Principis per al disseny de sistemes i solucions de refrigeració líquida de productes electrònics
Oct 11, 2024
Deixa un missatge
I Sistemes de refrigeració líquida i els seus components
Amb el ràpid augment de la densitat de potència dels xips i components de la placa, molts productes nous comencen a utilitzar refrigeració líquida. Tanmateix, també hi ha molts dubtes i preocupacions externes, com ara si s'han de tenir en compte riscos com les fuites, l'eficiència de refrigeració i el cost.
La definició d'un sistema de refrigeració líquida es mostra a la figura 1. La calor generada pels components del PCB es recull a través de plaques fredes connectades i després es transporta a un dipòsit de líquid pel refrigerant. Posteriorment, el líquid refredat torna a circular cap a les plaques fredes. Així, es crea un circuit de líquid o sistema de refrigeració.
▲ Figura 1. Sistema de refrigeració líquida
La figura 2 mostra el sistema de refrigeració tradicional utilitzat en sistemes electrònics.
▲ Figura 2. Refrigeració líquida assistida per aire en sistemes electrònics
En aquesta estructura, el líquid actua com a mitjà de transferència, transferint la calor de la font de calor a la placa freda i després a l'aire mitjançant un intercanviador de calor. La capacitat de refrigeració d'aquest sistema està limitada pel disseny de l'intercanviador de calor o pel seu rendiment tèrmic.
Quan es comparen els sistemes anteriors, s'observen diferències significatives. En un veritable sistema de refrigeració líquida (figura 1), el dipòsit és isotèrmic segons la seva definició termodinàmica.
Això vol dir que la seva temperatura no canvia a causa de l'entrada de calor. El volum de l'embassament és prou gran per mantenir constant la seva temperatura mitjana, intercanviant eventualment calor amb l'atmosfera i l'entorn. Actualment, aquesta aplicació s'utilitza àmpliament en la refrigeració per immersió del centre de dades.
La refrigeració assistida per aire és essencialment un sistema de refrigeració per aire on el líquid s'utilitza com a mitjà de transferència de calor entre la font i el dissipador de calor.
En qualsevol dels sistemes, la refrigeració líquida té alguns avantatges clars. Aquests avantatges inclouen la capacitat de transferència de calor dels líquids per unitat de volum i una difusió de calor més eficient.
La transferència de calor causada pel canvi d'entalpia en un sistema obert es calcula tal com es mostra a l'equació 1.
Equació 1:
Q = m
(
- 
)
On m=ρVA (on ρ és la densitat del fluid, V és la velocitat, A és l'àrea de la secció transversal) i
és la calor específica a pressió constant.
Suposant que la velocitat i l'àrea de la secció transversal són constants, la transferència de calor es pot calcular per a diferents fluids utilitzant
i ρ.
La taula 1 mostra els valors de
, ρ, μ i k per a aigua i aire a 300 graus K.
▲ Taula1. Propietats termodinàmiques dels refrigerants típics
L'anterior indica clarament l'avantatge dels fluids amb alta densitat i capacitat calorífica en la transferència de càrregues tèrmiques.
La refrigeració líquida també pot tenir un paper crucial en la gestió tèrmica dels xips. El consum d'energia local a nivell de placa i xip suposa un repte important per dissenyar un producte d'èxit.
La figura 3 mostra un exemple d'un fabricant important, on el flux de calor en una ubicació determinada del xip supera els 2500 W/cm².
▲ Figura 3. Flux de calor que supera els 2500 W/cm² en un microprocessador
És evident que el flux de calor localitzat es pot gestionar de manera més eficaç repartint la calor sobre una superfície més gran.
La conducció i la transferència de calor convectiva són els principals mètodes per a aquest disseny de dissipació de calor. Els materials d'alta conductivitat tèrmica, com ara les làmines de diamant i grafit, ajudaran molt a distribuir la calor de manera més eficaç sobre una superfície més gran.
Examinant el nombre de Nusselt (Nu) i el coeficient de transferència de calor, es pot observar com els líquids difonen efectivament la calor sobre una àrea de superfície més gran. Nu és igualhL/k, i el coeficient de transferència de calorhper a una placa plana en flux laminar ve donada per l'equació 2.
Equació 2:
h = k/L [0.332 
.
]
On
h: coeficient de transferència de calor
k: conductivitat tèrmica del fluid
L: longitud característica
Re: nombre de Reynolds
Pr: Número de Prandtl
La mida deReés una funció de la velocitat i les propietats del fluid, mentre quePrdepèn de la viscositat i densitat del fluid. Clarament, fluids amb un majorkvalor són més gransReiPr, resultant en un més granh. Per tant, quan es considera la llei de refredament de Newton,
Equació 3:
Q = h
(
)
En les mateixes condicions de flux, canviar el tipus de fluid de gas a líquid (és a dir, d'aire a aigua) dóna lloc a una transferència de calor significativament més alta.
Això redueix la temperatura mitjana de la superfície i millora l'eficàcia del disseny de dissipació de calor del dispositiu. L'ús de refrigeració líquida, ja sigui pura (immersió) o assistida per aire, pot facilitar una major transferència de calor i millors sistemes de gestió tèrmica.
Tanmateix, els equips que implementen sistemes de refrigeració assistit per líquid solen requerir refrigeració per aire per a la circulació. Sovint, l'atenció se centra en problemes com ara la fallada del ventilador i el soroll.