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Wärmemanagement

Was die Elektronik-Kühlung auf Basis von APG bringt

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ALPHA-Numerics GmbH
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Rechenzeit auf einer 64-Bit-Workstation lag bei etwa sechs Stunden. Die Simulationen umfassten die Wärmeübertragung zwischen Fluid und Festkörper, die externe erzwungene Konvektion der Luft, die interne erzwungene Konvektion im Kühlflüssigkeitskreislauf, die Wärmeleitung in den Festkörpern sowie die Wärmestrahlung zwischen Oberflächen. Um einen typischen handelsüblichen Lüfter zu simulieren, wurde die Kennlinie eines Lüfters mit einem Luftvolumen von 30 cfm (cubic feet per minute; 51 m³/h) bei einem statischen Druck von 50 Pa genutzt.

Ergebnisse der Grundlagenuntersuchungen

Die Ergebnisse der Basisstudie hinsichtlich Temperaturverteilung und Stromlinien zeigt Bild 3. Die Parameter für die Unterkomponenten wurden so gewählt, dass die Wärmedichte an der Flüssigkeitskühlplatte bei 1,6 kW/m2 liegt. Dies entspricht einer Anwendung mit sehr hoher Leistungsdichte. Nachdem die Ergebnisse der Basisstudie vorlagen, konnten Abweichungsstudien gerechnet werden, um die Sensitivität des Systems zu analysieren.

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Effekt der Leitfähigkeit auf den Wärmeübergang: Das Hauptziel der Untersuchung ist die Demonstration der wärmeabführenden Eigenschaften des APG k-Core im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörperwerkstoffen. Um dies zu erreichen, wurde die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers beziehungsweise der Kühlplatte von sehr niedrig (reines Aluminium) bis sehr hoch (APG k-Core) variiert. Die Ergebnisse zeigen die erwartete lineare Veränderung der Systemtemperatur als Funktion der Wärmeleitfähigkeit.

Effekt der Luftgeschwindigkeit am Lüftereinlass: Die Kühlleistung eines Systems verändert sich mit der vom Lüfter gelieferten Strömung signifikant. Eine Schlüsselgröße zur Messung der Varianz ist dabei der konvektive Wäremübergangskoeffizient. Bild 4 zeigt dessen Werte aus einer typischen CFD-Simulation. Die Werte zeigten gute Übereinstimmung mit den entsprechenden Werten aus der Literatur [3] für solche Systeme.

Um den Einfluss der Geschwindigkeit des Lüfters auf den Wärmeübertragungskoeffizient zu ermitteln, wurde eine Serie von Simulationen mit unterschiedlichen Luftdurchsatzmengen gerechnet, die wiederum unterschiedliche mittlere Strömungsgeschwindigkeiten am Lüfter erzeugten.

Die Übereinstimmung mit Ellison [4] liegt auf der sicheren Seite und korrespondiert mit typischen Korrelationen aus der Literatur, mit typischen Unsicherheiten um die 25%. Die Daten der CFD-Studie stimmen qualitativ ebenfalls mit Forschungsergebnissen in [5] und [6] überein. Im nächsten Schritt wurde der Wärmeübertragungskoeffizient des Systems in Bezug auf die Temperaturdifferenz des Systems analysiert.

Die Datenpunkte der CFD-Simulation wurden mit einem Polynom 2. Grades geglättet und mit dem Korrelationskoeffizienten aus [7] verglichen. Auch hier zeigte sich eine gute Übereinstimmung, immer unter Berücksichtigung des erwähnten Unsicherheitsfaktors von 25%.

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