Sådan vælger du de bedste kompakte varmevekslere til elektronikkøling

 

Brugen af ​​komponenter med høj effekttæthed i elektroniske produkter er hastigt stigende, hvilket gør væskekøling til en levedygtig løsning til applikationer med høj varmeflux, hvilket i øjeblikket er en stor trend. Blandt andre faktorer er et effektivt væskekølesystem afhængigt af varmeafledningskapaciteten af ​​dets varmeveksler. Disse varmevekslere varierer i type, størrelse og konfiguration afhængigt af applikationsscenariet.

 

 

I Grundkonstruktion

 

Figur 1 viser et typisk vand-til-luft, væskekølet, lukket sløjfesystem. Kølevæsken pumpes gennem en kold plade i kontakt med IC-komponenterne. Den varme, der absorberes fra komponenterne, spredes ud i luften gennem varmeveksleren, og den afkølede væske fortsætter gennem løkken og gentager cyklussen.

 

▲ Figur 1. Vand- og lufthybridkølesløjfe til elektroniske enheder

 

Formlen til beregning af varme overført fra vand til luft er som følger:

 

Hvor:

• Tw2: temperaturen af ​​væsken, der kommer ind i varmeveksleren;
• Ta: den omgivende lufttemperatur i varmeveksleren;
• Cmin: den mindste af varmekapacitetshastighederne for luft (Ca) eller vand (Cw), som er produktet af massestrømningshastighed og specifik varme ved konstant tryk;
• ε: varmevekslerens effektivitet, defineret som forholdet mellem faktisk varmeoverførsel i varmeveksleren og den maksimalt mulige varmeoverførsel termodynamisk.

 

Overfladetemperaturen af ​​IC-komponenterne i kontakt med den kolde plade beregnes ved hjælp af formel 2.

 

 

Hvor:

• Tw1 er vandtemperaturen ved indgangen til den kolde plade;
• Rcp er den termiske modstand fra IC-komponenterne til koldpladeindløbet, inklusive grænseflademodstanden mellem komponenterne og koldpladen.

 

Temperaturstigningen i vandet på grund af varmen fra komponenterne kan estimeres ved hjælp af følgende formel:

 

 

Hvor:Cw er væskens varmekapacitet, som er produktet af massestrømningshastigheden og væskens specifikke varme.

Ved at integrere formlerne 1-3 udleder vi formel 4:

 

 

Dette forbinder IC-komponenternes overfladetemperatur med ydelsen af ​​koldpladen og varmeveksleren.

I ovenstående ligninger, hvis der anvendes forskellige væsketyper i varmeveksleren, skal underskrifterne "w" og "a" ændres til generelle underskrifter "c" og "h" for at repræsentere egenskaberne for henholdsvis de kolde og varme væsker. .

 

Varmeveksler overfladeareal

 

Overfladen på varmeveksleren skal være meget stor, især på den side, der er udsat for luft. Dette skyldes, at varmeoverførselskoefficienten ved luftkøling er meget lavere end ved væskekøling. Forøgelse af overfladearealet på luftsiden reducerer termisk modstand, hvilket muliggør højere varmeoverførsel mellem væske og luft.

 

På trods af behovet for store overfladearealer for effektivt at sprede varme, har mange projekter ikke plads nok til at rumme store varmevekslerenheder, især i applikationer på enhedsniveau til komponenter og plader.

 

Det er afgørende at vælge den passende varmeveksler inden for den tilgængelige plads. Derudover kan parametre såsom masseflowhastighed, brug af væsker med højere specifik varme eller øget køleblæsereffekt justeres for at forbedre køleydelsen.

 

 

II varmeveksler finnetyper

 

Luftsiden af ​​varmevekslere er typisk forsynet med kompakte finner for at øge varmeudvekslingen mellem luft og væske.

Typen af ​​finner skal være passende til det specifikke anvendelsesscenarie. BogenKompakte varmevekslereintroducerer flere finnetyper, herunder lige finner, lamelfinner, strimmelfinner, bølgede finner og stiftfinner, som vist i figur 2.

 

▲ Figur 2. Typer af varmevekslerfinner

 

Undersøgelser har testet luftkølede varmevekslere oggivet retningslinjer for optimering af finnedesignved at kombinere varmeoverførsel, trykfald, størrelse, vægt og omkostninger.

 

Korrelationerne for at bruge Colburn-faktoren (JH) og friktionsfaktoren (f) til at beskrive varmeoverførselsindekset og trykfaldsindekset er vist i formlerne 5 og 6.

 

 

 

 

Hvor:ρ og v er væskens densitet og kinematiske viskositet.

 

Stanton-tallet (St) i formel 5 kan omskrives som følger:

 

 

I formlerne 5-7 repræsenterer Pr, t, v, NU og Re henholdsvis Prandtl-tallet, vægforskydningsspændingen, væskens kinematiske viskositet, Nusselt-tallet og Reynolds-tallet.

 

Figur 3 viser forholdet mellem (JH/f)-forholdet og Reynolds-tallet for finnestrukturerne vist i figur 2.

 

 

▲ Figur 3. Forholdet mellem finnestrukturer og Reynolds tal

 

Det kan tydeligt ses af figur 3, at når varmevekslerens nøgledesignfaktor er varmeoverførslen pr. trykfaldsenhed, er lige finner de mest effektive, efterfulgt af lamel-, bølgeformede, forskudte strimmel- og stiftfinnestrukturer.

 

Under forskellige lufthastighedsforhold var den termiske modstand af de lige finner den laveste.

 

I figur 4 indikerer varmeoverførslen pr. højdeenhed og Reynolds talforhold, at stiftfinner er den bedst egnede konfiguration, efterfulgt af lamel, forskudt strimmel, bølgede og lige finner.

 

▲ Figur 4. Varmeoverførsel pr. højdeenhed for forskellige varmevekslerkonfigurationer

 

En anden vigtig designfaktor er vægt. For eksempel prioriterer optimering af varmevekslere, der bruges i flyelektroniksystemer, ofte lamelfinner først, efterfulgt af bølgede, forskudte strimler, stifter og design med lige finne.

 

 

III Kompakt varmeveksler kølevæske

 

Afhængigt af systemet og anvendelsen bruger små varmevekslere forskellige typer væsker. Visse væsker har større varmeoverførsel og mere effektiv termisk diffusion pr. volumenhed.

 

For at illustrere dette, overveje varmetransport på grund af entalpiændring i et åbent system, som vist i formel 8.

 

 

Hvor:

 

 

(ρ er væskedensiteten, V er hastigheden, og A er tværsnitsarealet), Cp er den specifikke varme ved konstant tryk.

 

Hvis hastighed og tværsnitsareal betragtes som konstanter, bestemmer Cp og ρ varmeoverførslen ved brug af forskellige væsker.

 

Tabel 1 viser værdierne af Cp, ρ, μ og k for ethylenglycol, vand og luft ved 300K.

 

▲ Tabel 1. Termodynamiske egenskaber for typiske kølemidler

 

Tabel 1 viser, at væsker med højere densitet og varmekapacitet kan fjerne mere varme. Brug af sådanne væsker øger varmeoverførslen betydeligt i applikationer med høj varmeflux.

 

Brug af væsker med bedre varmeoverførselsevne kræver dog højere pumpeeffekt for at drive væsken gennem systemet.

 

For at reducere den effekt, der kræves til kølevæskecirkulation, bruger varmeveksleren kogende varmeoverførsel.

 

I nogle systemer absorberer kølevæsken varme fra varmekilden og fordamper.

 

Baseret på systemets kompleksitet pumpes den varme kølevæske gennem en lamelforsynet kondensatorsektion, hvor kølevæsken afkøles og vender tilbage til væskefasen.

 

Da kølevæsken skifter fase fra væske til gas og bliver lavere i densitet, reduceres den nødvendige pumpekraft til kølevæskecirkulation kraftigt.

 

Efterhånden som integrerede kredsløb udvikler sig hurtigt, med komponenter med højere effekttæthed, bliver kompakte varmevekslere vigtige i elektroniske køleløsninger.

 

For fuldt ud at udnytte disse enheder er det vigtigt at forstå deres koncepter, fordele og begrænsninger. For at bruge varmevekslersystemer korrekt skal designfaktorer som trykfald, varmeoverførsel, størrelse, vægt og omkostninger prioriteres.