Elektrooniliste toodete vedelikjahutussüsteemide ja -lahenduste kavandamise põhimõtted

 

I Vedeljahutussüsteemid ja nende komponendid

 

Seoses kiipide ja plaaditaseme komponentide võimsustiheduse kiire kasvuga hakkavad paljud uued tooted kasutama vedelikjahutust. Siiski on ka palju väliseid kahtlusi ja muresid, näiteks kas tuleks arvesse võtta selliseid riske nagu lekked, jahutuse tõhusus ja kulud.

 

Vedeliku jahutussüsteemi määratlus on näidatud joonisel 1. PCB komponentide tekitatud soojus kogutakse kinnitatud külmplaatide kaudu ja transporditakse seejärel jahutusvedeliku abil vedelikumahutisse. Seejärel ringleb jahutatud vedelik tagasi külmadele plaatidele. Seega luuakse vedeliku ahel ehk jahutussüsteem.

 

▲ Joonis 1. Vedelikjahutussüsteem

 

Joonisel 2 on kujutatud elektroonikasüsteemides kasutatav traditsiooniline jahutussüsteem.

 

▲ Joonis 2. Õhk-abiga vedelikjahutus elektroonilistes süsteemides

 

Selles struktuuris toimib vedelik ülekandekeskkonnana, kandes soojust soojusallikast külmaplaadile ja seejärel soojusvaheti kaudu õhku. Selle süsteemi jahutusvõimsust piirab soojusvaheti konstruktsioon või selle soojuslik jõudlus.

 

Ülaltoodud süsteemide võrdlemisel täheldatakse olulisi erinevusi. Tõelises vedelikjahutussüsteemis (joonis 1) on reservuaar vastavalt oma termodünaamilisele määratlusele isotermiline.

 

See tähendab, et selle temperatuur ei muutu soojuse sisendi tõttu. Veehoidla maht on piisavalt suur, et hoida selle keskmist temperatuuri konstantsena, vahetades lõpuks soojust atmosfääri ja ümbrusega. Seda rakendust kasutatakse praegu laialdaselt andmekeskuse kümblusjahutuses.

 

Õhkjahutus on sisuliselt õhkjahutussüsteem, kus vedelikku kasutatakse soojuskandjana allika ja jahutusradiaatori vahel.

 

Mõlemas süsteemis on vedelikjahutusel mõned selged eelised. Need eelised hõlmavad vedelike soojusülekandevõimet mahuühiku kohta ja tõhusamat soojuse difusiooni.

 

Entalpia muutusest põhjustatud soojusülekanne avatud süsteemis arvutatakse valemis 1 näidatud viisil.

Võrrand 1:

Q = m( - ) 

 

kus m=ρVA (kus ρ on vedeliku tihedus, V on kiirus, A on ristlõike pindala) jaon erisoojus konstantsel rõhul.

 

Eeldades, et kiirus ja ristlõikepindala on konstantsed, saab soojusülekannet erinevate vedelike jaoks arvutada kasutadesja ρ.

Tabelis 1 on toodud väärtused, ρ, μ ja k vee ja õhu jaoks temperatuuril 300 kraadi K.

 

▲ Tabel1. Tüüpiliste jahutusvedelike termodünaamilised omadused

 

Ülaltoodu näitab selgelt suure tiheduse ja soojusmahtuvusega vedelike eelist soojuskoormuse ülekandmisel.

Vedeljahutus võib mängida olulist rolli ka kiibi soojusjuhtimisel. Kohalik elektritarbimine plaadi ja kiibi tasemel on eduka toote kujundamisel oluline väljakutse.

 

Joonisel 3 on näide suurelt tootjalt, kus soojusvoog kiibi antud kohas ületab 2500 W/cm².

 

▲ Joonis 3. Soojusvoog, mis ületab 2500 W/cm² mikroprotsessoris

 

On selge, et lokaliseeritud soojusvoogu saab tõhusamalt hallata, levitades soojust suuremale pinnale.

 

Juhtivus ja konvektiivne soojusülekanne on selle soojuse hajumise konstruktsiooni peamised meetodid. Suure soojusjuhtivusega materjalid, nagu teemant- ja grafiitlehed, aitavad oluliselt kaasa soojuse tõhusamale levitamisele suuremale pinnale.

Nusselti arvu (Nu) ja soojusülekandetegurit uurides saab jälgida, kuidas vedelikud tõhusalt soojust suuremale pinnale hajutavad. Nu võrdubhL/kja soojusülekandetegurhLameda plaadi jaoks laminaarses voolus on esitatud võrrandiga 2.

 

Võrrand 2:

h = k/L [0.332 .] 

 

Kus

 

h: soojusülekandetegur

k: vedeliku soojusjuhtivus

L: iseloomulik pikkus

Re: Reynoldsi number

Pr: Prandtl number

 

SuurusReon kiiruse ja vedeliku omaduste funktsioon, samas kuiProleneb vedeliku viskoossusest ja tihedusest. On selge, et vedelikud on kõrgemadkväärtus on suuremRejaPr, mille tulemuseks on suuremh. Seega, kui arvestada Newtoni jahutusseadust,

 

Võrrand 3:

Q = h () 

 

Samades voolutingimustes põhjustab vedeliku tüübi muutmine gaasilt vedelaks (st õhust vette) oluliselt suurema soojusülekande.

 

See vähendab keskmist pinnatemperatuuri ja parandab seadme soojuse hajumise konstruktsiooni efektiivsust. Vedeljahutuse kasutamine, olgu see siis puhas (kümblus) või õhkjahutus, võib hõlbustada suuremat soojusülekannet ja paremaid soojusjuhtimissüsteeme.

 

Vedelikuga jahutussüsteeme rakendavad seadmed nõuavad aga ringluseks tavaliselt õhkjahutust. Sageli keskendutakse sellistele probleemidele nagu ventilaatori rike ja müra.