Πώς να επιλέξετε τους καλύτερους συμπαγείς εναλλάκτες θερμότητας για ψύξη ηλεκτρονικών

 

Η χρήση εξαρτημάτων υψηλής πυκνότητας ισχύος σε ηλεκτρονικά προϊόντα αυξάνεται με ταχείς ρυθμούς, καθιστώντας την υγρή ψύξη βιώσιμη λύση για εφαρμογές υψηλής ροής θερμότητας, η οποία είναι επί του παρόντος μια σημαντική τάση. Μεταξύ άλλων παραγόντων, ένα αποτελεσματικό σύστημα ψύξης υγρού βασίζεται στην ικανότητα απαγωγής θερμότητας του εναλλάκτη θερμότητας του. Αυτοί οι εναλλάκτες θερμότητας διαφέρουν ως προς τον τύπο, το μέγεθος και τη διαμόρφωση ανάλογα με το σενάριο εφαρμογής.

 

 

I Βασική Κατασκευή

 

Το σχήμα 1 δείχνει ένα τυπικό σύστημα νερού-αέρα, υγρόψυκτο, κλειστού βρόχου. Το ψυκτικό υγρό αντλείται μέσω ψυχρής πλάκας σε επαφή με τα εξαρτήματα IC. Η θερμότητα που απορροφάται από τα συστατικά διαχέεται στον αέρα μέσω του εναλλάκτη θερμότητας και το ψυχρό υγρό συνεχίζει μέσω του βρόχου, επαναλαμβάνοντας τον κύκλο.

 

▲ Εικόνα 1. Υβριδικός βρόχος ψύξης νερού και αέρα για ηλεκτρονικές συσκευές

 

Ο τύπος για τον υπολογισμό της θερμότητας που μεταφέρεται από το νερό στον αέρα έχει ως εξής:

 

Οπου:

• Tw2: η θερμοκρασία του ρευστού που εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας.
• Ta: η θερμοκρασία περιβάλλοντος αέρα του εναλλάκτη θερμότητας.
• Cmin: ο μικρότερος από τους ρυθμούς θερμοχωρητικότητας του αέρα (Ca) ή του νερού (Cw), που είναι το γινόμενο του ρυθμού ροής μάζας και της ειδικής θερμότητας σε σταθερή πίεση.
• ε: η αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη θερμότητας, που ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής μεταφοράς θερμότητας στον εναλλάκτη θερμότητας προς τη μέγιστη δυνατή θερμοδυναμική μεταφορά θερμότητας.

 

Η θερμοκρασία επιφάνειας των εξαρτημάτων IC που έρχονται σε επαφή με την ψυχρή πλάκα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο 2.

 

 

Οπου:

• Tw1 είναι η θερμοκρασία του νερού στην είσοδο της ψυχρής πλάκας.
• Το Rcp είναι η θερμική αντίσταση από τα εξαρτήματα IC στην είσοδο ψυχρής πλάκας, συμπεριλαμβανομένης της αντίστασης διεπαφής μεταξύ των εξαρτημάτων και της ψυχρής πλάκας.

 

Η αύξηση της θερμοκρασίας στο νερό λόγω της θερμότητας από τα εξαρτήματα μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

 

 

Οπου:Cw είναι ο ρυθμός θερμοχωρητικότητας του υγρού, ο οποίος είναι το γινόμενο του ρυθμού ροής μάζας και της ειδικής θερμότητας του υγρού.

Με την ενσωμάτωση των τύπων 1-3, προκύπτει ο τύπος 4:

 

 

Αυτό συνδέει τη θερμοκρασία επιφάνειας των εξαρτημάτων IC με την απόδοση της ψυχρής πλάκας και του εναλλάκτη θερμότητας.

Στις παραπάνω εξισώσεις, εάν χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι ρευστού στον εναλλάκτη θερμότητας, οι δείκτες "w" και "a" θα πρέπει να αλλάξουν σε γενικούς δείκτες "c" και "h" για να αντιπροσωπεύουν τις ιδιότητες των ψυχρών και θερμών ρευστών, αντίστοιχα. .

 

Επιφάνεια Εναλλάκτη Θερμότητας

 

Η επιφάνεια του εναλλάκτη θερμότητας πρέπει να είναι πολύ μεγάλη, ειδικά στην πλευρά που εκτίθεται στον αέρα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας στην ψύξη του αέρα είναι πολύ χαμηλότερος από ό,τι στην ψύξη υγρού. Η αύξηση της επιφάνειας στην πλευρά του αέρα μειώνει τη θερμική αντίσταση, επιτρέποντας μεγαλύτερη μεταφορά θερμότητας μεταξύ υγρού και αέρα.

 

Παρά την ανάγκη για μεγάλες επιφάνειες για την αποτελεσματική διάχυση της θερμότητας, πολλά έργα δεν έχουν αρκετό χώρο για να φιλοξενήσουν μεγάλες μονάδες εναλλάκτη θερμότητας, ειδικά σε εφαρμογές σε επίπεδο συσκευής για εξαρτήματα και πλακέτες.

 

Η επιλογή του κατάλληλου εναλλάκτη θερμότητας εντός του διαθέσιμου χώρου είναι κρίσιμη. Επιπλέον, μπορούν να προσαρμοστούν παράμετροι όπως ο ρυθμός ροής μάζας, η χρήση υγρών με υψηλότερη ειδική θερμότητα ή η αύξηση της ισχύος του ανεμιστήρα ψύξης για τη βελτίωση της απόδοσης ψύξης.

 

 

II Τύποι πτερυγίων εναλλάκτη θερμότητας

 

Η πλευρά αέρα των εναλλάκτη θερμότητας είναι συνήθως εξοπλισμένη με συμπαγή πτερύγια για την αύξηση της ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ αέρα και υγρού.

Ο τύπος των πτερυγίων πρέπει να είναι κατάλληλος για το συγκεκριμένο σενάριο εφαρμογής. Το βιβλίοΣυμπαγείς εναλλάκτες θερμότηταςεισάγει διάφορους τύπους πτερυγίων, συμπεριλαμβανομένων των ευθύγραμμων πτερυγίων, των πτερυγίων περσίδων, των πτερυγίων λωρίδων, των κυματιστών πτερυγίων και των πτερυγίων με καρφίτσα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.

 

▲ Εικόνα 2. Τύποι πτερυγίων εναλλάκτη θερμότητας

 

Μελέτες έχουν δοκιμάσει αερόψυκτους εναλλάκτες θερμότητας καιπαρείχε οδηγίες για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των πτερυγίωνσυνδυάζοντας μεταφορά θερμότητας, πτώση πίεσης, μέγεθος, βάρος και κόστος.

 

Οι συσχετισμοί για τη χρήση του παράγοντα Colburn (JH) και του παράγοντα τριβής (f) για την περιγραφή του δείκτη μεταφοράς θερμότητας και του δείκτη πτώσης πίεσης παρουσιάζονται στους τύπους 5 και 6.

 

 

 

 

Οπου:Τα ρ και v είναι η πυκνότητα και το κινηματικό ιξώδες του ρευστού.

 

Ο αριθμός Stanton (St) στον τύπο 5 μπορεί να ξαναγραφτεί ως εξής:

 

 

Στους τύπους 5-7, τα Pr, t, v, NU και Re αντιπροσωπεύουν τον αριθμό Prandtl, τη διατμητική τάση τοιχώματος, το κινηματικό ιξώδες του ρευστού, τον αριθμό Nusselt και τον αριθμό Reynolds, αντίστοιχα.

 

Το σχήμα 3 δείχνει τη σχέση μεταξύ του λόγου (JH/f) και του αριθμού Reynolds για τις δομές πτερυγίων που φαίνονται στο σχήμα 2.

 

 

▲ Εικόνα 3. Σχέση μεταξύ των δομών πτερυγίων και του αριθμού Reynolds

 

Μπορεί να φανεί καθαρά από το Σχήμα 3 ότι όταν ο βασικός παράγοντας σχεδιασμού του εναλλάκτη θερμότητας είναι η μεταφορά θερμότητας ανά μονάδα πτώσης πίεσης, τα ευθύγραμμα πτερύγια είναι τα πιο αποτελεσματικά, ακολουθούμενα από δομές περσίδων, κυματιστών, λωρίδων μετατόπισης και πτερυγίων πείρου.

 

Κάτω από διάφορες συνθήκες ταχύτητας αέρα, η θερμική αντίσταση των ευθύγραμμων πτερυγίων ήταν η χαμηλότερη.

 

Στο Σχήμα 4, η μεταφορά θερμότητας ανά μονάδα ύψους και ο λόγος αριθμού Reynolds υποδεικνύουν ότι τα πτερύγια πείρων είναι η πιο κατάλληλη διαμόρφωση, ακολουθούμενα από περσίδες, λωρίδες μετατόπισης, κυματιστά και ευθεία πτερύγια.

 

▲ Εικόνα 4. Μεταφορά θερμότητας ανά μονάδα ύψους για διαφορετικές διαμορφώσεις εναλλάκτη θερμότητας

 

Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας σχεδιασμού είναι το βάρος. Για παράδειγμα, η βελτιστοποίηση των εναλλακτών θερμότητας που χρησιμοποιούνται σε συστήματα αεροηλεκτρονικών συστημάτων συχνά δίνει προτεραιότητα στα πτερύγια περσίδων πρώτα, ακολουθούμενα από κυματιστές, μετατοπισμένες λωρίδες, πείρες και ίσια σχέδια πτερυγίων.

 

 

III Συμπαγής ψυκτικό εναλλάκτη θερμότητας

 

Ανάλογα με το σύστημα και την εφαρμογή, οι μικροί εναλλάκτες θερμότητας χρησιμοποιούν διαφορετικούς τύπους υγρών. Ορισμένα ρευστά έχουν μεγαλύτερη μεταφορά θερμότητας και πιο αποτελεσματική θερμική διάχυση ανά μονάδα όγκου.

 

Για να το δείξετε αυτό, εξετάστε τη μεταφορά θερμότητας λόγω της αλλαγής της ενθαλπίας σε ένα ανοιχτό σύστημα, όπως φαίνεται στον τύπο 8.

 

 

Οπου:

 

 

(ρ είναι η πυκνότητα του ρευστού, V είναι η ταχύτητα και A είναι το εμβαδόν της διατομής), Cp είναι η ειδική θερμότητα σε σταθερή πίεση.

 

Εάν η ταχύτητα και το εμβαδόν της διατομής θεωρούνται σταθερές, τα Cp και ρ καθορίζουν τη μεταφορά θερμότητας όταν χρησιμοποιούνται διαφορετικά ρευστά.

 

Ο Πίνακας 1 δείχνει τις τιμές των Cp, ρ, μ και k για την αιθυλενογλυκόλη, το νερό και τον αέρα στους 300K.

 

▲ Πίνακας 1. Θερμοδυναμικές ιδιότητες τυπικών ψυκτικών

 

Ο Πίνακας 1 δείχνει ότι τα υγρά με μεγαλύτερη πυκνότητα και θερμοχωρητικότητα μπορούν να αφαιρέσουν περισσότερη θερμότητα. Η χρήση τέτοιων υγρών αυξάνει σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας σε εφαρμογές υψηλής ροής θερμότητας.

 

Ωστόσο, η χρήση υγρών με καλύτερες δυνατότητες μεταφοράς θερμότητας απαιτεί μεγαλύτερη ισχύ της αντλίας για την κίνηση του ρευστού μέσω του συστήματος.

 

Για να μειωθεί η ισχύς που απαιτείται για την κυκλοφορία του ψυκτικού, ο εναλλάκτης θερμότητας χρησιμοποιεί μεταφορά θερμότητας που βράζει.

 

Σε ορισμένα συστήματα, το ψυκτικό απορροφά θερμότητα από την πηγή θερμότητας και εξατμίζεται.

 

Με βάση την πολυπλοκότητα του συστήματος, το θερμό ψυκτικό αντλείται μέσω ενός τμήματος συμπυκνωτή με πτερύγια, όπου το ψυκτικό ψύχεται και επιστρέφει στην υγρή φάση.

 

Δεδομένου ότι το ψυκτικό αλλάζει φάση από υγρό σε αέριο και γίνεται χαμηλότερη σε πυκνότητα, η απαιτούμενη ισχύς άντλησης για την κυκλοφορία του ψυκτικού μειώνεται σημαντικά.

 

Καθώς τα ολοκληρωμένα κυκλώματα προχωρούν γρήγορα, με τα εξαρτήματα να έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος, οι συμπαγείς εναλλάκτες θερμότητας καθίστανται απαραίτητοι στις ηλεκτρονικές λύσεις ψύξης.

 

Για να αξιοποιήσετε πλήρως αυτές τις συσκευές, είναι σημαντικό να κατανοήσετε τις έννοιες, τα οφέλη και τους περιορισμούς τους. Για τη σωστή χρήση συστημάτων εναλλάκτη θερμότητας, πρέπει να δίνονται προτεραιότητα σε παράγοντες σχεδιασμού όπως η πτώση πίεσης, η μεταφορά θερμότητας, το μέγεθος, το βάρος και το κόστος.