantním tlaku.

 

Pokud jsou rychlost a plocha průřezu považovány za konstanty, určují Cp a ρ přenos tepla při použití různých kapalin.

 

Tabulka 1 ukazuje hodnoty Cp, ρ, μ, ak pro ethylenglykol, vodu a vzduch při 300 K.

 

▲ Tabulka 1. Termodynamické vlastnosti typických chladicích kapalin

 

Tabulka 1 ukazuje, že kapaliny s vyšší hustotou a tepelnou kapacitou mohou odebrat více tepla. Použití takových kapalin výrazně zvyšuje přenos tepla v aplikacích s vysokým tepelným tokem.

 

Použití kapalin s lepšími schopnostmi přenosu tepla však vyžaduje vyšší výkon čerpadla k pohonu kapaliny systémem.

 

Pro snížení výkonu potřebného pro cirkulaci chladicí kapaliny využívá výměník tepla přenos tepla varem.

 

V některých systémech chladivo absorbuje teplo ze zdroje tepla a odpařuje se.

 

Na základě složitosti systému je horká chladicí kapalina čerpána přes žebrovanou sekci kondenzátoru, kde je chladicí kapalina ochlazována a vrací se do kapalné fáze.

 

Vzhledem k tomu, že chladicí kapalina mění fázi z kapaliny na plyn a má nižší hustotu, je potřeba čerpací energie pro cirkulaci chladicí kapaliny značně snížena.

 

S tím, jak se integrované obvody rychle rozvíjejí, se součástkami s vyšší hustotou výkonu, se kompaktní výměníky tepla stávají nezbytnými v řešeních elektronického chlazení.

 

Pro plné využití těchto zařízení je důležité porozumět jejich konceptům, výhodám a omezením. Pro správné použití systémů výměníků tepla je třeba upřednostnit konstrukční faktory, jako je pokles tlaku, přenos tepla, velikost, hmotnost a náklady.