Grundsätze für die Gestaltung von Flüssigkeitskühlsystemen und -lösungen für elektronische Produkte
Oct 11, 2024
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I Flüssigkeitskühlsysteme und ihre Komponenten
Mit der rasanten Zunahme der Leistungsdichte von Chips und Komponenten auf Platinenebene beginnen viele neue Produkte mit der Verwendung von Flüssigkeitskühlung. Allerdings gibt es auch viele externe Zweifel und Bedenken, etwa ob Risiken wie Leckagen, Kühleffizienz und Kosten berücksichtigt werden sollten.
Die Definition eines Flüssigkeitskühlsystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Die von PCB-Komponenten erzeugte Wärme wird durch angebrachte Kühlplatten gesammelt und dann vom Kühlmittel zu einem Flüssigkeitsreservoir transportiert. Anschließend zirkuliert die abgekühlte Flüssigkeit zurück zu den Kühlplatten. Dadurch entsteht ein Flüssigkeitskreislauf bzw. Kühlsystem.
▲ Abbildung 1. Flüssigkeitskühlsystem
Abbildung 2 zeigt das herkömmliche Kühlsystem, das in elektronischen Systemen verwendet wird.
▲ Abbildung 2. Luftunterstützte Flüssigkeitskühlung in elektronischen Systemen
In dieser Struktur fungiert die Flüssigkeit als Übertragungsmedium und überträgt Wärme von der Wärmequelle auf die Kühlplatte und dann über einen Wärmetauscher an die Luft. Die Kühlleistung dieses Systems wird durch die Bauart des Wärmetauschers bzw. dessen thermische Leistung begrenzt.
Beim Vergleich der oben genannten Systeme sind erhebliche Unterschiede festzustellen. In einem echten Flüssigkeitskühlsystem (Abbildung 1) ist das Reservoir gemäß seiner thermodynamischen Definition isotherm.
Das bedeutet, dass sich seine Temperatur durch den Wärmeeintrag nicht ändert. Das Volumen des Reservoirs ist groß genug, um seine Durchschnittstemperatur konstant zu halten und schließlich Wärme mit der Atmosphäre und der Umgebung auszutauschen. Diese Anwendung wird derzeit häufig in der Tauchkühlung von Rechenzentren eingesetzt.
Luftunterstützte Kühlung ist im Wesentlichen ein Luftkühlsystem, bei dem die Flüssigkeit als Wärmeübertragungsmedium zwischen der Quelle und der Wärmesenke verwendet wird.
In beiden Systemen hat die Flüssigkeitskühlung einige klare Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören die Wärmeübertragungsfähigkeit von Flüssigkeiten pro Volumeneinheit und eine effizientere Wärmediffusion.
Der durch die Enthalpieänderung in einem offenen System verursachte Wärmeübergang wird wie in Gleichung 1 dargestellt berechnet.
Gleichung 1:
Q = m
(
- 
)
Wobei m=ρVA (wobei ρ die Flüssigkeitsdichte, V die Geschwindigkeit und A die Querschnittsfläche ist) und
ist die spezifische Wärme bei konstantem Druck.
Unter der Annahme, dass Geschwindigkeit und Querschnittsfläche konstant sind, kann der Wärmeübergang für verschiedene Flüssigkeiten berechnet werden
und ρ.
Tabelle 1 zeigt die Werte von
, ρ, μ und k für Wasser und Luft bei 300 Grad K.
▲ Tisch1. Thermodynamische Eigenschaften typischer Kühlmittel
Das oben Gesagte zeigt deutlich den Vorteil von Flüssigkeiten mit hoher Dichte und Wärmekapazität bei der Übertragung thermischer Lasten.
Die Flüssigkeitskühlung kann auch eine entscheidende Rolle beim Wärmemanagement von Chips spielen. Der lokale Stromverbrauch auf Platinen- und Chipebene stellt eine erhebliche Herausforderung bei der Entwicklung eines erfolgreichen Produkts dar.
Abbildung 3 zeigt ein Beispiel eines großen Herstellers, bei dem der Wärmefluss an einer bestimmten Stelle auf dem Chip 2500 W/cm² übersteigt.
▲ Abbildung 3. Wärmefluss über 2500 W/cm² in einem Mikroprozessor
Offensichtlich kann der lokale Wärmefluss effektiver gesteuert werden, indem die Wärme über eine größere Oberfläche verteilt wird.
Leitung und konvektive Wärmeübertragung sind die Hauptmethoden für dieses Wärmeableitungsdesign. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Diamant- und Graphitplatten tragen erheblich dazu bei, die Wärme effektiver über eine größere Oberfläche zu verteilen.
Durch die Untersuchung der Nusselt-Zahl (Nu) und des Wärmeübertragungskoeffizienten kann man beobachten, wie Flüssigkeiten Wärme effektiv über eine größere Oberfläche verteilen. Nu gleichhL/kund der Wärmeübergangskoeffizienthfür eine flache Platte in laminarer Strömung ist durch Gleichung 2 gegeben.
Gleichung 2:
h = k/L [0.332 
.
]
Wo
h: Wärmeübergangskoeffizient
k: Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit
L: charakteristische Länge
Re: Reynolds-Zahl
Öffentlichkeitsarbeit: Prandtl-Nummer
Die Größe vonReist eine Funktion der Geschwindigkeit und der Flüssigkeitseigenschaften, währendÖffentlichkeitsarbeithängt von der Viskosität und Dichte der Flüssigkeit ab. Offensichtlich Flüssigkeiten mit einem höherenkWert haben größerReUndÖffentlichkeitsarbeit, was zu einem größeren führth. Betrachtet man daher das Newtonsche Abkühlungsgesetz,
Gleichung 3:
Q = h
(
)
Bei gleichen Strömungsbedingungen führt der Wechsel des Fluidtyps von Gas zu Flüssigkeit (also von Luft zu Wasser) zu einer deutlich höheren Wärmeübertragung.
Dadurch wird die durchschnittliche Oberflächentemperatur gesenkt und die Wirksamkeit des Wärmeableitungsdesigns des Geräts verbessert. Der Einsatz von Flüssigkeitskühlung, ob rein (Eintauchen) oder luftunterstützt, kann eine höhere Wärmeübertragung und bessere Wärmemanagementsysteme ermöglichen.
Allerdings erfordern Geräte, die flüssigkeitsunterstützte Kühlsysteme implementieren, typischerweise eine Luftkühlung für die Zirkulation. Im Vordergrund stehen häufig Probleme wie Lüfterausfall und Lärm.