Принципы проектирования систем и решений жидкостного охлаждения электронных изделий

 

I Системы жидкостного охлаждения и их компоненты

 

С быстрым увеличением удельной мощности чипов и компонентов на уровне платы многие новые продукты начинают использовать жидкостное охлаждение. Однако существует также множество внешних сомнений и опасений, например, следует ли принимать во внимание такие риски, как утечки, эффективность охлаждения и стоимость.

 

Определение системы жидкостного охлаждения показано на рисунке 1. Тепло, генерируемое компонентами печатной платы, собирается через прикрепленные холодные пластины, а затем переносится охлаждающей жидкостью в резервуар с жидкостью. Впоследствии охлажденная жидкость циркулирует обратно к холодным пластинам. Таким образом создается жидкостный контур или система охлаждения.

 

▲ Рисунок 1. Система жидкостного охлаждения

 

На рисунке 2 показана традиционная система охлаждения, используемая в электронных системах.

 

▲ Рисунок 2. Воздушное жидкостное охлаждение в электронных системах

 

В этой конструкции жидкость выступает в качестве переносящей среды, передавая тепло от источника тепла к холодной пластине, а затем через теплообменник к воздуху. Охлаждающая способность этой системы ограничена конструкцией теплообменника или его тепловыми характеристиками.

 

При сравнении вышеперечисленных систем наблюдаются существенные различия. В настоящей системе жидкостного охлаждения (рис. 1) резервуар является изотермическим согласно его термодинамическому определению.

 

Это означает, что его температура не меняется из-за подвода тепла. Объем резервуара достаточно велик, чтобы поддерживать постоянную среднюю температуру, в конечном итоге обмениваясь теплом с атмосферой и окружающей средой. Это приложение в настоящее время широко используется в погружном охлаждении центров обработки данных.

 

Воздушное охлаждение — это, по сути, система воздушного охлаждения, в которой жидкость используется в качестве теплоносителя между источником и радиатором.

 

В любой системе жидкостное охлаждение имеет некоторые явные преимущества. Эти преимущества включают способность теплопередачи жидкостей на единицу объема и более эффективную диффузию тепла.

 

Теплопередача, вызванная изменением энтальпии в открытой системе, рассчитывается, как показано в уравнении 1.

Уравнение 1:

Q = m( - ) 

 

Где m=ρVA (где ρ — плотность жидкости, V — скорость, A — площадь поперечного сечения), и- удельная теплоемкость при постоянном давлении.

 

Предполагая, что скорость и площадь поперечного сечения постоянны, теплопередачу можно рассчитать для различных жидкостей, используяи ρ.

В таблице 1 приведены значения, ρ, μ и k для воды и воздуха при 300 градусах К.

 

▲ Таблица1. Термодинамические свойства типичных теплоносителей.

 

Вышеизложенное ясно указывает на преимущество жидкостей с высокой плотностью и теплоемкостью при передаче тепловых нагрузок.

Жидкостное охлаждение также может играть решающую роль в управлении температурой чипа. Локальное энергопотребление на уровне платы и чипа представляет собой серьезную проблему при разработке успешного продукта.

 

На рисунке 3 показан пример от крупного производителя, где тепловой поток в заданном месте кристалла превышает 2500 Вт/см².

 

▲ Рисунок 3. Тепловой поток, превышающий 2500 Вт/см² в микропроцессоре

 

Очевидно, что локализованным тепловым потоком можно управлять более эффективно, распределяя тепло по большей площади поверхности.

 

Кондуктивность и конвективная теплопередача являются основными методами рассеивания тепла в этой конструкции. Материалы с высокой теплопроводностью, такие как алмазные и графитовые листы, значительно помогут более эффективно распределять тепло по большей поверхности.

Изучая число Нуссельта (Nu) и коэффициент теплопередачи, можно наблюдать, как жидкости эффективно рассеивают тепло по большей площади поверхности. Ню равногл/к, а коэффициент теплопередачиhдля плоской пластины в ламинарном потоке определяется уравнением 2.

 

Уравнение 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Где

 

h: коэффициент теплопередачи

k: теплопроводность жидкости

L: характерная длина

Ре: число Рейнольдса

Пр: число Прандтля

 

РазмерРеявляется функцией скорости и свойств жидкости, аПрзависит от вязкости и плотности жидкости. Очевидно, что жидкости с более высокимkзначение имеет большееРеиПр, что приводит к большемуh. Поэтому, учитывая закон охлаждения Ньютона,

 

Уравнение 3:

Q = h () 

 

При тех же условиях потока изменение типа жидкости с газа на жидкость (т. е. с воздуха на воду) приводит к значительному увеличению теплоотдачи.

 

Это снижает среднюю температуру поверхности и повышает эффективность конструкции рассеивания тепла устройства. Использование жидкостного охлаждения, будь то чистое (погружное) или воздушное, может способствовать более высокой теплопередаче и улучшению систем терморегулирования.

 

Однако оборудование, в котором реализованы системы жидкостного охлаждения, обычно требует воздушного охлаждения для циркуляции. Основное внимание часто уделяется таким проблемам, как отказ вентилятора и шум.