Barbatanas para resfriamento bem -sucedido

Barbatanas para o sucesso de refrigeração

Figura 1: no sentido horário do canto superior direito são
Luveres, deslocamento liderado, barbatanas onduladas e retas.

À medida que os eletrônicos de alta potência continuam a empurrar limites de densidade de potência, os engenheiros de design de componentes estão enfrentando maiores desafios e trocas em sua escolha para soluções de resfriamento. Uma maneira de enfrentar esses desafios e compensações é através da engenharia da geometria da barbatana e da densidade de barbatanas de dispositivos de transferência de calor, como trocadores de calor e placas frias .

Este artigo explicará como a geometria das barbatanas e a densidade da finalização afetam o desempenho de trocadores de calor e placas frias. Ele revisará brevemente alguma teoria básica de transferência de calor, comparará diferentes tipos de geometrias de barbatana e seu papel na melhoria do desempenho e se concentrará em minimizar a resistência térmica como uma maneira de maximizar o desempenho.

Transferência de calor

A equação básica que descreve a transferência total de calor em um processo é dada por:

Q = u × a x lmtd (1)

Onde:

Aumentar u, a ou lmtd resultará em mais transferência de calor.

Para a maioria das aplicações de trocador de calor e placas frias, o coeficiente geral de transferência de calor consiste principalmente em uma combinação de termos de condução e convecção , onde o termo de condução tende a ser muito menor que os termos de convecção. Isso é importante porque os designers de componentes geralmente têm pouco controle sobre os materiais de construção, que afetam a condução, e o líquido de arrefecimento a ser usado. Eles, no entanto, exercem um controle considerável sobre a geometria da barbatana e a densidade da finalização, o que afeta a convecção.

Geometria e densidade da barbatana

As geometrias e densidades da FIN que criam fluxo turbulento e melhoram o desempenho também aumentam a queda de pressão, o que é um requisito crítico na maioria das aplicações de alto desempenho. A combinação ideal de geometria e densidade da barbatana é um compromisso de desempenho, queda de pressão, peso e tamanho. Uma comparação de figura de mérito com base no desempenho, queda de pressão, peso e tamanho entre os tipos de aletas comuns é descrita no projeto de trocador de calor compacto resfriado a ar para resfriamento eletrônico ".

Além da geometria da FIN, parâmetros como espessura, altura, afinação e espaçamento também podem ser alterados para melhorar o desempenho. Normalmente, as espessuras da barbatana variam de 0,004 em (0,1 mm) a 0,012 em (0,3 mm), as alturas variam de 0,035 em (0,89 mm) a 0,6 em (15,24 mm), e as densidades variam de 8 a 30 fpi (finos por cel) .

Na maioria das aplicações de alto desempenho, as barbatanas são feitas de cobre ou alumínio. As barbatanas de alumínio são preferidas em aplicações de resfriamento líquido eletrônico de aeronaves devido ao seu peso mais leve. As barbatanas de cobre são usadas principalmente em aplicações em que o peso não é um fator importante, mas a compatibilidade com outros materiais de loop de resfriamento é.

Existem muitas geometrias de barbatana diferentes usadas em aplicações de transferência de calor. Alguns dos mais usados ​​são barbatanas com deslocamento, com deslocamento reto, reto e ondulado. (Veja a Figura 1.)

Maximizar o desempenho, minimizando a resistência térmica

A tarefa de otimizar o desempenho e minimizar a resistência térmica pode ser melhor demonstrada por um exemplo teórico. Considere um processo de transferência de calor em que 50/50 etileno glicol e água (EGW) são resfriados pelo ar ambiente em um trocador de calor de placa de placa . A Figura 2 ilustra o caminho do fluxo de calor através do trocador de calor usando uma analogia elétrica.

Figura 2: Analogia elétrica do diagrama de fluxo de calor

Neste exemplo, o calor flui por convecção entre as temperaturas T _H e T ₁ , então por condução entre as temperaturas T ₁ e T ₂ e, finalmente, por convecção entre T ₂ e T _C. A resistência térmica total é então igual à soma das três resistências térmicas em série.

Em comparação, uma placa fria normalmente tem apenas um líquido de arrefecimento fluindo através dela. Como resultado, os fluxos de calor por condução do dispositivo eletrônico que não dissipam o calor montado na placa fria através do material da interface térmica e materiais de placa fria. O calor então flui por convecção da superfície interna do material do caminho do fluido para o líquido de arrefecimento.

Como mostrado no exemplo acima, se queremos maximizar a transferência de calor, devemos minimizar a resistência térmica. Para conseguir isso, devemos aumentar as áreas de transferência de calor correspondentes, os coeficientes de filme ou ambos. Aumentar a área de transferência de calor é relativamente fácil no conceito, embora às vezes restringido pelos requisitos de aplicação, como peso, tamanho e queda de pressão. Uma maneira eficaz de aumentar a área de transferência de calor é aumentar a densidade das barbatanas (aletas por unidade de comprimento). Aumentar o coeficiente de filme é mais complicado, no entanto, porque o coeficiente de filme depende das propriedades do fluido que estão sendo consideradas, a velocidade do fluido e a geometria da barbatana.

Enfrentando o desafio

Quando confrontado com os requisitos de aplicação exigentes e às vezes conflitantes, incluindo desempenho, queda de pressão, peso e tamanho, trabalhando com um fornecedor experiente que entende como otimizar a geometria da barbatana e a densidade da barbatana de trocadores de calor e placas frias é essencial para maximizar o desempenho e atender aos requisitos de inscrição.