Pumpad tvåfasig kylning

Pumpad en- eller tvåfasig kylning används i allmänhet för att avlägsna och avleda värme från högeffektiva värmekällor, t.ex. elektronik och lasrar, eller när värmeenergin måste överföras över en längre sträcka mellan värmekällan och kylflänsen. Pumpad enfaskylning används idag ofta i fordonssystem och utrustning för kraftelektronik, där värmeflödet är relativt lågt och/eller där det inte krävs någon jämn temperatur. I en pumpad enfas-slinga pumpas det flytande kylmedlet genom en kylplatta som är fäst vid den värmekälla som ska kylas. Temperaturen på det flytande kylmedlet ökar när det passerar genom den kalla plattan och absorberar och lagrar värmen i sin känsliga värmekapacitet.

Vad är pumpade tvåfasiga kylsystem?

I pumpade tvåfasiga kylsystem överförs värme genom avdunstning och kondensering av en del eller hela arbetsvätskan. Typiskt sett pumpas en vätska nära mättnad in i kylplattan, där den börjar koka, vilket kyler elektroniken och lagrar energin i vätskans latenta värme. Den tvåfasiga vätskan (vätska och ånga) strömmar sedan till kondensorn, där värmen avlägsnas och ångan kondenseras, så att en enda fas (vätska) lämnar kondensorn, och cykeln upprepas.

När de är korrekt utformade kan tvåfasiga pumpade kretslopp göra följande:

Överföra värme över långa avstånd
Kylning av elektronik med högt värmeflöde
Hantera & kylning av flera kylplattor parallellt
- Använda snabbkopplingar för att byta ut elektronik
- Värme kan tillföras och tas bort från valfri kombination av kylplattor, med passiv flödeskontroll till varje kylplatta
Operera i vilken riktning som helst
Kylning över stora områden (ACT har demonstrerat tvåfasig kylning med flera kylplattor).8 ft2 (1700 cm2) kylplattor)

Pumpade tvåfasiga system kräver ytterligare konstruktion, eftersom flödesinstabiliteter måste undertryckas och systemet måste rymma både vätske- och ångflöden. Pumpad tvåfas har dock följande fördelar jämfört med enfaskylning:

Minskad storlek, vikt och effekt (SWaP), vilket är ett viktigt problem på flygplan och militärfordon
- Lägre flödeshastigheter och pumpkraft
Minikanalsvärmeväxlare i stället för mikrokanalsvärmeväxlare, vilket minskar pumpkraften och problem med tilltäppning
Isotermiska temperaturer över stora kylplattor (±0.5°C har demonstrerats vid ACT)
Thermisk hantering av flera elektronikkort som måste fungera vid samma temperatur (±3°C har demonstrerats vid ACT)
- När de är korrekt utformade, Om en del av elektroniken stängs av kommer det inte att påverka temperaturen på de återstående kylplattorna

Layout för tvåfasiga kylsystem

Den grundläggande layouten för ett pumpat tvåfasigt kylsystem liknar den för ett pumpat enfasigt system, med undantag för att en tvåfasig reservoar används för att ta hänsyn till förändringar av vätskevolymen, i stället för den ackumulator som används i ett enfasigt system. Ett exempel på ett pumpat tvåfasystem visas i figur 1, där snabbkopplingar gör att kylplattor (och tillhörande elektronik) kan bytas ut utan att systemet behöver tömmas och laddas. Flexibla ledningar gör att kylplattorna kan testas i alla riktningar och på olika höjder.

Figur 1. Fristående pumpad tvåfasig kylslinga med snabbkopplingar för kylning av upp till fyra kylplattor.

Kylplattorna (kylflänsar) är de två förångarna längst fram i figur 1, med en genomskinlig toppskiva. I den vänstra förångaren kommer enfasflödet in uppifrån, en del av vätskan kokar för att avlägsna värmen, och tvåfasblandningen kommer ut i botten (observera bubblornas placering). I den högra förångaren kommer enfasflödet in underifrån och en tvåfasblandning kommer ut överst på den kalla plattan. ACT har visat att dessa system kan avlägsna värme när orienteringen av varje förångare ändras oberoende av de andra.

Vissa tillämpningar för kylning av elektronik har ett stort antal parallella elektronikkort, där det är önskvärt att tillföra elektrisk kraft och kyla ett godtyckligt antal kort, utan att behöva justera flödet till varje kort. Detta kan lätt tillgodoses med ett pumpat tvåfasigt kylsystem, där ett stort antal kylplattor kan kylas parallellt (serieflöde används i allmänhet inte när det är viktigt med en jämn temperatur, så att varje kylplatta har samma ingångsförhållanden).

Figur 2 (A) visar provningsuppställningen för fyra kylplattor, som var och en av dem kan värmas upp oberoende av varandra. De enskilda kylplattorna är markerade med blå, orange, gula och röda klistermärken.
Bemärk att ventilerna används i denna uppställning för att ge ett fast tryckfall, det är inte nödvändigt att justera dem när flödesförhållandena ändras. Figur 2 (B) visar en enskild kylplatta mer detaljerat.

Figur 3 (A) är en video som visar att ström kan tillföras och tas bort till någon av kylplattorna under drift. När värmekraft tillförs en viss kylplatta visas en färgkodad prick bredvid kylplattan och bubbelbildning kan ses. Figur 3 (B) visar temperaturer och flödeshastigheter för alla fyra kylplattorna. När den elektriska strömmen till en enskild kylplatta stängs av sjunker temperaturen på den kylplattan. Som väntat är dock temperaturen för de strömförsörjda kylplattorna i princip opåverkad när strömmen ändras.

Figur 2 (A) visar testuppställningen för fyra kylplattor, som var och en av dem kan värmas upp oberoende av varandra. De enskilda kylplattorna är markerade med blå, orange, gula och röda klistermärken. Observera att ventilerna används i denna uppställning för att ge ett fast tryckfall, det är inte nödvändigt att justera dem när flödesförhållandena ändras. Figur 2 (B) visar en enskild kylplatta mer detaljerat.

Figur 3. (A) Video som visar tvåfasig kylning av 4 kylplattor, med intermittent strömförsörjning. En prick visas när värmen tillförs och försvinner när värmen stängs av. (B) Att stänga av strömmen till vissa kylplattor påverkar inte temperaturen på de andra kylplattorna.

Produktlänkar

Pumpade tvåfasprodukter

Acts pumpade tvåfasprodukter (P2P) är idealiska för kylning av högeffektselektronik där värmebelastningen har ökat till en nivå som är högre än vad traditionella luft- och vattenkylningssystem kan hantera effektivt. Våra standardiserade pumpade tvåfasiga kylsystem utnyttjar gemensamma komponenter och har utformats för kapaciteter på 8 kW, 30 kW och 50 kW. Helt skräddarsydda P2P-lösningar finns också tillgängliga.

Pumpad tvåfasig kylning för högpresterande datortillämpningar

ACT har utvecklat en P2P-kylplatta för en högpresterande datortillämpning med en sammanlagd värmebelastning på 4 kW och över 50 000 individuella noder i en 1U-bladkonfiguration.

Pumpad tvåfas (P2P) Vanliga frågor (FAQ)

Acts P2P FAQ-sida svarar på många vanliga frågor om pumpad tvåfas, bland annat ”Vad är pumpad tvåfas”, ”Hur fungerar det”, ”När används det” och ”Vilka fördelar finns det?”.”.

Framsteg inom pumpad tvåfas kylteknik

Pumpad tvåfas för tillämpningar med högt värmeflöde

Act har utvecklat ett P2P-system för laserdioder och elektroniksystem med högt värmeflöde. Det hanterar effektivt flöden på upp till ~500 W/cm2 från flera parallella värmekällor. Temperaturjämlikhet över stora ytor har påvisats.

Hybrid Two Phase Loop Cooling

Hybrid TwoPhase Loop (HTPL)-tekniken kombinerar den robusta driften hos mekaniskt pumpade slingor med den passiva flödeskontrollen hos kapillardrivna slingor för att transportera hög effekt (2 kW), höga värmeflöden (>1200 W/cm2) vid låga termiska motstånd i samband med avdunstning från en våtstruktur.

Momentum Vortex Separator

De flesta pumpade tvåfasiga system förlitar sig på gravitationen för att separera ånga från vätska. Momentdrivna vortexfasseparatorer används vanligen i system där man inte kan förlita sig på gravitationen för att separera ånga från vätska, t.ex, i mikrogravitation, samt i flygplan där accelerationsvektorn varierar när flygplanet manövrerar.

Mil/Aero Gold Innovation Award

Det pumpade tvåfasiga kylsystemet (P2P) från Advanced Cooling Technologies Inc. använder förångning i stället för vätskekylning för att erbjuda kapacitet för högt värmeflöde, jämn temperaturfördelning över stora ytor, liten flexibel förpackning och hög tillförlitlighet.