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/m 2 K Neste α = 100 5000 W/m 2 K 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
Suuritehoiset komponentit voidaan jäähdyttää tehokkaasti upottamalla ne dielektriseen nesteeseen hyödyntämällä samalla kiehumisen suurta konvektiokerrointa (α = 1000 100000 W/m 2 K) Myös vapaaseen konvektioon perustuvia upotusjäähdytysratkaisuja on olemassa Vakiopaineessa oleva neste kiehuu isotermisesti tietyssä kyllästystilassa, jolloin suuri määrä absorboituu tasaiseen nesteeseen Itse kylpy on vakiotilassa, joten hot-spotit eliminoituvat Avoin ja suljettu kierto mahdollinen Paineenalennusventtiili Nestesäiliö Varoventtiili Höyry Dielektrinen neste Jäähdytettävät komponentit 2
Tuuletin Höyry Ilmajäähdytteinen lauhdutin Rivat Jäähdytysaine ulos Jäähdytysaine sisään 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
Paisuntasäiliö Jäähdytysilma ulos Rivat Dielektrinen neste Jäähdytysilma sisään Puhallin Lämpö siirretään altaan ulkoseinän kautta ilmaan Käyttövarmin uppojäähdytin Tehokkuus määräytyy ulkoisen jäähdytysjärjestelmän perusteella Komponentin teho [W] T neste = 5 C 20 Lämpövuo [W/m 2] 43.8 D A = 0.457 cm 2 10 21.9 9 8 7 6 5 4 3 C B 17.5 13.1 11.0 8.8 6.6 A-B vapaa konvektio B-C kuplanmuodostus ja kiehuminen C-D täydellinen kiehuminen 2 4.4 A 2.2 10 20 30 40 50 70 100 T komponentti - T neste [ C] 4
Sydän Nestevirtaus Lämpö sisään Höyryvirtaus Lämpö ulos Höyrystin Adiabaattinen osa Lauhdutin Kapillaari-ilmiön ansiosta putki toimii mielivaltaisessa asennossa gravitaatiokentässä. Lämpöputken toiminta on kuitenkin tehokkaimmillaan silloin, kun gravitaatiovoimat ja kapillaarivoimat vaikuttavat samaan suuntaan (putken 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 tilassa, jota kutsutaan kyllästystilaksi. Siten paineenmuutos putkessa muuttaa sitä tilaa, jossa faasimuutos tapahtuu Vakiopaineella tai vakiotilassa määrä, jolla massayksikkö nestettä höyrystyy on yhtä suuri kuin sen lauhtuessa luovuttama määrä Kapillaari-ilmiön vaikutuksesta putken sydämeen kehittyvä kapillaaripaine liikuttaa nestettä jopa gravitaatiokenttäävastaan Kanavassa oleva neste virtaa alempaa painetta kohden Yksinkertaisen putken, 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 putkella voidaan siirtää jopa 300 W teho 5
Toiminta-alue oltava kolmoispisteen ja kriittisen pisteen välissä Fluidi Lämpötila-alue [ C] Helium -271-268 Vety -259-240 Neon -248-230 Typpi -210-150 Metaani -182-82 Ammoniakki -78-130 Vesi 5 230 Elohopea 200 500 Cesium 400 1000 Natrium 500 1200 Litium 850 1600 Kupari Luovutettu Kupari Absorboitunut Aukkojen suunta N-tyypin puolijohde + - DC-lähde P-tyypin puolijohde + - DC-lähde Absorboitunut Elektronivirran suunta Luovutettu N-tyypin puolijohde P-tyypin puolijohde 1 pelletti 5 A/60 mv 6
Luovutettu N P N P N P - + Absorboitunut 254 pellettiä 16 V/ 5 A Laitteen kotelossa oleva jäähdytyslevy Peltier-elementti Kotelon ulkopuolinen jäähdytyselementti 7
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 ä 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