Як вибрати найкращі компактні теплообмінники для охолодження електроніки

 

Використання компонентів з високою щільністю потужності в електронних виробах швидко зростає, що робить рідинне охолодження життєздатним рішенням для додатків із високим тепловим потоком, що зараз є основною тенденцією. Серед інших факторів ефективна рідинна система охолодження залежить від здатності тепловідводу теплообмінника. Ці теплообмінники відрізняються за типом, розміром і конфігурацією в залежності від сценарію застосування.

 

 

I Основна конструкція

 

На рисунку 1 показана типова система «вода-повітря» з рідинним охолодженням із замкнутим контуром. Охолоджуюча рідина прокачується через холодну пластину, яка контактує з компонентами IC. Тепло, що поглинається компонентами, розсіюється в повітрі через теплообмінник, а охолоджена рідина продовжує проходити по контуру, повторюючи цикл.

 

▲ Малюнок 1. Водно-повітряний гібридний контур охолодження для електронних пристроїв

 

Формула для розрахунку теплоти, переданої водою повітрю, виглядає наступним чином:

 

Де:

• Tw2: температура рідини, що надходить в теплообмінник;
• Ta: температура навколишнього повітря теплообмінника;
• Cmin: менший з показників теплоємності повітря (Ca) або води (Cw), який є добутком масової витрати та питомої теплоємності при постійному тиску;
• ε: ефективність теплообмінника, що визначається як відношення фактичної теплопередачі в теплообміннику до максимально можливої ​​термодинамічної теплопередачі.

 

Температура поверхні компонентів IC, що контактують із холодною пластиною, розраховується за формулою 2.

 

 

Де:

• Tw1 – температура води на вході в холодну плиту;
• Rcp – це термічний опір від компонентів IC до входу холодної пластини, включаючи опір розділу між компонентами та холодною пластиною.

 

Підвищення температури у воді через тепло від компонентів можна оцінити за такою формулою:

 

 

Де:Cw — теплоємність рідини, яка є добутком масової витрати та питомої теплоємності рідини.

Інтегруючи формули 1-3, ми отримуємо формулу 4:

 

 

Це пов’язує температуру поверхні компонентів IC з продуктивністю холодної пластини та теплообмінника.

У наведених вище рівняннях, якщо в теплообміннику використовуються різні типи рідин, нижні індекси "w" і "a" повинні бути змінені на загальні нижні індекси "c" і "h", щоб відображати властивості холодних і гарячих рідин відповідно .

 

Площа поверхні теплообмінника

 

Площа поверхні теплообмінника повинна бути дуже великою, особливо на боці, на яку потрапляє повітря. Це пояснюється тим, що коефіцієнт теплопередачі при повітряному охолодженні набагато нижчий, ніж при рідинному. Збільшення площі поверхні на стороні повітря зменшує термічний опір, забезпечуючи більший теплообмін між рідиною та повітрям.

 

Незважаючи на потребу у великій площі поверхні для ефективного розсіювання тепла, у багатьох проектах не вистачає місця для розміщення великих теплообмінних блоків, особливо в додатках на рівні пристроїв для компонентів і плат.

 

Вибір відповідного теплообмінника в межах наявного простору має вирішальне значення. Крім того, такі параметри, як масова витрата, використання рідин з вищою питомою теплоємністю або збільшення потужності охолоджуючого вентилятора, можна налаштувати для покращення ефективності охолодження.

 

 

II Типи ребер теплообмінника

 

Повітряна сторона теплообмінників зазвичай оснащена компактними ребрами для збільшення теплообміну між повітрям і рідиною.

Тип плавників має відповідати конкретному сценарію застосування. КнигаКомпактні теплообмінникипредставляє декілька типів плавників, у тому числі прямі ласти, жалюзійні ласти, смугові ласти, хвилясті ласти та штифтові ласти, як показано на малюнку 2.

 

▲ Малюнок 2. Типи ребер теплообмінника

 

Дослідження випробували теплообмінники з повітряним охолодженням інадав вказівки щодо оптимізації конструкції плавниківпоєднуючи теплопередачу, перепад тиску, розмір, вагу та вартість.

 

Кореляції для використання коефіцієнта Колберна (JH) і коефіцієнта тертя (f) для опису індексу теплопередачі та індексу падіння тиску показано у формулах 5 і 6.

 

 

 

 

Де:ρ і v – густина та кінематична в’язкість рідини.

 

Число Стентона (St) у формулі 5 можна переписати таким чином:

 

 

У формулах 5-7 Pr, t, v, NU та Re представляють число Прандтля, напругу зсуву стінки, кінематичну в’язкість рідини, число Нуссельта та число Рейнольдса відповідно.

 

На малюнку 3 показано зв’язок між співвідношенням (JH/f) і числом Рейнольдса для структур ребер, показаних на малюнку 2.

 

 

▲ Малюнок 3. Зв’язок між структурою ребер і числом Рейнольдса

 

На малюнку 3 чітко видно, що коли ключовим конструктивним фактором теплообмінника є передача тепла на одиницю перепаду тиску, найефективнішими є прямі ребра, за якими йдуть жалюзійні, хвилясті, зсувні смуги та штифтові ребра.

 

За різних умов швидкості повітря тепловий опір прямих плавників був найменшим.

 

На малюнку 4 теплопередача на одиницю висоти та співвідношення числа Рейнольдса вказує на те, що найбільш підходящою конфігурацією є штифтове ребро, за яким слідують жалюзі, зміщена смуга, хвилясті та прямі ребра.

 

▲ Малюнок 4. Теплопередача на одиницю висоти для різних конфігурацій теплообмінника

 

Ще один важливий фактор дизайну - вага. Наприклад, оптимізація теплообмінників, що використовуються в системах авіоніки, часто надає першочергову перевагу жалюзійним ребрам, а потім хвилястим, зсувними смугами, штифтами та прямими ребрами.

 

 

III Компактний охолоджувач теплообмінника

 

Залежно від системи та застосування невеликі теплообмінники використовують різні типи рідин. Певні рідини мають більшу тепловіддачу та ефективнішу теплову дифузію на одиницю об’єму.

 

Щоб проілюструвати це, розглянемо перенесення тепла через зміну ентальпії у відкритій системі, як показано у формулі 8.

 

 

Де:

 

 

(ρ — густина рідини, V — швидкість, A — площа поперечного перерізу), Cp — питома теплоємність при постійному тиску.

 

Якщо швидкість і площа поперечного перерізу вважаються постійними, Cp і ρ визначають теплопередачу при використанні різних рідин.

 

У таблиці 1 наведено значення Cp, ρ, μ і k для етиленгліколю, води та повітря при 300 К.

 

▲ Таблиця 1. Термодинамічні властивості типових холодоагентів

 

Таблиця 1 показує, що рідини з більшою щільністю та теплоємністю можуть відводити більше тепла. Використання таких рідин значно збільшує тепловіддачу в умовах високого теплового потоку.

 

Однак використання рідин з кращими можливостями теплопередачі вимагає більшої потужності насоса для руху рідини через систему.

 

Для зменшення потужності, необхідної для циркуляції теплоносія, в теплообміннику використовується теплообмін кипіння.

 

У деяких системах теплоносій поглинає тепло від джерела тепла і випаровується.

 

Залежно від складності системи гарячий теплоносій прокачується через ребристу секцію конденсатора, де охолоджувач охолоджується та повертається до рідкої фази.

 

Оскільки теплоносій змінює фазу з рідкого на газоподібний і стає нижчою за щільністю, необхідна потужність насоса для циркуляції теплоносія значно зменшується.

 

У міру швидкого розвитку інтегральних схем із компонентами, що мають вищу щільність потужності, компактні теплообмінники стають важливими для рішень електронного охолодження.

 

Щоб повною мірою використовувати ці пристрої, важливо розуміти їхні концепції, переваги та обмеження. Для правильного використання теплообмінних систем слід визначити пріоритетність таких конструктивних факторів, як перепад тиску, теплопередача, розмір, вага та вартість.