Pumped enkelt- eller tofasekøling bruges generelt til at fjerne og bortlede varme fra højeffektive varmekilder som f.eks. elektronik og lasere, eller når den termiske energi skal overføres over en betydelig afstand mellem varmekilden og kølepladen. Pumpet enfasekøling anvendes i dag almindeligvis i bilsystemer og udstyr til effektelektronik, hvor varmestrømmene er relativt lave og/eller der ikke er behov for ensartet temperatur. I et pumpet enkeltfasekredsløb pumpes det flydende kølemiddel gennem en kold plade, som er fastgjort til den varmekilde, der skal køles. Temperaturen af det flydende kølemiddel stiger, når det passerer gennem den kolde plade, idet det absorberer og lagrer varmen i sin følsomme varmekapacitet.
Hvad er pumpede tofasekølesystemer?
I pumpede tofasekølesystemer overføres varmen ved fordampning og kondensation af en del af eller hele arbejdsvæsken. Typisk pumpes en væske tæt på mætning ind i den kolde plade, hvor den begynder at koge, hvorved elektronikken afkøles og energien lagres i væskens latente varme. Den tofasede væske (væske og damp) strømmer derefter til kondensatoren, hvor varmen fjernes, idet dampen kondenseres, så der kommer en enkelt fase (væske) ud af kondensatoren, og cyklussen gentages.
Når de er korrekt konstrueret, kan tofasede pumpekredsløb gøre følgende:
- Overføre varme over lange afstande
- Køle elektronik med høj varmestrøm
- Køle & flere køleplader parallelt
- Anvende hurtigafkoblinger til udskiftning af elektronik
- Varme kan tilføres og fjernes fra en hvilken som helst kombination af køleplader, med passiv flowkontrol til hver enkelt køleplade
- Kan fungere i enhver retning
- Køling over store områder (ACT har demonstreret tofasekøling med flere 1.8 ft2 (1700 cm2 ) køleplader)
Pumpede tofasesystemer kræver yderligere design, da strømningsinstabiliteter skal undertrykkes, og systemet skal kunne rumme både væske- og dampstrømme. Pumpede tofasesystemer har dog følgende fordele i forhold til enfasekøling:
- Reduceret størrelse, vægt og effekt (SWaP), hvilket er et vigtigt problem på fly og militærkøretøjer
- Lavere strømningshastigheder og pumpeeffekt
- Minikanalvarmevekslere i stedet for mikrokanalvarmevekslere, hvilket reducerer pumpeeffekt og tilstopningsproblemer
- Isoterme temperaturer over store kolde plader (±0.5 °C er blevet demonstreret ved ACT)
- Thermisk styring af flere elektronikkort, der skal fungere ved samme temperatur (±3 °C er blevet demonstreret ved ACT)
- Når de er korrekt designet, slukker man for noget af elektronikken, vil det ikke påvirke temperaturen på de resterende køleplader
Layout for tofasekølesystem
Det grundlæggende layout af et pumpet tofasekølesystem ligner et pumpet enfaset system, bortset fra at der anvendes et tofaset reservoir til at tage højde for ændringer i væskemængden i stedet for den akkumulator, der anvendes i et enfaset system. Et eksempel på et pumpet tofasesystem er vist i figur 1, hvor hurtigkoblinger gør det muligt at udskifte køleplader (og tilhørende elektronik) uden at skulle tømme og genoplade systemet. Fleksible ledninger gør det muligt at afprøve de kolde plader i enhver retning og i forskellige højder.
Figur 1. Stand-alone pumpet tofaset kølekredsløb med hurtigkoblinger til køling af op til fire køleplader.
Kølepladerne (kølepladerne) er de to fordamperne foran i figur 1 med en gennemsigtig topplade. I den venstre fordamper kommer enfasestrømmen ind fra toppen, en brøkdel af væsken koger for at fjerne varmen, og tofaseblandingen kommer ud i bunden (bemærk boblernes placering). I den højre fordamper strømmer enfasestrømmen ind fra bunden, og en tofaseblanding kommer ud i toppen af den kolde plade. ACT har demonstreret disse systemers evne til at fjerne varme, når orienteringen af hver enkelt fordamper ændres uafhængigt af de andre.
I nogle elektroniske køleapplikationer er der et stort antal parallelle elektronikplader, hvor det er ønskeligt at tilføre elektrisk strøm og køle et vilkårligt antal plader uden at skulle justere strømmen til hver enkelt plade. Dette kan let imødekommes med et pumpet tofaset kølesystem, hvor et stort antal køleplader kan køles parallelt (seriestrøm anvendes normalt ikke, når temperaturens ensartethed er vigtig, således at hver enkelt køleplade har de samme indgangsbetingelser).
Figur 2 (A) viser testopstillingen for fire køleplader, som hver især kan opvarmes uafhængigt af hinanden. De enkelte koldplader er markeret med blå, orange, gule og røde klistermærker.
Bemærk, at ventilerne anvendes i denne opsætning til at give et fast trykfald, det er ikke nødvendigt at justere dem, når strømningsforholdene ændrer sig. Figur 2 (B) viser en individuel koldplade mere detaljeret.
Figur 3 (A) er en video, der viser, at der kan til- og frakobles strøm til en hvilken som helst af de kolde plader under drift. Når der tilføres strøm til en given koldplade, vises en farvekodet prik ved siden af den kolde plade, og man kan se bobeldannelse. Figur 3 (B) viser temperaturer og strømningshastigheder for alle fire koldplader. Når den elektriske strøm til en enkelt kold plade slukkes, falder temperaturen på den pågældende kold plade. Som forventet er temperaturen på de strømførende koldplader dog stort set upåvirket, når strømmen ændres.
Figur 2 (A) viser prøveopstillingen til fire koldplader, som hver især kan opvarmes uafhængigt af hinanden. De enkelte koldplader er markeret med blå, orange, gule og røde klistermærker. Bemærk, at ventilerne anvendes i denne opsætning til at give et fast trykfald, og det er ikke nødvendigt at justere dem, når strømningsforholdene ændres. Figur 2 (B) viser en individuel koldplade mere detaljeret.
A.
Figur 3. (A) Video, der viser tofasekøling af 4 køleplader, med intermitterende strøm. En prik viser, når der tilføres varme, og forsvinder, når varmen slukkes. (B) Afbrydelse af den elektriske strøm til nogle kolde plader påvirker ikke temperaturen på de andre kolde plader.
Produktlinks
Pumpede tofasede produkter
ACT’s pumpede tofasede (P2P) produkter er ideelle til køling af højtydende elektronik, hvor varmebelastningen er steget til et niveau, der ligger ud over, hvad traditionelle luft- og vandkølingssystemer effektivt kan håndtere. Vores standard Pumped Two-Phase Cooling Systems udnytter fælles komponenter og er designet til 8kW, 30kW og 50kW kapaciteter. Fuldt tilpassede P2P-løsninger er også tilgængelige.
Pumped Two Phase Cooling for High Performance Computing Applications
ACT har udviklet en P2P-køleplade til en højtydende computerapplikation med en samlet varmebelastning på 4 kW og over 50.000 individuelle knudepunkter i en 1U Blade-konfiguration.
Pumped Two Phase (P2P) Frequently Asked Questions (FAQ)
ACT’s P2P FAQ-side besvarer mange almindelige spørgsmål om pumped two phase, herunder “Hvad er pumped two phase”, “Hvordan virker det”, “Hvornår bruges det” og “Hvilke fordele er der?”.
Fremskridt inden for pumpet tofasekøleteknologi
Pumpet tofase til applikationer med høj varmestrøm
ACT har udviklet et P2P-system til laserdioder og elektroniksystemer med høj varmestrøm. Det håndterer effektivt fluxer på op til ~500 W/cm2 fra flere parallelle varmekilder. Temperaturens ensartethed over store overflader er blevet demonstreret.
Hybrid Two Phase Loop Cooling
Hybrid TwoPhase Loop (HTPL)-teknologi kombinerer den robuste drift af mekanisk pumpede loops med den passive flowkontrol af kapillardrevne loops for at transportere høj effekt (2 kW), høje varmestrømme (>1200 W/cm2) ved de lave termiske modstande, der er forbundet med fordampning fra en væggestruktur.
Momentum Vortex Separator
De fleste pumpede tofasesystemer er afhængige af tyngdekraften til at adskille damp fra væske. Momentumdrevne vortex-faseadskillere anvendes typisk i systemer, hvor man ikke kan stole på tyngdekraften til at adskille damp fra væske, f.eks, i mikro-tyngdekraft, samt i fly, hvor accelerationsvektoren varierer, når flyet manøvrerer.
Mil/Aero Gold Innovation Award
Det pumpede to-fase (P2P) kølesystem fra Advanced Cooling Technologies Inc. anvender fordampning i stedet for væskekøling for at tilbyde kapacitet til høj varmestrøm, ensartet temperaturfordeling over store overflader og lille fleksibel emballage samt høj pålidelighed.