Ressources sur le refroidissement diphasé par pompage

, Author

Le refroidissement diphasé ou monophasé par pompage est généralement utilisé pour éliminer et dissiper la chaleur des sources de chaleur à haute puissance telles que l’électronique et les lasers, ou lorsque l’énergie thermique doit être transférée sur une distance importante entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. Le refroidissement monophasé par pompage est couramment utilisé aujourd’hui dans les systèmes automobiles et les équipements électroniques de puissance, où les flux de chaleur sont relativement faibles et/ou l’uniformité de la température n’est pas requise. Dans une boucle monophasée pompée, le liquide de refroidissement est pompé à travers une plaque froide qui est fixée à la source de chaleur à refroidir. La température du liquide de refroidissement augmente lorsqu’il traverse la plaque froide, absorbant et stockant la chaleur dans sa capacité de chaleur sensible.

Qu’est-ce qu’un système de refroidissement diphasique pompé ?

Dans les systèmes de refroidissement diphasique pompé, la chaleur est transférée par l’évaporation et la condensation d’une partie ou de la totalité du fluide de travail. Typiquement, un liquide proche de la saturation est pompé dans la plaque froide, où il commence à bouillir, refroidissant l’électronique et stockant l’énergie dans la chaleur latente du fluide. Le fluide à deux phases (liquide et vapeur) s’écoule ensuite vers le condenseur, où la chaleur est retirée, condensant la vapeur, de sorte qu’une seule phase (liquide) sort du condenseur, et le cycle se répète.

Lorsqu’elles sont correctement conçues, les boucles de pompage à deux phases peuvent faire ce qui suit :

  • Transférer la chaleur sur de longues distances
  • Refroidir l’électronique à haut flux de chaleur
  • Accommoder &refroidir plusieurs plaques froides en parallèle
    • Utiliser des déconnexions rapides pour échanger l’électronique
    • La chaleur peut être appliquée et retirée de toute combinaison de plaques froides, avec un contrôle passif du flux vers chaque plaque froide
  • Opération dans n’importe quelle orientation
  • Refroidissement sur de grandes surfaces (ACT a démontré un refroidissement biphasé avec de multiples plaques de 1.8 ft2 (1700 cm2) de plaques froides)

Les systèmes à deux phases pompées nécessitent une conception supplémentaire, car les instabilités d’écoulement doivent être supprimées et le système doit accueillir des flux de liquide et de vapeur. Cependant, le pompage diphasique présente les avantages suivants par rapport au refroidissement monophasé :

  • Réduction de la taille, du poids et de la puissance (SWaP), ce qui est une préoccupation importante sur les avions et les véhicules militaires
    • Débits et puissance de pompage plus faibles
  • Échangeurs de chaleur à mini-canaux au lieu d’échangeurs de chaleur à micro-canaux, ce qui réduit la puissance de pompage et les problèmes de colmatage
  • Températures isothermes sur de grandes plaques froides (±0.5°C a été démontré à ACT)
  • Gestion thermique de plusieurs cartes électroniques qui doivent fonctionner à la même température (±3°C a été démontré à ACT)
    • Lorsqu’elles sont correctement conçues, la mise hors tension d’une partie de l’électronique n’affectera pas la température des plaques froides restantes

Présentation d’un système de refroidissement diphasé

La présentation de base d’un système de refroidissement diphasé pompé est similaire à celle d’un système monophasé pompé, sauf qu’un réservoir diphasé est utilisé pour tenir compte des changements de volume de fluide, plutôt que l’accumulateur qui est utilisé dans un système monophasé. Un exemple de système biphasé pompé est illustré à la figure 1, où des raccords rapides permettent de remplacer les plaques froides (et l’électronique associée) sans devoir vidanger et recharger le système. Des lignes flexibles permettent de tester les plaques froides dans n’importe quelle orientation, et à différentes élévations.

Boucle de refroidissement biphasée pompée autonome

Figure 1. Boucle de refroidissement diphasique à pompage autonome avec des raccords rapides pour refroidir jusqu’à quatre plaques froides.

Les plaques froides (dissipateurs de chaleur) sont les deux évaporateurs à l’avant de la figure 1, avec une plaque supérieure transparente. Dans l’évaporateur de gauche, le flux monophasique entre par le haut, une fraction du liquide bout pour éliminer la chaleur, et le mélange biphasique sort par le bas (notez l’emplacement des bulles). Pour l’évaporateur de droite, le flux monophasique entre par le bas, et le mélange biphasique sort par le haut de la plaque froide. ACT a démontré la capacité de ces systèmes à éliminer la chaleur lorsque l’orientation de chaque évaporateur est modifiée indépendamment des autres.

Certaines applications de refroidissement de l’électronique comportent un grand nombre de cartes électroniques parallèles, où il est souhaitable d’appliquer une puissance électrique et de refroidir un nombre arbitraire de cartes, sans avoir à ajuster le flux vers chaque carte. Ceci est facilement accommodé avec un système de refroidissement biphasé pompé, où un grand nombre de plaques froides peuvent être refroidies en parallèle (le flux en série n’est généralement pas utilisé lorsque l’uniformité de la température est importante, afin que chaque plaque froide ait les mêmes conditions d’entrée).

La figure 2 (A) montre le montage d’essai pour quatre plaques froides, chacune pouvant être chauffée indépendamment. Les plaques froides individuelles sont marquées par des autocollants bleus, orange, jaunes et rouges.
Notez que les vannes sont utilisées dans cette configuration pour fournir une chute de pression fixe, les ajuster lorsque les conditions d’écoulement changent n’est pas nécessaire. La figure 2 (B) montre une plaque froide individuelle plus en détail.

La figure 3 (A) est une vidéo démontrant que l’alimentation peut être appliquée et retirée à n’importe laquelle des plaques froides pendant le fonctionnement. Lorsque la puissance de chauffage est fournie à une plaque froide donnée, un point codé en couleur apparaît à côté de la plaque froide, et la formation de bulles peut être vue. La figure 3 (B) montre les températures et les débits pour les quatre plaques froides. Lorsque l’alimentation électrique d’une plaque froide individuelle est coupée, la température de cette plaque froide chute. Cependant, comme prévu, la température des plaques froides alimentées n’est pratiquement pas affectée par les changements de puissance.

mise en place du test pour quatre plaques froides

La figure 2 (A) montre la mise en place du test pour quatre plaques froides, chacune pouvant être chauffée indépendamment. Les plaques froides individuelles sont marquées par des autocollants bleus, orange, jaunes et rouges. Notez que les vannes sont utilisées dans cette configuration pour fournir une chute de pression fixe, il n’est pas nécessaire de les ajuster lorsque les conditions d’écoulement changent. La figure 2 (B) montre une plaque froide individuelle plus en détail.

A.

refroidissement biphasé de 4 dissipateurs thermiques

Figure 3. (A) Vidéo montrant le refroidissement biphasé de 4 plaques froides, avec une alimentation intermittente. Un point apparaît lorsque la chaleur est appliquée, et disparaît lorsque la chaleur est coupée. (B) La coupure de l’alimentation électrique de certaines plaques froides n’affecte pas la température des autres plaques froides.

Liens sur les produits

Produits biphasés pompés

Les produits biphasés pompés (P2P) d’ACT sont idéaux pour le refroidissement de l’électronique de haute puissance où les charges thermiques ont augmenté à un niveau dépassant ce que les systèmes de refroidissement traditionnels à air et à eau peuvent gérer efficacement. Nos systèmes de refroidissement biphasés par pompage standard utilisent des composants communs et ont été conçus pour des capacités de 8 kW, 30 kW et 50 kW. Des solutions P2P entièrement personnalisées sont également disponibles.

Refroidissement biphasé pompé pour les applications de calcul haute performance

ACT a développé une plaque froide P2P pour une application de calcul haute performance avec une charge thermique totale de 4 kW et plus de 50 000 nœuds individuels dans une configuration Blade 1U.

Foire aux questions (FAQ) sur le pompage diphasique (P2P)

La page FAQ P2P d’ACT répond à de nombreuses questions courantes sur le pompage diphasique, notamment  » Qu’est-ce que le pompage diphasique ? « ,  » Comment cela fonctionne-t-il ? « ,  » Quand est-il utilisé ?  » et  » Quels sont les avantages ? ».

Avancées dans la technologie de refroidissement par pompage diphasique

Pompage diphasique pour les applications à flux thermique élevé

ACT a développé un système P2P pour les diodes laser et les systèmes électroniques à flux thermique élevé. Il gère efficacement les flux jusqu’à ~500W/cm2 provenant de plusieurs sources de chaleur parallèles. L’uniformité de la température sur de grandes surfaces a été démontrée.

Refroidissement par boucle biphasée hybride

La technologie de boucle biphasée hybride (HTPL) combine le fonctionnement robuste des boucles à pompage mécanique avec le contrôle passif du flux des boucles à entraînement capillaire pour transporter des puissances élevées (2 kW), des flux de chaleur élevés (>1200 W/cm2) aux faibles résistances thermiques associées à l’évaporation d’une structure à mèche.

Séparateur à vortex à momentum

La plupart des systèmes diphasiques pompés reposent sur la gravité pour séparer la vapeur du liquide. Les séparateurs de phase à vortex entraînés par le momentum sont généralement utilisés dans les systèmes où l’on ne peut pas compter sur la gravité pour séparer la vapeur du liquide, par ex, en microgravité, ainsi que sur les avions, où le vecteur d’accélération varie au fur et à mesure des manœuvres de l’avion.

Mil/Aero Gold Innovation Award

Le système de refroidissement biphasé pompé (P2P) d’Advanced Cooling Technologies Inc. utilise la vaporisation au lieu du refroidissement liquide pour offrir des capacités de flux thermique élevé ; une distribution uniforme de la température sur de grandes surfaces ; et un petit emballage flexible ; et une grande fiabilité.

Webinaires

.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.