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Zwei-Phasen-Kühlung - Fragen Sie einen Experten Q & A

Zuletzt aktualisiert am 20. Mai 2024 | Veröffentlicht am 7. Dezember 2021

Die zweiphasige Kühlung umfasst mehrere verschiedene Kühltechnologien, daher haben wir uns mit einem unserer Thermoexperten zusammengesetzt, um einige häufig gestellte Fragen zu beantworten.

Im ersten Teil unserer Ask an Expert-Serie auf unserem LinkedIn haben wir Die Leute gebeten, Fragen zu einer unserer beliebtesten thermischen Technologien einzureichen: Two-Phase Cooling. Wir haben mehrere Fragen erhalten, also haben wir mit einem unserer Wärmeexperten, David Miller, gesprochen, um sie im Folgenden zu beantworten.

Was macht es zu einer "zweiphasigen" Kühlung?

"Zweiphasig" bedeutet im Wesentlichen, dass ein Phasenwechsel einer Flüssigkeit von flüssig zu dampfförmig stattfindet. Dieser Phasenwechsel bewirkt eine erhebliche Umwandlung von Wärme, die als latente Umwandlungswärme bezeichnet wird. In einer Heatpipe sättigt eine sehr kleine Menge reines Wasser (oder eine andere Flüssigkeit) den Docht im Inneren. Wenn diese Heatpipe in einem Bereich Hitze ausgesetzt ist, verdampft diese Flüssigkeit, was zu einem Phasenwechsel des Wassers zu Dampf führt. Durch die Umwandlung dieses Wassers in Dampf wird die Wärme schnell in kühlere Regionen transportiert, wo sie kondensiert. Diese Wärmeübertragung hat eine viel höhere effektive Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitung durch ein festes Material wie Kupfer.

Was sind die Vorteile der Zweiphasenkühlung gegenüber der Luftkühlung?

In jedem Wärmemanagementsystem muss sich die Wärme von heiß nach kalt bewegen, daher benötigen Sie eine Möglichkeit, Wärme von einem Ort zum anderen zu transportieren. Heatpipes, Dampfkammern und Thermosiphons sind alles Komponenten, die dies effizienter erreichen als massive herkömmliche Metallleiter wie Kupfer oder Aluminium. Aufgrund des Phasenwechsels, der bei diesen zweiphasigen Kühlmethoden auftritt, ist die Wärmeleitfähigkeit 100-200-mal so hoch wie die von Kupfer. Dadurch verringert sich der thermische Gesamtwiderstand des Kühlsystems und die Temperaturdifferenz (Δt) von einem Punkt zum anderen.

Trotzdem brauchst du immer noch Luft. Sie können ein luftgekühltes Gerät nicht nur durch eine Heatpipe ersetzen. Sie verwenden eine Heatpipe in Verbindung mit einer erweiterten Oberfläche (Lamellen) und einer Art Luftbewegungssystem (oder durch natürliche Konvektion). Aber je niedriger der Wärmewiderstand ist, desto schneller wird die Wärme übertragen, so dass bei gleicher Leistung der Temperaturunterschied zwischen einem Gerät und der Luft mit einem zweiphasigen verbesserten Kühlsystem geringer ist.

Wann sollte ich Thermosiphons, Heatpipes und Dampfkammern verwenden?

Wir haben viele Informationen darüber, wie jeder dieser Punkte funktioniert, auf unserer Website, was ein guter Ausgangspunkt ist. Da die meisten Anwendungen einzigartig sind, wenden Sie sich am besten an Boyd und arbeiten Sie mit einem unserer Anwendungs- oder Entwicklungsingenieure zusammen, um eine optimierte Kühllösung für Sie zu entwickeln.

Was sind einige der Herausforderungen, die mit der Implementierung eines zweiphasigen Kühlsystems verbunden sind?

Es hängt davon ab, was das Zwei-Phasen-System ist. Die Kosten können je nach verwendeter Technologie erheblich variieren. Es gibt auch einige Einschränkungen für die maximale Länge einer Heatpipe; Wenn Sie Wärme über eine sehr große Entfernung transportieren müssen, kann eine Heatpipe möglicherweise in ihrer Länge begrenzt sein. Die physische Größe einer Heatpipe oder Vapor Chamber kann ebenfalls eine Herausforderung darstellen, da es Einschränkungen bei der Herstellung gibt, je nachdem, welche Werkzeuge zur Verfügung stehen. Schließlich kann die Umwelt ein Faktor sein; Umgebungen, die unter dem Gefrierpunkt laufen, können eine Herausforderung darstellen, da kupferwasserbasierte Heatpipes nur über dem Gefrierpunkt betrieben werden.

Jetzt gibt es Möglichkeiten, jede dieser Herausforderungen zu umgehen, einschließlich der Verwendung eines Thermosiphons für längere Strecken oder der Verwendung von Methanol anstelle von Wasser in einer Heatpipe für den Betrieb unter dem Gefrierpunkt. Letztendlich ist es am besten, uns Ihre spezifischen Projektanforderungen zu senden, und wir können Ihnen helfen, die am besten geeigneten Methoden für die Kühlung zu ermitteln.

Was ist der Unterschied zwischen einer Heatpipe und einer Loop-Heatpipe?

Stellen Sie sich eine herkömmliche Heatpipe als ein Kupferrohr vor, das einen Docht und eine bestimmte Menge Flüssigkeit im Inneren hat. Wenn Sie ein Ende erhitzen, verdunstet das Wasser im Inneren und wandert zum anderen Ende, wo es abkühlt. Die Flüssigkeit kondensiert dann und wandert durch Kapillarwirkung entlang desselben Rohrs zurück zum erhitzten Ende.

Eine Loop-Heatpipe läuft als Endlosschleife; Es hat einen Startpunkt (einen Verdampfer), an dem sich das Wasser in Dampf verwandelt. Der Dampf wandert entlang eines Rohrs zu einem Kondensator, wo die Flüssigkeit wieder kondensiert und entlang einer separaten Leitung zurückfließt, wodurch sie wieder zum Verdampfer zurückkehrt. Es gibt eine Menge Physik, die den Betrieb einer Loop-Heatpipe antreibt. Eine typische Anwendung für Loop-Heatpipes ist die Kühlung von Raumfahrzeugen, bei denen Wärme über größere Entfernungen transportiert werden muss (sie verwenden normalerweise Ammoniak als interne Wärmeübertragungsflüssigkeit). Wenn Sie eine feste und bekannte oder günstige Schwerkraftausrichtung haben, kann ein Loop-Thermosiphon auf ähnliche Weise verwendet werden, während er wirtschaftlicher ist.

Ist die Zweiphasenkühlung immer flüssig zu gasförmig? Oder gibt es Fest-Flüssig-Lösungen?

Ja, und sie werden oft als "Phasenwechselmaterialien (PCMs)" bezeichnet. Ein Beispiel für ein PCM ist Paraffinwachs, das zur Energiespeicherung in Verbindung mit Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen verwendet wird. Die Batterien können in Wachs eingebettet werden, das erhitzt wird und das Wachs zum Schmelzen bringt, wodurch die Wärme gespeichert wird. Während das feste PCM schmilzt, stabilisiert sich die Temperatur, so dass Leistungsspitzen absorbiert und dann über einen längeren Zeitraum abgeführt werden können. Für alle Anwendungen, die PCM oder andere zweiphasige Kühltechniken in Betracht ziehen, wenden Sie sich an uns, und unsere Experten können Ihnen bei der optimalen Kühlmethode behilflich sein.

Wie kann ich Heatpipes in meiner Anwendung simulieren?

Für viele Leute, die CFD-Analysen (Computational Fluid Dynamics) durchführen, verwenden sie allgemeine Faustregeln, um die äquivalente Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe oder Dampfkammer zu modellieren. Geometrische Einschränkungen und Ausrichtung schränken die Fähigkeit ein, Heatpipes genau zu modellieren, und die Ergebnisse berücksichtigen keine Faktoren wie Schwerkraft oder Biegung und Abflachung einer Heatpipe. Sie können auch nicht vorhersagen, an welchen Grenzen eine Heatpipe besteht oder ob sie überdimensioniert ist.

Aavid SmartCFD ist das einzige Software-Tool, das komplexe zweiphasige Kühlkomponenten wie Heatpipes und Dampfkammern genau modelliert, die Nutzungskapazität quantifiziert und vor Austrocknung warnt. Diese Software berücksichtigt all diese Faktoren bei der Simulation einer Heatpipe oder Vapor Chamber. Es hilft, die Leistung eines Kühlsystems mit einer Heatpipe oder Vapor Chamber viel genauer vorherzusagen als andere CFD-Programme, daher bin ich ein großer Befürworter von SmartCFD.

Was sind die extremsten zweiphasigen Kühlanwendungen, an denen Sie gearbeitet haben?

Für extreme Temperaturen haben wir bereits Heatpipes für Anwendungen unter 0 °C hergestellt, die wir mit Methanol als Flüssigkeit herstellen konnten. Im High-End-Bereich habe ich Anwendungen gesehen, die bis zu etwa 1000 °C reichen (obwohl wir im Allgemeinen versuchen, sie in Anwendungen um oder unter 150 °C für die Elektronikkühlung zu verwenden). In Bezug auf den extremen Maßstab habe ich einen Thermosiphon für eine geothermische Anwendung mit einer Länge von vielen Metern entwickelt.

Wir sehen sehr interessante Anwendungen, die mit Zwei-Phasen-Lösungen gelöst werden könnten. Wir ermutigen unsere Kunden nachdrücklich, sich mit ihren Möglichkeiten an uns zu wenden. Wir freuen uns immer, die Anforderungen zu überprüfen und Empfehlungen auszusprechen.

Wie sieht die Zukunft der Zweiphasenkühlung aus?

Es gibt unendlich viele Möglichkeiten für zweiphasige Lösungen im Wärmemanagement, von traditionellen Unternehmens- und Verbraucheranwendungen bis hin zu neuen Anwendungen in der eMobility-, Medizin- und erneuerbaren Energiebranche. Wir haben kürzlich an der Herstellung dreidimensionaler Heatpipes und Dampfkammern für Anwendungen mit sehr hohem Wärmestrom gearbeitet, bei denen eine gleichmäßige Temperatur durch einen gesamten Kühlkörper gewünscht wird. In der Regel würden Sie eine Heatpipe oder Dampfkammer in den Boden des Kühlkörpers einbauen, die ein heißes Gerät berührt, sich ausbreitet und auf die Lamellen überträgt und durch natürliche oder erzwungene Konvektion abgeführt wird. Mit einer dreidimensionalen Vapor Chamber müssten Sie nicht auf den Wärmewiderstand verzichten, wenn Sie von einer Heatpipe zu einer festen Lamelle wechseln. Stattdessen wird der Wärmewiderstand drastisch reduziert, da der Dampf vom beheizten Gerät direkt in das Lamellenvolumen gelangt.

Ein weiterer interessanter Bereich ist die Verwendung von ultradünnen Vapor Chambers, die spannende Möglichkeiten zur Kühlung von Geräten wie Smartphones und Tablets bieten. Die Wärmebelastungen nehmen kontinuierlich zu, und der konventionell eingesetzte Graphit stößt als effektiver thermischer Wärmeverteiler an seine Grenzen. Unsere ultradünnen Dampfkammern können viel größere Wärmemengen sehr effizient in sehr dünnen Bereichen (bis zu einer Dicke von 0,25 mm) transportieren.

Wir bedanken uns bei allen, die uns Fragen geschickt haben! Wenn Sie mehr über unsere Fähigkeiten erfahren oder herausfinden möchten, welche Zweiphasen-Kühllösung für Ihre Anwendung die richtige ist, wenden Sie sich an unsere Experten.

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