Elektronik Ürün Sıvı Soğutma Sistemleri ve Çözümlerinin Tasarlanması İlkeleri

 

I Sıvı Soğutma Sistemleri ve Bileşenleri

 

Çiplerin ve kart düzeyindeki bileşenlerin güç yoğunluğunun hızla artmasıyla birlikte birçok yeni ürün sıvı soğutmayı kullanmaya başlıyor. Ancak sızıntı, soğutma verimliliği ve maliyet gibi risklerin dikkate alınmasının gerekip gerekmediği gibi birçok harici şüphe ve endişe de vardır.

 

Sıvı soğutma sisteminin tanımı Şekil 1'de gösterilmektedir. PCB bileşenleri tarafından üretilen ısı, bağlı soğuk plakalar aracılığıyla toplanır ve daha sonra soğutucu tarafından bir sıvı deposuna taşınır. Daha sonra soğutulan sıvı soğuk plakalara geri döner. Böylece bir sıvı döngüsü veya soğutma sistemi oluşturulur.

 

▲ Şekil 1. Sıvı Soğutma Sistemi

 

Şekil 2 elektronik sistemlerde kullanılan geleneksel soğutma sistemini göstermektedir.

 

▲ Şekil 2. Elektronik Sistemlerde Hava Destekli Sıvı Soğutma

 

Bu yapıda sıvı, ısıyı ısı kaynağından soğuk plakaya ve daha sonra bir ısı eşanjörü aracılığıyla havaya aktaran bir transfer ortamı görevi görür. Bu sistemin soğutma kapasitesi, ısı değiştiricinin tasarımı veya termal performansı ile sınırlıdır.

 

Yukarıdaki sistemleri karşılaştırırken önemli farklılıklar gözlenir. Gerçek bir sıvı soğutma sisteminde (Şekil 1), termodinamik tanımına göre rezervuar izotermaldir.

 

Bu, ısı girdisine bağlı olarak sıcaklığının değişmediği anlamına gelir. Rezervuarın hacmi, ortalama sıcaklığını sabit tutacak kadar büyüktür ve sonuçta atmosfer ve çevre ile ısı alışverişinde bulunur. Bu uygulama şu anda veri merkezi daldırma soğutmasında yaygın olarak kullanılmaktadır.

 

Hava destekli soğutma, esas olarak sıvının kaynak ile ısı emici arasında ısı transfer ortamı olarak kullanıldığı bir hava soğutma sistemidir.

 

Her iki sistemde de sıvı soğutmanın bazı belirgin avantajları vardır. Bu faydalar arasında, birim hacim başına sıvıların ısı transfer kapasitesi ve daha verimli ısı yayılımı yer alır.

 

Açık bir sistemde entalpi değişiminin neden olduğu ısı transferi Denklem 1'de gösterildiği gibi hesaplanır.

Denklem 1:

Q = m( - ) 

 

Burada m=ρVA (burada ρ akışkan yoğunluğu, V hız, A kesit alanıdır) vesabit basınçtaki özgül ısıdır.

 

Hız ve kesit alanının sabit olduğu varsayılarak, farklı akışkanlar için ısı transferi şu şekilde hesaplanabilir:ve ρ.

Tablo 1'de aşağıdaki değerler gösterilmektedir:300 derece K'deki su ve hava için , ρ, μ ve k.

 

▲ Tablo1. Tipik Soğutucu Sıvıların Termodinamik Özellikleri

 

Yukarıdakiler, yüksek yoğunluklu ve ısı kapasitesine sahip akışkanların termal yüklerin aktarılmasındaki avantajını açıkça göstermektedir.

Sıvı soğutma, çip termal yönetiminde de önemli bir rol oynayabilir. Anakart ve çip seviyelerindeki yerel güç tüketimi, başarılı bir ürün tasarlamada önemli bir zorluk teşkil etmektedir.

 

Şekil 3, çip üzerindeki belirli bir konumdaki ısı akışının 2500 W/cm²'yi aştığı büyük bir üreticiden alınan bir örneği göstermektedir.

 

▲ Şekil 3. Mikroişlemcide 2500 W/cm²'yi Aşan Isı Akısı

 

Açıkçası, lokalize ısı akışı, ısının daha geniş bir yüzey alanına yayılmasıyla daha etkili bir şekilde yönetilebilir.

 

İletim ve konvektif ısı transferi, bu ısı dağıtımı tasarımının ana yöntemleridir. Elmas ve grafit levhalar gibi yüksek termal iletkenliğe sahip malzemeler, ısının daha geniş bir yüzeye daha etkili bir şekilde yayılmasına büyük ölçüde yardımcı olacaktır.

Nusselt sayısını (Nu) ve ısı transfer katsayısını inceleyerek sıvıların ısıyı daha geniş bir yüzey alanına nasıl etkili bir şekilde yaydığını gözlemleyebiliriz. Nu eşittirhL/kve ısı transfer katsayısıhLaminer akışta düz bir plaka için Denklem 2 ile verilmiştir.

 

Denklem 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Nerede

 

h: ısı transfer katsayısı

k: akışkanın termal iletkenliği

L: karakteristik uzunluk

Tekrar: Reynolds sayısı

PR: Prandtl numarası

 

BoyutuTekrarhızın ve akışkan özelliklerinin bir fonksiyonudur.PRsıvının viskozitesine ve yoğunluğuna bağlıdır. Açıkçası, daha yüksek olan sıvılarkdeğer daha büyükTekrarVePRdaha büyük bir sonuçla sonuçlanırh. Bu nedenle Newton'un soğuma kanunu dikkate alındığında,

 

Denklem 3:

Q = h () 

 

Aynı akış koşulları altında, akışkan tipinin gazdan sıvıya (yani havadan suya) değiştirilmesi, önemli ölçüde daha yüksek ısı transferi ile sonuçlanır.

 

Bu, ortalama yüzey sıcaklığını azaltır ve cihazın ısı dağıtım tasarımının etkinliğini artırır. İster saf (daldırma) ister hava destekli olsun sıvı soğutmanın kullanılması, daha yüksek ısı transferini ve daha iyi termal yönetim sistemlerini kolaylaştırabilir.

 

Bununla birlikte, sıvı destekli soğutma sistemlerini uygulayan ekipmanlar tipik olarak sirkülasyon için hava soğutmasına ihtiyaç duyar. Odak noktası genellikle fan arızası ve gürültü gibi konulardır.