Principes voor het ontwerpen van vloeistofkoelsystemen en -oplossingen voor elektronische producten

 

I Vloeistofkoelsystemen en hun componenten

 

Met de snelle toename van de vermogensdichtheid van chips en componenten op bordniveau beginnen veel nieuwe producten gebruik te maken van vloeistofkoeling. Er zijn echter ook veel externe twijfels en zorgen, zoals de vraag of er rekening moet worden gehouden met risico's zoals lekkages, koelingsefficiëntie en kosten.

 

De definitie van een vloeistofkoelsysteem wordt weergegeven in figuur 1. De door PCB-componenten gegenereerde warmte wordt verzameld via aangesloten koude platen en vervolgens door het koelmiddel naar een vloeistofreservoir getransporteerd. Vervolgens circuleert de gekoelde vloeistof terug naar de koude platen. Zo ontstaat er een vloeistoflus of koelsysteem.

 

▲ Afbeelding 1. Vloeistofkoelsysteem

 

Figuur 2 toont het traditionele koelsysteem dat in elektronische systemen wordt gebruikt.

 

▲ Afbeelding 2. Luchtondersteunde vloeistofkoeling in elektronische systemen

 

In deze structuur fungeert de vloeistof als een overdrachtsmedium, waarbij warmte van de warmtebron naar de koude plaat wordt overgebracht en vervolgens via een warmtewisselaar naar de lucht. De koelcapaciteit van dit systeem wordt beperkt door het ontwerp van de warmtewisselaar of de thermische prestaties ervan.

 

Bij het vergelijken van de bovengenoemde systemen worden significante verschillen waargenomen. In een echt vloeistofkoelsysteem (Figuur 1) is het reservoir isotherm volgens zijn thermodynamische definitie.

 

Dit betekent dat de temperatuur niet verandert als gevolg van de warmte-inbreng. Het volume van het reservoir is groot genoeg om de gemiddelde temperatuur constant te houden en uiteindelijk warmte uit te wisselen met de atmosfeer en de omgeving. Deze toepassing wordt momenteel veel gebruikt bij dompelkoeling in datacenters.

 

Luchtondersteunde koeling is in wezen een luchtkoelsysteem waarbij de vloeistof wordt gebruikt als warmteoverdrachtsmedium tussen de bron en het koellichaam.

 

In beide systemen heeft vloeistofkoeling enkele duidelijke voordelen. Deze voordelen omvatten het warmteoverdrachtsvermogen van vloeistoffen per volume-eenheid en een efficiëntere warmtediffusie.

 

De warmteoverdracht veroorzaakt door de verandering in enthalpie in een open systeem wordt berekend zoals weergegeven in vergelijking 1.

Vergelijking 1:

Q = m( - ) 

 

Waar m=ρVA (waarbij ρ de vloeistofdichtheid is, V de snelheid is, A het dwarsdoorsnedeoppervlak is), enis de soortelijke warmte bij constante druk.

 

Ervan uitgaande dat de snelheid en het dwarsdoorsnedeoppervlak constant zijn, kan de warmteoverdracht voor verschillende vloeistoffen worden berekenden ρ.

Tabel 1 toont de waarden van, ρ, μ en k voor water en lucht bij 300 graden K.

 

▲ Tabel1. Thermodynamische eigenschappen van typische koelvloeistoffen

 

Het bovenstaande geeft duidelijk het voordeel aan van vloeistoffen met een hoge dichtheid en warmtecapaciteit bij het overbrengen van thermische belastingen.

Vloeistofkoeling kan ook een cruciale rol spelen bij het thermisch beheer van chips. Lokaal stroomverbruik op bord- en chipniveau vormt een aanzienlijke uitdaging bij het ontwerpen van een succesvol product.

 

Figuur 3 toont een voorbeeld van een grote fabrikant, waarbij de warmtestroom op een bepaalde locatie op de chip groter is dan 2500 W/cm².

 

▲ Afbeelding 3. Warmtestroom groter dan 2500 W/cm² in een microprocessor

 

Het is duidelijk dat de plaatselijke warmtestroom effectiever kan worden beheerd door de warmte over een groter oppervlak te verspreiden.

 

Geleiding en convectieve warmteoverdracht zijn de belangrijkste methoden voor dit warmtedissipatieontwerp. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals diamant- en grafietplaten, zullen in grote mate bijdragen aan het effectiever verspreiden van warmte over een groter oppervlak.

Door het Nusseltgetal (Nu) en de warmteoverdrachtscoëfficiënt te onderzoeken, kan men waarnemen hoe vloeistoffen effectief warmte over een groter oppervlak verspreiden. Nu is gelijkhL/ken de warmteoverdrachtscoëfficiënthvoor een vlakke plaat in laminaire stroming wordt gegeven door vergelijking 2.

 

Vergelijking 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Waar

 

h: warmteoverdrachtscoëfficiënt

k: thermische geleidbaarheid van vloeistoffen

L: karakteristieke lengte

Met betrekking tot: Reynoldsgetal

Pr: Prandtl-nummer

 

De grootte vanMet betrekking totis een functie van snelheid en vloeistofeigenschappen, terwijlPrhangt af van de viscositeit en dichtheid van de vloeistof. Het is duidelijk dat vloeistoffen met een hogerekwaarde groter zijnMet betrekking totEnPr, resulterend in een grotereh. Daarom, als we de afkoelingswet van Newton beschouwen,

 

Vergelijking 3:

Q = h () 

 

Onder dezelfde stromingsomstandigheden resulteert het veranderen van het vloeistoftype van gas in vloeistof (dwz van lucht in water) in een aanzienlijk hogere warmteoverdracht.

 

Dit verlaagt de gemiddelde oppervlaktetemperatuur en verbetert de effectiviteit van het warmteafvoerontwerp van het apparaat. Het gebruik van vloeistofkoeling, puur (onderdompeling) of luchtondersteund, kan een hogere warmteoverdracht en betere thermische beheersystemen mogelijk maken.

 

Apparatuur die vloeistofondersteunde koelsystemen implementeert, vereist echter doorgaans luchtkoeling voor circulatie. De focus ligt vaak op zaken als ventilatorstoringen en geluid.