El enfriamiento monofásico o bifásico bombeado se utiliza generalmente para eliminar y disipar el calor de fuentes de calor de alta potencia, como la electrónica y el láser, o cuando la energía térmica debe transferirse a una distancia significativa entre la fuente de calor y el disipador de calor. La refrigeración monofásica bombeada se utiliza habitualmente hoy en día en los sistemas de automoción y en los equipos de electrónica de potencia, donde los flujos de calor son relativamente bajos y/o no se requiere uniformidad de temperatura. En un bucle monofásico bombeado, el refrigerante líquido se bombea a través de una placa fría que está unida a la fuente de calor que se está refrigerando. La temperatura del refrigerante líquido aumenta a medida que pasa por la placa fría, absorbiendo y almacenando el calor en su capacidad de calor sensible.

¿Qué son los sistemas de refrigeración bifásicos bombeados?

En los sistemas de refrigeración bifásicos bombeados, el calor se transfiere mediante la evaporación y condensación de una parte o de todo el fluido de trabajo. Normalmente, se bombea un líquido cercano a la saturación a la placa fría, donde empieza a hervir, enfriando la electrónica y almacenando la energía en el calor latente del fluido. A continuación, el fluido bifásico (líquido y vapor) fluye hacia el condensador, donde se elimina el calor, condensando el vapor, de modo que una sola fase (líquido) sale del condensador, y el ciclo se repite.

Cuando se diseñan adecuadamente, los bucles de bombeo de dos fases pueden hacer lo siguiente:

• Transferir calor a largas distancias
• Enfriar la electrónica de alto flujo de calor
• Acomodar &enfriar múltiples placas frías en paralelo
  • Utilizar desconexiones rápidas para intercambiar la electrónica
  • El calor puede aplicarse y eliminarse de cualquier combinación de placas frías, con control de flujo pasivo a cada placa fría
• Operar en cualquier orientación
• Enfriar en grandes áreas (ACT ha demostrado la refrigeración de dos fases con múltiples 1.8 pies2 (1700 cm2) de placas frías)

Los sistemas bifásicos bombeados requieren un diseño adicional, ya que deben suprimirse las inestabilidades de flujo y el sistema debe acomodar los flujos de líquido y vapor. Sin embargo, los sistemas bifásicos bombeados presentan las siguientes ventajas en comparación con la refrigeración monofásica:

• Reducción del tamaño, el peso y la potencia (SWaP), que es una preocupación importante en los aviones y los vehículos militares
  • Caudalidades más bajas y potencia de bombeo
• Intercambiadores de calor de minicanales en lugar de intercambiadores de calor de microcanales, lo que reduce la potencia de bombeo y los problemas de obstrucción
• Temperaturas isotérmicas sobre placas frías de gran tamaño (se ha demostrado que ±0.5°C se ha demostrado en ACT)
• Gestión térmica de múltiples tarjetas electrónicas que deben funcionar a la misma temperatura (±3°C se ha demostrado en ACT)
  • Cuando se diseña adecuadamente, apagar parte de la electrónica no afectará a la temperatura de las placas frías restantes

Disposición del sistema de refrigeración bifásico

La disposición básica de un sistema de refrigeración bifásico bombeado es similar a la de un sistema monofásico bombeado, excepto que se utiliza un depósito bifásico para acomodar los cambios de volumen de fluido, en lugar del acumulador que se utiliza en un sistema monofásico. En la figura 1 se muestra un ejemplo de sistema bifásico bombeado, en el que las conexiones rápidas permiten cambiar las placas frías (y los componentes electrónicos asociados) sin necesidad de vaciar y recargar el sistema. Las líneas flexibles permiten probar las placas frías en cualquier orientación y a diferentes alturas.

Figura 1. Bucle de refrigeración bifásico bombeado autónomo con desconexiones rápidas para refrigerar hasta cuatro placas frías.

Las placas frías (disipadores de calor) son los dos evaporadores de la parte delantera de la figura 1, con una placa superior transparente. En el evaporador izquierdo, el flujo monofásico entra por la parte superior, una fracción del líquido hierve para eliminar el calor, y la mezcla bifásica sale por la parte inferior (nótese la ubicación de las burbujas). En el caso del evaporador derecho, el flujo monofásico entra por la parte inferior, con una mezcla bifásica que sale por la parte superior de la placa fría. ACT ha demostrado la capacidad de estos sistemas para eliminar el calor a medida que la orientación de cada evaporador se cambia independientemente de los demás.

Algunas aplicaciones de refrigeración de electrónica tienen un gran número de placas electrónicas en paralelo, donde es deseable aplicar energía eléctrica y enfriar un número arbitrario de placas, sin tener que ajustar el flujo a cada placa. Esto se puede acomodar fácilmente con un sistema de enfriamiento bifásico bombeado, en el que se puede enfriar un gran número de placas frías en paralelo (el flujo en serie no se utiliza generalmente cuando la uniformidad de la temperatura es importante, para que cada placa fría tenga las mismas condiciones de entrada).

La figura 2 (A) muestra el montaje de prueba para cuatro placas frías, cada una de las cuales se puede calentar independientemente. Las placas frías individuales están marcadas con pegatinas azules, naranjas, amarillas y rojas.
Nótese que las válvulas se utilizan en este montaje para proporcionar una caída de presión fija, no es necesario ajustarlas a medida que cambian las condiciones de flujo. La figura 2 (B) muestra una placa fría individual con más detalle.

La figura 3 (A) es un vídeo que demuestra que se puede aplicar y retirar la energía a cualquiera de las placas frías durante el funcionamiento. Cuando se suministra energía del calentador a una placa fría determinada, aparece un punto codificado por colores junto a la placa fría, y se puede ver la formación de burbujas. La figura 3 (B) muestra las temperaturas y los caudales de las cuatro placas frías. Cuando se desconecta la energía eléctrica de una placa fría individual, la temperatura de esa placa fría desciende. Sin embargo, como era de esperar, la temperatura de las placas frías alimentadas básicamente no se ve afectada cuando cambia la potencia.

La figura 2 (A) muestra el montaje de prueba para cuatro placas frías, cada una de las cuales puede calentarse independientemente. Las placas frías individuales están marcadas con pegatinas azules, naranjas, amarillas y rojas. Obsérvese que las válvulas se utilizan en este montaje para proporcionar una caída de presión fija, por lo que no es necesario ajustarlas a medida que cambian las condiciones de flujo. La figura 2 (B) muestra una placa fría individual con más detalle.

A.

Figura 3. (A) Vídeo que muestra la refrigeración bifásica de 4 placas frías, con alimentación intermitente. Un punto muestra cuando se aplica el calor, y desaparece cuando se apaga el calor. (B) El apagado de la energía eléctrica a algunas placas frías no afecta a la temperatura de las otras placas frías.

Enlaces de productos

Productos bifásicos bombeados

Los productos bifásicos bombeados (P2P) de ACT son ideales para la refrigeración de componentes electrónicos de alta potencia en los que las cargas térmicas han aumentado hasta un nivel que supera lo que los sistemas tradicionales de refrigeración por aire y agua pueden gestionar eficazmente. Nuestros sistemas estándar de refrigeración bifásica por bombeo aprovechan componentes comunes y han sido diseñados para capacidades de 8kW, 30kW y 50kW. También hay disponibles soluciones P2P totalmente personalizadas.

Enfriamiento bifásico bombeado para aplicaciones informáticas de alto rendimiento

ACT desarrolló una placa fría P2P para una aplicación informática de alto rendimiento con una carga térmica total de 4 kW y más de 50.000 nodos individuales en una configuración Blade 1U.

Preguntas frecuentes sobre la bifásica bombeada (P2P)

La página de preguntas frecuentes sobre la bifásica bombeada deACT responde a muchas preguntas comunes sobre la bifásica bombeada, incluyendo «¿Qué es la bifásica bombeada?», «¿Cómo funciona?», «¿Cuándo se utiliza?» y «¿Cuáles son los beneficios?».

Avances en la tecnología de refrigeración bifásica bombeada

Bifásica bombeada para aplicaciones de alto flujo térmico

ACT ha desarrollado un sistema P2P para diodos láser y sistemas electrónicos de alto flujo térmico. Maneja eficientemente flujos de hasta ~500W/cm2 de varias fuentes de calor paralelas. Se ha demostrado la uniformidad de la temperatura en grandes superficies.

Enfriamiento por bucle bifásico híbrido

La tecnología de bucle bifásico híbrido (HTPL) combina el funcionamiento robusto de los bucles bombeados mecánicamente con el control de flujo pasivo de los bucles impulsados por capilares para transportar altos altos flujos de calor (>1200 W/cm2) con las bajas resistencias térmicas asociadas a la evaporación de una estructura de mechas.

Separador de vórtice impulsado por el momento

La mayoría de los sistemas de dos fases bombeados dependen de la gravedad para separar el vapor del líquido. Los separadores de fase de vórtice impulsados por el momento se utilizan normalmente en sistemas en los que no se puede confiar en la gravedad para separar el vapor del líquido, por ejemplo en microgravedad, así como en aeronaves, donde el vector de aceleración varía a medida que la aeronave maniobra.

Premio de Oro a la Innovación Mil/Aero

El sistema de refrigeración bifásica bombeada (P2P) de Advanced Cooling Technologies Inc. utiliza la vaporización en lugar de la refrigeración líquida para ofrecer una gran capacidad de flujo térmico, una distribución uniforme de la temperatura en grandes superficies y un embalaje flexible y pequeño, así como una gran fiabilidad.

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