Elektronisten tuotteiden nestejäähdytysjärjestelmien ja -ratkaisujen suunnittelun periaatteet

 

I Nestejäähdytysjärjestelmät ja niiden komponentit

 

Sirujen ja levytason komponenttien tehotiheyden nopean kasvun myötä monet uudet tuotteet alkavat käyttää nestejäähdytystä. On kuitenkin olemassa myös monia ulkoisia epäilyksiä ja huolenaiheita, kuten se, pitäisikö riskit, kuten vuodot, jäähdytystehokkuus ja kustannukset, ottaa huomioon.

 

Nestejäähdytysjärjestelmän määritelmä on esitetty kuvassa 1. Piirilevykomponenttien tuottama lämpö kerätään kiinnitettyjen kylmälevyjen läpi ja kuljetetaan sitten jäähdytysnesteen avulla nestesäiliöön. Tämän jälkeen jäähdytetty neste kiertää takaisin kylmille levyille. Näin syntyy nestesilmukka tai jäähdytysjärjestelmä.

 

▲ Kuva 1. Nestejäähdytysjärjestelmä

 

Kuvassa 2 on esitetty elektroniikkajärjestelmissä käytetty perinteinen jäähdytysjärjestelmä.

 

▲ Kuva 2. Ilmaavusteinen nestejäähdytys elektronisissa järjestelmissä

 

Tässä rakenteessa neste toimii siirtoväliaineena siirtäen lämpöä lämmönlähteestä kylmälevylle ja sitten ilmaan lämmönvaihtimen kautta. Tämän järjestelmän jäähdytystehoa rajoittaa lämmönvaihtimen rakenne tai sen lämpöteho.

 

Yllä olevia järjestelmiä verrattaessa havaitaan merkittäviä eroja. Todellisessa nestejäähdytysjärjestelmässä (kuva 1) säiliö on termodynaamisen määritelmänsä mukaan isoterminen.

 

Tämä tarkoittaa, että sen lämpötila ei muutu lämmönsyötön vuoksi. Säiliön tilavuus on riittävän suuri pitämään sen keskilämpötilan vakiona ja lopulta vaihtamaan lämpöä ilmakehän ja ympäristön kanssa. Tätä sovellusta käytetään tällä hetkellä laajalti datakeskusten uppojäähdytyksessä.

 

Ilma-avusteinen jäähdytys on pohjimmiltaan ilmajäähdytysjärjestelmä, jossa nestettä käytetään lämmönsiirtoaineena lähteen ja jäähdytyselementin välillä.

 

Kummassakin järjestelmässä nestejäähdytyksellä on selkeitä etuja. Näitä etuja ovat nesteiden lämmönsiirtokyky tilavuusyksikköä kohti ja tehokkaampi lämmön diffuusio.

 

Entalpian muutoksen aiheuttama lämmönsiirto avoimessa järjestelmässä lasketaan yhtälön 1 mukaisesti.

Yhtälö 1:

Q = m( - ) 

 

missä m=ρVA (jossa ρ on nesteen tiheys, V on nopeus, A on poikkileikkausala) jaon ominaislämpö vakiopaineessa.

 

Olettaen, että nopeus ja poikkipinta-ala ovat vakioita, lämmönsiirto voidaan laskea eri nesteille käyttämälläja ρ.

Taulukossa 1 on esitetty arvot, ρ, μ ja k vedelle ja ilmalle 300 asteessa K.

 

▲ Taulukko1. Tyypillisten jäähdytysnesteiden termodynaamiset ominaisuudet

 

Edellä oleva osoittaa selvästi korkean tiheyden ja lämpökapasiteetin omaavien nesteiden edut lämpökuormien siirtämisessä.

Nestejäähdytyksellä voi myös olla ratkaiseva rooli lastun lämmönhallinnassa. Paikallinen tehonkulutus levy- ja sirutasolla on merkittävä haaste menestyvän tuotteen suunnittelussa.

 

Kuvassa 3 on esimerkki suurelta valmistajalta, jossa lämpövirta tietyssä sirun kohdassa ylittää 2500 W/cm².

 

▲ Kuva 3. Lämpövirta yli 2500 W/cm² mikroprosessorissa

 

On selvää, että paikallista lämpövirtaa voidaan hallita tehokkaammin levittämällä lämpöä suuremmalle pinta-alalle.

 

Johto ja konvektiivinen lämmönsiirto ovat tärkeimmät menetelmät tälle lämmönpoistosuunnittelulle. Korkean lämmönjohtavuuden materiaalit, kuten timantti- ja grafiittilevyt, auttavat suuresti levittämään lämpöä tehokkaammin suuremmalle pinnalle.

Nusselt-lukua (Nu) ja lämmönsiirtokerrointa tutkimalla voidaan havaita, kuinka nesteet tehokkaasti hajottavat lämpöä suuremmalle pinta-alalle. Nu on yhtä suurihL/kja lämmönsiirtokerroinhtasaiselle levylle laminaarivirtauksessa saadaan yhtälöstä 2.

 

Yhtälö 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Jossa

 

h: lämmönsiirtokerroin

k: nesteen lämmönjohtavuus

L: ominaispituus

Re: Reynoldsin numero

PR: Prandtl-numero

 

KokoReon nopeuden ja nesteen ominaisuuksien funktio, kun taasPRriippuu nesteen viskositeetista ja tiheydestä. Selvästikin nesteitä korkeammallakarvo on suurempiRejaPR, jolloin tuloksena on suurempih. Siksi, kun tarkastellaan Newtonin jäähtymislakia,

 

Yhtälö 3:

Q = h () 

 

Samoissa virtausolosuhteissa nestetyypin muuttaminen kaasusta nesteeksi (eli ilmasta veteen) johtaa merkittävästi suurempaan lämmönsiirtoon.

 

Tämä alentaa keskimääräistä pintalämpötilaa ja parantaa laitteen lämmönpoistorakenteen tehokkuutta. Nestejäähdytyksen käyttäminen, joko puhdasta (uppojäähdytystä) tai ilmaavusteista, voi helpottaa suurempaa lämmönsiirtoa ja parempia lämmönhallintajärjestelmiä.

 

Nesteavusteisia jäähdytysjärjestelmiä toteuttavat laitteet edellyttävät kuitenkin tyypillisesti ilmajäähdytystä kiertoa varten. Keskitytään usein asioihin, kuten tuulettimen vikaan ja meluon.