Pinne per il raffreddamento di successo

Pinne per il successo del raffreddamento

Figura 1: in senso orario dall'angolo in alto a destra sono
pinne fuliche, ondulate e dritte.

Poiché l'elettronica ad alta potenza continua a spingere i limiti di densità di potenza, gli ingegneri di progettazione dei componenti stanno affrontando maggiori sfide e compromessi nella loro scelta per le soluzioni di raffreddamento. Un modo per affrontare queste sfide e compromessi è attraverso l'ingegneria della geometria delle pinne e la densità delle pinne dei dispositivi di trasferimento di calore come scambiatori di calore e piastre a freddo .

Questo articolo spiegherà come la geometria delle pinne e la densità delle pinne influiscono sulle prestazioni degli scambiatori di calore e delle piastre a freddo. Esaminerà brevemente alcune teoria del trasferimento di calore di base, confronterà diversi tipi di geometrie delle pinne e il loro ruolo nel miglioramento delle prestazioni e si concentrano sulla minimizzazione della resistenza termica come modo per massimizzare le prestazioni.

Trasferimento di calore

L'equazione di base che descrive il trasferimento di calore totale in un processo è data da:

Q = u × a x lmtd (1)

Dove:

L'aumento di U, A o LMTD comporterà un maggiore trasferimento di calore.

Per la maggior parte delle applicazioni dello scambiatore di calore e della piastra fredda, il coefficiente di trasferimento di calore complessivo consiste principalmente da una combinazione di termini di conduzione e convezione , in cui il termine di conduzione tende ad essere molto più piccolo del termine (i) di convezione. Ciò è importante perché i progettisti di componenti di solito hanno scarso controllo sui materiali di costruzione, che influiscono sulla conduzione e sul refrigerante da utilizzare. Tuttavia, esercitano un notevole controllo sulla geometria delle pinne e sulla densità delle pinne, che colpisce la convezione.

Geometria pinna e densità

Le geometrie e le densità delle pinne che creano flusso turbolento e migliorano le prestazioni aumentano anche la caduta di pressione, che è un requisito critico nella maggior parte delle applicazioni ad alte prestazioni. La combinazione ottimale della geometria della pinna e della densità delle pinne è quindi un compromesso di prestazioni, caduta di pressione, peso e dimensioni. Un confronto con le figure basato su prestazioni, caduta di pressione, peso e dimensioni tra i tipi di pinne comuni è descritto nel [ design dello scambiatore di calore compatto ad aria per il raffreddamento elettronico ".

A parte la geometria delle pinne, i parametri come spessore, altezza, pitch e spaziatura possono anche essere modificati per migliorare le prestazioni. Tipicamente, gli spessori delle pinne variano da 0,004 in (0,1 mm) a 0,012 in (0,3 mm), le altezze variano da 0,035 in (0,89 mm) a 0,6 in (15,24 mm) e le densità variano da 8 a 30 fpi (pins al pollice) .

Nella maggior parte delle applicazioni ad alte prestazioni, le pinne sono realizzate in rame o alluminio. Le alette in alluminio sono preferite nelle applicazioni di raffreddamento a liquido elettronico aeronautico a causa del loro peso più leggero. Le pinne di rame sono principalmente utilizzate nelle applicazioni in cui il peso non è un fattore importante, ma è compatibilità con altri materiali ad anello di raffreddamento.

Esistono molte geometrie di pinne diverse utilizzate nelle applicazioni di trasferimento di calore. Alcuni dei più comunemente usati sono pinne fuliche, dritte e ondulate. (Vedi Figura 1.)

Massimizzare le prestazioni minimizzando la resistenza termica

Il compito di ottimizzare le prestazioni e ridurre al minimo la resistenza termica può essere meglio dimostrato da un esempio teorico. Prendi in considerazione un processo di trasferimento di calore in cui il glicole etilenico 50/50 e l'acqua (EGW) vengono raffreddati dall'aria ambiente in uno scambiatore di calore a piastra . La Figura 2 illustra il percorso del flusso di calore attraverso lo scambiatore di calore usando un'analogia elettrica.

Figura 2: analogia elettrica del diagramma del flusso di calore

In questo esempio, il calore scorre per convezione tra le temperature T _H e T ₁ , quindi per conduzione tra le temperature T ₁ e T ₂ e infine per convezione tra T ₂ e T _C. La resistenza termica totale è quindi uguale alla somma delle tre resistenze termiche in serie.

In confronto, una piastra fredda in genere ha un solo refrigerante che scorre attraverso di essa. Di conseguenza, il calore fluisce per conduzione dal dispositivo elettronico che si dissipano termico montato sulla piastra fredda attraverso il materiale di interfaccia termica e i materiali a freddo. Il calore scorre quindi per convezione dalla superficie interna del materiale del percorso del fluido al liquido di raffreddamento.

Come mostrato nell'esempio sopra, se vogliamo massimizzare il trasferimento di calore dobbiamo ridurre al minimo la resistenza termica. Per raggiungere questo obiettivo, dobbiamo aumentare le corrispondenti aree di trasferimento di calore, i coefficienti del film o entrambi. Aumentare l'area di trasferimento del calore è relativamente facile nel concetto, sebbene a volte vincolato da requisiti di applicazione come peso, dimensioni e caduta di pressione. Un modo efficace per aumentare l'area di trasferimento del calore è aumentare la densità della pinna (pinne per unità di lunghezza). L'aumento del coefficiente di film è più complicato, tuttavia, poiché il coefficiente del film dipende dalle proprietà del fluido considerato, dalla velocità del fluido e dalla geometria delle pinne.

Incontrare la sfida

Di fronte a requisiti di applicazione impegnativi e talvolta contrastanti, tra cui prestazioni, caduta di pressione, peso e dimensioni, è essenziale lavorare con un fornitore esperto che comprende come ottimizzare la geometria della pinna e la densità della pinna degli scambiatori di calore e delle piastre a freddo per massimizzare le prestazioni e soddisfare i requisiti dell'applicazione.