Principy pro navrhování systémů a řešení kapalinového chlazení elektronických produktů

 

I Kapalinové chladicí systémy a jejich součásti

 

S rychlým nárůstem hustoty výkonu čipů a komponent na úrovni desek začíná mnoho nových produktů používat kapalinové chlazení. Existuje však také mnoho vnějších pochybností a obav, například zda je třeba vzít v úvahu rizika jako úniky, účinnost chlazení a náklady.

 

Definice kapalného chladicího systému je znázorněna na obrázku 1. Teplo generované součástkami PCB je shromažďováno přes připojené studené desky a poté je pomocí chladicí kapaliny transportováno do zásobníku kapaliny. Následně ochlazená kapalina cirkuluje zpět na studené desky. Vznikne tak kapalinová smyčka nebo chladicí systém.

 

▲ Obrázek 1. Systém chlazení kapalinou

 

Obrázek 2 ukazuje tradiční chladicí systém používaný v elektronických systémech.

 

▲ Obrázek 2. Vzduchem podporované chlazení kapalinou v elektronických systémech

 

V této struktuře kapalina funguje jako přenosové médium, přenáší teplo ze zdroje tepla na studenou desku a poté do vzduchu přes výměník tepla. Chladicí kapacita tohoto systému je omezena konstrukcí výměníku tepla nebo jeho tepelným výkonem.

 

Při porovnání výše uvedených systémů jsou pozorovány značné rozdíly. Ve skutečném kapalinovém chladicím systému (obrázek 1) je nádrž izotermická podle své termodynamické definice.

 

To znamená, že se jeho teplota nemění vlivem vneseného tepla. Objem rezervoáru je dostatečně velký, aby udržoval jeho průměrnou teplotu konstantní, případně si vyměňoval teplo s atmosférou a okolím. Tato aplikace je v současné době široce používána při ponorném chlazení datových center.

 

Vzduchem podporované chlazení je v podstatě systém chlazení vzduchem, kde se kapalina používá jako médium pro přenos tepla mezi zdrojem a chladičem.

 

V obou systémech má kapalinové chlazení některé jasné výhody. Mezi tyto výhody patří schopnost přenosu tepla kapalin na jednotku objemu a účinnější difúze tepla.

 

Přenos tepla způsobený změnou entalpie v otevřeném systému se vypočítá podle rovnice 1.

Rovnice 1:

Q = m( - ) 

 

kde m=ρVA (kde ρ je hustota tekutiny, V je rychlost, A je plocha průřezu) aje měrné teplo při konstantním tlaku.

 

Za předpokladu, že rychlost a plocha průřezu jsou konstantní, lze přenos tepla vypočítat pro různé tekutiny pomocía ρ.

Tabulka 1 ukazuje hodnoty, ρ, μ a k pro vodu a vzduch při 300 stupních K.

 

▲ Tabulka1. Termodynamické vlastnosti typických chladicích kapalin

 

Výše uvedené jasně ukazuje na výhodu kapalin s vysokou hustotou a tepelnou kapacitou při přenosu tepelného zatížení.

Kapalinové chlazení může také hrát zásadní roli v tepelném managementu čipu. Místní spotřeba energie na úrovni desky a čipu představuje významnou výzvu při navrhování úspěšného produktu.

 

Obrázek 3 ukazuje příklad od velkého výrobce, kde tepelný tok v daném místě na čipu přesahuje 2500 W/cm².

 

▲ Obrázek 3. Tepelný tok přesahující 2500 W/cm² v mikroprocesoru

 

Je zřejmé, že lokalizovaný tepelný tok lze efektivněji řídit rozložením tepla na větší plochu.

 

Kondukce a přenos tepla konvekcí jsou hlavními metodami tohoto návrhu odvodu tepla. Materiály s vysokou tepelnou vodivostí, jako jsou diamantové a grafitové desky, výrazně napomohou efektivnějšímu šíření tepla na větší plochu.

Zkoumáním Nusseltova čísla (Nu) a koeficientu prostupu tepla lze pozorovat, jak kapaliny účinně difundují teplo na větší plochu. Nu se rovnáhL/ka součinitel prostupu teplahpro plochou desku v laminárním proudění je dána rovnicí 2.

 

Rovnice 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Kde

 

h: součinitel prostupu tepla

k: tepelná vodivost kapaliny

L: charakteristická délka

Týká se: Reynoldsovo číslo

Pr: Prandtlovo číslo

 

VelikostReje funkcí rychlosti a vlastností tekutiny, zatímcoPrzávisí na viskozitě a hustotě kapaliny. Jednoznačně tekutiny s vyššíkhodnotu mají většíTýká seaPr, což má za následek většíh. Proto, když vezmeme v úvahu Newtonův zákon chlazení,

 

Rovnice 3:

Q = h () 

 

Za stejných podmínek proudění má změna typu tekutiny z plynu na kapalinu (tj. ze vzduchu na vodu) výrazně vyšší přenos tepla.

 

To snižuje průměrnou povrchovou teplotu a zlepšuje účinnost konstrukce zařízení pro odvod tepla. Použití kapalinového chlazení, ať už čistého (ponoření) nebo pomocí vzduchu, může usnadnit vyšší přenos tepla a lepší systémy tepelného managementu.

 

Zařízení využívající kapalinové chladicí systémy však obvykle vyžadují chlazení vzduchem pro cirkulaci. Důraz je často kladen na problémy, jako je selhání ventilátoru a hluk.