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Design und Analyse von Flüssigkühlsystemen mit Strömungsnetzmodellierung (Flow Network Modeling, FNM)

Die Flüssigkühlung  wird zunehmend für die Wärmekontrolle von Elektronik eingesetzt, da immer höhere Energiedichten in den Anwendungen der Bereiche VerteidigungLeistungselektronikmedizinische Geräte und Computer  bewältigt werden müssen. Diese Systeme arbeiten mit geschlossenen Kreisläufen eines Kühlmittels und enthalten Komponenten für die Strömungsverteilung (z. B. Rohrleitungen und Pumpen), die Strömungskontrolle (z. B. Ventile und Öffnungen) und für die Wärmeübertragung (z. B. Kühlplatten und Wärmetauscher). Das Ziel bei der Gestaltung dieser Systeme besteht darin, eine ausreichende Gesamtströmung zu erzielen und die Strömung so zu verteilen, dass die Temperatur der elektronischen Komponente auf dem gewünschten Niveau gehalten wird.

Die Strömungsnetzmodellierung (Flow Network Modeling, FNM) kann ein starkes Werkzeug für den Entwurf von geschlossenen Kühlkreisläufen auf Systemebene sein. In diesem Artikel wird der Designprozess einer typischen Flüssigkühlschleife mit dem Softwareprogramm MacroFlow™[1], einem FNM-basierten Analysewerkzeug, beschrieben und es werden dessen Vorteile dargestellt.

Eignung von FNM für den Entwurf von geschlossenen Kühlkreisläufen auf Systemebene

Die FNM-Technik stellt eine einfache, schnelle und genaue Methode für die Analyse der Strömungs- und Temperaturverteilung in Flüssigkühlsystemen dar (Belady et al. [2], Kelkar [3]). Sie besteht aus den folgenden Schritten:

  • Netzwerkdarstellung eines Flüssigkühlsystems, um die Anordnung der verschiedenen Komponenten und Strömungswege zu beschreiben.
  • Charakterisierung von Komponenten durch empirische Korrelationen, die den Gesamtdruckverlust und den Wärmewiderstand mit den entsprechenden Strömungsgeschwindigkeitskorrelationen aus den Handbüchern (Idelchik [4], Blevins [5]), Herstellerdaten oder experimentellen Messungen in Verbindung bringen.
  • Lösung der Erhaltungsgleichungen über das Netzwerk für eine schnelle Bestimmung (weniger als eine Minute auf dem PC) von Druckverhältnissen, Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen im gesamten System.

Die FNM-Technik ist optimal für das Design von Flüssigkühlsystemen geeignet, weil sie auf das Zusammenwirken zwischen den verschiedenen Komponenten eingeht, die zusammen für die Systemleistung entscheidend sind. Bei der Planung eines Flüssigkühlsystems kann es folgendermaßen verwendet werden:

  • Für die Evaluierung der Wärmeleistung verschiedener Strömungskonfigurationen
  • Für die Bestimmung der Größe einzelner Komponenten, so dass der gewünschte Gesamtfluss wie auch das Strömungsgleichgewicht erreicht wird.
  • Für die Ausführung von Szenarien- ("Was, wenn?") und Kontingenzstudien.

Darum reduziert die Verwendung der FNM-Technik in der Konzeptionsphase kostspielige Experimente, verkürzt beträchtlich den Planungszyklus und reduziert das Risiko von nachträglichen Designänderungen in späteren Phasen des Zyklus.

Abb. 1 - Darstellung des Strömungsnetzes eines geschlossenen Wasserkühlsystems, das mit MacroFlow gebaut wurde
Abb. 1 - Darstellung des Strömungsnetzes eines geschlossenen Wasserkühlsystems, das mit MacroFlow™[1] gebaut wurde.

Beispiel für eine Anwendung - Design eines Wasserkühlsystems

Physikalisches System

Das Flüssigkühlsystem in dieser Studie wird in Abb. 1 dargestellt. Es besteht aus fünf Kühlplatten, die aus dem Produktangebot von Lytron [6] ausgewählt wurden und in einem parallelförmigen Verteilungssystem angeordnet sind. (Das parallel verlaufende Layout - gegenüber einer in Serie geschalteten Form - ist durch das Systemlayout vorgegeben.) Die Hauptöffnung steuert die Gesamtströmung, während die Öffnungen in jedem Strömungszweig die Strömung zu den einzelnen Kühlplatten ihrem jeweiligen Kühlbedarf entsprechend steuern.

Tabelle 1 - Wärmeableitung in den elektronischen Einheiten und den entsprechenden Kühlplatten

Elektronische Einheit Abgeleitete Wärme (kW) Kühlplattenart, Lytron [6]
EU-1 0.3 CP-10 6" (15,24 cm) 2 Wege
EU-2 0.4 CP-10 6" (15,24 cm) 2 Wege
EU-3 0.5 CP-10 6" (15,24 cm) 2 Wege
EU-4 3.0 CP-10 12" (30,48 cm) 4 Wege
EU-5 4.0 CP-10 12" (30,48 cm) 4 Wege
 

Wie in Tabelle 1 aufgelistet, wird eine kleine kostengünstige Kühlplatte verwendet, um Wärme von den EUs 1 bis 3 abzuleiten, während eine Hochleistungskühlplatte zur Kühlung von EU 4 und 5 eingesetzt wird. Die Strömungs- und Wärmeeigenschaften dieser beiden Kühlplattendesigns werden in Abb. 2 dargestellt.

CP-10 6" (15,24 cm) Doppelweg

Druckverlust                                         Wärmewiderstand
 Abb. 2- Strömungs- und Wärmewiderstandseigenschaften der Lytron Kühlplatten
 

CP-10 12" (30,48 cm) Vierfachweg

Druckverlust                                         Wärmewiderstand
Abb. 2- Strömungs- und Wärmewiderstandseigenschaften der Lytron Kühlplatten
Abb. 2- Strömungs- und Wärmewiderstandseigenschaften der Lytron Kühlplatten

Überlegungen zum Design

Das Ziel des Designprozesses besteht darin, die durchschnittliche Temperatur der Oberfläche jeder Kühlplatte unter 60 °C zu halten, damit die elektronischen Komponenten zuverlässig funktionieren. Wichtige Schritte beim Design des Kühlsystems werden im Folgenden beschrieben.

  • Bestimmung der Größe der Hauptöffnung, der Pumpe und des Wärmetauschers: Der erste Schritt im Designprozess besteht darin, die Größe der Komponenten in den Hauptströmungswegen anhand der erforderlichen Gesamtdurchflussmenge zu planen und zu gewährleisten, dass das System skalierbar ist, um zusätzliche elektronische Einheiten einbauen zu können. Das Netzwerkmodell wird für verschiedene Kombinationen von Pumpen, Wärmetauschern, Hauptöffnungen und Filtern erstellt, um eine skalierbare Konfiguration zu bestimmen, welche die gewünschte Durchflussmenge von 6,8 gal/min (25,74 l/min) bei einer Temperatur von 25 °C bei Austritt aus dem Wärmetauscher liefert.
  • Bestimmung der Größe der Öffnungen in den Zweigen: Wie in Abb. 3 zu sehen ist, werden in dem ursprünglichen Design, welches gleich große Öffnungen für die Seitenzweige verwendet, die Einheiten 1 und 2 übermäßig gekühlt, wohingegen die Einheiten 3 und 4 deutlich oberhalb der zulässigen Temperatur von 60 °C arbeiten. Darum werden unter Verwendung des Netzwerkmodells die Größen der Zweige so angepasst, dass die gewünschte Strömungsverteilung erreicht wird, sei es anhand der Vorwärtsanalyse oder der Methode des Inverse Design (Kang et al. [7]). Abb. 3 zeigt, dass die Strömungsverteilung im geprüften Design gewährleistet, dass jede Kühlplatte unterhalb der zulässigen Höchsttemperatur arbeitet.

Die MacroFlow™-basierte Analyse jeder Netzwerkkonfiguration lässt sich auf dem PC in wenigen Sekunden durchführen, so dass die Designänderungen sehr schnell überprüft werden können.

(a) Volumendurchflussmenge
 Cold Plate volumetric flow rate
(b) Durchschnittliche Oberflächentemperatur
Cold Plate average surface temperature
Abb. 3 - Durchflussmengen und durchschnittliche Oberflächentemperaturen für die Kühlplatten im ursprünglichen und geänderten Design

Fazit

Für die Planung von Flüssigkühlsystemen muss die Strömungskonfiguration und die Größe der einzelnen Komponenten genau ausgewählt werden, um eine gute Strömungsverteilung zu den einzelnen Kühlplatten zu erreichen. Die Technik der Strömungsnetzmodellierung (Flow Network Modeling, FNM) ist ideal für die Evaluation verschiedener Designoptionen in einfacher, schneller und genauer Weise geeignet. Die Vorteile dieser Technik für die Produktivität werden anhand der Verwendung des Softwareprodukts MacroFlow™ bei der Anwendung für die Planung eines praktischen geschlossenen Wasserkühlsystems veranschaulicht.

Literaturhinweise

  1. MacroFlow Users Manual, Innovative Research, LLC, 3025 Harbor Lane North, Suite 225, Plymouth, MN 55447, www.inresllc.com.
  2. Belady C., Kelkar K.M., and Patankar S.V., "Improving Productivity of Electronic Packaging with Flow Network Modeling (FNM)," Electronics Cooling, Vol. 5, No. 1, pp. 36-40, 1998.
  3. Kelkar K.M., "Enhancing the Productivity of the Thermal Design Process Using Flow Network Modeling (FNM)," Coolingzone Online Magazine, February 2002, www.coolingzone.com 
  4. Idelchik I.E., Handbook of Hydraulic Resistance, CRC Press, Florida, 1994.
  5. Blevins R.D., Fluid Dynamics Handbook, Krieger Publishing Company, 1992.
  6. Lytron - Total Thermal Solutions, 2003 Product Catalog, 55 Dragon Court, Woburn, MA 01801, USA, 781-933-7300, www.Lytron.com.
  7. Kang S.S., Schmidt R.C., Kelkar K.M., Radmehr A., and Patankar S.V., "A Methodology for the Design of Perforated Tiles in Raised Floor Data Centers Using Computational Flow Analysis," Proceedings of the Itherm 2000 Conference, pp. 215-224, Las Vegas, May 2000.

Artikel mit freundlicher Genehmigung von Kanchan Kelkar, Leitender Ingenieur, Innovative Research, 763-519-0105 x 204, kelkar@inresllc.com, www.inresllc.com.