공기 대 액체 냉각: 전력 전자 장치용 열 관리 의 발전

지난 수십 년간 전력과 에너지는 전자 분야에서 가장 빠르게 성장하는 두 가지 산업으로 떠올랐습니다. 전력 변환, 역변환, 정류를 비롯하여 배터리 및 연료 전지 기술까지 모든 산업에서 기술적 성장에 불가결한 요소로 떠올랐습니다.

전력 전자 시스템이 더욱 복잡해지고 더 높은 전력 범위에서 수행됨에 따라 폼 팩터가 작아지면서 열을 달성할 수 있는 가장 큰 제한 요소 중 하나가 됩니다. 소멸되는 전력의 양을 처리하려면 과도한 열을 적절히 제거하기 위해 공기 냉각 솔루션을 최적화하고 확대해야 합니다. 경우에 따라 크기는 강제 대류 솔루션의 제한 요소가 됩니다. 공기 냉각 시스템의 크기 또는 무게가 비실용적이게 만드는 이러한 경우 액체 냉각이 가장 인기있는 대체 방법이되고 있습니다.

공랭식 시스템에서 액체로 전환하는 것은 신속하고 가볍게 결정되는 것이 아닙니다. 더 높은 열 부하를 처리하기 위해 열 관리를 개선할 때 고려해야 할 많은 요소와 가능성이 있습니다. 시장 동향에 따르면 전체 액체 냉각 시스템은 결국 냉각 전력 전자 장치의 업계 표준이 될 것이지만 시스템이 발전하거나 업그레이드 될 때 두 가지 이점을 모두 적용 할 수있는 많은 옵션과 하이브리드 솔루션이 있습니다. 예산 또는 일정의 제약으로 인해 액체로의 직접 전환이 비현실적 인 경우 설계 개선을 통해 또는 두 개의 상 냉각 또는 액체 구성 요소를 도입하여 강제 대류 솔루션을 최적화하는 것이 실행 가능한 임시 솔루션입니다.

엔지니어들은 시간이 지남에 따라 공랭식 시스템을 완전히 대체하기 위해 확장할 수 있는 기존 공랭식 솔루션을 보완하는 액체 시스템을 개발해 왔습니다. 이것은 액체 냉각으로 즉각적인 이익을 얻을 수있는 전자 장치에 초점을 맞춤으로써 수행됩니다. 유체 커플링, 신뢰할 수 있는 펌프 시스템 및 소형 열교환기를 활용하는 이 시스템은 공기 흐름에서 액체로 열을 제거하여 다른 곳으로 이송 및 관리합니다. 다른 경우, 엔지니어들은 공랭식 시스템을 액체 냉각으로 완전히 교체하여 즉시 더 높은 전력 출력을 가능하게 하고 열 성능을 최적화하기로 결정했습니다.

전력 전자 장치와 시설의 성능을 개선하기 위해 액체 냉각으로 변환을 고려하고 계신 경우, 여러 가지 핵심 결정 요인이 있습니다.

필요한 크기와 무게, 열 성능은 어느 정도입니까?
공랭식 시스템을 더 최적화할 수 있습니까?
귀사의 용도에 공랭식 시스템이 실용적인 열 관리 솔루션으로 얼마나 더 오래 기능할 수 있을까요?
액체 또는 용적의 가용성에 제약 사항이 있습니까?
액체 냉각에 대한 투자가 성능과 효율성을 향상시키는 데에 얼마나 걸릴까요?
액체 냉각 방식을 귀사의 용도에 어떻게 구현 또는 설계해 넣을 수 있을까요? 용도/시설 가동 중단에는 어떤 영향을 미치게 될까요?
언제 어떻게 시작하시겠습니까?

공랭식의 장점

공랭 시스템은 액체 시스템보다 훨씬 저렴합니다. 조정된 유체 또는 전문적 유체가 필요 없으며 부품이 액체 시스템용보다 경제적이고 필요한 부품 수량도 적습니다. 누출될 액체가 없고 고장이 날 부품도 적기 때문에 고장 양상도 적습니다. 공랭 시스템은 신뢰성이 더 높고 소용 비용이 적을뿐만 아니라 수정 또는 업그레이드도 쉽습니다.

공랭식의 한계

일반적인 응용 분야에서 공기 냉각 시스템은 압출 또는 본딩 핀 방열판과 종종 팬으로 구성됩니다. 신뢰성이 중요한 요소인 경우 엔지니어는 팬을 포기하고 대신 수동 솔루션을 선택할 수 있습니다. 자연 대류와 강제 대류 모두 한계가 있습니다. 자연 대류는 열을 발산하는 데 필요한 전체 표면적에 의해 제한됩니다. 이것은 종종 비실용적 인 크고 무거운 솔루션을 필요로합니다.

강제 대류 솔루션은 압력 강하에 의해 제한됩니다. 실현 가능한 부피의 넓은 표면적을 가진 방열판은 많은 양의 공기 저항을 발생시켜 흐름의 양을 방해하므로 팬이 생산할 수있는 열 전달을 방해합니다. 더 큰 강제 대류 솔루션은 또한 더 크거나 더 많은 팬이 필요하므로 솔루션에서 발생하는 소음의 양이 증가합니다.

그러나 공랭식 솔루션의 가장 큰 한계는 열 성능입니다. 공기는 열을 흡수하고 전달하는 액체와 동일한 용량을 가지고 있지 않습니다. 특정 임계 값에서 공기 냉각은 불충분 한 솔루션이되고 액체 냉각이 필요합니다.

공랭식의 수정과 하이브리드 솔루션

공랭식 시스템을 개선하는 세 가지 일반적인 방법이 있습니다. 첫 번째는 방열판 설계 및 팬 선택을 최적화하는 것입니다. 더 많은 공기 흐름을 생성하거나, 핀 형상을 최적화하거나, 방열판 볼륨을 늘리는 것은 추가 기술을 도입하지 않고도 공랭식 솔루션을 개선하는 방법입니다. 두 번째는 설계에 두 단계 냉각을 도입하는 것입니다. 히트 파이프는 더 높은 전력 밀도를 확산시키거나 열을 더 쉽게 발산할 수 있는 영역으로 이동시키기 위해 통합될 수 있다. 공랭식 용액의 성능을 높이는 세 번째 가장 일반적인 방법은 수동 열사이펀과 같은 액체 시스템의 요소를 도입하기 시작하는 것입니다.

액냉식의 효능

액체는 같은 질량일 때 열전달 능력이 공기보다 최대 4배 우수합니다. 따라서 소형 솔루션에서 더 우수한 열 성능을 발휘합니다. 액체 냉각 시스템은 일반적으로 열원 및 장치와 접하는 냉각판과 유체를 시스템에 순환시키는 펌프, 장치로부터 액체가 흡수한 열을 제거하는 열 교환기로 이루어진 유압 회로입니다. 액체 냉각판은 같은 용도의 공랭식에 사용되는 히트 싱크보다 작용 범위가 훨씬 작습니다. 또한, 여러 개의 냉각판을 같은 열 교환기에 성능에 대한 영향을 최소화하면서 연결할 수 있습니다. 액냉식은 유속뿐만 아니라 냉각판 유입 온도도 제어할 수 있기 때문에 냉각 시스템 제어 수준이 더 높습니다.

액냉식의 잠재적 리스크와 장단점

일부는 추가적인 복잡성과 누출에 대한 두려움 때문에 액체 냉각을 채택하는 것을 꺼려했습니다. 복잡성은 종종 솔루션 비용과 시스템 실행을 유지하는 데 필요한 유지 보수의 양을 증가시킵니다. 그러나 향상된 냉각 성능으로 장치의 수명과 신뢰성이 향상된다는 점에서 추가 비용이 완화됩니다. 복잡성 때문에 액체 냉각은 전력 전자 장치에 통합하기 위해 더 나은 계획과 설계가 필요합니다. 냉판은 압출 또는 방열판보다 훨씬 작지만 열교환기, 튜브, 저장소 및 펌프가 모두 고려되면 전체 솔루션이 더 많은 부피를 차지하는 경향이 있습니다. 엔지니어는 나중에 합병증을 피하기 위해 초기 설계 단계에서이 모든 것을 고려해야합니다. 적절한 선견지명을 통해 시스템의 복잡성은 시스템 설계에 더 많은 유연성이 있기 때문에 유익할 수 있습니다.

액체 냉각 솔루션

하이드로싱크™

HydroSink™ 시스템은 최적화된 열교환기, 팬, 펌프, 밸브, 저장소, 피팅, 센서 및 제어 보드의 표준 세트를 맞춤형 콜드 플레이트와 결합하여 주어진 요구 사항에 가장 적합한 액체 냉각 솔루션을 설계하는 구성 가능한 방법입니다.

HydroSinks는™ 구성 가능하고 설계 요구 사항에 더 쉽게 적응할 수 있기 때문에 표준 액체 냉각 시스템보다 설계 및 설치에 더 많은 유연성을 제공합니다. 인클로저 내의 액체 콜드 플레이트, 제어 보드 및 고객 기계 제어의 밀봉 및 연결도 사용자 정의 할 수 있습니다.

HydroSinks는™ 주로 표준 최적화 구성 요소 세트로 구성되어 있으므로 기존의 맞춤형 액체 냉각 및 공랭식 부품보다 비용 효율적입니다.

현재 HydroSink는™ 소형 및 중형의 두 가지 기본 소형 시스템 크기로 제공됩니다. 최종 고객 HydroSink™ 시스템의 실제 크기는 구성에 따라 다릅니다. 크기는 팬 크기와 냉각 성능을 기준으로 합니다. 소형은 kW 당 7-20 °C의 온도 상승에서 작동하며 매체는 kW 당 3-9 ° C의 상승으로 작동합니다.

액체 냉각판

맞춤형 액체 콜드 플레이트는 HydroSink™ 시스템의 필수적인 부분입니다. Boyd는 응용 분야와 요구 사항에 따라 전체 시스템을 최적화하기 위해 개발된 네 가지 독특하고 혁신적인 냉판 설계를 제공합니다. 모든 콜드 플레이트는 누출이 없고 신뢰할 수 있는 솔루션을 보장하기 위해 특수 인증 절차를 활용하여 걱정 없는 액체 냉각을 위해 제작되었습니다.

Hi-Contact™ 튜브 냉각판

보이드 하이컨택트™ 튜브 액체 콜드 플레이트는 압출 알루미늄 플레이트에 맞는 연속 튜브 프레스를 활용하는 고성능 어셈블리를 갖추고 있습니다. Boyd Hi-Contact™ 공정에 사용되는 특허받은 지오메트리는 유체를 열을 발생시키는 장치에 더 가깝게 이동시켜 튜브 콜드 플레이트에서 최상의 열 성능을 달성합니다. Boyd의 Hi-Contact™ 액체 콜드 플레이트의 성능을 더욱 향상시키기 위해 열 에폭시를 조인트에 적용하여 튜브와 플레이트 사이에 갭이 없는 열 인터페이스를 제공합니다. HiContact™ 플레이트는 사용자 정의가 쉽고 표준 크기로 제공됩니다.

블리스터 냉각판

블리스터 기술은 바닥판에 채널을 찍어내 채널 가공의 필요성을 없애고 생산 원가를 크게 절감합니다. 바닥/커버 판과 블리스터 채널 사이에 누출이 없는 연결부가 형성되어 액체 채널의 위치에 관계없이 냉각판 상부에 장착 구멍을 뚫을 수 있는 훨씬 큰 융통성을 제공합니다.

소용돌이형 액체 냉각판

보이드 볼텍스 액체 콜드 플레이트는 초고출력 응용 제품을 냉각하도록 설계되었습니다. 이 콜드 플레이트는 SCR 유형 장치를 냉각 할 때와 같이 높은 압축 부하가 적용될 수있는 응용 분야를 위해 처음 개발되었습니다. 특허받은 유로 지오메트리를 사용하여 Vortex 액체 콜드 플레이트의 양면이 고르게 냉각됩니다. 따라서 두 표면 모두에서 동등하고 일관된 성능을 제공하고 더 예측 가능한 환경을 조성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

확대 면 액체 냉각판

보이드 확장 표면 액체 콜드 플레이트는 내부 표면적을 증가시켜 전반적인 열 전달을 향상시킵니다. 혁신적인 기술과 제조 공정은 액체 콜드 플레이트 내에서 액체와 플레이트 접촉 영역을 증가시키는 데 사용됩니다. 진공 브레이징 구조는 높은 열전도율을 유지하면서 누출없는 조인트를 보장합니다. 보이드 확장 표면 액체 콜드 플레이트는 설계 유연성을 향상시키기 위해 특별히 제작되었으며 응용 설계에 최적화된 흐름 경로를 위해 쉽게 사용자 정의 할 수 있습니다.

최종 결론

액체 냉각 및 최적화된 공랭식 시스템을 위한 효과적인 설계의 핵심은 설계 단계 초기에 열 관리를 가능한 한 고려하는 것입니다. Boyd는 모든 단계에서 들어올 수 있는 설계, 엔지니어링 및 테스트 서비스를 제공하며 요구 사항, 제약 조건, 일정, 예산 및 기타 중요한 요소를 기반으로 최상의 솔루션을 개발할 수 있습니다.

전 세계의 설계 센터를 통해 Boyd는 모든 고객에게 완전히 최적화된 시스템을 설계하고 제조하는 데 필요한 엔지니어링 서비스를 제공할 수 있습니다. 엔지니어는 액체 냉각 또는 공랭이 필요한지 분석하는 것부터 최적화된 통합 시스템 개발, 전체 장치의 신뢰성 및 검증 테스트에 이르기까지 모든 단계에서 사용할 수 있습니다.