Тел.: +86-18025912990 |Электронная почта: wst01@winsharethermal.com
Блог
Pусский
Просмотры:0 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2025-04-25 Происхождение:Работает
Непрекращающееся стремление к более быстрым, меньшим и более мощным электронным устройствам представляет собой эскалаторную проблему теплового управления. От плотно упакованных центров обработки обработки данных, работающих на рабочих нагрузках, до компактных модулей питания в электромобилях и сложных микропроцессорах, нагреваемое нагреваемое объем на единицу. Традиционные методы охлаждения, в первую очередь полагаясь на принудительный воздух или даже стандартное однофазное жидкое охлаждение, все чаще достигают их физических ограничений. Поскольку тепловые нагрузки усиливаются, поддержание оптимальных рабочих температур становится критическим для производительности, надежности и долговечности устройства. Именно здесь двухфазное охлаждение становится высокоэффективной, передовой стратегией теплового управления, способной обрабатывать экстремальные тепловые потоки, используя фундаментальный физический принцип: сила фазового изменения.
Эта статья содержит всестороннее исследование двухфазного охлаждения. Мы углубимся в то, что она, наука, стоящая за своей работой, различные типы используемых систем, ее значительные преимущества и потенциальные проблемы, как она сравнивается с однофазным охлаждением и где оно оказывает критическое влияние на различные отрасли.
По своей сути двухфазное охлаждение -это метод теплового управления, которая использует переход рабочей жидкости между фазами его жидкой и пара (газ) для поглощения, транспортировки и рассеивания тепла. Ключ заключается в использовании скрытого тепла испаривания - значительное количество энергии, которую вещество поглощает, когда оно переходит от жидкости на газ при постоянной температуре (кипячение) или выпускается, когда он переходит от газа обратно в жидкость (конденсация).
Это резко контрастирует с однофазным охлаждением (например, стандартное водяное охлаждение или масляное охлаждение). Однофазные методы полагаются на разумную тепловую способность охлаждающей жидкости-энергия поглощается по мере увеличения температуры жидкости. Несмотря на эффективное до точки, поглощение большого количества тепла требует значительных скоростей потока жидкости и приводит к температурному градиенту по всей системе. Двухфазное охлаждение, используя скрытое тепло, может переносить значительно больше тепловой энергии на единицу массы рабочей жидкости, часто с минимальным изменением температуры во время самого фазового перехода.
Большинство двухфазных систем охлаждения работают на термодинамическом цикле с замкнутым контуром. В то время как конкретные реализации различаются, фундаментальные шаги:
Поглощение тепла (испарение): жидкая охлаждающая жидкость вносится в тепловой контакт с тепло-генерирующим компонентом. Этот контакт может возникнуть в микроканалах в холодной пластине , установленной на процессоре, в пределах срыва из испарителя тепловой трубы, или непосредственно на поверхности чипа, погруженной в диэлектрическую жидкость. Когда охлаждающая жидкость поглощает тепло, его температура повышается до точки насыщения (температура кипения при локальном давлении).
Изменение фазы (кипячение): жидкость начинает кипятить, превращаясь в пары. Этот процесс кипения поглощает значительное количество скрытого тепла от компонента. Важно отметить, что это фазовое изменение происходит при почти постоянной температуре, помогая сохранить поверхность изотермической компонента.
Транспорт пара: сгенерированный пара, в настоящее время несущий поглощенную тепловую энергию, отходит от источника тепла в направлении более холодной части системы (конденсатор). Это движение может пассивно привести к разнице давления, создаваемой во время кипения, капиллярными силами в структуре фитиля (тепловые трубы, пары камеры), гравитацией (термосифонами) или активно с помощью механического насоса.
Отвращение тепла (конденсация): в конденсаторе, который могут быть плавниками радиатора, подвергаются воздействию окружающего воздуха, теплообменника, подключенного к вторичной петле охлаждения, или охлаждаемых катушек в погружении - пара вступает в контакт с охладителями. Он выпускает свое скрытое тепло в окружающую среду или вторичную охлаждающую жидкость.
Изменение фазы (конденсация): когда пара выпускает тепло, он конденсируется обратно в свое жидкое состояние.
Возврат жидкости: затем конденсированная жидкость перевозит обратно в секцию испарителя, чтобы поглощать больше тепла, завершая цикл. Это возвращение может быть обусловлено капиллярным действием, гравитацией или насосом.
Двухфазное охлаждение охватывает ряд технологий, широко классифицированных как пассивные, активные (насосные) или погружения: системы:
Эти системы работают без механических насосов, полагаясь на естественные физические явления для циркуляции жидкости. Они часто ценятся за их надежность и нулевое энергопотребление для движения жидкости.
Тепловые трубы: это, пожалуй, самые распространенные пассивные двухфазные устройства. Тепловая труба представляет собой герметичный контейнер (обычно медная или алюминиевая трубка), выложенная внутренней структурой фитиля (например, спеченного порошка, канавок, сетки) и содержащей небольшое количество рабочей жидкости (например, вода, аммиак или метанол) в вакууме. Тепло, применяемый к одному концу (испаритель), испаряется жидкость. Пары быстро путешествуют до более холодного конца (конденсатор), где он конденсируется, выпуская тепло. Затем структура фитиля переносит конденсированную жидкость обратно в испаритель посредством капиллярного действия, что обеспечивает непрерывную работу независимо от ориентации (в пределах пределов). Тепловые трубы обеспечивают исключительно высокую эффективную теплопроводность, часто сотни раз больше, чем у твердой меди.
Паровые камеры: по существу плоские, плоские тепловые трубы. Они преуспевают при распространении тепла из концентрированного источника (например, небольшого чипа) на большей площади, где его можно более эффективно рассеять радиатором или другими средствами. Они работают по тому же принципу, что и тепловые трубы, используя конструкцию фитиля для возврата жидкости.
Термосиф: аналогично тепловым трубам, но часто проще в конструкции (может не хватать сложных фитиль) и полагаться в первую очередь на гравитацию, чтобы вернуть конденсированную жидкость в испаритель. Следовательно, испаритель должен быть расположен ниже конденсатора для правильной работы. Они часто используются в более масштабных приложениях, где ориентация фиксирована.
Эти системы используют механический насос для циркуляции охлаждающей жидкости, предлагая больший контроль и способность обрабатывать более высокие тепловые нагрузки или переносить тепло на большие расстояния, чем позволяют пассивные системы.
Накачанные двухфазные системы часто циркулируют подключенную или насыщенную жидкость (часто хладагент или инженерную диэлектрическую жидкость) к специализированным холодным пластинкам, установленным непосредственно на мощных компонентах, таких как процессоры, графические процессоры или IGBT. Внутри микроканалов или конструкций внутри происходит холодной пластины (иногда называемая охлаждением прямого в кладку или охлаждения DTC). Насос обеспечивает последовательную доставку жидкости и удаляет паролюстную смесь в дистанционном конденсаторе. Эти системы очень эффективны для управления очень высокими, локализованными тепловыми потоками и обеспечения точного контроля температуры.
Этот подход включает в себя полностью погружение электронных компонентов или целых серверов непосредственно в ванну специализированной диэлектрической (электрически непроводящей) жидкости, которая имеет низкую температуру кипения (часто около 50 ° C).
По мере того, как компоненты генерируют тепло, жидкость кипит непосредственно на горячих поверхностях, эффективно удаляя тепло посредством поглощения скрытого тепла. Сгенерированный пара поднимается естественным образом, обычно встречается с конденсаторными катушками (охлажденными водой или воздухом), расположенными рядом с верхней частью резервуара, конденсируется и капает обратно в жидкую ванну. Эта пассивная циркуляция в резервуаре устраняет необходимость в том, что насосы перемещают жидкость на серверах, хотя насосы могут использоваться во внешнем цикле охлаждения катушек конденсатора. 2PIC набирает обороты в центрах обработки данных высокой плотности, посвященных экстремальным уровням мощности стойки (например, для кластеров AI/HPC).
Уникальная физика теплопередачи с изменением фазы обеспечивает несколько убедительных преимуществ:
Значения скрытого тепла, как правило, накапливаются выше, чем ощутимые теплоты для общих охлаждающих жидкостей. Это означает, что двухфазные системы могут поглощать и переносить значительно больше тепловой энергии на единицу массы жидкости, что позволяет охлаждению компонентов, генерирующих чрезвычайно высокие тепловые потоки (измеренные в масштабе, который будет перегружать однофазные системы.
Поскольку кипячение и конденсация происходят при относительно постоянных температурах (в зависимости от давления), двухфазные системы имеют тенденцию поддерживать очень однородные температуры на поверхностях как источника тепла (испаритель), так и радиатора (конденсатор). Это сводит к минимуму опасные горячие точки на чувствительные компоненты и повышает общую эффективность системы.
Для данной тепловой нагрузки накачиваемые двухфазные системы часто требуют значительно более низких скоростей потока жидкости по сравнению с однофазными жидкими системами. Это может привести к меньшим насосам, снижению диаметров трубопроводов и более низкому потреблению энергии для накачки. Пассивные системы, такие как тепловые трубы, обеспечивают высокоэффективную теплопередачу с нулевыми затратами на энергию насоса.
Тепловые трубы и пара камеров позволяют эффективному тепловому переносу вдали от ограниченных участков или обеспечивают эффективное распространение тепла в низкопрофильных конструкциях. Высокие коэффициенты теплопередачи позволяют потенциально меньше теплообменников по сравнению с однофазными растворами для той же тепловой нагрузки.
Использование электрически непроводящих жидкостей при погружении в охлаждении, и многие перекачиваемые двухфазные системы устраняют риск коротких замыканий, если утечки происходят непосредственно на питанию электроники, что является значительным преимуществом по сравнению с традиционным водяным охлаждением в определенных приложениях.
В то время как мощное, двухфазное охлаждение также представляет соображения:
Сложность системы: накачанные двухфазные системы могут быть более сложными для проектирования и эксплуатации, чем однофазные петли, потенциально требующие такого компонентов, как накопления, сепараторы и точные системы управления. Погружение требует специализированных резервуаров, обработки жидкости и потенциально стратегий сдерживания пара.
Стоимость: Специализированные компоненты (например, герметично герметичные тепловые трубы/пары камер, насосы, совместимые с хладагентом, дорогие диэлектрические жидкости), могут сделать двухфазные системы изначально более дорогостоящими, чем более простые растворы воздуха или однофазного жидкого охлаждения.
Выбор рабочей жидкости: выбор правильной жидкости имеет решающее значение. Факторы включают в себя желаемую рабочую температуру (диктовную точку кипения), скрытую теплоемкость, рабочее давление, совместимость с системными материалами, безопасность (воспламеняемость, токсичность), воздействие на окружающую среду (потенциал глобального потепления - GWP) и стоимость.
Потенциальная нестабильность потока: при определенных условиях двухфазные потоки (особенно в насосных системах) могут демонстрировать нестабильность, такие как колебания падения давления или истощение потока, которые требуют тщательного инженерного дизайна, чтобы предотвратить.
Гравитационная зависимость: некоторые пассивные конструкции (термосиф, определенные реализации тепловой трубы) имеют производительность, которая зависит от ориентации относительно гравитации.
Двухфазное охлаждение становится все более жизненно важным в приложениях, раздвигающих границы плотности мощности:
Высокопроизводительные вычисления (HPC) и центры обработки обработки данных: процессоры с голодными мощностью, графические процессоры и ускорители искусственного интеллекта с помощью насочных систем с прямым квалификацией или полного погружения, чтобы обеспечить экстремальную плотность стойки.
Силовая электроника: управление теплом в IGBT, MOSFET (особенно устройства SIC и GAN), преобразователи питания и инверторы, используемые в промышленных дисках, возобновляемой энергии (солнечная энергия, ветер), автомобильные электромобили и инфраструктуру сетки.
Аэрокосмическая и защита: охлаждающая авионика, радиолокационные системы, направленное энергетическое оружие (росы) и другая мощная электроника, где размер, вес и производительность имеют решающее значение.
Телекоммуникации: рассеяние тепла от мощных радиочастотных усилителей на базовых станциях и другого требовательного сетевого оборудования.
Медицинские устройства: охлаждающие лазеры, используемые в хирургическом или диагностическом оборудовании, системах МРТ и другой чувствительной к тепло в области медицинской электроники.
Automotive: расширенное тепловое управление для батарейных батарей EV (используя тепловые трубы для распространения/однородности), электроники питания (инверторы, преобразователи DC-DC) и системы зарядки.
Усовершенствованное освещение: охлаждающие высокоразмерные светодиоды и лазерные диоды, где стабильность температуры имеет решающее значение для производительности и продолжительности жизни.
Выбор оптимального двухфазного подхода к охлаждению зависит от многочисленных факторов: величина и концентрация (поток) тепловой нагрузки, необходимая рабочая температура, доступное пространство и ограничения веса, бюджет, условия окружающей среды, требования к надежности и возможность пассивных и активных систем. Тепловые трубы могут быть идеальными для пассивно перемещаемых умеренных тепловых нагрузок, паровных камер для распространения локализованных горячих точек, насосных систем для обработки очень высоких, последовательных нагрузок и погружения для охлаждения сервера максимальной плотности. Навигация по этим выборам часто требует сотрудничества с экспертами по тепловому управлению.
Поскольку электронные устройства продолжают свою траекторию к более высокой плотности мощности, двухфазное охлаждение переходит от специализированной техники к основной необходимости. Его фундаментальная способность эффективно управлять интенсивными тепловыми нагрузками и поддерживать температурную однородность делает его незаменимым для раскрытия потенциала процессоров следующего поколения, модулей питания и других передовых компонентов. От пассивных тепловых труб тихо охлаждающих ноутбуков до сложных погружений, управляющих целыми центрами обработки данных, технологии охлаждения фазы прокладывают путь для дальнейших инноваций в обширном спектре отраслей.
В Winshare Thermal мы понимаем растущие требования к передовым решениям охлаждения в сегодняшнем сложном тепловом ландшафте. С момента нашего основания в 2009 году мы посвятили себя разработке и предоставлению высокопроизводительных, надежных систем теплового управления.
Наш опыт включает в себя ряд технологий, очень важных для эффективного реализации охлаждения изменения фазы. Мы специализируемся на проектировании, моделировании и масштабном производстве тепловых модулей тепловой трубы -краеугольным камнем пассивного двухфазного охлаждения-адаптируемые к конкретным потребностям применения. Кроме того, наши возможности распространяются на проектирование и производство сложных решений из жидкого охлаждения , включая холодные пластины и архитектуры системы, которые могут служить основой для продвинутых двухфазных реализаций.
Независимо от того, требуете ли вам пассивного переноса тепла на расстоянии с использованием пользовательских тепловых труб, эффективного распределения тепла с парами, интегрированными в сборки, или изучают усовершенствованные стратегии жидкого охлаждения насоса, команда Thermal Winshare оснащена для оказания помощи. Мы предоставляем всеобъемлющее тепловое моделирование (CFD), механический анализ и надежные, масштабируемые производственные возможности, все они подкреплены строгими системами управления качеством (ISO9001, ISO14001, IATF 16949, сертифицированные). Мы тесно сотрудничаем с клиентами в требовательных областях, таких как новая энергия (EV, Wind, Solar, хранение), электроника Power, ИКТ и промышленная автоматизация для реализации эффективных, оптимизированных решений охлаждения от уровня компонентов до крупномасштабных интегрированных систем.
Свяжитесь с Winshare Thermal сегодня, чтобы обсудить, как наши расширенные тепловые решения могут решать ваши самые жесткие проблемы с тепловой промышленностью и оптимизировать ваш следующий проект.
