Využitie CFD simulácií pri konštrukcii kvapalinového chladenia

Chladenie výkonových komponentov sa s rozširovaním využívania výkonovej elektroniky spolu s nárastom výpočtového výkonu v riadiacich častiach elektroniky stáva čoraz pálčivejším problémom. Nutnosť chladenia je daná potrebou zabezpečenia správnej činnosti v prevádzkovom režime, ktorá je limitovaná hraničnými pracovnými teplotami. Použitie klasických metód chladenia pomocou priamo pripojeného rebrového chladiča, prípadne ventilátora, na jeho ochladzovanie sa neustálym zvyšovaním integrácie, a tým aj zvyšovaním hustoty stratového výkonu stáva nedostatočne efektívnym. Jednou z hlavných príčin je nutnosť umiestnenia rebrového chladiča priamo do oblasti chladených komponentov. S týmto problémom je možné si čiastočne poradiť použitím tepelných trubíc, ktorých dosah je však pomerne malý. Využitím kvapalinového chladenia je možné odvádzať stratové teplo na prakticky neobmedzenú vzdialenosť, až do častí zariadenia, v ktorých nie je nasadenie rebrového chladiča a ventilátora priestorovo obmedzené [1].

Pri potrebe odvodu veľkých stratových výkonov navyše narážame na fyzikálne možnosti odvodu tepla vzduchom. V takýchto prípadoch je využitie kvapalinového chladenia nutnosťou. Kým vzduch ako najčastejšie používané chladiace médium má tepelnú kapacitu približne 1 J.l-1.K-1, voda má tepelnú kapacitu 4180 J.l-1.K-1, t. j. objemový výkon chladenia je zhruba 4 000-krát vyšší, čo umožňuje konštruovať výrazne menšie chladiče. Využitie kvapalného média však prináša technické problémy ako vyššiu zložitosť, nebezpečenstvo havárie a pod. Takisto skutočnosť, že kvapalné médiá majú výrazne vyššiu viskozitu, znižuje úsporu objemu. Netreba zabúdať ani na skutočnosť, že pracovné médium (voda) slúžiace na odvod tepla z výkonového komponentu je nutné ochladiť späť na pôvodnú teplotu, čo sa v konečnom dôsledku deje v pomocnom, vzduchom ochladzovanom chladiči.

Využitie odvodu tepla pomocou kvapaliny však naráža na praktické problémy. Okrem vyššej zložitosti a rizika havárie sú problémom nedostatočné praktické skúsenosti s návrhom takýchto chladičov. Konštruktér spravidla použije chladiaci element pretekaný kvapalinou a obmedzí sa na vonkajšie rozmery, prípadne nejako doladí prietok. Vo väčšine prípadov takýto prístup vďaka tepelnej kapacite kvapalného média plne postačuje. V aplikáciách s vysokými výkonovými hustotami však už nastávajú problémy s nedostatočným prestupom tepla do chladiacej kvapaliny. Preto je potrebné tvar chladiacich kanálikov optimalizovať. Či už na maximálnu efektivitu prestupu tepla, alebo s dôrazom na maximálnu homogenitu teplotného poľa z dôvodu obmedzenia teplotných pnutí.

Pre ilustráciu tohto typu problémov boli v rámci riešenia diplomovej práce vytvorené modely chladiacich blokov s rôznymi topológiami kanálikov pre prúdenie chladiaceho média. Vytvorené modely boli simulované pomocou CFD simulačného nástroja FloEFD od firmy Mentor, a Siemens Business. Simulácie umožnili skúmať vplyv geometrie a rýchlosti prúdenia na celkovú účinnosť chladenia posudzovanú ako maximálna teplota výkonových čipov a tlaková strata na danom kanáliku. Výsledky simulácií umožnili výber optimálneho riešenia nielen z pohľadu efektivity chladenia, ale aj so zohľadnením výrobných nákladov.

Simulované boli 2 základné topológie s modifikáciami (obr. 1). Prvým typom je meandrovitý kanálik s rôznou šírkou (2 a 3 mm), druhým typom je rozšírený kanálik (15 mm). Modifikáciou druhého typu je umiestnenie extrudovaných pinov usporiadaných tak, aby došlo k rozloženiu prúdu kvapaliny a vzniku turbulentných prúdov, ktoré zlepšujú prenos tepla z chladiča do kvapalného média. Sekundárnym efektom bolo zväčšenie aktívnej plochy chladiča.

Keďže chladený výkonový modul obsahuje dva výkonové čipy umiestnené za sebou, zákonite nastáva situácia, že zdroj tepla umiestnený od prívodu kvapaliny ďalej bude chladený menej ako zdroj tepla umiestnený k prívodu bližšie. Kvôli homogenizácii teplotného poľa boli pre každé vyhotovenie v rámci všetkých typov vytvorené modifikácie s troma vývodmi (obr. 2).

Modely chladičov s extrudovanými pinmi v objeme základného bloku predstavujú komplexnejšie topológie umožňujúce vzájomné porovnanie. Základnou variáciou geometrie je tvar extrudovaných pinov, ktoré sú vytvorené v tvare kruhu alebo v tvare štvorca. Tvar a rozmiestnenie pinov majú výrazný vplyv na spôsob prúdenia chladiaceho média a prestup tepla z bloku chladiča do prúdiaceho média. Nevhodným umiestnením pinov dochádza k stavu, keď pretekajúce médium prúdi významne viac v jednej z častí chladiča, čím je prenos tepla v iných častiach znížený. Na obr. 3 je znázornený spôsob prúdenia chladiaceho média v chladiacom bloku s rozšíreným kanálikom. Vo voľnom priestore dochádza k vytvoreniu dvoch dominantných prúdov kvapaliny a vzniku dvoch oblastí s prakticky nulovou rýchlosťou prúdenia, a teda aj so zlým odvodom tepla. Pre zamedzenie vzniku takýchto oblastí boli do prúdu umiestňované extrudované piny, ktorých úlohou bolo rozdeliť a vhodne usmerniť prúd chladiaceho média.

V rámci modelovania chladičov s extrudovanými pinmi boli testované tri základné usporiadania (obr. 4). Usporiadanie a) disponuje základnou topológiou kruhových pinov s priemerom 3 mm. Piny sú umiestnené v objeme bloku v podobe striedavého usporiadania. Výnimku tvoria piny, ktoré sú najbližšie k prívodu/vývodu. Ich účelom je zabezpečiť lepšiu distribúciu média v objeme, ktoré je týmto pinom rozdelené do dvoch hlavných prúdov. Na obr. 5 je znázornený spôsob prúdenia chladiaceho média pri základnom usporiadaní pinov. V tomto usporiadaní väčšina chladiaceho média prúdi cestou najmenšieho odporu popri stene kanálika, protiľahlá časť je výrazne menej chladená a celková efektivita prestupu tepla je znížená prevažne laminárnym prúdením. Z tohto dôvodu boli vytvorené modifikácie b) a c), pri ktorých boli krajné piny spojené so stenou kanálika a chladiace médium je teda nútené tiecť aj stredom kanála (obr. 6). V prípade návrhu týchto modifikácií sa s výhodou uplatnila možnosť rýchlych simulácií dávajúcich predstavu o celkovom charaktere prúdenia v systéme.

Na obr. 7 a obr. 8 je možné vidieť ovplyvnenie prúdenia zmenou tvaru extrudovaných pinov. Pri zmene tvaru pinov na štvorcový tvar (obr. 7) došlo k výraznej homogenizácii prúdenia a vďaka ostrým hranám aj k vzniku turbulentných prúdov, čo výrazne zlepšilo prestup tepla z bloku chladiča do chladiaceho média. Nevýhodou tohto usporiadania je vyšší hydraulický odpor, teda aj zníženie celkového prietoku chladiaceho média. Pre zníženie hydraulických strát bola simulovaná topológia poľa (obr. 8) s extrudovanými pinmi štvorcového tvaru, pootočenými o 45 stupňov. V tomto prípade došlo k výraznému zníženiu hydraulického odporu, čo sa prejavilo zvýšením rýchlosti prúdenia. Výrazne však utrpela homogenita prietoku a došlo k výraznému zníženiu tvorby turbulentných prúdov. Celkový chladiaci výkon tejto topológie bol prakticky zhodný s výkonom topológie s kruhovými pinmi.

Na obr. 9 je znázornené simulované rozloženie teploty v bloku chladiča s meandrovou topológiou chladiaceho kanálika. Varianta a) ukazuje vznik teplotného gradientu pri dvojvývodovom usporiadaní, keď chladiace médium vstupuje do druhej časti už čiastočne zohriate, následkom čoho je chladenie druhého čipu horšie. Vo variante b) je modelované trojvývodové usporiadanie, keď chladiaca kvapalina vstupuje na okrajoch a vychádza v strede chladiaceho bloku. Z výsledkov simulácií je možné vidieť, že rozloženie teploty je homogénnejšie. Pri rovnakom prietoku chladiacej kvapaliny bude stredná teplota čipov približne rovnaká, aj keď vyššia ako teplota prvého čipu v dvojvývodovom usporiadaní. To je dané menším prietokom pod jednotlivými čipmi. Vďaka zachovaniu konštantného prietoku dochádza k menšej tlakovej strate na chladiacom bloku. V prípade modifikácie na rovnakú stratu tlakov by bol prietok vyšší a teploty čipov mierne znížené. Konkrétnu hodnotu prietoku by bolo možné namodelovať po zadaní P-Q charakteristiky projektovaného čerpadla.

Výsledky simulácií boli verifikované na skutočne vyrobených chladičoch. Vytvorené chladiace bloky (obr. 10) boli testované v konfigurácii s dvoma aj troma vývodmi, pri oboch smeroch prúdenia chladiaceho média. Porovnanie nameraných teplôt s výsledkami simulácií vykazovalo odchýlky cca 0,5 °C.

Simulačné nástroje integrované do vývojového prostredia predstavujú významnú pomoc pri návrhu chladiaceho bloku kvapalinového chladenia. Je možné už v počiatkoch posúdiť efektivitu navrhovanej topológie, vhodne navrhnúť prípadné modifikácie a vyhnúť sa cenovo náročným usporiadaniam. V prípade chladiaceho bloku konštruovaného počas riešenia diplomovej práce sa ako najefektívnejšia javila trojvývodová topológia s rozšíreným kanálikom a extrudovanými pinmi. Pri komplexnom posúdení so zohľadnením výrobnej náročnosti a teda aj výslednej ceny bola odporúčaná topológia s meandrovitým usporiadaním chladiaceho kanálika, ktorá poskytovala dostatočný výkon chladenia pri cca ¼ spotrebe strojového času pri frézovaní chladiaceho bloku.