Čerpané jednofázové nebo dvoufázové chlazení se obecně používá k odvádění a rozptylování tepla z výkonných zdrojů tepla, jako jsou elektronika a lasery, nebo v případech, kdy je třeba přenést tepelnou energii na značnou vzdálenost mezi zdrojem tepla a chladičem. Čerpané jednofázové chlazení se dnes běžně používá v automobilových systémech a zařízeních výkonové elektroniky, kde jsou tepelné toky relativně nízké a/nebo není vyžadována rovnoměrnost teploty. V čerpané jednofázové smyčce je kapalné chladivo čerpáno přes studenou desku, která je připojena k chlazenému zdroji tepla. Teplota kapalného chladiva se při průchodu studenou deskou zvyšuje, přičemž absorbuje a ukládá teplo ve své citelné tepelné kapacitě.

Co jsou čerpané dvoufázové chladicí systémy?

V čerpané dvoufázové chladicí soustavě se teplo předává odpařováním a kondenzací části nebo celé pracovní kapaliny. Obvykle se kapalina blízká nasycení čerpá do chladicí desky, kde začne vřít, ochlazuje elektroniku a ukládá energii do latentního tepla kapaliny. Dvoufázová (kapalina a pára) kapalina pak proudí do kondenzátoru, kde se teplo odebírá, pára kondenzuje, takže z kondenzátoru vychází jednofázová (kapalina) a cyklus se opakuje.

Při správném návrhu mohou dvoufázové čerpané smyčky provádět následující činnosti:

• Přenášet teplo na velké vzdálenosti
• Chladit elektroniku s vysokým tepelným tokem
• Chladit & paralelně více studených desek
  • Používat rychlospojky k výměně elektroniky
  • Teplo lze přivádět a odvádět z libovolné kombinace studených desek, s pasivní regulací průtoku do každé chladicí desky
• Provozovat v libovolné orientaci
• Chlazení na velkých plochách (ACT prokázala dvoufázové chlazení s více 1.8 ft2 (1700 cm2) studených desek)

Přečerpávací dvoufázové systémy vyžadují další konstrukci, protože je třeba potlačit nestabilitu proudění a systém musí pojmout proudění kapaliny i páry. Čerpané dvoufázové systémy však mají ve srovnání s jednofázovým chlazením následující výhody:

• Snížení velikosti, hmotnosti a výkonu (SWaP), což je důležitý problém u letadel a vojenských vozidel
  • Nízké průtoky a čerpací výkon
• Minikanálové výměníky tepla namísto mikrokanálových výměníků tepla, což snižuje čerpací výkon a problémy s ucpáváním
• Izotermické teploty na velkých studených deskách (±0.5 °C bylo prokázáno ve společnosti ACT)
• Tepelné řízení více elektronických karet, které musí pracovat při stejné teplotě (±3 °C bylo prokázáno ve společnosti ACT)
  • Při správném návrhu, vypnutí některé z elektronických karet neovlivní teplotu zbývajících chladicích desek

Uspořádání dvoufázového chladicího systému

Základní uspořádání čerpacího dvoufázového chladicího systému je podobné čerpacímu jednofázovému systému s tím rozdílem, že pro změny objemu kapaliny se používá dvoufázový zásobník namísto akumulátoru, který se používá v jednofázovém systému. Příklad čerpané dvoufázové soustavy je znázorněn na obrázku 1, kde rychlospojky umožňují výměnu chladicích desek (a související elektroniky) bez nutnosti vypouštět a dobíjet systém. Ohebné vedení umožňuje zkoušet chladicí desky v libovolné orientaci a v různých výškách.

Obrázek 1. Samostatná čerpaná dvoufázová chladicí smyčka s rychlospojkami pro chlazení až čtyř chladicích desek.

Chladicí desky (chladiče) jsou dva výparníky v přední části obrázku 1 s průhlednou horní deskou. V levém výparníku jednofázový proud vstupuje shora, část kapaliny se vyvaří, aby se odvedlo teplo, a dvoufázová směs vystupuje dole (všimněte si umístění bublin). U pravé výparky jednofázový tok vstupuje zespodu a dvoufázová směs vystupuje v horní části studené desky. Společnost ACT prokázala schopnost těchto systémů odvádět teplo při změně orientace každého výparníku nezávisle na ostatních.

Některé aplikace chlazení elektroniky mají velký počet paralelních desek elektroniky, kde je žádoucí přivádět elektrický proud a chladit libovolný počet desek, aniž by bylo nutné upravovat průtok ke každé desce. Tomu lze snadno vyhovět pomocí čerpacího dvoufázového chladicího systému, kde lze paralelně chladit velký počet chladicích desek (sériové proudění se obvykle nepoužívá, pokud je důležitá rovnoměrnost teploty, aby každá chladicí deska měla stejné vstupní podmínky).

Obrázek 2 (A) ukazuje zkušební sestavu pro čtyři chladicí desky, z nichž každou lze ohřívat nezávisle. Jednotlivé studené desky jsou označeny modrými, oranžovými, žlutými a červenými nálepkami.
Všimněte si, že ventily jsou v tomto uspořádání použity k zajištění pevného tlakového spádu, jejich nastavení při změně podmínek proudění není nutné. Na obrázku 2 (B) je podrobněji zobrazena jednotlivá chladicí deska.

Na obrázku 3 (A) je video, které demonstruje, že během provozu lze přivádět a odvádět napájení na kteroukoli chladicí desku. Když je do dané chladicí desky přiveden výkon ohřívače, objeví se vedle chladicí desky barevně označená tečka a je vidět tvorba bublin. Obrázek 3 (B) ukazuje teploty a průtoky pro všechny čtyři chladicí desky. Po vypnutí elektrického napájení jednotlivé chladicí desky se teplota této chladicí desky sníží. Podle očekávání však teplota napájených studených desek není změnou napájení v podstatě ovlivněna.

Obrázek 2 (A) ukazuje zkušební sestavu pro čtyři studené desky, z nichž každou lze ohřívat nezávisle. Jednotlivé studené desky jsou označeny modrými, oranžovými, žlutými a červenými nálepkami. Všimněte si, že ventily jsou v tomto uspořádání použity k zajištění pevného tlakového spádu, jejich nastavení při změně podmínek průtoku není nutné. Na obrázku 2 (B) je podrobněji zobrazena jednotlivá studená deska.

A.

Obrázek 3. (A) Video zobrazující dvoufázové chlazení 4 chladicích desek s přerušovaným napájením. Tečka ukazuje, kdy je teplo přiváděno, a mizí, když je teplo vypnuto. (B) Vypnutí elektrického napájení některých studených desek nemá vliv na teplotu ostatních studených desek.

Odkazy na produkty

Pumped Two Phase Products

Pumped Two Phase (P2P) produkty společnostiACT jsou ideální pro chlazení vysoce výkonné elektroniky, kde tepelná zátěž vzrostla na úroveň, kterou tradiční systémy vzduchového a vodního chlazení nedokážou efektivně zvládnout. Naše standardní čerpané dvoufázové chladicí systémy využívají běžné komponenty a byly navrženy pro výkony 8 kW, 30 kW a 50 kW. K dispozici jsou také plně přizpůsobená řešení P2P.

Pumped Two Phase Cooling for High Performance Computing Applications

ACT vyvinul chladicí desku P2P pro vysoce výkonnou výpočetní aplikaci s celkovým tepelným zatížením 4 kW a více než 50 000 jednotlivými uzly v konfiguraci 1U Blade.

Pumped Two Phase (P2P) Frequently Asked Questions (FAQ)

Stránka P2P FAQ společnostiACT odpovídá na mnoho běžných otázek o čerpané dvoufázi, včetně „Co je čerpaná dvoufáze“, „Jak funguje“, „Kdy se používá“ a „Jaké jsou výhody?“.

Pokroky v technologii chlazení čerpanou dvoufází

Pumped Two Phase for High Heat Flux Applications

ACT vyvinul systém P2P pro laserové diody a elektronické systémy s vysokým tepelným tokem. Efektivně zvládá toky až ~500 W/cm2 z několika paralelních zdrojů tepla. Byla prokázána rovnoměrnost teploty na velkých plochách.

Chlazení hybridní dvoufázovou smyčkou

Technologie hybridní dvoufázové smyčky (HTPL) kombinuje robustní provoz mechanicky čerpaných smyček s pasivním řízením toku smyček s kapilárním pohonem pro přenos vysokého výkonu (2 kW), vysoké tepelné toky (>1200 W/cm2) při nízkých tepelných odporech spojených s odpařováním z knotové struktury.

Momentový vírový oddělovač

Většina čerpaných dvoufázových systémů spoléhá při oddělování par od kapaliny na gravitaci. Momentem poháněné vírové odlučovače fáze se obvykle používají v systémech, kde se při oddělování par od kapaliny nelze spolehnout na gravitaci, např, v mikrogravitaci, a také v letadlech, kde se vektor zrychlení mění při manévrování letadla.

Mil/Aero Gold Innovation Award

Čerpaný dvoufázový chladicí systém (P2P) od společnosti Advanced Cooling Technologies Inc. využívá odpařování namísto kapalinového chlazení a nabízí možnost vysokého tepelného toku; rovnoměrné rozložení teploty na velkých plochách; a malé flexibilní balení; a vysokou spolehlivost.

Webináře

.