مبادئ تصميم أنظمة وحلول التبريد السائل للمنتجات الإلكترونية
Oct 11, 2024
ترك رسالة
أنظمة التبريد السائلة ومكوناتها
مع الزيادة السريعة في كثافة طاقة الرقائق والمكونات على مستوى اللوحة، بدأت العديد من المنتجات الجديدة في استخدام التبريد السائل. ومع ذلك، هناك أيضًا العديد من الشكوك والمخاوف الخارجية، مثل ما إذا كان ينبغي أخذ المخاطر مثل التسربات وكفاءة التبريد والتكلفة في الاعتبار.
يظهر تعريف نظام التبريد السائل في الشكل 1. يتم جمع الحرارة الناتجة عن مكونات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من خلال ألواح التبريد المرفقة ثم يتم نقلها إلى خزان سائل بواسطة المبرد. بعد ذلك، يتم تدوير السائل المبرد مرة أخرى إلى الصفائح الباردة. وبالتالي، يتم إنشاء حلقة سائلة أو نظام تبريد.
▲ الشكل 1. نظام التبريد السائل
ويبين الشكل 2 نظام التبريد التقليدي المستخدم في الأنظمة الإلكترونية.
▲ الشكل 2. التبريد السائل بمساعدة الهواء في الأنظمة الإلكترونية
في هذا الهيكل، يعمل السائل كوسيط نقل، حيث ينقل الحرارة من مصدر الحرارة إلى اللوحة الباردة، ثم إلى الهواء عبر مبادل حراري. قدرة التبريد لهذا النظام محدودة بتصميم المبادل الحراري أو أدائه الحراري.
عند مقارنة الأنظمة المذكورة أعلاه، لوحظت اختلافات كبيرة. في نظام التبريد السائل الحقيقي (الشكل 1)، يكون الخزان متساوي الحرارة وفقًا لتعريفه الديناميكي الحراري.
وهذا يعني أن درجة حرارته لا تتغير بسبب مدخلات الحرارة. حجم الخزان كبير بما يكفي للحفاظ على متوسط درجة الحرارة ثابتًا، وفي النهاية يتبادل الحرارة مع الغلاف الجوي والمناطق المحيطة. يُستخدم هذا التطبيق حاليًا على نطاق واسع في التبريد الغاطس لمركز البيانات.
التبريد بمساعدة الهواء هو في الأساس نظام تبريد هواء حيث يتم استخدام السائل كوسيط لنقل الحرارة بين المصدر والمشتت الحراري.
في أي من النظامين، يتمتع التبريد السائل ببعض المزايا الواضحة. وتشمل هذه الفوائد القدرة على نقل الحرارة للسوائل لكل وحدة حجم وتوزيع أكثر كفاءة للحرارة.
يتم حساب انتقال الحرارة الناتج عن التغير في المحتوى الحراري في نظام مفتوح كما هو موضح في المعادلة 1.
المعادلة 1:
Q = m
(
- 
)
حيث m=ρVA (حيث ρ هي كثافة السوائل، V هي السرعة، A هي مساحة المقطع العرضي)، و
هي الحرارة النوعية عند ضغط ثابت.
بافتراض أن السرعة ومساحة المقطع العرضي ثابتان، يمكن حساب انتقال الحرارة للسوائل المختلفة باستخدام
و ρ.
ويبين الجدول 1 قيم
و ρ و μ و k للماء والهواء عند 300 درجة K.
▲ الجدول1. الخصائص الديناميكية الحرارية للمبردات النموذجية
ما سبق يشير بوضوح إلى فائدة الموائع ذات الكثافة العالية والسعة الحرارية في نقل الأحمال الحرارية.
يمكن أن يلعب التبريد السائل أيضًا دورًا حاسمًا في الإدارة الحرارية للرقاقة. يشكل استهلاك الطاقة المحلية على مستوى اللوحة والرقاقة تحديًا كبيرًا في تصميم منتج ناجح.
يوضح الشكل 3 مثالاً من إحدى الشركات المصنعة الكبرى، حيث يتجاوز التدفق الحراري في موقع معين على الشريحة 2500 واط/سم².
▲ الشكل 3. تدفق الحرارة يتجاوز 2500 واط/سم² في المعالج الدقيق
من الواضح أنه يمكن إدارة تدفق الحرارة الموضعي بشكل أكثر فعالية عن طريق نشر الحرارة على مساحة سطحية أكبر.
يعد التوصيل ونقل الحرارة بالحمل الحراري من الطرق الرئيسية لتصميم تبديد الحرارة هذا. سوف تساعد المواد عالية التوصيل الحراري، مثل صفائح الماس والجرافيت، بشكل كبير في نشر الحرارة بشكل أكثر فعالية على سطح أكبر.
من خلال فحص رقم نسلت (Nu) ومعامل نقل الحرارة، يمكن للمرء ملاحظة كيفية نشر السوائل للحرارة بشكل فعال على مساحة سطح أكبر. نو يساويهل/ك، ومعامل انتقال الحرارةhللوحة المسطحة في التدفق الصفحي تعطى بالمعادلة 2.
المعادلة 2:
h = k/L [0.332 
.
]
أين
h: معامل انتقال الحرارة
k: الموصلية الحرارية للسوائل
L: الطول المميز
يكرر: رقم رينولدز
العلاقات العامة: رقم براندتل
حجميكررهي دالة للسرعة وخصائص السوائل، في حينالعلاقات العامةيعتمد على لزوجة السائل وكثافته. ومن الواضح أن السوائل ذات نسبة أعلىkالقيمة لها أكبريكرروالعلاقات العامة، مما أدى إلى أكبرh. لذلك، عند النظر في قانون نيوتن للتبريد،
المعادلة 3:
Q = h
(
)
وفي ظل نفس ظروف التدفق، يؤدي تغيير نوع السائل من الغاز إلى السائل (أي من الهواء إلى الماء) إلى زيادة كبيرة في انتقال الحرارة.
وهذا يقلل من متوسط درجة حرارة السطح ويحسن فعالية تصميم تبديد الحرارة بالجهاز. إن استخدام التبريد السائل، سواء كان نقيًا (الغمر) أو بمساعدة الهواء، يمكن أن يسهل نقل الحرارة بشكل أعلى وأنظمة أفضل لإدارة الحرارة.
ومع ذلك، فإن المعدات التي تنفذ أنظمة التبريد بمساعدة السائل تتطلب عادة تبريد الهواء للتدوير. غالبًا ما ينصب التركيز على مشكلات مثل فشل المروحة والضوضاء.