Zweiphasen-Pumpenkühlung

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Die ein- oder zweiphasige Pumpenkühlung wird im Allgemeinen verwendet, um Wärme von Hochleistungs-Wärmequellen wie Elektronik und Lasern abzuführen, oder wenn die thermische Energie über eine beträchtliche Distanz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke übertragen werden muss. Die gepumpte Einphasenkühlung wird heute häufig in Automobilsystemen und Geräten der Leistungselektronik eingesetzt, wo die Wärmeströme relativ gering sind und/oder keine Temperaturgleichmäßigkeit erforderlich ist. In einem gepumpten Einphasenkreislauf wird das flüssige Kühlmittel durch eine Kühlplatte gepumpt, die an der zu kühlenden Wärmequelle befestigt ist. Die Temperatur des flüssigen Kühlmittels steigt, während es die Kühlplatte durchläuft, wobei es die Wärme in seiner fühlbaren Wärmekapazität aufnimmt und speichert.

Was sind gepumpte Zweiphasenkühlsysteme?

In gepumpten Zweiphasenkühlsystemen wird die Wärme durch die Verdampfung und Kondensation eines Teils oder der gesamten Arbeitsflüssigkeit übertragen. Normalerweise wird eine Flüssigkeit nahe der Sättigung in die Kühlplatte gepumpt, wo sie zu sieden beginnt, die Elektronik kühlt und die Energie in der latenten Wärme der Flüssigkeit speichert. Die zweiphasige (flüssige und dampfförmige) Flüssigkeit fließt dann zum Kondensator, wo die Wärme abgeführt wird und der Dampf kondensiert, so dass eine einphasige (flüssige) Flüssigkeit den Kondensator verlässt, und der Zyklus wiederholt sich.

Bei richtiger Auslegung können Zweiphasen-Pumpenkreisläufe Folgendes leisten:

  • Wärme über große Entfernungen übertragen
  • Elektronik mit hohem Wärmestrom kühlen
  • Mehrere Kühlplatten parallel kühlen
    • Schnellkupplungen verwenden, um die Elektronik auszutauschen
    • Wärme kann jeder Kombination von Kühlplatten zu- und abgeführt werden, mit passiver Durchflussregelung zu jeder Kühlplatte
  • Betrieb in beliebiger Ausrichtung
  • Kühlung über große Flächen (ACT hat eine Zweiphasenkühlung mit mehreren 1.8 ft2 (1700 cm2) Kühlplatten demonstriert)

Gepumpte Zweiphasensysteme erfordern eine zusätzliche Konstruktion, da Strömungsinstabilitäten unterdrückt werden müssen und das System sowohl Flüssigkeits- als auch Dampfströme aufnehmen muss. Im Vergleich zur Einphasenkühlung bietet die Zweiphasenkühlung jedoch folgende Vorteile:

  • Geringere Größe, Gewicht und Leistung (SWaP), was bei Flugzeugen und Militärfahrzeugen ein wichtiges Anliegen ist
    • Geringere Durchflussraten und Pumpleistung
  • Mini-Kanal-Wärmetauscher anstelle von Mikrokanal-Wärmetauschern, wodurch die Pumpleistung und Verstopfungsprobleme reduziert werden
  • Isotherme Temperaturen über großen Kühlplatten (±0.5°C wurde bei ACT demonstriert)
  • Thermomanagement mehrerer Elektronikkarten, die bei derselben Temperatur arbeiten müssen (±3°C wurde bei ACT demonstriert)
    • Bei ordnungsgemäßer Auslegung

Layout eines zweiphasigen Kühlsystems

Das Grundlayout eines zweiphasigen Kühlsystems mit Pumpe ähnelt dem eines einphasigen Systems mit Pumpe, mit dem Unterschied, dass ein zweiphasiges Reservoir verwendet wird, um Änderungen des Flüssigkeitsvolumens auszugleichen, und nicht der Akkumulator, der in einem einphasigen System verwendet wird. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein zweiphasiges Pumpsystem, bei dem die Kühlplatten (und die dazugehörige Elektronik) dank Schnellkupplungen ausgetauscht werden können, ohne dass das System entleert und wieder aufgeladen werden muss. Flexible Leitungen ermöglichen es, die Kühlplatten in jeder beliebigen Ausrichtung und in verschiedenen Höhen zu testen.

Stand-alone gepumpte Zweiphasen-Kühlschleife

Abbildung 1. Eigenständiger zweiphasiger Kühlkreislauf mit Schnellkupplungen zur Kühlung von bis zu vier Kühlplatten.

Die Kühlplatten (Wärmesenken) sind die beiden Verdampfer im Vordergrund von Abbildung 1 mit einer transparenten oberen Platte. Im linken Verdampfer tritt der Einphasenstrom von oben ein, ein Teil der Flüssigkeit siedet, um die Wärme abzuführen, und das Zweiphasengemisch tritt unten aus (man beachte die Lage der Blasen). Beim rechten Verdampfer tritt der Einphasenstrom von unten ein und das Zweiphasengemisch tritt oben aus der Kühlplatte aus. ACT hat die Fähigkeit dieser Systeme demonstriert, Wärme abzuführen, wenn die Ausrichtung jedes Verdampfers unabhängig von den anderen geändert wird.

Bei einigen Elektronikkühlungsanwendungen gibt es eine große Anzahl paralleler Elektronikplatinen, bei denen es wünschenswert ist, elektrische Energie zuzuführen und eine beliebige Anzahl von Platinen zu kühlen, ohne den Durchfluss zu jeder Platine anpassen zu müssen. Dies lässt sich leicht mit einem gepumpten Zweiphasenkühlsystem bewerkstelligen, bei dem eine große Anzahl von Kühlplatten parallel gekühlt werden kann (eine Reihenströmung wird im Allgemeinen nicht verwendet, wenn die Gleichmäßigkeit der Temperatur wichtig ist, so dass jede Kühlplatte die gleichen Eingangsbedingungen hat).

Abbildung 2 (A) zeigt den Testaufbau für vier Kühlplatten, von denen jede unabhängig beheizt werden kann. Die einzelnen Kühlplatten sind mit blauen, orangefarbenen, gelben und roten Aufklebern gekennzeichnet.
Bei diesem Aufbau werden die Ventile verwendet, um einen festen Druckabfall zu gewährleisten; eine Anpassung an veränderte Durchflussbedingungen ist nicht erforderlich. Abbildung 2 (B) zeigt eine einzelne Kühlplatte im Detail.

Abbildung 3 (A) ist ein Video, in dem gezeigt wird, dass jede der Kühlplatten während des Betriebs mit Strom versorgt und entlastet werden kann. Wenn eine bestimmte Kühlplatte mit Strom versorgt wird, erscheint ein farbcodierter Punkt neben der Kühlplatte, und es ist eine Blasenbildung zu erkennen. Abbildung 3 (B) zeigt die Temperaturen und Durchflussraten für alle vier Kühlplatten. Wenn der Strom für eine einzelne Kühlplatte abgeschaltet wird, sinkt die Temperatur dieser Kühlplatte. Die Temperatur der gespeisten Kühlplatten bleibt jedoch erwartungsgemäß im Wesentlichen unverändert, wenn sich die Leistung ändert.

Testaufbau für vier Kühlplatten

Abbildung 2 (A) zeigt den Testaufbau für vier Kühlplatten, von denen jede unabhängig beheizt werden kann. Die einzelnen Kühlplatten sind mit blauen, orangen, gelben und roten Aufklebern gekennzeichnet. Man beachte, dass die Ventile in diesem Aufbau dazu dienen, einen festen Druckabfall zu erzeugen; eine Anpassung an veränderte Durchflussbedingungen ist nicht erforderlich. Abbildung 2 (B) zeigt eine einzelne Kühlplatte im Detail.

A.

Zweiphasige Kühlung von 4 Kühlkörpern

Abbildung 3. (A) Das Video zeigt die Zweiphasenkühlung von 4 Kühlplatten mit intermittierender Leistung. Ein Punkt zeigt an, wenn die Wärme zugeführt wird, und verschwindet, wenn die Wärme abgeschaltet wird. (B) Das Abschalten der Stromzufuhr zu einigen Kühlplatten hat keinen Einfluss auf die Temperatur der anderen Kühlplatten.

Produktlinks

Zwei-Phasen-Pumpen-Produkte

Die Zwei-Phasen-Pumpen-Produkte (P2P) vonACT eignen sich ideal für die Kühlung von Hochleistungselektronik, bei der die Wärmelast auf ein Niveau gestiegen ist, das herkömmliche Luft- und Wasserkühlungssysteme nicht mehr bewältigen können. Unsere Standard-Zweiphasen-Pumpen-Kühlsysteme nutzen gängige Komponenten und sind für Leistungen von 8 kW, 30 kW und 50 kW ausgelegt. Vollständig kundenspezifische P2P-Lösungen sind ebenfalls erhältlich.

Pumped Two-Phase Cooling for High Performance Computing Applications

ACT entwickelte eine P2P-Kühlplatte für eine High-Performance-Computing-Anwendung mit einer Gesamtwärmelast von 4 kW und über 50.000 einzelnen Knoten in einer 1U-Blade-Konfiguration.

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

ACT’s P2P FAQ Seite beantwortet viele häufige Fragen über Pumped Two Phase, einschließlich „Was ist Pumped Two Phase“, „Wie funktioniert es“, „Wann wird es verwendet“ und „Was sind die Vorteile?“

Weiterentwicklungen in der gepumpten Zweiphasenkühltechnologie

Gepumpte Zweiphasenkühlung für Anwendungen mit hohem Wärmestrom

ACT hat ein P2P-System für Laserdioden und elektronische Systeme mit hohem Wärmestrom entwickelt. Es bewältigt effizient Ströme bis zu ~500W/cm2 von mehreren parallelen Wärmequellen. Es wurde eine gleichmäßige Temperaturverteilung über große Flächen nachgewiesen.

Hybrid TwoPhase Loop Cooling

Hybrid TwoPhase Loop (HTPL) Technologie kombiniert den robusten Betrieb von mechanisch gepumpten Schleifen mit der passiven Flusskontrolle von kapillarbetriebenen Schleifen, um hohe Leistungen (2 kW) zu transportieren, hohe Wärmeströme (>1200 W/cm2) bei niedrigen thermischen Widerständen, die mit der Verdampfung aus einer Dochtstruktur verbunden sind.

Momentum Vortex Separator

Die meisten gepumpten Zweiphasensysteme verlassen sich auf die Schwerkraft zur Trennung von Dampf und Flüssigkeit. Impulsgetriebene Vortex-Phasenabscheider werden typischerweise in Systemen eingesetzt, in denen die Schwerkraft zur Trennung von Dampf und Flüssigkeit nicht ausreicht, z. B.,

Mil/Aero Gold Innovation Award

Das Pumped Two-Phase (P2P) Cooling System von Advanced Cooling Technologies Inc. verwendet Verdampfung anstelle von Flüssigkeitskühlung, um hohe Wärmestromkapazitäten, gleichmäßige Temperaturverteilung über große Oberflächen, kleine flexible Verpackungen und hohe Zuverlässigkeit zu bieten.

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