Cara Memilih Penukar Haba Kompak Terbaik untuk Penyejukan Elektronik

 

Penggunaan komponen berketumpatan kuasa tinggi dalam produk elektronik semakin meningkat dengan pantas, menjadikan penyejukan cecair penyelesaian yang berdaya maju untuk aplikasi fluks haba tinggi, yang kini menjadi trend utama. Antara faktor lain, sistem penyejukan cecair yang berkesan bergantung pada kapasiti pelesapan haba penukar habanya. Penukar haba ini berbeza mengikut jenis, saiz dan konfigurasi bergantung pada senario aplikasi.

 

 

I Pembinaan Asas

 

Rajah 1 menunjukkan sistem gelung tertutup air-ke-udara biasa, penyejuk cecair. Bahan penyejuk dipam melalui plat sejuk yang bersentuhan dengan komponen IC. Haba yang diserap daripada komponen dilesapkan ke udara melalui penukar haba, dan cecair yang disejukkan terus melalui gelung, mengulangi kitaran.

 

▲ Rajah 1. Gelung Penyejukan Hibrid Air & Udara untuk Peranti Elektronik

 

Formula untuk mengira haba yang dipindahkan dari air ke udara adalah seperti berikut:

 

di mana:

• Tw2: suhu bendalir memasuki penukar haba;
• Ta: suhu udara sekeliling penukar haba;
• Cmin: lebih kecil daripada kadar kapasiti haba udara (Ca) atau air (Cw), yang merupakan hasil daripada kadar aliran jisim dan haba tentu pada tekanan malar;
• ε: keberkesanan penukar haba, ditakrifkan sebagai nisbah pemindahan haba sebenar dalam penukar haba kepada pemindahan haba maksimum yang mungkin secara termodinamik.

 

Suhu permukaan komponen IC yang bersentuhan dengan plat sejuk dikira menggunakan formula 2.

 

 

di mana:

• Tw1 ialah suhu air pada salur masuk plat sejuk;
• Rcp ialah rintangan haba daripada komponen IC ke salur masuk plat sejuk, termasuk rintangan antara muka antara komponen dan plat sejuk.

 

Kenaikan suhu dalam air akibat haba daripada komponen boleh dianggarkan menggunakan formula berikut:

 

 

di mana:Cw ialah kadar kapasiti haba cecair, yang merupakan hasil daripada kadar aliran jisim dan haba tentu cecair.

Dengan menyepadukan formula 1-3, kami memperoleh formula 4:

 

 

Ini menghubungkan suhu permukaan komponen IC dengan prestasi plat sejuk dan penukar haba.

Dalam persamaan di atas, jika jenis bendalir yang berbeza digunakan dalam penukar haba, subskrip "w" dan "a" hendaklah ditukar kepada subskrip umum "c" dan "h" untuk mewakili sifat bendalir sejuk dan panas, masing-masing. .

 

Kawasan Permukaan Penukar Haba

 

Luas permukaan penukar haba mestilah sangat besar, terutamanya pada bahagian yang terdedah kepada udara. Ini kerana pekali pemindahan haba dalam penyejukan udara jauh lebih rendah daripada penyejukan cecair. Menambahkan luas permukaan di bahagian udara mengurangkan rintangan haba, membolehkan pemindahan haba yang lebih tinggi antara cecair dan udara.

 

Walaupun memerlukan kawasan permukaan yang besar untuk menghilangkan haba dengan berkesan, banyak projek tidak mempunyai ruang yang mencukupi untuk menampung unit penukar haba yang besar, terutamanya dalam aplikasi peringkat peranti untuk komponen dan papan.

 

Memilih penukar haba yang sesuai dalam ruang yang ada adalah kritikal. Selain itu, parameter seperti kadar aliran jisim, menggunakan cecair dengan haba tentu yang lebih tinggi, atau meningkatkan kuasa kipas penyejuk boleh dilaraskan untuk meningkatkan prestasi penyejukan.

 

 

II Jenis Sirip Penukar Haba

 

Bahagian udara penukar haba biasanya dipasang dengan sirip padat untuk meningkatkan pertukaran haba antara udara dan cecair.

Jenis sirip mestilah sesuai untuk senario aplikasi tertentu. Buku ituPenukar Haba Padatmemperkenalkan beberapa jenis sirip, termasuk sirip lurus, sirip louver, sirip jalur, sirip beralun dan sirip pin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

 

▲ Rajah 2. Jenis Sirip Penukar Haba

 

Kajian telah menguji penukar haba sejukan udara danmenyediakan garis panduan untuk mengoptimumkan reka bentuk siripdengan menggabungkan pemindahan haba, penurunan tekanan, saiz, berat dan kos.

 

Korelasi untuk menggunakan faktor Colburn (JH) dan faktor geseran (f) untuk menerangkan indeks pemindahan haba dan indeks penurunan tekanan ditunjukkan dalam formula 5 dan 6.

 

 

 

 

di mana:ρ dan v ialah ketumpatan bendalir dan kelikatan kinematik.

 

Nombor Stanton (St) dalam formula 5 boleh ditulis semula seperti berikut:

 

 

Dalam formula 5-7, Pr, t, v, NU dan Re mewakili nombor Prandtl, tegasan ricih dinding, kelikatan kinematik bendalir, nombor Nusselt dan nombor Reynolds, masing-masing.

 

Rajah 3 menunjukkan hubungan antara nisbah (JH/f) dan nombor Reynolds bagi struktur sirip yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

 

 

▲ Rajah 3. Hubungan Antara Struktur Sirip dan Nombor Reynolds

 

Ia boleh dilihat dengan jelas daripada Rajah 3 bahawa apabila faktor reka bentuk utama penukar haba ialah pemindahan haba setiap unit penurunan tekanan, sirip lurus adalah yang paling cekap, diikuti oleh struktur louver, beralun, jalur offset, dan sirip pin.

 

Di bawah pelbagai keadaan kelajuan udara, rintangan haba sirip lurus adalah yang paling rendah.

 

Dalam Rajah 4, pemindahan haba per unit ketinggian dan nisbah nombor Reynolds menunjukkan bahawa sirip pin adalah konfigurasi yang paling sesuai, diikuti oleh louver, jalur offset, beralun dan sirip lurus.

 

▲ Rajah 4. Pemindahan Haba Per Unit Tinggi untuk Konfigurasi Penukar Haba Berbeza

 

Satu lagi faktor reka bentuk penting ialah berat. Contohnya, mengoptimumkan penukar haba yang digunakan dalam sistem avionik selalunya mengutamakan sirip louver terlebih dahulu, diikuti dengan reka bentuk beralun, jalur mengimbangi, pin dan sirip lurus.

 

 

III Bahan Penyejuk Penukar Haba Padat

 

Bergantung pada sistem dan aplikasi, penukar haba kecil menggunakan pelbagai jenis cecair. Bendalir tertentu mempunyai pemindahan haba yang lebih besar dan resapan haba yang lebih berkesan per unit isipadu.

 

Untuk menggambarkan ini, pertimbangkan pengangkutan haba akibat perubahan entalpi dalam sistem terbuka, seperti yang ditunjukkan dalam formula 8.

 

 

di mana:

 

 

(ρ ialah ketumpatan bendalir, V ialah halaju, dan A ialah luas keratan rentas), Cp ialah haba tentu pada tekanan malar.

 

Jika halaju dan luas keratan rentas dianggap pemalar, Cp dan ρ menentukan pemindahan haba apabila menggunakan cecair yang berbeza.

 

Jadual 1 menunjukkan nilai Cp, ρ, μ, dan k untuk etilena glikol, air dan udara pada 300K.

 

▲ Jadual 1. Sifat Termodinamik Penyejuk Biasa

 

Jadual 1 menunjukkan bahawa bendalir dengan ketumpatan dan kapasiti haba yang lebih tinggi boleh mengeluarkan lebih banyak haba. Menggunakan cecair sedemikian dengan ketara meningkatkan pemindahan haba dalam aplikasi fluks haba tinggi.

 

Walau bagaimanapun, menggunakan cecair dengan keupayaan pemindahan haba yang lebih baik memerlukan kuasa pam yang lebih tinggi untuk memacu bendalir melalui sistem.

 

Untuk mengurangkan kuasa yang diperlukan untuk peredaran penyejuk, penukar haba menggunakan pemindahan haba mendidih.

 

Dalam sesetengah sistem, penyejuk menyerap haba daripada sumber haba dan menyejat.

 

Berdasarkan kerumitan sistem, penyejuk panas dipam melalui bahagian pemeluwap bersirip, di mana penyejuk disejukkan dan kembali ke fasa cecair.

 

Oleh kerana penyejuk menukar fasa daripada cecair kepada gas dan menjadi lebih rendah dalam ketumpatan, kuasa pengepaman yang diperlukan untuk peredaran penyejuk dikurangkan dengan banyaknya.

 

Apabila litar bersepadu berkembang pesat, dengan komponen yang mempunyai ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, penukar haba padat menjadi penting dalam penyelesaian penyejukan elektronik.

 

Untuk menggunakan peranti ini sepenuhnya, adalah penting untuk memahami konsep, faedah dan batasannya. Untuk menggunakan sistem penukar haba dengan betul, faktor reka bentuk seperti penurunan tekanan, pemindahan haba, saiz, berat dan kos mesti diutamakan.