Flossen für erfolgreiche Kühlung

Flossen für den Kühlungserfolg

Abbildung 1: Im Uhrzeigersinn von der oberen rechten Ecke sind
verläschter, verlagerter Versatz, welliger und geradliniger Flossen.

Da die Hochleistungselektronik weiterhin Leistungsdichtegrenzen überschreitet, stehen die Konstruktionsingenieure der Komponenten vor größeren Herausforderungen und Kompromisse bei ihrer Wahl für Kühllösungen. Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen und Kompromisse zu bewältigen, besteht darin, die Flossengeometrie und die Flossendichte von Wärmeübertragungsvorrichtungen wie Wärmetauschern und Kaltplatten zu erfüllen.

In diesem Artikel wird erläutert, wie die Flossengeometrie und die Flossendichte die Leistung von Wärmetauschern und Kaltplatten beeinflussen. Es wird kurz einige grundlegende Wärmeübertragungstheorie überprüft, verschiedene Arten von Flossengeometrien und ihre Rolle bei der Verbesserung der Leistung vergleichen und sich darauf konzentrieren, den thermischen Widerstand zu minimieren, um die Leistung zu maximieren.

Wärmeübertragung

Die grundlegende Gleichung, die die Gesamtwärmeübertragung in einem Prozess beschreibt, ist gegeben durch:

Q = u × a x lmtd (1)

Wo:

Das Erhöhen von U, A oder LMTD führt zu mehr Wärmeübertragung.

Bei den meisten Anwendungen für Wärmetauscher und Kaltplatten besteht der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient hauptsächlich aus einer Kombination aus Leitungs- und Konvektionsbedingungen , bei der der Leitungsbegriff tendenziell viel kleiner ist als die Konvektionsdauer. Dies ist wichtig, da Komponentendesigner normalerweise nur wenig Kontrolle über die Konstruktionsmaterialien haben, die die Leitung beeinflussen, und das zu verwendende Kühlmittel. Sie führen jedoch eine beträchtliche Kontrolle über die Flossengeometrie und die Flossendichte, die die Konvektion beeinflusst.

Flossengeometrie und Dichte

Flossengeometrien und Dichten, die einen turbulenten Fluss verursachen und die Leistung verbessern, erhöhen auch den Druckabfall, was in den meisten leistungsstarken Anwendungen eine kritische Anforderung darstellt. Die Kombination aus optimaler Flossengeometrie und Flossendichte ist dann ein Kompromiss von Leistung, Druckabfall, Gewicht und Größe. Ein Vergleich der Merit-Abbildung, der auf Leistung, Druckabfall, Gewicht und Größe unter den üblichen Flossentypen basiert, wird in [ Luftkühlungswärmetauscher-Design für die Elektronikkühlung beschrieben. "

Neben der Flossengeometrie können Parameter wie Dicke, Höhe, Tonhöhe und Abstand auch verändert werden, um die Leistung zu verbessern. Typischerweise variieren die Flossendicken zwischen 0,004 Zoll (0,1 mm) bis 0,012 Zoll (0,3 mm), die Höhen variieren zwischen 0,035 Zoll (0,89 mm) bis 0,6 Zoll (5,24 mm), und die Dichten variieren zwischen 8 und 30 fpi (Flossen pro Zoll). .

In den meisten leistungsstarken Anwendungen bestehen Flossen aus Kupfer oder Aluminium. Aluminiumflossen werden aufgrund ihres leichteren Gewichts in elektronischen Flüssigkühlungsanwendungen für Flugzeuge bevorzugt. Kupferflossen werden hauptsächlich in Anwendungen verwendet, bei denen das Gewicht kein wichtiger Faktor ist, aber die Kompatibilität mit anderen Kühlschleifenmaterialien ist.

In Wärmeübertragungsanwendungen werden viele verschiedene Flossengeometrien verwendet. Einige der am häufigsten verwendeten sind verlagerte, verliehte Versatz-, geraden und wellige Flossen. (Siehe Abbildung 1.)

Maximierung der Leistung durch Minimierung des thermischen Widerstands

Die Aufgabe, die Leistung zu optimieren und den thermischen Widerstand zu minimieren, kann am besten durch ein theoretisches Beispiel demonstriert werden. Betrachten Sie einen Wärmeübertragungsprozess, bei dem 50/50 Ethylenglykol und Wasser (EGW) durch Umgebungsluft in einem Wärmetauscher mit Plattenfeinkühlung abgekühlt werden. Abbildung 2 zeigt den Wärmeflussweg durch den Wärmetauscher unter Verwendung einer elektrischen Analogie.

Abbildung 2: Elektrische Analogie des Wärmeflussdiagramms

In diesem Beispiel fließt die Wärme durch Konvektion zwischen Temperaturen T _H und T ₁ , dann durch Leitung zwischen den Temperaturen T ₁ und T ₂ und schließlich durch Konvektion zwischen T ₂ und t _c . Der gesamte thermische Widerstand ist dann gleich der Summe der drei thermischen Widerstände in Reihe.

Im Vergleich dazu hat eine kalte Platte normalerweise nur ein Kühlmittel, das durch sie fließt. Infolgedessen fließt die Wärme durch Leitung durch das wärmedissipierende elektronische Gerät, das über das Wärmegrenzface-Material und die Kaltplattenmaterialien auf der Kaltplatte montiert ist. Wärme fließt dann durch Konvektion von der inneren Oberfläche des Fluidpfadmaterials zum Kühlmittel.

Wie im obigen Beispiel gezeigt, müssen wir, wenn wir die Wärmeübertragung maximieren möchten, den Wärmewiderstand minimieren. Um dies zu erreichen, müssen wir die entsprechenden Wärmeübertragungsbereiche, die Filmkoeffizienten oder beides erhöhen. Das Erhöhen des Wärmeübertragungsbereichs ist im Konzept relativ einfach, obwohl dies manchmal durch Anwendungsanforderungen wie Gewicht, Größe und Druckabfall eingeschränkt wird. Ein effektiver Weg, um die Wärmeübertragungsfläche zu erhöhen, besteht darin, die Flossendichte (Flossen pro Länge der Einheit) zu erhöhen. Das Erhöhen des Filmkoeffizienten ist jedoch komplizierter, da der Filmkoeffizient von den Eigenschaften der in Betracht gezogenen Flüssigkeit, der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und der Flossengeometrie abhängt.

Die Herausforderung stellen

Wenn sie mit anspruchsvollen und manchmal widersprüchlichen Anwendungsanforderungen konfrontiert sind, einschließlich Leistung, Druckabfall, Gewicht und Größe, arbeiten Sie mit einem erfahrenen Lieferanten zusammen, der versteht und erfüllen die Anwendungsanforderungen.