2/17/2015
•
•
•
•
•
•
Nesteiden lämmönjohtavuus on yleensä huomattavasti
suurempi
kuin
kaasuilla,
joten
myös
niiden
lämmönsiirtokertoimet sekä lämmönsiirtotehokkuus ovat
kaasujen vastaavia arvoja suurempia
Pakotettu konvektio:
• Ilma α = 10 … 500 W/m2K
• Neste α = 100 … 5000 W/m2K
Suora- ja epäsuora nestejäähdytys (nesteiden ominaisuudet)
Avoin- ja suljettu nestekierto
Pakotettu tai luonnollinen konvektio, kiehuminen
Ongelmat: vuodot, korroosio, laitteiston koko ja
kondensoitumattomat kaasut
Transistori
Vesi sisään
Jäähdytyslevy
Vesi ulos
1
2/17/2015
•
•
•
•
•
Suuritehoiset komponentit voidaan jäähdyttää tehokkaasti
upottamalla ne dielektriseen nesteeseen hyödyntämällä samalla
kiehumisen suurta konvektiokerrointa (α = 1000 … 100000 W/m2K)
Myös
vapaaseen
konvektioon
perustuvia
upotusjäähdytysratkaisuja on olemassa
Vakiopaineessa oleva neste kiehuu isotermisesti tietyssä
kyllästyslämpötilassa, jolloin suuri lämpömäärä absorboituu
tasalämpöiseen nesteeseen
Itse kylpy on vakiolämpötilassa, joten hot-spotit eliminoituvat
Avoin ja suljettu kierto mahdollinen
Paineenalennusventtiili
Nestesäiliö
Varoventtiili
Höyry
Dielektrinen neste
Jäähdytettävät komponentit
2
2/17/2015
Ilmajäähdytteinen
lauhdutin
Rivat
Tuuletin
Jäähdytysaine ulos
Jäähdytysaine sisään
Höyry
Dielektrinen
neste
Herkkä höyryssä oleville kondensoitumattomille kaasuille. Mikäli ilman osuus höyryn massasta
kasvaa 0.5 % putoaa lauhdutuksen konvektiokerroin viidennekseen alkuperäisestä.
Paisuntasäiliö
Dielektrinen
neste
Lauhdutin upotettu jäähdytysnesteeseen
• Kondensoitumattomat kaasut eivät ole ongelma
• Lauhduttimen (putkilämmönsiirtimen) lämmönsiirtokyky määrää laitteiston tehokkuuden,
koska pakotetun konvektion lämmönsiirtokyky on lauhtumista pienempi
3
2/17/2015
Paisuntasäiliö
Rivat
Jäähdytysilma
ulos
Dielektrinen neste
Jäähdytysilma
sisään
Puhallin
•
•
•
Lämpö siirretään altaan ulkoseinän kautta ilmaan
Käyttövarmin uppojäähdytin
Tehokkuus määräytyy ulkoisen jäähdytysjärjestelmän perusteella
Komponentin
teho [W]
Lämpövuo
[W/m2]
Tneste = 5 °C
20
43.8
A = 0.457 cm2
D
10
21.9
9
8
17.5
7
6
13.1
5
11.0
C
B
4
8.8
3
6.6
2
4.4
A
10
A-B vapaa konvektio
B-C kuplanmuodostus
ja kiehuminen
C-D täydellinen
kiehuminen
2.2
20
30
40
50
70
100
T komponentti - Tneste [°C]
4
2/17/2015
Sydän
Lämpö
sisään
Nestevirtaus
Höyryvirtaus
Höyrystin
Adiabaattinen osa
Lämpö ulos
Lauhdutin
Kapillaari-ilmiön ansiosta lämpöputki toimii mielivaltaisessa asennossa gravitaatiokentässä.
Lämpöputken toiminta on kuitenkin tehokkaimmillaan silloin, kun gravitaatiovoimat ja
kapillaarivoimat vaikuttavat samaan suuntaan (lämpöputken höyrystinpää alhaalla) ja sen
toiminta on heikointa gravitaatiovoimien ja kapillaarivoimien ollessa vastakkaiset (lauhdutin
alhaalla)
•
Lämpöputken toiminta perustuu seuraaviin fysikaalisiin ilmiöihin:
•
•
•
•
•
Vakiopaineella toimittaessa neste höyrystyy ja höyry lauhtuu lämpötilassa, jota
kutsutaan kyllästyslämpötilaksi. Siten paineenmuutos lämpöputkessa muuttaa sitä
lämpötilaa, jossa faasimuutos tapahtuu
Vakiopaineella tai vakiolämpötilassa lämpömäärä, jolla massayksikkö nestettä
höyrystyy on yhtä suuri kuin sen lauhtuessa luovuttama lämpömäärä
Kapillaari-ilmiön vaikutuksesta lämpöputken sydämeen kehittyvä kapillaaripaine
liikuttaa nestettä jopa gravitaatiokenttää vastaan
Kanavassa oleva neste virtaa alempaa painetta kohden
Yksinkertaisen lämpöputken, missä lämmönsiirtonesteenä on vesi, efektiivinen
lämmönjohtavuus on luokkaa
100 000 W/m°C, eikä efektiivisen
lämmönjohtavuuden arvo 400 000 W/m°C ole harvinainen. Esimerkiksi 15 cm
pitkä ja halkaisijaltaan 0.6 cm olevalla vesitäytteisellä lämpöputkella voidaan
siirtää jopa 300 W lämpöteho
5
2/17/2015
Toiminta-alue oltava kolmoispisteen ja kriittisen pisteen välissä
Fluidi
Helium
Vety
Neon
Typpi
Metaani
Ammoniakki
Vesi
Elohopea
Cesium
Natrium
Litium
Luovutettu
lämpö
Kupari
Kupari
Absorboitunut
Aukkojen suunta
lämpö
+
+
N-tyypin
puolijohde
Lämpötila-alue [°C]
-271 … -268
-259 … -240
-248 … -230
-210 … -150
-182 … - 82
-78 … -130
5 … 230
200 … 500
400 … 1000
500 … 1200
850 … 1600
DC-lähde
P-tyypin
puolijohde
DC-lähde
-
-
Absorboitunut
lämpö
Elektronivirran suunta
N-tyypin puolijohde
Luovutettu
lämpö
P-tyypin puolijohde
1 pelletti 5 A/60 mV
6
2/17/2015
Luovutettu
lämpö
N
P
N
P
N
P
-
+
Absorboitunut
lämpö
254 pellettiä 16 V/ 5 A
Laitteen kotelossa oleva jäähdytyslevy
Peltier-elementti
Kotelon ulkopuolinen jäähdytyselementti
7
2/17/2015
Vortex-putkessa olevaan sylinterimäiseen pyörregeneraattoriin, jonka halkaisija on itse Vortexputken halkaisijaa suurempi, johdetaan paineilmaa. Ilma virtaa edelleen pyörregeneraattorista
putkeen suuttimen kautta, jolloin ilman virtaus muuttuu pyörteiseksi. Ilman pyörimisnopeus
saavuttaa jopa 1 000 000 rpm nopeuden, kun se pakotetaan virtaamaan putken pidemmän
(kuumaan) osan sisäpintaa pitkin. Putken kuuman osan päässä on säädettävä neulaventtiili,
jonka avulla putkesta poistettavaa kuumaa ilmaa voidaan säätää. Loput ilmasta pakotetaan
virtaamaan takaisin tulovirtauksen sisäpuolella, paluuvirtauksen nopeuden ollessa
huomattavasti tulovirtausta pienempi. Samalla lämpöä siirtyy paluuvirtauksesta
tulovirtaukseen. Jäähtynyt ilma virtaa pyörregeneraattorin läpi sen kylmässä osassa olevaan
poistoilmaputkeen, josta se johdetaan jäähdytettävään kohteeseen. Vortex-putken pääperiaate
on siten jakaa pyörteinen ilmavirtaus kuumaan ja kylmään virtaukseen.
8