Il raffreddamento pompato a una o due fasi è generalmente utilizzato per rimuovere e dissipare il calore da fonti di calore ad alta potenza come l’elettronica e i laser, o quando l’energia termica deve essere trasferita a una distanza significativa tra la fonte di calore e il dissipatore. Il raffreddamento monofase pompato è comunemente usato oggi nei sistemi automobilistici e nelle apparecchiature elettroniche di potenza, dove i flussi di calore sono relativamente bassi e/o l’uniformità della temperatura non è richiesta. In un ciclo monofase pompato, il liquido di raffreddamento viene pompato attraverso una piastra fredda che è attaccata alla fonte di calore da raffreddare. La temperatura del liquido refrigerante aumenta mentre passa attraverso la piastra fredda, assorbendo e immagazzinando il calore nella sua capacità termica sensibile.
Che cosa sono i sistemi di raffreddamento a due fasi con pompa?
Nei sistemi di raffreddamento a due fasi con pompa, il calore viene trasferito tramite l’evaporazione e la condensazione di una parte o di tutto il fluido di lavoro. Tipicamente, un liquido vicino alla saturazione viene pompato nella piastra fredda, dove inizia a bollire, raffreddando l’elettronica e immagazzinando l’energia nel calore latente del fluido. Il fluido a due fasi (liquido e vapore) scorre poi verso il condensatore, dove il calore viene rimosso, condensando il vapore, in modo che una singola fase (liquido) esca dal condensatore, e il ciclo si ripete.
Quando sono progettati correttamente, gli anelli pompati a due fasi possono fare quanto segue:
- Trasferire il calore su lunghe distanze
- Raffreddare l’elettronica ad alto flusso di calore
- Accogliere & più piastre fredde in parallelo
- Utilizzare gli sganci rapidi per scambiare l’elettronica
- Il calore può essere applicato e rimosso da qualsiasi combinazione di piastre fredde, con controllo passivo del flusso in ogni piastra fredda
- Operare in qualsiasi orientamento
- Raffreddamento su grandi aree (ACT ha dimostrato il raffreddamento a due fasi con più 1.8 ft2 (1700 cm2) piastre fredde)
I sistemi bifase pompati richiedono una progettazione aggiuntiva, poiché le instabilità di flusso devono essere soppresse e il sistema deve ospitare sia flussi di liquido che di vapore. Tuttavia, la bifase pompata ha i seguenti vantaggi rispetto al raffreddamento monofase:
- Dimensioni, peso e potenza ridotti (SWaP), che è una preoccupazione importante su aerei e veicoli militari
- Portate più basse e potenza di pompaggio
- Scambiatori di calore a mini canali invece di scambiatori di calore a micro canali, riducendo la potenza di pompaggio e i problemi di intasamento
- Temperature isoterme su grandi piastre fredde (±0.5°C è stato dimostrato all’ACT)
- Gestione termica di più schede elettroniche che devono funzionare alla stessa temperatura (±3°C è stato dimostrato all’ACT)
- Quando progettato correttamente, spegnere una parte dell’elettronica non influenzerà la temperatura delle restanti piastre fredde
Disposizione del sistema di raffreddamento a due fasi
La disposizione di base di un sistema di raffreddamento a due fasi con pompa è simile a quella di un sistema a una fase con pompa, eccetto che viene usato un serbatoio a due fasi per accomodare le variazioni di volume del fluido, piuttosto che l’accumulatore che viene usato in un sistema a una fase. Un esempio di sistema bifase pompato è mostrato nella Figura 1, dove i collegamenti rapidi permettono di scambiare le piastre fredde (e l’elettronica associata) senza la necessità di scaricare e ricaricare il sistema. Le linee flessibili permettono di testare le piastre fredde in qualsiasi orientamento e a diverse altezze.
Figura 1. Figura 1. Circuito di raffreddamento bifase con pompaggio autonomo con sganci rapidi per raffreddare fino a quattro piastre fredde.
Le piastre fredde (dissipatori di calore) sono i due evaporatori nella parte anteriore della Figura 1, con una piastra superiore trasparente. Nell’evaporatore di sinistra, il flusso monofase entra dall’alto, una frazione del liquido bolle per rimuovere il calore, e la miscela bifase esce in basso (notare la posizione delle bolle). Per l’evaporatore di destra, il flusso monofase entra dal basso, con una miscela bifase che esce dalla parte superiore della piastra fredda. ACT ha dimostrato la capacità di questi sistemi di rimuovere il calore quando l’orientamento di ogni evaporatore viene cambiato indipendentemente dagli altri.
Alcune applicazioni di raffreddamento dell’elettronica hanno un gran numero di schede elettroniche parallele, dove è desiderabile applicare energia elettrica e raffreddare un numero arbitrario di schede, senza dover regolare il flusso per ogni scheda. Questo è facilmente realizzabile con un sistema di raffreddamento bifase pompato, dove un gran numero di piastre fredde possono essere raffreddate in parallelo (il flusso in serie non è generalmente usato quando l’uniformità della temperatura è importante, in modo che ogni piastra fredda abbia le stesse condizioni di ingresso).
La figura 2 (A) mostra la configurazione di prova per quattro piastre fredde, ciascuna delle quali può essere riscaldata indipendentemente. Le singole piastre fredde sono contrassegnate con adesivi blu, arancioni, gialli e rossi.
Nota che le valvole sono usate in questa configurazione per fornire una caduta di pressione fissa, non è necessario regolarle al variare delle condizioni di flusso. La Figura 2 (B) mostra una piastra fredda individuale in modo più dettagliato.
La Figura 3 (A) è un video che dimostra che l’alimentazione può essere applicata e rimossa a qualsiasi piastra fredda durante il funzionamento. Quando la potenza del riscaldatore viene fornita a una data piastra fredda, un punto codificato a colori appare accanto alla piastra fredda, e la formazione di bolle può essere vista. La Figura 3 (B) mostra le temperature e le portate per tutte e quattro le piastre fredde. Quando l’alimentazione elettrica di una singola piastra fredda viene spenta, la temperatura di quella piastra fredda scende. Tuttavia, come ci si aspettava, la temperatura delle piastre fredde alimentate è fondamentalmente inalterata al variare della potenza.
La figura 2 (A) mostra la configurazione del test per quattro piastre fredde, ciascuna delle quali può essere riscaldata indipendentemente. Le singole piastre fredde sono contrassegnate da adesivi blu, arancioni, gialli e rossi. Si noti che le valvole sono utilizzate in questa configurazione per fornire una caduta di pressione fissa, la loro regolazione al variare delle condizioni di flusso non è necessaria. La Figura 2 (B) mostra una piastra fredda individuale in modo più dettagliato.
A.
Figura 3. (A) Video che mostra il raffreddamento bifase di 4 piastre fredde, con alimentazione intermittente. Un punto mostra quando il calore viene applicato, e svanisce quando il calore viene spento. (B) Spegnere l’alimentazione elettrica ad alcune piastre fredde non influisce sulla temperatura delle altre piastre fredde.
Collegamenti ai prodotti
Prodotti a due fasi pompati
I prodotti P2P (Pumped Two Phase) diACT sono ideali per il raffreddamento di elettronica ad alta potenza dove i carichi di calore sono aumentati a un livello superiore a quello che i tradizionali sistemi di raffreddamento ad aria e ad acqua possono gestire efficacemente. I nostri sistemi di raffreddamento bifase pompati standard sfruttano componenti comuni e sono stati progettati per capacità di 8kW, 30kW e 50kW. Sono disponibili anche soluzioni P2P completamente personalizzate.
Raffreddamento bifase pompato per applicazioni di calcolo ad alte prestazioni
ACT ha sviluppato una piastra fredda P2P per un’applicazione di calcolo ad alte prestazioni con un carico termico totale di 4 kW e oltre 50.000 singoli nodi in una configurazione Blade 1U.
Pumped Two Phase (P2P) Frequently Asked Questions (FAQ)
La pagina delle FAQ P2P diACT risponde a molte domande comuni sulla pompata a due fasi, tra cui “Cos’è la pompata a due fasi”, “Come funziona”, “Quando si usa” e “Quali sono i vantaggi?”
Progressi nella tecnologia di raffreddamento bifase pompata
Bifase pompata per applicazioni ad alto flusso di calore
ACT ha sviluppato un sistema P2P per diodi laser e sistemi elettronici ad alto flusso di calore. Gestisce in modo efficiente flussi fino a ~500W/cm2 da diverse fonti di calore parallele. È stata dimostrata l’uniformità della temperatura su grandi superfici.
Raffreddamento ibrido a due fasi
La tecnologia HTPL (Hybrid Two Phase Loop) combina il funzionamento robusto dei loop pompati meccanicamente con il controllo passivo del flusso dei loop guidati da capillari per trasportare alte potenze (2 kW), alti flussi di calore (>1200 W/cm2) alle basse resistenze termiche associate all’evaporazione da una struttura a stoppino.
Separatore a vortice di momento
La maggior parte dei sistemi a due fasi con pompa si basa sulla gravità per separare il vapore dal liquido. I separatori di fase a vortice guidati dal momento sono tipicamente usati nei sistemi in cui non si può fare affidamento sulla gravità per separare il vapore dal liquido, ad es, in microgravità, così come sugli aerei, dove il vettore di accelerazione varia durante le manovre dell’aereo.
Mil/Aero Gold Innovation Award
Il sistema di raffreddamento P2P (Pumped Two-Phase) di Advanced Cooling Technologies Inc. utilizza la vaporizzazione invece del raffreddamento a liquido per offrire capacità di alto flusso di calore; distribuzione uniforme della temperatura su grandi superfici; e piccolo imballaggio flessibile; e alta affidabilità.