Gepompte eenfasige of tweefasige koeling wordt over het algemeen gebruikt om warmte te verwijderen en af te voeren van warmtebronnen met een hoog vermogen, zoals elektronica en lasers, of wanneer de thermische energie over een aanzienlijke afstand tussen de warmtebron en het koellichaam moet worden overgebracht. Gepompte enkelfasige koeling wordt tegenwoordig algemeen gebruikt in automobielsystemen en vermogenselektronica-apparatuur, waar de warmtefluxen relatief laag zijn en/of temperatuuruniformiteit niet vereist is. In een gepompte eenfasige lus wordt de vloeibare koelvloeistof door een koude plaat gepompt die aan de te koelen warmtebron is bevestigd. De temperatuur van de vloeibare koelvloeistof stijgt wanneer deze door de koude plaat gaat, waarbij de warmte wordt geabsorbeerd en opgeslagen in de voelbare warmtecapaciteit.
Wat zijn gepompte tweefasige koelsystemen?
In gepompte tweefasige koelsystemen wordt de warmte overgedragen door de verdamping en condensatie van een deel of het geheel van de werkvloeistof. Gewoonlijk wordt een vloeistof die bijna verzadigd is in de koude plaat gepompt, waar zij begint te koken, de elektronica afkoelt en de energie opslaat in de latente warmte van de vloeistof. De vloeistof in twee fasen (vloeistof en damp) stroomt dan naar de condensor, waar de warmte wordt verwijderd en de damp condenseert, zodat een enkele fase (vloeistof) de condensor verlaat, en de cyclus zich herhaalt.
Wanneer goed ontworpen, kunnen tweefasige gepompte lussen het volgende doen:
- Warmte over lange afstanden overbrengen
- Ingrote warmteflux elektronica
- Koel meerdere koude platen parallel
- Gebruik snelkoppelingen om elektronica uit te wisselen
- Warmte kan worden toegepast en verwijderd uit elke combinatie van koude platen, met passieve stroomregeling naar elke koude plaat
- Werk in elke oriëntatie
- Koeling over grote oppervlakken (ACT heeft tweefasenkoeling aangetoond met meervoudige 1.8 ft2 (1700 cm2) koude platen)
Gepompte twee fasen systemen vereisen extra ontwerp, omdat stromingsinstabiliteiten moeten worden onderdrukt, en het systeem moet zowel vloeistof- als dampstromen accommoderen. Echter, gepompte twee fase heeft de volgende voordelen in vergelijking met eenfase koeling:
- Verminderde Grootte, Gewicht en Vermogen (SWaP), dat is een belangrijke zorg op vliegtuigen en militaire voertuigen
- Lager debiet en pompvermogen
- Mini-kanaal warmtewisselaars in plaats van micro-kanaal warmtewisselaars, het verminderen van het pompen van macht en verstopping problemen
- Isothermische temperaturen over grote koude platen (±0.5°C is aangetoond bij ACT)
- Thermisch beheer van meerdere elektronicakaarten die op dezelfde temperatuur moeten werken (±3°C is aangetoond bij ACT)
- Wanneer goed ontworpen, heeft het uitschakelen van een deel van de elektronica geen invloed op de temperatuur van de resterende koude platen
Twee Fase Koelsysteem Layout
De basislayout van een gepompt twee fase koelsysteem is vergelijkbaar met een gepompt één fase systeem, behalve dat een twee fase reservoir wordt gebruikt om veranderingen in het vloeistofvolume op te vangen, in plaats van de accumulator die wordt gebruikt in een één fase systeem. Een voorbeeld van een gepompt tweefasensysteem is te zien in figuur 1, waar door middel van snelkoppelingen de koude platen (en de bijbehorende elektronica) kunnen worden verwisseld zonder dat het systeem hoeft te worden afgetapt en bijgevuld. Flexibele leidingen maken het mogelijk de koude platen in elke richting en op verschillende hoogten te testen.
Figuur 1. Stand-alone pumped two phase cooling loop with quick-disconnects for cooling up to four cold plates.
De koude platen (heat sinks) zijn de twee verdampers vooraan in figuur 1, met een transparante bovenplaat. In de linker verdamper komt de éénfasestroom van bovenaf binnen, kookt een fractie van de vloeistof om de warmte af te voeren, en verlaat het tweefasemengsel de verdamper aan de onderzijde (let op de plaats van de luchtbellen). Bij de rechtse verdamper komt de éénfasestroom van onderaf binnen, en verlaat het tweefasemengsel de bovenkant van de koude plaat. ACT heeft aangetoond dat deze systemen warmte kunnen afvoeren wanneer de oriëntatie van elke verdamper onafhankelijk van de andere wordt gewijzigd.
Sommige toepassingen voor het koelen van elektronica hebben grote aantallen parallelle elektronicaborden, waarbij het wenselijk is om elektrische stroom toe te passen en een willekeurig aantal borden te koelen, zonder de stroom naar elk bord te hoeven aanpassen. Dit is gemakkelijk onder te brengen met een gepompt tweefasig koelsysteem, waarbij grote aantallen koude platen parallel kunnen worden gekoeld (seriestroom wordt in het algemeen niet gebruikt wanneer temperatuuruniformiteit belangrijk is, zodat elke koude plaat dezelfde ingangscondities heeft).
Figuur 2 (A) toont de testopstelling voor vier koude platen, die elk onafhankelijk kunnen worden verwarmd. De afzonderlijke koude platen zijn gemarkeerd met blauwe, oranje, gele en rode stickers.
Merk op dat de kleppen in deze opstelling worden gebruikt om een vaste drukval te verschaffen; bijstelling ervan naarmate de stromingsomstandigheden veranderen, is niet nodig. Figuur 2 (B) toont een individuele koude plaat in meer detail.
Figuur 3 (A) is een video die demonstreert dat stroom kan worden toegepast en verwijderd op elk van de koude platen tijdens bedrijf. Wanneer verwarmingsvermogen wordt toegevoerd aan een bepaalde koude plaat, verschijnt een kleurgecodeerde stip naast de koude plaat en is bellenvorming te zien. Figuur 3 (B) toont de temperaturen en stroomsnelheden voor alle vier de koude platen. Wanneer de elektrische stroom naar een afzonderlijke koude plaat wordt uitgeschakeld, daalt de temperatuur van die koude plaat. Zoals verwacht wordt de temperatuur van de aangedreven koude platen echter niet beïnvloed wanneer het vermogen verandert.
Figuur 2 (A) toont de testopstelling voor vier koude platen, die elk afzonderlijk kunnen worden verwarmd. De afzonderlijke koude platen zijn gemarkeerd met blauwe, oranje, gele en rode stickers. Merk op dat de kleppen in deze opstelling worden gebruikt om een vaste drukval te verschaffen; ze hoeven niet te worden aangepast naarmate de stromingsomstandigheden veranderen. Figuur 2 (B) toont een afzonderlijke koude plaat in meer detail.
A.
Figuur 3. (A) Video die tweefasige koeling van 4 koude platen toont, met intermitterende stroom. Een stip geeft aan wanneer de warmte wordt toegevoerd, en verdwijnt wanneer de warmte wordt uitgeschakeld. (B) Het uitschakelen van de elektrische stroom naar sommige koude platen heeft geen invloed op de temperatuur van de andere koude platen.
Productkoppelingen
Gepompte tweefasige producten
De gepompte tweefasige (P2P) producten vanACT zijn ideaal voor het koelen van elektronica met hoog vermogen waarbij de warmtebelasting is toegenomen tot een niveau dat de traditionele lucht- en waterkoelsystemen niet effectief kunnen beheren. Onze standaard gepompte tweefasige koelsystemen maken gebruik van gemeenschappelijke componenten en zijn ontworpen voor capaciteiten van 8kW, 30kW en 50kW. Volledig op maat gemaakte P2P-oplossingen zijn ook beschikbaar.
Pumped Two Phase Cooling for High Performance Computing Applications
ACT ontwikkelde een P2P-koude plaat voor een high-performance computertoepassing met een totale warmtebelasting van 4 kW en meer dan 50.000 individuele nodes in een 1U Blade-configuratie.
Pumped Two Phase (P2P) Frequently Asked Questions (FAQ)
ACT’s P2P FAQ pagina beantwoordt veel voorkomende vragen over gepompte tweefase, waaronder “Wat is gepompte tweefase”, “Hoe werkt het”, “Wanneer wordt het gebruikt”, en “Wat zijn de voordelen?”
Vorderingen in gepompte tweefasige koeltechnologie
Gepompte tweefasige koeling voor toepassingen met hoge warmteflux
ACT heeft een P2P-systeem ontwikkeld voor laserdiodes en elektronicasystemen met hoge warmteflux. Het kan efficiënt fluxen aan tot ~500W/cm2 van verschillende parallelle warmtebronnen. Temperatuuruniformiteit over grote oppervlakken is aangetoond.
Hybrid Two Phase Loop Cooling
Hybrid TwoPhase Loop (HTPL) technologie combineert de robuuste werking van mechanisch gepompte lussen met de passieve stroomregeling van capillair aangedreven lussen voor het transport van hoge vermogens (2 kW), hoge warmtefluxen (>1200 W/cm2) bij de lage thermische weerstanden die gepaard gaan met verdamping uit een wiekstructuur.
Momentum Vortex Separator
De meeste gepompte twee fasen systemen vertrouwen op de zwaartekracht om damp van vloeistof te scheiden. Momentum gedreven vortex fasescheiders worden typisch gebruikt in systemen waar de zwaartekracht niet kan worden vertrouwd om damp van vloeistof te scheiden, bijv, in micro-zwaartekracht, alsmede in vliegtuigen, waar de versnellingsvector varieert naarmate het vliegtuig manoeuvreert.
Mil/Aero Gold Innovation Award
Het gepompte tweefasige (P2P) koelsysteem van Advanced Cooling Technologies Inc. maakt gebruik van verdamping in plaats van vloeistofkoeling om een hoge warmteflux, een gelijkmatige temperatuurverdeling over grote oppervlakken, een kleine flexibele verpakking en een hoge betrouwbaarheid te bieden.