Progettazione del loop di raffreddamento a liquido ad alte prestazioni


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Come progettare un sistema di raffreddamento liquido per la gestione termica del sistema ad alte prestazioni

I sistemi integrati stanno diventando sempre più complessi, elaborando e analizzando un numero crescente di sensori e segnali. Il risultato di questo aumento dell'informatica è spesso carichi di calore elettronici più elevati e più concentrati. Poiché un calore eccessivo compromette l'affidabilità di un sistema, il raffreddamento dell'aria non è più adeguato per alcune applicazioni. Molti ingegneri si rivolgono al raffreddamento liquido per rimuovere il calore.

La complessità della progettazione di un sistema di raffreddamento liquido può intimidire coloro che non hanno familiarità con questo insieme di tecnologie. Anche se la selezione di componenti termici per un ciclo di raffreddamento liquido è relativamente semplice, ci sono altre considerazioni o sfumature che possono essere trascurate. Questi includono la compatibilità dei materiali, la prevenzione della corrosione, il controllo della condensa, la posizione del circuito di raffreddamento liquido, l'uso di parti standard rispetto a quelli personalizzate, giunti, raccordi, connettori, manutenzione e servizio.

Un ciclo di raffreddamento liquido è in genere costituito da una piastra a freddo liquido, pompa, scambiatore di calore, e tubi o tubi (Figura 1). La scheda genera calore di scarto, che viene trasferito dalla scheda alla piastra termicamente conduttiva, e poi al refrigerante liquido che scorre attraverso la piastra fredda. Tipicamente, il percorso del fluido corrisponde ai punti caldi sulla scheda. Il refrigerante riscaldato viene quindi pompato attraverso lo scambiatore di calore, dove il calore viene spostato dal refrigerante all'aria ambiente, o, nel caso di uno scambiatore di calore liquido-liquido, ad un altro refrigerante liquido. Il refrigerante raffreddato scorre quindi attraverso tubi o tubi di nuovo alla piastra fredda, completando l'anello di raffreddamento. In condizioni normali, il refrigerante liquido scorre continuamente attraverso il circuito di raffreddamento liquido per mantenere la scheda fredda.




Compatibilità dei materiali

Poiché tutti i materiali e il fluido nel circuito di raffreddamento liquido devono lavorare insieme come un sistema, devono essere compatibili tra loro e devono essere selezionati insieme. Il rame funziona bene per la maggior parte delle applicazioni, poiché ha un'eccellente conduttività termica ed è compatibile con la maggior parte dei fluidi non corrosivi. L'alluminio è compatibile con fluidi come la polialfa (PAO), l'olio, il glicole di etilene e le soluzioni idriche (EGW), nonché Fluorinert™, un fluido perfluorocarbonio isolante elettricamente prodotto da 3M e utilizzato in molte applicazioni di raffreddamento elettronico. L'acciaio inossidabile è compatibile con la maggior parte dei fluidi, compresi i fluidi corrosivi come l'acqua deionizzata. Diversi fluidi diversi sono compatibili con vari materiali standard per la piastra fredda e lo scambiatore di calore (Figura 2).

Figura 2: Vari fluidi sono compatibili con una varietà di materiali standard per la piastra fredda e lo scambiatore di calore

Compatibilità dei materiali e dei fluidi di trasferimento

Acqua

EGW

Acqua deionizzata

Olio

Fluidi Dielettrici (ex Fluorinert™)

Polialfaolefina (PAO)

Tubi di rame

X

X

Tubo in acciaio inox

X

X

X

Tubo piatto in alluminio o piastra

X

X

X

X

Piatto di rame, inciso in rame o in rame

X

X

X

X

X

Lavorazione

X



La maggior parte dei refrigeranti liquidi hanno anche bisogno di una piccola percentuale di additivi per inibire la corrosione e lubrificare la pompa. Tuttavia, è importante notare che gli inibitori della corrosione possono essere resi inefficaci da materiali incompatibili altrove nel sistema, quindi anche questo deve essere valutato. Biocidi, alghecidi e regolazioni del pH possono anche essere utili per mantenere il sistema, a seconda di quale refrigerante liquido è selezionato.




Prevenzione della corrosione

La corrosione può causare problemi in due modi diversi. Non solo il materiale può corrodere via, il che porta a perdite, ma il materiale corroso può essere depositato altrove nel sistema e bloccare passaggi o filtri fluidi. Questo può produrre una caduta di pressione che causa ridotto flusso di refrigerante. Inoltre, se la deposizione si verifica su superfici attive di trasferimento del calore, la resistenza termica supplementare causata dalle incrostazioni può far salire le temperature.

Sia la corrosione galvanica che la corrosione dell'erosione devono essere ridotte al minimo nel ciclo di raffreddamento liquido. La corrosione galvanica si verifica quando metalli diversi sono in contatto elettrico tra loro in presenza di un elettrolita come un liquido conduttivo. La maggior parte dei refrigeranti a base d'acqua sono elettrolitici in una certa misura. Per evitare la corrosione galvanica, sia il loop deve essere progettato con materiali simili in tutto il sistema, idealmente con un solo metallo, o dovrebbe essere utilizzato un fluido non conduttivo. I potenziali galvanici di tutti i materiali nel sistema devono essere considerati. Questo include non solo i componenti termici primari, ma anche tutti i connettori, raccordi, valvole e giunzioni nel percorso del fluido.

L'erosione-corrosione è l'accelerazione del tasso di corrosione nel metallo a causa del movimento relativo di un fluido e di una superficie metallica. Si trova più spesso in curve del tubo e gomiti, costrizioni dei tubi e altre strutture che alterano la direzione o la velocità del flusso. L'erosione-corrosione è più prevalente nelle leghe molli, come rame e alluminio.

Alcuni metodi per ridurre al minimo l'erosione-corrosione includono la possibilità che le curve abbiano angoli più grandi, modificando i diametri dei tubi gradualmente piuttosto che bruscamente, e migliorando le linee di flusso all'interno del tubo deburring, cioè appianando le irregolarità. Altri metodi includono la riduzione della quantità di ossigeno disciolto, cambiando il pH, e il passaggio del materiale del tubo a un metallo o lega diversa. Per ulteriori informazioni sulla corrosione, vedere le note applicative "Erosion-Corrosion in Cooling Systems" e "Avoiding Galvanic Corrosion".




Progettazione del loop di condensazione e raffreddamento liquido

Oltre a ridurre al minimo la corrosione, è importante ridurre al minimo o prevenire la condensa. Uno dei rischi dell'uso di refrigeranti al di sotto delle temperature ambientali è che la condensa può formarsi su superfici fredde. Questa condensa può gocciolare sull'elettronica o raccogliere sul fondo del sistema e causare corrosione. Per evitare la condensazione, la temperatura superficiale può essere mantenuta al di sopra del punto di rugiada ambiente isolando queste superfici o utilizzando temperature fluide più elevate. Boyd offre una varietà di materiali isolanti come SOLIMIDE® schiuma per mantenere le temperature della linea e prevenire la condensa e potenziali danni.

In un ciclo di raffreddamento liquido correttamente progettato e mantenuto, le perdite sono molto improbabili. Tuttavia, per ridurre al minimo l'effetto di eventuali perdite, il serbatoio e l'anello liquido possono essere posizionati al di sotto dell'elettronica che si staccherebbe se il refrigerante o la condensa gocciolavano o spruzzavano su di essi. Altre opzioni includono l'installazione di uno scudo liquido o di una barriera sopra le porzioni ad alta tensione dell'impianto elettrico.

Quando si progetta il loop di raffreddamento liquido, c'è anche la possibilità di utilizzare parti standard o personalizzate. Ci sono vantaggi e svantaggi per ciascuno. Gli standard sono facilmente reperibili se sono necessarie sostituzioni. Le parti personalizzate, d'altra parte, sono ottimizzate per le dimensioni, le prestazioni e i requisiti del dispositivo dell'applicazione. Tuttavia, avranno tempi di consegna più lunghi e potrebbero avere un costo più elevato.




Giunti, raccordi e connettori

Il numero di giunti nella piastra fredda o scambiatore di calore è importante. Quando ci sono più articolazioni che devono essere brasate, c'è un rischio maggiore di perdite. È importante assicurarsi che il produttore sia altamente abile nella brasatura, disponga di procedure di prova adeguate ed elimini eventuali punti di brasatura non necessari all'interno di un componente personalizzato.

Per evitare perdite, i raccordi giusti devono essere selezionati e utilizzati correttamente. Per un giunto senza perdite, un tubo di perline si adatta compagni con un tubo che è fissato con un morsetto. L'impianto idraulico rigido è generalmente preferibile ai tubi flessibili, ma i tubi possono essere utilizzati in ambienti in cui i sistemi sono esposti a urti o vibrazioni. Un'unità con un raccordo tubo dritto può essere saldata nel sistema o utilizzata con un raccordo autobloccante e privo di coppia. Con un paior a scollegamento rapido che non è privo di gocciolamento, è necessario aspettarsi la caduta occasionale di liquido quando si collegano o scollegano i raccordi. Per ulteriori informazioni, si prega di consultare la nostra nota applicativa su "Scelta di un accoppiamento di disconnessione rapida".

Un'altra opzione è quella di utilizzare i raccordi O-ring che sono fabbricati secondo le specifiche dei materiali della Society of Automotive Engineers (SAE) o quelli fabbricati secondo specifiche militari. Questi raccordi sono disponibili in vari materiali e dimensioni e forniscono una guarnizione affidabile senza perdite. Il portafoglio e l'esperienza O-Ring di Boyd possono aiutarti a selezionare rapidamente il materiale, le certificazioni e le dimensioni giuste per evitare perdite all'interno del tuo sistema.




Manutenzione e assistenza

Anche se la manutenzione e il servizio possono essere l'ultima cosa che gli ingegneri considerano quando progettano un ciclo di raffreddamento liquido, inclusa questa considerazione nel processo di progettazione contribuirà a ridurre i problemi a lungo termine. È necessario rispondere a diversi tipi di domande. Per esempio:

  • La pompa avrà bisogno di lubrificazione per tutta la sua vita o il refrigerante eseguirà quella funzione?
  • Il serbatoio del fluido avrà bisogno di essere spento?
  • Quali componenti sono sostituibili sul campo?
  • Qual è il programma di manutenzione?
  • Qual è la durata della pompa richiesta?
  • Se è necessaria la sostituzione della pompa, come si carica il sistema e si avvia il sistema?


Altre domande riguardano ciò che l'utente deve fare per far funzionare di nuovo il sistema.

  • Questo richiede la rimozione dell'elettronica e della piastra fredda, o solo l'elettronica, e può essere facilmente rimosso e sostituito semplicemente scattando ne una nuova?
  • Se la piastra fredda viene sostituita, verrà spedita con liquido di raffreddamento?
  • L'OEM spedisce il sistema o l'unità sostituibile sul campo riempita di liquido?
    • Se è così, il congelamento del fluido può essere una preoccupazione, come nel carico degli aerei che ottenere molto freddo.


Queste domande devono essere prese in considerazione dai membri di entrambi i team di progettazione, operazioni e manutenzione. Coinvolgere tutte le persone colpite nella decisione contribuirà a garantire operazioni fluide in futuro.

La compatibilità dei materiali, la prevenzione della corrosione, il controllo della condensa, la posizione del circuito di raffreddamento a liquido, le parti standard o personalizzate, i giunti, i raccordi, i connettori, i tubi flessibili e i requisiti di manutenzione e assistenza devono essere considerati quando si progetta un ciclo di raffreddamento a liquido modificato o personalizzato. Se correttamente integrato in un sistema, il raffreddamento liquido può fornire una rimozione del calore altamente efficace a basso rischio. Oggi, decine di migliaia di piastre fredde e scambiatori di calore sono elettronica di raffreddamento liquido in alcune delle applicazioni più esigenti e ad alte prestazioni.

Scritto da Richard Goldman e Tracey Barber

Originale pubblicato sulla rivista RTC, 2006 luglio


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