Embedded systems are becoming more complex, processing and analyzing a growing number of sensors and signals. The result of this increased computing is often higher and more concentrated electronic heat loads.
고성능 시스템 열 관리를 위한 액체 냉각 시스템 설계 방법
Because excessive heat compromises the reliability of a system, air cooling is no longer adequate for some applications. Many engineers are turning to liquid cooling to remove the heat.
The complexities of designing a liquid cooling system can be intimidating for those unfamiliar with this set of technologies. Although selecting thermal components for a liquid cooling loop is relatively straightforward, there are other considerations or nuances that can be overlooked. These include materials compatibility, corrosion prevention, condensation control, the position of the liquid cooling loop, use of standard versus custom parts, joints, fittings, connectors, and maintenance and service.
액체 냉각 루프는 일반적으로 액체 냉판, 펌프, 열교환기 및 파이프 또는 호스로 구성됩니다(그림 1). 보드는 폐열을 발생시며, 이는 보드에서 열 전도성 플레이트로 전달된 다음 냉판을 통해 흐르는 액체 냉각제로 전달됩니다. 일반적으로 유체 경로는 보드의 핫스폿과 일치합니다. 가열된 냉각수는 열교환기를 통해 펌핑되어 열이 냉각수에서 주변 공기로 이동하거나 액체-액체 열교환기의 경우 다른 액체 냉각제로 이동합니다. 냉각된 냉각수는 파이프 또는 호스를 통해 냉각 루프를 완성하여 냉각 플레이트로 다시 흐릅니다. 정상 작동 시 액체 냉각수는 액체 냉각 루프를 통해 지속적으로 흐르므로 기판을 냉각시하게 유지합니다. 
재료 호환성
액체 냉각 루프의 모든 재료와 유체는 시스템으로 함께 작동해야 하므로 서로 호환되어야 하며 함께 선택해야 합니다. 구리는 열전도가 우수하고 대부분의 비부식성 유체와 호환되기 때문에 대부분의 응용 분야에서 잘 작동합니다. 알루미늄은 폴리알파올레핀(PAO), 오일, 에틸렌 글리콜 및 물 용액(EGW)과 같은 유체와 호환되며™ 3M에서 제조되어 많은 전자 냉각 응용 제품에 사용되는 전기 절연 불활성 불활성 불활성 유체입니다. 스테인레스 스틸은 탈이온수와 같은 부식성 유체를 포함하여 대부분의 유체와 호환됩니다. 여러 가지 유체가 다양한 표준 냉판 및 열교환기 재료와 호환됩니다(그림 2).
그림 2: 다양한 유체는 다양한 표준 냉판 및 열교환기 재료와 호환됩니다.
대부분의 액체 냉각제는 부식을 억제하고 펌프를 윤활하기 위해 소량의 첨가제가 필요합니다. 그러나 부식 억제제는 시스템의 다른 곳에서 호환되지 않는 재료에 의해 비효율적 일 수 있으므로 이 것도 평가되어야합니다. 바이오사이드, 조류및 pH 조정은 어떤 액체 냉각제를 선택하느냐에 따라 시스템 유지에 도움이 될 수 있습니다.
| 재료 및 이송 유체 호환성 | 물 | EGW (약 ) (주) | 탈염수 | 기름 | 유전체 유체 (예: 불소™) | 폴리알파올레핀(PAO) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 구리 튜브 | Ⅹ | Ⅹ | ||||
| 스테인레스 스틸 튜브 | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | |||
| 알루미늄 플랫 튜브 또는 플레이트 핀 | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | ||
| 구리 플랫, 구리 에칭 또는 구리 브레이징 | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | Ⅹ | |
| 기계 가공 | Ⅹ |
부식 방지
부식은 두 가지 방법으로 문제를 일으킬 수 있습니다. 물질은 부식되어 누출로 이어질 뿐만 아니라 부식된 물질을 시스템의 다른 곳에 증착하고 유체 통로 또는 필터를 차단할 수 있습니다. 이로 인해 절삭유 흐름이 감소하는 압력 강하가 발생할 수 있습니다. 또한 활성 열 전달 표면에서 증착이 발생하면 오염으로 인한 추가 열 저항이 온도 상승을 일으킬 수 있습니다.
갈바닉 부식과 침식 부식은 액체 냉각 루프에서 최소화되어야 합니다. 갈바닉 부식은 전도성 액체와 같은 전해질이 있을 때 이종 금속이 서로 전기적으로 접촉할 때 발생합니다. 대부분의 수성 냉각수는 어느 정도 전해성입니다. 갈바닉 부식을 방지하기 위해 루프는 시스템 전반에 걸쳐 유사한 재료로 설계되어야 하며, 이상적으로는 하나의 금속으로 설계되거나 비전도성 유체를 사용해야 합니다. 시스템의 모든 재료의 갈바닉 전위를 고려해야합니다. 여기에는 1차 열 부품뿐만 아니라 유체 경로의 모든 커넥터, 피팅, 밸브 및 접합부도 포함됩니다.
침식 부식은 유체 및 금속 표면의 상대적인 움직임으로 인해 금속의 부식 속도의 가속도입니다. 파이프 굽힘 및 팔꿈치, 튜브 수축 및 유동 방향 또는 속도를 변경하는 기타 구조에서 가장 자주 발견됩니다. 침식 부식은 구리 및 알루미늄과 같은 연약한 합금에서 가장 널리 퍼집니다.
침식 부식을 최소화하기 위한 몇 가지 방법에는 굽힘이 더 큰 각도를 갖도록 허용하고, 갑작스럽게 파이프 지름을 점진적으로 변경하고, 디버링을 통해 파이프 내유선을 개선하는 것, 즉 요철을 부드럽게 하는 것이 포함됩니다. 다른 방법은 용존 산소의 양을 감소, pH를 변경, 다른 금속 또는 합금파이프 재료를 전환 포함. 부식에 대한 자세한 내용은 "냉각 시스템의 침식 부식" 및 "갈바닉 부식 방지"를 참조하십시오.
응축 및 액체 냉각 루프 설계
부식을 최소화하는 것 외에도 결로를 최소화하거나 방지하는 것이 중요합니다. 주변 온도 이하의 냉각수를 사용할 경우 의 위험 중 하나는 냉각 표면에서 응결이 발생할 수 있다는 것입니다. 이 응축은 전자 제품에 물방울을 떨어뜨리거나 시스템 바닥에 모여 부식을 일으킬 수 있습니다. 응결을 방지하기 위해 이러한 표면을 절연하거나 더 높은 유체 온도를 사용하여 주변 이슬점 위로 표면 온도를 유지할 수 있습니다. Boyd는 라인 온도를 유지하고 결로 및 잠재적 손상을 방지하기 위해 SOLIMIDE® 폼과 같은 다양한 절연 재료를 제공합니다.
적절하게 설계되고 유지관리된 액체 냉각 루프에서 누출은 매우 드물다. 그러나 잠재적인 누출의 영향을 최소화하기 위해 냉각수 나 응축수가 떨어지거나 분사될 경우 단락되는 전자 장치 아래에 저장소 및 액체 루프를 배치할 수 있습니다. 다른 옵션으로는 전기 시스템의 고전압 부분에 액체 차폐 또는 장벽을 설치하는 것이 있습니다.
액체 냉각 루프를 설계할 때 표준 또는 사용자 지정 부품을 사용할 수도 있습니다. 각각의 장점과 단점이 있습니다. 교체가 필요한 경우 표준을 쉽게 사용할 수 있습니다. 반면 사용자 지정 부품은 응용 프로그램의 크기, 성능 및 장치 요구 사항에 맞게 최적화됩니다. 그러나 리드 타임이 길어지고 비용이 더 많이 들 수 있습니다.
조인트, 피팅 및 커넥터
The number of joints in the cold plate or heat exchanger is important. When there are more joints that must be brazed, there is a higher risk of leaks. It is important to ensure that the manufacturer is highly skilled at brazing, has proper test procedures in place, and eliminates any unnecessary braze points within a custom component.
누출을 방지하려면 올바른 피팅을 선택하고 적절하게 사용해야 합니다. 누출방지 조인트의 경우, 비드 튜브 피팅 메이트와 클램프로 고정된 호스가 있습니다. 하드 배관은 일반적으로 호스보다 바람직하지만 호스는 시스템이 충격이나 진동에 노출되는 환경에서 사용할 수 있습니다. 직선 튜브 피팅이 있는 장치를 시스템에 용접하거나 자체 잠금, 토크 프리 피팅과 함께 사용할 수 있습니다. 물방울이 없는 빠른 분리 커플러를 사용하면 피팅을 연결하거나 분리할 때 가끔 씩씩한 액체 가을을 예상해야 합니다. 자세한 내용은 "빠른 분리 커플러 선택"에 대한 신청서를 검토하십시오.
또 다른 옵션은 자동차 엔지니어 협회 (SAE) 재료 사양 또는 군사 사양에 제조 된 O 링 피팅을 사용하는 것입니다. 이 피팅은 다양한 재료와 크기로 제공되며 신뢰할 수있는 누출 방지 씰을 제공합니다. Boyd의 O-Ring 포트폴리오와 전문 지식은 시스템 내 누출을 방지하기 위해 올바른 재료, 인증 및 크기를 신속하게 선택할 수 있도록 도와줍니다.
유지 보수 및 서비스
Although maintenance and service may be the last thing engineers consider when designing a liquid cooling loop, including this consideration in the design process will help to reduce problems over the long term. Several different types of questions must be answered.
For example:
- 펌프의 수명 동안 윤활이 필요합니까, 아니면 냉각수가 해당 기능을 수행합니까?
- 유체 저장소가 토핑이 필요합니까?
- 필드 교체가 가능한 구성 요소는 무엇입니까?
- 유지 관리 일정은 어떻게 됩니까?
- 필요한 펌프 수명은 무엇입니까?
- 펌프 교체가 필요한 경우 시스템을 충전하고 시스템을 어떻게 시작합니까?
다른 질문은 사용자가 시스템을 다시 작동시키기 위해 수행해야 하는 작업과 관련이 있습니다.
- 전자 제품이나 콜드 플레이트 또는 전자 판을 제거해야 하며 새 전자 판을 스냅하여 쉽게 제거하고 교체할 수 있습니까?
- 콜드 플레이트를 교체하면 냉각 유체와 함께 배송되나요?
- OEM은 시스템 또는 현장 교체 가능한 장치를 유체로 채우나요?
- 그렇다면, 유체의 동결은 매우 차가운 항공기화물 보유와 같은 우려가 될 수 있습니다.
이러한 질문은 설계, 운영 및 유지 관리 팀의 구성원이 고려해야 합니다. 결정에 영향을받는 모든 개인을 참여시키는 것은 미래에 원활한 운영을 보장하는 데 도움이 될 것입니다.
재료 호환성, 부식 방지, 응결 제어, 액체 냉각 루프의 위치, 표준 대 맞춤형 부품, 조인트, 피팅, 커넥터, 호스 및 유지 보수 및 서비스 요구 사항은 모두 수정된 표준 또는 맞춤형 액체 냉각 루프를 설계할 때 고려해야 합니다. 시스템에 적절하게 통합되면 액체 냉각은 위험이 낮은 매우 효과적인 열 제거를 제공할 수 있습니다. 오늘날 수만 개의 냉판과 열교환기는 가장 까다롭고 고성능 응용 분야에서 액체 냉각 전자 장치입니다.
리처드 골드만과 트레이시 이발사에 의해 작성된
RTC 잡지에 실린 오리지널, 7월 2006일
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