Hochleistungs-Flüssigkeitskühlschleifen-Design


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So konstruieren Sie ein Flüssigkeitskühlsystem für das Hochleistungssystem-Thermomanagement

Eingebettete Systeme werden immer komplexer, indem immer mehr Sensoren und Signale verarbeitet und analysiert werden. Das Ergebnis dieser erhöhten Rechenleistung sind oft höhere und konzentriertere elektronische Wärmelasten. Da übermäßige Hitze die Zuverlässigkeit eines Systems beeinträchtigt, ist die Luftkühlung für einige Anwendungen nicht mehr ausreichend. Viele Ingenieure setzen auf Flüssigkeitskühlung, um die Wärme zu entfernen.

Die Komplexität der Entwicklung eines Flüssigkeitskühlsystems kann für diejenigen einschüchternd sein, die mit dieser Technologie nicht vertraut sind. Obwohl die Auswahl thermischer Komponenten für einen Flüssigkeitskühlkreislauf relativ einfach ist, gibt es andere Überlegungen oder Nuancen, die übersehen werden können. Dazu gehören Materialverträglichkeit, Korrosionsschutz, Kondensationskontrolle, die Position des Flüssigkeitskühlkreislaufs, die Verwendung von Standard- im Vergleich zu kundenspezifischen Teilen, Verbindungen, Armaturen, Steckverbindern sowie Wartung und Service.

Ein Flüssigkeitskühlkreislauf besteht in der Regel aus einer flüssigen Kühlplatte, Pumpe, Wärmetauscher und Rohren oder Schläuchen (Abbildung 1). Die Platine erzeugt Abwärme, die von der Platte auf die thermisch leitfähige Platte und dann auf das flüssige Kühlmittel übertragen wird, das durch die Kühlplatte fließt. In der Regel entspricht der Flüssigkeitspfad den Hotspots auf dem Brett. Das erhitzte Kühlmittel wird dann durch den Wärmetauscher gepumpt, wo die Wärme vom Kühlmittel entweder in die Umgebungsluft oder, im Falle eines flüssigkeits-flüssigen Wärmetauschers, in ein anderes flüssiges Kühlmittel bewegt wird. Das gekühlte Kühlmittel fließt dann durch Rohre oder Schläuche zurück zur Kühlplatte und schließt die Kühlschleife ab. Im Normalbetrieb fließt flüssiges Kühlmittel kontinuierlich durch die Flüssigkeitskühlschleife, um das Board kühl zu halten.




Materialkompatibilität

Da alle Materialien und die Flüssigkeit im Flüssigkeitskühlkreislauf als System zusammenarbeiten müssen, müssen sie miteinander kompatibel sein und sollten gemeinsam ausgewählt werden. Kupfer eignet sich gut für die meisten Anwendungen, da es eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit hat und mit den meisten nicht korrosiven Flüssigkeiten kompatibel ist. Aluminium ist kompatibel mit Flüssigkeiten wie Polyalphaolefin (PAO), Öl-, Ethylenglykol- und Wasserlösungen (EGW) sowie Fluorinert™, einer elektrisch isolierenden inerten Perfluorcarbonflüssigkeit, die von 3M hergestellt und in vielen Elektronikkühlanwendungen verwendet wird. Edelstahl ist mit den meisten Flüssigkeiten kompatibel, einschließlich korrosiver Flüssigkeiten wie entionisiertem Wasser. Mehrere verschiedene Flüssigkeiten sind mit verschiedenen Standard-Kaltplatten- und Wärmetauschermaterialien kompatibel (Abbildung 2).

Abbildung 2: Verschiedene Flüssigkeiten sind kompatibel mit einer Vielzahl von Standard-Kaltplatten- und Wärmetauschermaterialien

Material- & Transferflüssigkeitskompatibilität

Wasser

Egw

Entonisiertes Wasser

Öl

Dielektrische Flüssigkeiten (z.B. Fluorinert™)

Polyalphaolefin (PAO)

Kupferschläuche

X

X

EdelstahlRohre

X

X

X

Aluminium Flachrohr oder Plate-Fin

X

X

X

X

Kupfer flach, kupfergeätzt oder Kupfer-Gelötet

X

X

X

X

X

Maschinenelle Bearbeitung

X



Die meisten flüssigen Kühlmittel benötigen auch einen kleinen Prozentsatz an Additiven, um Korrosion zu hemmen und die Pumpe zu schmieren. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Korrosionsinhibitoren durch inkompatible Materialien an anderer Stelle im System unwirksam gemacht werden können, daher muss dies auch bewertet werden. Biozide, Algenzide und pH-Anpassungen können auch bei der Wartung Ihres Systems hilfreich sein, je nachdem, welches flüssige Kühlmittel ausgewählt wird.




Korrosionsschutz

Korrosion kann Probleme auf zwei verschiedene Arten verursachen. Material kann nicht nur abkorrodieren, was zu Leckagen führt, sondern das korrodierte Material kann an anderer Stelle im System abgelagert werden und Fluiddurchgänge oder Filter blockieren. Dies kann zu einem Druckabfall führen, der zu einem reduzierten Kühlmittelfluss führt. Wenn die Abscheidung auf aktiven Wärmeübertragungsflächen erfolgt, kann der zusätzliche thermische Widerstand durch Verschmutzung die Temperaturen steigen lassen.

Sowohl galvanische Als- als auch Erosionskorrosion sollten im Flüssigkeitskühlkreislauf minimiert werden. Galvanische Korrosion tritt auf, wenn unterschiedliche Metalle in Gegenwart eines Elektrolyten wie einer leitfähigen Flüssigkeit in elektrischem Kontakt miteinander stehen. Die meisten Wasserkühlungen sind bis zu einem gewissen Grad elektrolytisch. Um galvanische Korrosion zu vermeiden, sollte entweder die Schlaufe mit ähnlichen Materialien im gesamten System ausgelegt werden, idealerweise mit nur einem Metall, oder es sollte eine nichtleitende Flüssigkeit verwendet werden. Die galvanischen Potenziale aller Materialien im System sollten berücksichtigt werden. Dazu gehören nicht nur die primären thermischen Komponenten, sondern auch alle Steckverbinder, Armaturen, Ventile und Knoten im Fluidweg.

Erosions-Korrosion ist die Beschleunigung der Korrosionsrate im Metall durch die relative Bewegung einer Flüssigkeit und einer Metalloberfläche. Es ist am häufigsten in Rohrbögen & Ellenbogen, Rohrverengungen, und andere Strukturen, die Strömungsrichtung oder Geschwindigkeit ändern gefunden. Erosionskorrosion ist am häufigsten in weichen Legierungen wie Kupfer und Aluminium.

Einige Methoden zur Minimierung der Erosionskorrosion umfassen das Zulassen von Biegungen größere Winkel, das allmähliche Ändern der Rohrdurchmesser statt abrupter Art und die Verbesserung der Fließlinien innerhalb des Rohres durch Entgraten, d. h. Das Glätten von Unregelmäßigkeiten. Andere Methoden umfassen die Verringerung der Menge an gelöstem Sauerstoff, das Ändern des pH-Werts und das Umschalten des Rohrmaterials auf ein anderes Metall oder eine andere Legierung. Weitere Informationen zur Korrosion finden Sie in unseren Anwendungshinweisen "Erosion-Korrosion in Kühlsystemen" und "Vermeidung galvanischer Korrosion".




Kondensations- und Flüssigkeitskühlschleifendesign

Neben der Minimierung von Korrosion ist es wichtig, Kondensation zu minimieren oder zu verhindern. Eines der Risiken der Verwendung von Kühlmitteln unter Umgebungstemperaturen besteht darin, dass sich kondensierende Kondensation auf kühlen Oberflächen bilden kann. Diese Kondensation kann auf Elektronik tropfen oder sich im Boden des Systems sammeln und Korrosion verursachen. Um Kondensation zu vermeiden, kann die Oberflächentemperatur oberhalb des Umgebungstaupunktes gehalten werden, indem diese Oberflächen entweder isoliert oder höhere Flüssigkeitstemperaturen verwendet werden. Boyd bietet eine Vielzahl von Isoliermaterialien wie SOLIMIDE® Schaum, um Die Linientemperaturen zu halten und Kondensation und mögliche Schäden zu verhindern.

In einer ordnungsgemäß konzipierten und gewarteten Flüssigkeitskühlschleife sind Leckagen sehr unwahrscheinlich. Um jedoch die Auswirkungen möglicher Leckagen zu minimieren, können sich das Reservoir und die Flüssigkeitsschleife unterhalb der Elektronik befinden, die sich verkurzen würde, wenn Kühlmittel oder Kondensat auf sie tropftoder. Weitere Optionen sind die Installation eines Flüssigkeitsschilds oder einer Barriere über den Hochspannungsabschnitten des elektrischen Systems.

Bei der Konstruktion der Flüssigkeitskühlschleife besteht auch die Möglichkeit, Standard- oder Sonderteile zu verwenden. Es gibt Vor- und Nachteile für jeden. Standards sind leicht verfügbar, wenn Ersatz benötigt wird. Benutzerdefinierte Teile hingegen sind für die Größe, Leistung und Geräteanforderungen der Anwendung optimiert. Sie haben jedoch längere Lieferzeiten und können höhere Kosten verursachen.




Verbindungen, Fittings und Steckverbinder

Die Anzahl der Verbindungen in der Kaltplatte oder dem Wärmetauscher ist wichtig. Wenn es mehr Gelenke gibt, die gelötet werden müssen, besteht ein höheres Risiko von Leckagen. Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Hersteller hoch qualifiziert im Löten ist, über ordnungsgemäße Prüfverfahren verfügt und unnötige Lötpunkte innerhalb eines benutzerdefinierten Bauteils eliminiert.

Um Leckagen zu vermeiden, müssen die richtigen Armaturen ausgewählt und ordnungsgemäß verwendet werden. Für ein leckfreies Gelenk wird ein Perlenrohr mit einem Schlauch verkleben, der mit einer Klemme gesichert ist. Harte Sanitäranlagen sind im Allgemeinen Schläuchen vorzuziehen, aber Schläuche können in Umgebungen verwendet werden, in denen Systeme Schocken oder Vibrationen ausgesetzt sind. Eine Einheit mit geradem Rohrverschraubung kann in das System eingeschweißt oder mit einer selbstsichernden, drehmomentfreien Armatur verwendet werden. Mit einem Schnelltrennkoppler, der nicht tropffrei ist, müssen Sie beim Anschließen oder Trennen der Armaturen mit dem gelegentlichen Flüssigkeitstropfen rechnen. Weitere Informationen finden Sie in unserem Anwendungshinweis zum Thema "Wählen eines Quick Disconnect Couplers".

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von O-Ringe Armaturen, die nach Materialspezifikationen der Society of Automotive Engineers (SAE) oder nach militärischen Spezifikationen hergestellt werden. Diese Armaturen sind in verschiedenen Materialien und Größen erhältlich und bieten eine zuverlässige, leckagefreie Dichtung. Das O-Ring-Portfolio und -Know-how von Boyd können Ihnen dabei helfen, schnell das richtige Material, die richtigen Zertifizierungen und die richtige Größe auszuwählen, um Lecks in Ihrem System zu vermeiden.




Wartung und Service

Obwohl Wartung und Service das Letzte sein können, was Ingenieure bei der Entwicklung einer Flüssigkeitskühlschleife berücksichtigen, wird diese Berücksichtigung im Konstruktionsprozess dazu beitragen, Probleme langfristig zu reduzieren. Es müssen verschiedene Arten von Fragen beantwortet werden. Zum Beispiel:

  • Wird die Pumpe über ihre Lebensdauer geschmiert werden müssen oder wird das Kühlmittel diese Funktion erfüllen?
  • Muss das Flüssigkeitsreservoir abgerissen werden?
  • Welche Komponenten sind feldaustauschbar?
  • Wie sieht der Wartungsplan aus?
  • Was ist die erforderliche Pumpenlebensdauer?
  • Wenn ein Pumpenwechsel erforderlich ist, wie wird das System aufladen und das System hochfahren?


Andere Fragen betreffen, was der Benutzer tun muss, damit das System wieder funktioniert.

  • Muss dies die Elektronik und die Kaltplatte oder nur die Elektronik entfernen und können beide einfach entfernt und ersetzt werden, indem man nur eine neue einrastet?
  • Wird die Kühlplatte mit Kühlflüssigkeit versendet, wenn sie ausgetauscht wird?
  • Versendet der OEM das mit Flüssigkeit gefüllte System oder feldaustauschbare Gerät?
    • Wenn ja, kann das Einfrieren der Flüssigkeit ein Problem sein, z. B. in Flugzeugladeräumen, die sehr kalt werden.


Diese Fragen müssen von Mitgliedern sowohl der Planungs-, Betriebs- als auch der Wartungsteams berücksichtigt werden. Die Einbeziehung aller betroffenen Personen in die Entscheidung wird dazu beitragen, in Zukunft einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.

Materialverträglichkeit, Korrosionsschutz, Kondensationskontrolle, die Position des Flüssigkeitskühlkreislaufs, Standard-im Vergleich zu sonderigen Teilen, Verbindungen, Armaturen, Steckverbindern, Schläuchen sowie Wartungs- und Serviceanforderungen müssen bei der Konstruktion eines modifizierten Standard- oder kundenspezifischen Flüssigkeitskühlkreislaufs berücksichtigt werden. Bei ordnungsgemäßer Integration in ein System kann die Flüssigkeitskühlung eine hochwirksame Wärmeentfernung mit geringem Risiko ermöglichen. Heute sind Zehntausende von Kaltplatten und Wärmetauschern flüssige Kühlelektronik in einigen der anspruchsvollsten und leistungsstärksten Anwendungen.

Geschrieben von Richard Goldman und Tracey Barber

Original veröffentlicht in RTC Magazin, 2006. Juli


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