Elektronisko produktu šķidruma dzesēšanas sistēmu un risinājumu projektēšanas principi

 

I Šķidruma dzesēšanas sistēmas un to sastāvdaļas

 

Strauji palielinoties mikroshēmu un plates līmeņa komponentu jaudas blīvumam, daudzi jauni produkti sāk izmantot šķidruma dzesēšanu. Tomēr pastāv arī daudzas ārējas šaubas un bažas, piemēram, vai jāņem vērā tādi riski kā noplūde, dzesēšanas efektivitāte un izmaksas.

 

Šķidruma dzesēšanas sistēmas definīcija ir parādīta 1. attēlā. PCB komponentu radītais siltums tiek savākts caur pievienotajām aukstuma plāksnēm un pēc tam ar dzesēšanas šķidrumu tiek transportēts uz šķidruma rezervuāru. Pēc tam atdzesētais šķidrums cirkulē atpakaļ uz aukstajām plāksnēm. Tādējādi tiek izveidota šķidruma cilpa jeb dzesēšanas sistēma.

 

▲ 1. attēls. Šķidruma dzesēšanas sistēma

 

2. attēlā parādīta tradicionālā dzesēšanas sistēma, ko izmanto elektroniskajās sistēmās.

 

▲ 2. attēls. Šķidruma dzesēšana ar gaisa palīdzību elektroniskajās sistēmās

 

Šajā struktūrā šķidrums darbojas kā nesējs, pārnesot siltumu no siltuma avota uz aukstuma plāksni un pēc tam uz gaisu caur siltummaini. Šīs sistēmas dzesēšanas jaudu ierobežo siltummaiņa konstrukcija vai tā termiskā veiktspēja.

 

Salīdzinot iepriekš minētās sistēmas, tiek novērotas būtiskas atšķirības. Īstā šķidruma dzesēšanas sistēmā (1. attēls) rezervuārs ir izotermisks saskaņā ar tās termodinamisko definīciju.

 

Tas nozīmē, ka tā temperatūra nemainās siltuma ievades dēļ. Rezervuāra tilpums ir pietiekami liels, lai saglabātu tā vidējo temperatūru nemainīgu, galu galā apmainoties ar siltumu ar atmosfēru un apkārtni. Šo lietojumprogrammu pašlaik plaši izmanto datu centra iegremdēšanas dzesēšanā.

 

Dzesēšana ar gaisa palīdzību būtībā ir gaisa dzesēšanas sistēma, kurā šķidrums tiek izmantots kā siltumnesējs starp avotu un siltuma izlietni.

 

Jebkurā sistēmā šķidruma dzesēšanai ir dažas skaidras priekšrocības. Šīs priekšrocības ietver šķidrumu siltuma pārneses spēju tilpuma vienībā un efektīvāku siltuma difūziju.

 

Siltuma pārnesi, ko izraisa entalpijas izmaiņas atvērtā sistēmā, aprēķina, kā parādīts 1. vienādojumā.

1. vienādojums:

Q = m( - ) 

 

kur m=ρVA (kur ρ ir šķidruma blīvums, V ir ātrums, A ir šķērsgriezuma laukums) unir īpatnējais siltums nemainīgā spiedienā.

 

Pieņemot, ka ātrums un šķērsgriezuma laukums ir nemainīgs, siltuma pārnesi var aprēķināt dažādiem šķidrumiem, izmantojotun ρ.

1. tabulā parādītas vērtības, ρ, μ un k ūdenim un gaisam pie 300 grādiem K.

 

▲ Tabula1. Tipisku dzesēšanas šķidrumu termodinamiskās īpašības

 

Iepriekš minētais skaidri norāda uz šķidrumu ar augstu blīvumu un siltumietilpību priekšrocībām termiskās slodzes pārnesē.

Šķidruma dzesēšanai var būt arī izšķiroša nozīme mikroshēmas siltuma pārvaldībā. Vietējais enerģijas patēriņš plātņu un mikroshēmu līmenī rada ievērojamu izaicinājumu veiksmīga produkta izstrādē.

 

3. attēlā parādīts liela ražotāja piemērs, kur siltuma plūsma noteiktā vietā mikroshēmā pārsniedz 2500 W/cm².

 

▲ 3. attēls. Siltuma plūsma, kas pārsniedz 2500 W/cm² mikroprocesorā

 

Skaidrs, ka lokalizēto siltuma plūsmu var efektīvāk pārvaldīt, izplatot siltumu uz lielāku virsmas laukumu.

 

Vadītspēja un konvektīvā siltuma pārnese ir galvenās metodes šim siltuma izkliedes projektam. Materiāli ar augstu siltumvadītspēju, piemēram, dimanta un grafīta loksnes, ievērojami palīdzēs efektīvāk izplatīt siltumu pa lielāku virsmu.

Izpētot Nuselta skaitli (Nu) un siltuma pārneses koeficientu, var novērot, kā šķidrumi efektīvi izkliedē siltumu uz lielāku virsmas laukumu. Nu vienādshL/k, un siltuma pārneses koeficientshplakanai plāksnei laminārā plūsmā ir dots 2. vienādojums.

 

2. vienādojums:

h = k/L [0.332 .] 

 

Kur

 

h: siltuma pārneses koeficients

k: šķidruma siltumvadītspēja

L: raksturīgais garums

Re: Reinoldsa numurs

Pr: Prandtl numurs

 

IzmērsReir ātruma un šķidruma īpašību funkcija, savukārtPrir atkarīgs no šķidruma viskozitātes un blīvuma. Skaidrs, ka šķidrumi ar augstākukvērtība ir lielākaReunPr, kā rezultātā tiek iegūts lielāksh. Tāpēc, apsverot Ņūtona dzesēšanas likumu,

 

3. vienādojums:

Q = h () 

 

Tādos pašos plūsmas apstākļos šķidruma veida maiņa no gāzes uz šķidrumu (ti, no gaisa uz ūdeni) nodrošina ievērojami lielāku siltuma pārnesi.

 

Tas samazina vidējo virsmas temperatūru un uzlabo ierīces siltuma izkliedes konstrukcijas efektivitāti. Šķidruma dzesēšana, neatkarīgi no tā, vai tā ir tīra (iegremdēšana) vai ar gaisa palīdzību, var veicināt lielāku siltuma pārnesi un labākas siltuma pārvaldības sistēmas.

 

Tomēr iekārtām, kas ievieš dzesēšanas sistēmas ar šķidrumu, parasti ir nepieciešama gaisa dzesēšana, lai nodrošinātu cirkulāciju. Bieži vien uzmanība tiek pievērsta tādiem jautājumiem kā ventilatora kļūme un troksnis.