電子製品の液体冷却システムおよびソリューションを設計するための原則
Oct 11, 2024
ご伝言
I 液体冷却システムとそのコンポーネント
チップおよびボードレベルのコンポーネントの電力密度の急速な増加に伴い、多くの新製品が液体冷却を使用し始めています。ただし、漏れ、冷却効率、コストなどのリスクを考慮する必要があるかどうかなど、外部からの疑問や懸念も数多くあります。
液体冷却システムの定義を図 1 に示します。PCB コンポーネントによって発生した熱は、取り付けられたコールド プレートを通じて収集され、冷却剤によって液体リザーバに輸送されます。その後、冷却された液体は循環してコールド プレートに戻ります。このようにして、液体ループまたは冷却システムが作成されます。
▲ 図 1. 液冷システム
図 2 は、電子システムで使用される従来の冷却システムを示しています。
▲ 図 2. 電子システムにおけるエアアシスト液体冷却
この構造では、液体が伝達媒体として機能し、熱を熱源からコールドプレートに伝達し、次に熱交換器を介して空気に伝達します。このシステムの冷却能力は、熱交換器の設計または熱性能によって制限されます。
上記のシステムを比較すると、大きな違いが観察されます。真の液体冷却システム (図 1) では、熱力学的定義によれば、リザーバーは等温です。
これは、入熱によって温度が変化しないことを意味します。貯留層の体積は平均温度を一定に保つのに十分な大きさであり、最終的には大気や周囲と熱を交換します。このアプリケーションは現在、データセンターの浸漬冷却で広く使用されています。
エアアシスト冷却は本質的に、液体がソースとヒートシンク間の熱伝達媒体として使用される空冷システムです。
どちらのシステムでも、液体冷却には明らかな利点がいくつかあります。これらの利点には、単位体積あたりの液体の熱伝達能力とより効率的な熱拡散が含まれます。
開放系におけるエンタルピーの変化によって生じる熱伝達は、式 1 に示すように計算されます。
式 1:
Q = m
(
- 
)
ここで、m=ρVA (ρ は流体密度、V は速度、A は断面積)、および
は一定圧力における比熱です。
速度と断面積が一定であると仮定すると、次の式を使用してさまざまな流体の熱伝達を計算できます。
そしてρ。
表 1 に、次の値を示します。
、ρ、μ、k は 300 K の水と空気です。
▲テーブル1. 代表的な冷却剤の熱力学特性
上記は、熱負荷の伝達において高密度と熱容量を備えた流体の利点を明確に示しています。
液体冷却は、チップの熱管理においても重要な役割を果たします。ボードおよびチップレベルでのローカル電力消費は、成功する製品を設計する上で大きな課題となります。
図 3 は、大手メーカーの例を示しています。この例では、チップ上の特定の場所の熱流束が 2500 W/cm2 を超えています。
▲ 図 3. マイクロプロセッサー内の 2500 W/cm² を超える熱流束
明らかに、局所的な熱流束は、より大きな表面積に熱を分散させることでより効果的に管理できます。
この放熱設計の主な方法は、伝導および対流熱伝達です。ダイヤモンド シートやグラファイト シートなどの高熱伝導率の材料は、より広い表面に熱をより効果的に拡散するのに非常に役立ちます。
ヌッセルト数 (Nu) と熱伝達係数を調べることで、液体がより大きな表面積にわたって効果的に熱を拡散する様子を観察できます。 Nu が等しいhL/k、熱伝達係数h層流の平板の場合、式 2 で与えられます。
式 2:
h = k/L [0.332 
.
]
どこ
h: 熱伝達率
k: 流体の熱伝導率
L: 特徴的な長さ
リ: レイノルズ数
広報：プラントル数
のサイズリは速度と流体特性の関数ですが、広報流体の粘度と密度によって異なります。明らかに、より高い液体k値が大きいほどリそして広報、その結果、より大きくなりますh。したがって、ニュートンの冷却の法則を考えると、
式 3:
Q = h
(
)
同じ流れ条件下で、流体の種類を気体から液体 (つまり、空気から水) に変更すると、熱伝達が大幅に増加します。
これにより、平均表面温度が低下し、デバイスの放熱設計の効果が向上します。液体冷却を使用すると、純粋 (浸漬) または空気補助のいずれであっても、より高い熱伝達とより優れた熱管理システムが促進されます。
ただし、液体補助冷却システムを実装する機器は通常、循環のために空冷を必要とします。多くの場合、ファンの故障や騒音などの問題に焦点が当てられます。