Elektroninių gaminių skysčių aušinimo sistemų ir sprendimų projektavimo principai

 

I Skysčio aušinimo sistemos ir jų komponentai

 

Sparčiai didėjant lustų ir plokštės lygio komponentų galios tankiui, daugelyje naujų produktų pradedamas naudoti skystas aušinimas. Tačiau taip pat yra daug išorinių abejonių ir rūpesčių, pavyzdžiui, ar reikia atsižvelgti į tokias rizikas kaip nuotėkis, aušinimo efektyvumas ir kaina.

 

Skysčio aušinimo sistemos apibrėžimas parodytas 1 paveiksle. PCB komponentų sukurta šiluma surenkama per pritvirtintas šaltas plokštes ir aušinimo skysčiu transportuojama į skysčio rezervuarą. Vėliau atvėsęs skystis cirkuliuoja atgal į šaltas plokštes. Taip sukuriama skysčio kilpa arba aušinimo sistema.

 

▲ 1 pav. Skysčio aušinimo sistema

 

2 paveiksle parodyta tradicinė aušinimo sistema, naudojama elektroninėse sistemose.

 

▲ 2 pav. Oro aušinimas skysčiu elektroninėse sistemose

 

Šioje struktūroje skystis veikia kaip perdavimo terpė, perduodanti šilumą iš šilumos šaltinio į šaltąją plokštę, o po to į orą per šilumokaitį. Šios sistemos aušinimo pajėgumą riboja šilumokaičio konstrukcija arba jo šiluminės charakteristikos.

 

Lyginant minėtas sistemas, pastebimi reikšmingi skirtumai. Tikroje skysčio aušinimo sistemoje (1 pav.) rezervuaras yra izoterminis pagal termodinaminę apibrėžimą.

 

Tai reiškia, kad jo temperatūra nesikeičia dėl šilumos patekimo. Rezervuaro tūris yra pakankamai didelis, kad jo vidutinė temperatūra būtų pastovi, galiausiai keičiasi šiluma su atmosfera ir aplinka. Ši programa šiuo metu plačiai naudojama duomenų centrų panardinamajam aušinimui.

 

Vėsinimas oru iš esmės yra oro aušinimo sistema, kurioje skystis naudojamas kaip šilumos perdavimo terpė tarp šaltinio ir šilumos kriauklės.

 

Bet kurioje sistemoje aušinimas skysčiu turi aiškių pranašumų. Šie pranašumai apima skysčių šilumos perdavimo tūrio vienete ir efektyvesnę šilumos sklaidą.

 

Šilumos perdavimas, kurį sukelia entalpijos pokytis atviroje sistemoje, apskaičiuojamas taip, kaip parodyta 1 lygtyje.

1 lygtis:

Q = m( - ) 

 

kur m=ρVA (kur ρ – skysčio tankis, V – greitis, A – skerspjūvio plotas) iryra savitoji šiluma esant pastoviam slėgiui.

 

Darant prielaidą, kad greitis ir skerspjūvio plotas yra pastovūs, šilumos perdavimą skirtingiems skysčiams galima apskaičiuoti naudojantir ρ.

1 lentelėje parodytos vertės, ρ, μ ir k vandeniui ir orui esant 300 laipsnių K.

 

▲ Lentelė1. Tipinių aušinimo skysčių termodinaminės savybės

 

Tai, kas išdėstyta aukščiau, aiškiai parodo didelio tankio ir šiluminės talpos skysčių pranašumą perduodant šilumines apkrovas.

Skysčio aušinimas taip pat gali atlikti lemiamą vaidmenį valdant lusto šilumą. Vietinis energijos suvartojimas plokščių ir lustų lygiuose yra didelis iššūkis kuriant sėkmingą produktą.

 

3 paveiksle parodytas didelio gamintojo pavyzdys, kai šilumos srautas tam tikroje lusto vietoje viršija 2500 W/cm².

 

▲ 3 pav. Šilumos srautas, viršijantis 2500 W/cm² mikroprocesoriuje

 

Akivaizdu, kad lokalizuotą šilumos srautą galima efektyviau valdyti paskirstant šilumą didesniame paviršiaus plote.

 

Laidumas ir konvekcinis šilumos perdavimas yra pagrindiniai šios šilumos išsklaidymo konstrukcijos metodai. Didelio šilumos laidumo medžiagos, tokios kaip deimantiniai ir grafito lakštai, labai padės efektyviau paskleisti šilumą didesniame paviršiuje.

Ištyrus Nuselto skaičių (Nu) ir šilumos perdavimo koeficientą, galima stebėti, kaip skysčiai efektyviai išsklaido šilumą didesniame paviršiaus plote. Nu lyguhL/k, ir šilumos perdavimo koeficientąhplokščiai plokštei laminariniame sraute pateikiama 2 lygtis.

 

2 lygtis:

h = k/L [0.332 .] 

 

Kur

 

h: šilumos perdavimo koeficientas

k: skysčio šilumos laidumas

L: būdingas ilgis

Re: Reinoldso numeris

Pr: Prandtl numeris

 

DydisReyra greičio ir skysčio savybių funkcija, tuo tarpuPrpriklauso nuo skysčio klampumo ir tankio. Aišku, skysčiai su didesniukvertė yra didesnėReirPr, todėl gaunamas didesnish. Todėl, atsižvelgiant į Niutono aušinimo dėsnį,

 

3 lygtis:

Q = h () 

 

Esant tokioms pačioms srauto sąlygoms, keičiant skysčio tipą iš dujų į skystą (ty iš oro į vandenį), šilumos perdavimas žymiai padidėja.

 

Tai sumažina vidutinę paviršiaus temperatūrą ir pagerina įrenginio šilumos išsklaidymo konstrukcijos efektyvumą. Naudojant skystą aušinimą, nesvarbu, ar tai būtų grynas (panardinamas), ar su oru, gali padidėti šilumos perdavimas ir geresnės šilumos valdymo sistemos.

 

Tačiau įrangai, kuri diegia aušinimo skysčiais sistemas, cirkuliacijai paprastai reikalingas oro aušinimas. Daug dėmesio skiriama tokioms problemoms kaip ventiliatoriaus gedimas ir triukšmas.